JP5733466B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置、特に表面にアルミニウム系金属を備えた半導体チップと、少なくとも表面がアルミニウム系金属である配線金属とを接合して成る半導体装置の製造方法と、このような方法により製造された半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, in particular, a semiconductor device comprising a semiconductor chip having an aluminum-based metal on the surface and a wiring metal having at least a surface made of an aluminum-based metal, and manufactured by such a method. The present invention relates to a semiconductor device.
近年の半導体装置、特に、大電流密度の所謂ハイパワーモジュールと称する半導体装置においては、高温環境下でも使用可能であることが要求されている。
そのため、半導体装置の実装構造においては、高温に保持されたり、高温熱サイクルを受けたりした場合の高温耐久性に優れた接合部が強く望まれている。また、環境保全の観点からすると、Pb(鉛)フリーの接合技術が必須となっている。2. Description of the Related Art Recent semiconductor devices, particularly semiconductor devices called high power modules having a large current density, are required to be usable even in a high temperature environment.
Therefore, in a mounting structure of a semiconductor device, a joint having excellent high temperature durability when held at a high temperature or subjected to a high temperature thermal cycle is strongly desired. From the viewpoint of environmental protection, a Pb (lead) -free joining technique is essential.
このような半導体装置の実装のための接合には、現状では、Sn(錫)−Ag(銀)−Cu(銅)系のはんだが広く使われているが、使用温度がはんだの融点(例えば200℃程度)以下に制限される。また、例えば、電極がCuである接合部においては、界面にCu−Sn系の脆い金属間化合物層が生成し、高温耐久性に乏しいものとなる。
そのため、接合部の高温耐久性を確保するために、いろいろな試みがなされている。Currently, Sn (tin) -Ag (silver) -Cu (copper) based solder is widely used for bonding for mounting such semiconductor devices, but the operating temperature is the melting point of the solder (for example, It is limited to about 200 ° C. or less. Further, for example, in a joint where the electrode is Cu, a Cu-Sn brittle intermetallic compound layer is generated at the interface, resulting in poor high-temperature durability.
Therefore, various attempts have been made to ensure the high temperature durability of the joint.
例えば、金属ナノ粒子の活性な表面エネルギーを利用して、低温にて凝集、接合する低温接合工法が提案されている(特許文献1参照)。この接合工法を用いれば、凝集した後の接合界面はバルク金属となるため、高い、高温耐久性を有する。 For example, a low-temperature bonding method has been proposed in which active surface energy of metal nanoparticles is used to aggregate and bond at a low temperature (see Patent Document 1). If this joining method is used, the joining interface after agglomeration becomes a bulk metal, and thus has high durability at high temperatures.
しかしながら、金属ナノ粒子として、Au(金)、Ag(銀)といった貴金属を用い、このような金属ナノ粒子の表面に有機物を修飾したような構造をとるため、非常に高コストなものとなり、実際に量産適用するには現実的ではない。また、粒子が凝集した構造となり、しかも有機物が接合プロセス時にガス化して、残存することから接合部にはボイドが存在するため、継手強度のバラツキの大きいものとなるという問題がある。 However, since noble metals such as Au (gold) and Ag (silver) are used as metal nanoparticles, and the surface of such metal nanoparticles is modified with an organic substance, it is very expensive. It is not practical to apply to mass production. In addition, there is a problem that the structure has a structure in which particles are agglomerated, and the organic matter is gasified during the joining process and remains, so that voids exist in the joint, resulting in large variations in joint strength.
なお、高温はんだとしてはこの他に、Au系の組成を有するものとして、Au−Ge(ゲルマニウム)系はんだや、Au−Sn系はんだがあるが、これらも、貴金属であるAuを用いているため、非常に高コストなものとなり、上記同様、現実的ではない。 Other high-temperature solders include Au-Ge (germanium) -based solders and Au-Sn-based solders that have an Au-based composition, but these also use precious metal Au. It becomes very expensive and is not realistic as described above.
本発明は、半導体装置の実装構造に適用される従来の接合技術における上記したような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高温耐久性に優れ、しかも貴金属やPbを用いることなく、低コストな接合を可能にする半導体装置の製造方法を提供することにある。また、このような接合方法を適用した低コストで高温耐久性に優れた半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems in the conventional bonding technology applied to the mounting structure of a semiconductor device. The object of the present invention is excellent in high-temperature durability, and furthermore, precious metal and Pb. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device that enables low-cost bonding without using a semiconductor device. It is another object of the present invention to provide a low-cost and high-temperature durability semiconductor device to which such a bonding method is applied.
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、半導体チップと配線金属の接合面をアルミニウム系金属とすると共に、これらの間にインサート材を介在させ、接合面に微細凹凸を形成し、接合界面にAlとインサート材との共晶反応を生じさせることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive investigations to achieve the above object, the present inventors have made the joining surface of the semiconductor chip and the wiring metal an aluminum-based metal, and interposed an insert material between them to make the joining surface fine. It has been found that the above problems can be solved by forming irregularities and causing a eutectic reaction between Al and the insert material at the bonding interface, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Alと共晶反応を生じるZnを主成分とする金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつAlと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合することを特徴とする。 That is, the present invention is based on the above knowledge, and in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, an aluminum-based metal provided on the bonding surface of the semiconductor chip and an aluminum-based metal provided on at least the bonding surface of the wiring metal. And an insert material containing a metal containing Zn as a main component that causes a eutectic reaction with Al, and a fine unevenness for breaking the oxide film on the surface of the aluminum-based metal. Provided on at least a part of the surface, the semiconductor chip and the wiring metal are relatively pressurized and heated to a temperature at which a eutectic reaction between Al and the insert material occurs, and the eutectic reaction melt generated at the bonding interface is It is discharged together with the oxide film, and the semiconductor chip and the aluminum metal of the wiring metal are directly bonded to each other at at least a part of the bonding interface. To.
