JPH05503397A - 金属ラミネートおよびそれを用いた熱圧着電子パワーチップ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 薄形電子パワーチップ用の直接熱圧着法関連出願 この出願は、米国特許出願第３７５．５６９号（出願日１９８９年７月３日）「 パッケージの蓋を貫通するリードを有する大電流ハーメチックパッケージおよび パッケージした半導体チップ」と関連している。本出願人に譲渡された米国特許 出願第３７５，５６９号をこの明細書で援用するが、それはパッケージした半導 体チップの頂部に薄いホイル（ｆｏｉｌ）コネクタを通す方法を教示する。

この発明は、一般に薄形小形の電子パワー装置パッケージングに関し、特に、こ のような装置およびパッケージングの物理的パラメータ（すなわち、重量、体積 、抵抗およびインダクタンス）の有益な減少をさらに大きくするために、このよ うな装置用の実質的にインダクタンスのない電気リードまたは接続部を形成する 方法に関する。

以下の教示は主として単一装置の実現に向けられているが、集積回路のような同 様の装置のバッチ作製に簡単に拡張することができる。

従来技術 電子パワーチップ装置に高インダクタンスのワイヤを使用することを避ける従来 知られているリードまたはコネクタ技術は、「金バンブ技術」と称される技術を 使用している。上記装置に複数の全接点を、チップの選ばれた接点パッド上の複 数の金属金（ｇｏｌｄ）の導電性デテント（ｄｅｔｅｎｔ）の形態で使用する。

この技術は、米国特許第４．７５０．６６６号の教示にしたがって実施される。

この特許の発明では、金デテント（「バンプ」という）は、装置のアルミニウム 接点パッドに直接結合される金の半球体として特徴づけられている。最近、本発 明者のうち２人が行った研究によれば、前述したような金デテントー装置パッド 接点を用いるタイプの金（Ａｕ）−アルミニウム（Ａｔ）界面に、異常が存在す ることがわかった。その特定されたストレイタム（ｓｔｒａｔｕｍ）の形態のア ルミニウムは、所望のチップ表面上に金属アルミニウムの薄層を被着することに より半導体チップを金属化（メタライズ）する現在の慣用技術から生じる。ある 状況下で、金−アルミニウム界面の金属間（Ａｕ−Ａｌ）区域にいくつかの金属 間化合物相：Ａｕ　Ａｌ、Ａｕｓ　Ａｔ２、Ａｕ２Ａｌ、ＡｕＡｌおよびＡ　ｕ 　Ａ　ｌ　２が生成する（　Ａ　ｕ　Ａ　ｌ　２は「パープルプレーグ」と呼ば れる）。このＡｕ　Ａｌ　生成お！　Ｙ よびそれに伴うカーケンドル（Ｋｉ　ｒｋｅｎｄａ　１１）ボイド生成は、アル ミニウム・バイメタル（二金属）配線技術で１９７５年以来知られている問題で ある。パープルプレーグの生成機構を詳しく理解するために、相当な量の研究が 行われてきた。臭化物、ぶつ化物、塩化物などの不純物により１８０°Ｃ以上の 温度で誘引される腐食がパープルプレーグ生成を促進し、その結果Ａｕ−Ａｌ界 面で早期の結合破損が生じる。パープルプレーグおよびボイド生成に起因する結 合破損を減らすために、塩素、臭素およびふっ素を厳密に制御する。パープルプ レーグ生成は金属−金属拡散現象により説明され、したがって、それはあらゆる 金−アルミニウム界面に存在しそうである。最終の安定な化合物の生成速度は、 反応温度および最初の二元（Ａｕ−ＡＩ）フィルム中の金とアルミニウムの割合 に依存する。

