JP2022014737A

JP2022014737A - 液相拡散接合方法

Info

Publication number: JP2022014737A
Application number: JP2020117256A
Authority: JP
Inventors: 一弘前野; Kazuhiro Maeno
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2022-01-20

Abstract

【課題】Ｃｕ配線と半導体チップを接合するための、接合層の充填不良を抑制できる液相拡散接合方法の提供。【解決手段】Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、厚さ５μｍのＳｎからなる第１薄膜５０と、厚さ５μｍのＳｎ薄膜にＣｕを添加してなる第２薄膜５１とを挟む。半導体チップ３０側にＳｎ薄膜５０を配置するとともに、Ｃｕ配線２２側にＳｎ薄膜にＣｕを添加したＳｎ－Ｃｕ薄膜５１を配置し、第１薄膜と第２薄膜を加熱することで接合層を形成する液相拡散接合方法。【選択図】図２

Description

本発明は、液相拡散接合方法に関する。

基板のＣｕ配線と半導体チップとの間にＳｎ層を配置して接合することで接合構造を形成する技術がある。このような技術により形成された接合構造は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の接合構造では、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成されている。接合層は、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなしている。

このような接合構造の製造方法としては、液相拡散接合方法が用いられる。特許文献１に記載の液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、厚さ３μｍ～６μｍのＳｎ薄膜を挟んだ状態において、３６０℃～４５０℃の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合する。

特開２０１９－０５４０３９号公報

ところで、Ｓｎ層の厚みが１０μｍのように厚い場合、接合層にＳｎ層が残存する。Ｓｎは、融点が２３２℃であるため、例えば３００℃のような温度下では、再溶融してしまう。そこで、Ｓｎ層の厚みを例えば３μｍのように薄くすると、Ｓｎ層は残存しにくい。しかし、Ｃｕ配線への接合層の充填不良が生じる虞がある。接合層の充填不良が生じた場合、放熱性や導電性が低下する。

本発明の目的は、接合層の充填不良を抑制することができる液相拡散接合方法を提供することにある。

上記課題を解決する液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｓｎからなる第１薄膜と、Ｓｎ薄膜にＣｕを添加してなる第２薄膜と、を挟んだ状態において、前記第１薄膜と前記第２薄膜とを加熱することで、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、接合層を形成する。

これによれば、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、Ｓｎ薄膜のみを挟んだ状態において接合する場合と比べて、Ｃｕ配線のＣｕだけでなくＳｎ－Ｃｕ薄膜のＣｕも拡散する。その結果、Ｓｎ薄膜の残存を抑制することができる。また、より多くのＳｎを金属化合物化することができるため、接合層の充填不良を抑制することができる。

上記液相拡散接合方法において、前記第１薄膜及び第２薄膜は、メッキ膜であるとよい。
これによれば、メッキによって作成された薄膜は、安価であるため、製造コストの低減が図られる。

接合層の充填不良を抑制することができる。

実施形態における接合構造を示す模式図。接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。接合層の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＣｕの元素マッピング像を示す図。接合層の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＳｎの元素マッピング像を示す図。Ｃｕの含有量とＳｎ－Ｃｕの融点との関係を示すグラフ。

以下、液相拡散接合方法を具体化した一実施形態を図１～図５にしたがって説明する。まずは、接合構造について説明する。
図１及び図２に示すように、接合構造１０は、配線基板２０と半導体チップ３０との間に接合層４０が形成された構造である。配線基板２０は、絶縁基板２１と、絶縁基板２１上にパターニングされたＣｕ配線２２と、を備える。半導体チップ３０は、例えば縦型のパワートランジスタである。半導体チップ３０は、配線基板２０のＣｕ配線２２と電気的に接続されている。半導体チップ３０は、電極３１を有している。電極３１は、Ｔｉ層、Ｎｉ層、及びＡｕ層を順に積層することにより構成されている。半導体チップ３０は、例えば、１０ｍｍ四方の正方形状である。接合層４０は、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなしている。Ｃｕ配線２２側の金属間化合物層４１は、Ｃｕリッチな金属間化合物層である。半導体チップ３０側の金属間化合物層４２は、Ｓｎリッチな金属間化合物層である。

