JP4973055B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子と基板の接合技術に関する。

一般に、半導体素子と金属基板を接合する際にははんだが用いられる。ところが、このはんだは、半導体素子と金属基板の熱膨張係数の差のために温度差によって発生する応力を自身が歪むことによって緩和するというメリットを有する反面、その繰り返しによってCoffin-Manson則（歪と疲労寿命の関係を示す法則）で示されるような劣化が発生するというデメリットを有する。

具体的には、実使用時、半導体素子の発熱によって半導体装置に温度変化が加わることによって熱膨張係数が異なる半導体素子と基板との間に変位が発生するために、半導体素子と基板間に存在するはんだには熱応力と熱歪が生じる。そして半導体素子の発熱が繰り返されることによってはんだの劣化が進み、遂には疲労寿命に達してクラックが発生する。この結果、半導体素子を冷却する放熱経路が遮断され、半導体素子が高温に晒されて破壊に至る。

このような背景から、近年、半導体素子の冷却能力を向上させて半導体素子と基板間の温度差を小さくすることにより半導体素子と基板間の変位を抑制する方法、半導体素子と基板間の熱膨張係数差を小さくすることにより半導体素子と基板間の変位を抑制する方法、半導体素子と基板間に変位が生じても接合部に熱応力や熱歪が集中しないように半導体素子や基板の形状を設計する方法等、はんだの寿命を延ばすための幾つかの方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３１７３２号公報

しかしながら、上記方法はいずれも、半導体素子と金属基板間の変位をその接合部であるはんだの歪により吸収しようとするものであり、その繰り返しによってはんだの劣化が進み遂には疲労寿命に達しクラックが発生するという初期の問題そのものを解決してはいない。即ち、接合部で応力緩和を行う従来の半導体装置構造によれば、多少の接合部の寿命改善ができたとしても、極端に温度差が大きくなったり、接合面積が増えたりした場合においては十分な改善策とは言えない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、寿命を飛躍的に向上可能な半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、接合層を用いることなく半導体素子と基板を接合し、半導体素子と基板の接合界面の強度特性を指定することにより半導体素子と基板間の変位を基板側で吸収する。即ち、本発明に係る半導体装置は、接合界面の密着強度を同一温度において基板の０．２％耐力の大きさと同じ若しくはそれ以上にし、半導体素子の引張破壊強度の大きさが同一温度において基板の引張破壊強度の大きさと同じ若しくはそれ以上にすることにより、半導体素子と基板間の変位を基板側で吸収する。

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によれば、半導体素子と基板間の変位を基板側で吸収するので、最終的な破壊現象は靱性が高く、ある一定の歪に対する繰り返し疲労強度が高い基板側において発生するようになり、半導体装置の寿命を飛躍的に向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる半導体装置の構成について詳しく説明する。

［半導体装置の構成］
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態となる半導体装置は、図１に示すように、基板１と半導体素子２とを備え、半導体素子２の裏面側と基板１の表面側は接合界面３において接合されている。また、基板１は金属材料又は有機物材料若しくは無機物材料と金属材料との複合材料により形成されている。また図示しないが、半導体素子２の表面側と裏面側にはそれぞれ電極と金属膜が形成されている。

この半導体装置では、図２に示すように、接合界面３の密着強度が同一温度において基板１の０．２％耐力σｙ_１の大きさと同じ若しくはそれ以上になるように基板１と半導体素子２が接合されている。このような構造によれば、半導体装置に熱負荷が掛かり、半導体素子２と基板１の熱膨張差によって剪断方向に変位が生じた際、接合界面３がはがれることはなく、発生した応力は靱性が高く、ある一定の歪に対する繰り返し疲労強度が高い基板１が変形することにより緩和されるので、半導体装置の寿命を向上させることができる。

なお、上記基板１は、半導体素子２の表面側の電極を形成する材料（例えば銅（Ｃｕ）やＣｕ合金）の融点よりも融点が低い、アルミニウム（Ａｌ）（融点６６０［℃］）やアルミニウム合金等の金属材料により形成することが望ましい。半導体素子２の表面側の電極を形成する材料の融点よりも融点が低い金属材料によって基板１を形成することにより、基板１と半導体素子２を溶融金属によって接合し、接合界面３の密着強度が同一温度において基板１の０．２％耐力σｙ_１の大きさと同じ若しくはそれ以上にすることができる。

また、上記半導体素子２の裏面側の金属膜は、銀（Ａｇ），Ａｌ，クロム（Ｃｒ），Ｃｕ，ゲルマニウム（Ｇｅ），インジウム（Ｉｎ），マグネシウム（Ｍｇ），マンガン（Ｍｎ），パラジウム（Ｐｄ），シリコン（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）のうちのいずれかにより形成することが望ましい。一般に、Ａｌは凝固するとすぐに表面に酸化膜を形成して安定化する。これはＡｌと酸化物との結合エネルギーが高いためである。従って、溶融した状態のＡｌは、最表面が酸化している金属と強固に接合すると考えられる。また、共晶によって融点が下がりやすい金属との接合性も高いと考えられる。このことから、金属膜を上記材料により形成することにより、金属膜と溶融Ａｌとの接合性が良好になり、安定した接合界面を形成することができる。また金属の種類によっては接合温度を下げることも可能となる。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態となる半導体装置は、上記第１の実施形態となる半導体装置構造において、図３に示すように、半導体素子２の引張破壊強度σｔ_２の大きさが同一温度において基板１の引張破壊強度の大きさσｔ_１と同じ若しくはそれ以上になるように基板１及び半導体素子２を形成する材料が選択されている。接合界面を高強度に形成することによって基板１に発生する歪を極力低減するために、基板１を形成する材料として、極端に硬い金属材料を用いたり、歪の蓄積によって加工硬化することにより極端に硬くなる金属材料を用いた場合、半導体素子２自体が破壊する可能性がある。従ってこのような構造によれば、基板１に発生する応力によって半導体素子２が破壊されることを防止できるので、半導体装置の信頼性をさらに向上させることができる。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態となる半導体装置では、上記第１又は第２の実施形態となる半導体装置構造において、図４〜図７に示すように基板１が突出面Ａを有し、半導体素子２は突出面Ａ上において基板１と接合している。このような構成によれば、基板１の剛性が上がることによって基板１自体の反りを抑制でき、反りによって半導体素子２及び基板１に新たに発生する応力を緩和することができるので、接合後の冷却によって生じる残留応力により基板１自体や半導体素子２側面にクラックが発生することを防止できる。

