(57)【要約】【課題】  半導体装置に用いられる部材表面の金属の拡散を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】  半導体素子を含む複数の部材を有する半導体装置の製造方法を開示する。製造方法は、複数の部材の一つである第１の部材の一表面と、複数の部材の他の一つである第２の部材の一表面とを、錫（Ｓｎ）系はんだ材料を介して対向配置する配置工程と、Ｓｎ系はんだ材料を溶融及び凝固させることにより、第１の部材と第２の部材とを接合する熱処理工程を有する。第１の部材の少なくとも一表面は、ニッケル（Ｎｉ）系金属によって構成されており、第２の部材の少なくとも一表面は、銅（Ｃｕ）によって構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を含む複数の部材を有する半導体装置の製造方法であって、
前記複数の部材の一つである第１の部材の一表面と、前記複数の部材の他の一つである第２の部材の一表面とを、錫（Ｓｎ）系はんだ材料を介して対向配置する配置工程と、
前記Ｓｎ系はんだ材料を溶融及び凝固させることにより、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する熱処理工程、
を有し、
前記第１の部材の少なくとも前記一表面は、ニッケル（Ｎｉ）系金属によって構成されており、
前記第２の部材の少なくとも前記一表面は、銅（Ｃｕ）によって構成されている、
製造方法。
【請求項２】
前記熱処理工程では、前記Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、前記第１の部材の前記一表面上には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成される、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理工程では、前記Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、前記第２の部材の前記一表面上には、Ｃｕ３Ｓｎ及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５がこの順に生成される、請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理工程は、前記Ｓｎ系はんだ材料の温度を、前記Ｓｎ系はんだ材料の溶融温度よりも高い温度範囲で所定時間保持する温度保持工程を有する、請求項２又は３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記温度保持工程では、前記第２の部材の前記一表面から、溶融した前記Ｓｎ系はんだ材料へ銅を溶解させることにより、前記Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度を増大させる、請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記温度保持工程は、前記Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度が、０．７質量％以上に達する条件で実施される、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記温度保持工程は、前記Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度が、３．０質量％以上に達する条件で実施される、請求項５に記載の製造方法。
【請求項８】
前記第１の部材は、電極を有する半導体素子であり、
前記第１の部材の前記一表面は、前記半導体素子の前記電極の表面である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項９】
ニッケル（Ｎｉ）系金属により構成された一表面を有する第１の部材と、
銅（Ｃｕ）により構成された一表面を有する第２の部材と、
前記第１の部材の前記一表面と前記第２の部材の前記一表面とを接合する錫（Ｓｎ）系はんだ層、
を有しており、
前記第１の部材の前記一表面と前記Ｓｎ系はんだ層の間に、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５で構成された層が設けられており、
前記Ｓｎ系はんだ層のＣｕ濃度が、０．７質量％以上である、半導体装置。
【請求項１０】
ニッケル（Ｎｉ）系金属により構成された一表面を有する第１の部材と、
銅（Ｃｕ）により構成された一表面を有する第２の部材と、
前記第１の部材の前記一表面と前記第２の部材の一表面を接合する錫（Ｓｎ）系はんだ層、
を有しており、
前記第２の部材の前記一表面と前記Ｓｎ系はんだ層の間に、Ｃｕ３Ｓｎで構成された層及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５で構成された層が、前記第２の部材側からこの順に設けられている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、例えば半導体素子とリードフレームといった２以上の部材が、はんだによって接合されている。２つの部材をはんだによって接合する場合、例えばはんだ付け性の向上を目的として、被接合部材の表面にニッケル（Ｎｉ）めっき等のＮｉ層を設けておくことが行われている。しかしながら、このＮｉ膜は、半導体装置が使用される過程において、例えば長時間高温下に曝されることにより、はんだとの間で金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）を生成しながら、消失していくことがある。この場合、被接合部材とはんだとの接合強度が低下する。
【０００３】
特許文献１には、半導体素子と被接合部材との間が、錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだによって接合された半導体装置が開示されている。この半導体装置の製造方法では、一表面にＮｉ層が設けられているとともに当該Ｎｉ層の表面に銅（Ｃｕ）層が設けられている被接合部材と、半導体素子とを準備し、Ｃｕ層と半導体素子との間にはんだ材料を配置する。そして、はんだ材料を溶融及び凝固させることによって半導体素子と被接合部材とを接合する。
