[發明專利]半導體裝置的制造方法及半導體裝置

有效

• 申請號: 201280037004.6
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN103733321B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: 谷本智;圖子祐輔;村上善則;井關隆士;高森雅人;佐藤伸二;松井康平
• 申請（專利權）人: 日產自動車株式會社;住友金屬礦山株式會社;三墾電氣株式會社;富士電機株式會社
• 主分類號: H01L21/52
• 分類號: H01L21/52;B23K35/28;C22C18/04
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 何立波;張天舒

技術領域

本發明涉及由鋅鋁類接合材料將半導體元件和基板接合的半導體制造方法及通過該方法得到的半導體裝置。

背景技術

碳化硅（SiC）或氮化稼（GaN）、金剛石（C）等寬帶隙半導體，能夠在較高的動作電壓下流過大電流，因此，對于使用焊料的接合部分也要求較高的耐熱性。因此，作為功率半導體裝置等高溫動作設備的接合材料，提出鋅鋁類ZnAl共晶焊料（專利文獻1）。

專利文獻1：日本特開2009－125753號公報

發明內容

但是，本發明的發明人嘗試使用上述專利文獻1中公開的接合方法，將功率半導體元件與基板接合時，確認接合強度的波動很大。

本發明的目的在于抑制半導體元件與基板的接合強度的波動，提高所得到的產品的成品率。

本發明通過對夾設在半導體元件和表面的主要元素為Cu的基板之間的ZnAl共晶焊料一邊施加載荷一邊進行升溫而使其熔融，再一邊施加載荷一邊降溫，從而實現上述目的。

發明的效果

根據本發明，ZnAl共晶相組織向ZnAl共析相組織變化，ZnAl焊料層變為ZnAl共晶相較少而Zn相及ZnAl共析相較多的組織。由此，能夠抑制相界面上的應力差，其結果，能夠抑制接合強度的波動，提高所得到的產品的成品率。

附圖說明

圖1是表示本發明的一個實施方式所涉及的半導體裝置的剖視圖。

圖2是用于說明圖1的半導體裝置的制造方法的剖視圖。

圖3是使用專利文獻1所記載的方法制造的半導體裝置的剖面的掃描電子顯微鏡照片。

圖4是使用圖2的半導體裝置的制造方法制成的半導體裝置的剖面的掃描電子顯微鏡照片。

圖5是表示使用圖2的半導體裝置的制造方法制成的半導體裝置的剪切強度的溫度特性的曲線圖。

具體實施方式

參照圖1的剖視圖，說明本發明的一個實施方式所涉及的半導體裝置的構造。將圖1中示出的半導體元件1/ZnAl焊料層3/基板2的構造，稱為本例的半導體裝置。此外，圖1及圖2是為了容易理解本發明而示意地表示的附圖，有時會將厚度與平面尺寸的關系、以及各層的厚度的比例等夸張表示。

另外，在以下的說明中，以作為半導體元件使用SiC功率元件、作為基板使用在SiN陶瓷板的兩個面上粘貼Cu板的基板的情況為例，對本發明進行具體說明，但上述情況是一個例子，作為半導體元件，可以使用GaN元件、金剛石元件、ZnO元件等其它寬帶隙半導體元件，或使用以高溫下使用為目的的Si半導體元件（SOI元件或傳感器元件）等。另外，作為基板，不限定于粘貼在SiN陶瓷板上的Cu，可以是粘貼在其它種類的陶瓷基板上的Cu基板，可以是粘貼在其它種類的陶瓷基板（Al₂O₃或AlN等）或絕緣體上的除了Cu以外的金屬基板（Al或CuMo等），此外，也可以是由Cu或除了Cu以外的金屬單體（沒有陶瓷板或絕緣板）構成的單純的金屬板。

標號1是碳化硅（SiC）功率半導體元件，在背面形成歐姆接觸部11，在歐姆接觸部11的表面覆蓋有安裝電極12，以改善焊料的濡濕性、防止焊料侵入、提高附著力等。作為安裝電極12，能夠舉出例如Ti/Ni/Ag層疊蒸鍍膜（Ti與歐姆接觸部11接觸、且Ag為最外層表面的層構造）。

標號2是基板。本例的基板2的構造為，在SiN陶瓷板20的至少一個表面上，通過焊接等粘貼Cu或Al等金屬板21。金屬板21的表面由相對于焊料具有濡濕性、附著性、防滲性的金屬，例如Ni或Pt、Pd、或者含有這些金屬的金屬膜22覆蓋。此外，在金屬膜22的表面，覆蓋形成厚度為20nm至200nm、以Cu為主要元素的Cu類金屬膜23。

在所述半導體元件1和基板2之間夾持ZnAl焊料層3。本例的ZnAl焊料層3的Zn和Al的組成，優選為共晶組成（Al濃度＝5質量%）或者大致共晶組成（Al濃度＝5±2質量%）。另外，為了改善焊料的硬度、接合時的濡濕性、熔融液體的粘度，在ZnAl焊料層3中還可以含有少量（小于或等于1質量%）Ge、P等其它元素。在本發明的半導體裝置中，ZnAl焊料層3的厚度并不特別限定，但實際使用中優選小于或等于約100μm，進一步優選小于或等于50μm，最優選小于或等于30μm。

本例所涉及的ZnAl焊料層3的構造的特征在于，作為ZnAl焊料層3的組成，雖然是共晶組成或者大致共晶組成，但其組織構造中均完全不含有共晶組織，或者即使含有共晶組織也小于或等于20%。關于這一點，如后所述。