[發明專利]半導體元器件、半導體晶片元器件、半導體元器件的制造方法、及接合結構體的制造方法

有效

• 申請號: 201080021256.0
• 申請日: 2010-07-20
• 公開（公告）號: CN102422403A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 北浦秀敏;古澤彰男;酒谷茂昭;中村太一;松尾隆廣
• 申請（專利權）人: 松下電器產業株式會社
• 主分類號: H01L21/52
• 分類號: H01L21/52
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張鑫

技術領域

本發明涉及在半導體元件的面上具有以Bi為主要成分的接合材料構成的接合層的半導體元器件、半導體晶片元器件、半導體元器件的制造方法、及接合結構體的制造方法。

背景技術

使用焊錫材料將半導體元器件安裝于基板。例如，作為將IGBT(Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)之類的半導體元器件和基板接合的焊錫材料，一般采用熔點為220℃的Sn-3重量％Ag-0.5重量％Cu。

圖4是將半導體元器件安裝于基板的示意圖。將半導體元器件401安裝于基板402時，采用焊錫浸漬式的浸入裝置，例如用熔點為220℃的焊錫材料403(Sn-3重量％Ag-0.5重量％Cu)將半導體元器件401的外部電極404與基板電極405錫焊連接。此時，因為焊錫材料403被浸入裝置加熱至250～260℃，因此半導體元器件401的溫度可達250～260℃。而半導體元器件401采用以下結構：即，半導體元件406和內部電極407通過接合材料408接合，如果接合材料408在半導體元器件401的內部熔融，則可能會發生短路、斷路或電學特性的變化，最終產品發生缺陷。因此，對于在半導體元器件401的內部使用的接合材料408，要求具有比用浸入裝置進行錫焊時達到的半導體元器件401內部的最高溫度要更高的熔融溫度。

因此，作為熔融溫度超過260℃且不含鉛的接合材料，考慮使用包含90重量％以上的Bi的接合材料(以下稱作“以Bi為主要成分的接合材料”)(例如Bi-2.5Ag熔點262℃，Bi-0.5Cu熔點270℃)。作為其它接合材料，也對Zn進行了研究，但考慮到浸潤性和接合的難易程度等，現在使用的是上述以Bi為主要成分的接合材料。于是，提出了使用以Bi為主要成分的接合材料的功率半導體模塊(參照專利文獻1)

圖5(a)～圖5(c)是用于說明專利文獻1所記載的現有的接合結構體的制造過程中所產生的空隙的示意圖。在圖5(a)～圖5(c)中，接合結構體501是將熔融后的以Bi為主要成分的接合材料502提供到電極503上(圖5(a))，并在該接合材料502上安裝半導體元件504(圖5(b))以進行接合而成的結構體(圖5(c))。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2007-281412號公報(第24頁、圖2)

發明內容

然而，專利文獻1中的接合材料的主要成分即Bi的氧化物的標準生成能為-494kJ/mol，容易氧化。如上所述，為了形成接合結構體501，將以熔融后的Bi為主要成分的接合材料502提供給電極503，在該接合材料502上安裝半導體元件504并進行接合。此時，在提供給電極503的以熔融狀態的Bi為主要成分的接合材料502的表面，形成有因接觸大氣而自然地生成的氧化物505。

因此，在將半導體元件504安裝到熔融狀態的接合材料502的表面的情況下，氧化物505層在半導體元件504的表面浸潤并擴散，最終移動到接合材料502的外周緣部。因而，如圖5(b)的箭頭所示那樣，在存在有空氣集聚的情況下，氧化物505層的一部分可能不會移動到接合材料502的外周部，而會殘留。而且，該殘留下的氧化物505層具有容易卷入空氣的特性，因此，如圖5(c)所示的那樣，卷入到氧化物505層中的空氣會作為空隙506而進入接合材料502中。此外，集中在接合材料502的外周緣部的氧化物505以大致均勻地覆蓋該外周緣部的表面的方式進行分布。

在接合材料502中混入有空隙506的狀態下，若因熱循環而施加反復的應力，則會在凝固的接合材料502中發生裂紋，具有接合結構體501的半導體元器件會發生故障，從而產生問題。

本發明考慮了上述現有的半導體元器件的上述問題，其目的在于提供一種能夠減少在包括以Bi為主要成分的接合材料的接合層中所產生的空隙的半導體元器件、使該半導體元器件與電極相接合的接合結構體、半導體晶片元器件、半導體元器件的制造方法、及接合結構體的制造方法。

本發明的第1發明為一種半導體元器件，包括：

半導體元件；以及

接合層，該接合層形成于上述半導體元件的一側的面上，包含以Bi為主要成分的接合材料，

在上述接合層的與上述半導體元件相接的面相反一側的面上形成有單個或多個凸部。

另外，本發明的第2發明在于，在本發明的第1發明的半導體元器件中，上述凸部的高度為5μm以上30μm以下。

另外，本發明的第3發明是一種半導體元器件的制造方法，包括：