(57)【要約】  本発明は、例えば、半導体素子（１０２）と、半導体素子（１０２）に対向して配置される電極（１０３）と、半導体素子（１０２）と電極（１０３）とを接続するＢｉを主成分とした接合材料と、を備えた接合構造体を有する半導体部品（１００）であって、接合材料（１０４）が炭素化合物を含有していることにより、半導体素子と電極との線膨張係数の差により接合部が破壊されることを従来にくらべて低減できる。Ｂｉを主成分とする接合材料により、従来に比べて接合部の信頼性を向上できる、半導体素子と電極とを接合した接合構造体などを提供することが可能となる。
2010150495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子に対向して配置される電極と、
前記半導体素子と前記電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料とを有し、
前記Ｂｉを主成分とする接合材料が炭素化合物を含有している、接合構造体。
【請求項２】
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、請求項１に記載の接合構造体。
【請求項３】
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、請求項２に記載の接合構造体。
【請求項４】
前記金属錯体を構成する金属はＢｉである、請求項２に記載の接合構造体。
【請求項５】
前記接合材料は、
０．１〜１重量％のＣｕと、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素と、
Ｂｉを９０重量％以上含む金属材料と、
０．０２〜０．２５重量％のカーボンとを含む、請求項１に記載の接合構造体。
【請求項６】
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料であって、
前記接合材料は炭素化合物を含有している、接合材料。
【請求項７】
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、請求項６に記載の接合材料。
【請求項８】
前記炭素化合物を含有する前記金属錯体の前記配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、請求項７に記載の接合材料。
【請求項９】
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料の製造方法であって、
前記電極の表面にＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
前記Ｃｕ層が形成された電極に対して、炭素化合物を含む、配位子を持つＢｉ錯体の層を形成するＢｉ錯体層形成工程と、
前記Ｂｉ錯体層が形成された電極を、前記Ｂｉの融点以上に加熱する加熱工程と、を備えた接合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、請求項９に記載の接合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料を含む接合構造体に関するものであり、より詳細には、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の半導体素子と電極とを接合した半導体部品の接合構造体、接合材料、及び接合材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品は、はんだ材料を用いて、基板に実装される。例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のような半導体部品と基板とを接合するはんだ材料には、一般的に融点が２２０℃のＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕが用いられている。【０００３】
図７は、半導体部品が基板に実装された模式図である。半導体部品１を基板２に実装する際には、はんだ浸漬方式のディップ装置により、例えば、融点が２２０℃のはんだ材料３であるＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕで、半導体部品１の外部電極４を基板電極５にはんだ付けする。このときはんだ材料３は、ディップ装置により２５０〜２６０℃に加熱されているため、半導体部品１の内部温度は２５０〜２６０℃に達することがある。半導体部品１はその内部に半導体素子６と電極７とが接合材料８で接合されているが、半導体部品１の内部で、接合材料８が溶融すると、短絡、断線、あるいは電気特性の変化が生じて最終製品に不良が生じる可能性がある。よって、半導体部品１の内部に用いる接合材料８は、ディップ装置ではんだ付けする際に到達する半導体部品１内部の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。【０００４】
そこで、溶融温度が２６０℃を超え、Ｐｂを含まない接合材料として、Ｂｉを９０重量％以上含む接合材料（以降「Ｂｉを主成分とする接合材料」とする）（例えばＢｉ―２．５重量％Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕ  融点２７０℃）が適していると考えられている。他の接合材料としてＺｎも検討されているが、濡れ性や接合のしやすさなどを考慮すれば、現在では、前記のＢｉを主成分とする接合材料が適している。そこで、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いたパワー半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。図８は、特許文献１に記載された従来の接合構造体（パワー半導体モジュール）の断面図である。【０００５】
図８において、パワー半導体モジュール９は、パワー半導体素子１０の接合部１２側の表面に接合材料と接合させるために形成されたＣｕ層１３と電極１１とが接合部１２により接合されている。この接合部１２は、Ｂｉを主成分とする接合材料が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報（例えば、第２４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、接合部１２の主成分であるＢｉはＰｂと比較して硬いため、パワー半導体素子１０が動作する際の発熱により、パワー半導体素子１０と電極１１との線膨張係数の差に由来する応力が接合部１２に加わった際に、接合部１２が歪みに耐え切れずに破壊するクラック不良が発生する。そのため、製品の品質が安定せず、接合信頼性が低いという課題を有していた。【０００８】
尚、従来のパワー半導体モジュール９の故障サイクル数を測定すると３１０ｃｙｃであり、その測定条件は次の通りである。即ち、Ｂｉを主成分とする接合材料（Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕ）を用いたパワー半導体モジュール９に対して、低温側が−６５℃、高温側が１５０℃の温度サイクル試験を実施した際の動作試験により、故障率が０．１５％になる故障サイクル数を、Ｎ数（サンプル数）＝１５で算出した。【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、従来に比べて接合部の信頼性として、例えば、故障サイクル数の改善を図ることが出来る接合構造体、接合材料、及び接合材料の製造方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、
第１の本発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子に対向して配置される電極と、
前記半導体素子と前記電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料とを有し、
前記Ｂｉを主成分とする接合材料が炭素化合物を含有している、接合構造体である。【００１１】
第２の本発明は、
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、上記第１の本発明の接合構造体である。【００１２】
第３の本発明は、
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、上記第２の本発明の接合構造体である。【００１３】
第４の本発明は、
前記金属錯体を構成する金属はＢｉである、上記第２の本発明の接合構造体である。【００１４】
第５の本発明は、
前記接合材料は、
０．１〜１重量％のＣｕと、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素と、
Ｂｉを９０重量％以上含む金属材料と、
０．０２〜０．２５重量％のカーボンとを含む、上記第１の接合構造体である。【００１５】
