JP7310482B2 - Bonding structure and liquid phase diffusion bonding method - Google Patents

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Description

本発明は、接合構造及び液相拡散接合方法に関するものである。 The present invention relates to a bonding structure and a liquid phase diffusion bonding method.

基板のCu配線と電子部品との間にSn層を配置して液相拡散接合によりCuSnによる接合層で基板と電子部品とを接合する技術がある(例えば、特許文献1)。 There is a technique of disposing a Sn layer between a Cu wiring of a substrate and an electronic component and bonding the substrate and the electronic component with a CuSn bonding layer by liquid phase diffusion bonding (for example, Patent Document 1).

特開2013-229474号公報JP 2013-229474 A

ところで、例えば、図19に示すように、Cu配線100と半導体チップ101との間に接合層102が形成された接合構造として、接合層102は、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層103と、半導体チップ側のCu6Sn5の金属間化合物層104との2層構造をなすようにすることが考えられる。そのために、図20に示すように、Cu配線100と半導体チップ101とを接合するための液相拡散接合方法として、Cu配線100と半導体チップ101との間にSn薄膜105を挟んだ状態において、例えば350℃程度の温度雰囲気下でCu配線100と半導体チップ101とを接合する。つまり、液相拡散接合は、Cuは融点が1080℃程度と高く、Snは230℃程度と低く、CuとSnが接する状態から温度を上昇させた時に融点の低いSnが溶けて液相になることによりCuが拡散して接合される。この接合の際に金属間化合物であるCu6Sn5が形成され、Cu配線側のCu6Sn5に対しCuが更に拡散すると、金属間化合物であるCn3Snに置き換わる。その結果、Cu配線側にCu3Snの金属間化合物層103が形成されるとともに半導体チップ側にCu6Sn5の金属間化合物層104が形成される。 By the way, for example, as shown in FIG. 19, as a bonding structure in which a bonding layer 102 is formed between a Cu wiring 100 and a semiconductor chip 101, the bonding layer 102 is formed between the Cu3Sn intermetallic compound layer 103 on the Cu wiring side. , and an intermetallic compound layer 104 of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side. Therefore, as shown in FIG. 20, as a liquid phase diffusion bonding method for bonding the Cu wiring 100 and the semiconductor chip 101, in a state in which the Sn thin film 105 is sandwiched between the Cu wiring 100 and the semiconductor chip 101, For example, the Cu wiring 100 and the semiconductor chip 101 are bonded under a temperature atmosphere of about 350.degree. In other words, in liquid phase diffusion bonding, Cu has a high melting point of about 1080°C and Sn has a low melting point of about 230°C. As a result, Cu is diffused and bonded. Cu6Sn5, which is an intermetallic compound, is formed during this bonding, and when Cu further diffuses into the Cu6Sn5 on the Cu wiring side, it is replaced with Cn3Sn, which is an intermetallic compound. As a result, an intermetallic compound layer 103 of Cu3Sn is formed on the Cu wiring side and an intermetallic compound layer 104 of Cu6Sn5 is formed on the semiconductor chip side.

ここで、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層103と、半導体チップ側のCu6Sn5の金属間化合物層104のうち、Cu6Sn5の金属間化合物層104にのみ、一定温度を境に相変態が生じる。即ち、Cu6Sn5は186℃以上の高温域では六方晶に、186℃未満では単斜晶に結晶構造が変態する性質がある。接合時には186℃以上に加熱されるため、その時点で六方晶となる。その後、冷却されるが、接合炉での冷却速度は速いため、上記の相変態を生じるために必要な時間を満たすことができずに、低温時安定相である単斜晶には変態せずに六方晶のまま存在する。しかし、六方晶は低温時には安定した結晶構造ではないため、不安定な状態であり、徐々に少しずつ単斜晶に相変態を生じる。また、温度上昇によりその相変態の進行は速まることになる。この相変態の際、Cu6Sn5の金属間化合物層104はその体積が2%程度増加する。これにより、歪が生じてクラック発生の一因となり、信頼性が低下する虞がある。 Of the Cu3Sn intermetallic compound layer 103 on the Cu wiring side and the Cu6Sn5 intermetallic compound layer 104 on the semiconductor chip side, phase transformation occurs only in the Cu6Sn5 intermetallic compound layer 104 at a constant temperature. That is, Cu6Sn5 has the property of transforming its crystal structure into a hexagonal crystal structure at a high temperature range of 186°C or higher, and to a monoclinic crystal structure at a temperature lower than 186°C. Since it is heated to 186° C. or higher during bonding, it becomes a hexagonal crystal at that point. After that, it is cooled, but since the cooling rate in the bonding furnace is fast, the time required for the above-mentioned phase transformation cannot be satisfied, and it does not transform to the monoclinic crystal, which is the stable phase at low temperatures. exists as a hexagonal crystal. However, since the hexagonal crystal structure is not stable at low temperatures, it is in an unstable state and gradually undergoes phase transformation to monoclinic crystals. Also, the progress of the phase transformation is accelerated by the temperature rise. During this phase transformation, the Cu6Sn5 intermetallic compound layer 104 increases in volume by about 2%. As a result, strain is generated, which may cause cracks, which may reduce reliability.

本発明の目的は、接合層においてクラックの発生を抑制することができる接合構造及び液相拡散接合方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a bonding structure and a liquid phase diffusion bonding method capable of suppressing the occurrence of cracks in the bonding layer.

上記問題を解決する接合構造は、Cu配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、前記Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、前記半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすことを要旨とする。 A bonding structure that solves the above problem is a bonding structure in which a bonding layer is formed between a Cu wiring and a semiconductor chip, wherein the bonding layer comprises a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and the semiconductor The gist is to form a two-layer structure with an intermetallic compound layer of (Cu, Ni)6Sn5 on the chip side.

これによれば、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Compared to a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the occurrence of cracks due to the volume change accompanying the phase transformation of Cu6Sn5 is suppressed. be able to.

上記問題を解決する接合構造は、Cu配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層からなる1層構造であることを要旨とする。 A bonding structure that solves the above problem is a bonding structure in which a bonding layer is formed between a Cu wiring and a semiconductor chip, and the bonding layer is a single layer made of an intermetallic compound layer of (Cu, Ni) 6 Sn 5 The gist is that it is a structure.

これによれば、接合層は、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層からなる1層構造であるので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, since the bonding layer has a one-layer structure consisting of an intermetallic compound layer of (Cu, Ni)6Sn5, the bonding layer consists of the intermetallic compound layer of Cu3Sn on the Cu wiring side and the intermetallic compound layer of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side. The occurrence of cracks due to the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 can be suppressed compared to the case of forming a two-layer structure with the intermetallic compound layer of .

上記問題を解決する接合構造は、Cu配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、(Cu,Ni)6Sn5とCu6Sn5とが混在した金属間化合物層からなる1層構造であることを要旨とする。 A bonding structure that solves the above problem is a bonding structure in which a bonding layer is formed between a Cu wiring and a semiconductor chip, and the bonding layer is an intermetallic compound in which (Cu, Ni)6Sn5 and Cu6Sn5 are mixed. The gist is that it has a one-layer structure consisting of layers.

これによれば、接合層は、(Cu,Ni)6Sn5とCu6Sn5とが混在した金属間化合物層からなる1層構造であるので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, since the bonding layer has a one-layer structure composed of an intermetallic compound layer in which (Cu, Ni)6Sn5 and Cu6Sn5 are mixed, the bonding layer includes the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side, Compared to the case of forming a two-layer structure with an intermetallic compound layer of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side, the occurrence of cracks due to volume change due to phase transformation of Cu6Sn5 can be suppressed.

上記問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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。 A liquid phase diffusion bonding method for solving the above problem is a liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip, wherein between the Cu wiring and the semiconductor chip, from the Cu wiring side, the semiconductor chip The gist of the invention is that the Cu wiring and the semiconductor chip are joined in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn in a state in which a Ni thin film, a Sn thin film, a Ni thin film, and a Cu thin film are sandwiched in order from one side to another.

これによれば、Cu配線と半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, a Ni thin film, a Sn thin film, a Ni thin film, and a Cu thin film are sandwiched between the Cu wiring and the semiconductor chip in this order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side, and in a temperature atmosphere above the melting point of Sn. Below, the Cu wiring and the semiconductor chip are bonded to form two bonding layers: the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and the (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Since the bonding layer has a layered structure, compared to the case where the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks due to volume change.

上記問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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。 A liquid phase diffusion bonding method for solving the above problem is a liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip, wherein between the Cu wiring and the semiconductor chip, from the Cu wiring side, the semiconductor chip The gist of the present invention is that the Cu wiring and the semiconductor chip are bonded to each other in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn in a state in which a thin Ni film, a thin Sn film, and a thin Cu film are sandwiched in order from one side to another.

これによれば、Cu配線と半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, in a state where a Ni thin film, a Sn thin film, and a Cu thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip, under a temperature atmosphere above the melting point of Sn, By bonding the Cu wiring and the semiconductor chip, the bonding layer has a two-layer structure of the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and the (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Therefore, compared with the case where the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks caused by the

上記問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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。 A liquid phase diffusion bonding method for solving the above problem is a liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip, wherein between the Cu wiring and the semiconductor chip, from the Cu wiring side, the semiconductor chip The gist of the present invention is that the Cu wiring and the semiconductor chip are joined in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn in a state in which a Sn thin film, a Ni thin film, and a Cu thin film are sandwiched in order from one side to another.

これによれば、Cu配線と半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, in a state in which a Sn thin film, a Ni thin film, and a Cu thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip, under a temperature atmosphere above the melting point of Sn, By bonding the Cu wiring and the semiconductor chip, the bonding layer has a two-layer structure of the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and the (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Therefore, compared with the case where the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks caused by the

上記問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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。 A liquid phase diffusion bonding method for solving the above problem is a liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip, wherein between the Cu wiring and the semiconductor chip, from the Cu wiring side, the semiconductor chip The gist of the present invention is that the Cu wiring and the semiconductor chip are joined in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn in a state in which an Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched in order from one side to another.

これによれば、Cu配線と半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線と前記半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, in a state in which a Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip, under a temperature atmosphere above the melting point of Sn, By bonding the Cu wiring and the semiconductor chip, the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Therefore, compared to the case where the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks caused by

ここで、前記Cu配線上にSn薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にNi薄膜、Cu薄膜が成膜されており、前記Sn薄膜の上に前記Cu薄膜が配置されることにより前記Cu配線と前記半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態にするとよい。 Here, a Sn thin film is formed on the Cu wiring, a Ni thin film and a Cu thin film are formed on the semiconductor chip in this order, and the Cu thin film is arranged on the Sn thin film. A Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are preferably sandwiched between the Cu wiring and the semiconductor chip in this order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side.

