JPH038346A - ろう付け材料 - 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】 本発明は、半導体ウェハーの表面と、隣接するモリブデ
ン等でできた接点または放熱部などの金属部品との間を
、機械的および電気的に結合するための材料、特に、強
力な、低抵抗接続を形成できる多層ろう付け材料に関す
る。

整流器等に使用する半導体部品の製造には、般にはドー
ピングしたシリコンから成る半導体の本体と、モリブデ
ン等から成る接点または放熱部のような金属部品とを、
機械的、電気的に接続する必要がある。この接続は１機
械的な結合が強く、接触抵抗が低くなければならない、
ろう付けした部品は、公知の容器収容技術により、硝子
のケース等に入れられることが多い。

半導体ウェハーと、隣接する金属部品とを接続するため
の従来のろう付け技術では、接続すべき表面と表面の間
にはさんだアルミニウム層を使用している。この集成体
を、アルミニウムの融点よりも高い温度に加熱する。ア
ルミニウムが融解すると、ウェハーの表面と金属部品の
表面とを結合する。アルミニウム層をろう付け材料とし
て使用する場合、効果的な接続を行なうためには、アル
ミニウム層の厚さおよび適切な温度が非常に重要である
。アルミニウムは十分な厚さを持ち、温度は正確に調節
されなければならない。

しかし、先行技術のろう付け工程は、適切に実行しても
、アルミニウム層自体がＰ−型ドーピング材料なので、
ト型シリコンから成る半導体ウェハーに対して接触抵抗
を高くする。アルミニウムが融解し始める時、アルミニ
ウムは局所的に先ず融解し、その後半導体ウェハーの本
体に深く浸透して行く、この現象は、「スパイキング」
と呼ばれる。このようなスパイキングは、装置を台無し
にすることがある。

この問題を解決するために、薄いアルミニウム層を使用
することが考えられている０Ｍいアルミニウム層の使用
は、Ｐ−型ドーピング材料の作用を、従ってスパイキン
グを抑制すると考えられる。しかし、実際には、薄いア
ルミニウムの層では１強力な機械的接続を行なうための
十分なろう付け材料を与えることができない。

スパイキングと高接触抵抗の問題を解決し、同時に十分
な強度を持つ接続を行なうために、我々は安価な多層ろ
う付け材料を発明した。この材料を使用すると、接触抵
抗が小さい、強力な機械的結合が得られる。アルミニウ
ム層と関連して追加の金属層を使用することにより、多
層材料中でスパイキングの有害作用が著しく低減する。

これらの追加層は、シリコンとアルミニウムとの反応を
低下させる。

我々の新発明は、チタン層の上に形成した銀の層を含む
にれらの層を、アルミニウムまたはアルミニウム−シリ
コン複合材料から成る第三の層と関連して使用する。こ
の第三の層をウェハー表面とチタン層との間、または銀
層とモリブデン部品の表面との間にはさむ、これらの金
属は好ましくは、スパッタリングにより均質な形で、ま
たは各金属を順次析出させて層上に半導体本体上に堆積
させる。

チタンの層は好ましくは、銀の層を堆積させる前に、シ
リコン上、またはアルミニウムまたはアルミニウム−シ
リコン複合材料上に付ける。その結果、銀の層とその下
にある層との間の密着性が向上する。望ましい結果を得
るには、チタン層は好ましくは極めて薄＜、２０ｏ−ｉ
、ｏｏｏオングストロームの範囲内にある。

構成部品を、ろう付け材料が融解するまで加熱する。温
度が上昇すると、アルミニウム（またはアルミニウム複
合材料）が先ず銀の層と反応しく直接または場合によっ
てはチタンの薄い層を通して）、共融混合物を形成する
。アルミニウムー銀界面はアルミニウム−シリコン界面
よりも共融点が低い。シリコンの一部は溶解するが、ア
ルミニウムだけの単一層を使用する場合よりも、溶解す
るシリコンの凱ははるかに少ない。そのためスパイキン
グはほとんど起こらない、アルミニウムの大部分は銀と
結合しているので、シリコンと反応し得るアルミニウム
の量は少ない０通常アルミニウムにより引き起こされる
Ｐ−型ドーピング材料の作用は、このようにして大幅に
低下する。また、接触抵抗もそれに応じてはるかに低く
なる。

