(57)【要約】  半導体素子（１０２）の表面（１０２ｂ）に、結晶格子がＢｉを主成分とする接合材料（１０６）とは異なる金属の層（１０５）を配置すると共に、結晶格子が接合材料（１０６）とは異なる金属の前記層（１０５）と半導体素子（１０２）の表面（１０２ｂ）との間に、接合材料（１０６）との化合物生成熱の値が正の元素の層（１０４）を配置することにより、半導体素子１０２に、結晶格子が接合材料（１０６）とは異なる金属の前記層（１０５）の成分が拡散されることを防止する。
2010125800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置した
接合構造体。
【請求項２】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記接合材料との間に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を配置した
接合構造体。
【請求項３】
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層をＣｕとした場合に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の前記層は、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣから選ばれた１種類以上の材料であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載の接合構造体。
【請求項４】
前記接合材料は、
０．１〜１重量％のＣｕ、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、不可避的不純物を除き、残部がＢｉからなることを特徴とする
請求項１〜請求項３の何れかに記載の接合構造体。
【請求項５】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層を、前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して前記半導体素子を接合する
接合構造体の接合方法。
【請求項６】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層の前記電極の側の面に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を形成し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層を前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の前記層を介して前記半導体素子を接合する
接合構造体の接合方法。
【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５は、半導体部品が基板に実装された模式図である。【０００４】
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の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。【０００５】
そこで、溶融温度が２６０℃を超え、鉛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―２．５Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．５Ｃｕ  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６は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。【０００６】
図６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と導電層１１との間には接合部１２がある。この接合部１２は、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて、被接合面であるパワー半導体素子１０の接合部１２の側の表面に、Ｂｉを主成分とする接合材料とパワー半導体素子１０を構成するＳｉとを接合させるために蒸着法で厚みが０．１μｍ〜１０μｍのＣｕ層１３を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、パワー半導体素子１０がＳｉで構成され、パワー半導体素子１０の表面に配置されているＣｕ層１３のＣｕがＳｉに対して拡散し易いと理由から、パワー半導体素子１０の内部へのＣｕの拡散が発生し、パワー半導体素子１０が正常に機能しなくなる不良の発生が起こって製品歩留まりが低下し、品質が安定しないという課題を有している。【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半導体素子と電極とをＢｉを主成分とする接合材料により接合した場合にも、品質が安定した接合構造体と接合構造体の接合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】
本発明の接合構造体は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置したことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の接合構造体は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記接合材料との間に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を配置したことを特徴とする。【００１２】
本発明の接合構造体の接合方法は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層を、前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して前記半導体素子を接合することを特徴とする。【００１３】
また、本発明の接合構造体の接合方法は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層の前記電極の側の面に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を形成し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層を前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の前記層を介して前記半導体素子を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この構成によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料により、半導体素子と電極とを品質良く接合できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における接合構造体の断面図
【図２】同実施の形態の拡散防止層の厚みと半導体素子不良発生率との関係図
【図３】本発明の実施の形態２における接合構造体の断面図
【図４】同実施の形態の各表面材料に対するＢｉの濡れ広がり率を示した図
【図５】半導体素子が基板に実装された模式図
【図６】従来の接合構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の接合構造体の接合方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１と図２は本発明の実施の形態１を示す。