上記問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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。 A liquid phase diffusion bonding method for solving the above problem is a liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip, wherein between the Cu wiring and the semiconductor chip, from the Cu wiring side, the semiconductor chip The gist of the invention is that the Cu wiring and the semiconductor chip are joined in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn in a state in which a Ni thin film, a Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched in order from one side to another.

これによれば、Cu配線と半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, a Ni thin film, a Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip, and in a temperature atmosphere above the melting point of Sn. Below, the Cu wiring and the semiconductor chip are bonded to form two bonding layers: the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and the (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Since the bonding layer has a layered structure, compared to the case where the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks due to volume change.

ここで、前記Cu配線上に順にNi薄膜、Sn薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にNi薄膜、Cu薄膜が成膜されており、前記Sn薄膜の上に前記Cu薄膜が配置されることにより前記Cu配線と前記半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態にするとよい。 Here, a Ni thin film and a Sn thin film are formed in order on the Cu wiring, a Ni thin film and a Cu thin film are formed in order on the semiconductor chip, and the Cu thin film is arranged on the Sn thin film. As a result, a Ni thin film, a Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched between the Cu wiring and the semiconductor chip in this order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side.

本発明によれば、接合層においてクラックの発生を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the bonding layer.

実施形態における接合構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the joining structure in embodiment. 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。FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the semiconductor chip and the wiring substrate before bonding; 接合部の断面でのFE-EPMAによるCuの元素マッピング像を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an elemental mapping image of Cu by FE-EPMA in a cross section of a joint. 接合部の断面でのFE-EPMAによるSnの元素マッピング像を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an elemental mapping image of Sn by FE-EPMA in the cross section of the joint. 接合部の断面でのFE-EPMAによるNiの元素マッピング像を示す図。FIG. 4 is a view showing an elemental mapping image of Ni by FE-EPMA in the cross section of the joint. 接合部の断面でのSEM像を示す図。The figure which shows the SEM image in the cross section of a joint part. 接合部の断面での反射電子像を示す図。The figure which shows the backscattered electron image in the cross section of a junction part. 従来構造における接合部の断面でのFE-EPMAによるCuの元素マッピング像を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an elemental mapping image of Cu by FE-EPMA in a cross section of a joint in a conventional structure; 従来構造における接合部の断面でのFE-EPMAによるSnの元素マッピング像を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an elemental mapping image of Sn by FE-EPMA in a cross section of a joint in a conventional structure; 従来構造における接合部の断面でのSEM像を示す図。The figure which shows the SEM image in the cross section of the joint part in a conventional structure. 従来構造における接合部の断面での反射電子像を示す図。The figure which shows the backscattered electron image in the cross section of the junction part in a conventional structure. 別例の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。FIG. 10 is a schematic diagram showing the relationship between a semiconductor chip and a wiring substrate before bonding in another example; 別例の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。FIG. 10 is a schematic diagram showing the relationship between a semiconductor chip and a wiring substrate before bonding in another example; 別例の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。FIG. 10 is a schematic diagram showing the relationship between a semiconductor chip and a wiring substrate before bonding in another example; 別例の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。FIG. 10 is a schematic diagram showing the relationship between a semiconductor chip and a wiring substrate before bonding in another example; 別例における接合構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the junction structure in another example. 別例における接合構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the junction structure in another example. 別例における接合構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the junction structure in another example. 課題を説明するための接合構造を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a joint structure for explaining a problem; 課題を説明するための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。FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between a semiconductor chip and a wiring substrate before bonding for explaining a problem;

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、接合構造10は、Cu配線22と半導体チップ30との間に接合層40が形成されている。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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなしている。つまり、2層構造をなす金属間化合物(IMC)層のうちのCu配線22側の層41はCuリッチな金属間化合物層であり、半導体チップ30側の層42はSnリッチな金属間化合物層である。
An embodiment embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1 , the bonding structure 10 has a bonding layer 40 formed between a Cu wiring 22 and a semiconductor chip 30 . The bonding layer 40 has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and a (Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound layer 42 on the semiconductor chip 30 side. That is, of the intermetallic compound (IMC) layers having a two-layer structure, the layer 41 on the Cu wiring 22 side is a Cu-rich intermetallic compound layer, and the layer 42 on the semiconductor chip 30 side is an Sn-rich intermetallic compound layer. is.

配線基板20は、絶縁基板21の上面にCu配線22がパターニングされており、絶縁基板21上にCu配線22が延びている。半導体チップ30はシリコン(Si)よりなり、縦型のパワートランジスタ等が作り込まれている。そして、縦型のパワートランジスタの裏面電極が配線基板20のCu配線22と電気的に接続される。 The wiring substrate 20 has a Cu wiring 22 patterned on the upper surface of an insulating substrate 21 , and the Cu wiring 22 extends on the insulating substrate 21 . The semiconductor chip 30 is made of silicon (Si) and has vertical power transistors and the like built therein. Then, the back electrode of the vertical power transistor is electrically connected to the Cu wiring 22 of the wiring board 20 .

次に、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とを接合するための液相拡散接合(TLP)方法である。
Next, a joining method will be described.
As shown in FIG. 2, it is a liquid phase diffusion bonding (TLP) method for bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 .

半導体チップ30の裏面には裏面電極31が形成され、裏面電極31は、Ti層、Ni層、Ag層を順に積層して構成されている。つまり、半導体チップ30の裏面電極31は、Ti/Ni/Ag構造を有する。裏面電極31の厚さは0.6μm程度ある。 A rear surface electrode 31 is formed on the rear surface of the semiconductor chip 30, and the rear surface electrode 31 is formed by laminating a Ti layer, a Ni layer, and an Ag layer in this order. That is, the back electrode 31 of the semiconductor chip 30 has a Ti/Ni/Ag structure. The thickness of the back electrode 31 is about 0.6 μm.

Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜50、Sn薄膜51、Ni薄膜53、Cu薄膜52を挟む。詳しくは、Cu配線22上にはNi薄膜50を介してSn薄膜51が形成されている。また、半導体チップ30の裏面電極31には、Cu薄膜52を介してNi薄膜53が形成されるとともにNi薄膜53の表面には、濡れ性を確保するためのAu薄膜54が形成されている。 Between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, a Ni thin film 50, a Sn thin film 51, a Ni thin film 53, and a Cu thin film 52 are sandwiched in order from the Cu wiring 22 side toward the semiconductor chip 30 side. Specifically, a Sn thin film 51 is formed on the Cu wiring 22 with a Ni thin film 50 interposed therebetween. A Ni thin film 53 is formed on the rear surface electrode 31 of the semiconductor chip 30 with a Cu thin film 52 interposed therebetween, and an Au thin film 54 is formed on the surface of the Ni thin film 53 to ensure wettability.

Ni薄膜50の厚さt1は、0.5~1.5μm、Sn薄膜51の厚さt2は、5μm、Cu薄膜52の厚さt3は、0.5~1.0μm、Ni薄膜53の厚さt4は、0.5~1.0μm、Au薄膜54の厚さt5は、0.1μmである。 The thickness t1 of the Ni thin film 50 is 0.5 to 1.5 μm, the thickness t2 of the Sn thin film 51 is 5 μm, the thickness t3 of the Cu thin film 52 is 0.5 to 1.0 μm, and the thickness of the Ni thin film 53 is 0.5 to 1.0 μm. The thickness t4 is 0.5 to 1.0 μm, and the thickness t5 of the Au thin film 54 is 0.1 μm.

具体的には、例えば、Ni薄膜50の厚さt1=0.5μm、Sn薄膜51の厚さt2=5μm、Cu薄膜52の厚さt3=0.5μm、Ni薄膜53の厚さt4=1.0μmである。他にも、例えば、Ni薄膜50の厚さt1=1.0μm、Sn薄膜51の厚さt2=5μm、Cu薄膜52の厚さt3=0.5μm、Ni薄膜53の厚さt4=1.0μmである。他にも、例えば、Ni薄膜50の厚さt1=1.5μm、Sn薄膜51の厚さt2=5μm、Cu薄膜52の厚さt3=0.5μm、Ni薄膜53の厚さt4=1.0μmである。他にも、例えば、Ni薄膜50の厚さt1=0.5μm、Sn薄膜51の厚さt2=5μm、Cu薄膜52の厚さt3=1.0μm、Ni薄膜53の厚さt4=0.5μmである。他にも、例えば、Ni薄膜50の厚さt1=1.0μm、Sn薄膜51の厚さt2=5μm、Cu薄膜52の厚さt3=1.0μm、Ni薄膜53の厚さt4=0.5μmである。他にも、例えば、Ni薄膜50の厚さt1=1.5μm、Sn薄膜51の厚さt2=5μm、Cu薄膜52の厚さt3=1.0μm、Ni薄膜53の厚さt4=0.5μmである。 Specifically, for example, the thickness t1 of the Ni thin film 50=0.5 μm, the thickness t2 of the Sn thin film 51=5 μm, the thickness t3 of the Cu thin film 52=0.5 μm, and the thickness t4 of the Ni thin film 53=1 .0 μm. In addition, for example, the thickness t1 of the Ni thin film 50=1.0 μm, the thickness t2 of the Sn thin film 51=5 μm, the thickness t3 of the Cu thin film 52=0.5 μm, and the thickness t4 of the Ni thin film 53=1.0 μm. 0 μm. In addition, for example, the thickness t1 of the Ni thin film 50=1.5 μm, the thickness t2 of the Sn thin film 51=5 μm, the thickness t3 of the Cu thin film 52=0.5 μm, and the thickness t4 of the Ni thin film 53=1.5 μm. 0 μm. In addition, for example, the thickness t1 of the Ni thin film 50=0.5 μm, the thickness t2 of the Sn thin film 51=5 μm, the thickness t3 of the Cu thin film 52=1.0 μm, and the thickness t4 of the Ni thin film 53=0.5 μm. 5 μm. In addition, for example, the thickness t1 of the Ni thin film 50 = 1.0 µm, the thickness t2 of the Sn thin film 51 = 5 µm, the thickness t3 of the Cu thin film 52 = 1.0 µm, and the thickness t4 of the Ni thin film 53 = 0.0 µm. 5 μm. In addition, for example, the thickness t1 of the Ni thin film 50=1.5 μm, the thickness t2 of the Sn thin film 51=5 μm, the thickness t3 of the Cu thin film 52=1.0 μm, and the thickness t4 of the Ni thin film 53=0.5 μm. 5 μm.

