(57)【要約】【課題】半導体装置の耐熱性を向上させつつ、基体上への半導体素子の接合を安定して行えるようにする。【解決手段】半導体素子５の一面上に低融点層１５を介して高融点層１６Ａが形成されていると共に、半導体素子５の一面上に低融点層１５及び高融点層１６Ａを覆うように接合材料層１７Ａが形成されている。低融点層１５の融点は接合材料層１７Ａの融点よりも低く、高融点層１６Ａの融点は接合材料層１７Ａの融点よりも高い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の一面上に形成された低融点層と、
前記低融点層上に形成された高融点層と、
前記半導体素子の一面上に前記低融点層及び前記高融点層を覆うように形成された接合材料層とを備え、
前記低融点層の融点は前記接合材料層の融点よりも低く、
前記高融点層の融点は前記接合材料層の融点よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記接合材料層はＢｉを主成分とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記接合材料層は、Ｂｉと異なる不可避不純物をさらに含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の半導体装置において、
前記高融点層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＳｂからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記低融点層は、Ｓｎ、Ｉｎ及びＧａからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体素子と前記低融点層との間に接着層がさらに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記接着層は、Ｔｉ、Ｃｒ及びＡｌからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の半導体装置において、
前記接着層と前記低融点層との間に中間接合層がさらに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記中間接合層は、Ｎｉ又はＣｒ−Ｎｉ合金を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体装置において、
前記中間接合層と前記低融点層との間に拡散防止層がさらに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ及びＭｎからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記高融点層は、互いに分離した複数のブロックからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体装置において、
前記低融点層は、前記高融点層を構成する前記各ブロックと対応する複数のブロックからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記低融点層と前記高融点層とが交互にそれぞれ２層以上積層されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記高融点層はポーラス状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
基体上に接合材料層を介して半導体素子が設けられた半導体装置であって、
前記接合材料層は、主成分となる第１の元素と、前記第１の元素よりも融点が高い第２の元素と、前記第１の元素よりも融点が低い第３の元素とを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体装置において、
前記第２の元素は、前記接合材料層中に固形物として点在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の半導体装置において、
前記第１の元素はＢｉであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体装置において、
前記第２の元素は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＳｂからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載の半導体装置において、
前記第３の元素は、Ｓｎ、Ｉｎ及びＧａからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２１】
請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記接合材料層は、前記第１の元素、前記第２の元素及び前記第３の元素のいずれとも異なる不可避不純物をさらに含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２２】
請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体素子と前記接合材料層との間に接着層がさらに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の半導体装置において、
前記接着層は、Ｔｉ、Ｃｒ及びＡｌからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２４】
請求項２２又は２３に記載の半導体装置において、
前記接着層と前記接合材料層との間に中間接合層がさらに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の半導体装置において、
前記中間接合層は、Ｎｉ又はＣｒ−Ｎｉ合金を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２６】
請求項２４又は２５に記載の半導体装置において、
前記中間接合層と前記接合材料層との間に拡散防止層がさらに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ及びＭｎからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２８】
請求項１６〜２７のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記基体はダイパッドであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の半導体装置において、
前記ダイパッドは、銅又は銅合金を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項３０】
請求項２８又は２９に記載の半導体装置において、
前記ダイパッドの表面には、銀を含む被接合層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３１】
基体上に接合材料層を介して半導体素子が設けられた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体素子の一面上に、前記接合材料層よりも融点が低い低融点層を形成する工程（ａ）と、
前記低融点層上に、前記接合材料層よりも融点が高い高融点層を形成する工程（ｂ）と、
前記半導体素子の前記一面上に前記低融点層及び前記高融点層を覆うように接合材料層を形成する工程（ｃ）と、
前記半導体素子の前記接合材料層側を前記基体に押し付けながら前記接合材料層を溶融させることによって、前記基体と前記半導体素子とを接合する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｂ）において、前記高融点層は、前記低融点層上に、互いに分離した複数のブロックとして形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３３】