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと配線金属とが接合されて成る半導体装置であって、上記方法によって製造することができ、上記半導体チップはアルミニウム系金属を表面に備え、上記配線金属は少なくとも表面にアルミニウム系金属を備え、上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合され、この直接接合部の周囲にAlとZnの共晶組成物と、Alの酸化物を含む排出物が介在していることを特徴としている。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor chip and a wiring metal are joined, and can be manufactured by the above method, and the semiconductor chip has an aluminum-based metal on the surface, and the wiring metal Has an aluminum-based metal at least on its surface, and the semiconductor chip and the aluminum metal of the wiring metal are directly bonded at at least a part of the bonding interface, and an eutectic composition of Al and Zn is formed around the direct bonding portion. Further, the present invention is characterized in that an effluent containing an oxide of Al is present.
本発明によれば、接合部に設けた微細凹凸によってアルミニウム系金属表面の酸化皮膜が破壊され、Alとインサート材との間に共晶反応が生じ、低温、低加圧で酸化皮膜を除去して、半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を強固に接合することができ、低コストで高温耐久性に優れた接合が可能になる。 According to the present invention, the oxide film on the surface of the aluminum-based metal is destroyed by the fine unevenness provided in the joint, and a eutectic reaction occurs between Al and the insert material, and the oxide film is removed at low temperature and low pressure. Thus, the semiconductor chip and the aluminum metal of the wiring metal can be firmly bonded to each other, and bonding with excellent high-temperature durability can be achieved at low cost.
以下に、本発明の半導体装置の製造方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において「%」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。 The semiconductor device manufacturing method of the present invention will be described in further detail and specifically below. In the present specification, “%” means mass percentage unless otherwise specified.
本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体チップを配線金属に接合するに際して、上記したように、半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Al(アルミニウム)と共晶反応を生じるZnを主成分とする金属を含むインサート材を介在させる。さらに、接合面やインサート材の表面に微細凹凸を設け、この状態で、半導体チップと配線金属を相対的に加圧すると共にAlと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、アルミニウム系金属表面に形成されている酸化皮膜を微細凹凸により破壊して、アルミニウム系金属とインサート材とを接触させ、接合界面にAlとインサート材に含まれる金属との共晶反応を生じさせる。そして、この共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合するようにしている。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when bonding a semiconductor chip to a wiring metal, as described above, an aluminum-based metal provided on the bonding surface of the semiconductor chip and an aluminum-based metal provided at least on the bonding surface of the wiring metal. An insert material containing a metal mainly composed of Zn that causes a eutectic reaction with Al (aluminum) is interposed between the metal and the metal. Further, fine irregularities are provided on the bonding surface and the surface of the insert material, and in this state, the semiconductor chip and the wiring metal are relatively pressurized and heated to a temperature at which a eutectic reaction between Al and the insert material occurs. The oxide film formed on the metal surface is destroyed by fine irregularities, the aluminum metal and the insert material are brought into contact, and a eutectic reaction between Al and the metal contained in the insert material is caused at the bonding interface. The eutectic reaction melt is discharged together with the oxide film so that the semiconductor chip and the aluminum metal of the wiring metal are directly bonded to each other at least at a part of the bonding interface.
すなわち、微細凹凸の先端に応力が集中するため、比較的低い加圧力によって、チップへのダメージを与えることなく酸化皮膜を破壊することができる。そして、この破壊部を介してアルミニウム系金属とインサート材とが接触し、この接触部を起点として生じた共晶反応が接合面全体に拡大することによって、接合面の酸化皮膜が低温度(共晶温度)で除去されるので、アルミニウム系金属同士のダイレクトな接合が可能となる。
したがって、貴金属やPbが含まれないアルミニウム系金属同士の直接接合によって強度が確保されることから、高温保持した場合にも脆い金属間化合物層やカーケンダルボイドを生成せず、優れた高温耐久性を備えたPbフリーの接合部を備えた半導体装置を低コストに製造することができる。That is, since stress concentrates on the tips of the fine irregularities, the oxide film can be destroyed without damaging the chip with a relatively low applied pressure. The aluminum-based metal and the insert material come into contact with each other through the fractured portion, and the eutectic reaction generated from the contacted portion expands to the entire joining surface, so that the oxide film on the joining surface has a low temperature (co-current). Therefore, direct bonding between aluminum-based metals becomes possible.
Therefore, strength is ensured by direct bonding of noble metals and aluminum-based metals that do not contain Pb, so even when kept at high temperatures, brittle intermetallic compound layers and Kirkendall voids are not generated, and excellent high temperature durability A semiconductor device provided with a Pb-free bonding portion provided with can be manufactured at low cost.