類似の結果を得るための先行技術の試みは、異なった金
属構造を使用している０例えば、Ｍａｒｉｎａｃｃｉｏ
所有の特許第３，２５３．９５１号は、シリコン半導体
装置に対する低抵抗接触を行なう方法を開示しているが
、そこでは半導体の選択した部分だけにアルミニウム層
を蒸着することにより、ろう付けできない表面ｆｕｎｔ
ｉｎｎａｂｌｅ　５ｕｒｆａｃｅｌを形成する。その後
、半導体表面全体にチタン−銀合金層を形成する０次い
でこの装置を約６１５℃に約５分間加熱する。アルミニ
ウム層は約８．０００オングストロームの厚さである。

本発明は、すべての層が同じ広がりを持ち、そのため、
これらの層がシリコン表面と均一に反応するという点で
、Ｍａｒｉｎａｃｃｉｏにより開示される発明と異なっ
ている。その上、我々の発明では、チタン−鍜合金の単
一層の代わりに、別個のチタンおよび銀の層を使用して
いる。さらに、層の厚さが極めて異なっており、特に、
我々の発明では。

アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン混合物の層
が著しく厚く、好ましくは３ｏ、　ｏｏｏ〜６０．００
０オングストロームの厚さである。さらに、我々の発明
では、ろう付け作業中に材料が実際に融解するような高
いろう付け温度（６００−８００’Ｃ）を使用する。　
Ｍａｒｉｎａｃｃｉｏの特許に開示されている構造は。

はんだに対して濡れ性がない表面を意図的に使用し、金
属自体もろう付け作業中に融解しない。

Ｓｔｅｐｂｅｒｇｅｒの米国特許第３．５４９．４３７
号には、半導体表面に金属構造を作る方法が記載されて
いる。この特許は、光ワニスで処理すると、アンダーカ
ット現象無しに、均一にエツチングすることができる金
属層を開示している。そのため、ここで関与している材
料は、ろう付けには使用されない、この構造は、純粋か
、または１％の金。

銀、ニッケル、鉄またはコバルトなどの他の金属を添加
したアルミニウムの層を含む、この構造は、金属層の厚
さ、使用する金属の種類および金属堆積の順序の点で、
我々の構造とは異なっている。

Ｇａｎｚｅｒの米国特許第３，６５０．８２６号は、半
導体部品をハウジングに取り付けるための金属接点を作
る方法を記載している。この特許は、シリコン上に、約
５．０００オングストロームの厚さのアルミニウムーニ
ッケル合金を使用することを記載している。その合金層
の上に、やはり５．０００オングストローム厚のチタン
層およびｔｏ、ｏｏｏオンゲストロム厚の銀の層を形成
する。これは、厚さ、金属の種類および金属堆積の順序
の点で１本発明とは異なっている。

０ｎｕｋｉの米国特許第４．５００．９０４号は、半導
体基板と電極との間に使用するはんだ接続について記載
している。Ｎ−型半導体層に、　２００．０００オング
ストローム厚のアルミニウムまたはアルミニウム合金の
層を施す、電極側には、１００．０００オングストロー
ム厚の銅の暦を施す０選択的にニッケルの皮膜を、銅は
んだと電極表面との間に施しても良い、結合は、主とし
て固体状態の拡散の結果である。材料は、共融点よりも
低い温度の約４５０℃に加熱するだけである。使用する
金属の種類、層の厚さおよび結合温度が異なっているこ
とから、我々の発明は、０ｎｕｋｉが開示している発明
とは異なっている。

