Au系釬料模片接合半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用Au系釬料將Cu基板和半導(dǎo)體元件接合而成的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，正在開(kāi)發(fā)使用碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)、金剛石(C)等寬帶隙半導(dǎo)體的功率半導(dǎo)體裝置。這種功率半導(dǎo)體裝置即使是較高的半導(dǎo)體接合溫度(Tj)，與現(xiàn)有的使用硅(Si)或砷化鎵(GaAs)的功率半導(dǎo)體裝置相比，通態(tài)電阻也低，也能夠進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)。因此，期待在半導(dǎo)體裝置的小芯片化的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)成系統(tǒng)的無(wú)源零件或冷卻器的小型化，且能夠?qū)崿F(xiàn)小型、輕量且價(jià)格低的功率電子系統(tǒng)。
[0003]對(duì)構(gòu)成這種以高半導(dǎo)體接合溫度(Tj)而工作的功率半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體元件芯片和金屬基板的接合部分，即，模片接合(dia attachment)部分，理所當(dāng)然地要求具有高耐熱性。通常，作為金屬基板，從導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、價(jià)格這些方面來(lái)看，使用以銅(Cu)為主要原料的板材，大多以粘貼于陶瓷絕緣基板的形態(tài)而使用。以下，也包含粘貼于陶瓷絕緣基板的基板在內(nèi)，簡(jiǎn)稱為“Cu基板”。
[0004]另一方面，廣泛用作接合材料的是高熔點(diǎn)Au系釬料(參照非專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2、3)。在此所說(shuō)的Au系釬料是共晶AuGe釬料(熔點(diǎn)356°C )、共晶AuSi釬料(熔點(diǎn)363°C )、共晶AuSn釬料(熔點(diǎn)280 °C )等。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]非專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0007]非專(zhuān)利文獻(xiàn)1:P.Alexandrov, W.Wright, M.Pan, M.Weiner, L.Jiao, J.H.Zhao, Solid-State Electron., 47(2003)p.263.
[0008]非專(zhuān)利文獻(xiàn)2:R.W.Johnson and L.Williams, Mater.Sc1.Forum 483-485 (2005)p.785
[0009]非專(zhuān)利文獻(xiàn)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]在現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的Au系釬料模片接合中，采用的是通過(guò)對(duì)Cu基板實(shí)施作為阻擋金屬而發(fā)揮功能的致密的Ni等的電鍍，半導(dǎo)體元件(SiC)芯片將已接合的Au系釬料層從Cu基板隔斷的結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)在高溫下長(zhǎng)期持續(xù)使用這種半導(dǎo)體裝置時(shí)，釬料接合層的接合強(qiáng)度就會(huì)隨著時(shí)間而下降，往往最終發(fā)生半導(dǎo)體芯片從鍍層附近剝離這種問(wèn)題。該劣化現(xiàn)象越在高溫下越激烈，且會(huì)在短時(shí)間內(nèi)顯現(xiàn)。
[0011]例如，在上述的非專(zhuān)利文獻(xiàn)3中，報(bào)道的是，在將在Ni鍍Cu板上通過(guò)AuGe釬料而接合有SiC芯片的模片接合放置在300°C的大氣中時(shí)，其接合強(qiáng)度在約3000小時(shí)后會(huì)下降到IEC60749 - 19規(guī)格規(guī)定的下限附近。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明是為解決這種現(xiàn)有課題而完成的，其目的在于，提供一種Au系釬料模片接合半導(dǎo)體裝置及其制造方法，其能夠延遲因半導(dǎo)體裝置的加熱引起的接合強(qiáng)度的劣化，能夠延長(zhǎng)剝離模式壽命。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在本申請(qǐng)發(fā)明中，在Cu基板和Au系釬料層之間配設(shè)具有以在俯視時(shí)成為規(guī)定形狀的方式構(gòu)圖的微細(xì)槽的致密金屬膜，分別在Cu基板、Au系釬料層及致密金屬膜的微細(xì)槽埋設(shè)有以Cu和Au為主要元素的微小亞鈴截面構(gòu)造體。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的主要部分剖面圖；