【０００４】
上記の製造方法では、溶融したはんだ材料が凝固するときに、Ｃｕ層のＣｕ及びはんだ材料中のＳｎによって、Ｎｉ層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が生成される。Ｎｉ層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が生成されることによって、Ｎｉ層のＮｉ原子とはんだ材料のＳｎ原子との相互拡散が抑制される。したがって、Ｎｉ層の金属間化合物化を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−９２０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の製造方法では、Ｎｉ層の表面に設けられたＣｕ層からＣｕが供給されることによってＮｉ層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が生成される。このため、はんだ材料の溶融温度や溶融時間等の条件によっては、Ｃｕ層のＣｕを消費しきれずにＣｕ層が残存する場合がある。本明細書では、特許文献１とは異なる方法によって、半導体装置に用いられる部材表面の金属の拡散を抑制することができる半導体装置の製造方法を提供する。また、本明細書は、半導体装置自体も開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書は、半導体素子を含む複数の部材を有する半導体装置の製造方法を開示する。前記製造方法は、配置工程と、熱処理工程を有する。前記配置工程では、前記複数の部材の一つである第１の部材の一表面と、前記複数の部材の他の一つである第２の部材の一表面とを、錫（Ｓｎ）系はんだ材料を介して対向配置する。前記熱処理工程では、前記Ｓｎ系はんだ材料を溶融及び凝固させることにより前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する。前記第１の部材の少なくとも前記一表面は、ニッケル（Ｎｉ）系金属によって構成されており、前記第２の部材の少なくとも前記一表面は、銅（Ｃｕ）によって構成されている。
【０００８】
上記の製造方法では、Ｎｉ系金属によって構成された第１の部材の一表面と、Ｃｕによって構成された第２の部材の一表面とを、Ｓｎ系はんだ材料を介して対向配置する。そして、Ｓｎ系はんだ材料を溶融及び凝固させることにより、第１の部材と第２の部材とを接合する。この製造方法では、熱処理工程においてＳｎ系はんだ材料を溶融させているときに、Ｃｕにより構成された第２の部材の一表面からＣｕがＳｎ系はんだ材料中に溶解する。ＣｕがＳｎ系はんだ材料中に溶解することによって、Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、Ｎｉ系金属により構成された第１の部材の一表面にＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物が形成される。また、Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、第２の部材の一表面にもＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物が形成される。
【０００９】
このように、上記の製造方法では、被接合部材である第２の部材の一表面からＣｕが供給される。これにより、Ｎｉ系金属により構成された第１の部材の一表面上にＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物が形成される。また、Ｃｕにより構成された第２の部材の一表面上にもＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物が形成される。したがって、上記の製造方法では、特許文献１の技術のように、Ｃｕの供給元となるＣｕ層を別途設ける必要がない。このため、より容易に各部材の表面にＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物を形成することができる。したがって、当該金属間化合物によって各部材の表面から金属原子が拡散することを抑制することができる。
【００１０】
本明細書が開示する半導体装置は、ニッケル（Ｎｉ）系金属により構成された一表面を有する第１の部材と、銅（Ｃｕ）により構成された一表面を有する第２の部材と、前記第１の部材の前記一表面と前記第２の部材の前記一表面とを接合する錫（Ｓｎ）系はんだ層を有している。前記第１の部材の前記一表面と前記Ｓｎ系はんだ層の間に、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５で構成された層が設けられている。前記Ｓｎ系はんだ層のＣｕ濃度が、０．７質量％以上である。
【００１１】
本明細書が開示する他の半導体装置は、ニッケル（Ｎｉ）系金属により構成された一表面を有する第１の部材と、銅（Ｃｕ）により構成された一表面を有する第２の部材と、前記第１の部材の前記一表面と前記第２の部材の一表面を接合する錫（Ｓｎ）系はんだ層を有している。前記第２の部材の前記一表面と前記Ｓｎ系はんだ層の間に、Ｃｕ３Ｓｎで構成された層及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５で構成された層が、前記第２の部材側からこの順に設けられている。
【００１２】
なお、本明細書でいう「はんだ材料」とは、２つの部材を接合するために溶融される材料であって、溶融前の材料を意味する。これに対して、本明細書でいう「はんだ層」とは、２つの部材を接合している接合層であって、２つの部材を接合した後（すなわち、はんだ材料の凝固後）の材料を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例に係る半導体装置１０の断面図。
【図２】図１の破線矩形領域ＩＩの構成を模式的に示す拡大図。
【図３】半導体素子１２と導体スペーサ２０とを接合する工程を説明するための図。