【００１８】
図１（ａ）は半導体部品１００が基板１０１に実装された接合構造体を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）において破線で囲まれた領域Ａの拡大図を示す。
【００１９】
半導体部品１００の内部は、電極１０３に半導体素子１０２に、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６を介して接合されている。接合材料１０６は、ここではＢｉ−２．５重量％Ａｇ（融点２６２℃）である。
【００２０】
半導体素子１０２の電極１０３に対向する表面１０２ｂの側には、結晶格子が接合材料１０６とは異なる金属の層としてのＣｕ層１０５が配置されている。Ｃｕ層１０５の厚みは、ここでは厚さ０．５μｍである。
【００２１】
Ｃｕ層１０５と半導体素子１０２の表面１０２ｂとの間には、接合材料１０６との化合物生成熱の値が正の元素の層としての拡散防止層１０４が配置されている。拡散防止層１０４は、ここでは溶融温度が２６０℃を超え、かつＣｕ層１０５のＣｕが半導体素子１０２に固相拡散することを低減する金属であるＴａを使用した。拡散防止層１０４の厚みは厚さ０．５μｍである。
【００２２】
更に具体的に説明する。
【００２３】
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。この半導体素子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。
【００２４】
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。
【００２５】
さらに、半導体素子１０２の電極１０３に対向した面１０２ｂと反対側の面１０２ａには、回路パターン（図示せず）が形成されている。半導体素子１０２の面１０２ｂに形成された拡散防止層１０４は、厚みが０．５μｍのＴａ層が蒸着法により形成されている。この拡散防止層１０４は、Ｃｕ層１０５のＣｕが、半導体素子１０２の内部に拡散して半導体素子１０２の機能が劣化することを防いでいる。
【００２６】
拡散防止層１０４は、溶融温度が２６０℃を超え、かつＣｕが固相拡散しない金属であれば良く、Ｔａに限らず、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣを選ぶことができる。また、これらから選ばれた複数の層を重ねて形成しても良い。複数の層を重ねて形成する場合は、Ｔａ層＋ＴａＮ層、Ｔａ層＋ＴａＣ層、Ｔｉ層＋ＴｉＮ層、Ｃｒ層＋Ｔａ層＋ＴａＣ層等の任意の組み合わせを用いることができる。
【００２７】
しかしながら拡散防止層１０４は、半導体素子１０２の電極１０３に対向した面に形成するため、安定した導通をさせるための導電率が必要であり、ＴａＮとＴｉＮの導電率は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａＣ、ＴｉＣと比較して低いため、ＴａＮとＴｉＮとの組み合わせて用いることは望ましくない。
【００２８】
次に、拡散防止層１０４の厚みについて説明する。
【００２９】
図２は、拡散防止層の厚みと半導体素子不良発生率との関係を示した図である。
【００３０】
ここではＣｕ層１０５と接合材料１０６の各々の厚みは一定として、拡散防止層１０４の厚みのみ変化させている。
【００３１】
図２において、横軸は拡散防止層の厚みであり、拡散防止層は蒸着法により形成されたＴａである。縦軸は半導体素子の不良発生率であり、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で、１５０℃で５００時間の高温試験を実施した後の動作試験により、Ｎ数各１０で不良発生率を算出している。
【００３２】
拡散防止層１０４の厚みが薄くなると、Ｃｕが半導体素子１０２に侵入することを防ぐことができなくなるため、半導体素子１０２が破壊されてしまい好ましくない。また、拡散防止層１０４の厚みが厚くなると、半導体素子１０２の作動時に発生した熱を電極１０３に逃がすことができなくなり、半導体素子１０２の温度が耐熱温度を超えてしまい動作しなくなるので好ましくない。半導体素子１０２で発生した熱を電極に逃がす放熱性は、
（ 放熱性 ） ＝ （ 熱伝導率 ） ÷ （ 拡散防止層の厚み ）  第１式
で得ることができる。
【００３３】
この図２の結果からわかるように、Ｔａを用いた拡散防止層１０４の厚みが０．３〜０．９μｍであれば不良発生率は０％であり、拡散防止の効果が十分に得られている。
【００３４】
また、拡散防止層１０４の厚みが、０．１〜０．２μｍの場合は１０％の不良が発生するが、０．０５μｍの場合の不良率８０％と比べると、比較的効果が得られていると言える。
【００３５】
一方、拡散防止層１０４の厚みが１．５μｍの厚さになると、不良発生率が６０％となり好ましくない。これは、第１式に示すように厚みが増すと放熱性が低下するためである。また、拡散防止層１０４の厚みが１．２μｍの場合は１０％の不良が発生するが、１．５μｍの不良率６０％と比べると、比較的効果が得られていると言える。
【００３６】
また、Ｔｉも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｔｉの熱伝導率は２１．９Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｔａの５７．５Ｗ／ｍ・Ｋと比較して約３８％と小さいため、Ｔａと同程度の放熱性を得るためには、第１式により、厚みをＴａの３８％程度に薄くしなければならない。Ｔａの拡散防止層１０４は厚みが１．２μｍの時に不良発生率が１０％であるが、Ｔｉを拡散防止層１０４に用いた場合は、１．２μｍの３８％である０．４６μｍにすれば、Ｔａと同程度の放熱性が得られるため、そのときの不良発生率は１０％程度になる。
【００３７】
またＣｒも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｃｒの熱伝導率は９３．９Ｗ／ｍ・ｋであり、Ｔａと比較して約１６０％と大きいため、Ｃｒを拡散防止層１０４として用いた場合は、厚みをＴａの１６０％程度に厚くして用いれば良い。
【００３８】
また、ＴａＣ、ＴｉＣも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｃの熱伝導率は１２９Ｗ／ｍ・ｋであり、ＴａあるいはＴｉと比較して大きいため、ＴａＣの熱伝導率はＴａよりも大きく、ＴｉＣの熱伝導率はＴｉよりも大きくなる。Ｔａ−５０％Ｃの熱伝導率は約９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｔａの５７．５Ｗ／ｍ・Ｋと比較して約１５０％と大きいため、ＴａＣを拡散防止層１０４として用いる場合は、厚みをＴａの１５０％程度に厚くして用いれば良い。ＴｉＣについても同様に拡散防止層１０４を厚くして用いれば良い。
【００３９】
さらに、ＴａＮ、ＴｉＮも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｎの熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・ｋであり、ＴａあるいはＴｉと比較して小さいため、ＴａＮの熱伝導率はＴａよりも小さく、ＴｉＮの熱伝導率はＴｉよりも小さくなる。Ｔａ−５０％Ｎの熱伝導率は約２８Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｔａの５７．５Ｗ／ｍ・Ｋと比較して約４８％と小さいため、ＴａＮを拡散防止層１０４として用いる場合は、厚みをＴａの４８％程度に薄くして用いれば良い。ＴｉＮについても同様に拡散防止層１０４を薄くして用いれば良い。
【００４０】
