半导体装置及其制造方法与流程

本发明涉及半导体装置及其制造方法。

背景技术：

一直以来，作为功率模块的设备芯片上的配线，已知铝线和铜线结构，或者使用焊料或金属纳米颗粒烧结体接合铜板材的引线框架结构等。

对于近年来的高温工作要求，特别期待使用疲劳强度优异的铜材料作为配线材料。然而，铜配线结构不仅由于配线截面积小而难以通过大电流，而且由于热容量小，无法实现设备芯片的散热功能。另外，为了与铜配线接合，需要向设备芯片施加压力，则设备芯片可能会在向用于降低设备损耗的薄芯片的电线接合中破损。

另一方面，在将Cu板材用于配线的引线框架结构中，通过加厚板厚度，可以保证大电流通路并增大热容量。但是，该结构需要接合材料，对于近年来的高温工作，当前所使用的焊料不具有充分的长期可靠性。另外，Ag和Cu的纳米颗粒烧结体价格高，而且难以保证接合可靠性，例如不产生孔隙等。

已知作为大电流、高耐热、高放热配线模块有效的功率设备模块(参照专利文献1)。然而，该功率设备模块也使用Cu合金等金属板作为引导框架材料，没有克服现有技术的缺点。另外，该功率设备模块虽然公开了在金属结构体层之间设置绝缘密封树脂，但是，仅在金属结构体层之间设置绝缘密封树脂的结构不能充分保护各元件或配线不受冲击、温度、湿度等因素的影响。

另外，已知将IC芯片和连接电极部用金线进行引线键合，并将这些使用绝缘密封树脂密封而成的电子部件装置(参考专利文献2)。然而，该电子部件装置不能降低随着引线键合的操作对芯片的压力。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：特开2014-165486号公报

专利文献2：特开2002-231874号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的目的在于提供一种半导体装置，其在半导体元件(设备芯片)上的配线结构中解决现有技术中的问题点，并且针对高温工作、大电流规格、薄晶片化、小型化、低损耗要求具有保证高品质、高可靠性的结构。

解决问题所需手段

本发明者考虑构成在半导体元件上使用了铜材料的配线，而不使用焊料或金属纳米颗粒等接合材料且不经过使用超音波的引线键合工序，从而实现了本发明。

根据一实施方式，本发明为半导体装置，包括：绝缘电路基板；安装在所述绝缘电路基板上的半导体元件；层叠在所述绝缘电路基板上的第一绝缘树脂层；镀铜配线，经由窗口部与所述半导体元件接触，其中，所述窗口部形成在所述第一绝缘树脂层上并能够与所述半导体元件接触；以及第二绝缘树脂层，以密封所述镀铜配线的方式层叠所述第二绝缘树脂层。

在所述半导体装置中，优选地，所述镀铜配线为片状。

在所述半导体装置中，优选地，所述镀铜配线包括籽晶层和铜镀层，其中，所述籽晶层是金属或合金的薄膜层，所述铜镀层通过镀铜而层叠在所述籽晶层上。

在所述的半导体装置中，优选地，所述籽晶层是选自Cu、Ni、Al、Ag、Au中的一种以上的金属或合金。

在所述的半导体装置中，优选地，所述第一绝缘树脂层和/或第二 绝缘树脂层是选自聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂中的一个以上的树脂。

根据其他方面，本发明为半导体装置的制造方法，包括以下工序：在绝缘电路基板上安装半导体元件；在所述绝缘电路基板上层叠第一绝缘树脂层；形成经由窗口部与所述半导体元件接触的镀铜配线，其中，所述窗口部形成在所述第一绝缘树脂层上并能够与所述半导体元件接触；以及以密封所述镀铜配线的方式层叠第二绝缘树脂层。

在所述半导体装置的制造方法中，优选地，形成所述镀铜配线的工序包括：形成籽晶层的工序，其中所述籽晶层是金属或合金的薄膜层；以及通过镀铜在所述籽晶层上层叠铜镀层的工序。

在包括形成所述籽晶层的工序的半导体装置的制造方法中，优选地，通过溅射法或化学镀法执行所述形成所述籽晶层的工序。

在所述半导体装置的制造方法中，优选地，形成所述第一绝缘树脂层的工序包括：在安装有所述半导体元件的所述绝缘电路基板上放置选自聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂中的一个以上的树脂膜的工序；以及通过熔化所述树脂膜形成所述第一绝缘树脂层的工序，其中，所述第一绝缘树脂层在所述半导体元件之上的厚度是20μm以上。