【図４】半導体素子１２と導体スペーサ２０とを接合する工程を説明するための図。
【図５】Ｓｎ系はんだ材料中へのＣｕ及びＮｉの溶解速度を示すグラフ。
【図６】半導体素子１２と導体スペーサ２０とを接合する工程を説明するための図。
【図７Ａ】Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合における、接合前後のＳｎ−Ｃｕはんだ７２のＣｕ濃度の関係を示すグラフである。
【図７Ｂ】Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である（図７Ａの（ｉ）に対応）。
【図７Ｃ】Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である（図７Ａの（ｉｉ）に対応）。
【図７Ｄ】Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である（図７Ａの（ｉｉｉ）に対応）。
【図７Ｅ】Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である（図７Ａの（ｉｖ）に対応）。
【図８Ａ】サンプルａに対する高温耐久試験（１７５℃、１０００ｈ）後の接合界面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図８Ｂ】サンプルｂに対する高温耐久試験（１７５℃、１０００ｈ）後の接合界面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図８Ｃ】サンプルｂに対する高温耐久試験（２００℃、１０００ｈ）後の接合界面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図９Ａ】Ｃｕ部材８０とＳｎ−Ａｇはんだ８２（Ｓｎ−３．５Ａｇ）との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図９Ｂ】Ｃｕ部材８０とＳｎ−Ａｇはんだ８２（Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．１Ｎｉ）との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１０】半導体素子１２の電子の流れ及び温度勾配の方向を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本技術の一実施形態では、前記熱処理工程で、前記Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、前記第１の部材の前記一表面上には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成されてもよい。熱処理工程においてＳｎ系はんだ材料を溶融させているときには、Ｎｉ系金属により構成された第１の部材の一表面からＮｉがＳｎ系はんだ材料中に溶解する。ＮｉがＳｎ系はんだ材料中に溶解することによって、Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、第１の部材の一表面上に形成されるＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物において、Ｃｕ原子の一部がＮｉ原子に置換される。すなわち、第１の部材の一表面上に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成される。これにより、第１の部材の一表面を構成するＮｉ原子とＳｎ系はんだ材料を構成するＳｎ原子の相互拡散を好適に抑制することができる。
【００１５】
本技術の一実施形態では、前記熱処理工程で、前記Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、前記第２の部材の前記一表面上には、Ｃｕ３Ｓｎ及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５がこの順に生成されてもよい。熱処理工程においてＳｎ系はんだ材料を溶融させているときには、Ｎｉ系金属により構成された第１の部材の一表面からＮｉがＳｎ系はんだ材料中に溶解する。ＮｉがＳｎ系はんだ材料中に溶解することによって、Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに、第２の部材の一表面上に形成されるＣｕ及びＳｎを含む金属間化合物において、Ｃｕ原子の一部がＮｉ原子に置換される。すなわち、第２の部材の一表面上にＣｕ３Ｓｎ及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成される。（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、Ｃｕ３Ｓｎを覆うことによって、Ｃｕ３Ｓｎの成長を抑制する。これにより、第２の部材の一表面を構成するＣｕ原子が拡散することを好適に抑制することができる。
【００１６】
本技術の一実施形態では、前記熱処理工程は、前記Ｓｎ系はんだ材料の温度を、前記Ｓｎ系はんだ材料の溶融温度よりも高い温度範囲で所定時間保持する温度保持工程を有してもよい。熱処理工程では、Ｓｎ系はんだ材料が溶融している間に、第２の部材の一表面からＳｎ系はんだ材料中にＣｕが溶解する。このため、上記の温度保持工程を有することによって、Ｓｎ系はんだ材料中に適切にＣｕを溶解させることができる。
【００１７】
本技術の一実施形態では、前記温度保持工程では、前記第２の部材の前記一表面から、溶融した前記Ｓｎ系はんだ材料へ銅を溶解させることにより、前記Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度を増大させてもよい。Ｓｎ系はんだ材料が凝固するときに生成される（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の生成量は、Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度が高いほど多くなる。したがって、上記の温度保持工程において、Ｓｎ系はんだ材料中に溶解させるＣｕの量を増大させることによって、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を適切に生成させることができる。