最初の相互作用は約１００°Ｃでの熱処理中に起こり、Ａ尽くすまで、この過程 が支配的である。もしもアルミニウム層の厚さが金の厚さより大きいと、２３０ ０Ｃへの加熱が低温で生成したＡ　ｕ　２　Ａ　ｌをＡ　ｕ　Ａ　ｌ　２に変換 する。逆に、アルミニウム層の厚さが金の厚さより小さい場合には、最終相は、 初期の低温で生成したＡ　ｕ　２　Ａ　ｌからＡ　ｕ　４　ＡＩのような全含量 の多い化合物になる。あらゆる場合に、発展中の化合物層の厚さは焼鈍時間の平 方根に比例する。

これは、すべての相互作用が拡散で限定されていることを示唆する。通常の金ワ イヤボンディングでは、（ある長さの金ワイヤを残して導電通路を確保しなけれ ばならないので）いつも余分な金が得られ、そして金がいつも余分に存在すると ころでは、反応が続き、パープルプレーグ生成が臨界的になる。正常な作動条件 では、パワーチップの温度は約１５０°Ｃを越えてはならず、そして汚染されて いない条件ではパープルプレーグは問題を呈さない。しかし、温度が長期間２０ ０°Ｃを越えたり、前述したタイプのハロゲン化物が存在すると、チップ接点が おそらく破損（故障）する。

このようなわけで、カーケンドルボイド生成を伴う多数の種々の金属間化合物相 は、金−アルミニウム相互接続技術において重大な問題となる。この問題の解決 策は、以下に説明するように、まったく予期しないことには、半導体パワー装置 のコンパクトな薄い構成をさらに進展する方法を提供する。

発明の概要 この発明は、パープルプレーグと称される金−アルミニウム金属間多相問題を解 決する。高温では、金属間層を形成する金とアルミニウムとの反応は、金属間層 の厚さが余りに大きくなると、結合劣化につながることが知られている。この現 象は、アルミニウムが大きく欠乏してチップへの界面がもはや薄いアルミニウム 膜を介さず、金属間層に直接接触するようになった場合にも、生じる。これは、 金バンプ技術のプロセス（特に、横方向電気抵抗を減少させる目的で銅ホイルを 頂部のアルミニウム金属化層に付着する場合）を、不純物として存在するハロゲ ン化物のレベルに応じて２００−３０００Ｃの温度に限定する。この発明は、新 規な直接的熱圧着によるホイル接続技術を用いることにより、金バンプ技術への 依存をなくす。

着想としては、この発明の技術は、実装されたパワーユニットまたはモジュール の場合のように、パッケージの蓋を通過して半導体装置に達する銅接続部につい て案出されたけれども、それに限定されない。半導体装置はここでは集積回路チ ップとして記載するが、個別のパワー装置であってもよい。けい素（シリコン） チップの下部または底部にはクロム−ニッケルー銀の層、上部または頂部には装 置の接点パッドを構成するアルミニウムの層を設ける。以下の説明に従って作製 する薄い銅を主成分とするホイルを、けい素チップのアルミニウムパッドに直接 熱圧着する。銅ホイルをまずクロム（Ｃｒ）フィルムで、ついで金フィルムで、 それぞれ数千オングストローム程度の厚さに被覆する。銅ホイルの厚さは１−１ ０ミルとすればよい。複合ホイルを所望の形状にエツチングまたは打ち抜きする 。この形状は、チップへの圧着後の熱膨張の差を減らすためにボイドまたはスロ ットを含む形状（レース状構成）とするのがよい。特別な周縁フレーム設計を用 いて、ホイル積層体に複数のリーフ（ｌｅａｆ）またはウィング（ｗｉｎｇ）を 形成し、チップへの圧着後に余分なホイルが物理的チップ境界を越えて張り出す ようにする。結合を達成するには、ホイルをチップの１つまたは複数の頂部アル ミニウムパッド（金属化層）に位置合わせし、約３２５°Ｃで約０．５−１時間 熱圧着する。金フィルムで被覆した銅ホイルの場合、これにより通常、銅ホイル 上の金フィルムがアルミニウムーホイル界面でＡｕ　Ａｌ　金属間化合物に変換 される。しかし、この発明によれば、アルミニウムを計画的に過剰に供給し、反 応により完全に使い尽くされないようにし、そしてすべての金を安定なＡ　ｕ　 Ａ　１２相に変換する。