また、図２において、拡散防止層１０４が薄くなった場合に不良率が高くなるのは、拡散防止層１０４に接して配置されるＣｕ層１０５からＣｕが半導体素子１０２の内部に拡散して、半導体素子１０２の機能が劣化することを防ぐ拡散防止層１０４としての役割を果たせず、Ｃｕが半導体素子１０２の内部に侵入しているためである。
【００４１】
これらのことからＴａで構成された拡散防止層１０４の厚みは、０．１μｍから１．２μｍの間であれば良い。望ましくは不良発生率０％である拡散防止層１０４の厚み０．３μｍ〜０．９μｍの間が良い。
【００４２】
なお、Ｔａ層＋ＴａＮ層のように複数の層を拡散防止層１０４として形成する場合は、放熱性の観点から、複数の層の厚みの合計を拡散防止層の厚みとすることが好ましい。
【００４３】
なお、拡散防止層１０４の厚みが厚くなると、半導体素子１０２の作動時に発生した熱を電極１０３に逃がすことができなくなり、半導体素子１０２の温度が耐熱温度を超えてしまい動作しなくなるので好ましくないことから、Ｃｒ、ＴａＣ、ＴｉＣの厚さの上限値は、Ｔａの上限値相当が適している。
【００４４】
次に、Ｃｕ層１０５について説明する。
【００４５】
拡散防止層１０４に蒸着法により形成された厚みが０．５μｍのＣｕ層１０５は、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６との接合を確実なものとするために形成されている。Ｃｕ層１０５の形成方法は、蒸着法に限らず、スパッタリング法、電解めっき法、化学めっき法、析出法を用いても良い。
【００４６】
Ｃｕ層１０５は、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６と接することから、Ｃｕ層１０５がＢｉを主成分とする接合材料１０６に溶け込んでしまう。そのため、その溶け込みが多量に発生するとＣｕ層１０５が無くなって拡散防止層１０４が露出する。この場合には、拡散防止層１０４とＢｉとの反応が急激に進み、拡散防止層１０４が消失して半導体素子１０２のＳｉが露出する。ＳｉとＢｉとは接合しないため、拡散防止層１０４が露出すると剥離不良が発生する。そのため、Ｃｕ層１０５はＢｉを主成分とする接合材料１０６と接した状態で３２０℃に加熱されても、消失することのない厚みにする必要がある。
【００４７】
下記の表１は、接合前と接合後のＣｕ層１０５の厚みの関係を示した表であり、Ｃｕ層のＢｉへの溶け込み量を示している。
【００４８】
【表１】
2010125800.tif 000003
【００４９】
表１は、縦と横が各５ｍｍで厚さが０．３ｍｍのＳｉ片の上に、蒸着法によりＣｕ層を形成して、この厚みを接合前のＣｕ層の厚みとする。ここで、厚みは、１０ヶ所を測定して、その平均値としている。Ｃｕ層の上に、蒸着法により厚さが０．０３ｍｍのＢｉ層を形成したものを試料とし、水素雰囲気中で３２０℃まで加熱し６０秒間保持した後に室温まで冷却して、接合後のＣｕ層の厚みを測定した。接合前のＣｕ層の厚みから、接合後のＣｕ層の厚みを減算した数値が、Ｂｉへの溶け込みによるＣｕ層の減少量を示している。
【００５０】
接合前のＣｕ層１０５の厚みが０．２μｍの場合には、接合後にＣｕ層が０．０８μｍ残っているが、接合前のＣｕ層の厚みが０．１μｍの場合には、接合後にＣｕ層が消失している。このことから、接合後のＣｕ層１０５が消失しない接合前のＣｕ層の厚みは、０．１μｍを超え、０．２μｍ必要である。しかし、接合前のＣｕ層の厚みが０．２μｍの場合は、接合後のＣｕ層の厚みが０．１μｍ以下まで減少し、また厚みの精度ばらつき（約０．１μｍ）を考慮すれば接合前のＣｕ層１０５の厚みは０．３μｍ以上とすることが望ましい。
【００５１】
また、接合前のＣｕ層１０５の厚みが２μｍを超えると、ウエハから切り出す際のダイシングによって、チップ欠けおよびＣｕ蒸着膜の剥離が発生するため、接合前のＣｕ層１０５の厚みは２μｍ以下であることが望ましい。これらからＣｕ層１０５の厚みは、０．２μｍから２μｍの間であれば良いが、望ましくは０．３μｍから２μｍの間である。
【００５２】
なお、Ｃｕの拡散防止層として、一般的に用いられているＮｉ層を形成する必要がある場合は、ＮｉとＢｉとが反応して化合物を生成することを防ぐために、Ｃｕ層の半導体素子１０２の側に配置することが好ましい。
【００５３】
次に接合材料１０６について説明する。
【００５４】
接合材料１０６は、２．５重量％のＡｇを含み、不可避的な不純物を除き、残部がＢｉからなるが、接合材料１０６の組成はこれに限らない。ただし、半導体素子１０２を電極１０３に接合するための、一般的なダイボンド装置の加熱温度の上限は３５０〜４００℃であり、接合材料１０６は３５０℃以下で溶融することが求められる。
【００５５】
Ｂｉの溶融温度は２７１℃であり、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、加熱温度の上限に達する。また、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３５０℃となり、加熱温度の上限に達する。Ｂｉに対して、ＡｇおよびＣｕの下限値は０．１重量％であることが望ましい。表２は、本実施の形態の他の接合材料の組成を示す図である。
【００５６】
【表２】
2010125800.tif 000004
【００５７】
表２からもわかるように、組成１〜組成１３は、溶融温度が３５０℃以下であり、０．１〜１重量％のＣｕ、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、残部がＢｉからなる接合材料である。また接合材料１０６は、溶融温度が３５０℃以下となる範囲で任意の組成を用いて良い。
【００５８】
かかる構成によれば、拡散防止層１０４によりＣｕの半導体素子１０２の内部への拡散を防ぐことができるため、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６により、半導体素子１０２と電極１０３とを品質良く接合できる。
【００５９】
（実施の形態２）
図３と図４は本発明の実施の形態２を示す。
【００６０】
なお、実施の形態１における接合構造体と同様の構成には、同じ符号を付けて説明する。
【００６１】
図３（ａ）は半導体部品２００が基板１０１に実装された接合構造体を示す。図３（ｂ）は図３（ａ）において破線で囲まれた領域Ｂの拡大図を示す。
【００６２】
この実施の形態２における接合構造体は、実施の形態１における接合構造体からさらに電極に対向するＣｕ層１０５と接合材料１０６の間に、接合材料１０６とは異なる金属の層としてのＣｕ層１０５に比べて、接合材料１０６との接触角が小さい金属の層としてのＡｇ層１０７が入った点で異なっている。
【００６３】
図３（ｂ）において、半導体素子１０２が電極１０３と対向する側には、厚さ０．５μｍの拡散防止層１０４、厚さ０．５μｍのＣｕ層１０５、厚さ０．７μｍのＡｇ層１０７が順に配置されている。
【００６４】
拡散防止層１０４、Ｃｕ層１０５、Ａｇ層１０７が順に配置された半導体素子１０２は、Ｂｉ−２．５重量％Ａｇ（融点２６２℃）からなる接合材料１０６により、電極１０３に接合されている。
【００６５】
本発明の実施に形態２における接合構造体の拡散防止層１０４とＣｕ層１０５は、実施の形態１における接合構造体の拡散防止層１０４とＣｕ層１０５と同様の構成である。
【００６６】
次に、Ａｇ層１０７について説明する。
【００６７】
Ｃｕ層１０５が電極１０３と対向する側の面には、Ｂｉを主成分とする接合材料との接合性を保つために、厚みが０．７μｍのＡｇ層１０７が蒸着法により形成されている。Ａｇ層１０７の形成方法は、蒸着法に限らず、スパッタリング法、電解めっき法、化学めっき法、析出法を用いても良い。
【００６８】
Ａｇ層１０７を配置する理由について説明する。
【００６９】