なお、Cu薄膜52はスパッタリングにより形成しており、あまり厚く形成することはできない。
このように、Cu配線22と半導体チップ30との間にCu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜50、Sn薄膜51、Ni薄膜53、Cu薄膜52を挟んだ状態において、接合炉に入れる。そして、H2還元雰囲気で、300℃以上、例えば350℃の温度雰囲気下で、例えば5分間、Cu配線22と半導体チップ30とを接合する。
Note that the Cu thin film 52 is formed by sputtering and cannot be formed very thick.
In this way, the Ni thin film 50, the Sn thin film 51, the Ni thin film 53, and the Cu thin film 52 are sandwiched between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 in this order from the Cu wiring 22 side to the semiconductor chip 30 side. put in the furnace. Then, the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 are bonded together in a H2 reducing atmosphere at a temperature of 300° C. or higher, for example, 350° C. for five minutes, for example.

液相拡散接合は、融点の高いCuと融点の低いSnがNi薄膜50を介して接する状態から接合炉において温度が上昇してSnが溶けて液相になりCuが拡散することによりCu6Sn5が形成され、その後にCu配線側のCu6Sn5に対しCu配線22のCuが拡散してCn3Snに置き換わってCu配線側にCu3Snの金属間化合物層が形成されるとともに半導体チップ側にCu6Sn5の金属間化合物層が形成される。 In the liquid phase diffusion bonding, Cu with a high melting point and Sn with a low melting point are brought into contact with each other through the Ni thin film 50. When the temperature rises in the bonding furnace, Sn melts and becomes a liquid phase, and Cu diffuses to form Cu6Sn5. After that, the Cu of the Cu wiring 22 diffuses into the Cu6Sn5 on the Cu wiring side and replaces it with Cn3Sn to form an intermetallic compound layer of Cu3Sn on the Cu wiring side and an intermetallic compound layer of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side. It is formed.

さらに、Ni薄膜50及びNi薄膜53から接合層にNiが拡散してCu6Sn5が(Cu,Ni)6Sn5に変化する。また、Cu薄膜52から接合層にCuが拡散してCu6Sn5をCu3Snに変化させる。 Furthermore, Ni diffuses from the Ni thin film 50 and the Ni thin film 53 to the bonding layer, and Cu6Sn5 changes to (Cu, Ni)6Sn5. Further, Cu diffuses from the Cu thin film 52 to the bonding layer to change Cu6Sn5 into Cu3Sn.

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41と、半導体チップ30側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなす接合層40が得られる。即ち、接合層としてCu3Snの金属間化合物層とCu6Sn5の金属間化合物層による積層構造に対し、Cu6Sn5にNiを拡散させて(Cu,Ni)6Sn5にする。また、接合層へのCuの拡散量を増加させてCu6Sn5の割合をできるだけ減らしてやる。 In this way, a two-layer structure is formed between the intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn on the side of the Cu wiring 22 and the intermetallic compound layer 42 of (Cu,Ni)6Sn5 on the side of the semiconductor chip 30 as shown in FIG. A layer 40 is obtained. That is, Ni is diffused into Cu6Sn5 to form (Cu, Ni)6Sn5 in a laminated structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer as a bonding layer. Also, the amount of Cu diffused into the bonding layer is increased to reduce the proportion of Cu6Sn5 as much as possible.

次に、作用について説明する。
接合層にNiを拡散させ、クラックの発生原因と推定される温度変化時に相変態を生じるCu6Sn5を、相変態が生じずに安定した(Cu,Ni)6Sn5に変化させる。
Next, the action will be described.
By diffusing Ni into the bonding layer, Cu6Sn5, which undergoes phase transformation when temperature changes, which is presumed to be the cause of cracks, is changed into stable (Cu, Ni)6Sn5 without phase transformation.

また、接合層へのCu拡散量を増加させ、接合層に生じる2つのIMC(金属間化合物)のうち、クラックが発生する一方のIMCであるCu6Sn5を、クラックの発生し難い他方のIMCであるCu3Snに変化させる。 In addition, by increasing the amount of Cu diffusion into the bonding layer, one of the two IMCs (intermetallic compounds) generated in the bonding layer, Cu6Sn5, which is one of the IMCs in which cracks occur, is replaced with the other IMC in which cracks are less likely to occur. Change to Cu3Sn.

図8は、図19に示した従来構造での接合部の断面でのFE-EPMAによるCuの元素マッピング像である。一方、本実施形態では、図3に示すように、接合部の断面でのFE-EPMAによるCuの元素マッピング像において、2層構造をなす金属間化合物(IMC)層のうちのCu配線22側の層41はCuリッチな金属間化合物層であり、Cu3Snになる。半導体チップ30側の層42はSnリッチな金属間化合物層であり、(Cu,Ni)6Sn5になっていることが分かる。特に、図2のごとく上にCu薄膜52があるので、Cuの量が多くなっている。即ち、上のCu薄膜52により(Cu,Ni)6Sn5になりつつCu3Snの割合が多くなっている。 FIG. 8 is an elemental mapping image of Cu by FE-EPMA in the cross section of the joint in the conventional structure shown in FIG. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, in the elemental mapping image of Cu by FE-EPMA in the cross section of the joint, the Cu wiring 22 side of the intermetallic compound (IMC) layer having a two-layer structure layer 41 is a Cu-rich intermetallic compound layer and becomes Cu3Sn. It can be seen that the layer 42 on the side of the semiconductor chip 30 is a Sn-rich intermetallic compound layer and is (Cu, Ni)6Sn5. In particular, as shown in FIG. 2, there is a Cu thin film 52 on top, so the amount of Cu increases. That is, the ratio of Cu3Sn is increased while becoming (Cu, Ni)6Sn5 due to the upper Cu thin film 52 .

図4に示すように、接合部の断面でのFE-EPMAによるSnの元素マッピング像において、分析箇所での接合層全体厚に占めるCu3Snの層厚の割合、即ち、接合層全体に対する比率は、平均約23%程度である。 As shown in FIG. 4, in the elemental mapping image of Sn by FE-EPMA in the cross section of the joint, the ratio of the Cu3Sn layer thickness to the total thickness of the joint layer at the analysis point, that is, the ratio to the entire joint layer is The average is about 23%.

図9は、図19に示した従来構造での接合部の断面でのFE-EPMAによるSnの元素マッピング像である。図9に示すように、分析箇所での接合層全体厚に占めるCu3Snの層厚の割合、即ち、接合層全体に対する比率は、平均約11%程度である。 FIG. 9 is an elemental mapping image of Sn by FE-EPMA in the cross section of the joint in the conventional structure shown in FIG. As shown in FIG. 9, the ratio of the thickness of the Cu3Sn layer to the total thickness of the bonding layer at the analysis points, that is, the ratio to the total thickness of the bonding layer is about 11% on average.

図4、図9から、本実施形態では、Cu3Snの層厚の割合が従来構造に対して、約2倍増加していることが分かる。
図5に示すように、接合部の断面でのFE-EPMAによるNiの元素マッピング像において、2層構造をなす金属間化合物(IMC)層のうちの半導体チップ30側の層42である(Cu,Ni)6Sn5の所にはNiが取り込められているので、層42はNiリッチな金属間化合物層であることが分かる。
From FIGS. 4 and 9, it can be seen that in this embodiment, the ratio of the Cu3Sn layer thickness is approximately double that of the conventional structure.
As shown in FIG. 5, in the elemental mapping image of Ni by FE-EPMA in the cross section of the joint, it is the layer 42 on the semiconductor chip 30 side of the intermetallic compound (IMC) layer having a two-layer structure (Cu , Ni) 6 Sn 5 , Ni is incorporated, so it can be seen that the layer 42 is a Ni-rich intermetallic compound layer.

図4に示すように、接合部の断面でのFE-EPMAによるSnの元素マッピング像において、図9の従来構造との対比において、図9の従来構造ではクラックが発生したが図4の本実施形態においてはクラックは発生していないことが分かる。 As shown in FIG. 4, in the elemental mapping image of Sn by FE-EPMA in the cross section of the joint, cracks occurred in the conventional structure of FIG. 9 in comparison with the conventional structure of FIG. It can be seen that no cracks occurred in the morphology.

図19に示した従来構造では、図10及び図11に示すように、接合部の断面でのSEM像及び反射電子像において、接合層にクラックが発生していることが分かる。これに対し本実施形態では、図6及び図7に示すように、接合部の断面でのSEM像及び反射電子像において、2層構造をなす金属間化合物(IMC)層のうちの半導体チップ30側の層42にはクラックが発生していないことが分かる。よって、Niの供給によるクラック抑制効果が生じていることが分かる。 In the conventional structure shown in FIG. 19, as shown in FIGS. 10 and 11, the SEM image and backscattered electron image of the cross section of the joint show that cracks have occurred in the joint layer. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, in the SEM image and backscattered electron image of the cross section of the joint, the semiconductor chip 30 in the intermetallic compound (IMC) layer having the two-layer structure It can be seen that no cracks have occurred in the side layer 42 . Therefore, it can be seen that the supply of Ni has the effect of suppressing cracks.

このようにして、Sn薄膜51を用いてSnを層状配置してCu/Sn液相拡散接合を行うことにより、鉛フリーで低コストに高温接合を得ることができる。
特に、接合層40に、Cu3Snの金属間化合物層41と(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42が生成され、Cu3Snと(Cu,Ni)6Sn5の融点は各々、676℃、415℃と高融点であり、高温接合を可能にする。また、通常のはんだの場合には接合時に溶融しなければならず融点以上に昇温する必要があるが、液相拡散接合(TLP)の場合には接合時に融点以上の高温に昇温する必要は無く、Snの融点232~400℃程度の低温で液相拡散が生じ接合が可能となる。
In this way, by arranging Sn in layers using the Sn thin film 51 and performing Cu/Sn liquid phase diffusion bonding, lead-free, low-cost high-temperature bonding can be obtained.
In particular, an intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn and an intermetallic compound layer 42 of (Cu, Ni)6Sn5 are formed on the bonding layer 40, and the melting points of Cu3Sn and (Cu, Ni)6Sn5 are 676° C. and 415° C., respectively. It has a high melting point and enables high temperature bonding. In the case of ordinary solder, it must be melted at the time of joining and the temperature must be raised above the melting point. However, at a low temperature of about 232 to 400° C., the melting point of Sn, liquid phase diffusion occurs and bonding becomes possible.

詳しくは、基板20側において、基板20のCu配線22表面には、Ni薄膜50を下層として設け、その上層にSn薄膜51を設ける。また、半導体チップ30側にもNi薄膜53を設ける。これにより、Ni拡散によってクラックの発生した図19、図20及び図8、図9、図10、図11でのIMCであるCu6Sn5を(Cu,Ni)6Sn5へ変化させて相変態を防止し、体積変化によるクラックの抑制が図られる。 Specifically, on the substrate 20 side, a Ni thin film 50 is provided as a lower layer on the surface of the Cu wiring 22 of the substrate 20, and an Sn thin film 51 is provided as an upper layer. A Ni thin film 53 is also provided on the semiconductor chip 30 side. 19, 20, 8, 9, 10, and 11, in which cracks are generated by Ni diffusion, is changed to (Cu, Ni) 6Sn5 to prevent phase transformation, Cracks due to volume change are suppressed.

