Au系钎料模片接合半导体装置及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用Au系钎料将Cu基板和半导体元件接合而成的半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]目前，正在开发使用碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)、金刚石(C)等宽带隙半导体的功率半导体装置。这种功率半导体装置即使是较高的半导体接合温度(Tj)，与现有的使用硅(Si)或砷化镓(GaAs)的功率半导体装置相比，通态电阻也低，也能够进行高速开关。因此，期待在半导体装置的小芯片化的同时，能够实现构成系统的无源零件或冷却器的小型化，且能够实现小型、轻量且价格低的功率电子系统。
[0003]对构成这种以高半导体接合温度(Tj)而工作的功率半导体装置的半导体元件芯片和金属基板的接合部分，即，模片接合(dia attachment)部分，理所当然地要求具有高耐热性。通常，作为金属基板，从导电性、导热性、价格这些方面来看，使用以铜(Cu)为主要原料的板材，大多以粘贴于陶瓷绝缘基板的形态而使用。以下，也包含粘贴于陶瓷绝缘基板的基板在内，简称为“Cu基板”。
[0004]另一方面，广泛用作接合材料的是高熔点Au系钎料(参照非专利文献1、2、3)。在此所说的Au系钎料是共晶AuGe钎料(熔点356°C )、共晶AuSi钎料(熔点363°C )、共晶AuSn钎料(熔点280 °C )等。
[0005]现有技术文献
[0006]非专利文献
[0007]非专利文献1:P.Alexandrov, W.Wright, M.Pan, M.Weiner, L.Jiao, J.H.Zhao, Solid-State Electron., 47(2003)p.263.
[0008]非专利文献2:R.W.Johnson and L.Williams, Mater.Sc1.Forum 483-485 (2005)p.785
[0009]非专利文献3:S.Tanimoto, K.Matsui, Y.Murakami, H.Yamaguchi, and
H.0kumura, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May 11-13,2010,Albuquerque, NewMexico, USA), pp.32-39.
[0010]在现有的半导体装置的Au系钎料模片接合中，采用的是通过对Cu基板实施作为阻挡金属而发挥功能的致密的Ni等的电镀，半导体元件(SiC)芯片将已接合的Au系钎料层从Cu基板隔断的结构。但是，当在高温下长期持续使用这种半导体装置时，钎料接合层的接合强度就会随着时间而下降，往往最终发生半导体芯片从镀层附近剥离这种问题。该劣化现象越在高温下越激烈，且会在短时间内显现。
[0011]例如，在上述的非专利文献3中，报道的是，在将在Ni镀Cu板上通过AuGe钎料而接合有SiC芯片的模片接合放置在300°C的大气中时，其接合强度在约3000小时后会下降到IEC60749 - 19规格规定的下限附近。
【发明内容】
[0012]本发明是为解决这种现有课题而完成的，其目的在于，提供一种Au系钎料模片接合半导体装置及其制造方法，其能够延迟因半导体装置的加热引起的接合强度的劣化，能够延长剥离模式寿命。
[0013]为了实现上述目的，在本申请发明中，在Cu基板和Au系钎料层之间配设具有以在俯视时成为规定形状的方式构图的微细槽的致密金属膜，分别在Cu基板、Au系钎料层及致密金属膜的微细槽埋设有以Cu和Au为主要元素的微小亚铃截面构造体。
【附图说明】
[0014]图1是本发明一实施方式的半导体装置的主要部分剖面图；
[0015]图2是用于对图1所示的半导体装置的制造方法进行说明的剖面图；
[0016]图3是用扫描电子显微镜将通过本发明的半导体装置的制造方法而制作出的半导体装置的截面的微小亚铃截面构造体拍摄所得的照片；
[0017]图4是与现有例对比地表示将本实施方式的半导体装置在300°C下放置了 3000小时时的接合强度的说明图；
[0018]图5是表示本发明的半导体装置所使用的致密金属膜的微细槽形状的例子的说明图。
[0019]符号说明
[0020]I 半导体元件
[0021]2 Cu 基板
[0022]3 Au系钎料层
[0023]4 微小亚铃截面构造体
[0024]11欧姆接触件
[0025]12安装电极
[0026]21陶瓷基板
[0027]22 金属 Cu 板
[0028]23致密金属膜
[0029]24微细槽
[0030]100半导体装置
【具体实施方式】
[0031]下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式的半导体装置的结构的剖面图。此外，本实施方式的构造说明所使用的剖面图为了促进理解，放大了厚度方向(图中，上下方向)的尺寸。
[0032]另外，在下面的说明中，以使用SiC功率元件作为半导体元件1、使用共晶AuGe钎料作为Au系钎料层3、使用在SiN陶瓷基板的两面粘贴有以Cu为主要原料的金属Cu板而成的基板作为Cu基板2的情况为例进行说明。
[0033]但是，这只是一个例子，作为半导体元件1，即使是GaN元件、金刚石元件、ZnO元件等其他宽带隙半导体元件或以高温用途为目的的Si半导体元件(SOI元件或传感器元件)，也可同等地应用。
[0034]另外，用作Au系钎料层3的Au系钎料是以Au为主要原料的钎料，作为典型的例子，为共晶AuGe钎料、共晶AuSi钎料、共晶AuSn钎料等。进而，也可以为这些钎料的混合物，另外，也可以在这些共晶钎料中添加其他元素。进而，不必为共晶成分，也可以为液相线温度大约在420°C以下的过共晶成分、亚共晶成分。
[0035]另外，Cu基板2不局限于粘贴在SiN陶瓷基板上，既可以为粘贴于其他种类的陶瓷基板(氧化铝或氮化铝、氧化铍等)上的Cu基板，也可以为引线框那样的以Cu为主要材料的单纯的金属板。
[0036]如图1所示，本实施方式的半导体装置100具有通过Au系钎料层3将Cu基板2和半导体元件I (半导体元件芯片)而接合在一起的模片接合构造。即，本实施方式的半导体装置100是具有在半导体元件芯片(半导体元件I)和以Cu为主要原料的Cu基板2之间夹持Au系钎料层3的模片接合构造的Au系钎料模片接合半导体装置。
[0037]半导体元件I是碳化硅(SiC)功率半导体元件，在背面(图中，下侧的面)形成有欧姆接触件11，在欧姆接触件11的表面(图中，下方)，覆盖有以改善钎料的润湿性、防止钎料的侵入、提高附着力等为目的的安装电极12。安装电极12例如可举出Ti/Ni/Ag层叠蒸镀膜(Ti与欧姆接触件11接触且Ag成为最表面的层构造)。
[0038]Cu基板2呈在SiN陶瓷基板21的至少单面通过钎焊等而粘贴有以Cu为主要原料的金属Cu板22的构造。在金属Cu板22的表面，配设有具有微细槽24的致密金属膜23。该致密金属膜23是由Ni膜、或Co膜、或者NiCo混合膜(Ni和Co双方)或Ni/Co层叠膜等构成的金属膜，发挥钎焊确保润湿性、和防止Au系钎料层3与金属Cu板22全面接触的作用。另外，致密金属膜23厚度不足10 μ m，最容易通过无电解电镀而形成，成本低廉，但也可以通过溅射或电子束法等其他成膜方法而形成。这时，通过无电解电镀而制作出的Ni膜或Co膜就变成高浓度地含有P (磷)的Ni — P膜、Co — P膜。
[0039]致密金属膜23