半导体装置的制造方法及半导体装置制造方法及图纸

一种半导体装置的制造方法，其中，包括下述工序：分别准备半导体元件、至少表面的主要元素为Cu的基板、形状比所述半导体元件小的ZnAl共晶焊料片；以各自的接合面彼此相对的方式配置所述半导体元件和所述基板，在该基板和半导体元件之间夹设所述ZnAl共晶焊料片；一边对夹设在所述基板和所述半导体元件之间的所述ZnAl共晶焊料片施加载荷一边进行升温，使所述ZnAl共晶焊料片融解而形成ZnAl焊料层；以及一边对所述ZnAl焊料层施加载荷一边进行降温。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体装置的制造方法及半导体装置
本专利技术涉及由锌铝类接合材料将半导体元件和基板接合的半导体制造方法及通过该方法得到的半导体装置。
技术介绍
碳化硅（SiC）或氮化稼（GaN）、金刚石（C）等宽带隙半导体，能够在较高的动作电压下流过大电流，因此，对于使用焊料的接合部分也要求较高的耐热性。因此，作为功率半导体装置等高温动作设备的接合材料，提出锌铝类ZnAl共晶焊料（专利文献1）。专利文献1：日本特开2009－125753号公报
技术实现思路
但是，本专利技术的专利技术人尝试使用上述专利文献1中公开的接合方法，将功率半导体元件与基板接合时，确认接合强度的波动很大。本专利技术的目的在于抑制半导体元件与基板的接合强度的波动，提高所得到的产品的成品率。本专利技术通过对夹设在半导体元件和表面的主要元素为Cu的基板之间的ZnAl共晶焊料一边施加载荷一边进行升温而使其熔融，再一边施加载荷一边降温，从而实现上述目的。专利技术的效果根据本专利技术，ZnAl共晶相组织向ZnAl共析相组织变化，ZnAl焊料层变为ZnAl共晶相较少而Zn相及ZnAl共析相较多的组织。由此，能够抑制相界面上的应力差，其结果，能够抑制接合强度的波动，提高所得到的产品的成品率。附图说明图1是表示本专利技术的一个实施方式所涉及的半导体装置的剖视图。图2是用于说明图1的半导体装置的制造方法的剖视图。图3是使用专利文献1所记载的方法制造的半导体装置的剖面的扫描电子显微镜照片。图4是使用图2的半导体装置的制造方法制成的半导体装置的剖面的扫描电子显微镜照片。图5是表示使用图2的半导体装置的制造方法制成的半导体装置的剪切强度的温度特性的曲线图。具体实施方式参照图1的剖视图，说明本专利技术的一个实施方式所涉及的半导体装置的构造。将图1中示出的半导体元件1/ZnAl焊料层3/基板2的构造，称为本例的半导体装置。此外，图1及图2是为了容易理解本专利技术而示意地表示的附图，有时会将厚度与平面尺寸的关系、以及各层的厚度的比例等夸张表示。另外，在以下的说明中，以作为半导体元件使用SiC功率元件、作为基板使用在SiN陶瓷板的两个面上粘贴Cu板的基板的情况为例，对本专利技术进行具体说明，但上述情况是一个例子，作为半导体元件，可以使用GaN元件、金刚石元件、ZnO元件等其它宽带隙半导体元件，或使用以高温下使用为目的的Si半导体元件（SOI元件或传感器元件）等。另外，作为基板，不限定于粘贴在SiN陶瓷板上的Cu，可以是粘贴在其它种类的陶瓷基板上的Cu基板，可以是粘贴在其它种类的陶瓷基板（Al2O3或AlN等）或绝缘体上的除了Cu以外的金属基板（Al或CuMo等），此外，也可以是由Cu或除了Cu以外的金属单体（没有陶瓷板或绝缘板）构成的单纯的金属板。标号1是碳化硅（SiC）功率半导体元件，在背面形成欧姆接触部11，在欧姆接触部11的表面覆盖有安装电极12，以改善焊料的濡湿性、防止焊料侵入、提高附着力等。作为安装电极12，能够举出例如Ti/Ni/Ag层叠蒸镀膜（Ti与欧姆接触部11接触、且Ag为最外层表面的层构造）。标号2是基板。本例的基板2的构造为，在SiN陶瓷板20的至少一个表面上，通过焊接等粘贴Cu或Al等金属板21。金属板21的表面由相对于焊料具有濡湿性、附着性、防渗性的金属，例如Ni或Pt、Pd、或者含有这些金属的金属膜22覆盖。此外，在金属膜22的表面，覆盖形成厚度为20nm至200nm、以Cu为主要元素的Cu类金属膜23。在所述半导体元件1和基板2之间夹持ZnAl焊料层3。本例的ZnAl焊料层3的Zn和Al的组成，优选为共晶组成（Al浓度＝5质量%）或者大致共晶组成（Al浓度＝5±2质量%）。另外，为了改善焊料的硬度、接合时的濡湿性、熔融液体的粘度，在ZnAl焊料层3中还可以含有少量（小于或等于1质量%）Ge、P等其它元素。在本专利技术的半导体装置中，ZnAl焊料层3的厚度并不特别限定，但实际使用中优选小于或等于约100μm，进一步优选小于或等于50μm，最优选小于或等于30μm。本例所涉及的ZnAl焊料层3的构造的特征在于，作为ZnAl焊料层3的组成，虽然是共晶组成或者大致共晶组成，但其组织构造中均完全不含有共晶组织，或者即使含有共晶组织也小于或等于20%。