[0015]圖2是用于對(duì)圖1所示的半導(dǎo)體裝置的制造方法進(jìn)行說(shuō)明的剖面圖；
[0016]圖3是用掃描電子顯微鏡將通過(guò)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法而制作出的半導(dǎo)體裝置的截面的微小亞鈴截面構(gòu)造體拍攝所得的照片；
[0017]圖4是與現(xiàn)有例對(duì)比地表示將本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置在300°C下放置了 3000小時(shí)時(shí)的接合強(qiáng)度的說(shuō)明圖；
[0018]圖5是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置所使用的致密金屬膜的微細(xì)槽形狀的例子的說(shuō)明圖。
[0019]符號(hào)說(shuō)明
[0020]I 半導(dǎo)體元件
[0021]2 Cu 基板
[0022]3 Au系釬料層
[0023]4 微小亞鈴截面構(gòu)造體
[0024]11歐姆接觸件
[0025]12安裝電極
[0026]21陶瓷基板
[0027]22 金屬 Cu 板
[0028]23致密金屬膜
[0029]24微細(xì)槽
[0030]100半導(dǎo)體裝置
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。此外，本實(shí)施方式的構(gòu)造說(shuō)明所使用的剖面圖為了促進(jìn)理解，放大了厚度方向(圖中，上下方向)的尺寸。
[0032]另外，在下面的說(shuō)明中，以使用SiC功率元件作為半導(dǎo)體元件1、使用共晶AuGe釬料作為Au系釬料層3、使用在SiN陶瓷基板的兩面粘貼有以Cu為主要原料的金屬Cu板而成的基板作為Cu基板2的情況為例進(jìn)行說(shuō)明。
[0033]但是，這只是一個(gè)例子，作為半導(dǎo)體元件1，即使是GaN元件、金剛石元件、ZnO元件等其他寬帶隙半導(dǎo)體元件或以高溫用途為目的的Si半導(dǎo)體元件(SOI元件或傳感器元件)，也可同等地應(yīng)用。
[0034]另外，用作Au系釬料層3的Au系釬料是以Au為主要原料的釬料，作為典型的例子，為共晶AuGe釬料、共晶AuSi釬料、共晶AuSn釬料等。進(jìn)而，也可以為這些釬料的混合物，另外，也可以在這些共晶釬料中添加其他元素。進(jìn)而，不必為共晶成分，也可以為液相線溫度大約在420°C以下的過(guò)共晶成分、亞共晶成分。
[0035]另外，Cu基板2不局限于粘貼在SiN陶瓷基板上，既可以為粘貼于其他種類(lèi)的陶瓷基板(氧化鋁或氮化鋁、氧化鈹?shù)?上的Cu基板，也可以為引線框那樣的以Cu為主要材料的單純的金屬板。
[0036]如圖1所示，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置100具有通過(guò)Au系釬料層3將Cu基板2和半導(dǎo)體元件I (半導(dǎo)體元件芯片)而接合在一起的模片接合構(gòu)造。即，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置100是具有在半導(dǎo)體元件芯片(半導(dǎo)體元件I)和以Cu為主要原料的Cu基板2之間夾持Au系釬料層3的模片接合構(gòu)造的Au系釬料模片接合半導(dǎo)體裝置。
[0037]半導(dǎo)體元件I是碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體元件，在背面(圖中，下側(cè)的面)形成有歐姆接觸件11，在歐姆接觸件11的表面(圖中，下方)，覆蓋有以改善釬料的潤(rùn)濕性、防止釬料的侵入、提高附著力等為目的的安裝電極12。安裝電極12例如可舉出Ti/Ni/Ag層疊蒸鍍膜(Ti與歐姆接觸件11接觸且Ag成為最表面的層構(gòu)造)。
[0038]Cu基板2呈在SiN陶瓷基板21的至少單面通過(guò)釬焊等而粘貼有以Cu為主要原料的金屬Cu板22的構(gòu)造。在金屬Cu板22的表面，配設(shè)有具有微細(xì)槽24的致密金屬膜23。該致密金屬膜23是由Ni膜、或Co膜、或者NiCo混合膜(Ni和Co雙方)或Ni/Co層疊膜等構(gòu)成的金屬膜，發(fā)揮釬焊確保潤(rùn)濕性、和防止Au系釬料層3與金屬Cu板22全面接觸的作用。另外，致密金屬膜23厚度不足10 μ m，最容易通過(guò)無(wú)電解電鍍而形成，成本低廉，但也可以通過(guò)濺射或電子束法等其他成膜方法而形成。這時(shí)，通過(guò)無(wú)電解電鍍而制作出的Ni膜或Co膜就變成高濃度地含有P (磷)的Ni — P膜、Co — P膜。
[0039]致密金屬膜23