第６の本発明は、
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料であって、
前記接合材料は炭素化合物を含有している、接合材料である。【００１６】
第７の本発明は、
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、上記第６の本発明の接合材料である。【００１７】
第８の本発明は、
前記炭素化合物を含有する前記金属錯体の前記配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、上記第７の本発明の接合材料である。【００１８】
第９の本発明は、
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料の製造方法であって、
前記電極の表面にＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
前記Ｃｕ層が形成された電極に対して、炭素化合物を含む、配位子を持つＢｉ錯体の層を形成するＢｉ錯体層形成工程と、
前記Ｂｉ錯体層が形成された電極を、前記Ｂｉの融点以上に加熱する加熱工程と、を備えた接合材料の製造方法である。  【００１９】
第１０の本発明は、
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、上記第９の本発明の接合材料の製造方法である。【００２０】
本構成によって、Ｂｉを主成分とする接合材料が炭素化合物を含有していることにより、半導体素子と電極との接合部の信頼性を従来に比べて向上できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、半導体素子と電極との接合部の信頼性として、例えば、故障サイクル数の改善を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における接合構造体の断面図、（ｂ）図１（ａ）の点線で囲まれた領域Ａを拡大した模式図
【図２】本発明の実施の形態１における接合材料の構造を示した図
【図３】従来の接合材料に半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図
【図４】カーボンが分散した接合材料に半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図
【図５】カーボン量と半導体素子の故障サイクル数との関係を示した図
【図６】Ａｌ量と半導体素子の故障サイクル数との関係を示した図
【図７】半導体素子が基板に実装された模式図
【図８】従来の接合構造体（パワー半導体モジュール）の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における接合構造体の断面図である。
【００２５】
図１（ａ）は、半導体部品が基板に実装された模式図であり、点線で囲まれた領域Ａを拡大した図が図１（ｂ）に相当する。
【００２６】
図１（ａ）で、半導体部品１００は基板１０１に実装されており、半導体部品１００内部は、半導体素子１０２と電極１０３を含む領域Ａを拡大した図１（ｂ）で説明する。
【００２７】
図１（ｂ）において、半導体素子１０２は、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕ（融点２７０℃）の内部に炭素化合物の構成元素であるカーボン１０５が分散した接合材料１０４により、電極１０３に接合されている。図示はしていないが、半導体素子１０２の電極１０３に対向する表面には、接合材料１０４と接合させるために形成されたＣｕ層がある。
【００２８】
図２は、接合材料１０４の構造を示した図であり、カーボン１０５が分散した接合材料１０４を示すモデル図である。接合材料１０４の主成分であるＢｉ１０６の結晶構造は菱面体晶であり、原子半径７０ｐｍのカーボン１０５は原子半径１６０ｐｍのＢｉ１０６よりも小さいため、カーボン１０５はＢｉ１０６の結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料１０４の内部に分散している。
【００２９】
ここで、カーボン１０５が分散した接合材料１０４の定義としては、Ｂｉ１０６の結晶格子の隙間にカーボン１０５が侵入した形式を持った接合材料１０４であることとする。
【００３０】
図３は、従来の接合材料に、半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図である。応力１０７が加わることによりＢｉの結晶格子に歪みが生じ、歪量が回復限界を超えると結晶格子が破壊して元の状態に戻ることができなくなる。
【００３１】
尚、図３中において、破線で示した箇所は、結晶格子が破壊されたことを示している。
【００３２】
図４は、本実施の形態の構成を適用した場合の例であり、カーボンが分散した接合材料に半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図である。
【００３３】
本願の発明者は、本実施の形態の、カーボンが分散した接合材料において、Ｂｉ１０６の結晶格子が破壊され難い理由を次の様に推測している。
【００３４】
即ち、隣接するＢｉとＢｉとは金属結合により強固に接合されているが、カーボンはＢｉと金属結合することができないため、Ｂｉよりも移動し易い状態でＢｉの結晶格子の隙間に存在している。そのため、応力１０７が加わると、Ｂｉ１０６の結晶格子が歪む前に、カーボン１０５がＢｉ１０６の結晶格子の隙間を移動して応力のエネルギーの一部を吸収する。この作用により、Ｂｉ１０６の結晶格子が大きく破壊されることを防いでいる。
【００３５】
尚、本実施の形態の、カーボンが分散した接合材料に応力が加わった場合、Ｂｉ１０６の結晶格子が全く破壊されないわけでは無く、一部は破壊される。しかし、カーボンが分散された接合材料を用いた場合、破壊される結晶格子の割合が、従来の接合材料の場合に比べて低減されるため、接合材料全体としては、接合の信頼性が向上するのである。
【００３６】
Ｂｉの結晶格子の隙間に分散させる原子は、融点がＢｉの融点２７１℃を超え、原子半径がＢｉの１６０ｐｍよりも小さく、かつＢｉと反応しない元素であれば良く、カーボンに限らず、Ｂｅ（溶融温度１２７８℃／原子半径１１２ｐｍ）、Ｂ（２０７９℃／８５ｐｍ）、Ｍｇ（６５０℃／１５０ｐｍ）、Ａｌ（６６０℃／１２５ｐｍ）、Ｓｉ（１４１４℃／１１０ｐｍ）を選ぶことができる。
【００３７】
Ｂの原子半径は上記５元素の内で最も小さいためＢｉの結晶格子の隙間に分散させ易く、Ｓｉ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｍｇの順に分散が困難になる。
【００３８】
さらに、原子半径が大きくなるとＢｉの結晶格子の内部を移動しにくくなるため応力エネルギーの吸収効果が低下する傾向があり、接合信頼性も同様に低下する傾向になる。
【００３９】
また、Ｍｇの融点は上記５元素の内で最も低いため、低温でＭｇをＢｉの結晶格子の隙間に分散させることができる。
【００４０】
また、これらの元素は、複数の元素を同時に用いても良い。同時に用いる場合は、カーボン＋Ｂ、Ｂｅ＋Ａｌ、Ｍｇ＋Ｓｉ、カーボン＋Ａｌ＋Ｓｉ等の任意の組み合わせを用いることができる。しかし、これらの元素はカーボンの原子半径７０ｐｍと比較して大きく、Ｂｉの原子半径１６０ｐｍの５０％よりも大きいとＢｉの結晶格子の隙間に入りにくいため最良の元素はカーボンである。
【００４１】
半導体素子１０２は、Ｓｉで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウエハから、４．５ｍｍ×３．５５ｍｍの大きさで切り出されている。半導体素子１０２は、Ｓｉに限らずＧｅで構成されていても良く、さらに化合物半導体のＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等で構成されていても良い。また、半導体素子１０２の大きさは、半導体素子の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０２の厚みは、半導体素子の大きさにより異なる場合もあり、０．３ｍｍに限らず、０．４ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１５ｍｍ等のものを用いても良い。
【００４２】
電極１０３は、Ｃｕ合金で構成され、接合材料との濡れ性を確保するために電極１０３の接合材料側に表面処理層（図示せず）としてＡｇを１μｍの厚みで電解めっき法により成膜している。表面処理層は接合材料との濡れ性が良い金属であるＡｕ、Ｎｉ、Ｐｄを用いてもよく、厚みも１μｍの成膜厚みバラつきを考慮して１μｍ以上あれば良く、成膜方法も電解めっき法に限らず蒸着法、無電解めっき法等を用いても良い。
【００４３】