つまり、図19、図20、図8、図9、図10、図11において、接合層102を構成するCu3Snの金属間化合物層103とCu6Sn5の金属間化合物層104のうちのCu6Sn5の金属間化合物層104にのみ一定温度を境に相変態が生じる。Cu6Sn5は186℃以上の高温域では六方晶に、186℃未満では単斜晶に結晶構造が変態する性質があり、接合時には186℃以上に加熱されるため、その時点で六方晶となり、その後、冷却されるが、自然冷却でなく接合炉でコントロールされながら強制冷却され、その時に接合炉での冷却速度は速いため、相変態を生じるために必要な時間を満たすことができない。そのため、186℃未満であっても低温時安定相である単斜晶には変態せずに、六方晶のままで存在する。その結果、六方晶は低温時には安定した結晶構造ではないため、不安定な状態であり、常温で放置しておいても徐々に少しずつ単斜晶に相変態を生じる。また、温度上昇によりその相変態の進行は速まることになる。この相変態の際、Cu6Sn5の金属間化合物層104はその体積が2%程度増加し、歪が生じてクラック発生の一因となる。 That is, in FIGS. 19, 20, 8, 9, 10, and 11, the Cu6Sn5 intermetallic compound in the Cu3Sn intermetallic compound layer 103 and the Cu6Sn5 intermetallic compound layer 104 constituting the bonding layer 102 Phase transformation occurs only in layer 104 at a certain temperature. Cu6Sn5 has the property of transforming its crystal structure into a hexagonal crystal structure at a high temperature range of 186°C or higher and to a monoclinic crystal structure at a temperature lower than 186°C. Although it is cooled, it is forced cooling under control in the bonding furnace instead of natural cooling, and since the cooling rate in the bonding furnace is high at that time, the time required for phase transformation cannot be satisfied. Therefore, even if the temperature is less than 186° C., it does not transform into the monoclinic crystal, which is a stable phase at low temperatures, and remains as a hexagonal crystal. As a result, since the hexagonal crystal structure is not stable at low temperatures, it is in an unstable state, and gradually undergoes a phase transformation to monoclinic crystals even if left at room temperature. Also, the progress of the phase transformation is accelerated by the temperature rise. During this phase transformation, the volume of the intermetallic compound layer 104 of Cu6Sn5 increases by about 2%, and strain is generated, which contributes to the generation of cracks.

本実施形態においては、Cu配線22の表面にNi薄膜50を介してSn薄膜51を設けるとともに半導体チップ30側にNi薄膜53を設けることによりNi拡散によってCu6Sn5を(Cu,Ni)6Sn5へ変化させて相変態を防止する。その結果、体積変化による接合層40でのクラックの発生を抑制することができる。 In this embodiment, the Sn thin film 51 is provided on the surface of the Cu wiring 22 via the Ni thin film 50, and the Ni thin film 53 is provided on the semiconductor chip 30 side, thereby changing Cu6Sn5 to (Cu, Ni)6Sn5 by Ni diffusion. prevent phase transformation. As a result, the occurrence of cracks in the bonding layer 40 due to volume change can be suppressed.

また、半導体チップ30側にはCu薄膜52を成膜する。これにより、Cu拡散を促進させてCu6Sn5をCu3Snに変化させることでCu6Sn5の割合を低減して相変態を防止し、体積変化によるクラックの抑制が図られる。 A Cu thin film 52 is formed on the semiconductor chip 30 side. As a result, Cu diffusion is promoted to change Cu6Sn5 into Cu3Sn, thereby reducing the proportion of Cu6Sn5, preventing phase transformation, and suppressing cracks due to volume change.

このように、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を大幅に抑制し、信頼性が高く、低コストで、作業性が高く、高放熱性の鉛フリー高温接合材を提供することができる。 In this way, a lead-free high-temperature bonding material with high reliability, low cost, high workability, and high heat dissipation is provided, which greatly suppresses the occurrence of cracks due to the volume change accompanying the phase transformation of Cu6Sn5. be able to.

また、Cu6Sn5をCu3Snに変化させるため、Pbフリー低温はんだであるSAC305(Sn3Ag0.5Cuはんだ)は融点が217~228℃であり、高温PbはんだであるPb5Snは融点が303(305)℃であるのに対し、Cu3Snは融点が676℃であり、Cu6Sn5は融点が415℃であり、より高融点の接続構造を得ることができる。 In addition, since Cu6Sn5 is changed to Cu3Sn, the melting point of SAC305 (Sn3Ag0.5Cu solder), which is a Pb-free low-temperature solder, is 217 to 228°C, and the melting point of Pb5Sn, which is a high-temperature Pb solder, is 303 (305)°C. On the other hand, Cu3Sn has a melting point of 676° C., and Cu6Sn5 has a melting point of 415° C., so that a connection structure with a higher melting point can be obtained.

また、Pbフリー低温はんだであるSAC305(Sn3Ag0.5Cuはんだ)は熱伝導率が22~55W/mk、層厚が50~150μm程度であり、高温PbはんだであるPb5Snは熱伝導率が35.2W/mk、層厚が50~150μm程度であるのに対し、Cu3Snは熱伝導率が70W/mkであり、Cu6Sn5は熱伝導率が34W/mkであり、層厚が5~20μm程度であることから、より高放熱の接続構造を得ることができる。 In addition, SAC305 (Sn3Ag0.5Cu solder), which is a Pb-free low-temperature solder, has a thermal conductivity of 22 to 55 W / mk and a layer thickness of about 50 to 150 μm, and Pb5Sn, which is a high-temperature Pb solder, has a thermal conductivity of 35.2 W. /mk, and the layer thickness is about 50 to 150 μm, while Cu3Sn has a thermal conductivity of 70 W/mk, and Cu6Sn5 has a thermal conductivity of 34 W/mk and a layer thickness of about 5 to 20 μm. Therefore, a connection structure with higher heat dissipation can be obtained.

また、Pbフリー低温はんだであるSAC305(Sn3Ag0.5Cuはんだ)は電気抵抗率が11~15μΩcm、層厚が50~150μm程度であり、高温PbはんだであるPb5Snは電気抵抗率が20.5μΩcm、層厚が50~150μm程度であるのに対し、Cu3Snは電気抵抗率が8.9μΩcmであり、Cu6Sn5は電気抵抗率が17.5μΩcmであり、層厚が5~20μm程度であることから、低抵抗の接続構造を得ることができる。 In addition, SAC305 (Sn3Ag0.5Cu solder), which is a Pb-free low-temperature solder, has an electrical resistivity of 11 to 15 μΩcm and a layer thickness of about 50 to 150 μm. While the thickness is about 50 to 150 μm, Cu3Sn has an electrical resistivity of 8.9 μΩcm, Cu6Sn5 has an electrical resistivity of 17.5 μΩcm, and the layer thickness is about 5 to 20 μm. connection structure can be obtained.

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)Cu配線22と半導体チップ30との間に接合層40が形成された接合構造10として、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなす。よって、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) As the bonding structure 10 in which the bonding layer 40 is formed between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, the bonding layer 40 consists of the Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and the Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the semiconductor chip 30 side. It forms a two-layer structure with an intermetallic compound layer 42 of (Cu, Ni)6Sn5. Therefore, compared to the case where the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks.

(2)Cu配線22と半導体チップ30とを接合するための液相拡散接合方法として、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜50、Sn薄膜51、Ni薄膜53、Cu薄膜52を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とを接合する。よって、接合層40が、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 (2) As a liquid phase diffusion bonding method for bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, a Ni thin film is sequentially formed between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 from the Cu wiring 22 side toward the semiconductor chip 30 side. 50, the Sn thin film 51, the Ni thin film 53, and the Cu thin film 52 are sandwiched, and the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 are bonded in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn. Therefore, the bonding layer 40 has a two-layer structure of the Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and the (Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound layer 42 on the semiconductor chip 30 side. , Compared to the case of forming a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, the occurrence of cracks due to the volume change accompanying the phase transformation of Cu6Sn5 is suppressed. can be suppressed.

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図12に示すように、Cu配線22と半導体チップ30とを接合するための液相拡散接合方法として、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜60、Sn薄膜61、Cu薄膜62を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とを接合するようにしてもよい。
Embodiments are not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
○ As shown in FIG. 12, as a liquid-phase diffusion bonding method for bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, from the Cu wiring 22 side to the semiconductor chip 30 side With the Ni thin film 60, the Sn thin film 61, and the Cu thin film 62 sandwiched in order, the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 may be joined in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn.

詳しくは、Cu配線22上にはNi薄膜60を介してSn薄膜61が形成されている。また、半導体チップ30の裏面電極31にはCu薄膜62が形成されるとともにCu薄膜62の表面にはAu薄膜63が形成されている。 Specifically, a Sn thin film 61 is formed on the Cu wiring 22 with a Ni thin film 60 interposed therebetween. A Cu thin film 62 is formed on the back electrode 31 of the semiconductor chip 30 and an Au thin film 63 is formed on the surface of the Cu thin film 62 .

Ni薄膜60の厚さt10は、0.5~1.5μm、Sn薄膜51の厚さt11は、5μm、Cu薄膜62の厚さt12は、0.5~1.0μm、Au薄膜63の厚さt13は、0.1μmである。 The thickness t10 of the Ni thin film 60 is 0.5 to 1.5 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 51 is 5 μm, the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 0.5 to 1.0 μm, and the thickness of the Au thin film 63 is 0.5 to 1.0 μm. The thickness t13 is 0.1 μm.

具体的には、例えば、Ni薄膜60の厚さt10=0.5μm、Sn薄膜61の厚さt11=5μm、Cu薄膜62の厚さt12=0.5μmである。他にも、例えば、Ni薄膜60の厚さt10=1.0μm、Sn薄膜61の厚さt11=5μm、Cu薄膜62の厚さt12=0.5μmである。他にも、例えば、Ni薄膜60の厚さt10=1.5μm、Sn薄膜61の厚さt11=5μm、Cu薄膜62の厚さt12=0.5μmである。他にも、例えば、Ni薄膜60の厚さt10=0.5μm、Sn薄膜61の厚さt11=5μm、Cu薄膜62の厚さt12=1.0μmである。他にも、例えば、Ni薄膜60の厚さt10=1.0μm、Sn薄膜61の厚さt11=5μm、Cu薄膜62の厚さt12=1.0μmである。他にも、例えば、Ni薄膜60の厚さt10=1.5μm、Sn薄膜61の厚さt11=5μm、Cu薄膜62の厚さt12=1.0μmである。 Specifically, for example, the thickness t10 of the Ni thin film 60 is 0.5 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 61 is 5 μm, and the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 0.5 μm. In addition, for example, the thickness t10 of the Ni thin film 60 is 1.0 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 61 is 5 μm, and the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 0.5 μm. In addition, for example, the thickness t10 of the Ni thin film 60 is 1.5 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 61 is 5 μm, and the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 0.5 μm. In addition, for example, the thickness t10 of the Ni thin film 60 is 0.5 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 61 is 5 μm, and the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 1.0 μm. In addition, for example, the thickness t10 of the Ni thin film 60 is 1.0 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 61 is 5 μm, and the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 1.0 μm. In addition, for example, the thickness t10 of the Ni thin film 60 is 1.5 μm, the thickness t11 of the Sn thin film 61 is 5 μm, and the thickness t12 of the Cu thin film 62 is 1.0 μm.

