(57)【要約】      （修正有）【課題】約３００℃（約５７２°Ｆ）以上の高温における使用を可能にする、半導体デバイスの高温パッケージングを提供する。【解決手段】第１の結合は、結合金属の複数の層３２から形成されている。層３２の各々が１種類の金属を含むことによって、合金の所望の組成が構成される。層３２は、第１の結合の所望の組成に対応する厚さに堆積されている。金と錫との合金を形成する一例においては、金の層３４と錫の層３６とは、所望の厚さに堆積されている。錫の層３６の厚さに対する金の層の厚さ３４の比は、最終的に形成された第１の結合に含まれる金と錫との所望の組成に対応する。第１の部品１６または基材１２に各層３２を堆積させた後、各層３２は、所望の合金の共融温度の付近の温度などの所定の拡散温度で加熱される。例えば、拡散温度は、共融温度である約８０℃（約１７６℃）付近に存在する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイスに複数の結合を形成する方法であって、
（ａ）所定の温度で第１の複数種の結合金属を加熱し、前記所定の温度以上の第１の溶融温度を有する第１の結合を形成するステップと、
（ｂ）前記所定の温度で前記第１の結合および第２の複数種の結合金属を加熱し、前記所定の温度以上の第２の溶融温度を有する第２の結合を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記所定の温度を、前記第１の複数種の結合金属の合金の共融温度である約８０℃付近に選択することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定の温度を、約３５０℃に選択することを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ステップ（ａ）で前記第１の複数種の結合金属を一緒に拡散させて前記第１の結合を形成することと、前記ステップ（ｂ）で前記第２の複数種の結合金属を一緒に拡散させて前記第２の結合を形成することと、をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１の炭化ケイ素半導体ダイと少なくとも１つの基材との間に前記第１の結合を形成することと、第２の炭化ケイ素半導体ダイと前記少なくとも１つの基材との間に前記第２の結合を形成することと、をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の複数種の結合金属を、前記第１の結合の所望の組成に対応する厚さを有する複数の層として堆積させることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の複数種の結合金属を、前記第１の結合の共融組成に対応する厚さを有する複数の層に堆積させることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記所定の温度での加熱によって金／錫合金が形成されるように、金の層と錫の層とを堆積させることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
電子部品と、
基材と、
前記電子部品と前記基材との間にあって、前記電子部品と前記基材とを一体に結合する合金を形成する複数の金属層と、
を備える電子デバイス。
【請求項１０】
前記複数の金属層が、金と錫を含むことを特徴とする請求項９に記載の電子デバイス。
【請求項１１】
前記合金が、原子百分率で約４〜１０ａｔ％の錫と、残部の金と、からなることを特徴とする請求項９に記載の電子デバイス。
【請求項１２】
前記電子部品が、炭化ケイ素半導体ダイを含むことを特徴とする請求項９に記載の電子デバイス。
【請求項１３】
前記複数の金属層が、第１の厚さを有する金の層と、第２の厚さを有する錫の層と、からなり、前記第１の厚さと前記第２の厚さとが、前記合金の所望の組成に対応することを特徴とする請求項９に記載の電子デバイス。
【請求項１４】
複数の電子部品と、
前記複数の電子部品に取付けられた少なくとも１つの基材と、
前記複数の電子部品の各々と前記少なくとも１つの基材との間にあって、各々が合金からなる拡散結合と、
を備える電子デバイス。
【請求項１５】
前記複数の電子部品の各々が、炭化ケイ素半導体ダイを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記合金が、金と錫を含む共融合金からなることを特徴とする請求項１４に記載の電子デバイス。
【請求項１７】
前記共融合金が、原子百分率で約４〜１０ａｔ％の錫と、残部の金と、からなることを特徴とする請求項１６に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路の高温パッケージングに関し、詳しくは、高温半導体デバイスの拡散結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の集積回路では、半導体回路の基材として、シリコン基の半導体デバイスが使用されている。しかし、シリコンは、損傷を受けることなく高温に耐える能力が制限されているという欠点があり、これにより、集積回路は、８５℃〜１２５℃の温度で損傷を受けやすい。
