半導體裝置及半導體模塊的制作方法

半導體裝置及半導體模塊的制作方法
【專利摘要】一種半導體裝置，上述半導體裝置包括半導體元件和金屬膜。上述半導體元件具有第1面以及與第1面相反的一側的第2面。上述金屬膜設置在上述半導體元件的上述第2面。上述金屬膜含Cr。上述半導體元件也可以含有動作確保溫度比Si的動作確保溫度高的材料。
【專利說明】半導體裝置及半導體模塊
[0001]相關申請
[0002]本申請主張以日本專利申請2013-191176號(申請日:2013年9月13日)為基礎申請的優先權。本申請通過參照該基礎申請而包括基礎申請的全部內容。

【技術領域】
[0003]實施方式在一般情況下涉及半導體裝置及半導體模塊。

【背景技術】
[0004]在基板上安裝半導體元件時，用焊料等接合件連接兩者。在對封裝內收納有這種半導體元件的半導體模塊長時間施加冷熱循環、動力循環等負荷的情況下，有在接合部產生裂紋的可能性。若裂紋發展，則發生接合部的斷裂，成為由溫度阻抗的上升引起的接合部的熔融等故障的原因。在半導體裝置及半導體模塊中，提高可靠性是重要的。


【發明內容】

[0005]本發明的實施方式提供一種能夠提高可靠性的半導體裝置及半導體模塊。
[0006]實施方式所涉及的半導體裝置包括半導體元件和金屬膜。
[0007]上述半導體元件具有第I面以及與第I面相反的一側的第2面。
[0008]上述金屬膜設置在上述半導體元件的上述第2面。上述金屬膜含Cr。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1 (a)及圖1 (b)是例示第I實施方式所涉及的半導體裝置的結構的示意性剖視圖。
[0010]圖2是例示半導體裝置110的安裝狀態的示意性剖視圖。
[0011]圖3是例示基于恒溫試驗的金屬膜的厚度的變化的圖。
[0012]圖4是例示第2實施方式所涉及的半導體模塊的結構的示意性剖視圖。
[0013]圖5是例示半導體模塊內的安裝狀態的示意性俯視圖。
[0014]圖6(a)及圖6(b)是例示中間層的圖。
[0015]圖7 (a)及圖7 (b)是表示參考例的圖。
[0016]圖8(a)及圖8(b)是例示中間層的結構的示意性剖視圖。

【具體實施方式】
[0017]以下，根據【專利附圖】

【附圖說明】本發明的實施方式。在以下說明中，對同一部件標以同一符號，對已說明過一次的部件適當省略其說明。
[0018](第I實施方式)
[0019]圖1 (a)及圖1 (b)是例示第I實施方式所涉及的半導體裝置的結構的示意性剖視圖。
[0020]在圖1(a)中，表示半導體裝置110整體的剖視圖。在圖1(b)中，表示半導體裝置110的金屬膜20的放大剖視圖。
[0021]如圖1(a)所示，本實施方式所涉及的半導體裝置110具備半導體元件10和金屬膜20。
[0022]半導體元件10包括通過向半導體材料進行規定的雜質注入工藝、光刻工藝等而形成的元件區域。元件區域是晶體管、二極管等有源元件，或電阻、電容器等無源元件。半導體元件10是將包含半導體材料的晶片等切成矩形而成的芯片形狀。半導體元件10具有第I面1a以及與第I面1a相反的一側的第2面10b。第I面1a例如是半導體元件10的表面，第2面1b例如是半導體元件10的背面。
[0023]金屬膜20設置在半導體元件10的第2面1b上。金屬膜20與第2面1b相接。金屬膜20至少包含第I膜21-1。如圖1 (b)所示，第I膜21-1設置在金屬膜20的最表面20a偵彳。在半導體裝置110中，最表面20a包含鉻(Cr)。在本實施方式中，作為第I膜21_1，使用實質上的純Cr或含Cr的金屬(合金)。實質上的純Cr包括無意間混入有雜質的Cr。
[0024]金屬膜20也可以是只有第I膜21-1的單層膜。此外，金屬膜20也可以是多層膜。
[0025]如圖1(b)所示，作為金屬膜20而使用η (η為2以上的整數)層的多層膜的情況下，金屬膜20具有第I膜21-1?第η膜21-η。在η層的多層膜中，將最遠離半導體元件10的第2面1b的膜設為第I膜21-1。從第I膜21-1朝向第2面10b，依次設為第2膜21-2、第3膜21-3、…。與第2面1b相接的膜為第η膜21-η。