これによれば、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜60、Sn薄膜61、Cu薄膜62を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とが接合されることにより、接合層が、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, the melting point of Sn is By bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 under the above temperature atmosphere, the bonding layers are formed into a Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and a (Cu, Ni) bonding layer on the semiconductor chip 30 side. Since it has a two-layer structure with the intermetallic compound layer 42 of 6Sn5, when the bonding layer has a two-layer structure of the intermetallic compound layer of Cu3Sn on the Cu wiring side and the intermetallic compound layer of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side. Compared to , it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the volume change accompanying the phase transformation of Cu6Sn5.

図12において半導体チップ30側にCu薄膜62を設けた場合にCu薄膜62を厚く形成することが困難であるためCu配線22のCuに比べてSn内に拡散供給できる量が少ない。そのため、Cu6Sn5の全てをCu3Snに置き換えるのが困難でどうしてもCu6Sn5が残存しやすいので、図12のように、残存したCu6Sn5にNi薄膜60のNiを取り込ませることで、(Cu,Ni)6Sn5とし、クラックの要因となる相変態を抑制することができる。 In FIG. 12, when the Cu thin film 62 is provided on the semiconductor chip 30 side, it is difficult to form the Cu thin film 62 thickly. Therefore, it is difficult to replace all of Cu6Sn5 with Cu3Sn, and Cu6Sn5 tends to remain. Phase transformation that causes cracks can be suppressed.

換言すると、NiのSn内への拡散はCuの場合ほどに容易ではなく、その拡散量は限定されるので、Cu6Sn5へのNiの取り込みは十分ではなく、全てのCu6Sn5を(Cu,Ni)6Sn5に置き換えにくい。Ni薄膜60の厚さを大きくしてNi供給量を増やすことで改善を図ることも考えられるが、その場合でも完全にCu6Sn5を無くすのは困難である上、Ni薄膜60の厚さを大きくするとバリヤ層となり下層のCu配線22からのCu拡散を阻害してしまいかねない。図2と図12の対比において、図2では、Niの供給をCu配線22側と半導体チップ30側の上下両方から行うことができる。即ち、上述のようにNiのSnへの拡散はCuに比べて少なく、拡散できたNiもSn薄膜内全体に満遍なく広がることが困難である。よって、図12のCu配線22側のNi薄膜60のみでは、Sn内に拡散する範囲はCu配線22側に偏りがちで半導体チップ30側の拡散量は少なく成らざるを得ない。一方、Niを取り込ませたいCu6Sn5は半導体チップ30側に存在する。よって、図12のCu配線22側のNi薄膜60のみでは、半導体チップ30側に存在するCu6Sn5を十分に(Cu,Ni)6Sn5に置き換えにくい。図2においては、半導体チップ30側のNi供給量が増えるため、半導体チップ30側に生じるIMCであるCu6Sn5の(Cu,Ni)6Sn5への置き換わりが増え、大部分(若しくは全て)が(Cu,Ni)6Sn5となり、僅かにCu6Sn5が点在するような層とすることができる。また、図2ではNiの拡散量を増やすのに加え、Cu配線22側のみのNi供給の場合の半導体チップ30側界面に存在するCu6Sn5に届きやすくすべく、半導体チップ30側から直近でより効果的にNiを拡散供給することができる。 In other words, the diffusion of Ni into Sn is not as easy as that of Cu, and the amount of diffusion is limited, so the incorporation of Ni into Cu6Sn5 is not sufficient and all Cu6Sn5 is replaced by (Cu,Ni)6Sn5. difficult to replace. It is conceivable to increase the thickness of the Ni thin film 60 to increase the amount of Ni supplied, but even in that case it is difficult to completely eliminate Cu6Sn5, and if the thickness of the Ni thin film 60 is increased, the It may become a barrier layer and hinder the diffusion of Cu from the underlying Cu wiring 22 . 2 and 12, in FIG. 2, Ni can be supplied from both the upper and lower sides of the Cu wiring 22 side and the semiconductor chip 30 side. That is, as described above, the diffusion of Ni into Sn is less than that of Cu, and it is difficult for the diffused Ni to spread evenly throughout the Sn thin film. Therefore, with only the Ni thin film 60 on the side of the Cu wiring 22 in FIG. 12, the range of diffusion into Sn tends to be biased toward the side of the Cu wiring 22, and the amount of diffusion on the side of the semiconductor chip 30 is inevitably small. On the other hand, Cu6Sn5 into which Ni is to be incorporated exists on the semiconductor chip 30 side. Therefore, it is difficult to sufficiently replace Cu6Sn5 present on the semiconductor chip 30 side with (Cu, Ni)6Sn5 only with the Ni thin film 60 on the Cu wiring 22 side in FIG. In FIG. 2, since the amount of Ni supplied on the semiconductor chip 30 side increases, the replacement of Cu6Sn5, which is the IMC generated on the semiconductor chip 30 side, with (Cu, Ni)6Sn5 increases, and most (or all) of (Cu, Ni)6Sn5, and a layer in which Cu6Sn5 is slightly scattered can be formed. In addition to increasing the diffusion amount of Ni in FIG. Ni can be diffusely supplied.

なお、Cu6Sn5を全て(Cu,Ni)6Sn5に完全に置き換わっているわけではなく、一部Cu6Sn5が残存している。ただし、完全にCu6Sn5を排除できなくても、クラック抑制効果は十分得られる。即ち、Cu6Sn5の塊が小さくなれば、相変態によって生ずる体積変化に伴う応力も小さくなり、クラックの発生を抑えられる。また、例えクラックが発生したとしても、僅かな微細領域に留まり、信頼性上問題ないレベルに抑えられる。 Not all Cu6Sn5 is completely replaced with (Cu, Ni)6Sn5, and some Cu6Sn5 remains. However, even if Cu6Sn5 cannot be completely eliminated, a sufficient crack suppression effect can be obtained. That is, the smaller the Cu6Sn5 lumps, the smaller the stress associated with the volume change caused by the phase transformation, and the less cracks are generated. Moreover, even if a crack occurs, it is limited to a very small fine area and can be suppressed to a level that poses no problem in terms of reliability.

○ 図13に示すように、Cu配線22と半導体チップ30とを接合するための液相拡散接合方法として、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にSn薄膜70、Ni薄膜72、Cu薄膜71を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とを接合するようにしてもよい。 ○ As shown in FIG. 13, as a liquid-phase diffusion bonding method for bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, from the Cu wiring 22 side to the semiconductor chip 30 side With the Sn thin film 70, the Ni thin film 72, and the Cu thin film 71 sandwiched in order, the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 may be bonded together in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn.

詳しくは、Cu配線22上にはSn薄膜70が形成されている。また、半導体チップ30の裏面電極31には、Cu薄膜71を介してNi薄膜72が形成されるとともにNi薄膜72の表面にはAu薄膜73が形成されている。 Specifically, a Sn thin film 70 is formed on the Cu wiring 22 . A Ni thin film 72 is formed on the rear surface electrode 31 of the semiconductor chip 30 with a Cu thin film 71 interposed therebetween, and an Au thin film 73 is formed on the surface of the Ni thin film 72 .

Sn薄膜70の厚さt20は、5μm、Cu薄膜71の厚さt21は、0.5~1.0μm、Ni薄膜72の厚さt22は、0.5~1.0μm、Au薄膜73の厚さt23は、0.1μmである。 The thickness t20 of the Sn thin film 70 is 5 μm, the thickness t21 of the Cu thin film 71 is 0.5 to 1.0 μm, the thickness t22 of the Ni thin film 72 is 0.5 to 1.0 μm, and the thickness t22 of the Au thin film 73 is 0.5 to 1.0 μm. The thickness t23 is 0.1 μm.

具体的には、例えば、Sn薄膜70の厚さt20=5μm、Cu薄膜71の厚さt21=0.5μm、Ni薄膜72の厚さt22=1.0μmである。他にも、例えば、Sn薄膜70の厚さt20=5μm、Cu薄膜71の厚さt21=1.0μm、Ni薄膜72の厚さt22=0.5μmである。 Specifically, for example, the thickness t20 of the Sn thin film 70 is 5 μm, the thickness t21 of the Cu thin film 71 is 0.5 μm, and the thickness t22 of the Ni thin film 72 is 1.0 μm. In addition, for example, the thickness t20 of the Sn thin film 70 is 5 μm, the thickness t21 of the Cu thin film 71 is 1.0 μm, and the thickness t22 of the Ni thin film 72 is 0.5 μm.

これによれば、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にSn薄膜70、Ni薄膜72、Cu薄膜71を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とが接合されることにより、接合層が、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 According to this, the melting point of Sn is By bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 under the above temperature atmosphere, the bonding layers are formed into a Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and a (Cu, Ni) bonding layer on the semiconductor chip 30 side. Since it has a two-layer structure with the intermetallic compound layer 42 of 6Sn5, when the bonding layer has a two-layer structure of the intermetallic compound layer of Cu3Sn on the Cu wiring side and the intermetallic compound layer of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side. Compared to , it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the volume change accompanying the phase transformation of Cu6Sn5.

○ 図13に代わり図14に示すようにしてもよい。図14において、Cu配線22と半導体チップ30とを接合するための液相拡散接合方法として、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にSn薄膜70、Cu薄膜82、Ni薄膜81を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とを接合する。これによれば、接合層が、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなすので、接合層が、Cu配線22側のCu3Snの金属間化合物層と、半導体チップ30側のCu6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 (circle) you may make it show in FIG. 14 instead of FIG. In FIG. 14, as a liquid phase diffusion bonding method for bonding the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, Sn is placed between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 in order from the Cu wiring 22 side toward the semiconductor chip 30 side. With the thin film 70, the Cu thin film 82, and the Ni thin film 81 sandwiched therebetween, the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 are bonded together in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn. According to this, the bonding layer has a two-layer structure of the Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and the (Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound layer 42 on the semiconductor chip 30 side. Compared to the case where the layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring 22 side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip 30 side, the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 It is possible to suppress the occurrence of cracks.

