JP2005032834A - 半導体チップと基板との接合方法 - Google Patents

半導体チップと基板との接合方法 Download PDF

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Hisaaki Matsumoto
Suzuo Saito
Atsushi Yamamoto
Teruo Yoshino
輝雄 吉野
敦史 山本
寿彰 松本
裕 石渡
涼夫 齋藤
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株式会社東芝
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Abstract

【課題】300℃以上の高温での使用に耐え得る半導体チップと基板との接合方法を提供する。
【解決手段】基板1の表面における銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成した配線層13上に、スズ、亜鉛、インジウムのいずれかの低融点金属材よりなる低融点金属層3を設け、その上から半導体チップ5を積層する。そして、低融点金属材の融点以上の温度で低融点金属層3を液相状態とし、半導体チップと基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保持する。これによって、低融点金属層3の金属分子を配線層13の内部に拡散させて液相を消滅させ、配線層13の金属を主成分とする接合層を形成する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップと基板との接合方法に関し、特に、半導体チップ接合後の基板を搭載した半導体装置が高温で動作する、または高温環境下で使用されることを想定した半導体チップと基板の接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置においては、従来、半導体チップとこの半導体チップを取り付ける基板との接合を鉛(Pb)系またはスズ−鉛(Sn−Pb)系のはんだ材料を用いて行っている。
【0003】
例えばディスクリート型の半導体装置では、半導体チップが銅(Cu)などを用いた基板の上にこれらのはんだ材料により直接実装されることが一般的である。また、シリコン(Si)半導体チップの表面に金(Au)メッキを反応させて低融点の液相を生じさせ、この液相により半導体チップを基板に接合するいわゆる共晶接合も行われている。
【0004】
また、モジュール型の半導体装置では、半導体チップと絶縁基板を300℃付近の融点を有するPb系はんだ材料を用いて接合し、半導体チップと絶縁基板とを一体化した部材を、183℃付近の融点を有するSn−Pb共晶はんだなどの比較的低融点のはんだを用いて放熱板などの他の部材と接合する方法が多く用いられている。
【0005】
また、近年の鉛フリー化の傾向から、Sn系のはんだも多用されるようになっている。
【0006】
一方で半導体装置は、搭載される機器のコンパクト化の要求から、発熱密度が上昇する傾向にある。また、その使用環境も多様化し、高温環境下における使用も行われている。
【0007】
従来のSi半導体は、その使用可能温度が高々200℃程度であることから、これを超える温度で使用することは不可能であった。これに対し、近年開発されつつある化合物半導体は、高温においても使用が可能な特性を有するものが多い(たとえば特許文献1参照)。このような半導体は、機器のコンパクト化、高温環境への半導体機器の用途拡大に大きく貢献するものと期待されている。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−260451号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの化合物半導体を300℃以上の高温で使用した場合には、半導体チップと基板との接合層の耐熱性および熱サイクル特性が許容範囲を超えてしまうという問題がある。この点について、例えば300℃以上で使用可能な接合材としては、Au基のはんだ材が存在するが高価であるため、半導体チップの実装というような量産を前提とする場合には適用することができない。
【0010】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体チップと基板の接合層が300℃以上の高温での使用に耐え得る半導体チップと基板との接合方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体チップと基板との接合方法は、半導体チップと当該半導体チップが接合される表面を銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材を用いて形成した基板との間に、スズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかの低融点金属材を配置する段階と、前記低融点金属材の融点以上の温度を与えて前記低融点金属材を液相状態にする段階と、前記低融点金属材を挟んだ状態で前記半導体チップと前記基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保つことにより両者を接合する段階と、を有することを特徴とする。
【0012】