ＣｕとＢｉとは濡れ性が良くないため、接合させるためには加圧や擦動等の物理的な補助が必要である。そこで、ＣｕがＢｉを主成分とする接合材料と接合する側には、Ｂｉとの濡れ性が良い表面材料を配置することが望ましい。これにより物理的な補助を加えることなく、ＣｕとＢｉとを接合させることができる。蒸着法で形成することのできる表面材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｓｎが考えられる。
【００７０】
図４は、各表面材料に対するＢｉの濡れ広がり率を示した図である。
【００７１】
直径０．９ｍｍのＢｉボールの一部分を０．１ｍｍ削って平面を作る。次に、１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さ０．５ｍｍの各表面材料を準備し、その上に前記Ｂｉボールの平面が表面材料に接するように載せる。この試料を、水素雰囲気中で３２０℃まで加熱し、６０秒間保持した後に室温まで冷却して、Ｂｉの厚みを測定した。
【００７２】
濡れ広がり率は、（（Ｂｉボールの高さ）−（Ｂｉの厚み））÷（Ｂｉボールの高さ）で計算している。Ｃｕは比較のために記載しているが、このＣｕよりも濡れ広がり率が良い材料は、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇである。しかしながらＳｎは、Ｂｉとの間で融点１３８℃のＳｎ−５８％Ｂｉを生成するため、基板実装時に２５０℃まで加熱される半導体部品内部に使用すると溶融してしまうため不向きである。また、Ａｇのグラム当たりの単価を１とした場合、Ａｕの単価は７４と高価であり、商業上の使用は不向きである。そこで、Ｃｕよりも濡れ広がり率が高く、Ａｕよりも安価なＡｇを用いることが好ましい。
【００７３】
表３は、接合前と接合後のＡｇ層１０７の厚みとの関係を示した表である。
【００７４】
【表３】
2010125800.tif 000005
【００７５】
この表３は、縦と横が各５ｍｍで厚さが０．３ｍｍのＳｉ片の上に蒸着法によりＡｇ層１０７を形成して、この厚みを接合前のＡｇ層の厚みとする。Ａｇ層の上に、蒸着法により厚さが０．０３ｍｍのＢｉ層を形成したものを試料とし、水素雰囲気中で３２０℃まで加熱し６０秒間保持した後に室温まで冷却して、接合後のＡｇ層１０７の厚みを測定した。
【００７６】
接合前のＡｇ層１０７の厚みが０．５μｍよりも厚い場合には、接合後にＡｇ層１０７が残っているが、接合前のＡｇ層１０７の厚みが０．２μｍ以下の場合には、接合後にＡｇ層１０７が消失している。接合後のＡｇ層１０７が消失しない、接合前のＡｇ層１０７の厚みは、０．２μｍを超え、０．５μｍ以下の範囲であるため、接合前のＡｇ層の厚みは０．５μｍ以上であることが望ましい。
【００７７】
ただし、Ａｇ層を配置している目的は、Ｂｉとの濡れ性の確保であり、接合前のＡｇ層の厚みが０．２μｍ以下の場合でも、Ｂｉとの濡れ性は確保されていたため、接合前のＡｇ層の厚みは０．２μｍであっても構わない。しかし、接合前のＡｇ層の厚みが０．１μｍの場合には、Ａｇ層の面内に１０μｍ２当たり３個のピンホールが確認されたため、Ｃｕ層が露出する可能性があり望ましくない。
【００７８】
Ａｇ層１０７の厚みが厚くなると、半導体素子１０２に反りが発生するなどの問題が考えられることから、次に、Ａｇ層１０７の厚みを変化させウエハの反りとカットバリとの関係を調べた。表４は、Ａｇ層１０７の厚みを変化させた場合のウエハの反りとカットバリを示した表である。
【００７９】
【表４】
2010125800.tif 000006
【００８０】
ウエハは直径６インチで、厚みが０．３ｍｍのＳｉである。ウエハの一方の面に蒸着法によりＡｇ層１０７を形成している。蒸着法は、高温環境下でウエハの片面に線膨張係数の異なる材料で成膜するため、室温に戻した際にウエハの反りが発生する。ウエハの反りが発生すると、後工程のダイシング装置で加工することができなくなるため問題になる。また、蒸着膜が厚くなるとウエハをダイシング装置で切り出す際に、カット面に蒸着膜のバリが発生する。このバリは、電極との接合後も残って、応力集中部となるため、製品信頼性が低下することがある。
【００８１】
接合前のＡｇ層の厚みが６μｍの場合は、ウエハ反りが発生し、後工程で加工することができないため、接合前のＡｇ層の厚みは４．５μｍ以下である。また、接合前のＡｇ層の厚みが３μｍの場合は、カットバリが発生し、信頼性が低下することがあるため、接合前のＡｇ層の厚みは、望ましくは１．５μｍ以下である。
【００８２】
これらから、Ａｇ層１０７の厚みは、０．２μｍから４．５μｍの間であれば良いが、望ましくは０．５μｍから１．５μｍの間である。なお、接合前のＡｇ層１０７の厚みが０．２μｍ以上で０．５μｍ未満の場合は、接合後にＡｇ層１０７が消失している部分があるため、接合構造体は、半導体素子／拡散防止層／Ｃｕ層／接合材料となる部分が生じる。また、Ａｇ層１０７は、Ｂｉを主成分とする接合材料に溶け込んでいるため、エネルギー分散X線分光法（ＥＤＸ：energy dispersive X-ray spectrometry）、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：electron probe microanalyzer）、Ｘ線光電子分光法（X-ray photoelectron spectroscopy）等の元素分析を行うと、接合材料からはＡｇが検出されることがある。
【００８３】
表５は、本発明の実施例および比較例の構成と製品歩留まりを示す表である。
【００８４】
【表５】
2010125800.tif 000007
【００８５】
製品歩留まりは、各構成により接合された接合構造体を組み立てたＮ数２０のＩＧＢＴで、１５０℃で５００時間の高温試験を実施した後の動作試験により、不良発生率を算出している。この表５からわかるように、実施例１〜７は、半導体素子と、半導体素子に対向して配置される電極と、半導体素子と電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料とを有し、半導体素子の電極に対向する表面に拡散防止層と、Ｃｕ層と、Ａｇ層とを順に配置していることを特徴とする接合構造体であり、製品歩留まりも高く、品質が安定している。
【００８６】
かかる構成によれば、Ｃｕ層１０５の半導体素子１０２への拡散による、半導体素子１０２の破壊は、拡散防止層１０４により防ぐことができることに加えて、Ａｇ層１０７により接合材料１０６との濡れ性が確保され、Ａｇ層１０７がダイボンド工程の３２０℃の熱により、接合材料１０６に溶け出して消失した場合でも、Ｃｕ層１０５により接合材料１０６と接合させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の接合構造体は、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信頼性の向上に寄与する。
【図１】
2010125800.tif 000008
【図２】
2010125800.tif 000009
【図３】
2010125800.tif 000010
【図４】
2010125800.tif 000011
【図５】
2010125800.tif 000012
【図６】
2010125800.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月27日(2010.9.27)
【手続補正１】
【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】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置した
接合構造体。
