(57)【要約】【課題】半導体デバイス、特に、パワーデバイス等の高温環境下で使用されるものについて、接合欠陥の生じ難いダイボンド接合構造及びダイボンディング法を提供する。【解決手段】本発明は、基板上に形成された銅又は銅合金からなる配線と半導体素子とを接合材を介するダイボンディングで接合して形成されるダイボンド接合構造において、前記配線と接合材との間に、配線側に形成されたルテニウムからなる第１バリア層と、前記第１バリア層上に形成されたタンタルからなる第２バリア層と、を備えることを特徴とする半導体素子のダイボンド接合構造である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された銅又は銅合金からなる配線と半導体素子とを接合材を介するダイボンディングで接合して形成されるダイボンド接合構造において、
前記配線と接合材との間に、配線側に形成されたルテニウムからなる第１バリア層と、前記第１バリア層上に形成されたタンタルからなる第２バリア層と、を備えることを特徴とする半導体素子のダイボンド接合構造。
【請求項２】
第１バリア層の厚さは５〜２００ｎｍであり、第２バリア層の厚さは５〜２００ｎｍである請求項１記載の半導体素子のダイボンド接合構造。
【請求項３】
接合材は、純度９９．９質量％以上の銀粉末又は金粉末による焼結組織を有し、バルク材の密度に対して０．４５〜０．９５倍の密度を有するものである請求項１又は請求項２記載の半導体素子のダイボンド接合構造。
【請求項４】
基板上に形成された銅又は銅合金からなる配線へ半導体素子をダイボンド接合する方法において、
基板上の配線側にルテニウムからなる第１バリア層、及び、前記第１バリア層上にタンタルからなる第２バリア層を形成し、
基板上に接合材を介して前記半導体素子を載置し、加熱して接合する方法。
【請求項５】
接合材として、純度９９．９質量％以上、平均粒径０．０１μｍ〜１．０μｍである銀粉末、金粉末のいずれかよりなる金属粒子が有機溶剤に分散する金属ペーストを用い、
前記金属ペーストを基板上の配線又は半導体素子のいずれかに塗布した後に、半導体素子を基板に載置し、一方向又は双方向から加圧しながら加熱して接合する請求項４記載の半導体素子のダイボンド接合方法。
【請求項６】
接合時の加熱温度は、８０〜３００℃の温度である請求項５記載の半導体素子のダイボンド接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を基板に接合する際に適用される接合構造に関する。また、半導体素子を基板にダイボンド接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種半導体素子の基板へのダイボンド接合においては、半導体素子又は基板上の配線のいずれかに接合材を接着して半導体素子を基板に載置し、その後接合材に応じた接合温度に加熱して接合を行っている。この接合部材としては、従来からＡｕＳｎ系ろう材等のろう材を用いたものが広く知られている。また、近年、接合後の冷却時に生じる熱応力による半導体素子の特性変動を防止のために接合温度の低温化が要求されていることを背景として、接合材として金、銀等の導電性金属からなる金属粉末を有機溶剤に分散させた金属ペーストを使用するダイボンド法が知られている（特許文献１、２）。金属ペーストは、取り扱い性が良好であり、微細な配線にも対応可能であることから近年より広く利用されつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６４８０号公報
【特許文献２】特開２００２−１５８３９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のろう材又は金属ペーストを接合材とするダイボンド接合法は、接合材の適切な選択、加熱温度設定等の加工条件の最適化により十分な接合強度を得ることができ、耐久性も良好なものとされている。
【０００５】
しかし、半導体デバイスの製造プロセスへのダイボンディング適用例が増えるに従い、接合不良の問題が徐々に指摘されている。本発明者等の検討によると、いわゆるパワーデバイスと称される電力変換・制御用の半導体デバイスのような、高温環境下で高負荷を受けるような半導体デバイスにおいて接合欠陥が見られる傾向が特にある。この接合欠陥は、接合部（接合材）におけるクラック等の損傷や接合部の剥離等であり、接合直後に見られるものではなく、デバイスの使用過程において生じる経時的に生じる変化である。