本発明にあっては、半導体チップと基板との間に、低融点金属材を配置し、低融点金属材の融点以上の温度を与えて低融点金属材を液相状態にし、低融点金属材を挟んだ状態で半導体チップと基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保つことで、基板の表面における金属材の内部に低融点金属材の金属分子を十分に拡散させて低融点金属材の液相を消滅させることにより、半導体チップと基板との間に、基板表面の金属材と低融点金属材による脆い金属間化合物が形成されることを抑制し、基板表面の金属を主成分とする金属固溶体をマトリックスとする接合層を形成する。これにより、融点が高いことから高い耐熱性を有し、かつ脆い金属間化合物が存在しないことから熱サイクル特性に優れた接合層を形成することができる。
【0013】
ここで、低融点金属材にはスズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかを用いるものとし、基板の表面は、低融点金属材との液相拡散接合が可能な銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成するものとする。
【0014】
【発明の実施の形態】
本接合方法は、基板と半導体チップとの間に低融点金属材を配置し、低融点金属材を液相状態にし、基板表面の金属材の内部に低融点金属材の金属分子を拡散させて、基板と半導体チップとを接合する方法である。低融点金属材は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)のうちのいずれかの金属であり、基板表面の金属材は、低融点金属材との液相拡散接合が可能な銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材である。
【0015】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面においては、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付すものとする。
【0016】
(第1の実施の形態)
図1は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施の形態では、基板1は、絶縁基板11の表面に配線層13を備え、裏面に配線層15を備える。配線層13,15は、銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成される。
【0017】
本接合方法では、まず、半導体チップ5の基板1との接合面または基板1の半導体チップ5との接合面の少なくとも一方に低融点金属層3を設け、低融点金属層3を挟んだ状態で半導体チップ5と基板1を積層する。図1では、低融点金属層3が基板1の接合面に設けられた状態を示している。低融点金属層3は、亜鉛(Zn)、インジウム(In)のうちのいずれかの低融点金属材で形成されるものとする。
【0018】
次に、低融点金属材の融点以上の所定温度に保つことにより低融点金属層3を液相状態とする。この液相状態の低融点金属層3によって半導体チップ5および基板1の両方を濡らした後、半導体チップ5と基板1とに所定の圧力を与えつつ、所定の温度で3時間保つことで、配線層13の内部に低融点金属層3の金属分子が入り込むように配線層13と低融点金属層3を相互に拡散させて低融点金属層3の液相を消滅させ、基板1と半導体チップ5との間に、配線層13と低融点金属層3による脆い金属間化合物が形成されることを抑制し、配線層13の金属を主成分とする金属固溶体をマトリックスとする接合層を形成する。
【0019】
この方法により、接合層は、融点が高くなり高い耐熱性を有するようになる。また、この接合層には、脆い金属間化合物が存在しないので、熱サイクル特性にも優れたものとなる。
【0020】
低融点金属層3は、基板1の半導体チップ5との接合面、すなわちここでは、配線層13の表面にメッキ法などにより形成するとよい。なお、メッキ法に代えて、たとえば、真空蒸着法やスパッタ法、また塗布など、その他の薄膜形成技術を用いて形成してもよい。
【0021】
低融点金属層3の厚さは、10μm以下であることが好ましい。これは、低融点金属層3を10μm以下に薄くすることにより、実工程として許容できる3時間以内の熱処理で上記の接合層の形成を完了するためである。
【0022】
また、低融点金属層3と配線層13を相互拡散させて低融点金属層3の液相を消滅させる際の所定温度は、450〜650℃の範囲とすることが好ましい。このような温度範囲とすることは、実工程として許容できる3時間以内の熱処理で上記の接合層を形成するには重要だからである。
【0023】
また、半導体チップ5と基板1の接合の際に両者に与える所定の圧力は、0.01MPa以上とすることが好ましい。このように接合時に加圧することは、低融点金属層3と基板表面との密着性を高め、接合層中に欠陥が形成されることを抑制できるからである。特に、低融点金属が薄くなる程、その効果は顕著である。なお、加圧の際の上限値は、半導体チップ5や基板1などが加圧により損傷しない程度であればよい。
【0024】
また、接合処理中は、半導体チップ5と基板1とを不活性雰囲気中に置いて、低融点金属層3と配線層13を相互に拡散させることが好ましい。これは、低融点金属、特にSnおよびInは酸化しやすいため、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気中など、不活性な雰囲気下で行うことにより、接合処理中における酸化を防止することとしたものである。
【0025】
半導体チップ5としては、Si半導体素子、炭化珪素(SiC)半導体素子、またはガリウムヒ素(GaAs)半導体素子などの化合物半導体素子を用いる。特に、SiC半導体素子は、化合物半導体の中でも高温における耐熱性が最も高く、一般に市販されているものでも650℃までは動作上問題がないことから、300℃以上の高温環境下での使用に耐えることができる。
【0026】