ここで、Cu配線22上にSn薄膜70が成膜されるとともに、半導体チップ30上に順にNi薄膜81、Cu薄膜82が成膜されており、Sn薄膜70の上にCu薄膜82が配置されることによりCu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にSn薄膜70、Cu薄膜82、Ni薄膜81を挟んだ状態にする。 Here, the Sn thin film 70 is formed on the Cu wiring 22 , the Ni thin film 81 and the Cu thin film 82 are formed on the semiconductor chip 30 in this order, and the Cu thin film 82 is arranged on the Sn thin film 70 . As a result, the Sn thin film 70 , the Cu thin film 82 , and the Ni thin film 81 are sandwiched between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 in this order from the Cu wiring 22 side toward the semiconductor chip 30 side.

薄膜の厚さについて、例えば、図14におけるNi薄膜81の厚さt31は、0.5μm、Cu薄膜82の厚さt32は、0.5μm、Au薄膜73の厚さt33は、0.1μm、Sn薄膜70の厚さt34は、5μmである。 14, the thickness t31 of the Ni thin film 81 is 0.5 μm, the thickness t32 of the Cu thin film 82 is 0.5 μm, the thickness t33 of the Au thin film 73 is 0.1 μm, The thickness t34 of the Sn thin film 70 is 5 μm.

以下、図13と図14とを対比しつつ図14の場合について詳しく説明する。
図13において、半導体チップ30の裏面電極31の表面にCu薄膜71が形成されるとともにCu薄膜71の表面にNi薄膜72が形成されており、上層のNi薄膜72は拡散がしにくく薄膜状態で残存し易い。その結果、下層のCu薄膜71は残存した上層のNi薄膜72がバリア層となり、Cu薄膜71からのCuの拡散が抑制されてしまう可能性がある。この場合には、Sn薄膜70内のCuが不足し、IMCであるCu6Sn5のCu3Snへの変換が十分に進まず、多く残存してしまい、また、残ったCu6Sn5についてNiの拡散によって(Cu,Ni)6Sn5への変換がしきれずにクラック発生の原因となってしまう可能性がある。
Hereinafter, the case of FIG. 14 will be described in detail while comparing FIGS. 13 and 14. FIG.
In FIG. 13, a Cu thin film 71 is formed on the surface of the back electrode 31 of the semiconductor chip 30, and a Ni thin film 72 is formed on the surface of the Cu thin film 71. Easy to survive. As a result, the remaining upper Ni thin film 72 serves as a barrier layer for the lower Cu thin film 71 , and the diffusion of Cu from the Cu thin film 71 may be suppressed. In this case, the amount of Cu in the Sn thin film 70 is insufficient, and the conversion of the IMC Cu6Sn5 to Cu3Sn does not proceed sufficiently, resulting in a large amount remaining. ) There is a possibility that the conversion to 6Sn5 may not be completed and cracks may occur.

図14においては、半導体チップ30の裏面電極31の表面にNi薄膜81を形成するとともにNi薄膜81の表面にCu薄膜82を形成している。この構造によれば、基板側のCu配線22上のSn薄膜70上にダイボンドする時において、半導体チップ30側のCu薄膜82及びNi薄膜81が基板側のSn薄膜70内に拡散する際に、Cu拡散が基板側のCu配線22に加え、半導体チップ30側のCu薄膜82からも生じ、Sn薄膜70内へのCuの絶対拡散量が増加する。 In FIG. 14, a Ni thin film 81 is formed on the surface of the back electrode 31 of the semiconductor chip 30 and a Cu thin film 82 is formed on the surface of the Ni thin film 81 . According to this structure, when die-bonding onto the Sn thin film 70 on the Cu wiring 22 on the substrate side, when the Cu thin film 82 and the Ni thin film 81 on the semiconductor chip 30 side diffuse into the Sn thin film 70 on the substrate side, Cu diffusion occurs not only from the Cu wiring 22 on the substrate side but also from the Cu thin film 82 on the semiconductor chip 30 side, and the absolute amount of Cu diffusion into the Sn thin film 70 increases.

よって、従来構造で生じた2種のIMC(金属間化合物)であるCu3Sn及びCu6Sn5において、Cu6Sn5にCuが拡散することでCu3Snに変化し、Cu6Sn5の存在比を大幅に減らすことができる。更に、半導体チップ30側のNi薄膜81からNiがSn薄膜70内に拡散することで、僅かに残ったCu6Sn5内にNiが取り込まれ、(Cu,Ni)6Sn5に変化することでクラックの発生を抑制することができる。また、上層側のCu薄膜82はSn薄膜70に拡散して消えてしまい、下層側のNi薄膜81が拡散しづらいということもなくなる。つまり、Cu薄膜82は拡散容易であるため、接合と同時に拡散消失し、下層のNi薄膜81からのNi拡散を妨げることを回避できる。 Therefore, Cu3Sn and Cu6Sn5, which are two types of IMC (intermetallic compound) generated in the conventional structure, are changed to Cu3Sn by diffusing Cu into Cu6Sn5, and the existence ratio of Cu6Sn5 can be greatly reduced. Furthermore, Ni diffuses into the Sn thin film 70 from the Ni thin film 81 on the semiconductor chip 30 side, Ni is taken into the slightly remaining Cu6Sn5, and changes to (Cu, Ni)6Sn5, thereby preventing the occurrence of cracks. can be suppressed. Moreover, the Cu thin film 82 on the upper layer side diffuses into the Sn thin film 70 and disappears, and the Ni thin film 81 on the lower layer side does not easily diffuse. In other words, since the Cu thin film 82 is easily diffused, it can be prevented from diffusing and disappearing at the same time as the bonding, preventing the diffusion of Ni from the underlying Ni thin film 81 .

クラックの発生は、上述したように主にCu6Sn5から発生し、Cu3Snには発生しにくい。更に、Cu6Sn5のクラックの発生は相変態に伴う体積変化に起因するが、(Cu,Ni)6Sn5では相変態が生じないため、クラックは発生しない。 Cracks are generated mainly in Cu6Sn5 as described above, and are less likely to occur in Cu3Sn. Further, the occurrence of cracks in Cu6Sn5 is caused by volume change accompanying phase transformation, but (Cu, Ni)6Sn5 does not undergo phase transformation, so cracks do not occur.

よって、基板側のSn薄膜70内へのCu拡散の増量、及びNi拡散させることにより、クラックの発生し易いCu6Sn5を減らし、クラックの発生し難いCu3Sn、及び残ってしまったCu6Sn5に対しては(Cu,Ni)6Sn5へ変化させることで、効果的にクラックの発生を抑制することができる。 Therefore, by increasing the amount of Cu diffusion into the Sn thin film 70 on the substrate side and by diffusing Ni, Cu6Sn5, which is prone to cracking, is reduced, and Cu3Sn, which is difficult to crack, and the remaining Cu6Sn5 ( By changing to Cu, Ni)6Sn5, the occurrence of cracks can be effectively suppressed.

このように、半導体チップ30側に設けたNi薄膜はCu薄膜より拡散し難いため、図13のようにCu薄膜71より上層にNi薄膜72を配置した場合には、Ni薄膜72がバリア層として作用し、下層のCu薄膜71からのCuの拡散を損なう可能性があるが、図14では、上層側にCu薄膜82を配置し下層側にNi薄膜81を配置することで、Cu薄膜82からのCuの拡散をNi薄膜81が妨げることがなく、効率よくSn薄膜70内へ拡散供給することができる。 Thus, the Ni thin film provided on the semiconductor chip 30 side is more difficult to diffuse than the Cu thin film. However, in FIG. 14, the Cu thin film 82 is arranged on the upper layer side and the Ni thin film 81 is arranged on the lower layer side. Ni thin film 81 does not hinder the diffusion of Cu, and Cu can be efficiently diffused and supplied into Sn thin film 70 .

以上のごとく、Ni拡散とCu拡散を両立し、互いに拡散を損なうことなく両者を効率よくSn薄膜70内へ拡散させることができる。その結果、Cu拡散によるCu6Sn5の低減と、残ったCu6Sn5にNiを取り込ませることにより相変態を起こしにくい(Cu,Ni)6Sn5に変化させることにより、各々単独では得られない効果を相乗して得ることができる。 As described above, Ni diffusion and Cu diffusion can be compatible, and both can be efficiently diffused into the Sn thin film 70 without impairing the diffusion of each other. As a result, Cu6Sn5 is reduced by Cu diffusion, and Ni is incorporated into the remaining Cu6Sn5 to change it to (Cu, Ni)6Sn5, which is less likely to undergo phase transformation. be able to.

なお、図14において、成膜はスパッタ成膜、蒸着成膜、めっき成膜等、限定されない。スパッタ成膜では成膜厚の精度が高いが、1μm以上の厚さの成膜は困難である。一方、めっきでは膜厚の精度はスパッタよりも劣るが厚さを厚くすることができる。よって、これらの各成膜方法を適宜選択し、成膜厚を設定可能である。また、厚さも、Cu薄膜82のCuは拡散容易であるので、Cu薄膜82の厚さt32は例えば2μm程度の厚さにしても、下層のNi薄膜81の拡散を妨げることがない。下層のNi薄膜81の厚さt31も、成膜方法で可能な範囲で厚くすることが可能である。 In addition, in FIG. 14, film formation is not limited to sputtering film formation, vapor deposition film formation, plating film formation, and the like. Although the precision of the film thickness is high in the sputtering film formation, it is difficult to form a film with a thickness of 1 μm or more. On the other hand, plating is inferior to sputtering in film thickness accuracy, but can increase the thickness. Therefore, the film thickness can be set by appropriately selecting each of these film forming methods. As for the thickness, since Cu of the Cu thin film 82 is easily diffused, even if the thickness t32 of the Cu thin film 82 is set to, for example, about 2 μm, the diffusion of the underlying Ni thin film 81 is not hindered. The thickness t31 of the lower layer Ni thin film 81 can also be increased within the range possible by the film forming method.

○ 図14の変形例として図15に示すようにしてもよい。図15において、Cu配線と半導体チップ30とを接合するための液相拡散接合方法として、Cu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜91、Sn薄膜51、Cu薄膜82、Ni薄膜81を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、Cu配線22と半導体チップ30とを接合する。これによれば、接合層が、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(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42との2層構造をなすので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 (circle) you may make it show in FIG. 15 as a modification of FIG. In FIG. 15, as a liquid phase diffusion bonding method for bonding the Cu wiring and the semiconductor chip 30, a Ni thin film is sequentially formed between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 from the Cu wiring 22 side toward the semiconductor chip 30 side. 91, with the Sn thin film 51, the Cu thin film 82, and the Ni thin film 81 sandwiched therebetween, the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 are bonded together in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn. According to this, the bonding layer has a two-layer structure of the Cu3Sn intermetallic compound layer 41 on the Cu wiring 22 side and the (Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound layer 42 on the semiconductor chip 30 side. Compared to the case where the layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a Cu6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side, cracks due to volume change accompanying phase transformation of Cu6Sn5 are less likely to occur. The occurrence can be suppressed.