アルミニウム（チップ上の金属化層）の残りの境界層は、金属間化合物が直接け い素チップに接触するのを防止し、一方、銅ホイル上の最初に堆積したクロムフ ィルムはバリヤ層を形成し、これが（残っている）アルミニウムフィルム中への 銅の拡散を防止し、こうしてアルミニウムー銅金属間化合物の形成とけい素の銅 ドーピングを回避し、けい素への良好なオーム接触を保存する。

適切な熱圧着後、ホイルの余分な周縁のリーフ区域をチップ周縁の上に曲げるか 折り返し、リーフ区域をそれが延びている付は根の今や圧着されたホイル部分に ほぼ重ねる。折り返したリーフは、すべての薄形パッケージ用途において蓋貫通 コネクタ用の応力緩和接点を構成する。折り返したリーフは（上記米国特許出願 第３７５，５６９号のように）リーフ状接点として蓋を貫通させるか、またはセ ラミックの蓋に直接切り込んだ孔内に設けた銅の球体に接触させてもよい。この 後者の技術は、ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　４０ｔｈ　Ｉ ＥＥＥ　ＥＴＣＴ誌（Ｍａｙ　１９９０）に報告されたシー・ニー・ニューゲバ ウア等の論文ｒＭＣＴＭＣ−パッケージング」に記載されている。

新規と考えられるこの発明の特徴は添付の特許請求の範囲に明示しである。しか し、この発明自体の構成および作動方法については、その目的および効果ともど も、添付の図面を参照した以下の説明から、よく理解できるである第１図はこの 発明の多層ホイルを一部破断して示す斜視図である。

第２図はパッケージの一部で金属化チップに圧着したホイルを示す断面図である 。

第３図はこの発明にしたがって作製したホイルネットワークを有する半導体チッ プの平面図である。

第４図は装置ゲート近くのホイル重なりを示す部分的斜視図である。

第５図は第３図の製品の一部を矢印５−５方向に見た断面図である。

好適な実施例の説明 高温で金属開祖を形成するアルミニウムと金の層間の反応は、温度およびハロゲ ン化物の含有レベルにしたがって分子組成が変わる。アルミニウムと金を用いて 、たとえばけい素早導体チップの上に電気接続部を形成する場合、金属開祖の厚 さが余りに大きくなるか、アルミニウムが欠乏して薄いアルミニウム膜を通して のチップとの全界面がなくなると、全接点層は層剥離を起こしやすい。この発明 は、この問題を解決し、半導体パワー装置用のインダクタンスのない永久的に結 合した、高密度の電流を通すことのできる接点を初めて提供する。

第１図は、この発明によるホイル導体１０の破断した、つまり「層を引きはがし た」部分を斜視図にて示す。平坦な導体１０は、基体となる銅ホイル１２を金の 外側層（またはプライ）１４間にはさんだ構成である。後で説明する理由で、ク ロムの層１６を銅層１２と金層１４との間に介在させる。当業者であればすぐに 分かるように、ホイル導体１０の本質的な構成は銅−クロム−全積層体であり、 金層は事実上初期技術の金バンプ（ここでは図示せず）に取って代わっている。

積層体を製造するには、まず銅ホイル１２を金属フィルム、最初クロムで、つぎ に金でスパッタリングなどの手段により被覆する。各フィルムの厚さは数千オン グストローム程度である。銅ホイルの厚さは１−１０ミルとすればよい。