図1(a)〜(e)は、本発明による半導体装置の製造方法における半導体チップと配線金属の接合プロセスを順を追って説明する工程図である。 FIG. 1A to FIG. 1E are process diagrams for explaining in sequence a bonding process between a semiconductor chip and a wiring metal in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
まず、図1(a)に示すように、配線金属2と半導体チップ3の間に、インサート材4を配置する。
このとき、配線金属2は、この例ではアルミニウム系金属から成るものであって、その接合面には、予め微細凹凸2rが形成してあると共に、半導体チップ3の接合面には、アルミニウム系金属から成るアルミニウム層3cが形成されている。なお、これらアルミニウム系金属から成る配線金属2やアルミニウム層3cの表面には、それぞれAl2O3を主成分とする強固な酸化皮膜2f、3fが生成している。First, as shown in FIG. 1A, the insert material 4 is disposed between the
At this time, the
ここで、上記した配線金属2や、半導体チップ3のアルミニウム層3cの素材であるアルミニウム系金属としては、純アルミニウム材(工業用純アルミニウム)やAlを主成分として80%以上含有する合金材を用いることができる。すなわち、本発明において「アルミニウム系金属」とは、このようなアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。
Here, as the above-described
上記配線金属2の接合面に形成する微細凹凸2rの形状としては、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、その形状や数に制限はなく、例えば、図2(a)〜(c)に示すようなものを採用することができる。
すなわち、図2(a)に示すように、台形状断面の凹凸構造として、凸部先端を略平面とすれば、応力集中度は若干低下するとしても、応力集中手段の形成が容易となり、加工費を削減することができる。The shape of the
That is, as shown in FIG. 2 (a), if the convex-convex tip is made to be a substantially flat surface as a trapezoidal cross-sectional concavo-convex structure, the stress concentration means can be easily formed even if the stress concentration level is slightly reduced. Costs can be reduced.
また、図2(b)に示すように、三角柱を並列させたような凹凸構造を採用することも可能であり、これによって、凹凸構造の凸部先端が線状のものとなり、応力集中度を高めて、酸化皮膜の破断効果を向上させることができる。
さらに、図2(c)に示すように、四角錐を縦横方向に並列させた凹凸構造を採用することもでき、凹凸構造の凸部先端が点状となることから、さらに応力集中度を高めて、酸化皮膜の破断性能を向上させることができる。In addition, as shown in FIG. 2B, it is also possible to adopt a concavo-convex structure in which triangular prisms are arranged in parallel, whereby the convex tip of the concavo-convex structure becomes linear, and the stress concentration degree is increased. This can enhance the effect of breaking the oxide film.
Furthermore, as shown in FIG. 2 (c), it is possible to adopt a concavo-convex structure in which square pyramids are juxtaposed in the vertical and horizontal directions. Thus, the breaking performance of the oxide film can be improved.
微細凹凸2rの形状としては、上記したように、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、特に限定されることはなく、上記の他には、波形やかまぼこ形、半球状など凸部先端を曲面とすることも可能である。なお、当該曲面の曲率半径は、小さいほど応力集中が顕著なものとなって、酸化皮膜が破壊し易くなることは言うまでもない。
The shape of the
このような微細凹凸2rは、例えば、切削加工、研削加工、塑性加工(ローラ加工)、レーザ加工、放電加工、エッチング加工、リソグラフィーなどによって形成することができ、その形成方法としては、特に限定されるものではない。これら加工方法のうち、塑性加工によれば、非常に低コストで形成が可能である。
なお、微細凹凸の寸法、形状としては、アスペクト比(高さ/幅):0.001以上、ピッチ:1μm以上で、望ましくはアスペクト比0.1以上、ピッチ:10μm以上である。Such
The dimensions and shape of the fine irregularities are an aspect ratio (height / width): 0.001 or more, a pitch: 1 μm or more, and preferably an aspect ratio of 0.1 or more and a pitch: 10 μm or more.
一方、半導体チップ3は、上記したように接合面側に、上記アルミニウム系金属から成るアルミニウム層3cを備えているが、図3に示すように、SiCやSi、GaNなどから成る半導体チップ本体3とアルミニウム層3cの間に、密着層3a及びバリヤ層3bを介在させることができる。
On the other hand, the
バリヤ層3bは、Alがアルミニウム層3cからチップ本体内に拡散するのを防止する機能を有し、Ni(ニッケル)やRt−Ir(白金−イリジウム)などを適用することができる。
一方、密着層3aは、上記バリヤ層3bとチップ本体3との密着性を向上させる機能を有し、例えば、Ti(チタン)、Cr(クロム)などを用いることができる。The barrier layer 3b has a function of preventing Al from diffusing from the
On the other hand, the adhesion layer 3a has a function of improving the adhesion between the barrier layer 3b and the
インサート材4は、Alと共晶反応を生じる金属を含むものであって、具体的には、Zn(亜鉛)を主成分とする金属(純亜鉛、亜鉛合金)や、Znと共晶反応を生じる金属とZnとの合金、例えばZnとAlを主成分とする合金、ZnとMg(マグネシウム)を主成分とする合金、ZnとCu(銅)を主成分とする合金、ZnとSn(錫)を主成分とする合金、ZnとAg(銀)を主成分とする合金、ZnとMgとAlを主成分とする合金、ZnとCu(銅)とAlを主成分とする合金、ZnとSn(錫)とAlを主成分とする合金、ZnとAg(銀)とAlを主成分とする合金の薄板や箔を用いることができる。
なお、本発明において、「主成分」とは、上記金属の含有量の合計が80%以上であることを意味するものとする。The insert material 4 includes a metal that causes a eutectic reaction with Al. Specifically, the insert material 4 has a metal (pure zinc, zinc alloy) containing Zn (zinc) as a main component, or a eutectic reaction with Zn. Alloys of the resulting metal and Zn, for example, alloys containing Zn and Al as main components, alloys containing Zn and Mg (magnesium) as main components, alloys containing Zn and Cu (copper) as main components, Zn and Sn (tin) ), An alloy mainly composed of Zn and Ag (silver), an alloy mainly composed of Zn, Mg and Al, an alloy mainly composed of Zn, Cu (copper) and Al, and Zn An alloy mainly composed of Sn (tin) and Al, or a thin plate or foil of an alloy mainly composed of Zn, Ag (silver), and Al can be used.