【００１８】
本技術の一実施形態において、前記温度保持工程は、前記Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度が、０．７質量％以上に達する条件で実施されてもよい。Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度が０．７質量％以上であると、Ｎｉ系金属とＳｎ系はんだ材料との間に、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により構成された層を十分に生成することができる。すなわち、熱処理工程においてＮｉ系金属のＮｉ原子とＳｎ系はんだ材料のＳｎ原子との相互拡散（すなわち、ＮｉとＳｎとの金属間化合物の生成）を抑制することができる。
【００１９】
本技術の一実施形態において、前記温度保持工程は、前記Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度が、３．０質量％以上に達する条件で実施されてもよい。このような構成によれば、温度保持工程においてＳｎ系はんだ材料中に多量のＣｕが供給されることで、その後に続く熱処理工程が終了する時点まで、Ｓｎ系はんだ材料のＣｕ濃度をおよそ０．７質量％以上に維持することができる。これにより、熱処理工程のほぼ全体において、Ｎｉ系金属のＮｉ原子とＳｎ系はんだ材料のＳｎ原子との相互拡散（すなわち、ＮｉとＳｎとの金属間化合物の生成）をより抑制することができる。
【００２０】
本技術の一実施形態では、前記第１の部材は、電極を有する半導体素子であり、前記第１の部材の一表面は、前記半導体素子の前記電極の表面であってもよい。
【実施例】
【００２１】
図面を参照して、実施例の半導体装置１０について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、導体スペーサ２０、上部リードフレーム２２、下部リードフレーム２４及び絶縁樹脂２６を有している。
【００２２】
半導体素子１２は、半導体基板１４、上部電極１６及び下部電極１８を有している。本実施形態では、半導体素子１２は、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ただし、半導体素子１２は、ＲＣ−ＩＧＢＴに限定されず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やダイオード等であってもよい。半導体基板１４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料により構成することができる。
【００２３】
上部電極１６は、半導体基板１４の上面１４ａに設けられている。下部電極１８は、半導体基板１４の下面１４ｂに設けられている。上部電極１６及び下部電極１８は、ニッケル（Ｎｉ）系金属により構成されている。ここで、Ｎｉ系金属とは、Ｎｉを主成分とする金属を意味し、例えば、無電解Ｎｉ−Ｐめっきや電界Ｎｉめっきであってよい。なお、上部電極１６は、上部電極１６の上面に露出する範囲がＮｉ系金属により構成されていればよく、下部電極１８は、下部電極１８の下面に露出する範囲がＮｉ系金属により構成されていればよい。すなわち、上部電極１６及び下部電極１８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やアルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）等の他の金属層とＮｉ系金属層との積層構造を有していてもよい。
【００２４】
導体スペーサ２０は、半導体素子１２の上部に配置されている。導体スペーサ２０の下面は、はんだ層２８を介して半導体素子１２の上面（詳細には上部電極１６の上面）に接続されている。導体スペーサ２０は、銅（Ｃｕ）により構成されている。なお、導体スペーサ２０は、少なくともその下面がＣｕにより構成されていればよい。
【００２５】
上部リードフレーム２２は、導体スペーサ２０の上部に配置されている。上部リードフレーム２２の下面は、はんだ層３０を介して導体スペーサ２０の上面に接続されている。上部リードフレーム２２は、Ｃｕにより構成されている。なお、上部リードフレーム２２は、少なくともその下面がＣｕにより構成されていればよい。
【００２６】
下部リードフレーム２４は、半導体素子１２の下部に配置されている。下部リードフレーム２４の上面は、はんだ層３２によって半導体素子１２の下面（詳細には下部電極１８の下面）に接続されている。下部リードフレーム２４は、Ｃｕにより構成されている。なお、下部リードフレーム２４は、少なくともその上面がＣｕにより構成されていればよい。
【００２７】
はんだ層２８、３０、３２のそれぞれは、錫（Ｓｎ）にＣｕが添加されたＳｎ−Ｃｕ系金属により構成されている。各はんだ層２８、３０、３２のＣｕ濃度は、特に限定されないが、例えば０．７質量％以上である。当該Ｃｕ濃度は、また例えば１．０質量％以上であり、また例えば１．５質量％以上であり、また例えば２．０質量％以上であり、また例えば２．５質量％以上であり、また例えば３．０質量％以上である。
【００２８】
図２は、図１の破線矩形領域ＩＩの構成を模式的に示した拡大図である。図２に示すように、上部電極１６とはんだ層２８の間には、第１化合物層４０が設けられている。換言すると、上部電極１６の上面を構成するＮｉ系金属上に、第１化合物層４０が形成されている。第１化合物層４０は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により構成されている。また、導体スペーサ２０とはんだ層２８の間には、第２化合物層４２及び第３化合物層４４が設けられている。導体スペーサ２０の下面に第２化合物層４２が設けられており、第２化合物層４２の下面に第３化合物層４４が設けられている。第２化合物層４２は、Ｃｕ３Ｓｎにより構成されている。第３化合物層４４は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により構成されている。