絶縁基板11は、窒化珪素(Si)、または窒化アルミニウム(AlN)からなることが好ましい。これは、絶縁基板11と半導体チップ5との熱膨張差が熱応力の発生要因となることから、絶縁基板11にSiやAlNを使用することにより、絶縁基板11とSiC製半導体素子を用いた半導体チップ5との熱膨張差を低減し、熱サイクル特性を改善することとしたものである。
【0027】
したがって、本実施の形態によれば、表面が銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成された基板1と半導体チップ5との間に、スズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかの低融点金属材を配置し、低融点金属材の融点以上の温度を与えて低融点金属材を液相状態にし、低融点金属材を挟んだ状態で半導体チップと基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保つことで、基板の表面における金属材の内部に低融点金属材の金属分子を十分に拡散させ、低融点金属材の液相を消滅させることにより、半導体チップと基板との間に、基板表面の金属材と低融点金属材による脆い金属間化合物が形成されることを抑制し、基板表面の金属を主成分とする金属固溶体をマトリックスとする接合層を形成する。これにより、融点が高いことから高い耐熱性を有し、かつ脆い金属間化合物が存在しないことから熱サイクル特性に優れた接合層を形成でき、300℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【0028】
特に、本実施の形態では、基板1の配線層13の上に低融点金属層3を設けることで、液相状態の低融点金属層3によって半導体チップ5および基板1の両方を濡らした後に拡散結合することにより、上記接合層を形成できるようにしている。
【0029】
(第2の実施の形態)
図2は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、図1の低融点金属層3に代えて低融点金属箔21を用いる。低融点金属箔21は、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、またはインジウム(In)のいずれかの低融点金属材からなる箔である。図2では、その他図1と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【0030】
本接合方法は、まず、低融点金属箔21を半導体チップ5と基板1とで挟むように積層する。ここで、低融点金属箔21の厚さは、10μm以下であることが好ましい。10μmを超えて厚くすると、実工程として許容できる3時間以内の熱処理で上記の接合を完了することができなくなるからである。
【0031】
そして、低融点金属材の融点以上の温度に保持して低融点金属箔21を液相状態とする。液相状態の低融点金属箔21により半導体チップ5および基板1の両方を濡らした後、半導体チップ5と基板1とに所定の圧力を与えつつ、所定の温度で一定時間保つことで、低融点金属箔21と配線層13のそれぞれの金属分子を相互拡散させて低融点金属箔21の液相を消滅させ、半導体チップ5と基板1の間に連続性のある金属間化合物の相を含まない固相の接合層を形成する。
【0032】
本接合方法は、低融点金属箔21を用いている点が第1実施形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属箔21の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ5に用いる半導体素子の種類、絶縁基板11の材質、配線層13および15の材質等については、第1の実施の形態と同様である。
【0033】
この方法により、接合層は、融点が高くなり、高い耐熱性を有するようになる。また、この接合層には、脆い金属間化合物が存在しないので、熱サイクル特性に優れたものとなる。
【0034】
したがって、本実施の形態によれば、第1実施形態のように低融点金属層3を基板1の表面に設けるのではなく、基板1と半導体チップ5とで低融点金属箔21を挟むようにして積層する方法においても、300℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【0035】
(第3の実施の形態)
図3は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、基板1として、配線層を含めて銅により形成したCu基板7を用いる。すなわち、このCu基板7の表面は銅で形成されている。図3では、その他、図1と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【0036】
本接合方法は、Cu基板7の半導体チップ5との接合面または半導体チップ5のCu基板7との接合面の少なくとも一方に低融点金属層3を設けた後、この低融点金属層3を介してCu基板1と半導体チップ5を液相拡散接合する方法である。図3では、Cu基板7の接合面に低融点金属層3を設けた状態を示している。
【0037】
本接合方法は、Cu基板7を用いている点が第1実施形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属層3の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ5に用いる半導体素子の種類等については、第1の実施の形態と同様である。
【0038】
