(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路配線基板の金属回路を高温酸化から保護するＮｉ保護層上に、該金属回路と高温はんだとの拡散を抑制するＴａ／ＴａＮのはんだ拡散バリア層を持ち、
前記はんだ拡散バリア層上に、前記高温はんだを介してＳｉＣチップが実装された、パワーエレクトロニクス用半導体装置。
【請求項２】
回路配線基板の金属回路を高温酸化から保護するＮｉ保護層上に、該金属回路と高温はんだとの拡散を抑制するＴａ／ＴａＮ／Ｔａのはんだ拡散バリア層を持ち、
前記はんだ拡散バリア層上に、前記高温はんだを介してＳｉＣチップが実装された、パワーエレクトロニクス用半導体装置。
【請求項３】
前記はんだ拡散バリア層において、Ｔａは回路配線基板の配線金属ＮｉとＴａＮの介在層であり、ＴａＮは拡散バリアである、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス用半導体装置。
【請求項４】
前記はんだ拡散バリア層において、Ｔａは回路配線基板の配線金属ＮｉとＴａＮの介在層であり、ＴａＮは拡散バリアであり、ＴａＮ上のＴａは、ＴａＮ−Ｔａ接合及びＴａ−はんだ接合を形成する、請求項２に記載のパワーエレクトロニクス用半導体装置。
【請求項５】
前記はんだ拡散バリア層は、前記Ｔａ／ＴａＮにおけるＴａＮ、又は前記Ｔａ／ＴａＮ／ＴａにおけるＴａの酸化防止のためにフラッシュＡｕを持つ、請求項１乃至４のいずれかに記載のパワーエレクトロニクス用半導体装置。
【請求項６】
前記高温はんだが、ＡｕＧｅ，ＡｕＳｉ，ＰｂＳｎ，ＡｕＳｎ，ＢｉＡｇ，ＳｎＳｂのいずれかである、請求項１乃至５のいずれかに記載のパワーエレクトロニクス用半導体装置。
【請求項７】
前記回路配線基板が、基板とＣｕ金属回路を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーエレクトロニクス用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力制御やエネルギー変換等を行うパワーエレクトロニクスに特に有用な半導体装置、及びそのパワー素子と基板との高温実装技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス用の半導体装置（或いはパワーモジュール）については、従来の１５０℃以下という耐熱範囲を広げて、１５０℃より高温での使用が要求されてきているが、この場合、パワー素子（或いはパワーデバイス）としての半導体チップにＳｉではなくＳｉＣを用いる必要がある。１５０℃より高温ではＳｉチップが破壊されてしまうためである。またＳｉＣチップを用いることで省エネルギー化を図ることもできる。
【０００３】
しかしながら、１５０℃より高温という環境下では、例えば図１に例示したようにＳｉＣチップ１が実装されるＤＢＣ(Direct Bonding Copper)基板等の回路配線基板２とのはんだ３接合部分において、拡散が生じてしまう。
【０００４】
また例えば、回路配線基板２上にＮｉ層４を設けることで、Ｃｕ等の金属回路５の高温酸化を防ぐことができるが、図３の実験例（詳細は後述する）からも分かるようにＮｉ層４が高温環境下で高温はんだＡｕＧｅと反応して、はんだ／Ｃｕの界面にＮｉＧｅ金属間化合物が成長してしまう。この金属間化合物は高温で成長速度が高く、高温放置の初期段階で接合強度が激しく低下する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Johnson, R. W., Williams, J., 2005, "SiC Power Device Packaging Technologies for 300 to 350℃ Applications,"  Mater. Sci. Forum, 483-485, pp. 785-790.
【非特許文献２】Harris, J. H., Rubel, E., 2008, "The Role of Interfacial Compound Formation on Package Reliability," Adv. Electron., Jul./Aug., pp. 20-27.