【０００６】
本発明は、上記課題を背景とするものであり、半導体デバイス、特に、パワーデバイス等の高温環境下で使用されるものについて、接合欠陥の生じ難いダイボンド接合構造を提供する。また、この接合構造形成のためのダイボンディング法についても提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は、上記課題を解決すべく、まず、従来のダイボンド接合において生じる接合欠陥の発生原因について検討した。そして、この発生原因として、高温環境下における、基板上の配線を構成する銅（Ｃｕ）の拡散にあることに着目した。銅が接合材に拡散した場合、接合材がろう材（例えば、Ａｕ−Ｓｎろう材）の場合、銅は主にろう材合金の粒界を拡散経路として広がる。そして、粒界における強度低下が生じ低応力でも割れが生じ易くなる。また、銅拡散により接合材の組成変動により、配線と接合材との接合面での剥離にまでも生じさせる。
【０００８】
また、接合材として金属ペーストが使用される場合、銅拡散による影響はより深刻なものとなる。これは、金属ペーストにより形成される接合部の材料組織は、金属粉末の焼結組織であり、わずかであるが接合部内に金属粉末表面が露出された空隙を有する多孔質であることによる。このような多孔質の焼結組織は、結合した金属粉末同士は強固に結合していることから本来の機械的強度に問題はなく、欠陥のおそれはない。しかし、銅拡散が生じうる場合、結晶粒界に加え金属粉末表面でも銅拡散が生じる。このとき、金属粉末表面の銅は酸化して酸化物を形成する。金属ペーストにより形成される焼結組織を有する接合部は、接合後も金属粉末間の結合が生じ得るが、金属粉末表面に酸化物が形成されるとこの結合を阻害しボイド発生の要因となる。
【０００９】
このように、接合部の欠陥防止に当たっては、基板上の配線の構成金属である銅が接合部に拡散することを抑制することが必要となる。そこで、本発明者等は、効果的な銅拡散抑制の手段を検討することとし、その結果、配線と接合材との間にバリア層となる金属薄膜を備える接合構造を適用することとした。そして、最も有効なバリア層としてルテニウム（Ｒｕ）とタンタル（Ｔａ）とからなる２層構造のバリア層に想到した。
【００１０】
即ち、本発明は、基板上に形成された銅又は銅合金からなる配線と半導体素子とを接合材を介するダイボンディングで接合して形成されるダイボンド接合構造において、前記配線と接合材との間に、配線側に形成されたルテニウムからなる第１バリア層と、前記第１バリア層上に形成されたタンタルからなる第２バリア層と、を備えることを特徴とする半導体素子のダイボンド接合構造である。
【００１１】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明の基本的な形態は図１（ａ）に示すように、基板上の配線と接合材との間に２つのバリア層を形成する接合構造である。従って、基板やその配線、及び、接合材と半導体素子については、従来と同様のものが適用される。
【００１２】
第１、第２のバリア層として、ルテニウムとタンタルを適用するのは、本発者等の検討から、これらの金属薄膜の組み合わせが銅の拡散抑制に最も効果的だからである。例えば、ルテニウムと同じ貴金属に分類される白金、パラジウムを適用してもかかる銅拡散防止作用はない。また、バリア層は２層構造にすることが必要であり、ルテニウム膜のみ又はタンタル膜のみの単層では十分な効果を発揮しない。更に、第１、第２のバリア層の構成を逆にする場合、即ち、配線側にタンタル膜をその上にルテニウム膜を形成しても十分な効果はない。
【００１３】
第１、第２のバリア層の膜厚は、第１バリア層の厚さは５〜２００ｎｍであり、第２バリア層の厚さは５〜２００ｎｍとするのが好ましい。薄すぎるとバリア層としての銅拡散抑制効果を発揮しない。また、厚すぎるとバリア層形成コスト上昇のため好ましくない。各層のより好適な膜厚は、第１バリア層の厚さを１０〜１００ｎｍとし、第２バリア層の厚さを１０〜１００ｎｍとする。また、第１バリア層の厚さと第２バリア層の厚さとの関係としては、第２バリア層の厚さが第１バリア層の厚さの０．５倍〜１．５倍とするのが好ましい。