したがって、本実施の形態によれば、このようなCu基板7に半導体チップ5を接合する場合においても、Cu基板7と半導体チップ5との間に低融点金属層3を配置し液相拡散接合をすることで、300℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【0039】
なお、Cu基板7は、必ずしも純Cuに限らず、他の金属を含むCu合金(たとえばCu−1%Cr合金など)を用いた基板であってもよいし、また、絶縁基板11の表面にCu板やCu合金板を貼り付けた構造の基板であってもよい。
【0040】
(第4の実施の形態)
図4は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、基板1として、Cu基板7の表面をAg層9で被覆した金属基板を用いる。図4では、その他、図1と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。
【0041】
本接合方法は、Ag層9の半導体チップ5との接合面または半導体チップ5の基板との接合面の少なくとも一方に低融点金属層3を設けた後、この低融点金属層3を介して基板に半導体チップ5を液相拡散接合する方法である。図4では、Ag層9の接合面に低融点金属層3を設けた状態を示している。
【0042】
本接合方法は、基板1としてCu基板7にAg層9を設けた金属基板を用いている点が第1の実施の形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属層3の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ5に用いる半導体素子の種類、絶縁基板11の材質、配線層13および15の材質等については、第1の実施の形態と同様である。
【0043】
したがって、本実施の形態によれば、このようなCu基板7の表面をAgで被覆した金属基板に半導体チップ5を接合する場合でも、Cu基板7と半導体チップ5との間に低融点金属層3を配置し液相拡散接合をすることで、300℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【0044】
なお、Cu基板7の表面を被覆したAg層9は、通常メッキにより形成されるが、他の方法によって規制されたものであってもよい。また、Cu基板7も、純Cuに限らず、Cu合金を用いた基板であってもよいし、また、絶縁基板11の表面にCu板を貼り付けた構造の基板であってもよい。
【0045】
(第5の実施の形態)
図5は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、第3実施形態の低融点金属層3に代えて低融点金属箔21を用いる。その他、図3と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【0046】
本接合方法は、基板1としてCu基板7を用いるとともに、このCu基板7と、半導体チップ5との間に低融点金属箔21を挟んで積層した後、半導体チップ5とCu基板7を液相拡散接合する方法である。本接合方法は、低融点金属箔21を用いている点が第3の実施の形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属箔21の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ5に用いる半導体素子の種類等については、第3の実施の形態と同様である。
【0047】
したがって、本実施の形態によれば、このようなCu基板7に半導体チップ5を接合する場合でも、Cu基板7と半導体チップ5との間に低融点金属箔21を挟んで積層し液相拡散接合をすることで、300℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【0048】
(第6の実施の形態)
図6は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態は、第4実施の形態の低融点金属層3に代えて低融点金属箔21を用いる。その他、図4と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【0049】
本結合方法は、基板1として、Cu基板7にAg層9を被覆した金属基板を用い、Ag層9と半導体チップ5との間に低融点金属箔21を挟んで積層した後、半導体チップ5と金属基板を液相拡散接合する方法である。本接合方法は、低融点金属箔21を用いる点が第4の実施の形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属箔21の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ5に用いる半導体素子の種類等については、第4の実施の形態と同様である。
【0050】
したがって、本実施の形態によれば、このようなCu基板7の表面をAgで被覆した金属基板と半導体チップ5とを接合する場合でも、金属基板と半導体チップ5との間に低融点金属箔21を挟んで積層し液相拡散接合をすることで、300℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【0051】
[実施例]
さらに、実施例により本発明を説明する。以下に示す構成を基本構成とし、図7の表に示す接合条件に基づいて構成要素を様々に変更した実施例および比較例となるサンプルを試作し、接合状態、チップの抵抗特性、熱サイクル特性のそれぞれについて評価を実施した。
【0052】
(基本構成)