一般的なはんだ付けにおいては、良好なはんだ付け状態を得るために、接合材料および電極表面の酸化物を除去して清浄化する目的で、ＢｒあるいはＣｌ等のハロゲン化物を含むフラックスが用いられている。フラックスは接合材料に混合して用いる場合もあれば、接合材料を供給する前後の別工程で供給される場合もあるが、はんだ付けの加熱時に還元力を発現して酸化物を除去する働きをする。しかし、はんだ付け後に接合部にハロゲン化物の残渣が残るため、水分の浸入と電位差の影響によりマイグレーション不良を起こす場合がある。実施の形態１のパワー半導体部品は電源回路に使用され高い信頼性が要求されるため、はんだ付け時にはフラックスを使用していない。
【００４４】
本実施の形態１の接合構造体を有するパワー半導体部品の生産手順を以下に示す。
【００４５】
本実施の形態の、カーボンが分散した接合材料を２０μｍの厚みで表面に形成したシリコン半導体素子を準備する。つぎに、電極１０３（ダイパッド部）に０．５μｍ厚のＡｇめっきを施されたＣｕ材のリードフレームを、水素を５％含む窒素雰囲気中で３２０℃に加熱する。この水素の還元力により酸化物を除去しており、水素は気体であるため、はんだ付け後に接合部に残留することはない。加熱されたダイパッド部に、本実施の形態のカーボンが分散した接合材料を形成したシリコン半導体素子を搭載する。Ｂｉの融点２７０℃で溶融した接合材料が、半導体素子と電極１０３（ダイパッド部）とを接合した後加熱を停止させ、冷却工程で２７０℃未満に冷却することで固定される。
【００４６】
次にカーボン１０５の含有量について説明する。
【００４７】
図５は、接合材料に含まれるカーボン量と故障サイクル数との関係を示した図である。ここでは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕに含まれるカーボンの量を変化させている。カーボンの量とは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕを１００とした場合に対するカーボンの量を示している。
【００４８】
カーボンの量は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）によって定量化することができる。ＳＩＭＳは、固体表面の微小領域の元素分析に用いられる分析法であり、水素を含む全元素を高感度で検出できるため、カーボンのような原子量の小さな元素の量をｐｐｍ単位で測定することができる。
【００４９】
カーボンはＢｉと金属結合できないため、Ｂｉを主成分とする接合材料を加熱し溶融して、そこにカーボン単体を混ぜ合わせたとしても、Ｂｉを含む溶融金属の表面に分離してしまう。つまり、カーボンを単純に混ぜ合わせただけでは、カーボンをＢｉの結晶格子の間に分散させるという目的は達成出来ない。
【００５０】
そこで、上記目的を達成させるために、Ｂｉを主成分とする接合材料に、カーボンを含む金属錯体を含有させることとした。
【００５１】
従って、ここでのカーボンは、配位子を持つ金属錯体に含まれており、その配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及び、メチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つことを特徴としている。配位子は孤立電子対を持つ基を有しており、この基がＢｉあるいはＣｕ等の金属と配位結合して錯体を形成する。配位子の種類により配位力に違いがあり、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、メチル基の順に、配位力が弱くなる。錯体を構成する金属（ここでは、ＢｉあるいはＣｕ等の金属）と官能基との結合力は、カーボンを主成分であるＢｉの結晶格子の間に十分に分散させるために必要である。従って、本実施の形態の場合、配位力が強いカルボキシル基、またはアルデヒド基を用いる方がより好ましい。
【００５２】
図５において、横軸は接合材料に含まれるカーボン量である。具体的には、カルボキシル基を官能基に持つエチレンジアミンテトラ酢酸塩を配位子としたビスマス錯体を接合材料に加えた。カーボン量は、接合材料に対するビスマス錯体の量を変化させることにより所定の量に調整している。接合材料に含まれるカーボン量は、接合材料の断面をＳＩＭＳにより表面分析を行い、その割合を算出した。
【００５３】
尚、配位子はエチレンジアミンテトラ酢酸塩に限らず、ビスマス錯体を形成するジエチレントリアミンペンタ酢酸塩、ニトリロトリ酢酸塩でも良く、官能基はカルボキシル基に限らず、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、メチル基でも良い。また、複数の配位子を同時に使用しても良い。縦軸は信頼性試験による故障サイクル数であり、本実施の形態１により接合された接合構造体により組み立てたＩＧＢＴに対して、低温側が−６５℃、高温側が１５０℃の温度サイクル試験を実施した際の動作試験により、故障率が０．１５％になる故障サイクル数を、Ｎ数（サンプル数）＝１５で算出している。
【００５４】
カーボンの含有量が少なくなると、接合部が熱応力により破断することを防ぐことができなくなるため、接合部が破壊されてしまい好ましくない。また、カーボンの含有量が多くなると、Ｂｉの半導体素子および電極への接合を阻害し、良好な接合状態を得ることができなくなるので好ましくない。
【００５５】
ここでは、製品の品質基準を元に故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとして判断している。この設定値は、製品の種類によって品質基準の故障サイクル数が変化するかも知れないが、概して５００ｃｙｃ以上あれば一般的に良品と考えてよいと判断している。
【００５６】
そこで、図５の結果からわかるように、カーボン量が０．０５〜０．１５％であれば故障サイクル数が７００ｃｙｃ以上であり、熱応力緩和の効果が十分に得られている。また、カーボン量が、０．０２％の場合は故障サイクル数が５７０ｃｙｃに低下するが、上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃと比較すると、効果が得られていると言える。一方、カーボン量が０．３％になると、故障サイクル数が１８０ｃｙｃとなり好ましくない。これは、Ｂｉの結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料の内部に分散することのできるカーボン量には限界があり、限界量を超えたカーボンは接合材料の表面に現れて、接合材料が半導体素子および電極と接合することを阻害するためである。また、カーボン量が０．２５％の場合は故障サイクル数が５００ｃｙｃに低下するが、ここでの故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとしているので熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【００５７】
以上からカーボン量が０．０２％〜０．２５％の範囲であれば熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【００５８】
また、カーボンに代えてＡｌを用いることができるが、Ａｌの原子半径は１２５ｐｍであり、カーボンの原子半径７０ｐｍと比較して約１７８％と大きいため、ＡｌはＢｉの結晶格子の隙間に入りにくく、カーボンと同程度の破断防止効果（同程度の故障サイクル数）を得るためには、接合材料への含有量を多くしなければならない。
【００５９】
図６は、接合材料に含まれるＡｌ量と故障サイクル数との関係を示した図である。ここでは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕに含まれるＡｌの量を変化させている。
【００６０】
図６において、横軸は接合材料に含まれるＡｌ量であり、９５０℃に加熱したＢｉ−０．８重量％ＣｕにＡｌを加えた後に冷却した接合材料である。縦軸は信頼性試験による故障サイクル数であり、本実施の形態１により接合された接合構造体により組み立てたＩＧＢＴにより、低温側が−６５℃、高温側が１５０℃の温度サイクル試験を実施した際の動作試験により、故障率が０．１５％になるサイクル数をＮ数１５で算出している。
【００６１】
Ａｌの含有量が少なくなると、接合部が熱応力により破断することを防ぐことができなくなるため、接合部が破壊されてしまい好ましくない。また、Ａｌの含有量が多くなると、Ｂｉの半導体素子および電極への接合を阻害し、良好な接合状態を得ることができなくなるので好ましくない。
【００６２】
図６の結果からわかるように、Ａｌ量が０．１〜０．１５％であれば故障サイクル数が７００ｃｙｃ以上であり、熱応力緩和の効果が十分に得られている。カーボンの場合は０．０５％の含有で７００ｃｙｃ以上の故障サイクル数を得られるが、Ａｌの場合はＢｉの結晶格子の隙間に入りにくいため０．０５％の含有では７００ｃｙｃ以上の故障サイクル数を得ることはできない。しかし、０．０５％の場合の故障サイクル数は６００ｃｙｃであり、上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃと比較すると、効果が得られていると言える。また、０．０２％の場合は５００ｃｙｃに低下するが、この場合でも上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃを確保しているので、効果が得られていると言える。