第２図は、この発明の導体１０を、部分的に封止した半導体チップ３０の上に重 ねた状態にて示す側面図である。

チップ３０は、けい素から構成すればよく、その上面の選択区域においてアルミ ニウム１８で金属被覆されており、このアルミニウムが装置の接点パッドとなる 。けい素チップ３０の底部には金属化層２０を設ける。この金属化層２０は多層 金属皮膜（たとえば、金／けい素上の金、アルミニウム／けい素上のアルミニウ ムまたはクロム上のニッケル上の銀）から構成して、チップを、クロム−ニッケ ルー銀から構成されるカップまたはパッケージベース３２と適合させる。第２図 に示す構造はこの発明のすでに熱圧着した製品を示し、１７で示す領域は、本質 的にＡ　ｕ　Ａ　ｌ　２からなる金−アルミニウム金属間化合物層である。この 発明の重要な特徴がこの接合に具体化されている。すなわち、以前には金属間化 合物層１７と底部クロム層１６との間に存在した金層１４が完全に使い尽くされ ている。同時に、アルミニウム層１８は、金属間化合物層１７とけい素チップ３ ０との間にはさまれて残る。アルミニウム層のアルミニウムの重量は、金属間化 合物層中の金のＡ　ｕ　Ａ　１２化学量論的当量より大きい。前述したようなり ロム上の金のコーティング中、半導体装置３０上のアルミニウム化パッド１８の 既知の厚さに厳密に基づいた計算を行う必要がある。

この計算を行って、金属間化合物層１７の形成時に、金属間化合物層１７と底部 クロム層１６との間の金が完全に消費されて、底部クロム層１６が金属間化合物 層１７と並置関係になるように、金コーティングの正確な厚さをめる。

それに伴なって、また計画的に、アルミニウムの薄い層１８が金属間化合物層１ ７とけい素チップ３０との間にはさまれて残る。金属間合−アルミニウム組成の 高金相には金が残らず、その代わり、バリヤのアルミニウム境界層が金属間化合 物１７とけい素３０との間に存在し、それ以上の反応を防止するように、この製 造工程を行う。金属間化合物１７と銅ホイル１２との間のクロム層１６は、銅− アルミニウム金属間化合物が生成しないようにするための、同様の金属境界層を 構成する。

所望の厚さのホイルと計算した厚さのクロムおよび金コーティングを用いて（す なわち、金の使用量を金属間化合物１７の形成に完全に使い尽くされるほどの少 量として）、導体１０を製造した後、銅ホイルをエツチングまたは打ち抜きして 第３図に示すテンプレート形状４０とする。この全体輪郭は３つの別個の部分、 つまり金属フレーム４２．１つ以上の接点領域、たとえば領域４１．４４（以下 島という）、および延長区域４６（以下「ウィング」または「リーフ」という） を含む。リーフ４６はフレーム４２と島４１．４４との間の一体のコネクタであ る。テンプレート自体には、特に主接点領域に、種々の穴またはアパーチャ４８ があり、この結果、「レース状構成」と呼ばれるものとなる。前述したように、 ホイル導体１０（第１図および第２図）は、特に島４４で表わされる区域におい て、ガードリング領域３８と称されるチップ３０の周囲を除いては、チップ３０ 表面のアルミニウム化パッド１８に直接結合する必要がある。レース状構成の目 的は、ホイル導体をチップ金属化層に接合した後の熱膨張の相違を小さくするた めである。第３図では見えないが、アルミニウム化パッド１８はホイル導体の島 ４４のすぐ下にある。装置３０の右上隅に示されている小さな島４１は、代表的 なＭＣＴ（ＭＯ８制御サイリスタ）のゲートを形成する。少なくとも１つのり− ７４６が島をフレーム４２と接続するが、島同士は別々であり、互いに電気的に 分離されていることがわかる。切断線３９がフレーム４２の近（のリーフ４６上 の点に仮想線で示されており、ここで最終的にはリーフをフレームから切り離す 。チップパッケージングの最終組立中、フレーム４２を第３図に示す全体の残り から除去する。