发明效果

根据本发明的半导体装置，通过将连接半导体元件和绝缘电路基板的配线形成为镀铜配线，使得可以流过大电流，并可以提高在高温工作下的长期可靠性，同时可以实现装置的小型化。特别地，因为镀铜配线可以以短距离连接半导体元件和绝缘电路基板上的铜配线，所以可以降低由电感降低所造成的开关损耗。另外，相比使用引线键合或板材的引线框的情况，本发明可以抑制模块的高度，即，垂直于基板面方向的尺寸，从而可以实现半导体装置的小型化。

而且，根据本发明的半导体装置的制造方法，可以通过镀敷法制作连接半导体元件和绝缘电路基板的配线。通过镀敷法进行的接合因为不对半导体元件施加压力，所以可以实现半导体元件的薄晶片化。

附图说明

图1(a)是本发明一实施方式的半导体装置的示意性截面图，图1(b)是图1(a)所示的半导体装置的X部位的放大图。

图2是图1所示的半导体装置的示意性平面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明不受下文所说明的实施方式的限定。另外，附图是用于说明本发明的示意图，构成装置的各部件的尺寸和相对关系不对本发明进行限定。

根据本发明的实施方式，涉及一种半导体装置。图1(a)是本发明一实施方式的半导体装置的示意性截面图。在图1(a)所示的半导体装置1中，在构成绝缘电路基板13的铜配线14c上经由接合材料19安装有半导体元件17，铜配线14a、14b、14c以及半导体元件17由第一绝缘树脂层21密封。半导体元件17和铜配线14a、14b分别通过镀铜配线11a、11b连接。另外，铜配线14a、14b与延伸到半导体装置1的外部的外部连接端子12a、12b接合。铜配线14c与外部连接端子12c(参照图2)接合。另外，以密封镀铜配线11a、11b的方式层叠第二绝缘树脂层。另一方面，在构成绝缘电路基板13的金属层16上，散热体18经由接合材料19接合。

绝缘电路基板13是在绝缘层15的一面设置铜配线14(将“铜配线14a、14b、14c”统称为铜配线“14”)并在另一面设置金属层16而形成的。作为这样的绝缘电路基板13的一个实施例，可以使用在氧化铝陶瓷基板上通过DCB(Direct Copper Bond，直接键合铜技术)法接合了铜电路的散热用绝缘基板，但是，只要是至少具有绝缘层和铜配线的绝缘电路基板即可，不限于特定的绝缘电路基板。

可以根据半导体装置1的用途和规格决定半导体元件17，可以列举绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS-FET、场效应晶体管(FET)、双极型晶体管、可关断晶闸管(GTO)、肖特基势垒二极管(SBD)、整流二极管等，但不限于此。另外，对于构成半导体元件的化合物， 可以列举，硅、SiC等，但不限于此。特别地，在本实施方式的半导体装置1中，也可以使用薄型易裂的半导体元件17，例如，可以使用厚度为30～450μm的半导体元件。可以使用焊料等通用的材料作为将半导体元件17与铜配线14c接合的接合材料19。

第一绝缘树脂层21层叠在绝缘电路基板13上，并覆盖铜配线14、半导体元件17以及接合材料19进行绝缘密封。第一绝缘树脂层21通常可以由作为密封树脂使用的树脂构成，优选为包括选自以下各项中的一种以上的化学结构的树脂：聚酰胺结构、聚酰亚胺结构、环氧结构、聚醚醚酮结构、聚苯并咪唑结构，但不限于此。特别地，优选为选自以下各项中的一种以上的树脂：聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂，进一步优选为具有150℃以上的玻璃化转变温度的树脂。

镀铜配线11a、11b经由可与半导体元件17接触的窗口部与半导体元件17接触，而且经由可与铜配线14a、14b接触的窗口部与铜配线14a、14b接触。这里，窗口部是指将第一绝缘树脂层21切除而设置的电极的露出面，露出面的周围由第一绝缘树脂层21构成。在图1(a)示出的半导体装置1中设置有将半导体元件17上的电极与铜配线14a电连接的镀铜配线11a和将半导体元件17上的其他电极与铜配线14b电连接的镀铜配线11b。在示出的实施方式中，镀铜配线11a、11b均配置成在与半导体元件17接触的部分附近、与绝缘电路基板13相反的一侧，即向图1的纸面上方设置凸状的结构(下面，称为凸部)。半导体元件17的设置有电极的面的端部和镀铜配线11邻近，用于防止当流过大电流时发生绝缘破坏。镀铜配线11优选形成凸部，该凸部的顶点和绝缘电路基板13的距离优选为半导体元件17的厚度+镀铜配线11的厚度+接合层19的厚度+20μm以上，更优选为半导体元件17的厚度+镀铜配线11的厚度+接合层19的厚度+50μm以上。对于这样的镀铜配线11的凸部的形状和配置的详情可以由后述的半导体装置的制造方法中的第二、第三工序决定。通过将镀铜配线11形成为上述结构，可以防止绝缘破坏，并且相比现有技术中常用的电线配线，可以以短距离连接半导体元件17和铜配线14a、14b。