【００２９】
下部電極１８とはんだ層３２の間には、第４化合物層４６が設けられている。換言すると、下部電極１８の下面を構成するＮｉ系金属上に、第４化合物層４６が形成されている。第４化合物層４６は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により構成されている。また、下部リードフレーム２４とはんだ層３２の間には、第５化合物層４８及び第６化合物層５０が設けられている。下部リードフレーム２４の上面に第５化合物層４８が設けられており、第５化合物層４８の下面に第６化合物層５０が設けられている。第５化合物層４８は、Ｃｕ３Ｓｎにより構成されている。第６化合物層５０は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により構成されている。
【００３０】
図１に示すように、上部リードフレーム２２、導体スペーサ２０、半導体素子１２及び下部リードフレーム２４の積層体は、絶縁樹脂２６によって覆われている。上部リードフレーム２２の上面と下部リードフレーム２４の下面を除く積層体の表面全体が、絶縁樹脂２６によって覆われている。絶縁樹脂２６は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂により構成されている。上部リードフレーム２２の上面と下部リードフレーム２４の下面は、図示しない冷却器に接続される。すなわち、本実施形態の半導体装置１０は、絶縁樹脂２６の上面及び下面から冷却可能ないわゆる両面冷却構造を有する。なお、半導体装置１０は、上部リードフレーム２２の上面及び下部リードフレーム２４の下面のいずれか一方の面が絶縁樹脂２６から露出する片面冷却構造であってもよい。
【００３１】
次に、図３〜６を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。以下では、特に、半導体素子１２と導体スペーサ２０をはんだにより接合する方法について説明する。図１における半導体素子１２と下部リードフレーム２４との接合方法については、半導体素子１２と導体スペーサ２０との接合方法と同様であるため、その説明を省略する。また、導体スペーサ２０と上部リードフレーム２２との接合方法には、以下に説明する方法を用いてもよいし、従来公知の方法を用いてもよい。
【００３２】
まず、図３に示すように、半導体素子１２と導体スペーサ２０とを、Ｓｎ系はんだ材料５２を介して対向配置する。詳細には、半導体素子１２の上部電極１６の上面（Ｎｉ系金属）１６ａと、導体スペーサ２０の下面２０ａがＳｎ系はんだ材料５２を介して対向するように、半導体素子１２と導体スペーサ２０を配置する。ここで、「Ｓｎ系はんだ材料」とは、Ｓｎを主成分とするはんだ材料を意味し、例えば、Ｓｎに所定量のＣｕが添加されたはんだ材料である。なお、後に詳述するが、Ｓｎ系はんだ材料５２のＣｕ濃度は、従来のはんだ材料におけるＣｕ濃度よりも低くてよい。また、Ｓｎ系はんだ材料５２は、Ｃｕを含有していなくてもよい。上部電極１６の上面１６ａは、Ｎｉ系金属の腐食を防止するために、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）といった他の金属膜に覆われていてもよい。このような金属膜は、後の熱処理工程において、Ｓｎ系はんだ材料５２が溶融している間に、当該Ｓｎ系はんだ材料５２中に拡散する。
【００３３】
次に、半導体素子１２、Ｓｎ系はんだ材料５２及び導体スペーサ２０からなる積層体１００に対して熱処理工程を実施する。熱処理工程では、まず、図４に示すように、積層体１００を加熱する。積層体１００を所定の温度まで加熱することによって、Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融させる。すなわち、Ｓｎ系はんだ材料５２をその溶融温度（液相点）以上まで加熱する。なお、積層体１００を溶融温度以上まで加熱する前に、当該溶融温度よりもわずかに低い温度で一定時間加熱してもよい。すなわち、積層体１００全体の温度が略均一な温度となるまで温める熱処理前工程を実施してもよい。熱処理前工程を実施することにより、溶融温度以上まで加熱したときに、Ｓｎ系はんだ材料５２内での温度差が生じ難く、Ｓｎ系はんだ材料５２を略均一な温度で溶融させることができる。
【００３４】
Ｓｎ系はんだ材料５２が溶融すると、図４の矢印１０２に示すように、導体スペーサ２０の下面２０ａからＣｕがＳｎ系はんだ材料５２中へ溶解し始める。また、Ｓｎ系はんだ材料５２が溶融すると、図４の矢印１０４に示すように、半導体素子１２の上部電極１６の上面１６ａからＮｉ系金属がＳｎ系はんだ材料５２中へ溶解し始める。Ｃｕ及びＮｉ系金属の融点は、Ｓｎ系はんだ材料５２の溶融温度よりも高い。しかしながら、Ｓｎ系はんだ材料５２が溶融すると、これに接するＣｕ及びＮｉ系金属がＳｎ系はんだ材料５２中へ溶解し始める。具体的には、Ｓｎ系はんだ材料５２を所定の温度で溶融させた場合、当該温度におけるＳｎ系はんだ材料５２の飽和溶解濃度に達するまで、Ｃｕ及びＮｉ系金属がＳｎ系はんだ材料５２へ溶解し続ける。ここでは、Ｓｎ系はんだ材料５２中へのＣｕの溶解量が所定の値となるまで、Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融した状態の温度（以下、加熱温度という。）を保持する。例えば、Ｓｎ系はんだ材料５２のＣｕ濃度が、３．０質量％に達するまで加熱温度を保持する。また例えば、当該Ｃｕ濃度が３．５質量％に達するまで、また例えば４．０質量％に達するまで、また例えば４．５質量％に達するまで、また例えば５．０質量％に達するまで加熱温度を保持する。
【００３５】