[0026]在金屬膜20為η層的多層膜的情況下，第2膜21_2?第η膜21_η中的至少I個含有從由鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)構成的組中選擇的至少I種。
[0027]表示金屬膜20的具體例。
[0028]η=2，即表示2層的多層膜的例子。
[0029]第2 膜 21-2 為 Au，第 I 膜 21-1 為 Cr。
[0030]η=3，即表示3層的多層膜的例子。
[0031]第3 膜 21-3 為 Ti，第 2 膜 21-2 為 Au，第 I 膜 21_1 為 Cr。
[0032]η=4，即表示4層的多層膜的例子。
[0033]第4 膜 21-4 為 Al，第 3 膜 21-3 為 Ti，第 2 膜 21-2 為 Au，第 I 膜 21-1 為 Cr。
[0034]η=4,即表示4層的多層膜的其他例子。
[0035]第4 膜 21-4 為 Al，第 3 膜 21-3 為 Ti，第 2 膜 21-2 為 Sn，第 I 膜 21-1 為 Cr。
[0036]含有Cr的第I膜21-1的厚度例如為500納米(nm)以上且750nm以下的程度。
[0037]金屬膜20例如通過真空蒸鍍、濺射、離子鍍、電鍍形成。在使用Cr作為第I膜21-1的情況下，為了抑制表面的氧化，優選的是，通過減壓環境下的干式制法來形成。
[0038]圖2是例示半導體裝置110的安裝狀態的示意性剖視圖。
[0039]如圖2所示，半導體裝置110安裝在基板50之上。基板50具有支撐部51和導體圖案52。支撐部51例如使用陶瓷。導體圖案52例如使用銅(Cu)。
[0040]半導體裝置110經由接合件60與基板50的導體圖案52接合。接合件60例如使用含錫(Sn)的焊料。或者，接合件60也可以是含有銀(Ag)納米粒子、銀(Ag)燒結材料、錫銅(SnCu)或銀錫(Ag3Sn)等的金屬間化合物。
[0041]例如，若在半導體裝置110運轉時對半導體元件10通電，則半導體元件10的溫度上升。另一方面，若半導體裝置110的運轉停止，則半導體元件10的溫度下降。若反復進行半導體裝置110的運轉及停止，則在接合件60即焊料上產生應變。并且，因焊料的再結晶化而產生裂紋，進而發展。
[0042]此外，作為另一要因，在半導體裝置110的周圍設置有樹脂模(mold)的情況下，存在該模部分從散熱用底板基板剝離的可能性。由此，整體的約束消失，因此存在在焊料等的接合中產生裂紋并發展的可能性。
[0043]半導體裝置110的熱不僅向接合部傳遞，而且還向其下方的構成材料即基板50的導體圖案52及支撐部51傳遞。當Cu在高溫下使用、或因熱阻的上升而產生發熱的情況下，存在軟化的情況。該軟化在Cu的溫度上升到再結晶溫度以上的情況下發生。
[0044]在半導體裝置110中，半導體元件10使用比可確保Si元件的動作的最高溫度(動作確保溫度)高的動作確保溫度的材料。例如，半導體元件10的材料例如包含SiC及GaN中的某I種。SiC、GaN等在功率模塊中所使用的材料能夠期待在非常高的溫度下使用。例如，作為使用溫度區域，Si以175°C為界限，但是SiC及GaN能夠實現在超過200°C、250°C的溫度區域使用。
[0045]在這樣的高溫下使用的半導體裝置110中，通過使用在最表面20a具有含Cr的第I膜21-1的金屬膜20，能夠有效地抑制金屬膜20消失。
[0046]經由接合件60接合了半導體裝置110和基板50的情況下的接合部的可靠性通過冷熱循環、動力循環、恒溫試驗等來檢驗。在對接合部施加了負荷的情況下，若在接合件60上產生裂紋，且負荷進一步持續，則存在該裂紋發展的情況。
[0047]圖3是例示基于恒溫試驗的金屬膜的厚度的變化的圖。
[0048]圖3的橫軸為時間，縱軸為金屬膜的厚度。圖3所示的線LI表示本實施方式所涉及的半導體裝置110中適用的金屬膜20的厚度，線L2表示使用了在最表面含Ni的金屬膜的情況下的金屬膜的厚度。在該恒溫試驗中，測定在200°C的恒溫槽中將樣品放置2000小時的情況下的金屬膜的厚度的變化。
[0049]如圖3的線LI所示可知，在本實施方式所涉及的半導體裝置110中適用的金屬膜20中，與線L2相比，金屬膜20的厚度的減小得到抑制。即，如線L2所示，在使用含Ni的金屬膜的情況下，金屬膜的厚度逐漸減小。另一方面，如線LI所示，在使用含Cr的金屬膜20的情況下，金屬膜20的厚度幾乎不減小。