【０００３】
他の種類の半導体デバイスでは、シリコンの替わりに炭化ケイ素を使用することによって、高温に対して優れた耐熱性を示すことがある。炭化ケイ素の使用は効果的ではあるが、炭化ケイ素を使用する集積回路の最大作動温度は、半導体デバイスのパッケージングによって、なおも制限されてしまう。例えば、炭化ケイ素の半導体は、２５０℃（約４８２°Ｆ）以上の温度に耐えるが、この半導体デバイスを基材に接着する結合、または集積回路内における半導体デバイス間の電気的接続は、このような温度で熱疲労型の損傷を受け易いことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、約３００℃（約５７２°Ｆ）またはそれ以上の高温における使用を可能にする、半導体デバイスの高温パッケージングが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電子デバイス上に多くの結合を形成する一例としての方法が、所定の温度で第１の結合金属を加熱し、所定の温度以上の第１の溶融温度を有する第１の結合を形成するステップと、所定の温度で前記第１の結合および第２の結合金属を加熱し、所定の温度以上の第２の溶融温度を有する第２の結合を形成するステップと、を含む。
【０００６】
一例においては、本発明の方法は、少なくとも１つの基材に固定された複数の電子部品を有する電子デバイスを製造するために用いられる。複数の電子部品と上記少なくとも１つの基材とを一体に固定するために、電子部品の各間に複数の金属層が含まれる。これらの金属層が一緒に加熱され拡散されて、電子部品と上記少なくとも１つの基材とを一体に固定する所望の組成を有する結合が形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、一例としての電子デバイス１０の選択された部分を概略的に示す。この例においては、電子デバイス１０は、基材１２と、基材１２に設けられた複数の電子部品１４と、を含む。例えば、基材１２は、ダイパッド（ｄｉｅ  ｐａｄ）であり、電子部品１４は、「ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ  ｇａｐ」の半導体として周知のものや炭化ケイ素半導体などの半導体デバイスである。図示した例においては、複数の電子部品１４は、第１の部品１６と第２の部品１８とを含む。この例においては、第２の部品１８は、第１の部品の上に積み重ねられているが、他の例においては、部品１６，１８は、横に並べられるか他の所望の構成に設けられていてもよい。第１の結合２０が第１の部品１６と基材１２とを一体に固定し、第２の結合２２が第２の部品１８と第１の部品１６とを一体に固定する。この場合に、第１の部品１６は、第２の部品１８に対する基材である。
【０００８】
第１の結合２０および第２の結合２２は、基材１２上の所望の位置にそれぞれの部品１６，１８を固定する合金を含む。この合金の組成は、様々な異なる種類の適当な合金の中から選択することができ、二元システム（２種類の金属）または３種類以上の金属を含むシステムとすることができる。一例においては、この合金は、金と錫との亜共融（ｈｙｐｏｅｕｔｅｃｔｉｃ）組成を含む。一例においては、この亜共融組成は、原子百分率で約４〜１０ａｔ％の錫と、残部の金と、からなる。組成について本明細書中に使われている「約」という語句は、当技術において通常受ける変動または許容誤差などの部品の割合に生じ得るばらつきについて言及している。
【０００９】
亜共融組成を使用することにより、「帰納的（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ）」結合プロセスを使用して第１の結合２０および第２の結合２２を形成することを可能にするという有益性が与えられる。他のシステムにおいては、超共融（ｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｃ）などの亜共融以外の組成を使用して、帰納的結合を実現することができる。図２を参照すると、第１の結合２０は、結合金属の複数の層３２から形成されている。層３２の各々が１種類の金属を含み、これらの金属が合金の所望の組成に構成される。層３２は、例えば、蒸着法（ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、レーザ堆積法（ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ堆積法（ｐｌａｓｍａ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または他の適当な堆積プロセスを使用して、第１の部品１６の上または基材１２の上に堆積される。