図５は、各温度ＴにおけるＳｎ系はんだ材料５２中へのＣｕ及びＮｉの溶解速度を示している。図５に示すように、Ｃｕの溶解速度は、Ｎｉの溶解速度の約４０倍である。Ｃｕの溶解速度が、Ｎｉ系金属の溶解速度よりも速いことから、導体スペーサ２０からＳｎ系はんだ材料５２中へ溶解するＣｕの溶解量は、上部電極１６からＳｎ系はんだ材料５２中へ溶解するＮｉ系金属の溶解量よりも多くなる。このため、Ｓｎ系はんだ材料５２中へのＮｉ系金属の溶解量は、比較的少ない。なお、図５に示すように、例えば、Ｓｎ系はんだ材料５２を約２３０℃で溶融させた場合のＣｕの溶解速度は、約０．１μｍ／ｓｅｃである。したがって、本実施例の場合、約２３０℃を４０秒程度保持することによって、ＣｕのＳｎ系はんだ材料５２中への溶解量を約３．０質量％とすることができる。また例えば、Ｓｎ系はんだ材料５２を約３００℃で溶融させた場合のＣｕの溶解速度は、約０．４μｍ／ｓｅｃである。したがって、本実施例の場合、約３００℃を１０秒程度保持することによって、ＣｕのＳｎ系はんだ材料５２中への溶解量を約３．０質量％とすることができる。このように、ここでは、Ｓｎ系はんだ材料５２のＣｕ濃度が、所望の値に達するように、加熱温度及びその保持時間を適宜設定することができる。
【００３６】
次に、積層体１００から除熱することによって、溶融した状態のＳｎ系はんだ材料５２を凝固させる。Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融させる工程において、導体スペーサ２０からＳｎ系はんだ材料５２中に溶解したＣｕは、半導体素子１２の上部電極１６の上面１６ａ上まで移動する。そして、Ｓｎ系はんだ材料５２が凝固する過程において、図６に示すように、上部電極１６の上面上１６ａに（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４０）が生成される。これにより、半導体素子１２とはんだ層２８（すなわち、凝固したＳｎ系はんだ材料５２）が強固に接続される。（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、上部電極１６の上面１６ａ（Ｎｉ系金属）を覆うことによって、上部電極１６のＮｉとはんだ層２８のＳｎとの相互拡散（すなわち、Ｎｉ３Ｓｎ４の生成）を抑制するバリア層として機能する。
【００３７】
また、Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融させる工程において、上部電極１６からＳｎ系はんだ材料５２中に溶解したＮｉは、導体スペーサ２０の下面２０ａ上まで移動する。そして、Ｓｎ系はんだ材料５２が凝固する過程において、図６に示すように、導体スペーサ２０の下面上２０ａにＣｕ３Ｓｎ（符号４２）及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４４）が生成される。これにより、導体スペーサ２０とはんだ層２８（すなわち、凝固したＳｎ系はんだ材料５２）が強固に接続される。（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、導体スペーサ２０の下面２０ａを覆うことによって、Ｃｕ３Ｓｎの成長を抑制するバリア層として機能する。
【００３８】
以上に説明したように、上記の工程を経ることによって、図１及び図２に示す半導体素子１２と導体スペーサ２０とのはんだ層２８を介した積層構造を得ることができる。なお、上述したように、半導体素子１２と下部リードフレーム２４とのはんだ層３２を介した接合については、上記と同様の工程を実施することによって行うことができる。すなわち、上記と同様の工程を経ることによって、図２に示すように、半導体素子１２の下部電極１８の下面１８ａに（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４６）が生成され、下部リードフレーム２４の上面２４ａにＣｕ３Ｓｎ（符号４８）及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号５０）が生成された積層構造を得ることができる。
【００３９】
上述の通り、本実施例の製造方法では、Ｎｉ系金属により構成された上部電極１６の上面１６ａに（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を生成するためのＣｕが、被接合部材の１つである導体スペーサ２０の下面２０ａから供給される。したがって、従来のように、Ｃｕの供給元となるＣｕ層を別途設ける必要がない。このため、より容易に上部電極１６の上面１６ａに（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を生成することができる。（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により、上部電極１６の上面１６ａがバリアされるため、上部電極１６の上面１６ａからＮｉ原子が拡散することを抑制することができる。
【００４０】
また、本実施例の製造方法では、Ｓｎ系はんだ材料５２が溶融している間に、導体スペーサ２０からＣｕが供給される。このため、Ｓｎ系はんだ材料５２中のＣｕ濃度が、Ｓｎ系はんだ材料５２が溶融している間に増大する。したがって、熱処理工程を実施する前のＳｎ系はんだ材料５２のＣｕ濃度が比較的に低い場合でも、上部電極１６の上面１６ａ上に、所望量の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を生成することができる。Ｓｎ系はんだは、Ｃｕ濃度が高くなるほど、溶融温度も高くなる。本実施例の製造方法では、熱処理工程を実施する前のＳｎ系はんだ材料５２のＣｕ濃度を低く設定することができるので、Ｓｎ系はんだ材料５２の溶融温度を低くすることができる。これにより、熱処理工程において必要とされるエネルギー消費量を抑制することができる。また、Ｓｎ系はんだ材料５２とともに加熱される各種の部材への影響を低減することができる。
【００４１】
また、Ｓｎ系はんだ材料５２の飽和溶解濃度は、Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融させる温度に依存する。したがって、Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融させる温度を調整することによって、導体スペーサ２０から供給されるＣｕの溶解量を調整することができる。このため、導体スペーサ２０のＣｕを過剰に消費してしまうことを抑制することができる。
【００４２】