In the present invention, the “main component” means that the total content of the metals is 80% or more.
そして、図1(a)に示した状態で、半導体チップ3と配線金属2を相対的に加圧して、これらをインサート材4を介して密着させ、さらに加圧しながら加熱を開始する。
すると、図1(b)に示すように、微細凹凸2rの凸部先端が接触した部位の応力が局所的に急激に上昇し、加圧力をさほど増すことなく、アルミニウム層3cの酸化被膜3fが機械的に破壊され、新生面が露出する。また、酸化被膜3fと共に、微細凹凸2r先端の酸化皮膜2fも破壊され、配線金属2の新生面が露出する。Then, in the state shown in FIG. 1A, the
Then, as shown in FIG. 1 (b), the stress at the portion where the tip of the convex portion of the
アルミニウム層3c及び配線金属2とインサート材4の間で拡散が生じ、共晶反応が発生する温度に到達すると、アルミニウム層3c及び配線金属2中のAlとの間に共晶反応を起こし、共晶溶融相が発生する。
そして、この共晶溶融範囲が接合界面全体に拡がっていくことにより、アルミニウム層3c及び配線金属2の酸化被膜3f、2fが表面から除去され、図1(c)に示すように、酸化皮膜3f、2fの欠片が共晶溶融相中に分散する。When diffusion occurs between the
The eutectic melting range extends to the entire bonding interface, so that the
続く加圧によって、図1(d)に示すように、共晶反応溶融物が接合界面から排出され、この液相中に分散されていた酸化皮膜3f、2fの欠片もその大部分が共晶溶融物と共に接合界面から押し出され、アルミニウム系金属の新生面が露出し、接合界面にAlの拡散反応が生じる。
これによって、図1(e)に示すように、配線金属2と半導体チップ3のアルミニウム層3cとの接合、すなわちアルミニウム系金属同士の直接的な接合が達成される。このとき、共晶反応生成物や酸化皮膜、インサート材に由来する金属などを含む微量の混合物が接合界面に残存することがあり得るが、アルミニウム系金属同士の直接接合部が形成されている限り、強度上の問題となることはない。また、このような残存物は、電気伝導や熱伝導に寄与することになる。By subsequent pressurization, as shown in FIG. 1 (d), the eutectic reaction melt is discharged from the bonding interface, and most of the fragments of the
As a result, as shown in FIG. 1E, the bonding between the
なお、図1においては、微細凹凸2rを配線金属2の側に形成した例を示したが、これに限定されることはなく、微細凹凸の形成位置については、接合部位の少なくとも1箇所に形成すればよく、上記のように配線金属2と半導体チップ3の接合面の一方に形成するほか、接合面の両方に設けることができる。両面に形成することによって、酸化皮膜の破壊起点をより多くすることができる。
さらに、微細凹凸は、インサート材4の片面あるいは両面に形成することもでき、こうすることによって、配線金属2や半導体チップ3の微細凹凸の形成工程を加える必要がなくなるので、低コストの接合が可能になる。1 shows an example in which the
Further, the fine irregularities can be formed on one side or both sides of the insert material 4, which eliminates the need to add a fine irregularity forming step for the
また、上記では、薄板上のインサート材4を配線金属2の上に載置しただけの例を示したが、組成や形状(厚さ)などに関する選択の自由度が高いことから、箔の形態で両材料の間に挟み込むことが望ましい。
この他に、めっきやパウダーデポジション法によって、インサート材金属を配線金属2や半導体チップ3の一方あるいは両方の接合面に予め被覆しておくことも可能であり、この場合には、被覆によって酸化皮膜の生成を防止できる。Moreover, although the example which only mounted the insert material 4 on a thin plate on the
In addition, it is also possible to preliminarily coat the joint surface of one or both of the
そして、図1においては、配線金属2として、アルミニウム系金属から成るものを用いたが、後述するように、他の金属から成る基材、例えば銅製基材の表面に上記アルミニウム系金属から成る層を形成したものを用いることもできる。
このようなアルミニウム層を基材上に形成するには、めっきやスパッタリング、溶射などの方法を適用することができる。なお、これらの方法は、半導体チップ3に対するアルミニウム層2cの形成にも適用されることは言うまでもない。In FIG. 1, the
In order to form such an aluminum layer on the substrate, a method such as plating, sputtering, or thermal spraying can be applied. Needless to say, these methods are also applied to the formation of the aluminum layer 2 c on the
本発明の製造方法における配線金属2と半導体チップ3の上記接合は、不活性ガス雰囲気で行うこともできるが、大気中でも何ら支障はなく行うことができる。
もちろん、真空中で行うことも可能であるが、真空設備が必要となるばかりでなく、インサート材の溶融により真空計やゲートバルブを損傷する可能性があるので、大気中で行うことが設備面からもコスト的にも有利である。The above-described joining of the
Of course, it is possible to carry out in vacuum, but not only vacuum equipment is required, but also the vacuum gauge and gate valve may be damaged by melting of the insert material. Therefore, it is advantageous in terms of cost.