従って、本発明の主目的は、半導体ウェハーと金属部品
の表面との間に、強力な機械的結合を形成するための、
ろう付け材料を提供することである。

本発明の、もう一つの目的は、接触抵抗が低い結合を形
成できるろう付け材料を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、銀とチタンの層を使用する
、ろう付け材料を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、スパイキングの有害な影響
を著しく低減させた結合を形成するための、ろう付け材
料を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、従来のアルミニウム層のＰ
−型ドーピング材料の作用を著しく低減させた結合を形
成するための、ろう付け材料を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、銀の層を堆積させたチタン
の層を含む、ろう付け材料を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、半導体表面とチタン層との
間、または銀の層と金属部品の表面との間にはさんだ、
アルミニウムまたはアルミニウム−シリコン複合材料の
層を含む、ろう付け材料を提供することである。

本発明の一つの面によれば、シリコン半導体ウェハ、−
の表面と、モリブデン等でできた金属部品との間を機械
的および電気的に結合するためのろう付け材料が提供さ
れる。この材料は、チタンの層と、そのチタン層に隣接
して形成された銀の層を含む、また、アルミニウムを含
む第三の層も使用する。

その第三の層は、本質的に純粋なアルミニウムまたはア
ルミニウム−シリコン複合材料から成る。その混合物は
、好ましくは約１１重量％のシリコンを含む。

好ましい一実施態様では、この第三の層は、半導体表面
とチタン層との間にはさむ、第二の好ましい実施態様で
は、第三の層は、銀の層と金属部品の表面との間にはさ
む。

チタン層は、好ましくは厚さが２００〜ｉ、ｏｏｏオン
グストロームの範囲内にある。最も好ましくは、チタン
層の厚さは、約５００オングストロームである。

銀の層は、好ましくは、厚さが３．０００〜２０．００
０オンゲスト０−ムの範囲内にある。第三の層の厚さは
、好ましくは３０．０００〜６ｏ；ｏｏｏの範囲内にあ
る。

好ましくは、各層は本質的に同じ広がりを持つ、そのた
め、それぞれの層がその下にある層の全体を実質的に覆
う。

本発明のもう一つの面によれば、シリコン半導体表面と
、金属部品との間を機械的および電気的に結合する方法
を提供する。この方法は、半導体表面と金属部品の表面
との間に多層ろう付け材料を形成し、この材料をその融
点を越える温度に加熱する工程を含む、そのろう付け材
料は、先ずチタン層を形成することにより作られる０次
いで。

そのチタン層に隣接して銀の層を形成する。また、アル
ミニウムを含む第三の層も形成する。

第三の層は、半導体表面または銀の層の表面上に形成す
る。この第三の層は、実質的に純粋なアルミニウムまた
はアルミニウム−シリコン複合材料で良い、その複合材
料は、好ましくは、１１重量％がシリコンである。

ろう付け材料を６００〜８００℃の範囲で、好ましくは
７４０℃に加熱する。従って、ろう付け材料は、その融
点を越える温度に加熱することになる。

これらのおよび以下に記載する他の目的に対して、本発
明は、同じ番号が同じ部品を表わす添付の図面を参照し
ながら以下に詳細に説明されそして請求項に列挙される
ように、半導体ウェハーと金属部品との間を結合するろ
う付け材料に関する。

第１図は、カプセルに収容する前の、理想化した整流器
の拡大側面図を示す、実際には、整流器は、硝子スリー
ブ整流器または軸方向に鉛をかぶせたＧＰＲ整流器また
は類似の部品で良い、しかし、ここで理解すべきは、本
発明では、結合する特定の半導体部品の性質が重要なの
ではな（、本発明は、どの特定の半導体構造にも限定さ
れるものではないということである。

説明のために、この理想化した第１図の整流器は、モリ
ブデンのような金属から成る第一および第二の放熱ｍ１
ｌＯｊ５よび１２１　を持ち、その間にシリコン半導体
ウェハー（１４）をはさみ、Ｐ−Ｎ接続（１６）を示す
、ウェハー（１４）の上表面（１８）およびウェハー（
１４）の下表面（２０）は、低抵抗で強力な機械的結合
を形成するために、それぞれ部品（１０，１２１の表面
と、−射的にＢで示される、本発明の多層ろう付け材料
により結合されている。