次に、熱処理工程を実施した後のはんだ層のＣｕ濃度について検討する。図７Ａ〜図７Ｅは、本発明者が実施した実験結果を示している。図７Ａは、Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕ系金属により構成されたはんだ７２（以下、Ｓｎ−Ｃｕはんだ７２という。）との接合における、接合前後（すなわち、溶融前及び凝固後（接合後））のＳｎ−Ｃｕはんだ７２のＣｕ濃度の関係を示している。また、図７Ｂ〜図７Ｅは、図７Ａ中の各点（ｉ）〜（ｉｖ）におけるＣｕ濃度を有する場合の、Ｎｉ膜７０とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合後の界面を撮影した電子顕微鏡写真である。なお、この実験は、Ｎｉ膜７０を無電解Ｎｉ−Ｐめっき層として行ったものである。
【００４３】
図７Ｂ〜図７Ｄに示すように、接合後のＳｎ−Ｃｕはんだ７２のＣｕ濃度が０．７質量％未満である場合には、接合界面に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に加えて（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が生成されることが確認された。一方、図７Ｅに示すように、接合後のＳｎ−Ｃｕはんだ７２のＣｕ濃度が０．７質量％以上であると、接合界面には（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４の生成が確認されず、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５のみが生成されていることが確認される結果となった。
【００４４】
この実験結果から、接合後のＳｎ−Ｃｕはんだ７２のＣｕ濃度が０．７質量％未満であっても、バリア層として機能する（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成されることが確認された。そこで、以下では、接合後のＳｎ−Ｃｕはんだ７２のＣｕ濃度が０．７質量％未満である場合に生成される（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が、接合界面へ及ぼす影響についてさらに検討する。
【００４５】
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明者が実施した実験結果を示している。この実験では、Ｎｉ膜７０が表面に設けられたＣｕ部材６８とＳｎ−Ｃｕはんだ７２との接合界面に、（Ｎｉ，Ｃｕ）３Ｓｎ４が生成されたサンプルａと、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成されたサンプルｂを準備した。そして、各サンプルに対して、１７５℃の高温雰囲気下に１０００時間放置する高温耐久試験を行った。また、サンプルｂについては、上記試験に加えて、２００℃の高温雰囲気下に１０００時間放置する高温耐久試験を併せて行った。図８Ａ〜図８Ｃは、各サンプルに対する高温耐久試験後の接合界面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【００４６】
図８Ａから確認されるように、サンプルａでは、１７５℃での１０００時間の高温耐久試験によって、Ｎｉ膜７０がほぼ完全に消失した。また、Ｎｉ３ＳｎＰ層が生成されるとともに、Ｐリッチ層（Ｎｉ３Ｐ層）の顕著な成長が確認された。ここで、Ｐリッチ層の厚みは、Ｎｉ膜７０から消費されたＮｉの量に相関しており、Ｐリッチ層の厚みが大きいほど、Ｎｉ膜７０から多くのＮｉが消費されたことを示す。これに対して、図８Ｂ及び図８Ｃから確認されるように、サンプルｂでは、１７５℃及び２００℃での１０００時間の高温耐久試験によっても、Ｎｉ膜７０の残存が確認されており、Ｐリッチ層の成長も抑制されている。この結果から、Ｎｉ膜とＳｎ−Ｃｕはんだ７２の間に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５のみが生成された接合界面を有する半導体装置では、Ｎｉ膜７０の消失が抑制され、半導体装置の動作による繰り返しの発熱にも好適に耐え得ると判断することができる。
【００４７】
以上より、はんだ層２８（凝固後のＳｎ系はんだ材料５２）のＣｕ濃度を０．７質量％以上とすることにより、好適なバリア層を生成することができる。なお、はんだ層２８のＣｕ濃度の調整は、熱処理工程におけるＳｎ系はんだ材料５２へのＣｕの溶解量を調整することにより行うことができる。図７Ａに示すように、溶融前のはんだ材料のＣｕ濃度が約３．２質量％以上であれば、０．７質量％以上のＣｕを残存させることができる。ここで、熱処理工程では、Ｓｎ系はんだ材料５２の溶融中に、導体スペーサ２０からＣｕがＳｎ系はんだ材料５２中に溶解するとともに、上部電極１６の上面１６ａ上への（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の生成が開始される。すなわち、Ｓｎ系はんだ材料５２の溶融中には、導体スペーサ２０からのＣｕの供給と、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の生成によるＣｕの消費が同時に進行し得る。したがって、熱処理工程において、Ｓｎ系はんだ材料５２を溶融している間に、Ｃｕ濃度を約３．０質量％以上まで増大させることにより、０．７質量％以上のＣｕ濃度を有するはんだ層２８を実現することができる。
【００４８】
次に、導体スペーサ２０とはんだ層２８との接合界面に生成される金属間化合物について検討する。図９Ａ及び図９Ｂは、Ｃｕ部材８０とＳｎ−Ａｇ系金属により構成されたはんだ８２（以下、Ｓｎ−Ａｇはんだ８２という。）との接合界面を撮影した電子顕微鏡写真である（C. E. Ho, S. C. Yang and C. R. Kao: J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 18 (2007) 155-174. より引用）。図９ＡのＳｎ−Ａｇはんだ８２には、Ｓｎに３．５質量％のＡｇが添加されたＳｎ−３．５Ａｇをはんだ材料として用いている。一方、図９Ｂのはんだ８２には、Ｓｎに３．５質量％のＡｇ及び０．１質量％のＮｉが添加されたＳｎ−３．５Ａｇ−０．１Ｎｉをはんだ材料として用いている。