破線で示す円形領域３４は、この特定の実施例では、ホイル表面上でビームに当 てられる銅球体の位置を表わし、銅球体が最終的にパッケージしたチップを覆う 誘電体の蓋（図示せず）を通して電気的連絡を行う。フレーム４２を除去し終っ たら、リーフ４６を、その付は根にある接点領域の島の境界の上に折り返す。第 ３図では、たとえば左上四半部に現れるリーフ４６を破線で示す輪郭４９の上に 折り返す。すべてのり−７４６をこのように取扱い、その方法を第４図および第 ５図にもっと明瞭に示す。

テンプレートを適切に成形した後、これを第３図に示すようにチップの頂部の金 属化層の上に位置決めし、２００°Ｃ以上の温度で熱圧着するのが好ましい。代 表的な圧着方法は、約３２５°Ｃの温度で１０００−６０００ｐｓｉの圧力で０ ．５時間行う。通常的３０００ｐｓ　＋の圧力が好適である。この結果、銅ホイ ル上の金フィルムは、アルミニウムーホイル界面で所望の安定な金属間Ａ　ｕ　 Ａ　１２に完全に変換される。その後、前述した通常の加工を行い、第４図およ び第５図に示す最終アセンブリを完成する。

第４図は、この発明のホイル導体１０を、ポリイミド層３３が島区域全体の上に 重ねられている最終組立状態にて示す斜視図である。ポリイミド層３３は、（折 り返したリーフ４６を除いては）ホイル１０を蓋から電気的に絶縁する。折り返 したリーフ４６は、金属球体（破線で示す）または他の適当な蓋貫通コネクタと 接触すると押し下げられるので、適応性を向上させる。ここで、リーフ４６が主 接点パッドコネクタ４４およびゲート接点パッドコネクタ４１の上に折り返され ているのが分かる。

第５図は、第３図に示す構造を矢印５−５に沿って見た断面図として示すことに より、第４図に示す構造をさらに明瞭にするための図である。前述したように、 アルミニウム化パッド１８はけい素チップ３０の周縁まで延在せず、こうしてガ ードリング領域３８を確立する。ガードリング領域３８の目的は、大規模または バッチ式形成処理の結果として隣り合うチップが接触することによる短絡を防止 するためである。しかし、このような因子は、バッチ式形成処理に関連したもの で、この発明の範囲内に入る対象ではない。

要　約　書 焼鈍した銅ホイル（１２）をクロムフィルム（１６）で被覆し、ついで適当な厚 さの金フィルム（１４）で被覆し、けい素チップ（３０）上のアルミニウム金属 化基板（１８）に熱圧着して、はんだ付は可能な大電流接点をチップに形成する 。ホイルを適当な電気的ネットワーク接点パターン（４０）に形成して、けい素 チップ上のアルミニウム金属化層が存在するところだけに結合する。ホイルのリ ーフ部分（４６）がけい素チップの境界を越えて延在し、これを後でホイルの上 へ折り返して所定の位１（４９）に電気接点を形成する。ホイルへの外部接続は 、ホイル区域のすぐ上に位置するセラミックの蓋を介して行う。こうして銅を主 成分とするホイルのアルミニウム半導体パッドに対する直接熱圧着は、金属間化 合物Ａ　ｕ　Ａ　１２層およびアルミニウム層を介して銅導体をけい素チップに 固着し、現行の金デテント／バンプ接続部に取って代わる。