[0050]這是因為，在使用含Ni的金屬膜的情況下，接合件60中所含的Sn與Ni構成化合物并擴散而消失。若金屬膜的Ni消失，則因金屬膜的變形而容易產生裂紋，導致接合部分處的可靠性下降。與此相對地，在使用含Cr的金屬膜20的情況下，由于接合件60中所含的Sn難以與Cr構成化合物，因此因消失引起的金屬膜20的厚度減小得到抑制。若金屬膜20的厚度減少得到抑制，則半導體裝置110的接合部處的可靠性提高。
[0051]這樣，在本實施方式所涉及的半導體裝置110中，即使施加例如200°C以上的溫度，也能夠維持金屬膜20的厚度。因此，在將半導體裝置110安裝在基板50上使用的情況下的高溫下的長期使用中，能夠提高可靠性。
[0052]另外，在本實施方式中，作為金屬膜20的最表面20a中所含的材料而不出了 Cr,但只要是在與接合件60的材料之間不構成化合物、或難以構成化合物的材料，也可以是Cr以外的材料。此外，作為金屬膜20的最表面20a中所含的材料，也可以是即使施加比Si的動作確保溫度高的溫度的情況下也不消失或難以消失的材料。
[0053](第2實施方式)
[0054]接著，說明第2實施方式所涉及的半導體模塊。
[0055]圖4是例示第2實施方式所涉及的半導體模塊的結構的示意性剖視圖。
[0056]圖5是例示半導體模塊內的安裝狀態的示意性俯視圖。
[0057]如圖4所示，半導體模塊210具備半導體裝置110、基板50及接合件60。在圖4所示的例子中，半導體模塊210還具備底板70、散熱片80及外殼90。
[0058]如在第I實施方式中所說明的那樣，半導體裝置110具有半導體元件10和金屬膜20。半導體裝置110安裝在基板50之上。接合件60設置在半導體裝置110的金屬膜20與基板50的導體圖案52之間。
[0059]在圖4中，在半導體模塊210內表示有I個半導體裝置110，但也可以包含多個半導體裝置110。例如，在圖5所示的例子中，在半導體模塊210內，作為半導體裝置110，設置有多個半導體裝置 CP11、CP12、CP21、CP22、CP31、CP32、CP41 及 CP42。
[0060]此外，在圖5所示的例子中，每2個半導體裝置110安裝在I個基板50上。S卩，在圖5所示的例子中，設置有4個基板50，在各基板50上安裝有2個半導體裝置110。
[0061]例如，半導體裝置CP12、CP22、CP32及CP42是電力用晶體管(例如IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)。此外，例如，半導體裝置CPlU CP21、CP31 及 CP41 是電力用二極管(例如 FRD =Fast Recovery D1de，快速恢復二極管)。
[0062]各半導體裝置CP11、CP12、CP21、CP22、CP31、CP32、CP41 及 CP42 分別經由接合線(Bonding wire)93與導體圖案52電連接。
[0063]在各基板50上，例如設置有作為柵極的端子Tl、作為集電極的端子T2以及作為發射極的端子T3。由這些半導體裝置CP11、CP12、CP21、CP22、CP31、CP32、CP41及CP42構成變換器等規定的電路。
[0064]如圖4所示，基板50安裝在底板70之上。在基板50的支撐部51的背面設置有導體膜53。基板50的導體膜53經由焊料等接合件65接合在底板70之上。
[0065]在底板70的下表面可以設置有散熱片80。散熱片80經由例如導熱娃脂(Thermalgrease) 75連接在底板70的下表面上。
[0066]在底板70之上，基板50、半導體裝置110及接合線93被外殼90包圍。在外殼90內，也可以填充有保護及散熱用的凝膠95。
[0067]在這樣的半導體模塊210中，即使在半導體裝置110成為高溫的情況下，也能夠維持半導體裝置110與基板50的接合部的高可靠性。尤其，如圖5所示，在半導體模塊210內設置有多個半導體裝置110的情況下，外殼90內的溫度容易變高。即使是包括多個半導體裝置110的半導體模塊210，也能夠確保足夠的可靠性。
[0068]接著，說明中間層40。
[0069]圖6 (a)及圖6 (b)是例示中間層的圖。