图2是图1所示的半导体装置1的平面图。但是，为了便于理解地示出各部件的位置关系，省略了第一绝缘树脂层21和第二绝缘树脂层22的记载。如图2所示，镀铜配线11优选为片状。这是因为，通过增大配线的截面积，使电阻降低，可以流过大电流。详细而言，例如，优选为具有50～500μm、更优选为60～200μm的厚度的片状，但是，本领域技术人员可以根据镀铜配线11的功能适宜地决定该厚度。

接下来，参见图1(a)的X部位的放大图，即图1(b)，镀铜配线11a是包括作为金属或合金的薄膜层的密封层111和通过铜镀层叠在籽晶层111上的铜镀层112而构成的。籽晶层111优选为选自以下各项中的一种以上的金属或合金：Cu、Ni、Al、Ag、Au。铜镀层112优选为铜单体或含铜的合金。在为铜合金时，优选为铜和选自以下各项中的一种以上的合金：金、银、锡、镍、磷。籽晶层111和铜镀层112的材质的优选组合可以列举铜和铜的组合、镍和铜的组合，但不限于此。虽然未示出，但是镀铜配线11b也可以形成为相同的层结构。

籽晶层111的厚度优选在镀铜配线11a的整体中大致均匀，例如，优选为0.1～5μm，更优选为0.5～2μm。如果籽晶层111太薄，则可能存在微小的电镀缺陷，在镀铜配线11a形成时的电镀铜处理中不能均匀通电，引起镀铜配线11a的不均匀。另外，如果籽晶层111太厚，则在籽晶层111上残留应力增大，籽晶层可能会脱离，另外，有时也存在形成籽晶层耗费时间的问题。铜镀层112的厚度也优选在镀铜配线11a整体中大致均匀，例如，可以为50～500μm，优选为60～200μm。如果镀铜配线11a太薄，则有时不能流过需要的电流；如果镀铜配线11a太厚，则电镀的残留应力增大，可能成为脱离的原因。另外，有时也存在由于太厚使得处理耗费时间的问题。

镀铜配线11优选包括籽晶层111和铜镀层112，且不包括铜板或铜线。这是因为，在使用铜板或铜线时，在将镀铜配线11和半导体元件17接合时，可能向半导体元件17施加压力。

图1、2所示的半导体装置1具有连接铜配线14a的镀铜配线11a和连接铜配线14b的镀铜配线11b，铜配线14a控制在半导体元件17和电极之间流动的电流的ON/OFF，铜配线14b作为用于与半导体元件17通电的 电极发挥作用。优选镀铜配线11a的宽度d_a比镀铜配线11b的宽度d_b大。这是因为，相比镀铜配线11b，在镀铜配线11a中流动更大电流。但是，根据实施方式，镀铜配线11a的宽度d_a、镀铜配线11b的宽度d_b可以相同，也可以不同，本领域的技术人员可根据半导体芯片的大小、通电电流量及其他规格适宜决定，不限于示出的方式。另外，虽然未示出，但是，本发明的半导体装置的镀铜配线不限于如11a、11b这样设置两根，当为二极管等元件时，也可以包括在元件上部配置一根配线等方式。

再参照图1，以覆盖(密封)镀铜配线11a、11b的方式将第二绝缘树脂层22层叠在绝缘电路基板13上。图1是镀铜配线11a、11b所处之处的截面图，但是，在不存在镀铜配线11a、11b之处，第二绝缘树脂层22大致与第一绝缘树脂层21接触，层叠在第一绝缘树脂层21上。第二绝缘树脂层22可以选自与对第一绝缘树脂层21的说明中的树脂相同的树脂。第二绝缘树脂层22和第一绝缘树脂层21可以是相同的树脂，也可以是不同的树脂。第二绝缘树脂层22覆盖半导体元件17、镀铜配线11a、11b以及外部连接端子12a、12b、12c，其厚度可以由本领域技术人员适宜地决定，只要形成绝缘密封的厚度即可。