本発明における上記接合において、接合部を所定の温度範囲に加熱したり、維持したりするための手段としては、特に限定されることはなく、例えば、高周波加熱や赤外線加熱、ヒータ加熱あるいはこれらを組み合わせた方法を採用することができる。また、治具によって加圧状態に固定し、治具と共にろう付け炉内に保持するといった方法を用いることも可能である。 In the above-described bonding according to the present invention, means for heating or maintaining the bonding portion within a predetermined temperature range is not particularly limited. For example, high-frequency heating, infrared heating, heater heating, or the like can be used. A combined method can be employed. Moreover, it is also possible to use a method of fixing in a pressurized state with a jig and holding it in a brazing furnace together with the jig.
上記接合温度への昇温速度については、遅い場合には、界面が酸化されて溶融物の排出性が低下して、強度が低下する原因となることがあるため、速い方が望ましい。特に大気中の接合の場合には、この傾向がある。 As for the rate of temperature rise to the bonding temperature, if it is slow, the interface is oxidized and the melt discharge property is lowered, which may cause the strength to be lowered. This tendency occurs particularly in the case of bonding in the atmosphere.
一方、本発明の製造方法においては、微細凹凸2rの形成によって、接合時の加圧力を低減することができることから、接合時の加圧力については、1MPa以上、30MPa以下とすることが望ましい。
すなわち、1MPaに満たない場合は、酸化皮膜の破壊や、共晶反応物や酸化皮膜欠片の接合面からの排出が十分にできず、30MPaを超えると半導体チップ2が損傷する可能性があることによる。On the other hand, in the manufacturing method of the present invention, since the pressurizing force at the time of joining can be reduced by forming the
That is, when the pressure is less than 1 MPa, the oxide film cannot be destroyed or the eutectic reaction product or the oxide film fragments can be sufficiently discharged from the joint surface. If the pressure exceeds 30 MPa, the
図4(a)〜(c)は、本発明の製造方法における接合面、特に配線金属の形態例を示すそれぞれ断面図であって、図4(a)に示す形態例においては、半導体チップ3がその接合最表面にアルミニウム層3cを備える一方、配線金属2は、図1と同様に、全体がアルミニウム系金属から成り、接合面に微細凹凸2rを備えている。
4 (a) to 4 (c) are cross-sectional views showing examples of the bonding surface, particularly the wiring metal in the manufacturing method of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 4 (a), the
また、配線金属2は、図4(b)及び(c)に示すように、例えば銅製の基板2bの接合面に、上記アルミニウム系金属から成るアルミニウム層2cを備えたものを用いることもできる。
Further, as shown in FIGS. 4B and 4C, the
この場合、図4(b)に示したように、基板2bの接合面に微細凹凸2rを形成した後に、アルミニウム層2cをめっきやスパッタリング、蒸着などによって形成することができる。これによれば、比較的自由な形状に形成された微細凹凸2rの全面にアルミニウム層2cを配置することができる。
一方、図4(c)に示したように、基板2bの上にアルミニウム層2cを配置した後に微細凹凸2rの加工を行うこともでき、この場合には、アルミニウム層が予め基材上に配置された材料、例えばクラッド材などを用いることができ、適用可能な材料の選択範囲が拡がることになる。In this case, as shown in FIG. 4B, after forming the
On the other hand, as shown in FIG. 4C, after the aluminum layer 2c is disposed on the substrate 2b, the
本発明の製造方法により製造された半導体装置の構造は、半導体チップと配線金属とが接合されて成るものであって、半導体チップは接合面にアルミニウム系金属を備える一方、配線金属は、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備え、上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合されたものとなる。そして、このような直接接合部の周囲、すなわち微細凹凸2rの底部(谷部)や微細凹凸2rの最外周部にAlの共晶組成物と、Alの酸化物を含む排出物が介在することになる(図2(e)参照)。
The structure of the semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention is formed by bonding a semiconductor chip and a wiring metal, and the semiconductor chip includes an aluminum-based metal on the bonding surface, while the wiring metal is at least bonded. The surface is provided with an aluminum-based metal, and the semiconductor chip and the aluminum-based metal of the wiring metal are directly bonded at least at a part of the bonding interface. And the eutectic composition of Al and the discharge containing an oxide of Al intervene around such a direct joint part, that is, the bottom (valley part) of the
なお、ここで、「Alの共晶組成物」とは、Alとインサート材に含まれる少なくとも1種の金属との共晶反応による組成物、「Alの酸化物」については、アルミニウム系金属表面、インサート材表面に生成していた酸化皮膜の欠片ということになる。
また、接合条件、すなわち、加圧力、接合温度、微細凹凸形状、インサート材の成分、量などの調整により、微細凹凸底部の残存を可及的に減らすことができ、断続的な接合を全面的な直接接合に近づけることができる。Here, “Al eutectic composition” means a composition obtained by a eutectic reaction between Al and at least one metal contained in the insert material, and “Al oxide” means an aluminum metal surface. This is a fragment of the oxide film generated on the surface of the insert material.
In addition, by adjusting the bonding conditions, that is, pressure, bonding temperature, fine uneven shape, insert material composition, amount, etc., the remaining of the bottom of the fine unevenness can be reduced as much as possible. Can be close to direct bonding.
図5(a)〜(d)は、本発明の製造方法による半導体装置の実施形態の数例を示す概略断面図である。
第1の実施形態として、図5(a)に示す半導体装置1は、冷却体(ヒートシンク)11上に、絶縁性セラミックス基板12の片面側にアルミニウム系金属製の配線金属2を配置したバスバーが固定され、その配線金属2に半導体チップ3が接合された構造を備えている。そして、上記半導体チップ3は、その接合面にアルミニウム系金属から成るアルミニウム層3cを備えており、アルミニウム系金属同士が上記した方法により直接接合された構造となっている。5A to 5D are schematic cross-sectional views showing several examples of embodiments of a semiconductor device according to the manufacturing method of the present invention.