第１図は、第一の好ましい形態におけるろう付け材料を
示す、このろう付け材料の構成を、第２図の分解組立等
測図で詳細に示す。

本発明の両実施態様は、チタン層（２２）、銀層（２４
）、および実質的に純粋なアルミニウムまたはアルミニ
ウム複合材料の層（２６）を含む０両実施態様間の唯一
の違いは、各層を使用する順序である。第一の好ましい
実施態様では、第２図に示すように、チタン層（２２）
および銀層（２４）が、層（１４）の表面（１８）に近
接して位置している０層（２６）は、銀層（２４）と接
点の表面との間に挟まれている。第３図に示す、第二の
好ましい実施態様では、チタンおよび銀の層（２２およ
び２４）が接点の表面に近接し、層（２６）は、チタン
および銀層とウェハーの表面との間にある。

チタン層（２２）の厚さは、極めて薄く、２００〜１、
Ｏ［ｌＯオングストロームの範囲内にあるのが好ましい
、最も好ましい厚さは、約５００オングストロームであ
る。

チタン層（２２）に隣接して銀層（２４）を形成する。

銀層（２４）は、チタン層（２２）よりも著しく厚く、
好ましくは３，０００〜２０．０００オングストローム
の範囲の厚さを持つ。

第一の実施態様では１層（２６）は、銀層（２４）の上
に形成される０層（２６）は、実質的に純粋なアルミニ
ウムまたはアルミニウム−シリコン複合材料で作ること
ができる。複合材料を使用する場合は。

約１１重量％のシリコンで複合材料を形成するのが好ま
しい。層（２６）の厚さは、：ｌＯ，０００〜６０．０
００オンダストロームの範囲内にあるのが好ましい、こ
の実施態様では、層（２６）の表面は、金属接点部品の
表面に隣接している。

第二の好ましい実施態様では、層（２６）は半導体ウェ
ハー（１４）の表面（１８）とチタン層（２２）との間
にある。銀層（２４）は、金属接点の表面に隣接してい
る。

金属はウェハーの上に、スパッタリングにより均一な形
に、または各金属を順次堆積させて層状に形成すること
ができる。各層は、他の層、およびろう付け作業中に結
合すべきウェハーおよび接点の表面と実質的に同じ広が
りを持つ。

多層ろう付け材料を、その材料が実際に融解する温度に
加熱する。好ましくは、温度範囲は６００〜８００℃で
、最も好ましい温度は約７４０℃である。温度が上昇す
ると１層（２６）中のアルミニウムが先ず銀層（２４）
と反応し、共融混合物を形成する。これは、アルミニウ
ムと銀が、アルミニウムとシリコンよりも低い共融点を
持つからである。

アルミニウムー銀共融混合物は、シリコンの一部を溶解
するが、従来の純粋なアルミニウムの層だけを使用する
場合よりは少ない。その結果、スパイキングの発生が少
ない、アルミニウムの大部分が銀と結合するので、シリ
コンと反応し得るアルミニウムの量は少ない、そのため
、アルミニウムによって引き起こされるＰ−型ドーピン
グ材料の作用は、大幅に低減し、従って接触抵抗も低く
なる。

ろう付けした構造は、硝子カプセル収容などの公知の容
器収容技術により、さらに加工して整流器を完成させる
ことができる。そのような装置は、従来のろう付け材料
で製作した装置に比べて、転送電圧が低い。

以上で、本発明が、電気抵抗が低く２強力な機械的結合
をもたらす、多層ろう付け材料に関することが分かる。

このろう付け材料は、チタンの層、銀の層および本質的
に純粋なアルミニウムまたはアルミニウム複合材料の層
から成る。この材料をその材料の融点を越える温度に加
熱する。アルミニウムと銀は、アルミニウムとシリコン
よりも共融点が低いので、アルミニウムと銀との共融混
合物は、従来の方法におけるよりも、溶解するシリコン
の量が少なく、スパイキングが起こりに（いので、接触
抵抗も低くなる。