国際調査報告

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．銅ホイルの少なくとも片側をクロムで被覆し、さらにその上を金で被覆した ものよりなる、電子半導体装置のアルミニウム表面に対する熱圧着用の抵抗、お よびインダクタンスの低い層状金属コネクタ。
2. ２．半導体チップと、銅ホイルと、上記チップ上のアルミニウム層と、上記ホイ ル上に位置し、上記アルミニウム層と向かい合って整合したクロムフィルムと、 上記アルミニウム層とクロムフィルムとの間に、それらの向かい合った部分と接 触して位置するアルミニウムー金の金属間化合物層とを備える、熱圧着した電気 パワーチップアセンブリ。
3. ３．上記アルミニウムー金の金属間化合物層が本質的にＡｕＡｌ２からなる請求 項２に記載のアセンブリ。
4. ４．上記アルミニウムー金の金属間化合物層がＡｕＡｌ２として存在し、上記ア ルミニウム層中のアルミニウムの重量が金属間化合物層中の金のＡｕＡｌ２化学 量論的当量より大きい請求項２に記載のアセンブリ。
5. ５．半導体基板に結合した金属積層体において、基板上の第１導電金属層と、第 １金属層に結合した第２バイメタル金属間層と、片側が上記第２金属間層の一方 の金属に結合した第３導電金属層と、上記第３金属層の他側に結合した第４金属 層とを備え、上記第３金属層が上記第４金属層を上記第２金属間層の少なくとも 一方の金属との直接接触から分離し、上記第１金属層が上記第２金属間層のバイ メタル金属間化合物を基板との直接接触から分離していることを特徴とする金属 積層体。
6. ６．上記第１金属層がアルミニウムからなり、上記第２金属間層が均一な単相の 金属間化合物からなる請求項５に記載の構造。
7. ７．上記第３金属層がクロムからなる請求項５に記載の構造。
8. ８．上記第４金属層が銅ホイルからなる請求項５に記載の構造。
9. ９．上記第２金属間層が金とアルミニウムの金属間相からなる請求項６に記載の 構造。
10. １０．上記第２金属間層がＡｕＡｌ２からなる請求項６に記載の構造。
11. １１．既知の厚さの金属接点パッドを設けた半導体チップの選ばれた表面に対し てインダクタンスのない接続部を形成する方法において、 チップ金属接点パッドと金属間結合部を形成することのできる少なくとも１種の 金属導体のコーティングで導電性ホイルを被覆することによりホイル積層体を作 表し、上記金属導体コーティングを上記パッドと整合させて配置し、上記金属導 体と上記パッドの間にあらかじめ選択された安定な金属間結合部を生じさせて両 者間に金属間層を形成するように加熱および加圧することにより、上記積層体を 上記パッドに熱圧着する工程を含む方法。
12. １２．上記ホイル積層体の作製が、上記金属間結合部中の上記パッド金属を上記 ホイルから分離するように、上記導電性ホイルと上記金属導体との間に導電性金 属境界コーティングを設ける工程を含む請求項１１に記載の方法。
13. １３．上記ホイル積層体の作製が、上記金属導体コーティングの厚さを、上記熱 圧着中に上記金属導体コーティングが消失して上記チップと上記金属間層との間 に余りのパッド金属が残るように選択する工程を含む請求項１１に記載の方法。
14. １４．上記熱圧着を２００℃以上の温度で行う請求項１３に記載の方法。
15. １５．上記熱圧着を１０００−６０００ｐｓｉの範囲の圧力で行う請求項１４に 記載の方法。
16. １６．上記熱圧着を約３２５℃の温度および約３０００ｐｓｉの圧力で行う請求 項１３に記載の方法。
17. １７．さらに、あらかじめ選択したチップ区域に重なるように上記ホイルを所望 のネットワークに切断して、１つ以上のパッド接触区域およびパッド接触区域そ れぞれから延在する１つ以上の導電性リーフを有するホイルテンプレートを形成 する工程を含む請求項１１に記載の方法。
18. １８．少なくとも２つの島と半導体チップ金属化層と金属間結合することのでき る金属からなる少なくとも１つの外側層とを有する熱圧着用半導体接点ホイルテ ンプレートにおいて、上記島を囲むフレームと、各島からフレームヘの少なくと も１つの延長部を含む熱圧着用半導体接点ホイルテンプレート。
19. １９．上記延長部が上記フレームの近くでフレームから幅方向に切り離して、該 延長部の付け根の所にある島の上へ折り返すことができる請求項１８に記載のテ ンプレート。