As a first embodiment, a
図5(b)に示す半導体装置1は、絶縁性セラミックス基板12の両面にアルミニウム系金属から成る配線金属2を備えたセラミックス基板の一方の面に冷却体11を備え、他方の面上の配線金属2と、同様に接合面にアルミニウム層3cを備えた半導体チップ3が接合された構造となっている。
The
図5(c)に示す半導体装置1は、図5(a)及び(b)が片側実装であったのに対し、両面実装タイプの半導体装置の例を示すものであって、両面にアルミニウム層3cを備えた半導体チップ3の上下に、絶縁性セラミックス基板12の片面側に配線金属2を備えたバスバーが冷却体11と共に配置されている。半導体チップ3の上下両面に備えたアルミニウム層3cとバスバーのアルミニウム系金属製配線金属2が上記した方法により直接接合された構造となっている。
The
第4の実施形態として、図5(d)に示す半導体装置1は、絶縁性セラミックス基板12の両面にアルミニウム系金属製の配線金属2を備えたセラミックス基板を用いた両面実装タイプのものであって、セラミックス基板を用いたことを除いて、図5(c)に示した形態と実質的に同様の構造となっている。
As a fourth embodiment, the
図6(a)は、絶縁性セラミックス基板12の両面に備えた配線金属2の上面側に半導体チップ3を備えた素子をベースプレート13の上に接合した構造を有する半導体装置の形態例を示すものであって、絶縁性セラミックス基板12の下面側の配線金属2とベースプレート13の接合に際しても、同様の接合方法を採用することができる。
すなわち、ベースプレート13としては、アルミニウム系金属製あるいは少なくとも接合面をアルミニウム系金属とし、これらの間にインサート材を介在させ、配線金属及びベースプレートの接合面、インサート材表面の少なくとも一部に微細凹凸を設け、共晶溶融を生じさせることによって接合することができる。FIG. 6A shows an example of a semiconductor device having a structure in which an element having a
That is, the
このとき、図6(b)に示すように、配線金属とベースプレートの双方に微細凹凸を設けることが望ましく、これによって接合性が向上して、加圧力が低くても接合が可能になり、絶縁性セラミックス基板12の両面の配線金属2をベースプレート13及び半導体チップ3に同時に接合する場合に好適な方法と言える。なお、配線金属2と半導体チップ3及びベースプレート13の間には、インサート材が介在するが、図中には、省略されている。
At this time, as shown in FIG. 6 (b), it is desirable to provide fine irregularities on both the wiring metal and the base plate. This improves the bondability and enables bonding even when the applied pressure is low. This can be said to be a suitable method when the
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
(実施例1)
純度99.99%の高純度アルミニウムから成る配線金属2を備えたバスバーを使用し、これに半導体チップ3として、厚さ170μmのSiから成るIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を片側実装した半導体装置を作製した(図5(a)参照)。Example 1
A semiconductor device using a bus bar provided with a
このとき、上記IGBT(半導体チップ)3の接合面側には、予め、チタンから成る厚さ0.5μmの密着層3aと、ニッケルから成る厚さ1μmのバリヤ層3bを介して、最表層にアルミニウム層3cを6μmの厚さに蒸着した。
また、配線金属2の接合面には、高さ100μm、アスペクト比1.0、ピッチ100μmの三角形溝の周期構造を有する微細凹凸2r(図2(b)参照)を切削加工によって形成した。At this time, on the joint surface side of the IGBT (semiconductor chip) 3, the outermost layer is formed in advance through an adhesion layer 3 a made of titanium having a thickness of 0.5 μm and a barrier layer 3 b made of nickel having a thickness of 1 μm. An
Further,
次に、配線金属2と半導体チップ3の接合面間にZn−3.5%Al−2.5%Mg合金から成る厚さ100μmのインサート材4を挟み、この状態で、接合面間に常時5MPaの加圧力が掛かるように治具を用いて固定した。そして、ろう付け炉内に収納し、400℃に1分間保持することによって、配線金属2と半導体チップ3を接合した。
その結果、配線金属2と半導体チップ3のアルミニウム系金属同士が脆弱な反応層を形成することなく、直接的に、強固に接合され、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度(300℃以上)、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を得ることができた。Next, an insert material 4 made of a Zn-3.5% Al-2.5% Mg alloy and having a thickness of 100 μm is sandwiched between the joint surfaces of the
As a result, the
(実施例2)
上記実施例1と同様の片側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金から成り、その接合面に上記同様に微細凹凸2rを形成した後、厚さ3μmのアルミニウム層2cを蒸着した配線金属2を備えたバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返すことによって、配線金属2と半導体チップ3のアルミニウム層2c、3cを接合した。
その結果、同様に、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を得ることができた。(Example 2)
When producing a semiconductor device mounted on one side similar to the first embodiment, the
As a result, it was possible to obtain a mounting die-bonding structure that was similarly Pb-free, low cost, low in strength variation, and excellent in high-temperature strength and long-term reliability.
(実施例3)
上記実施例1と同様の片側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金に厚さ50μmの純度99.99%の高純度アルミニウムがクラッドされ、この上に上記同様に微細凹凸2rを形成した板材から成る配線金属2を備えたバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返すことによって、配線金属2のアルミニウムクラッド層2cと半導体チップ3のアルミニウム層3cを接合した。
その結果、同様に、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を得ることができた。(Example 3)
When producing a semiconductor device mounted on one side similar to Example 1, a copper alloy is clad with a high purity aluminum having a thickness of 50 μm and a purity of 99.99%, and a
As a result, it was possible to obtain a mounting die-bonding structure that was similarly Pb-free, low cost, low in strength variation, and excellent in high-temperature strength and long-term reliability.