【００６３】
一方、Ａｌ量が０．３％になると、故障サイクル数が３１０ｃｙｃとなり好ましくない。これは、Ｂｉの結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料の内部に分散することのできるＡｌ量には限界があり、限界量を超えたＡｌは接合材料の表面に現れて、接合材料が半導体素子および電極と接合することを阻害するためである。また、Ａｌ量が０．２〜０．２５％の場合は故障サイクル数が６４５〜５２０ｃｙｃに低下するが、カーボンのときと同様にここでの故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとしているので効果が得られていると言える。
【００６４】
以上からＡｌ量が０．０２〜０．２５の範囲であれば熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【００６５】
尚、本実施の形態に利用可能な他の金属錯体の一例として、カルボキシル基を官能基に持つトリス（２、４−ペンタンジオナト）を配位子としたアルミニウム錯体を挙げることが出来る。ここで、配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及び、メチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つことを特徴としている。
【００６６】
次に接合材料１０４について説明する。
【００６７】
まず、Ｂｉ-０．８重量％Ｃｕの接合材料１０４の層を厚み１０μｍで作製する方法について説明する。
【００６８】
半導体素子１０２が対向して配置される側の電極１０３の表面に蒸着法により厚み０．１μｍのＣｕ層を形成する。その後、カルボキシル基を官能基に持つエチレンジアミンテトラ酢酸塩を配位子としたビスマス錯体を電解めっきにより厚み９．９μｍで形成する。これを、水素を５％含む窒素雰囲気中で、ビスマスの融点以上の３２０℃に加熱するとビスマスが溶融して、蒸着により形成されたＣｕがビスマスの内部に拡散して、Ｂｉ-０．８重量％Ｃｕの合金となり、その内部に錯体によるカーボンが分散した状態になる。
【００６９】
接合材料１０４は、０．８重量％のＣｕを含み、且つ、不可避的不純物を除いた残部としてのＢｉを９０重量％以上含むものを用いた。また接合材料１０４の組成はＢｉ−Ｃｕに限らず、Ｂｉ−Ａｇ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ、Ｚｎ−Ａｌなどを用いることができるが、半導体素子を電極に接合するための、一般的なダイボンド装置の加熱温度上限は３５０〜４００℃であり、接合材料は概ね３５０℃以下で溶融することが求められる。
【００７０】
Ｂｉの溶融温度は２７１℃であり、ＢｉにＣｕを加えていくと、０．５重量％で共晶温度の２７０℃になり、さらにＣｕを加えていくと１重量％で３５１℃となり（表１中の例えば、組成３参照）、ほぼ加熱温度上限に達する。
【００７１】
また、ＢｉにＡｇを加えていくと液相温度が下がり、２．５重量％で共晶温度の２６２℃になる。さらにＡｇを加えていくと９重量％で３５０℃となり（表１中の例えば、組成２５参照）、ほぼ加熱温度上限に達する。
【００７２】
Ｂｉを主成分とする接合材料を１００とした場合、ＣｕおよびＡｇはＢｉ組織の内部に析出して金属強度の向上に寄与している。従って、ＣｕおよびＡｇは少なくとも０．１重量％以上であることが望ましい。
【００７３】
ここで、表１は、本実施の形態の接合材料の組成による、溶融温度と故障サイクル数の変化を示す図である。
【００７４】
【表１】
2010150495.tif 000003
表１からもわかるように、組成１〜組成２５は、溶融温度が２６０℃以上であり、且つ３５１℃以下であり、０．１〜１重量％のＣｕ、及び０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、且つ、不可避的不純物を除いた残部としてのＢｉを９０重量％以上含む接合材料である。また接合材料は、溶融温度が２６０℃以上であり、且つ３５１℃以下となる範囲で任意の組成を用いて良い。
【００７５】
尚、表１では、組成１〜組成１３は、Ａｌの量を０に固定し、カーボンの量と、ＣｕまたはＡｇの量を変化させた場合を示す。
【００７６】
また、組成１〜組成６のグループＡと、組成７〜組成１３のグループＢとの違いは、グループＡはＡｇの量を０に固定し、Ｃｕの量を変化させているのに対し、グループＢはＣｕの量を０に固定し、Ａｇの量を変化させている点である。
【００７７】
また、組成１４〜組成１８は、カーボンの量を０に固定し、Ａｌの量を変化させた場合を示す。
【００７８】
また、組成１９〜２０は、Ａｌの量を０に固定し、カーボン以外に、ＢまたはＳｉ、及び、ＣｕまたはＡｇを含む場合を示す。
【００７９】
また、組成２１〜２３は、カーボンの量を０に固定し、Ａｌ以外に、Ｂ、Ｓｉ、またはＢｅ、及び、Ｃｕ及び／またはＡｇを含む場合を示す。
【００８０】
また、組成２４〜２５は、カーボンとＡｌの両方を含む場合を示す。
【００８１】
かかる構成によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料に、カーボン１０５またはＡｌを含む金属錯体を加えることにより、半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力を緩和することができるため、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の接合構造体、接合材料、及び接合材料の製造方法は、半導体素子と電極との線膨張係数の差による接合部の破壊を低減することが出来るので、パワー半導体、小電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１  半導体部品
２  基板
３  はんだ材料
４  外部電極
５  基板電極
６  半導体素子
７、１１  電極
８  接合材料
９  パワー半導体モジュール
１０  パワー半導体素子
１２  接合部
１３  Ｃｕ層
１００  半導体部品
１０１  基板
１０２  半導体素子
１０３  電極
１０４  接合材料
１０５  カーボン 
【図１】
2010150495.tif 000004
【図２】
2010150495.tif 000005
【図３】
2010150495.tif 000006
【図４】
2010150495.tif 000007
【図５】
2010150495.tif 000008
【図６】
2010150495.tif 000009
【図７】
2010150495.tif 000010
【図８】
2010150495.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月20日(2011.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料を含む接合構造体に関するものであり、より詳細には、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の半導体素子と電極とを接合した半導体部品の接合構造体、接合材料、及び接合材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品は、はんだ材料を用いて、基板に実装される。例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のような半導体部品と基板とを接合するはんだ材料には、一般的に融点が２２０℃のＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕが用いられている。
【０００３】
図７は、半導体部品が基板に実装された模式図である。半導体部品１を基板２に実装する際には、はんだ浸漬方式のディップ装置により、例えば、融点が２２０℃のはんだ材料３であるＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕで、半導体部品１の外部電極４を基板電極５にはんだ付けする。このときはんだ材料３は、ディップ装置により２５０〜２６０℃に加熱されているため、半導体部品１の内部温度は２５０〜２６０℃に達することがある。半導体部品１はその内部に半導体素子６と電極７とが接合材料８で接合されているが、半導体部品１の内部で、接合材料８が溶融すると、短絡、断線、あるいは電気特性の変化が生じて最終製品に不良が生じる可能性がある。よって、半導体部品１の内部に用いる接合材料８は、ディップ装置ではんだ付けする際に到達する半導体部品１内部の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。