【請求項２】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記接合材料との間に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を配置した
接合構造体。
【請求項３】
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層をＣｕとした場合に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の前記層は、
Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣから選ばれた１種類以上の材料であることを特徴とする
請求項１または請求項２記載の接合構造体。
【請求項４】
前記接合材料は、
０．１〜１重量％のＣｕ、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、不可避的不純物を除き、残部がＢｉからなることを特徴とする
請求項１〜請求項３の何れかに記載の接合構造体。
【請求項５】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層を、前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して前記半導体素子を接合する
接合構造体の接合方法。
【請求項６】
半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、
前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層の前記電極の側の面に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を形成し、
結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層を前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の前記層を介して前記半導体素子を接合する
接合構造体の接合方法。
【手続補正２】
【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５は、半導体部品が基板に実装された模式図である。
【０００４】
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の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。
【０００５】
そこで、溶融温度が２６０℃を超え、鉛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―２．５Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．５Ｃｕ  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６は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。
【０００６】
図６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と導電層１１との間には接合部１２がある。この接合部１２は、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて、被接合面であるパワー半導体素子１０の接合部１２の側の表面に、Ｂｉを主成分とする接合材料とパワー半導体素子１０を構成するＳｉとを接合させるために蒸着法で厚みが０．１μｍ〜１０μｍのＣｕ層１３を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、パワー半導体素子１０がＳｉで構成され、パワー半導体素子１０の表面に配置されているＣｕ層１３のＣｕがＳｉに対して拡散し易いと理由から、パワー半導体素子１０の内部へのＣｕの拡散が発生し、パワー半導体素子１０が正常に機能しなくなる不良の発生が起こって製品歩留まりが低下し、品質が安定しないという課題を有している。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半導体素子と電極とをＢｉを主成分とする接合材料により接合した場合にも、品質が安定した接合構造体と接合構造体の接合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】
本発明の接合構造体は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の接合構造体は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合した接合構造体であって、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を配置すると共に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記半導体素子の前記電極に対向する表面との間に、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を配置し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層と前記接合材料との間に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を配置したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の接合構造体の接合方法は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層を、前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して前記半導体素子を接合することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の接合構造体の接合方法は、半導体素子を電極にＢｉを主成分とする接合材料を介して接合するに際し、前記半導体素子の前記電極に対向する表面の側に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の層を、前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の層を介して形成し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層の前記電極の側の面に、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の層を形成し、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層を前記接合材料に接触させた状態で加熱して前記電極に、前記接合材料と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層に比べて前記接合材料との接触角が小さい金属の前記層と、結晶格子が前記接合材料とは異なる金属の前記層、および前記接合材料との化合物生成熱の値が正の元素の前記層を介して前記半導体素子を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この構成によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料により、半導体素子と電極とを品質良く接合できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における接合構造体の断面図