【００１０】
複数の層３２は、第１の結合２０の所望の組成に対応する厚さに堆積される。金と錫との合金を形成する一例においては、金の層３４と錫の層３６とは、所望の厚さに堆積される。錫の層３６の厚さと金の層の厚さ３４との比は、最終的に形成される第１の結合２０に含まれる金と錫との所望の組成に対応する。同様に、２種類の金属または３種類以上の金属を使用する他のシステムにおいては、複数の層３２の厚さは、選択された合金の所望の組成に対応する。
【００１１】
第１の部品１６の上または基材１２の上に層３２を堆積させた後、所望の合金の共融温度付近の温度などの所定の拡散温度で層３２を加熱する。一例として、拡散温度は、約８０℃（約１７６°Ｆ）の共融温度付近に存在する。金／錫システムの一例においては、拡散温度は、約３５０℃（約６６２°Ｆ）である。共融温度付近の拡散温度で加熱することにより、図３に示されるように、複数の層３２を一緒に拡散させて第１の結合２０を形成する。一例として、加熱中に、錫が金を含む溶解液中へ拡散して第１の結合２０の合金が形成される際に、拡散波の前線が第１の結合２０の厚さに亘って移動する。
【００１２】
拡散され冷却されると、形成された合金の組成物の融解温度は、第１の結合２０を形成するために使われた拡散温度よりも高くなっている。溶融温度が高くなったことにより、続いての第２の結合２２を形成するステップにおいて、第１の結合２０を溶解させることなく前記拡散温度まで加熱することができる。従って、先に形成された結合を損傷することなく、基材１２の上または装置の複数の部分の上に、このような複数の結合を「帰納的に」形成することができる。
【００１３】
図４を参照すると、第１の結合２０と第２の結合２２とは、同じ拡散温度で同じ合金組成を使って形成され、第２の結合２２は、先に形成された第１の結合２０を溶融または損傷することなく形成される。第２の部品１８の上または第１の部品１６（基材）の上に、第２の結合金属からなる複数の層３２’が堆積される。例えば、金の層３４’と錫の層３６’とを堆積させ、続いて上記の拡散温度で加熱することにより、複数の層３２’を一緒に拡散させて第２の結合２２の合金組成を形成する。複数の層３２’は、上記のように、第１の結合２０の合金組成の溶融温度より低い拡散温度で加熱される。
【００１４】
一例として、金／錫合金に使用される拡散温度が約３５０℃（約６６２°Ｆ）である一方、上記の実施例の共融組成（原子百分率で４〜１０ａｔ％の錫、残りの割合の金）の溶融温度は、約４９８℃（約９２８°Ｆ）であり、拡散温度より１００℃（約２１２°Ｆ）以上高い。本発明の電子デバイス１０は、結合２０，２２を形成することに加え、他の種類の結合または電気的接続の形成や、有機物誘電体コーティングまたは無機物誘電体コーティングによる部品１６，１８および結合２０，２２のコーティングなどのプロセスをさらに含み得るが、これらの追加的なプロセスに限定されないことを理解されよう。
【００１５】
第１の結合２０および第２の結合２２の合金の組成は、３５０℃（約６６２°Ｆ）〜４９８℃（約９２８°Ｆ）付近の温度で安定する。従って、電子デバイス１０は、部品１６，１８の高温耐熱性との組み合わせで、シリコン基半導体の限界および従来のハンダ付けされたデバイスの限界を上回る作動温度に耐えることができる。
【００１６】
図示した例に特徴の組合せが示されているが、本開示の様々な実施例の恩恵を実現するために、これらの特徴のすべてを組み合わせる必要はない。言い換えれば、本開示の実施例に従って設計されたシステムは、いずれかの１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部分のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。
【００１７】
前述の記述は、例示するためのものであり、本質を限定するものではない。当業者であれば、本開示の本質を逸脱することなく、いくつかの変更および修正がなされ得ることを理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一例としての電子デバイスを示す図。
【図２】複数の金属層を拡散させて電子デバイスを形成する一例としてのステップを示す図。
【図３】金属層を拡散させて結合を形成した後の電子デバイスを示す図。
【図４】先に形成された結合を溶かすことなく他の結合を形成することを示す図。
【符号の説明】
【００１９】
１０…電子デバイス
１１…基材
２０…第１の結合
２２…第２の結合
３４…金の層
３６…錫の層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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