【００１４】
上記したように、本発明にかかる接合構造は、配線と接合材との間にバリア層を設置した点を特徴とし、それ以外の構成については、従来と同様のものが適用される。
【００１５】
基板及びその配線について、基板は、半導体デバイスで通常用いられるシリコンの他、パワーデバイス用基板として適用されるＳｉＣ等のセラミックス基板等が適用され、特に限定されることはない。また、本発明は配線を構成する銅の拡散抑制を目的とするものであるから、配線は、銅又は銅合金からなることが前提となる。但し、その形状、寸法、厚さ等は限定されることはない。配線材料としては、純銅や無酸素銅の他、銅合金としてＡｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等の合金が適用できる。
【００１６】
基板へ配線を形成するにあたって、安定的な接合強度を得る目的で基板と配線との間に下地層として、チタン（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）、モリブデン(Ｍｏ)、亜鉛(Ｚｎ)等の金属薄膜を形成する場合があるが、このような下地層を備えていても良い（図１（ｂ））。また、配線表面については、バリア層形成前に自然酸化膜が形成されている場合があるが、配線と第１バリア層との間にかかる自然酸化膜が存在していても良い。更に、配線の表面にニッケル膜（無電解ニッケル膜）が形成される場合がある。このニッケル膜は、腐食防止等のために形成されるものであり、バリア層としての効果は期待できない。そのため、かかるニッケル膜を備える配線が形成された基板にも本発明の接合構造は有効である（図１（ｃ））。尚、上記の下地層と無電解ニッケル膜は、同時に存在していても良い。
【００１７】
基板上の配線と半導体素子とを接合する接合材についても基本的に従来と同様の構成が適用される。また、接合材の形状、寸法、厚さについては特に限定されるものはなく、ダイボンドする半導体素子に応じて設定される。接合材としては、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材の他、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材、Ａｕ−Ｇe系ろう材等のろう材が適用されることがあるが、これらの接合材の欠陥防止に本発明は有用である。
【００１８】
但し、本発明が特にその結果を発揮するのは、接合材として金属ペーストにより形成される場合である。上述のように、配線からの銅の拡散による影響は、金属ペーストにより形成される接合材の方が大きいからである。ここで、金属ペーストをにより形成される接合材は、金属ペーストを構成する純度９９．９質量％以上の金粉末、銀粉末の焼結組織を有するものである。この焼結組織は、金属粉末が相互に点接触或いはネッキングして形成する多孔質組織を呈し、構成金属のバルク材の密度に対して０．４５〜０．９５倍の密度を有する。
【００１９】
次に、本発明に係る接合構造を利用する半導体素子のダイボンド接合方法について説明する。このダイボンド方法は、基板上に形成された銅又は銅合金からなる配線へ半導体素子をダイボンド接合する方法において、基板上の配線側にルテニウムからなる第１バリア層、及び、前記第１バリア層上にタンタルからなる第２バリア層を形成し、基板上に接合材を介して前記半導体素子を載置して、加熱して接合するものである。
【００２０】
基板及び配線については、上述の通り、従来と同様のものが適用され、本発明で特に規定する事項はない。また、基板上への下地層形成や配線上への無電解ニッケル膜形成がある場合にも本発明は有用であるが、その形成工程の有無や条件についても特に限定されることはない。
【００２１】
各バリア層の形成方法については、一般的な薄膜形成技術が適用可能である。物理的蒸着方法として、真空蒸着法、スパッタリング法等が挙げられ、化学的蒸着法として、ＣＶＤ法等が適用できる。これらの方法は、膜厚調整も容易であり、必要な膜厚のバリア層を形成することができる。尚、バリア層の密着性を保つため、バリア層膜形成工程においては、雰囲気中の酸素濃度を５０ｐｐｍ以下とするのが好ましい。また、同時に基板を１００℃〜２００℃程度に加熱することも有効である。