基板:基板の寸法は、30mm角で厚さ0.6mmとした。Cu配線層は、27mm角で厚さ0.2mmとし、基板にろう付けした。各実施例、各比較例の基板の種類は、図7の表に示す通りであり、実施例1〜13、比較例1〜6では、絶縁基板の表面にCu配線を備えたものを用い、実施例14〜17では金属基板を用いた。絶縁基板は、実施例1〜12、比較例1〜5ではSi基板であり、実施例13では窒化アルミニウム(AlN)基板、比較例6では酸化アルミニウム(Al)基板である。金属基板は、実施例14ではCu基板、実施例15ではCu−1%Cr基板、実施例16〜17ではAgメッキされたCu基板である。
【0053】
半導体チップ:1mm角で厚さ0.4mmのSiC半導体チップを用いた。
【0054】
低融点金属:各実施例、各比較例で用いた低融点金属の種類は図7の表に示す通りである。実施例1〜11、実施例13〜16および比較例1〜6では、それぞれ図7の表に示す低融点金属をCu配線層の半導体チップを接合する側の面にメッキまたは塗布して低融点金属層を形成した。実施例12および17では低融点金属箔としてSn箔を用いた。
【0055】
接合方法:各実施例および各比較例について、図7の表に示すそれぞれの加圧力、接合温度、接合雰囲気条件にて、3時間で液相拡散接合を実施した。
【0056】
(評価方法)
接合処理の完了後に、接合状態、チップの抵抗特性、接合層の熱サイクル特性のそれぞれについて評価を実施した。図8はその評価結果を示す表である。
【0057】
接合状態:目視および光学顕微鏡による観察で、接合層のクラックや空隙の有無を調べた。
【0058】
チップの抵抗特性:所定の電圧における接合前後の抵抗値の変化量を調べ、その変化量が10%以内であるものを合格とした。
【0059】
熱サイクル特性:−40℃と300℃との間の熱サイクルを繰り返した場合の熱疲労寿命を評価し、実施例2の熱疲労寿命回数の50%以上を満足した場合を合格とした。
【0060】
以下、各実施例および比較例の評価結果について説明する。
【0061】
(実施例1〜3および比較例1〜2)
接合温度を400℃〜700℃の範囲で変えて調べた。接合温度を450℃〜650℃の範囲で実施した実施例1〜3では、3時間の接合処理により、SnがCu配線層中に十分に拡散し、機械的強度に優れたCuのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。また、接合前後の抵抗特性の変化も極めて少なった。
【0062】
一方、400℃で接合処理を実施した比較例1では、3時間の処理ではSnの拡散が不十分なため、接合層中にSn−richの脆い金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。また、700℃で処理した比較例2は、接合温度が高すぎたため、チップの抵抗特性の変化が大きく、不合格であった。
【0063】
(実施例4〜6および比較例3)
低融点金属層であるSnメッキ層の厚さを1〜15μmの範囲で変化させて調べた。Snメッキ層の厚さが10μm以下の実施例4〜6では、3時間の接合処理により、SnがCu配線層中に十分に拡散し、機械的強度に優れたCuのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。
【0064】
一方、Snメッキ層の厚さが15μmの比較例3では、3時間の処理でもSnの拡散が不十分なため、接合層中にSn−richの脆い金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。
【0065】
(実施例7〜8および比較例4)
半導体チップと基板に与える圧力を0.005〜0.02MPaの範囲で変化させて調べた。圧力が0.1MPa以上の実施例7〜8では、3時間の接合処理によりSnがCu配線層中に十分拡散し、機械的強度に優れたCuのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。
【0066】
一方、加圧力が0.005MPaの比較例4では、Snメッキ層とCu配線層との接合面積が十分確保されず、また、接合層にも金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。
【0067】
(実施例9および比較例5)
接合処理の雰囲気を大気または窒素とした場合について調べた。不活性な窒素雰囲気下で接合を実施した実施例9では、真空雰囲気下で接合処理した場合と同様3時間の接合処理によりSnがCu中に十分拡散し、機械的強度に優れたCuのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。
【0068】
一方、大気中で接合処理した比較例5では、接合初期段階におけるSnの酸化により、Snメッキ層とCu配線層との界面に酸化膜が形成されて拡散を阻害するため接合面積が十分に確保されず、また、接合層にも金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。
【0069】
(実施例10および11)
低融点金属層としてInを用いた実施例10、およびZnを用いた実施例11においても、Snを用いた他の実施例と同様、良好な接合層が得られた。
【0070】
(実施例12)
実施例12では、厚さ5μmのSn箔を基板のCu配線と半導体チップとの間に挟んだ状態で接合処理を行った。この場合も、他の実施例を同様に、接合状態、チップの抵抗特性、接合体の熱サイクル特性のいずれも良好であった。
【0071】
(実施例13および比較例6)
絶縁基板に窒化アルミニウムを用いた実施例13でも、他の実施例と同様に良好な結果が得られた。
【0072】
一方、絶縁基板に酸化アルミニウムを使用した比較例6では、半導体チップと絶縁基板との熱膨張差が大きく、熱サイクル特性が不良であった。
【0073】
(実施例14〜17)