【０００４】
そこで、溶融温度が２６０℃を超え、Ｐｂを含まない接合材料として、Ｂｉを９０重量％以上含む接合材料（以降「Ｂｉを主成分とする接合材料」とする）（例えばＢｉ―２．５重量％Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕ  融点２７０℃）が適していると考えられている。他の接合材料としてＺｎも検討されているが、濡れ性や接合のしやすさなどを考慮すれば、現在では、前記のＢｉを主成分とする接合材料が適している。そこで、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いたパワー半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。図８は、特許文献１に記載された従来の接合構造体（パワー半導体モジュール）の断面図である。
【０００５】
図８において、パワー半導体モジュール９は、パワー半導体素子１０の接合部１２側の表面に接合材料と接合させるために形成されたＣｕ層１３と電極１１とが接合部１２により接合されている。この接合部１２は、Ｂｉを主成分とする接合材料が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報（例えば、第２４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、接合部１２の主成分であるＢｉはＰｂと比較して硬いため、パワー半導体素子１０が動作する際の発熱により、パワー半導体素子１０と電極１１との線膨張係数の差に由来する応力が接合部１２に加わった際に、接合部１２が歪みに耐え切れずに破壊するクラック不良が発生する。そのため、製品の品質が安定せず、接合信頼性が低いという課題を有していた。
【０００８】
尚、従来のパワー半導体モジュール９の故障サイクル数を測定すると３１０ｃｙｃであり、その測定条件は次の通りである。即ち、Ｂｉを主成分とする接合材料（Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕ）を用いたパワー半導体モジュール９に対して、低温側が−６５℃、高温側が１５０℃の温度サイクル試験を実施した際の動作試験により、故障率が０．１５％になる故障サイクル数を、Ｎ数（サンプル数）＝１５で算出した。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、従来に比べて接合部の信頼性として、例えば、故障サイクル数の改善を図ることが出来る接合構造体、接合材料、及び接合材料の製造方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、
第１の本発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子に対向して配置される電極と、
前記半導体素子と前記電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料とを有し、
前記Ｂｉを主成分とする接合材料が炭素化合物を含有している、接合構造体である。
【００１１】
第２の本発明は、
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、上記第１の本発明の接合構造体である。
【００１２】
第３の本発明は、
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、上記第２の本発明の接合構造体である。
【００１３】
第４の本発明は、
前記金属錯体を構成する金属はＢｉである、上記第２の本発明の接合構造体である。
【００１４】
第５の本発明は、
前記接合材料は、
０．１〜１重量％のＣｕと、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素と、
Ｂｉを９０重量％以上含む金属材料と、
０．０２〜０．２５重量％のカーボンとを含む、上記第１の接合構造体である。
【００１５】
第６の本発明は、
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料であって、
前記接合材料は炭素化合物を含有している、接合材料である。
【００１６】
第７の本発明は、
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、上記第６の本発明の接合材料である。
【００１７】
第８の本発明は、
前記炭素化合物を含有する前記金属錯体の前記配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、上記第７の本発明の接合材料である。
【００１８】
第９の本発明は、
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料の製造方法であって、
前記電極の表面にＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
前記Ｃｕ層が形成された電極に対して、炭素化合物を含む、配位子を持つＢｉ錯体の層を形成するＢｉ錯体層形成工程と、
前記Ｂｉ錯体層が形成された電極を、前記Ｂｉの融点以上に加熱する加熱工程と、を備えた接合材料の製造方法である。  
【００１９】
第１０の本発明は、
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、上記第９の本発明の接合材料の製造方法である。
【００２０】
本構成によって、Ｂｉを主成分とする接合材料が炭素化合物を含有していることにより、半導体素子と電極との接合部の信頼性を従来に比べて向上できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、半導体素子と電極との接合部の信頼性として、例えば、故障サイクル数の改善を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における接合構造体の断面図、（ｂ）図１（ａ）の点線で囲まれた領域Ａを拡大した模式図
【図２】本発明の実施の形態１における接合材料の構造を示した図
【図３】従来の接合材料に半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図
【図４】カーボンが分散した接合材料に半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図
【図５】カーボン量と半導体素子の故障サイクル数との関係を示した図
【図６】Ａｌ量と半導体素子の故障サイクル数との関係を示した図
【図７】半導体素子が基板に実装された模式図
【図８】従来の接合構造体（パワー半導体モジュール）の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における接合構造体の断面図である。
【００２５】
図１（ａ）は、半導体部品が基板に実装された模式図であり、点線で囲まれた領域Ａを拡大した図が図１（ｂ）に相当する。
【００２６】
図１（ａ）で、半導体部品１００は基板１０１に実装されており、半導体部品１００内部は、半導体素子１０２と電極１０３を含む領域Ａを拡大した図１（ｂ）で説明する。
【００２７】
図１（ｂ）において、半導体素子１０２は、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕ（融点２７０℃）の内部に炭素化合物の構成元素であるカーボン１０５が分散した接合材料１０４により、電極１０３に接合されている。図示はしていないが、半導体素子１０２の電極１０３に対向する表面には、接合材料１０４と接合させるために形成されたＣｕ層がある。
【００２８】
図２は、接合材料１０４の構造を示した図であり、カーボン１０５が分散した接合材料１０４を示すモデル図である。接合材料１０４の主成分であるＢｉ１０６の結晶構造は菱面体晶であり、原子半径７０ｐｍのカーボン１０５は原子半径１６０ｐｍのＢｉ１０６よりも小さいため、カーボン１０５はＢｉ１０６の結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料１０４の内部に分散している。
【００２９】
ここで、カーボン１０５が分散した接合材料１０４の定義としては、Ｂｉ１０６の結晶格子の隙間にカーボン１０５が侵入した形式を持った接合材料１０４であることとする。
【００３０】
図３は、従来の接合材料に、半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図である。応力１０７が加わることによりＢｉの結晶格子に歪みが生じ、歪量が回復限界を超えると結晶格子が破壊して元の状態に戻ることができなくなる。
【００３１】
尚、図３中において、破線で示した箇所は、結晶格子が破壊されたことを示している。
【００３２】
図４は、本実施の形態の構成を適用した場合の例であり、カーボンが分散した接合材料に半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力が加わった場合の状態を示す図である。