次に、液相拡散接合方法について説明する。
図２に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、厚さ５μｍの第１薄膜としてのＳｎ薄膜５０と厚さ５μｍの第２薄膜としてのＳｎ－Ｃｕ薄膜５１とを挟む。Ｓｎ薄膜５０とＳｎ－Ｃｕ薄膜５１とは、層状に重ねて配置されている。Ｓｎ－Ｃｕ薄膜５１は、Ｓｎ薄膜にＣｕを添加することにより形成されている。本実施形態においては、半導体チップ３０側にＳｎ薄膜５０が配置されるとともに、Ｃｕ配線２２側にＳｎ－Ｃｕ薄膜５１が配置される。Ｓｎ薄膜５０及びＳｎ－Ｃｕ薄膜５１は、メッキ膜である。Ｓｎ－Ｃｕ薄膜５１におけるＣｕの含有量は、１．５ｗｔ％である。

このように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間にＳｎ薄膜５０及びＳｎ－Ｃｕ薄膜５１を挟んだ状態において、配線基板２０、半導体チップ３０、Ｓｎ薄膜５０、及びＳｎ－Ｃｕ薄膜５１を接合炉に入れる。そして、Ｈ２還元雰囲気で、３６０℃～４５０℃の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。

詳しくは、３６０℃の温度雰囲気下で５～６分間の加熱により接合を行う。この際、Ｓｎ薄膜５０のＳｎ中にＣｕ配線２２のＣｕとＳｎ－Ｃｕ薄膜５１のＣｕとが拡散すると、最初にＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が生成する。さらに、Ｃｕの拡散が進むと、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物が生成する。その結果、図１に示すようにＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１とＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなす接合層４０が形成される。なお、Ｓｎ薄膜５０は、厚さ５μｍ程度であれば、Ｃｕ配線２２のＣｕの拡散によりＳｎ単独層が残存しないことが過去の評価により判明している。

融点の高いＣｕと、融点がＣｕよりも低いＳｎの温度が、接合炉で上昇していくと、Ｃｕよりも融点の低いＳｎが溶けて液相になり、Ｃｕ配線２２のＣｕとＳｎ－Ｃｕ薄膜５１のＣｕとが拡散することによってＣｕ６Ｓｎ５が形成される。

その後、Ｃｕ配線２２側のＣｕが拡散してＣｕ３Ｓｎに置き換わって、Ｃｕ配線２２側にＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４２が形成される。このようにして、図１に示すようなＣｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４２と、半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４１と、の２層構造をなす接合層４０が形成される。

図３には、厚さ５μｍのＳｎ薄膜５０と厚さ５μｍのＳｎ－Ｃｕ薄膜５１とを用いることで形成された接合層４０の断面におけるＣｕの面分析結果を示す。
図４には、厚さ５μｍのＳｎ薄膜５０と厚さ５μｍのＳｎ－Ｃｕ薄膜５１とを用いることで形成された接合層４０の断面におけるＳｎの面分析結果を示す。測定は、高分解能のＦＥ－ＥＰＭＡ（電界放出形電子プローブマイクロアナライザ）（日本電子製ＪＸＡ－８５３０Ｆ）を用いて実施している。図３でのＣｕの面分析結果において、各々、ドットの密度により存在する元素の濃度を示している。図４でのＣｕ及びＳｎの面分析結果において、ドットの密度により存在する元素の濃度を示している。

Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１は、図３では、濃度の低いドットが点在しており、図４では、濃度の高いドットが点在している。これらは、Ｃｕが多く、Ｓｎが少ない部分を表している。

Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、図３では、濃度の低いドットが点在しており、図４では、濃度の高いドットが点在している。これらは、Ｃｕが多く、Ｓｎが少ない部分を表している。