【非特許文献３】Perrin, C., Mangelinck, D., Nemouchi, F., Labar, J., Lavoie, C., Bergman, C., Gas, P., 2008, "Nickel Silicides and Germanides: Phases Formation, Kinetics and Thermal expansion," Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct. Solid-Sate Mater. 154, pp. 163-167.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑み、１５０℃より高温にて耐熱性のあるＳｉＣチップ（ＳｉＣデバイス）と回路配線基板との良好な実装接合を実現できる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回路配線基板のＮｉ保護層上にＴａ／ＴａＮまたはＴａ／ＴａＮ／Ｔａのはんだ拡散バリア層を持つことを特徴とし、また、この拡散バリア層上にはんだを介してＳｉＣチップが実装される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の半導体装置の一例を示す図。
【図２】本発明の半導体装置の一例を示す図。
【図３】本発明の一実施例及び一比較例を示す図。
【図４】本発明の別の一実施例及び一比較例を示す図（電気性能の経時変化）。
【図５】電気性能測定方法について説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の半導体装置は、たとえば図３に示したように基板２のＣｕ金属回路５を高温酸化から保護するＮｉ層４上にＴａ／ＴａＮまたはＴａ／ＴａＮ／Ｔａのはんだ拡散バリア層６を持つ。これによれば、回路配線基板２とはんだ３との拡散を抑えることができ、且つ１５０℃より高温下で長時間放置しても接合強度がほぼ低下せず、そして電気抵抗も変化しない、ＳｉＣパワー素子の良好な実装を実現したパワーモジュールを得ることができる。第一のＴａは配線金属ＮｉとＴａＮの介在層であり、ＴａＮは主にはんだの拡散バリア層として作用する。
【００１０】
Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａの場合には接合強度がさらに顕著に向上する。この理由は、ＴａＮ上にＴａを設けることで、非常に薄いＴａ層がＴａＮと金属はんだの介在層として、ＴａＮ−Ｔａ（元素同士接合）とＴａ−はんだ（金属同士接合）になり、接合強度が向上することによる。
【００１１】
金属はんだとしてはＡｕＧｅやＡｕＳｉ、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｎ、ＢｉＡｇ、ＳｎＳｂ等の高温はんだが知られているが、これらに限定されることなく、良好な高温接合強度を維持することができる。
【００１２】
なお、Ｔａ／ＴａＮまたはＴａ／ＴａＮ／Ｔａは、ＴａＮまたはＴａの酸化防止のためにフラッシュ程度のＡｕを持つことが好ましい。  ここで、本発明の一実施例について説明する。図３に例示したように、Ｃｕ層（ＤＢＣ基板）上にＮｉ−３１ａｔ％Ｐの保護層をめっきし、さらにＴａ／ＴａＮ／Ｔａ／Ａｕ（フラッシュ程度）を蒸着し、これにＡｕＧｅはんだ（図中「Solder」）を介してＳｉＣチップ（図中「SiC device」）を実装させた半導体装置を、３３０℃の高温環境にて長時間放置させた場合における、界面Ｘ線観察、並びにせん断強度及び電気抵抗測定を行った。比較例として、Ｔａ／ＴａＮ／Ａｕ層またはＴａ／ＴａＮ／Ｔａ／Ａｕ層のない従来の半導体装置についても同様な実験を行った。より具体的なチップ実装方法は、２．２ｍｍ角のＳｉＣ−ＳＢＤ素子（裏面Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇ）をＡｕＧｅ共晶はんだ（融点３５６℃）で、ＤＢＣ基板（本発明ではこれにＴａ／ＴａＮ／Ｔａ／フラッシュＡｕを蒸着）に真空リフロー（ピーク温度４００℃、１．５分）で接合した。図３がその結果である。
【００１３】
従来の半導体装置では、はんだ接合時に約１μ厚のＮｉＧｅ界面層が発生しており、これが時間経過に伴いＮｉ層側に拡散して約１５μ厚に成長し（２００時間）、さらに粒子状になり（４００時間）、Ｃｕ層と分離する。これにより接合状態が劣化し（せん断強度が最低になり）、電気特性も劣化する。そして最終的には、はんだ層にも拡散し、Ｃｕ層との界面にボイドが発生する（１６００時間）。また、空気中の酸素がはんだ／Ｃｕの界面に沿って内部へ拡散し、Ｃｕ回路層を酸化させた。これに対し、本発明の半導体装置では、はんだと配線基板の金属回路との拡散を完全に防止でき、せん断強度も高く維持できていることがわかる。３３０℃、１０００時間に渡っても、Ｔａ／ＴａＮ／Ｔａ拡散バリアがほぼ変化せず、はんだとＮｉ−Ｐ層との拡散を完全に抑えることができた。
【００１４】
電気抵抗特性については、図５に示すような４端子抵抗測定法により、ＳｉＣチップ１のＡｌ電極から金属回路５の間の抵抗を測定したところ、この電気抵抗の３３０℃高温経時変化を示す図４からわかるように、従来技術(図中TraditionalTechnol.)で実装したＳｉＣ−ＳＢＤデバイスの電気抵抗は時間の増加に徐々に増加したが、本発明(図中New Technol.)で実装したＳｉＣ−ＳＢＤの電気抵抗は低い値を維持したまま変化しなかった。
【符号の説明】
【００１５】
１  ＳｉＣチップ
２  基板（ＤＢＣ基板）
３  はんだ
４  Ｎｉ層
５  金属回路（Ｃｕ層）
６  拡散バリア層
７  ワイヤ
【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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