关于这一点，如后所述。下面，对于上述构造的半导体装置的制造方法进行说明。首先，准备下述规格的前驱材料A至C。前驱材料A是上述图1中示出的碳化硅（SiC）制的功率半导体元件1。市售的碳化硅（SiC）的功率半导体元件1实际上大致就是图1中示出的构造，因此，使用这种构造即可，无需为了实施本专利技术而进行特别的改变。前驱材料B是上述图1中示出的基板2。配置在基板2的表面的Cu具有容易与融解的ZnAl焊料的Zn组分合金化的性质。因此，具有下述作用：促进融解的ZnAl共晶焊料濡湿扩散，有助于缩短回流时间，同时减小所形成的ZnAl焊料层3的厚度。此外，该基板2广泛市售，容易获得。前驱材料C是调制为共晶组成（Al浓度＝5质量%）或大致共晶组成（Al浓度＝5±2质量%以内）的片状的ZnAl焊料片3’。使ZnAl焊料片3’的尺寸比上述半导体元件1的芯片尺寸小。在本例中，ZnAl焊料片3’的厚度优选小于或等于50μm，更加优选为30μm。此外，ZnAl焊料片3’在接合之前暴露在大气中，因此当然会在表面形成有自然氧化膜。但是，在本例中，即使是这种ZnAl焊料片3’，也能够顺利地制造半导体装置。如果前驱材料A至C的准备完成，则使用丙酮或异丙醇等溶剂进行有机清洁，去除附着在这些前驱材料表面上的污染物。然后，将前驱材料A至C设置在减压回流装置中。减压回流装置5构成为，具有能够减压至5毫巴程度的排气能力，能够导入纯度大于或等于99.99%的非活性气体（氮气或氩气）。图2是表示设置在减压回流装置的试料室（放置有回流台30的腔室）中的前驱材料A至C的剖视图，如该图所示，在回流台30上放置基板2，对准基板2上的应进行接合的部位而重合ZnAl焊料片3’和使接合面朝向下方的半导体元件1，在该半导体元件1的上方放置载荷部件31。在这里，存在对于本例的半导体装置制造来说非常重要的几点。第1点是ZnAl焊料片3’的放置方法。在使ZnAl焊料片3’与半导体元件1重合时，关键是将ZnAl焊料片3’以与半导体元件1的外周相比不伸出的方式放置。如果使ZnAl焊料片3’的尺寸小于半导体元件1的尺寸，以使ZnAl焊料片3’不伸出至半导体元件1的外周的方式放置而施加载荷，且使其融解，则包裹ZnAl焊料熔融液体的Zn或Al的自然氧化膜的外皮瞬间破碎，能够短时间且再现性良好地发生熔融液体与基板2、以及熔融液体与半导体元件1的接合反应。另外，能够将制成的ZnAl焊料层3控制得较薄且厚度恒定。第2点是使用静态载荷部件31。在本例中，为了形成良好的接合，在焊料融解时对半导体元件1施加稳定的压力。所需的载荷优选大于或等于0.1g/cm2，更加优选大于或等于0.3g/cm2。例如，对于4mm2的半导体元件1，优选使用大于或等于0.4g的载荷，更加优选大于或等于1.2g的载荷即可。特别地，在使用大于或等于0.3g/cm2载荷的情况下，能够使得ZnAl焊料层3的厚度更薄，使其小于或等于50μm，该厚度具有不易本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置的制造方法，其中，包括下述工序：分别准备半导体元件、至少表面的主要元素为Cu的基板、形状比所述半导体元件小的ZnAl共晶焊料片；以各自的接合面彼此相对的方式配置所述半导体元件和所述基板，在该基板和半导体元件之间夹设所述ZnAl共晶焊料片；一边对夹设在所述基板和所述半导体元件之间的所述ZnAl共晶焊料片施加载荷一边进行升温，使所述ZnAl共晶焊料片融解而形成ZnAl焊料层；以及一边对所述ZnAl焊料层施加载荷一边进行降温。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.28 JP 2011-1655081.一种半导体装置的制造方法，其中，包括下述工序：分别准备半导体元件、至少表面的主要元素为Cu的基板、形状比所述半导体元件小的ZnAl共晶焊料片；以各自的接合面彼此相对的方式配置所述半导体元件和所述基板，在该基板和半导体元件之间夹设所述ZnAl共晶焊料片；一边对夹设在所述基板和所述半导体元件之间的所述ZnAl共晶焊料片施加载荷一边进行升温，使所述ZnAl共晶焊料片融解而形成ZnAl焊料层；以及一边对所述ZnAl焊料层施加载荷一边进行降温，使共晶相组织在所述ZnAl焊料层整体中所占的含有率，比共晶相组织在所述ZnAl焊料片中所占的含有率少，所述降温的工序，包含在刚好低于所述ZnAl焊料层的共...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷本智，图子祐辅，村上善则，井关隆士，高森雅人，佐藤伸二，松井康平，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，住友金属矿山株式会社，三垦电气株式会社，富士电机株式会社，
类型：
国别省市：