【図２】同実施の形態の拡散防止層の厚みと半導体素子不良発生率との関係図
【図３】本発明の実施の形態２における接合構造体の断面図
【図４】同実施の形態の各表面材料に対するＢｉの濡れ広がり率を示した図
【図５】半導体素子が基板に実装された模式図
【図６】従来の接合構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の接合構造体の接合方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１と図２は本発明の実施の形態１を示す。
【００１８】
図１（ａ）は半導体部品１００が基板１０１に実装された接合構造体を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）において破線で囲まれた領域Ａの拡大図を示す。
【００１９】
半導体部品１００の内部は、電極１０３に半導体素子１０２が、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６を介して接合されている。接合材料１０６は、ここではＢｉ−２．５重量％Ａｇ（融点２６２℃）である。
【００２０】
半導体素子１０２の電極１０３に対向する表面１０２ｂの側には、結晶格子が接合材料１０６とは異なる金属の層としてのＣｕ層１０５が配置されている。Ｃｕ層１０５の厚みは、ここでは厚さ０．５μｍである。
【００２１】
Ｃｕ層１０５と半導体素子１０２の表面１０２ｂとの間には、接合材料１０６との化合物生成熱の値が正の元素の層としての拡散防止層１０４が配置されている。拡散防止層１０４は、ここでは溶融温度が２６０℃を超え、かつＣｕ層１０５のＣｕが半導体素子１０２に固相拡散することを低減する金属であるＴａを使用した。拡散防止層１０４の厚みは厚さ０．５μｍである。
【００２２】
更に具体的に説明する。
【００２３】
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。この半導体素子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。
【００２４】
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。
【００２５】
さらに、半導体素子１０２の電極１０３に対向した面１０２ｂと反対側の面１０２ａには、回路パターン（図示せず）が形成されている。半導体素子１０２の面１０２ｂに形成された拡散防止層１０４は、厚みが０．５μｍのＴａ層が蒸着法により形成されている。この拡散防止層１０４は、Ｃｕ層１０５のＣｕが、半導体素子１０２の内部に拡散して半導体素子１０２の機能が劣化することを防いでいる。
【００２６】
拡散防止層１０４は、溶融温度が２６０℃を超え、かつＣｕが固相拡散しない金属であれば良く、Ｔａに限らず、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａＮ、ＴａＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣを選ぶことができる。また、これらから選ばれた複数の層を重ねて形成しても良い。複数の層を重ねて形成する場合は、Ｔａ層＋ＴａＮ層、Ｔａ層＋ＴａＣ層、Ｔｉ層＋ＴｉＮ層、Ｃｒ層＋Ｔａ層＋ＴａＣ層等の任意の組み合わせを用いることができる。
【００２７】
しかしながら拡散防止層１０４は、半導体素子１０２の電極１０３に対向した面に形成するため、安定した導通をさせるための導電率が必要であり、ＴａＮとＴｉＮの導電率は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴａＣ、ＴｉＣと比較して低いため、ＴａＮとＴｉＮとの組み合わせて用いることは望ましくない。
【００２８】
次に、拡散防止層１０４の厚みについて説明する。
【００２９】
図２は、拡散防止層の厚みと半導体素子不良発生率との関係を示した図である。
【００３０】
ここではＣｕ層１０５と接合材料１０６の各々の厚みは一定として、拡散防止層１０４の厚みのみ変化させている。
【００３１】
図２において、横軸は拡散防止層の厚みであり、拡散防止層は蒸着法により形成されたＴａである。縦軸は半導体素子の不良発生率であり、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で、１５０℃で５００時間の高温試験を実施した後の動作試験により、Ｎ数各１０で不良発生率を算出している。
【００３２】
拡散防止層１０４の厚みが薄くなると、Ｃｕが半導体素子１０２に侵入することを防ぐことができなくなるため、半導体素子１０２が破壊されてしまい好ましくない。また、拡散防止層１０４の厚みが厚くなると、半導体素子１０２の作動時に発生した熱を電極１０３に逃がすことができなくなり、半導体素子１０２の温度が耐熱温度を超えてしまい動作しなくなるので好ましくない。半導体素子１０２で発生した熱を電極に逃がす放熱性は、
（ 放熱性 ） ＝ （ 熱伝導率 ） ÷ （ 拡散防止層の厚み ）      第１式
で得ることができる。
【００３３】
この図２の結果からわかるように、Ｔａを用いた拡散防止層１０４の厚みが０．３〜０．９μｍであれば不良発生率は０％であり、拡散防止の効果が十分に得られている。
【００３４】
また、拡散防止層１０４の厚みが、０．１〜０．２μｍの場合は１０％の不良が発生するが、０．０５μｍの場合の不良率８０％と比べると、比較的効果が得られていると言える。
【００３５】
一方、拡散防止層１０４の厚みが１．５μｍの厚さになると、不良発生率が６０％となり好ましくない。これは、第１式に示すように厚みが増すと放熱性が低下するためである。また、拡散防止層１０４の厚みが１．２μｍの場合は１０％の不良が発生するが、１．５μｍの不良率６０％と比べると、比較的効果が得られていると言える。
【００３６】
また、Ｔｉも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｔｉの熱伝導率は２１．９Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｔａの５７．５Ｗ／ｍ・Ｋと比較して約３８％と小さいため、Ｔａと同程度の放熱性を得るためには、第１式により、厚みをＴａの３８％程度に薄くしなければならない。Ｔａの拡散防止層１０４は厚みが１．２μｍの時に不良発生率が１０％であるが、Ｔｉを拡散防止層１０４に用いた場合は、１．２μｍの３８％である０．４６μｍにすれば、Ｔａと同程度の放熱性が得られるため、そのときの不良発生率は１０％程度になる。
【００３７】
またＣｒも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｃｒの熱伝導率は９３．９Ｗ／ｍ・ｋであり、Ｔａと比較して約１６０％と大きいため、Ｃｒを拡散防止層１０４として用いた場合は、厚みをＴａの１６０％程度に厚くして用いれば良い。
【００３８】
また、ＴａＣ、ＴｉＣも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｃの熱伝導率は１２９Ｗ／ｍ・ｋであり、ＴａあるいはＴｉと比較して大きいため、ＴａＣの熱伝導率はＴａよりも大きく、ＴｉＣの熱伝導率はＴｉよりも大きくなる。Ｔａ−５０％Ｃの熱伝導率は約９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｔａの５７．５Ｗ／ｍ・Ｋと比較して約１５０％と大きいため、ＴａＣを拡散防止層１０４として用いる場合は、厚みをＴａの１５０％程度に厚くして用いれば良い。ＴｉＣについても同様に拡散防止層１０４を厚くして用いれば良い。
【００３９】