(実施例4)
厚さ635μmのAlNから成り、厚さ500μmの純度99.99%の高純度アルミニウム製の配線金属2を備えたセラミックス基板を使用し、この配線金属2aに上記同様に微細凹凸2rを形成した。これ以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返して、配線金属2と半導体チップ3のアルミニウム層3cを接合し、セラミックス基板上に、同様の半導体チップ3を片側実装した半導体装置を作製した(図5(b)参照)。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。Example 4
Using a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 635 μm and having a
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(実施例5)
上記実施例4と同様の片側実装した半導体装置を作製するに際して、厚さ635μmのAlNから成り、厚さ500μmの銅合金製であって、その接合面に微細凹凸2rを上記同様に形成した後、厚さ3μmのアルミニウム層2cを蒸着した配線金属2を備えたセラミックス基板を使用した。これ以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返して、配線金属2のアルミニウム層2cと半導体チップ3のアルミニウム層3cを接合した。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。(Example 5)
When manufacturing a semiconductor device mounted on one side similar to the above-described Example 4, after being formed of AlN having a thickness of 635 μm and made of a copper alloy having a thickness of 500 μm, the
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(実施例6)
上記半導体チップ3に、上記実施例1で用いたバスバー、すなわち同様の微細凹凸2rを有するアルミニウム系金属製の配線金属2を備えたバスバーを両側実装した半導体装置を作製した(図5(c)参照)。すなわち、半導体チップ3の両面それぞれに、密着層3a、バリヤ層3bを介して、最表層にアルミニウム層3cを同様の厚さに蒸着すると共に、その両面に、同様のインサート材4を介して上記バスバーをそれぞれ配置し、同様の操作を繰り返した。これによって、半導体チップ3の両面に備えたアルミニウム層3cをアルミニウム系金属製配線金属2にそれぞれ接合した。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。(Example 6)
A semiconductor device was produced in which the bus bar used in Example 1 above, that is, the bus bar provided with the
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(実施例7)
上記実施例6と同様の両側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金から成り、その接合面に上記同様の微細凹凸2rを形成した後、厚さ3μmのアルミニウム層2cを蒸着した配線金属2を備えた上記実施例2と同様のバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例6と同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ3の両面に備えたアルミニウム層3cを配線金属2のアルミニウム層2cにそれぞれ接合した。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。(Example 7)
When producing a semiconductor device mounted on both sides similar to Example 6, the
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(実施例8)
上記実施例6と同様の両側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金に厚さ50μmのアルミニウム系金属がクラッドされ、この表面に微細凹凸2rを同様に形成した板材から成る配線金属2を備えた上記実施例3と同様のバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例6と同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ3の両面に備えたアルミニウム層3cを配線金属2のアルミニウム層2cにそれぞれ接合した。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。(Example 8)
When producing a semiconductor device mounted on both sides similar to that of Example 6, a copper metal is clad with an aluminum-based metal having a thickness of 50 μm and a
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(実施例9)
上記半導体チップ3に、上記実施例4で用いたセラミックス基板、すなわち表面に同様の微細凹凸2rを有する厚さ500μmのアルミニウム系金属製の配線金属2を備えた厚さ635μmのAlNから成るセラミックス基板を両側実装した半導体装置を作製した(図5(d)参照)。すなわち、密着層3a、バリヤ層3b、アルミニウム層3cを両面に備えた半導体チップ3の両側に、同様のインサート材4を介して上記セラミックス基板をそれぞれ配置し、同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ3の両面に備えたアルミニウム層3cをアルミニウム系金属製配線金属2にそれぞれ接合した。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。Example 9
A ceramic substrate made of AlN having a thickness of 635 μm provided with a ceramic substrate used in the above-mentioned embodiment 4 on the
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(実施例10)
上記実施例9と同様の両側実装した半導体装置を作製するに際し、上記実施例5で用いたセラミックス基板、すなわち厚さ500μmの銅合金製であって、その接合面に微細凹凸2rを同様に形成した後、厚さ3μmのアルミニウム層2cを蒸着した配線金属2を備えたセラミックス基板を使用した。これ以外は、上記実施例9と同様の操作を繰り返して、半導体チップ3の両面に備えたアルミニウム層3cを配線金属2のアルミニウム層2cにそれぞれ接合した。
その結果、Pbフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。(Example 10)
When producing a semiconductor device mounted on both sides similar to that in Example 9, the ceramic substrate used in Example 5 above, that is, made of a copper alloy having a thickness of 500 μm, is similarly formed with
As a result, a Pb-free, low-cost, low strength variation, high-temperature strength, and long-term reliability were successfully obtained.