【００３３】
本願の発明者は、本実施の形態の、カーボンが分散した接合材料において、Ｂｉ１０６の結晶格子が破壊され難い理由を次の様に推測している。
【００３４】
即ち、隣接するＢｉとＢｉとは金属結合により強固に接合されているが、カーボンはＢｉと金属結合することができないため、Ｂｉよりも移動し易い状態でＢｉの結晶格子の隙間に存在している。そのため、応力１０７が加わると、Ｂｉ１０６の結晶格子が歪む前に、カーボン１０５がＢｉ１０６の結晶格子の隙間を移動して応力のエネルギーの一部を吸収する。この作用により、Ｂｉ１０６の結晶格子が大きく破壊されることを防いでいる。
【００３５】
尚、本実施の形態の、カーボンが分散した接合材料に応力が加わった場合、Ｂｉ１０６の結晶格子が全く破壊されないわけでは無く、一部は破壊される。しかし、カーボンが分散された接合材料を用いた場合、破壊される結晶格子の割合が、従来の接合材料の場合に比べて低減されるため、接合材料全体としては、接合の信頼性が向上するのである。
【００３６】
Ｂｉの結晶格子の隙間に分散させる原子は、融点がＢｉの融点２７１℃を超え、原子半径がＢｉの１６０ｐｍよりも小さく、かつＢｉと反応しない元素であれば良く、カーボンに限らず、Ｂｅ（溶融温度１２７８℃／原子半径１１２ｐｍ）、Ｂ（２０７９℃／８５ｐｍ）、Ｍｇ（６５０℃／１５０ｐｍ）、Ａｌ（６６０℃／１２５ｐｍ）、Ｓｉ（１４１４℃／１１０ｐｍ）を選ぶことができる。
【００３７】
Ｂの原子半径は上記５元素の内で最も小さいためＢｉの結晶格子の隙間に分散させ易く、Ｓｉ、Ｂｅ、Ａｌ、Ｍｇの順に分散が困難になる。
【００３８】
さらに、原子半径が大きくなるとＢｉの結晶格子の内部を移動しにくくなるため応力エネルギーの吸収効果が低下する傾向があり、接合信頼性も同様に低下する傾向になる。
【００３９】
また、Ｍｇの融点は上記５元素の内で最も低いため、低温でＭｇをＢｉの結晶格子の隙間に分散させることができる。
【００４０】
また、これらの元素は、複数の元素を同時に用いても良い。同時に用いる場合は、カーボン＋Ｂ、Ｂｅ＋Ａｌ、Ｍｇ＋Ｓｉ、カーボン＋Ａｌ＋Ｓｉ等の任意の組み合わせを用いることができる。しかし、これらの元素はカーボンの原子半径７０ｐｍと比較して大きく、Ｂｉの原子半径１６０ｐｍの５０％よりも大きいとＢｉの結晶格子の隙間に入りにくいため最良の元素はカーボンである。
【００４１】
半導体素子１０２は、Ｓｉで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウエハから、４．５ｍｍ×３．５５ｍｍの大きさで切り出されている。半導体素子１０２は、Ｓｉに限らずＧｅで構成されていても良く、さらに化合物半導体のＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等で構成されていても良い。また、半導体素子１０２の大きさは、半導体素子の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０２の厚みは、半導体素子の大きさにより異なる場合もあり、０．３ｍｍに限らず、０．４ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１５ｍｍ等のものを用いても良い。
【００４２】
電極１０３は、Ｃｕ合金で構成され、接合材料との濡れ性を確保するために電極１０３の接合材料側に表面処理層（図示せず）としてＡｇを１μｍの厚みで電解めっき法により成膜している。表面処理層は接合材料との濡れ性が良い金属であるＡｕ、Ｎｉ、Ｐｄを用いてもよく、厚みも１μｍの成膜厚みバラつきを考慮して１μｍ以上あれば良く、成膜方法も電解めっき法に限らず蒸着法、無電解めっき法等を用いても良い。
【００４３】
一般的なはんだ付けにおいては、良好なはんだ付け状態を得るために、接合材料および電極表面の酸化物を除去して清浄化する目的で、ＢｒあるいはＣｌ等のハロゲン化物を含むフラックスが用いられている。フラックスは接合材料に混合して用いる場合もあれば、接合材料を供給する前後の別工程で供給される場合もあるが、はんだ付けの加熱時に還元力を発現して酸化物を除去する働きをする。しかし、はんだ付け後に接合部にハロゲン化物の残渣が残るため、水分の浸入と電位差の影響によりマイグレーション不良を起こす場合がある。実施の形態１のパワー半導体部品は電源回路に使用され高い信頼性が要求されるため、はんだ付け時にはフラックスを使用していない。
【００４４】
本実施の形態１の接合構造体を有するパワー半導体部品の生産手順を以下に示す。
【００４５】
本実施の形態の、カーボンが分散した接合材料を２０μｍの厚みで表面に形成したシリコン半導体素子を準備する。つぎに、電極１０３（ダイパッド部）に０．５μｍ厚のＡｇめっきを施されたＣｕ材のリードフレームを、水素を５％含む窒素雰囲気中で３２０℃に加熱する。この水素の還元力により酸化物を除去しており、水素は気体であるため、はんだ付け後に接合部に残留することはない。加熱されたダイパッド部に、本実施の形態のカーボンが分散した接合材料を形成したシリコン半導体素子を搭載する。Ｂｉの融点２７０℃で溶融した接合材料が、半導体素子と電極１０３（ダイパッド部）とを接合した後加熱を停止させ、冷却工程で２７０℃未満に冷却することで固定される。
【００４６】
次にカーボン１０５の含有量について説明する。
【００４７】
図５は、接合材料に含まれるカーボン量と故障サイクル数との関係を示した図である。ここでは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕに含まれるカーボンの量を変化させている。カーボンの量とは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕを１００とした場合に対するカーボンの量を示している。
【００４８】
カーボンの量は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）によって定量化することができる。ＳＩＭＳは、固体表面の微小領域の元素分析に用いられる分析法であり、水素を含む全元素を高感度で検出できるため、カーボンのような原子量の小さな元素の量をｐｐｍ単位で測定することができる。
【００４９】
カーボンはＢｉと金属結合できないため、Ｂｉを主成分とする接合材料を加熱し溶融して、そこにカーボン単体を混ぜ合わせたとしても、Ｂｉを含む溶融金属の表面に分離してしまう。つまり、カーボンを単純に混ぜ合わせただけでは、カーボンをＢｉの結晶格子の間に分散させるという目的は達成出来ない。
【００５０】
そこで、上記目的を達成させるために、Ｂｉを主成分とする接合材料に、カーボンを含む金属錯体を含有させることとした。
【００５１】
従って、ここでのカーボンは、配位子を持つ金属錯体に含まれており、その配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及び、メチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つことを特徴としている。配位子は孤立電子対を持つ基を有しており、この基がＢｉあるいはＣｕ等の金属と配位結合して錯体を形成する。配位子の種類により配位力に違いがあり、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、メチル基の順に、配位力が弱くなる。錯体を構成する金属（ここでは、ＢｉあるいはＣｕ等の金属）と官能基との結合力は、カーボンを主成分であるＢｉの結晶格子の間に十分に分散させるために必要である。従って、本実施の形態の場合、配位力が強いカルボキシル基、またはアルデヒド基を用いる方がより好ましい。
【００５２】
図５において、横軸は接合材料に含まれるカーボン量である。具体的には、カルボキシル基を官能基に持つエチレンジアミンテトラ酢酸塩を配位子としたビスマス錯体を接合材料に加えた。カーボン量は、接合材料に対するビスマス錯体の量を変化させることにより所定の量に調整している。接合材料に含まれるカーボン量は、接合材料の断面をＳＩＭＳにより表面分析を行い、その割合を算出した。
【００５３】
尚、配位子はエチレンジアミンテトラ酢酸塩に限らず、ビスマス錯体を形成するジエチレントリアミンペンタ酢酸塩、ニトリロトリ酢酸塩でも良く、官能基はカルボキシル基に限らず、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、メチル基でも良い。また、複数の配位子を同時に使用しても良い。縦軸は信頼性試験による故障サイクル数であり、本実施の形態１により接合された接合構造体により組み立てたＩＧＢＴに対して、低温側が−６５℃、高温側が１５０℃の温度サイクル試験を実施した際の動作試験により、故障率が０．１５％になる故障サイクル数を、Ｎ数（サンプル数）＝１５で算出している。
【００５４】
カーボンの含有量が少なくなると、接合部が熱応力により破断することを防ぐことができなくなるため、接合部が破壊されてしまい好ましくない。また、カーボンの含有量が多くなると、Ｂｉの半導体素子および電極への接合を阻害し、良好な接合状態を得ることができなくなるので好ましくない。