ここで、Cu配線22上に順にNi薄膜91、Sn薄膜51が成膜されるとともに、半導体チップ30上に順にNi薄膜81、Cu薄膜82が成膜されており、Sn薄膜51の上にCu薄膜82が配置されることによりCu配線22と半導体チップ30との間に、Cu配線22側から半導体チップ30側に向かって順にNi薄膜91、Sn薄膜51、Cu薄膜82、Ni薄膜81を挟んだ状態にする。 Here, the Ni thin film 91 and the Sn thin film 51 are formed in order on the Cu wiring 22 , the Ni thin film 81 and the Cu thin film 82 are formed in order on the semiconductor chip 30 , and the Cu thin film 51 is formed on the Sn thin film 51 . By disposing the thin film 82, the Ni thin film 91, the Sn thin film 51, the Cu thin film 82, and the Ni thin film 81 are sandwiched between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30 in this order from the Cu wiring 22 side toward the semiconductor chip 30 side. state.

このように、基板側においてNi薄膜91をCu配線22とSn薄膜51との間に配置する。Ni薄膜91の厚さt41は厚すぎるとバリア層となり、Cu配線22の拡散を妨げるので、0.1~0.5μm程度の厚さにするのが望ましい。好ましくは、Ni薄膜91の厚さt41は0.1~0.3μmとするとよく、この場合、下のCu配線22の拡散を妨げることなく、Ni薄膜91を配置することができる。 Thus, the Ni thin film 91 is arranged between the Cu wiring 22 and the Sn thin film 51 on the substrate side. If the thickness t41 of the Ni thin film 91 is too thick, it becomes a barrier layer and prevents the Cu wiring 22 from diffusing. Preferably, the thickness t41 of the Ni thin film 91 is set to 0.1 to 0.3 μm. In this case, the Ni thin film 91 can be arranged without hindering the diffusion of the Cu wiring 22 below.

また、半導体チップ30側のNi薄膜81のSn薄膜51内への拡散はCuほど容易ではない。そのため、Ni薄膜81からSn薄膜51へNiを拡散する場合、図15のようにNi薄膜91からNiの拡散を伴う場合がより効果的である。 Further, diffusion of the Ni thin film 81 on the semiconductor chip 30 side into the Sn thin film 51 is not as easy as that of Cu. Therefore, when diffusing Ni from the Ni thin film 81 to the Sn thin film 51, it is more effective to diffuse Ni from the Ni thin film 91 as shown in FIG.

詳しく説明すると、Ni薄膜81及びNi薄膜91の両方を有する場合には、Sn薄膜51内への拡散が比較的容易に行われる。つまり、Ni薄膜91が無くNi薄膜81のみ配置した場合に比べ、Ni薄膜91を配置することにより、拡散が相対的に容易な基板側のNi薄膜91からSn薄膜51内へのNiの拡散が先に行われ、それに誘導されて、拡散が相対的にし難い半導体チップ30側のNi薄膜81からの拡散を誘引する結果としてSn薄膜51内への拡散が容易に行われるものと推定される。また、基板側のNi薄膜91からSn薄膜51内への拡散はNi薄膜81からSn薄膜51内への拡散より相対的に容易となるのは、Ni薄膜91とSn薄膜51とは例えばめっきで積層され密着しているのに対し、半導体チップ30側は、別体の半導体チップ30がSn薄膜51上にダイマウントにて載置されるのみであり、載置面が密着することはなく、微細な隙間で隔たれていることが要因と思われる。更に、基板側のNi薄膜91はCu配線22の全面に広範囲で成膜されているので、半導体チップ30が載置される領域外の周囲からもNiが拡散供給され易いのに対し、半導体チップ30側のNi薄膜81は半導体チップ30の載置領域のみにしか配置されていない。よって、半導体チップ30の配置領域外にはNi薄膜81は存在しないので(Niが半導体チップ配置領域外から拡散供給されることがないので)、NiがSn薄膜51に拡散されるには絶対量が少なく、これが、Ni薄膜91からSn薄膜51内への拡散はNi薄膜81からSn薄膜51内への拡散より相対的に容易となる要因と思われる。 More specifically, when both the Ni thin film 81 and the Ni thin film 91 are provided, diffusion into the Sn thin film 51 is relatively easy. That is, compared with the case where only the Ni thin film 81 is arranged without the Ni thin film 91, the arrangement of the Ni thin film 91 makes it easier for Ni to diffuse from the Ni thin film 91 on the substrate side into the Sn thin film 51. It is presumed that diffusion into the Sn thin film 51 is facilitated as a result of the induction of diffusion from the Ni thin film 81 on the side of the semiconductor chip 30 where diffusion is relatively difficult. Diffusion from the Ni thin film 91 on the substrate side into the Sn thin film 51 is relatively easier than diffusion from the Ni thin film 81 into the Sn thin film 51 because the Ni thin film 91 and the Sn thin film 51 are separated by plating, for example. While the semiconductor chips 30 are laminated and closely attached, the separate semiconductor chip 30 is only mounted on the Sn thin film 51 by die mounting, and the mounting surface is not in close contact. The reason for this is thought to be that they are separated by minute gaps. Furthermore, since the Ni thin film 91 on the substrate side is formed over a wide area on the entire surface of the Cu wiring 22, Ni is easily diffused and supplied also from the periphery outside the region where the semiconductor chip 30 is mounted. The Ni thin film 81 on the 30 side is arranged only in the mounting area of the semiconductor chip 30 . Therefore, since the Ni thin film 81 does not exist outside the arrangement area of the semiconductor chip 30 (because Ni is not diffused and supplied from outside the semiconductor chip arrangement area), the absolute amount of Ni diffused into the Sn thin film 51 is This is thought to be the reason why the diffusion from the Ni thin film 91 into the Sn thin film 51 is relatively easier than the diffusion from the Ni thin film 81 into the Sn thin film 51 .

○ 図1に代わり図16に示す構成としてもよい。図16において、Cu3Snの金属間化合物層41及び(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、それぞれ、隙間にSn単独相を伴う金属間化合物のネットワーク構造を有する。 (circle) it is good also as a structure shown in FIG. 16 instead of FIG. In FIG. 16, the intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn and the intermetallic compound layer 42 of (Cu,Ni)6Sn5 each have a network structure of the intermetallic compound with Sn single phase in the gaps.

Cu3Snの金属間化合物層41は、Sn単独相41b中に金属間化合物(IMC)41aが分散しており、三次元的な網目状をなす金属間化合物41aを有する。つまり、隙間にSn単独相41bを伴う金属間化合物41aのネットワーク構造を有する。詳しくは、Cu3Snの金属間化合物層41は、三次元的な網目状をなす金属間化合物41aと網目の隙間のSn単独相41bとが入り組んでいる。 The Cu3Sn intermetallic compound layer 41 has an intermetallic compound (IMC) 41a dispersed in a single Sn phase 41b, and has a three-dimensional mesh-like intermetallic compound 41a. That is, it has a network structure of the intermetallic compound 41a with the Sn single phase 41b in the gaps. More specifically, the Cu3Sn intermetallic compound layer 41 is intricately composed of an intermetallic compound 41a forming a three-dimensional network and a single Sn phase 41b in the interstices of the network.

また、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、Sn単独相42b中に金属間化合物(IMC)42aが分散しており、三次元的な網目状をなす金属間化合物42aを有する。つまり、隙間にSn単独相42bを伴う金属間化合物42aのネットワーク構造を有する。詳しくは、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、三次元的な網目状をなす金属間化合物42aと網目の隙間のSn単独相42bとが入り組んでいる。 The (Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound layer 42 has an intermetallic compound (IMC) 42a dispersed in a single Sn phase 42b, and has a three-dimensional mesh-like intermetallic compound 42a. That is, it has a network structure of the intermetallic compound 42a with the Sn single phase 42b in the gaps. Specifically, the intermetallic compound layer 42 of (Cu, Ni)6Sn5 is composed of intermetallic compounds 42a forming a three-dimensional network and Sn single phases 42b in the interstices of the network.

このように、Cu3Snの金属間化合物層41及び(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、それぞれ、三次元的な網目状をなす金属間化合物41a,42aを有し、ネットワーク構造の接合層となっている。詳しくは、Cu3Snの金属間化合物層41及び(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、それぞれ、三次元的な網目状をなし相互に繋がった金属間化合物41a,42aと網目の隙間のSn単独相41b,42bとが入り組んでいる。より詳しくは、Cu3Snの金属間化合物層41及び(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、それぞれ、金属間化合物41a,42aの網目の隙間にSn単独相41b,42bが存在し、かつ、金属間化合物41a,42aとSn単独相41b,42bとの境界の少なくとも一部が非直線状をなし、入り組んだ構造を有する。 Thus, the intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn and the intermetallic compound layer 42 of (Cu, Ni)6Sn5 respectively have intermetallic compounds 41a and 42a forming a three-dimensional network structure, and are bonded in a network structure. It is layered. More specifically, the intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn and the intermetallic compound layer 42 of (Cu,Ni)6Sn5 respectively form a three-dimensional mesh and are interconnected between the intermetallic compounds 41a and 42a and the gaps in the mesh. The Sn single phases 41b and 42b are intricate. More specifically, the intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn and the intermetallic compound layer 42 of (Cu,Ni)6Sn5 respectively have Sn single phases 41b and 42b in the interstices of the intermetallic compounds 41a and 42a, and , at least part of the boundaries between the intermetallic compounds 41a, 42a and the single Sn phases 41b, 42b are non-linear and have an intricate structure.

なお、図16中の金属間化合物41a,42aは、塊が互いに離間しているかのように示されているが、当該図は一断面をわかり易く模式化したものであり、実際には三次元的に互いに接続したネットワーク状態となっている。 In addition, although the intermetallic compounds 41a and 42a in FIG. 16 are shown as if they are separated from each other, the figure is a schematic representation of one cross section in an easy-to-understand manner, and is actually three-dimensional. are connected to each other in a network state.

このようにして、Cu3Snの金属間化合物層41及び(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層42は、ミクロ的には単一層ではなく、各IMCとSnとが相互に入り組んだ構造を成し、IMC同士がネットワーク状に繋がることで高温接合が得られる。この構造では、IMCのネットワークの隙間にSnが入り込んで存在し、又、IMCもネットワーク状態で繋がっていることで、一定の応力緩和効果が得られ、信頼性を確保することができる。 In this way, the intermetallic compound layer 41 of Cu3Sn and the intermetallic compound layer 42 of (Cu, Ni)6Sn5 are not microscopically single layers, but have a structure in which each IMC and Sn are intertwined. , and the IMCs are connected to each other in a network to obtain high-temperature bonding. In this structure, Sn enters and exists in the gaps of the IMC network, and the IMC is also connected in a network state, so that a certain stress relaxation effect can be obtained and reliability can be ensured.