なお、上記剛性とは材料に力を加えた場合にどの程度変形し難いかを示す。突出面Ａを設けた場合、一定の発生変位に対して歪を分かち合う面積（又は体積）が増えるので、その分ミクロ的に歪も応力も小さくて済むと考えられる。また、接合後の熱負荷によって基板１に発生する歪が弾性歪である場合には、基板１に与えられる熱疲労は最小限に抑えられ、特に有効で画期的な寿命向上が可能になる。加えて、最終的に塑性歪が蓄積して基板１にクラックが入ったとしても、そのクラック方向が半導体装置としての電気・熱経路に大きく影響を与えない方向になるので、半導体装置の損傷を小さく抑えられ、結果的により一層の寿命向上が望める。

〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態となる半導体装置では、上記第３の実施形態となる半導体装置構造において、図８や図９に示すように、突出面Ａが突出面Ａの側面部と半導体素子２の側面部との間の距離が半導体素子２の側面形状の角部において最短になるように形成されている。このような構成によれば、図１０（ａ）に示すような応力集中領域Ｒ１を図１０（ｂ）に示す領域Ｒ２のように分散させることによって、半導体素子２の角部周辺に応力が集中することを防止できる。

［半導体装置の製造方法］
最後に、上記半導体装置の製造方法の一実施例について説明する。

この実施例では、最初に、半導体装置の形状に合わせて形成された空洞部１１を有し、空洞部１１内に溶融金属を供給できる供給部１２を備える治具１３を用意する。そして始めに、図１１（ａ）に示すように空洞部１１の底部にシリコンカーバイト（ＳｉＣ）により形成され、表面側にはＣｕ電極が形成されている高耐熱半導体素子２を裏面側を表（図中上方向）にして配置する。次に、図１１（ｂ）に示すように空洞部１１の所定位置にセラミックス基板１４を配置した後、図１１（ｃ）に示すように供給部１２から約６６０［℃］の溶融Ａｌを流し込むことにより半導体素子２とアルミニウムを接合する。そして最後に、治具１３全体を冷却することにより半導体装置が製造される。なおこの時同時に、半導体実装基板として一般的に用いられているセラミックス基板も空洞部１１内の所定位置に配置することにより、半導体素子２が接合されたＡｌセラミックス絶縁基板を製造することもできる。また、上記説明では、半導体素子２はＳｉＣにより形成されているとしたが、裏面にＡｌの拡散を防止するＮｉ金属膜等が形成されている場合には、半導体素子２はＳｉ等より形成されていてもよい。この実施例では、比較的柔らかく靭性の高く、ある一定の歪に対する繰り返し疲労強度が高い基板１側の純Ａｌによる応力緩和が可能となり、接合層３の寿命が大幅に向上する。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる半導体装置の構成を示す断面図である。 接合界面の密着強度と基板の０．２％耐力の関係を説明するための応力−歪曲線である。 基板の引張破壊強度と半導体素子の引張破壊強度の関係を説明するための応力−歪曲線である。 本発明の第３の実施形態となる半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態となる半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態となる半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態となる半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態となる半導体装置の一構成例を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態となる半導体装置の一構成例を示す断面図である。 図８及び図９に示す半導体装置の構成による技術的効果を説明するための図である。 本発明の実施形態となる半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。

符号の説明

１：基板
２：半導体素子
３：接合界面

Claims (8)

1. 半導体素子と基板とを有し、半導体素子の裏面側と基板の表面側が、溶融した前記基板によって直接接合されて接合界面を形成して接合されている半導体装置において、前記接合界面の密着強度の大きさが同一温度において前記基板の０．２％耐力の大きさと同じ若しくはそれ以上であり、前記半導体素子の引張破壊強度の大きさが同一温度において前記基板の引張破壊強度の大きさと同じ若しくはそれ以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、前記基板はアルミニウム又はアルミニウム合金により形成されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体装置において、前記基板は突出面を有し、前記半導体素子は突出面において基板と接合していることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、前記突出面は突出面の側面部と前記半導体素子の側面部との間の距離が半導体素子の側面形状の角部において最短になるように形成されていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の半導体装置において、前記半導体素子の表面側には基板を形成している材料より融点が高い金属膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の半導体装置において、前記半導体素子の裏面側には、銀、アルミニウム、クロム、銅、ゲルマニウム、インジウム、マグネシウム、マンガン、パラジウム、シリコン、チタン、ジルコニウムのうちのいずれかからなる金属膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の半導体装置において、前記半導体素子は、ＳｉＣにより形成されていることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１乃至請求項７のうち、いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体素子の裏面側に溶融した基板を流し込む工程と、前記溶融して流し込まれた基板と半導体素子と接合することにより前記接合界面を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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