説明のために、本発明の好ましい実施態様を二つだけ記
載したが、それに対して多くの変形が可能でことは明ら
かである。請求項に記載されているこれらすべての変形
が本発明の範囲内に含まれると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一対のモリブデン接点の間に、シリコン半導
体ウェハーをはさんで形成された代表的な整流器の拡大
側面図を、 第２図は１本発明に係わるろう付け材料の第一の好まし
い実施態様の、分解組立等測図を。 第３図は、本発明に係わるろう付け材料の第二の好まし
い実施態様の、分解組立等測図を示す。 ＩＧ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン半導体本体の表面と金属部品との間に、機
   械的および電気的な結合を形成するためのろう付け材料
   において、該材料がチタンの層、該チタンの層に隣接し
   て形成された銀の層およびアルミニウムを含む第三の層
   を含むことを特徴とするろう付け材料。 ２、前記第三の層がアルミニウム−シリコン複合材料か
   ら成ることを特徴とする請求項１記載のろう付け材料。 ３、前記複合材料の約１１重量％がシリコンであること
   を特徴とする請求項２記載のろう付け材料。 ４、前記第三の層を、半導体本体の表面と、前記チタン
   および銀の層との間にはさむことを特徴とする請求項１
   記載のろう付け材料。 ５、前記第三の層を、前記チタンおよび銀の層と、金属
   部品の表面との間にはさむことを特徴とする請求項１記
   載のろう付け材料。 ６、前記チタン層の厚さが２００〜１，０００オングス
   トロームの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載
   のろう付け材料。 ７、前記チタン層の厚さが約５００オングストロームで
   あることを特徴とする請求項１記載のろう付け材料。 ８、前記銀層の厚さが３，０００〜２０，０００オング
   ストロームの範囲内にあることを特徴とする請求項１記
   載のろう付け材料。 ９、前記第三の層の厚さが３０，０００〜６０，０００
   オングストロームの範囲内にあることを特徴とする請求
   項１記載のろう付け材料。 １０、前記層のすべてが実質的に同じ広がりを持つこと
   を特徴とする請求項１記載のろう付け材料。 １１、シリコン半導体本体の表面と金属部品との間に、
   機械的および電気的な結合を形成するための方法におい
   て、該方法が、半導体表面と金属部品との間に多層ろう
   付け材料を堆積させ、該材料をその融点を越える温度に
   加熱する工程を含み、該材料は、チタンの層を形成し、
   そのチタンの層に隣接して銀の層を形成し、そしてアル
   ミニウムを含む第三の層を形成することによって堆積さ
   れることを特徴とする方法。 １２、前記第三の層を、半導体本体の表面と、チタンお
   よび銀の層との間に形成することを特徴とする請求項１
   １記載の方法。 １３、前記第三の層を、チタンおよび銀の層と、金属部
   品の表面との間に形成することを特徴とする請求項１１
   記載の方法。 １４、前記第三の層が、アルミニウム−シリコン複合材
   料から成ることを特徴とする請求項１１記載の方法。 １５、前記複合材料の約１１重量％がシリコンであるこ
   とを特徴とする請求項１４記載の方法。 １６、前記材料を６００〜８００℃の範囲で加熱するこ
   とを特徴とする請求項１１記載の方法。 １７、前記材料を約７４０℃に加熱することを特徴とす
   る請求項１１記載の方法。 １８、前記チタンの層、の厚さが２００〜１，０００オ
   ングストロームの範囲内にあることを特徴とする請求項
   １１記載の方法。 １９、前記チタンの層の厚さが約５００オングストロー
   ムであることを特徴とする請求項１１記載の方法。 ２０、前記銀の層の厚さが３，０００〜２０，０００オ
   ングストロームの範囲内にあることを特徴とする請求項
   １１記載の方法。 ２１、前記第三の層の厚さが３０，０００〜６０，００
   ０オングストロームの範囲内にあることを特徴とする請
   求項１１記載の方法。 ２２、前記層のすべてが実質的に同じ広がりを持つこと
   を特徴とする請求項１１記載の方法。