【００５５】
ここでは、製品の品質基準を元に故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとして判断している。この設定値は、製品の種類によって品質基準の故障サイクル数が変化するかも知れないが、概して５００ｃｙｃ以上あれば一般的に良品と考えてよいと判断している。
【００５６】
そこで、図５の結果からわかるように、カーボン量が０．０５〜０．１５％であれば故障サイクル数が７００ｃｙｃ以上であり、熱応力緩和の効果が十分に得られている。また、カーボン量が、０．０２％の場合は故障サイクル数が５７０ｃｙｃに低下するが、上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃと比較すると、効果が得られていると言える。一方、カーボン量が０．３％になると、故障サイクル数が１８０ｃｙｃとなり好ましくない。これは、Ｂｉの結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料の内部に分散することのできるカーボン量には限界があり、限界量を超えたカーボンは接合材料の表面に現れて、接合材料が半導体素子および電極と接合することを阻害するためである。また、カーボン量が０．２５％の場合は故障サイクル数が５００ｃｙｃに低下するが、ここでの故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとしているので熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【００５７】
以上からカーボン量が０．０２％〜０．２５％の範囲であれば熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【００５８】
また、カーボンに代えてＡｌを用いることができるが、Ａｌの原子半径は１２５ｐｍであり、カーボンの原子半径７０ｐｍと比較して約１７８％と大きいため、ＡｌはＢｉの結晶格子の隙間に入りにくく、カーボンと同程度の破断防止効果（同程度の故障サイクル数）を得るためには、接合材料への含有量を多くしなければならない。
【００５９】
図６は、接合材料に含まれるＡｌ量と故障サイクル数との関係を示した図である。ここでは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕに含まれるＡｌの量を変化させている。
【００６０】
図６において、横軸は接合材料に含まれるＡｌ量であり、９５０℃に加熱したＢｉ−０．８重量％ＣｕにＡｌを加えた後に冷却した接合材料である。縦軸は信頼性試験による故障サイクル数であり、本実施の形態１により接合された接合構造体により組み立てたＩＧＢＴにより、低温側が−６５℃、高温側が１５０℃の温度サイクル試験を実施した際の動作試験により、故障率が０．１５％になるサイクル数をＮ数１５で算出している。
【００６１】
Ａｌの含有量が少なくなると、接合部が熱応力により破断することを防ぐことができなくなるため、接合部が破壊されてしまい好ましくない。また、Ａｌの含有量が多くなると、Ｂｉの半導体素子および電極への接合を阻害し、良好な接合状態を得ることができなくなるので好ましくない。
【００６２】
図６の結果からわかるように、Ａｌ量が０．１〜０．１５％であれば故障サイクル数が７００ｃｙｃ以上であり、熱応力緩和の効果が十分に得られている。カーボンの場合は０．０５％の含有で７００ｃｙｃ以上の故障サイクル数を得られるが、Ａｌの場合はＢｉの結晶格子の隙間に入りにくいため０．０５％の含有では７００ｃｙｃ以上の故障サイクル数を得ることはできない。しかし、０．０５％の場合の故障サイクル数は６００ｃｙｃであり、上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃと比較すると、効果が得られていると言える。また、０．０２％の場合は５００ｃｙｃに低下するが、この場合でも上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃを確保しているので、効果が得られていると言える。
【００６３】
一方、Ａｌ量が０．３％になると、故障サイクル数が３１０ｃｙｃとなり好ましくない。これは、Ｂｉの結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料の内部に分散することのできるＡｌ量には限界があり、限界量を超えたＡｌは接合材料の表面に現れて、接合材料が半導体素子および電極と接合することを阻害するためである。また、Ａｌ量が０．２〜０．２５％の場合は故障サイクル数が６４５〜５２０ｃｙｃに低下するが、カーボンのときと同様にここでの故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとしているので効果が得られていると言える。
【００６４】
以上からＡｌ量が０．０２〜０．２５の範囲であれば熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【００６５】
尚、本実施の形態に利用可能な他の金属錯体の一例として、カルボキシル基を官能基に持つトリス（２、４−ペンタンジオナト）を配位子としたアルミニウム錯体を挙げることが出来る。ここで、配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及び、メチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つことを特徴としている。
【００６６】
次に接合材料１０４について説明する。
【００６７】
まず、Ｂｉ-０．８重量％Ｃｕの接合材料１０４の層を厚み１０μｍで作製する方法について説明する。
【００６８】
半導体素子１０２が対向して配置される側の電極１０３の表面に蒸着法により厚み０．１μｍのＣｕ層を形成する。その後、カルボキシル基を官能基に持つエチレンジアミンテトラ酢酸塩を配位子としたビスマス錯体を電解めっきにより厚み９．９μｍで形成する。これを、水素を５％含む窒素雰囲気中で、ビスマスの融点以上の３２０℃に加熱するとビスマスが溶融して、蒸着により形成されたＣｕがビスマスの内部に拡散して、Ｂｉ-０．８重量％Ｃｕの合金となり、その内部に錯体によるカーボンが分散した状態になる。
【００６９】
接合材料１０４は、０．８重量％のＣｕを含み、且つ、不可避的不純物を除いた残部としてのＢｉを９０重量％以上含むものを用いた。また接合材料１０４の組成はＢｉ−Ｃｕに限らず、Ｂｉ−Ａｇ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ、Ｚｎ−Ａｌなどを用いることができるが、半導体素子を電極に接合するための、一般的なダイボンド装置の加熱温度上限は３５０〜４００℃であり、接合材料は概ね３５０℃以下で溶融することが求められる。
【００７０】
Ｂｉの溶融温度は２７１℃であり、ＢｉにＣｕを加えていくと、０．５重量％で共晶温度の２７０℃になり、さらにＣｕを加えていくと１重量％で３５１℃となり（表１中の例えば、組成３参照）、ほぼ加熱温度上限に達する。
【００７１】
また、ＢｉにＡｇを加えていくと液相温度が下がり、２．５重量％で共晶温度の２６２℃になる。さらにＡｇを加えていくと９重量％で３５０℃となり（表１中の例えば、組成２５参照）、ほぼ加熱温度上限に達する。
【００７２】
Ｂｉを主成分とする接合材料を１００とした場合、ＣｕおよびＡｇはＢｉ組織の内部に析出して金属強度の向上に寄与している。従って、ＣｕおよびＡｇは少なくとも０．１重量％以上であることが望ましい。
【００７３】
ここで、表１は、本実施の形態の接合材料の組成による、溶融温度と故障サイクル数の変化を示す図である。
【００７４】
【表１】
2010150495.tif 000012
【００７５】
表１からもわかるように、組成１〜組成２５は、溶融温度が２６０℃以上であり、且つ３５１℃以下であり、０．１〜１重量％のＣｕ、及び０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、且つ、不可避的不純物を除いた残部としてのＢｉを９０重量％以上含む接合材料である。また接合材料は、溶融温度が２６０℃以上であり、且つ３５１℃以下となる範囲で任意の組成を用いて良い。
【００７６】
尚、表１では、組成１〜組成１３は、Ａｌの量を０に固定し、カーボンの量と、ＣｕまたはＡｇの量を変化させた場合を示す。
【００７７】
また、組成１〜組成６のグループＡと、組成７〜組成１３のグループＢとの違いは、グループＡはＡｇの量を０に固定し、Ｃｕの量を変化させているのに対し、グループＢはＣｕの量を０に固定し、Ａｇの量を変化させている点である。
【００７８】
また、組成１４〜組成１８は、カーボンの量を０に固定し、Ａｌの量を変化させた場合を示す。
【００７９】
また、組成１９〜２０は、Ａｌの量を０に固定し、カーボン以外に、ＢまたはＳｉ、及び、ＣｕまたはＡｇを含む場合を示す。