【００２２】
第１、第２バリア層形成後の工程は、従来のダイボンド方法と同様であり、接合材を介して半導体素子を基板に載置して加熱して接合する。このとき、接合材として、Ａｕ−Ｓｎろう材等のろう材を使用する場合、適宜に成形されたろう材を基板上或いは半導体素子に融着・固定し、その後半導体素子を載置して加熱・接合する。接合温度においては、ろう材の融点を考慮して設定できる。
【００２３】
また、ダイボンド接合に有用な接合材として金属ペーストが挙げられる。この金属ペーストは、純度９９．９質量％以上、平均粒径０．０１μｍ〜１．０μｍである銀粉末、金粉末のいずれかよりなる金属粒子を有機溶剤に分散させたものである。この金属ペーストを構成する金属粉末について、純度として９９．９質量％以上の高純度を要求するのは、純度が低いと粉末の硬度が上昇し、ダイボンドの際の接合部形成時に塑性変形が生じ難くなること、更には不純物が表面酸化層を形成し粉末間の結合を阻害するからである。また、金属粉末の平均粒径については、１．０μｍを超える粒径の金属粉では、ダイボンドの際の再配列が生じたときに好ましい粒子相互の近接状態を発現させ難くなるからである。一方、０．０１μｍを下限とするのはこの粒径未満の粒径では、ペーストとしたときに凝集しやすく、取扱いが困難となることを考慮するものである。金属粉末の構成金属を金、銀のいずれかとするのは、これらの金属は導電性が良好で軟質だからである。
【００２４】
金属ペーストは、上記の金属粉末を有機溶剤に分散して形成される。この有機溶剤としては、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトールが好ましい。例えば、好ましいエステルアルコール系の有機溶剤として、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３）を挙げることができる。本溶剤は、比較的低温で乾燥させることができるからである。
【００２５】
金属ペースト中の金属粉末の含有量は、７０〜９９質量％であるものが好ましい。７０質量％未満では接合に必要な金属が不足し緻密な接合部を形成することができない。また、９９質量％を超えるとペーストの粘性が高くなりすぎ取扱い性に支障が生じるからである。
【００２６】
尚、この金属ペーストは、上記有機溶剤に加えて、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を含有していても良い。これらの樹脂等を更に加えると金属ペースト中の金属粉の凝集が防止されてより均質となり、接合部が形成できる。尚、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸メチル重合体を、セルロース系樹脂としては、エチルセルロースを、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹脂を、それぞれ挙げることができる。そして、これらの中でも特にエチルセルロースが好ましい。
【００２７】
金属ペーストの塗布工程は特に限られるものはなく、例えば、スピンコート法、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、インクジェット法等、配線又は半導体素子の被接合部に対応させて種々の方法を用いることができる。
【００２８】
金属ペーストを塗布後、半導体素子を基板に載置し、加熱及び加圧して接合する。加熱及び加圧により、ペースト中の金属粒子同士、及び、被接合部材の接合面と金属粒子との間に、互いに点接触した近接状態が形成され、接合部としての形状が安定する。この加熱温度は、８０〜３００℃とするのが好ましい。８０℃未満では点接触が生じないからである。一方、３００℃を超える温度とすると、加熱時に基板の変形や熱影響が生じる等、構成部材への損傷が生ずる恐れがある。そして、接合時の加圧は、０．５ＭＰａ〜５０ＭＰａとするのが好ましい。０.５ＭＰａより低い領域では被接合面全体に金属ペーストを密着させることが出来ないこと、５０ＭＰａより高い領域では接合状態の更なる改善が見られないからである。
【００２９】