(比較例1)
銅合金から成る配線金属2を備えたバスバーを使用し、厚さ170μmのSiから成るIGBT(半導体チップ)3を片側実装した半導体装置を作製した(図5(a)参照)。 このとき、上記IGBT(半導体チップ)3の接合面側には、はんだの濡れ性向上のために、厚さ0.5μmのチタン密着層3aと、厚さ1μmのニッケルバリヤ層3bを介して、最表層に銀を1μmの厚さに成膜した。また、配線金属2の接合面にも、同様の目的で、厚さ5μmのニッケル層を介して銀を1μmの厚さに成膜した。(Comparative Example 1)
Using a bus bar provided with a
そして、Pb−Snはんだを用いて、配線金属2と半導体チップ3とをろう付けした。
なお、接合後のはんだの厚さは200μmであった。
当該比較例1においては、Pb(鉛)を含有するはんだを使用しているため、環境保全を観点とする社会要請にそぐわない。また、はんだの融点が184℃であって高温耐久性に乏しい。さらに、接合界面に金属間化合物層やカーケンダルボイドの生成が認められ、長期信頼性にも乏しいことが判明した。And the
In addition, the thickness of the solder after joining was 200 micrometers.
In the comparative example 1, since the solder containing Pb (lead) is used, it does not meet social demands from the viewpoint of environmental protection. Further, the melting point of the solder is 184 ° C., and the high temperature durability is poor. Furthermore, it was found that intermetallic compound layers and Kirkendall voids were formed at the bonding interface, and the long-term reliability was poor.
(比較例2)
図5(a)に示すような片側実装した半導体装置を作製するに際し、Sn−Ag−Cuはんだを用いたこと以外は、上記比較例1と同様の操作を繰り返して、配線金属2と半導体チップ3とをろう付けした。
当該比較例2においては、Sn−Ag−Cuはんだは、上記Pb−Snはんだに比べて融点が210〜217℃と高いものの、将来型パワーモジュールに適用するには、高温耐久信頼性にも乏しい。また、Pb−Snはんだ同様に、界面に金属間化合物層やカーケンダルボイドが生成することがあり、長期信頼性にも乏しい。(Comparative Example 2)
When manufacturing a semiconductor device mounted on one side as shown in FIG. 5A, the same operation as in Comparative Example 1 was repeated except that Sn—Ag—Cu solder was used, and the
In Comparative Example 2, Sn—Ag—Cu solder has a melting point as high as 210 to 217 ° C. compared to the Pb—Sn solder, but it is poor in high-temperature durability reliability to be applied to future type power modules. . Further, like the Pb—Sn solder, an intermetallic compound layer or a Kirkendall void may be generated at the interface, and the long-term reliability is poor.
(比較例3)
図5(a)に示すような片側実装した半導体装置を作製するに際し、有機分子が粒子の表面を修飾した銀ナノ粒子を用いたこと以外は、上記比較例1と同様の操作を繰り返して、配線金属2と半導体チップ3とを接合した。
銀ナノ粒子による接合は、ナノ粒子表面に修飾した有機分子が接合プロセスでガス化する際にボイドを発生させたり、粒子の凝集にバラツキが生じたりすることから、継手強度にバラツキが生じることが判明した。また、貴金属であるAgを使っていることや、有機分子を修飾させるという複雑な構造をとっているため、高コストであり、量産には不向きと言える。(Comparative Example 3)
When producing a semiconductor device mounted on one side as shown in FIG. 5 (a), the same operation as in Comparative Example 1 was repeated, except that silver nanoparticles whose organic molecules modified the surface of the particles were used, The
Bonding with silver nanoparticles may cause voids when organic molecules modified on the surface of the nanoparticles are gasified during the bonding process, and there may be variations in particle aggregation, resulting in variations in joint strength. found. In addition, since it uses Ag, which is a noble metal, and has a complicated structure that modifies organic molecules, it is expensive and unsuitable for mass production.
(比較例4)
図5(a)に示すような片側実装した半導体装置を作製するに際し、Ag−Geはんだを使用したこと以外は、上記比較例1と同様の操作を繰り返して、配線金属2と半導体チップ3とをろう付けした。
Ag−Geはんだは、貴金属であるAuを含んでいるため、高コストであり、量産を伴う産業上の用途には向かない。また、上記Pb−SnはんだやSn−Ag−Cuはんだと同様に、接合界面に金属間化合物層を生成したり、カーケンダルボイドを生成したりするため、長期信頼性も乏しい。(Comparative Example 4)
When producing a semiconductor device mounted on one side as shown in FIG. 5A, the same operation as in Comparative Example 1 was repeated except that Ag—Ge solder was used, and the
Since Ag—Ge solder contains Au, which is a noble metal, it is expensive and unsuitable for industrial applications involving mass production. Further, similarly to the Pb—Sn solder and Sn—Ag—Cu solder, since an intermetallic compound layer is generated at the joint interface or a Kirkendall void is generated, long-term reliability is poor.
以上の本実施例と比較例における材料や構造の組合せを表1に纏めて示す。 Table 1 shows a combination of materials and structures in the present example and the comparative example.
1 半導体装置
2 配線金属
2r 微細凹凸
2f 酸化皮膜
3 半導体チップ
3c アルミニウム層(アルミニウム系金属)
3f 酸化皮膜
4 インサート材
12 絶縁性セラミックス基材DESCRIPTION OF
3f Oxide film 4
Claims (9)
上記半導体チップはアルミニウム系金属を接合面に備え、
上記配線金属は、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備え、
上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合され、当該直接接合部の周囲にAlとZnの共晶組成物と、Alの酸化物を含む排出物が介在していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device formed by bonding a semiconductor chip and a wiring metal,
The semiconductor chip includes an aluminum-based metal on the bonding surface,
The wiring metal includes an aluminum-based metal at least on the bonding surface,
The semiconductor chip and the aluminum metal of the wiring metal are directly bonded to each other at at least a part of the bonding interface, and an eutectic composition containing Al and Zn and an oxide of Al are formed around the direct bonding portion. A semiconductor device characterized by being interposed.
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