さらに、ＴａＮ、ＴｉＮも拡散防止層１０４として用いることができるが、Ｎの熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・ｋであり、ＴａあるいはＴｉと比較して小さいため、ＴａＮの熱伝導率はＴａよりも小さく、ＴｉＮの熱伝導率はＴｉよりも小さくなる。Ｔａ−５０％Ｎの熱伝導率は約２８Ｗ／ｍ・Ｋであり、Ｔａの５７．５Ｗ／ｍ・Ｋと比較して約４８％と小さいため、ＴａＮを拡散防止層１０４として用いる場合は、厚みをＴａの４８％程度に薄くして用いれば良い。ＴｉＮについても同様に拡散防止層１０４を薄くして用いれば良い。
【００４０】
また、図２において、拡散防止層１０４が薄くなった場合に不良率が高くなるのは、拡散防止層１０４に接して配置されるＣｕ層１０５からＣｕが半導体素子１０２の内部に拡散して、半導体素子１０２の機能が劣化することを防ぐ拡散防止層１０４としての役割を果たせず、Ｃｕが半導体素子１０２の内部に侵入しているためである。
【００４１】
これらのことからＴａで構成された拡散防止層１０４の厚みは、０．１μｍから１．２μｍの間であれば良い。望ましくは不良発生率０％である拡散防止層１０４の厚み０．３μｍ〜０．９μｍの間が良い。
【００４２】
なお、Ｔａ層＋ＴａＮ層のように複数の層を拡散防止層１０４として形成する場合は、放熱性の観点から、複数の層の厚みの合計を拡散防止層の厚みとすることが好ましい。
【００４３】
なお、拡散防止層１０４の厚みが厚くなると、半導体素子１０２の作動時に発生した熱を電極１０３に逃がすことができなくなり、半導体素子１０２の温度が耐熱温度を超えてしまい動作しなくなるので好ましくないことから、Ｃｒ、ＴａＣ、ＴｉＣの厚さの上限値は、Ｔａの上限値相当が適している。
【００４４】
次に、Ｃｕ層１０５について説明する。
【００４５】
拡散防止層１０４に蒸着法により形成された厚みが０．５μｍのＣｕ層１０５は、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６との接合を確実なものとするために形成されている。Ｃｕ層１０５の形成方法は、蒸着法に限らず、スパッタリング法、電解めっき法、化学めっき法、析出法を用いても良い。
【００４６】
Ｃｕ層１０５は、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６と接することから、Ｃｕ層１０５がＢｉを主成分とする接合材料１０６に溶け込んでしまう。そのため、その溶け込みが多量に発生するとＣｕ層１０５が無くなって拡散防止層１０４が露出する。この場合には、拡散防止層１０４とＢｉとの反応が急激に進み、拡散防止層１０４が消失して半導体素子１０２のＳｉが露出する。ＳｉとＢｉとは接合しないため、拡散防止層１０４が露出すると剥離不良が発生する。そのため、Ｃｕ層１０５はＢｉを主成分とする接合材料１０６と接した状態で３２０℃に加熱されても、消失することのない厚みにする必要がある。
【００４７】
下記の表１は、接合前と接合後のＣｕ層１０５の厚みの関係を示した表であり、Ｃｕ層のＢｉへの溶け込み量を示している。
【００４８】
【表１】
2010125800.tif 000014
表１は、縦と横が各５ｍｍで厚さが０．３ｍｍのＳｉ片の上に、蒸着法によりＣｕ層を形成して、この厚みを接合前のＣｕ層の厚みとする。ここで、厚みは、１０ヶ所を測定して、その平均値としている。Ｃｕ層の上に、蒸着法により厚さが０．０３ｍｍのＢｉ層を形成したものを試料とし、水素雰囲気中で３２０℃まで加熱し６０秒間保持した後に室温まで冷却して、接合後のＣｕ層の厚みを測定した。接合前のＣｕ層の厚みから、接合後のＣｕ層の厚みを減算した数値が、Ｂｉへの溶け込みによるＣｕ層の減少量を示している。
【００４９】
接合前のＣｕ層１０５の厚みが０．２μｍの場合には、接合後にＣｕ層が０．０８μｍ残っているが、接合前のＣｕ層の厚みが０．１μｍの場合には、接合後にＣｕ層が消失している。このことから、接合後のＣｕ層１０５が消失しない接合前のＣｕ層の厚みは、０．１μｍを超え、０．２μｍ必要である。しかし、接合前のＣｕ層の厚みが０．２μｍの場合は、接合後のＣｕ層の厚みが０．１μｍ以下まで減少し、また厚みの精度ばらつき（約０．１μｍ）を考慮すれば接合前のＣｕ層１０５の厚みは０．３μｍ以上とすることが望ましい。
【００５０】
また、接合前のＣｕ層１０５の厚みが２μｍを超えると、ウエハから切り出す際のダイシングによって、チップ欠けおよびＣｕ蒸着膜の剥離が発生するため、接合前のＣｕ層１０５の厚みは２μｍ以下であることが望ましい。これらからＣｕ層１０５の厚みは、０．２μｍから２μｍの間であれば良いが、望ましくは０．３μｍから２μｍの間である。
【００５１】
なお、Ｃｕの拡散防止層として、一般的に用いられているＮｉ層を形成する必要がある場合は、ＮｉとＢｉとが反応して化合物を生成することを防ぐために、Ｃｕ層の半導体素子１０２の側に配置することが好ましい。
【００５２】
次に接合材料１０６について説明する。
【００５３】
接合材料１０６は、２．５重量％のＡｇを含み、不可避的な不純物を除き、残部がＢｉからなるが、接合材料１０６の組成はこれに限らない。ただし、半導体素子１０２を電極１０３に接合するための、一般的なダイボンド装置の加熱温度の上限は３５０〜４００℃であり、接合材料１０６は３５０℃以下で溶融することが求められる。
【００５４】
Ｂｉの溶融温度は２７１℃であり、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、加熱温度の上限に達する。また、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３５０℃となり、加熱温度の上限に達する。Ｂｉに対して、ＡｇおよびＣｕの下限値は０．１重量％であることが望ましい。表２は、本実施の形態の他の接合材料の組成を示す図である。
【００５５】
【表２】
2010125800.tif 000015
表２からもわかるように、組成１〜組成１３は、溶融温度が３５０℃以下であり、０．１〜１重量％のＣｕ、０．１〜９重量％のＡｇから選ばれた１種類以上の元素を含み、残部がＢｉからなる接合材料である。また接合材料１０６は、溶融温度が３５０℃以下となる範囲で任意の組成を用いて良い。
【００５６】
かかる構成によれば、拡散防止層１０４によりＣｕの半導体素子１０２の内部への拡散を防ぐことができるため、Ｂｉを主成分とする接合材料１０６により、半導体素子１０２と電極１０３とを品質良く接合できる。
【００５７】
（実施の形態２）
図３と図４は本発明の実施の形態２を示す。
【００５８】
なお、実施の形態１における接合構造体と同様の構成には、同じ符号を付けて説明する。
【００５９】
図３（ａ）は半導体部品２００が基板１０１に実装された接合構造体を示す。図３（ｂ）は図３（ａ）において破線で囲まれた領域Ｂの拡大図を示す。
【００６０】
この実施の形態２における接合構造体は、実施の形態１における接合構造体からさらに電極に対向するＣｕ層１０５と接合材料１０６の間に、接合材料１０６とは異なる金属の層としてのＣｕ層１０５に比べて、接合材料１０６との接触角が小さい金属の層としてのＡｇ層１０７が入った点で異なっている。
【００６１】
図３（ｂ）において、半導体素子１０２が電極１０３と対向する側には、厚さ０．５μｍの拡散防止層１０４、厚さ０．５μｍのＣｕ層１０５、厚さ０．７μｍのＡｇ層１０７が順に配置されている。
【００６２】
拡散防止層１０４、Ｃｕ層１０５、Ａｇ層１０７が順に配置された半導体素子１０２は、Ｂｉ−２．５重量％Ａｇ（融点２６２℃）からなる接合材料１０６により、電極１０３に接合されている。
【００６３】
本発明の実施に形態２における接合構造体の拡散防止層１０４とＣｕ層１０５は、実施の形態１における接合構造体の拡散防止層１０４とＣｕ層１０５と同様の構成である。
【００６４】
次に、Ａｇ層１０７について説明する。
【００６５】