【００８０】
また、組成２１〜２３は、カーボンの量を０に固定し、Ａｌ以外に、Ｂ、Ｓｉ、またはＢｅ、及び、Ｃｕ及び／またはＡｇを含む場合を示す。
【００８１】
また、組成２４〜２５は、カーボンとＡｌの両方を含む場合を示す。
【００８２】
かかる構成によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料に、カーボン１０５またはＡｌを含む金属錯体を加えることにより、半導体素子と電極との線膨張係数の差に由来する応力を緩和することができるため、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明の接合構造体、接合材料、及び接合材料の製造方法は、半導体素子と電極との線膨張係数の差による接合部の破壊を低減することが出来るので、パワー半導体、小電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８４】
１  半導体部品
２  基板
３  はんだ材料
４  外部電極
５  基板電極
６  半導体素子
７、１１  電極
８  接合材料
９  パワー半導体モジュール
１０  パワー半導体素子
１２  接合部
１３  Ｃｕ層
１００  半導体部品
１０１  基板
１０２  半導体素子
１０３  電極
１０４  接合材料
１０５  カーボン 
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子に対向して配置される電極と、
前記半導体素子と前記電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料とを有し、
前記Ｂｉを主成分とする接合材料が炭素化合物を含有している、接合構造体。
【請求項２】
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、請求項１に記載の接合構造体。
【請求項３】
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、請求項２に記載の接合構造体。
【請求項４】
前記金属錯体を構成する金属はＢｉである、請求項２に記載の接合構造体。
【請求項５】
前記接合材料は、
０．１〜１重量％のＣｕと、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素と、
Ｂｉを９０重量％以上含む金属材料と、
０．０２〜０．２５重量％のカーボンとを含む、請求項１に記載の接合構造体。
【請求項６】
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料であって、
前記接合材料は炭素化合物を含有している、接合材料。
【請求項７】
前記炭素化合物は、配位子を持つ金属錯体に含まれる炭素化合物である、請求項６に記載の接合材料。
【請求項８】
前記炭素化合物を含有する前記金属錯体の前記配位子は、カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、請求項７に記載の接合材料。
【請求項９】
半導体素子と、前記半導体素子に対向して配置された電極とを接合するＢｉを主成分とする接合材料の製造方法であって、
前記電極の表面にＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
前記Ｃｕ層が形成された電極に対して、炭素化合物を含む、配位子を持つＢｉ錯体の層を形成するＢｉ錯体層形成工程と、
前記Ｂｉ錯体層が形成された電極を、前記Ｂｉの融点以上に加熱する加熱工程と、を備えた接合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記配位子は、
カルボキシル基、アルデヒド基、チオール基、ヒドロキシル基、フォスフィノ基、アミノ基、及びメチル基から選ばれた少なくとも１種類以上の官能基を持つ、請求項９に記載の接合材料の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010150495.tif 000013
【図２】
2010150495.tif 000014
【図３】
2010150495.tif 000015
【図４】
2010150495.tif 000016
【図５】
2010150495.tif 000017
【図６】
2010150495.tif 000018
【図７】
2010150495.tif 000019
【図８】
2010150495.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月24日(2011.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図５は、接合材料に含まれるカーボン量と故障サイクル数との関係を示した図である。ここでは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕに含まれるカーボンの量を変化させている。カーボンの量とは、Ｂｉ−０．８重量％Ｃｕの重量を１００とした場合に対するカーボンの量を示している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
そこで、図５の結果からわかるように、カーボン量が０．０５〜０．１５重量％であれば故障サイクル数が７００ｃｙｃ以上であり、熱応力緩和の効果が十分に得られている。また、カーボン量が、０．０２重量％の場合は故障サイクル数が５７０ｃｙｃに低下するが、上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃと比較すると、効果が得られていると言える。一方、カーボン量が０．３重量％になると、故障サイクル数が１８０ｃｙｃとなり好ましくない。これは、Ｂｉの結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料の内部に分散することのできるカーボン量には限界があり、限界量を超えたカーボンは接合材料の表面に現れて、接合材料が半導体素子および電極と接合することを阻害するためである。また、カーボン量が０．２５重量％の場合は故障サイクル数が５００ｃｙｃに低下するが、ここでの故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとしているので熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
以上からカーボン量が０．０２重量％〜０．２５重量％の範囲であれば熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
図６の結果からわかるように、Ａｌ量が０．１〜０．１５重量％であれば故障サイクル数が７００ｃｙｃ以上であり、熱応力緩和の効果が十分に得られている。カーボンの場合は０．０５重量％の含有で７００ｃｙｃ以上の故障サイクル数を得られるが、Ａｌの場合はＢｉの結晶格子の隙間に入りにくいため０．０５重量％の含有では７００ｃｙｃ以上の故障サイクル数を得ることはできない。しかし、０．０５重量％の場合の故障サイクル数は６００ｃｙｃであり、上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃと比較すると、効果が得られていると言える。また、０．０２重量％の場合は５００ｃｙｃに低下するが、この場合でも上記の故障サイクル数の設定値５００ｃｙｃを確保しているので、効果が得られていると言える。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
一方、Ａｌ量が０．３重量％になると、故障サイクル数が３１０ｃｙｃとなり好ましくない。これは、Ｂｉの結晶格子の隙間に侵入した形で接合材料の内部に分散することのできるＡｌ量には限界があり、限界量を超えたＡｌは接合材料の表面に現れて、接合材料が半導体素子および電極と接合することを阻害するためである。また、Ａｌ量が０．２〜０．２５重量％の場合は故障サイクル数が６４５〜５２０ｃｙｃに低下するが、カーボンのときと同様にここでの故障サイクル数の設定値を５００ｃｙｃとしているので熱応力緩和効果が得られていると言える。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
以上からＡｌ量が０．０２重量％〜０．２５重量％の範囲であれば熱応力緩和の効果が得られていると言える。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
Ｂｉを主成分とする接合材料の重量を１００とした場合、ＣｕおよびＡｇはＢｉ組織の内部に析出して金属強度の向上に寄与している。従って、ＣｕおよびＡｇは少なくとも０．１重量％以上であることが望ましい。
【国際調査報告】
2010150495.tif 000021
2010150495.tif 000022
2010150495.tif 000023
2010150495.tif 000024