【００４９】
図９Ａに示すように、Ｎｉを含有しないＳｎ−Ａｇはんだ８２を用いた場合、Ｃｕ部材８０の上面には、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５がこの順に生成される。一方、図９Ｂに示すように、Ｎｉを添加したＳｎ−Ａｇはんだ８２を用いた場合、図９ＡのＣｕ６Ｓｎ５に代えて（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成される。すなわち、Ｃｕ６Ｓｎ５におけるＣｕ原子の一部がＮｉ原子に置換された層が生成される。また、Ｃｕ３Ｓｎの層に着目すると、図９ＡにおけるＣｕ３Ｓｎの厚みは、図９ＢにおけるＣｕ３Ｓｎの厚みよりも大きい。このように、はんだ材料にＮｉを添加することにより（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が生成され、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が存在することによってＣｕ３Ｓｎの成長が抑制されていることがわかる。
【００５０】
Ｃｕにより構成された部材とＳｎにより構成された部材との接合界面では、ＣｕがＳｎ中に拡散する速度が、ＳｎがＣｕ中に拡散する速度よりもはるかに大きいことが知られている。このため、Ｃｕ部材とＳｎ部材との間には、上記したＣｕ３Ｓｎの組成を有する金属間化合物が生成される。このとき、接合界面を通しての不均衡なＣｕとＳｎとの相互拡散によってＣｕ部材とＣｕ３Ｓｎとの界面において、Ｃｕ部材に原子空孔が生成される。この原子空孔が消滅することなく集積することにより、いわゆるカーケンダルボイド（Kirkendall void）が生成される。カーケンダルボイドの生成は、接合強度の低下を招く。したがって、Ｃｕ３Ｓｎの成長を抑制することが望ましい。
【００５１】
上述したように、Ｃｕ３Ｓｎの表面に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５により構成された層を形成することによって、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５がバリア層として機能し、Ｃｕ３Ｓｎの成長が抑制される。本実施例の製造方法では、Ｃｕにより構成された導体スペーサ２０の下面２０ａに（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を生成するためのＮｉが、被接合部材の１つである半導体素子１２の上部電極１６の上面１６ａから供給される。ＮｉがＳｎ系はんだ材料５２中に溶解することによって、導体スペーサ２０の下面２０ａには、Ｃｕ３Ｓｎ及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５がこの順に生成される。（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５がＣｕ３Ｓｎの表面に生成されるため、Ｃｕ３Ｓｎの成長が抑制される。その結果、本実施例の製造方法では、カーケンダルボイドが生成され難く、導体スペーサ２０とはんだ層２８との間の好適な接合強度を得ることができる。なお、Ｃｕ３Ｓｎは、半導体装置の動作による繰り返しの発熱によっても成長し得る。しかしながら、本実施例の半導体装置１０では、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されているために、ＣｕとＳｎの相互拡散が抑制され、Ｃｕ３Ｓｎの成長が抑制される。
【００５２】
上述した実施例では、半導体素子１２として、ＲＣ−ＩＧＢＴを採用している。一般的に、半導体装置では、エレクトロマイグレーション（以下、ＥＭという。）やサーモマイグレーション（以下、ＴＭという。）によって、上述した原子の拡散が生じ、電極に欠損が生じるという問題が知られている。ＥＭは、電極を流れる電子の流れに起因して生じるものであり、温度及び電流密度に応じてその程度は大きくなる。ＴＭは、電極及びそれに隣接する構成要素（例えば、はんだ層）の温度勾配に起因して生じるものであり、温度及び温度勾配に応じてその程度は大きくなる。
【００５３】
本実施例のように、ＩＧＢＴ領域９０とダイオード領域９２を有する半導体素子１２では、図１０に示すように、ＩＧＢＴとして機能したときに、破線領域９８に示すように、下部電極１８側（コレクタ電極側）において電子が流れる方向と温度勾配の方向とが一致する。従って、ＥＭとＴＭとの両者によって、下部電極１８の欠損が進行しやすい。また、ダイオードとして機能したときには、破線領域９６に示すように、上部電極１６側（すなわち、アノード電極側）において電子が流れる方向と温度勾配の方向とが一致する。従って、ＥＭとＴＭとの両者によって、上部電極１６の欠損が進行しやすい。このように、本明細書に開示の技術は、ＥＭとＴＭとの両者によって原子の拡散が生じ得る範囲を有する半導体装置に適用する場合に特に有用である。
【００５４】
（対応関係）
半導体素子１２が、「第１の部材」の一例である。導体スペーサ２０及び下部リードフレーム２４が、「第２の部材」の一例である。上部電極１６の上面１６ａ及び下部電極１８の下面１８ａが、「第１の部材の一表面」の一例である。導体スペーサ２０の下面２０ａ及び下部リードフレーム２４の上面２４ａが、「第２の部材の一表面」の一例である。
【００５５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５６】
１０：半導体装置、１２：半導体素子、１４：半導体基板、１６：上部電極、１６ａ：上面、１８：下部電極、１８ａ：下面、２０：導体スペーサ、２０ａ：下面、２２：上部リードフレーム、２４：下部リードフレーム、２４ａ：上面、２６：絶縁樹脂、２８、３０、３２：はんだ層、４０：第１化合物層、４２：第２化合物層、４４：第３化合物層、４６：第４化合物層、４８：第５化合物層、５０：第６化合物層、５２：Ｓｎ系はんだ材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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