外部连接端子12a、12b、12c分别与构成绝缘电路基板13的铜配线14a、14b、14c电连接。外部连接端子12也可以由铜板或铜合金板构成，其一端通过焊料或其他接合材料与铜配线14接合，并由第一绝缘树脂层21或根据情况由第一绝缘树脂层21和第二绝缘树脂层22密封。外部连接端子12的另一端从半导体元件1延伸到外侧，可与装置外部电连接。

在构成绝缘电路基板13的金属层16上可以经由接合材料19设置散热体18。散热体18也可以是例如铜板或铝翅，不限于示出的形状。

在具有上述结构的半导体装置中，由于镀铜配线可流过大电流，另外可以将半导体元件薄型化，因此可以比现有装置小型化。例如，可以将绝缘电路基板的面积抑制到目前的70～90％。另外，可以将半导体装置的高度抑制到目前的40～70％。

下面，从半导体装置的制造方法的观点说明本发明。本发明的一实施方式的半导体装置的制造方法包括：第一工序，在绝缘电路基板 上安装半导体元件；第二工序，在上述绝缘电路基板上层叠第一绝缘树脂层；第三工序，形成经由窗口部与半导体元件接触的镀铜配线，其中，该窗口部形成在第一绝缘树脂层上并可与半导体元件接触；以及第四工序，以密封上述镀铜配线的方式层叠第二绝缘树脂层。再次参照图1及图2说明本实施方式的半导体装置的制造方法。

在第一工序(即，在绝缘电路基板13上安装半导体元件17)中，准备由一面具有铜配线14，另一面具有金属层16的绝缘层15构成的绝缘电路基板13，使用焊料等接合材料19在铜配线14c(焊盘部)上安装半导体元件17。该工序可以使用在一般的半导体装置的制造方法中惯用的技术实施。

在第二工序(即，在绝缘电路基板13上层叠第一绝缘树脂层21)中，在由第一工序中获得的安装了半导体元件17的绝缘电路基板13的、铜配线14侧的面上层叠第一绝缘树脂层21。为了形成第一绝缘树脂层21，优选可以在绝缘电路基板13上根据需要载置一块或重叠多块树脂膜，该树脂膜由选自以下各项中的一种以上的树脂形成：聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂。在更优选的方式中，在第二工序中，在半导体元件17上载置树脂膜以形成20μm以上，更优选为50μm以上的第一绝缘树脂层。这用于抑制在使用半导体装置1时抑制由于电流集中于在后工序中形成的镀铜配线11的凸部所引起的绝缘破坏。未安装半导体元件17处的第一绝缘树脂层21的厚度没有特别地限定，本领域的技术人员可以适宜地决定，使可以密封铜配线14且可以远离绝缘电路基板13期望的距离配置在接下来的工序中形成的电镀配线。例如，可以遍及绝缘电路基板13表面的整体，形成高度与半导体元件17上的第一绝缘树脂层21的高度相同的第一绝缘树脂层21，也可以形成为在半导体元件17的附近厚，朝向绝缘电路基板13边缘部变薄的结构。

作为形成第一绝缘树脂层21的具体的操作方法为，例如，设置围绕绝缘电路基板13的周围的塑料等的模架，重叠所需块数的树脂膜载置在绝缘电路基板13上。然后，将树脂膜加热至根据树脂种类决定的规定温度，使树脂膜熔解。可以通过加热压接使该树脂膜在绝缘电路 基板13上硬化、贴紧。此外，上述20μm以上、50μm以上等值是指加热硬化后的第一绝缘树脂层21的厚度。通过此操作，可以将绝缘层15上的铜配线14和半导体元件17与第一绝缘树脂层接触，形成通过第一绝缘树脂层21绝缘密封的状态。

第二工序不限于使用树脂膜的操作，也可以通过在预定温度下将流体状的树脂流入由模架围绕的绝缘电路基板13中，并使其加热固化来实施。在这种情况下，优选地在半导体元件17上层叠上述预定厚度以上的第一绝缘树脂层21。