[0070]在圖6(a)中，示出表示中間層40的配置例的示意性剖視圖。在圖6(b)中，示出例示圖6(a)的A部處的組織的狀態的示意性剖視圖。
[0071]半導體模塊210也可以具備中間層40。
[0072]如圖6(a)所示，中間層40設置在金屬膜20的第I膜21_1與基板50的導體圖案52之間。中間層40具有比導體圖案52的導熱系數低的導熱系數。中間層40只要是第I膜21-1與導體圖案52之間，就可以配置在任何位置。在作為導體圖案52而使用Cu的情況下，中間層40例如使用不銹鋼。中間層40的厚度為約10微米(μ m)。
[0073]通過設置中間層40，從半導體元件10經由金屬膜20及接合件60向導體圖案52傳遞的熱的阻擋性比不設置中間層40的情況高。由此，難以經由基板50向外部釋放。因此，例如能夠保護位于基板50的外側且外殼90的內側的部件(例如凝膠95)免受熱的影響。在設置有中間層40的情況下，熱被切斷，半導體元件10的溫度上升，因此優選在金屬膜20中含Cr。由此，如上述說明那樣，金屬膜20的厚度的減小變少，產生裂紋的情況得到抑制。
[0074]另外，在本實施方式中，作為半導體元件10的材料，使用SiC、GaN等能夠進行高溫動作的材料。因此，即使設置中間層40從而朝向基板50側的熱的傳導性降低，也不會對半導體元件10的動作帶來影響。
[0075]對于具備這樣的中間層40的半導體模塊210，若進行50000次通過通電/非通電使半導體元件10在100°C與200°C之間進行溫度上升、溫度下降的循環，則導體圖案52成為圖6(b)所示的組織。導體圖案52使用Cu。
[0076]圖7(a)及(b)是表示參考例的圖。
[0077]在圖7 (a)中，示出表示不具備中間層40的配置例的示意性剖視圖。在圖7(b)中，示出例示圖7(a)的B部處的組織的狀態的示意性剖視圖。對于參考例，若進行50000次與上述相同的溫度上升、溫度下降的循環，則導體圖案52成為圖7(b)所示的組織。
[0078]如圖6(b)所示可知，在具備中間層40的例子中，殘留有導體圖案52的Cu中的初始的晶粒，幾乎不受到熱循環的影響。另一方面，如圖7(b)所示可知，在不具備中間層40的參考例中，導體圖案52的Cu中的晶粒生長得比圖6(b)的晶粒大。
[0079]在具備中間層40的例子中，接合件60的裂紋發展率為約15%。另一方面，在不具備中間層40的例子中，接合件60的裂紋發展率為約85%。在此，裂紋發展率是裂紋的長度相對于將半導體裝置110和基板50接合的接合件60的接合長度的比例。
[0080]這樣，通過設置中間層40，導體圖案52的組成變化得到抑制，能夠獲得半導體模塊210的長期使用中的高可靠性。
[0081]圖8(a)及圖8(b)是例示中間層的結構的示意性剖視圖。
[0082]圖8(a)所示的中間層40A包括中間部件41和外側部件42。中間層40A具有由2片外側部件42夾持中間部件41的構造。中間部件41例如使用厚度約10 μ m的不銹鋼。外側部件42例如使用厚度約ΙΟμπι的Ni。由于在不銹鋼的表面形成氧化膜，因此采用由Ni的外側部件42夾持不銹鋼的中間部件41的構造。由此，使用時的在層間的剝離得到抑制。
[0083]圖8(b)所示的中間層40Β包括中間部件41Β和外側部件42。中間層40Β具有由2片外側部件42夾持中間部件41Β的構造。中間部件41Β具有在圖8(a)所示的中間部件41的一部分設置有中空部43的結構。中間部件41Β例如在不銹鋼箔中設置有多個孔而成。該孔成為中空部43。如中間層40Β那樣，在內部具有中空部43的構造中，通過中空部43，將熱有效地切斷。
[0084]通過使用這樣的中間層40A及40B，能夠獲得可靠性更高的半導體模塊210。
[0085]另外，在使用中間層40、40A及40B的半導體模塊210中，也可以使用除了 Cr以外的材料(例如N1、Ag)，來作為金屬膜20的最表面20a側所含的材料。
[0086]如以上說明那樣，根據實施方式，能夠提供提高了可靠性的半導體裝置及半導體模塊。
[0087]另外，以上說明了本實施方式，但本發明不限定于這些例子。例如，在本領域技術人員對上述各實施方式適當地進行了構成要素的追加、刪除、設計變更的情況、或適當地組合了各實施方式的特征的情況下，只要具備本發明的主旨，就包含在本發明的范圍內。