このように、少なくとも図３及び図４の面分析結果からは、接合層４０の層全体に亘ってＳｎ単独層が存在している部分はないことが分かる。
図５に示すように、Ｃｕの含有量が増加するにつれてＳｎ－Ｃｕ薄膜の液相線融点が上昇する。Ｃｕの含有量が１．５ｗｔ％である場合、Ｓｎ－Ｃｕ薄膜の液相線融点は約２６０℃～２７０℃である。また、接合層４０としては、３００℃程度の融点が要求されるが、Ｃｕ配線２２からのＣｕの拡散により３００℃程度の融点が確保できる。なお、Ｃｕの含有量が増加するにつれてＳｎ－Ｃｕの成膜が難しくなるため、Ｃｕの含有量は、１．５ｗｔ％が上限である。

次に、本実施形態の作用について説明する。
Ｓｎ薄膜５０とＳｎ－Ｃｕ薄膜５１とを半導体チップ３０とＣｕ配線２２との間に配置することにより、Ｓｎ薄膜５０のみを半導体チップ３０とＣｕ配線２２との間に配置する場合に比べて、Ｃｕの拡散量を増加させて、金属化合物化できるＳｎを増加させている。

上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｓｎ薄膜５０のみを挟んだ状態において接合する場合と比べて、Ｃｕ配線２２のＣｕだけでなくＳｎ－Ｃｕ薄膜５１のＣｕも拡散することができる。したがって、より多くのＳｎを金属化合物化することができるため、接合層４０の充填不良を抑制することができる。

（２）Ｓｎ薄膜５０及びＳｎ－Ｃｕ薄膜５１は、メッキ膜である。メッキによる薄膜は安価であるため、製造コストの低減が図られる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 実施形態において、Ｓｎ薄膜５０は、スパッタリングによって成膜してもよい。要は、メッキによって成膜したＳｎ薄膜５０と同等の膜厚が確保できればよい。
○ 実施形態において、Ｓｎ薄膜５０は、プリフォーム成形して基板配線上に載置してもよい。

○ 実施形態において、接合炉による加熱を行う際に、Ｃｕ配線２２側にＳｎ薄膜５０が配置されるとともに半導体チップ３０側にＳｎ－Ｃｕ薄膜５１が配置される構成であってもよい。

○ 実施形態において、Ｓｎ薄膜５０の厚さは３μｍ～５μｍであればよい。
○ 実施形態において、Ｓｎ－Ｃｕ薄膜５１の厚さは３μｍ～５μｍであればよい。
○ Ｓｎ薄膜５０の厚さ、Ｓｎ－Ｃｕ薄膜５１の厚さは、上記した範囲に限られず、Ｃｕ配線２２の大きさ、半導体チップ３０の大きさ、接合層４０に求められる融点など、種々の条件により適宜変更してもよい。

○ 実施形態において、半導体チップ３０は、１０ｍｍ四方のチップを使用したが、半導体チップ３０の大きさはこれに限らない。例えば、６ｍｍ四方のチップを使用してもよい。なお、６ｍｍ四方のチップを使用する場合は、より薄いＳｎ薄膜５０及びＳｎ－Ｃｕ薄膜５１を使用してもよい。

○ 実施形態において、半導体チップ３０は正方形状であったが、長方形状であってもよい。

１０…接合構造、２０…Ｃｕ配線、３０…半導体チップ、５０…第１薄膜としてのＳｎ薄膜、５１…第２薄膜としてのＳｎ－Ｃｕ薄膜。

Claims

Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、
前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｓｎからなる第１薄膜と、
Ｓｎ薄膜にＣｕを添加してなる第２薄膜と、を挟んだ状態において、
前記第１薄膜と前記第２薄膜とを加熱することで、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、接合層を形成することを特徴とする液相拡散接合方法。
前記第１薄膜及び前記第２薄膜は、メッキ膜であることを特徴とする請求項１に記載の液相拡散接合方法。