然后，在第三工序(即，形成经由可与半导体元件17接触的窗口部与半导体元件17接触的镀铜配线11)中，在第一绝缘树脂层21上形成窗口部，并形成镀铜配线11。在示出的实施方式中，在位于半导体元件17的与接合材料19相反侧的面上的两个电极上分别设置一个窗口部，在具有通电用电极等功能的铜配线(电极)14b上设置一个窗口部，在具有控制在电极间流动的电流的ON/OFF等功能的铜配线(电极)14a上设置一个窗口部。具体而言，可以通过使用例如激光切除在期望的电极上覆盖的第一绝缘树脂层21进行实施。通过此操作，可以形成窗口部，该窗口部使电极面露出并可以与镀铜配线11电接触。窗口部的大小可以根据需要的电流量由本领域的技术人员适宜地决定。

更具体而言，镀铜配线11的形成可以通过以下工序实施：形成籽晶层111的工序；在配线部以外形成掩膜的工序；形成具有厚度的铜镀层112的工序；以及去除掩膜和籽晶层的工程。在形成籽晶层111的工序中，在包括第一绝缘树脂层21和窗口部的绝缘电路基板13上的整个部件表面上，通过溅射法或化学镀法形成选自以下各项中的一种以上的金属或合金的层：Cu、Ni、Al、Ag、Au。层的厚度如在上文的半导体装置1的实施方式中所示例的厚度。在镀铜配线11部以外形成掩膜的工序中，在第一绝缘树脂层21和窗口部中不形成镀铜配线11的部分上形成掩膜。掩膜可以适宜地使用树脂制的掩膜，可以通过通常使用的掩膜成形法进行。通过利用本工序调节形成掩膜的部分(面积)，可以决定镀铜配线11的宽度。例如，如图2所示，通过本工序可以容易地实施将镀铜配线11a的宽度d_a和镀铜配线11b的宽度d_b形成为不同的预 定值。

然后，在形成具有厚度的铜镀层112的工序中，通过电镀铜形成厚镀层。镀浴的组成和镀敷条件也可以是在一般的电解镀铜中使用的镀浴的组成和镀敷条件，也可以由本领域的技术人员适宜决定。作为一个实施例，为了形成约60～80μm的铜单体镀层，可以设置为1～15A/dm²的电流密度。

在去除掩膜和籽晶层的工序中，可以通过适合所使用的掩膜的方法去除掩膜。另外，籽晶层可以通过使用与构成材料对应的蚀刻机进行蚀刻而去除。在该第三工序中，可以在期望处形成镀铜配线11，该镀铜配线11具有作为金属或合金的薄膜层的籽晶层111和通过镀铜而层叠于该籽晶层的铜镀层112。

在第三工序后，第四工序前，作为任意选择的工序，可以实施安装外部连接端子等部件的工序。例如，对于如图2所示的外部连接端子12a、12b、12c，可以切除第一绝缘树脂层21并在铜配线14a、14b、14c的预定处形成窗口部，通过焊料或其他接合材料将其与根据现有技术由铜板形成的外部连接端子12a、12b、12c接合。除此以外，也可以形成未示出的通过螺纹紧固进行的连接等。

在第四工序(即，以密封镀铜配线11的方式层叠第二绝缘树脂层22)中，在通过第三工序或之后的任意选择的工序获得的、绝缘电路基板13上的部件上层叠第二绝缘树脂层。通常，以将去除掩膜和籽晶层后位于最表面的第一绝缘树脂层21和镀铜配线11覆盖的方式层叠第二绝缘树脂层22，。具体而言，可以与第二工序同样地使用模架围绕绝缘电路基板13，通过在绝缘电路基板13上的部件上载置树脂膜并将树脂膜加热至预定温度的操作，或通过向其流入预先加热的流体状树脂并加热硬化来实施。此时，例如，当存在通过任意选择的工序形成的窗口部时，第二绝缘树脂层22也流入由窗口部和板材形成的外部连接端子12a、12b、12c的周围，从而可以也将窗口部和外部连接端子12a、12b、12c密封。

根据本实施方式的半导体装置的制造方法，可以形成镀铜配线，而不使用接合材料且不使用施加压力的超声波接合。该制造方法在可 以容易地变更片状镀铜配线的宽度、厚度等规格的方面特别有利。

工业上的可利用性

本发明的半导体装置可以优选作为流过大电流的功率模块等使用。

符号说明

1 半导体装置

11a、11b 镀铜配线

111 籽晶层

112 铜镀层

12a、12b、12c 外部连接端子

13 绝缘电路基板

14a、14b、14c 铜配线

15 绝缘层

16 金属层

17 半导体元件(设备芯片)

18 散热体

19 接合层

21 第一绝缘树脂层

22 第二绝缘树脂层