Ｃｕ層１０５が電極１０３と対向する側の面には、Ｂｉを主成分とする接合材料との接合性を保つために、厚みが０．７μｍのＡｇ層１０７が蒸着法により形成されている。Ａｇ層１０７の形成方法は、蒸着法に限らず、スパッタリング法、電解めっき法、化学めっき法、析出法を用いても良い。
【００６６】
Ａｇ層１０７を配置する理由について説明する。
【００６７】
ＣｕとＢｉとは濡れ性が良くないため、接合させるためには加圧や擦動等の物理的な補助が必要である。そこで、ＣｕがＢｉを主成分とする接合材料と接合する側には、Ｂｉとの濡れ性が良い表面材料を配置することが望ましい。これにより物理的な補助を加えることなく、ＣｕとＢｉとを接合させることができる。蒸着法で形成することのできる表面材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｓｎが考えられる。
【００６８】
図４は、各表面材料に対するＢｉの濡れ広がり率を示した図である。
【００６９】
直径０．９ｍｍのＢｉボールの一部分を０．１ｍｍ削って平面を作る。次に、１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さ０．５ｍｍの各表面材料を準備し、その上に前記Ｂｉボールの平面が表面材料に接するように載せる。この試料を、水素雰囲気中で３２０℃まで加熱し、６０秒間保持した後に室温まで冷却して、Ｂｉの厚みを測定した。
【００７０】
濡れ広がり率は、（（Ｂｉボールの高さ）−（Ｂｉの厚み））÷（Ｂｉボールの高さ）で計算している。Ｃｕは比較のために記載しているが、このＣｕよりも濡れ広がり率が良い材料は、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇである。しかしながらＳｎは、Ｂｉとの間で融点１３８℃のＳｎ−５８％Ｂｉを生成するため、基板実装時に２５０℃まで加熱される半導体部品内部に使用すると溶融してしまうため不向きである。また、Ａｇのグラム当たりの単価を１とした場合、Ａｕの単価は７４と高価であり、商業上の使用は不向きである。そこで、Ｃｕよりも濡れ広がり率が高く、Ａｕよりも安価なＡｇを用いることが好ましい。
【００７１】
表３は、接合前と接合後のＡｇ層１０７の厚みとの関係を示した表である。
【００７２】
【表３】
2010125800.tif 000016
この表３は、縦と横が各５ｍｍで厚さが０．３ｍｍのＳｉ片の上に蒸着法によりＡｇ層１０７を形成して、この厚みを接合前のＡｇ層の厚みとする。Ａｇ層の上に、蒸着法により厚さが０．０３ｍｍのＢｉ層を形成したものを試料とし、水素雰囲気中で３２０℃まで加熱し６０秒間保持した後に室温まで冷却して、接合後のＡｇ層１０７の厚みを測定した。
【００７３】
接合前のＡｇ層１０７の厚みが０．５μｍよりも厚い場合には、接合後にＡｇ層１０７が残っているが、接合前のＡｇ層１０７の厚みが０．２μｍ以下の場合には、接合後にＡｇ層１０７が消失している。接合後のＡｇ層１０７が消失しない、接合前のＡｇ層１０７の厚みは、０．２μｍを超え、０．５μｍ以下の範囲であるため、接合前のＡｇ層の厚みは０．５μｍ以上であることが望ましい。
【００７４】
ただし、Ａｇ層を配置している目的は、Ｂｉとの濡れ性の確保であり、接合前のＡｇ層の厚みが０．２μｍ以下の場合でも、Ｂｉとの濡れ性は確保されていたため、接合前のＡｇ層の厚みは０．２μｍであっても構わない。しかし、接合前のＡｇ層の厚みが０．１μｍの場合には、Ａｇ層の面内に１０μｍ２当たり３個のピンホールが確認されたため、Ｃｕ層が露出する可能性があり望ましくない。
【００７５】
Ａｇ層１０７の厚みが厚くなると、半導体素子１０２に反りが発生するなどの問題が考えられることから、次に、Ａｇ層１０７の厚みを変化させウエハの反りとカットバリとの関係を調べた。表４は、Ａｇ層１０７の厚みを変化させた場合のウエハの反りとカットバリを示した表である。
【００７６】
【表４】
2010125800.tif 000017
ウエハは直径６インチで、厚みが０．３ｍｍのＳｉである。ウエハの一方の面に蒸着法によりＡｇ層１０７を形成している。蒸着法は、高温環境下でウエハの片面に線膨張係数の異なる材料で成膜するため、室温に戻した際にウエハの反りが発生する。ウエハの反りが発生すると、後工程のダイシング装置で加工することができなくなるため問題になる。また、蒸着膜が厚くなるとウエハをダイシング装置で切り出す際に、カット面に蒸着膜のバリが発生する。このバリは、電極との接合後も残って、応力集中部となるため、製品信頼性が低下することがある。
【００７７】
接合前のＡｇ層の厚みが６μｍの場合は、ウエハ反りが発生し、後工程で加工することができないため、接合前のＡｇ層の厚みは４．５μｍ以下である。また、接合前のＡｇ層の厚みが３μｍの場合は、カットバリが発生し、信頼性が低下することがあるため、接合前のＡｇ層の厚みは、望ましくは１．５μｍ以下である。
【００７８】
これらから、Ａｇ層１０７の厚みは、０．２μｍから４．５μｍの間であれば良いが、望ましくは０．５μｍから１．５μｍの間である。なお、接合前のＡｇ層１０７の厚みが０．２μｍ以上で０．５μｍ未満の場合は、接合後にＡｇ層１０７が消失している部分があるため、接合構造体は、半導体素子／拡散防止層／Ｃｕ層／接合材料となる部分が生じる。また、Ａｇ層１０７は、Ｂｉを主成分とする接合材料に溶け込んでいるため、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ：energy dispersive X-ray spectrometry）、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：electron probe microanalyzer）、Ｘ線光電子分光法（X-ray photoelectron spectroscopy）等の元素分析を行うと、接合材料からはＡｇが検出されることがある。
【００７９】
表５は、本発明の実施例および比較例の構成と製品歩留まりを示す表である。
【００８０】
【表５】
2010125800.tif 000018
製品歩留まりは、各構成により接合された接合構造体を組み立てたＮ数２０のＩＧＢＴで、１５０℃で５００時間の高温試験を実施した後の動作試験により、不良発生率を算出している。この表５からわかるように、実施例１〜７は、半導体素子と、半導体素子に対向して配置される電極と、半導体素子と電極とを接続するＢｉを主成分とする接合材料とを有し、半導体素子の電極に対向する表面に拡散防止層と、Ｃｕ層と、Ａｇ層とを順に配置していることを特徴とする接合構造体であり、製品歩留まりも高く、品質が安定している。
【００８１】
かかる構成によれば、Ｃｕ層１０５の半導体素子１０２への拡散による、半導体素子１０２の破壊は、拡散防止層１０４により防ぐことができることに加えて、Ａｇ層１０７により接合材料１０６との濡れ性が確保され、Ａｇ層１０７がダイボンド工程の３２０℃の熱により、接合材料１０６に溶け出して消失した場合でも、Ｃｕ層１０５により接合材料１０６と接合させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の接合構造体は、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信頼性の向上に寄与する。
【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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010125800.tif 000023
【図６】
2010125800.tif 000024
【国際調査報告】
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