また、金属ペーストを用いるダイボンド方法においては、加熱に加えて超音波を印加しても良い。加熱又は加熱と超音波との組合せにより、金属粉末の塑性変形及び結合を促進し、より強固な接合部を形成することができる。超音波を印加する場合、その条件は、振幅０．５〜５μｍとし、印加時間を０．５〜３秒とするのが好ましい。過大な超音波印加は接合部材を損傷させるからである。ダイボンド工程における上記加熱及び超音波印加は、その目的から少なくとも接合部に対して行なえばよいが、接合部材全体に行っても良い。加熱の方法としては、接合部材を加圧する際の工具からの伝熱を利用するのが簡易である。同様に、超音波の印加は、接合部材を加圧する工具から超音波発振させるのが簡易であるが、超音波接合後に８０〜３００℃で一定時間加熱することで押圧により生じた歪み除去、再結晶組織へと安定化させることも良い。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明に係るダイボンド接合構造を適用することで、配線から接合材への銅の拡散が抑制され接合材の欠陥発生を防止することができる。この接合部は、高温下でも接合部が安定していることから、本発明は、パワーデバイス等についてのダイボンディングに特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る接合構造の態様を説明する図。
【図２】第１実施形態のＮｏ．５の試験片を高温加熱した後に行ったＡＥＳ分析結果。
【図３】第１実施形態のＮｏ．１１の試験片を高温加熱した後に行ったＡＥＳ分析結果。
【図４】第１実施形態のＮｏ．１５の試験片を高温加熱した後に行ったＡＥＳ分析結果。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
第１実施形態：ここでは、２層のバリア層による銅の拡散抑制効果を確認するための予備試験を行った。この予備試験は、基板上に形成した銅薄膜の上に各種のバリア層となる金属薄膜を形成し、これを加熱して金属薄膜表面へ銅拡散が生じるかを確認するものである。
【００３３】
Ｓｉ基板にＴｉ薄膜（５０ｎｍ）とＣｕ薄膜（１００ｎｍ）をそれぞれスパッタリング法により形成した試験片（寸法２ｍｍ角、厚み０．５ｍｍ）を用意し、これにＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｔａの各種金属を単層又は複数層形成した。そして、その上にＡｕ薄膜又はＡｇ薄膜（２００ｎｍ）を形成した。各金属薄膜はスパッタリング法(室温)で形成した。そして、この試験片を２００℃、３００℃で３００時間加熱し、最表面であるＡｕ表面の色彩変化の有無を検討し、色彩変化が生じた場合はＣｕ拡散が生じたと判断した。この評価結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
この試験の結果から、バリア層として効果を有する組み合わせは、ルテニウム（第１バリア層）とタンタル（第２バリア層）の組み合わせのみといえる。他の金属（Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ）では３００℃での銅拡散の抑制効果は殆どないといえる。また、ルテニウム単層、タンタル単層のバリア層は、２００℃の加熱で変色がなかったことからある程度は効果があるといえるが、３００℃加熱では全く効果がなかったことから、２層構造のバリア層を採用するのが必要であるといえる。更に、Ｎｏ．１９の結果との対比から、ルテニウム、タンタルの２種を用いるとしても、配線側にルテニウムを接合材側にタンタルを配することが必要であり、その逆は効果が低いことが確認できた。
【００３６】
また、上記の予備試験後の試験片（Ｎｏ．５、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１５）の３００℃加熱後について、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）を行った。ＡＥＳ分析では、最表面からスパッタリングしながらの分析を行い、深さ方向の元素分布を調査した。この結果を図２〜図４に示す。各図には、金属元素のスペクトルのみを記載している。変色の見られたＮｏ．５（Ｎｉ、Ｐｄをバリア層とするもの）、Ｎｏ．１１（Ｒｕのみをバリア層とするもの）は、最表面からＣｕが検出されていることから、その拡散が確認された。一方、Ｒｕ／Ｔａの２層バリア層を有するＮｏ．１５については、Ｃｕの拡散は見られずに、各層毎に構成金属のスペクトルが明瞭に確認できた。この分析結果からも２層バリア層の効果が確認された。