[0088]說明了本發明的幾個實施方式，但這些實施方式僅是示例，不限定發明的范圍。這些新穎的實施方式能夠以其他各種方式來實施，在不脫離發明的主旨的范圍內，能夠進行各種省略、替換、變更。這些實施方式及其變形包含在發明的范圍及主旨中，并且包含在權利要求書中所記載的發明及其等價的范圍內。
【權利要求】
1.一種半導體裝置，具備: 半導體元件，具有第I面以及與第I面相反的一側的第2面；和 含鉻(Cr)的金屬膜，設置在上述半導體元件的上述第2面。
2.根據權利要求1所述的半導體裝置，其中， 上述半導體元件含有動作確保溫度比硅(Si)的動作確保溫度高的材料。
3.根據權利要求2所述的半導體裝置，其中， 上述材料含有硅碳化物(SiC)及氮化鎵(GaN)中的某I種。
4.根據權利要求1所述的半導體裝置，其中， 上述金屬膜具有: 含鉻(Cr)的第I膜，設置在最表面側；和 第2膜，設置在上述第I膜與上述第2面之間。
5.根據權利要求4所述的半導體裝置，其中， 上述第2膜含有從由鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)構成的組中選擇的至少I種。
6.根據權利要求4所述的半導體裝置，其中， 上述第2膜是多層膜，上述多層膜中的至少I個膜含有從由鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)構成的組中選擇的至少I種。
7.—種半導體模塊，具備: 半導體裝置，包括具有第I面及與第I面相反的一側的第2面的半導體元件、以及設置在上述半導體元件的上述第2面上且含鉻(Cr)的金屬膜； 基板，具有導體圖案；以及 接合件，設置在上述金屬膜與上述導體圖案之間。
8.根據權利要求7所述的半導體模塊，其中， 上述導體圖案含有銅(Cu)。
9.根據權利要求7所述的半導體模塊，其中， 上述接合件含有錫(Sn)或銀(Ag)。
10.根據權利要求7所述的半導體模塊，其中， 還具備中間層，該中間層設置在上述金屬膜與上述導體圖案之間，具有比上述導體圖案的導熱系數低的導熱系數。
11.根據權利要求10所述的半導體模塊，其中， 上述中間層含有不銹鋼。
12.根據權利要求10所述的半導體模塊，其中， 上述中間層具有中間部件和一對外側部件， 上述中間部件由上述一對外側部件夾持， 上述中間部件含有上述不銹鋼， 上述外側部件含有鎳(Ni)。
13.根據權利要求10所述的半導體模塊，其中， 在上述中間層的一部分設置有中空部。
14.根據權利要求13所述的半導體模塊，其中， 上述中間層具有中間部件和一對外側部件， 上述中間部件由上述一對外側部件夾持， 在上述中間部件上設置有上述中空部。
15.根據權利要求14所述的半導體模塊，其中， 上述中空部是設置在上述中間部件的孔。
16.根據權利要求7所述的半導體模塊，其中， 上述半導體元件含有動作確保溫度比硅(Si)的動作確保溫度高的材料。
17.根據權利要求7所述的半導體模塊，其中， 上述材料含有硅碳化物(SiC)及氮化鎵(GaN)中的某I種。
18.根據權利要求7所述的半導體模塊，其中， 上述金屬膜具有: 含鉻(Cr)的第I膜，設置在最表面側；和 第2膜，設置在上述第I膜與上述第2面之間。
19.根據權利要求18所述的半導體模塊，其中， 上述第2膜含有從由鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)構成的組中選擇的至少I種。
20.根據權利要求18所述的半導體模塊，其中， 上述第2膜是多層膜，上述多層膜中的至少I個膜含有從由鈦(Ti)、鋁(Al)、金(Au)、錫(Sn)、鎳(Ni)、銀(Ag)構成的組中選擇的至少I種。
【文檔編號】H01L23/488GK104465578SQ201410053381
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年2月17日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】久里裕二, 關谷洋紀, 佐佐木遙, 小谷和也, 田多伸光, 松村仁嗣, 井口知洋 申請人:株式會社東芝