○ 図2、図12、図13でのCuの膜厚(t3,t12,t21)、Niの膜厚(t1,t4,t10,t22)を例示したが、これに限定されない。
○ Snの膜厚を5μmと例示したが、これに限定されない。例えば、3μm、4μm、或いは6μmであってもよい。
○ Although the film thicknesses of Cu (t3, t12, t21) and the film thicknesses of Ni (t1, t4, t10, t22) in FIGS.
(circle) although the film thickness of Sn was illustrated as 5 micrometers, it is not limited to this. For example, it may be 3 μm, 4 μm, or 6 μm.

○ 接合層内にCu3Snの金属間化合物層が必ず存在する必要はない。即ち、Cu拡散状態にばらつきがあり、Cu拡散量が少ない場合がある。その上、Cu配線の上層にNi層を積層した場合、さらにCu拡散量が減少することになる。その結果、Cu3Sn層が生じない場合がある。しかし、その場合であっても、Niを拡散させることにより、Cu6Sn5を十分に(Cu,Ni)6Sn5に置き換え、クラックを抑制することができる。 ○ It is not always necessary to have a Cu3Sn intermetallic compound layer in the bonding layer. In other words, the Cu diffusion state varies, and the amount of Cu diffusion may be small. In addition, when the Ni layer is laminated on the Cu wiring, the amount of Cu diffusion is further reduced. As a result, the Cu3Sn layer may not occur. However, even in that case, by diffusing Ni, Cu6Sn5 can be sufficiently replaced with (Cu, Ni)6Sn5, and cracks can be suppressed.

つまり、図1に代わり図17に示すように、Cu配線22と半導体チップ30との間に接合層45が形成された接合構造であって、接合層45は、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層からなる1層構造であってもよい。これによれば、接合層45は、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層からなる1層構造であるので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 That is, as shown in FIG. 17 instead of FIG. 1, a bonding structure in which a bonding layer 45 is formed between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30, and the bonding layer 45 is made of (Cu, Ni)6Sn5 metal. It may be a one-layer structure consisting of an intercompound layer. According to this, since the bonding layer 45 has a one-layer structure composed of an intermetallic compound layer of (Cu, Ni)6Sn5, the bonding layer consists of the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and the Cu3Sn intermetallic compound layer on the semiconductor chip side. Compared to the case of forming a two-layer structure with an intermetallic compound layer of Cu6Sn5, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the volume change accompanying the phase transformation of Cu6Sn5.

○ Cu6Sn5層の全てを(Cu,Ni)6Sn5に置き換える構成に限定されない。即ち、Niの拡散状態にばらつきがあり、部分的には、Cu6Sn5が残存する可能性もある。この場合でも従来構造に比べてクラックの発生が低減され、クラック抑制効果を得ることができる。 ○ The configuration is not limited to replacing all the Cu6Sn5 layers with (Cu, Ni)6Sn5. That is, there is variation in the diffusion state of Ni, and Cu6Sn5 may partially remain. Even in this case, generation of cracks is reduced as compared with the conventional structure, and the effect of suppressing cracks can be obtained.

つまり、図1に代わり図18に示すように、Cu配線22と半導体チップ30との間に接合層46が形成された接合構造であって、接合層46は、(Cu,Ni)6Sn5とCu6Sn5とが混在した金属間化合物層からなる1層構造であってもよい。これによれば、接合層46は、(Cu,Ni)6Sn5とCu6Sn5とが混在した金属間化合物層からなる1層構造であるので、接合層が、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層構造をなす場合に比べて、Cu6Sn5の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。 That is, as shown in FIG. 18 instead of FIG. 1, the bonding structure has a bonding layer 46 formed between the Cu wiring 22 and the semiconductor chip 30. The bonding layer 46 is composed of (Cu, Ni)6Sn5 and Cu6Sn5. It may be a one-layer structure consisting of an intermetallic compound layer in which According to this, since the bonding layer 46 has a one-layer structure composed of an intermetallic compound layer in which (Cu, Ni)6Sn5 and Cu6Sn5 are mixed, the bonding layer is the Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side. , the occurrence of cracks due to the volume change due to the phase transformation of Cu6Sn5 can be suppressed as compared with the case of forming a two-layer structure with the intermetallic compound layer of Cu6Sn5 on the semiconductor chip side.

○ 接合温度は、300℃に限定されない。少なくともSnの融点232℃以上であればよい。
○ 裏面電極(Ti/Ni/Ag)31は、少なくともTi層を含むものとすることが望ましい。
○ The bonding temperature is not limited to 300°C. At least the melting point of Sn is 232° C. or higher.
(circle) the back electrode (Ti/Ni/Ag) 31 desirably includes at least a Ti layer.

10…接合構造、22…Cu配線、30…半導体チップ、40…接合層、41…Cu3Snの金属間化合物層、42…(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層、45…接合層、46…接合層、50…Ni薄膜、51…Sn薄膜、52…Cu薄膜、53…Ni薄膜、60…Ni薄膜、61…Sn薄膜、62…Cu薄膜、70…Sn薄膜、71…Cu薄膜、72…Ni薄膜、81…Ni薄膜、82…Cu薄膜、91…Ni薄膜。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Joining structure 22... Cu wiring 30... Semiconductor chip 40... Joining layer 41... Intermetallic compound layer of Cu3Sn 42... Intermetallic compound layer of (Cu, Ni)6Sn5 45... Joining layer 46... Bonding layer 50... Ni thin film, 51... Sn thin film, 52... Cu thin film, 53... Ni thin film, 60... Ni thin film, 61... Sn thin film, 62... Cu thin film, 70... Sn thin film, 71... Cu thin film, 72... Ni thin film, 81... Ni thin film, 82... Cu thin film, 91... Ni thin film.

Claims (10)

Cu配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
前記接合層は、前記Cu配線側のCu3Snの金属間化合物層と、前記半導体チップ側の(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層との2層構造をなすことを特徴とする接合構造。
A bonding structure in which a bonding layer is formed between a Cu wiring and a semiconductor chip,
The bonding structure is characterized in that the bonding layer has a two-layer structure of a Cu3Sn intermetallic compound layer on the Cu wiring side and a (Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound layer on the semiconductor chip side.
Cu配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
前記接合層は、(Cu,Ni)6Sn5の金属間化合物層からなる1層構造であることを特徴とする接合構造。
A bonding structure in which a bonding layer is formed between a Cu wiring and a semiconductor chip,
A bonding structure, wherein the bonding layer has a one-layer structure composed of an intermetallic compound layer of (Cu, Ni)6Sn5.
Cu配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
前記接合層は、(Cu,Ni)6Sn5とCu6Sn5とが混在した金属間化合物層からなる1層構造であることを特徴とする接合構造。
A bonding structure in which a bonding layer is formed between a Cu wiring and a semiconductor chip,
A bonding structure, wherein the bonding layer has a one-layer structure composed of an intermetallic compound layer in which (Cu, Ni)6Sn5 and Cu6Sn5 are mixed.
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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Ni薄膜、厚さ0.5μm~1.0μmのCu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
A liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip,
Between the Cu wiring and the semiconductor chip, a Ni thin film, a Sn thin film, a Ni thin film, and a Cu thin film having a thickness of 0.5 μm to 1.0 μm are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side, A liquid phase diffusion bonding method, wherein the Cu wiring and the semiconductor chip are bonded in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn.
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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、厚さ0.5μm~1.0μmのCu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
A liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip,
The melting point of Sn is A liquid-phase diffusion bonding method, wherein the Cu wiring and the semiconductor chip are bonded under the temperature atmosphere described above.
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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Ni薄膜、Cu薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
A liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip,
In a state in which a Sn thin film, a Ni thin film, and a Cu thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip, the Cu wiring is heated in an atmosphere at a temperature equal to or higher than the melting point of Sn. and the semiconductor chip.
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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
A liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip,
In a state where a Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip, the Cu wiring is heated in a temperature atmosphere equal to or higher than the melting point of Sn. and the semiconductor chip.
請求項7に記載の液相拡散接合方法において、
前記Cu配線上にSn薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にNi薄膜、Cu薄膜が成膜されており、前記Sn薄膜の上に前記Cu薄膜が配置されることにより前記Cu配線と前記半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にSn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態にすることを特徴とする液相拡散接合方法。
In the liquid phase diffusion bonding method according to claim 7,
A Sn thin film is formed on the Cu wiring, and a Ni thin film and a Cu thin film are formed on the semiconductor chip in this order. By disposing the Cu thin film on the Sn thin film, the Cu wiring and the semiconductor chip, a Sn thin film, a Cu thin film, and a Ni thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side.
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、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態において、Snの融点以上の温度雰囲気下で、前記Cu配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
A liquid phase diffusion bonding method for bonding a Cu wiring and a semiconductor chip,
Ni thin film, Sn thin film, Cu thin film, and Ni thin film are sandwiched between the Cu wiring and the semiconductor chip in this order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side, in an atmosphere at a temperature higher than the melting point of Sn, A liquid phase diffusion bonding method, wherein the Cu wiring and the semiconductor chip are bonded together.
請求項9に記載の液相拡散接合方法において、
前記Cu配線上に順にNi薄膜、Sn薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にNi薄膜、Cu薄膜が成膜されており、前記Sn薄膜の上に前記Cu薄膜が配置されることにより前記Cu配線と前記半導体チップとの間に、Cu配線側から半導体チップ側に向かって順にNi薄膜、Sn薄膜、Cu薄膜、Ni薄膜を挟んだ状態にすることを特徴とする液相拡散接合方法。
In the liquid phase diffusion bonding method according to claim 9,
An Ni thin film and an Sn thin film are formed in order on the Cu wiring, and an Ni thin film and a Cu thin film are formed in order on the semiconductor chip, and the Cu thin film is arranged on the Sn thin film. Ni thin film, Sn thin film, Cu thin film, and Ni thin film are sandwiched in order from the Cu wiring side to the semiconductor chip side between the Cu wiring and the semiconductor chip by liquid phase diffusion bonding. Method.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014209608A (en) 2013-03-29 2014-11-06 三菱マテリアル株式会社 Power module
JP2015230900A (en) 2014-06-03 2015-12-21 三菱マテリアル株式会社 Power module
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014209608A (en) 2013-03-29 2014-11-06 三菱マテリアル株式会社 Power module
JP2015230900A (en) 2014-06-03 2015-12-21 三菱マテリアル株式会社 Power module
WO2016027593A1 (en) 2014-08-22 2016-02-25 株式会社 豊田自動織機 Bonding structure, bonding material and bonding method
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