Cu基板にSnメッキした実施例14、Cu−1%Cr基板にSnメッキした実施例15、Cu基板に全面Agメッキした後Snメッキを施した実施例16、Cu基板とチップとの間にSn箔を載置した実施例17においても、いずれも良好な結果が得られた。この結果から、CuまたはAgを表面とする基板に半導体チップ5を実装することも有効であることが確認された。
【0074】
以上、本発明を適用した実施の形態および実施例について説明したが、本発明は、これらの実施の形態や実施例に限定されるものではない。
【0075】
例えば、実施例1〜11,13〜16では、低融点金属層を基板側に設けることとしたが、これに代えて、半導体チップ側に設けるようにしてもよい。この場合、半導体チップと基板との接合は、半導体チップの低融点金属層と基板表面の金属とが接するように半導体チップを基板上に積層して、前述したように液相拡散接合を行うようにする。これによって、各実施例と全く同様の効果を得ることができる。
【0076】
あるいは、半導体チップの接合面と、基板の接合面の両方に低融点金属層を設けるようにしてもよい。この場合も同様の効果を得ることができる。
【0077】
また、各実施例では、SiC半導体チップを用いることとしたが、Si半導体チップやその他の化合物半導体を用いるようにしてもよい。
【0078】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の接合方法によれば、耐熱性および熱サイクル特性に優れ、300℃以上の高温での使用に耐え得る半導体チップと基板間の接合層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図2】第2の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図3】第3の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図4】第4の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図5】第5の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図6】第6の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図7】各実施例および各比較例について半導体チップと基板の接合条件を示す表である。
【図8】各実施例および各比較例について接合状態、チップの抵抗特性、熱サイクル特性の評価結果を示す表である。
【符号の説明】
1…基板、3…低融点金属層、
5…半導体チップ、7…Cu基板、
9…Ag層、11…絶縁基板、
13…表面配線層、13,15…配線層、
21…低融点金属箔

Claims (11)

  1. 半導体チップと当該半導体チップが接合される表面を銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成した基板との間に、スズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかの低融点金属材を配置する段階と、
    前記低融点金属材の融点以上の温度を与えて前記低融点金属材を液相状態にする段階と、
    前記半導体チップと前記基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度に一定時間保つことにより両者を接合する段階と、を有することを特徴とする半導体チップと基板との接合方法。
  2. 前記低融点金属材を配置する段階では、前記半導体チップの前記基板との接合面または前記基板の前記半導体チップとの接合面の少なくとも一方に、前記低融点金属材を用いた低融点金属層を設けることを特徴とする請求項1記載の半導体チップと基板との接合方法。
  3. 前記低融点金属材を配置する段階では、前記低融点金属材を用いた低融点金属箔を前記半導体チップと前記基板とで挟んで保持することを特徴とする請求項1記載の半導体チップと基板との接合方法。
  4. 前記低融点金属材の厚さは、10μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  5. 前記所定の温度は、450〜650℃の範囲であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  6. 前記所定の圧力は0.01MPa以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  7. 不活性雰囲気中で前記拡散を行うことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  8. 前記半導体チップは、炭化珪素製半導体素子を用いたものであり、前記基板は、窒化珪素または窒化アルミニウムを用いたものであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  9. 前記基板の表面に、前記金属材による配線層を形成したことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  10. 前記基板は、前記金属材を用いて形成されたものであって、
    前記基板の表面の材質を当該金属材としたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
  11. 前記基板は、銅又は銅合金を用いて形成されたものであって、
    前記基板の表面を銀で被覆したことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
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