【００３７】
尚、図２のＮｏ．５に対するＡＥＳの結果から、配線表面にＮｉ膜を形成した場合、Ｃｕと共にＮｉも接合材に拡散することが確認された。このＮｉの拡散が接合強度に悪影響を与えるかは定かではないが、少なくともバリア層としての効果は期待できない。この点、Ｎｏ．１８の結果からわかるように、配線上にＮｉがあってもＲｕ／Ｔａの２層バリア層を形成することでその拡散を抑制できることがわかる。
【００３８】
第２実施形態：ここでは、実際のデバイス製造のためのダイボンディングを想定し、セラミック基板上の銅配線に金属ペースト（金粉末）を用いてＳｉチップのダイボンド接合を行い、高温加熱後の接合強度を確認した。
【００３９】
使用した金属ペーストは、湿式還元法により製造された純度９９．９質量％の金粉末（平均粒径：０．３μｍ）に、有機溶剤としてエステルアルコール（２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３））に混合したもの（金属粉末の含有量９０質量％）を用いた。
【００４０】
一方、ＳｉＣセラミック基板上に銅箔（０．１５ｍｍ）を接合した厚さ０．６ｍｍのＤＢＣ基板（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ基板）を用意し。そして、基板上の銅箔表面にＲｕ（１００ｎｍ）及びＴａ（１００ｎｍ）の２層のバリア層をスパッタリングで形成した。また、被接合部材としてＳｉチップ(２ｍｍ角)を用意した。Ｓｉチップには表面に、Ｔｉ（５０ｎｍ）、Ｐｔ（５０ｎｍ）、Ａｕ（２００ｎｍ）のスパッタ膜を予め形成している。
【００４１】
このＤＢＣ基板の銅箔上に上記金属ペーストを塗布後にＳｉチップを載置し、５ＭＰａで加圧したところで１℃/分で１５０℃まで昇温、１０分保持した後に２０ＭＰａに昇圧し１℃/分で３００℃まで昇温、１０分保持して接合した。接合後の接合部について、密度を測定したところ１７．５ｇ／ｃｍ３であった。これは、バルク材の金の密度（１９．３ｇ／ｃｍ３）に対して０．９１倍である。
【００４２】
比較例１：上記の実施形態に対し、基板の銅箔にバリア層を形成しない状態で金属ペーストを塗布し、同様にダイボンド接合した。
【００４３】
比較例２、３：第２実施形態に対し、基板上にルテニウム単層（比較例２）、ニッケルと白金の２層膜（比較例３）を形成した後に金属ペーストを塗布し、同様にダイボンド接合した。
【００４４】
そして、実施形態、比較例共にダイボンディングしたＳｉチップ付ＤＢＣ基板について、３００℃で２００時間加熱処理を行い、処理後の試験片についてボンディングテスタを用いて接合部のシェア強度を測定した。この測定結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】
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【００４６】
この強度評価において、剥離はいずれも接合材とバリア層との接合界面近傍の接合材内部で生じた。そして、表２から、好適なバリア層を備える接合構造においては、バリア層のないものに対して２倍以上の接合強度を有することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るルテニウム／タンタル２層構造のバリア層を有するダイボンド接合構造を適用することで、配線中の銅の拡散を抑制することができる。これにより、接合材の欠陥発生を防止することができる。本発明は、半導体チップ等のダイボンディング、フリップチップ接合等へ適用することができ、特に、高温環境下で使用されるパワーデバイスのボンディングに有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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