請求項３１又は３２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｄ）よりも前に、前記基体を加熱する工程をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基体の加熱温度は、前記接合材料層の融点よりも高く且つ前記高融点層の融点よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３５】
請求項３１〜３４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｄ）において、前記接合材料層中で前記低融点層を溶融させて前記高融点層を前記低融点層から分離した後に前記接合材料層を溶融させて当該接合材料層中で前記高融点層を拡散させることにより、前記接合材料層よりも高い融点を持つ合金化接合材料層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の半導体装置の製造方法において、
前記合金化接合材料層は、固相線と、前記固相線よりも高温の液相線とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３７】
請求項３１〜３６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基体はダイパッドであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ダイパッドの表面には、銀を含む被接合層が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＴＶ受像機等の電子機器の電源部に利用されている半導体装置は、一般に、金属からなるダイパッドと、該ダイパッドの上にはんだ材を介して固着された半導体素子（半導体チップ）とを備えた構成を持つ。
【０００３】
このような半導体装置は、まず、予めはんだ層が形成されている半導体素子を、加熱したダイパッドの上に押し付けることにより、半導体素子上に形成したはんだ層を溶融させ、その後、はんだ層を冷却することにより、半導体素子をはんだ材を介してダイパッド上に固着することにより得られる（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５０３９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、はんだ材の鉛フリー化が推進されているが、例えば電源部に利用される半導体装置においては、使用時の温度上昇が極めて大きいため、従来の錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系の鉛フリーはんだ材を利用することはできない。
【０００６】
すなわち、錫−銀−銅系の鉛フリーはんだ材は、その融点が２２０℃程度と低いことから、温度上昇が大きい電源部等に利用しようとすると、はんだ材に再溶融が発生してしまうので、前述のように、電源部に利用される半導体装置に錫−銀−銅系の鉛フリーはんだ材を用いることはできない。
【０００７】
そこで、溶融温度が高い鉛フリーはんだ材が研究されているものの、はんだ材の溶融温度を高くすると、ダイパッド上への半導体素子のはんだ付けが安定しなくなるという別の問題が発生する。
【０００８】
また、半導体素子裏面に予めはんだ層を形成しておき、そのままダイボンドする方法も考えられているが、多元系のはんだ層（合金層）を形成するためには、各元素の融点の差に起因する溶融温度の違いを緩和する必要があるので、例えば、薄い金属膜を多数（例えば２０層以上）積層させて各金属膜を溶融させたりしている。しかし、この場合、多層薄膜形成が難しいだけではなく、膜組成がばらつくことに起因して各薄膜の溶融開始温度が変わる結果、未溶融部分が発生して合金層の組成がばらつくと共にその接合信頼性が不安定になるなどの問題が生じる。すなわち、多層薄膜形成に関する生産タクトやコストの問題だけではなく、接合品質を低下させるという問題もある。
【０００９】
前記に鑑み、本発明は、半導体装置の耐熱性を向上させつつ、基体上への半導体素子の接合を安定して行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る第１の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の一面上に形成された低融点層と、前記低融点層上に形成された高融点層と、前記半導体素子の一面上に前記低融点層及び前記高融点層を覆うように形成された接合材料層とを備え、前記低融点層の融点は前記接合材料層の融点よりも低く、前記高融点層の融点は前記接合材料層の融点よりも高い。
【００１１】
本発明に係る第１の半導体装置によると、加熱状態で接合材料層側をダイバッド等の基体上に押し付けることにより、接合材料層中で低融点層を溶融させて高融点層を低融点層から分離した後に接合材料層を溶融させて当該接合材料層中で高融点層を拡散させることができる。このため、当初の接合材料層よりも高い融点を持つ合金化接合材料層を形成できると共に、当該合金化接合材料層を介して半導体素子と基体とを接合することができる。言い換えると、固相線と、それよりも高温の液相線とを有する（固相線と液相線との間に温度幅を有する）合金化接合材料層を介して半導体素子と基体とを接合することができる。従って、半導体素子と基体とを接合する際には接合材料層を比較的低温で溶融させることができるため、基体上への半導体素子の接合を安定して行うことができると共に、半導体素子と基体との接合後においては接合材料層が合金化して液相線が高温化するため、リフロー時や実使用時の耐熱性を向上させることができる。
【００１２】
本発明に係る第１の半導体装置において、前記接合材料層はＢｉを主成分としてもよい。この場合、前記接合材料層は、Ｂｉと異なる不可避不純物をさらに含んでいてもよい。また、前記高融点層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＳｂからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含んでいてもよい。また、前記低融点層は、Ｓｎ、Ｉｎ及びＧａからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含んでいてもよい。尚、Ｂｉの融点が２７０℃であるのに対して、例えば、Ｂｉ−Ｓｎ合金（Ｓｎの含有率は２１％（重量％：以下同じ）以上）の融点は１３８℃であり、３５％Ｂｉ−６５％Ｉｎ合金の融点は７２℃（Ｉｎ自体の融点は１５６℃）であるので、接合材料層材料であるＢｉの量に対する低融点層材料であるＳｎ、Ｉｎ又はＧａの量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００１３】
本発明に係る第１の半導体装置において、前記半導体素子と前記低融点層との間に接着層がさらに形成されていてもよい。この場合、前記接着層は、Ｔｉ、Ｃｒ及びＡｌからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含んでいてもよい。また、前記接着層と前記低融点層との間に中間接合層がさらに形成されていてもよい。この場合、前記中間接合層は、Ｎｉ又はＣｒ−Ｎｉ合金を含んでいてもよい。また、前記中間接合層と前記低融点層との間に拡散防止層がさらに形成されていてもよい。この場合、前記拡散防止層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ及びＭｎからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含んでいてもよい。
【００１４】
本発明に係る第１の半導体装置において、前記高融点層は、互いに分離した複数のブロックから構成されていてもよい。このようにすると、高融点層が半導体素子の一面の全体に形成されている場合と比べて、接合材料層を溶融させた際に当該接合材料層中で高融点層を容易に拡散させることができるので、合金化接合材料層の組成のばらつきを抑制して接合品質を向上させることができる。また、この場合、前記低融点層は、前記高融点層を構成する前記各ブロックと対応する複数のブロックから構成されていてもよい。尚、高融点層を構成する各ブロックのサイズは特に限定されるものではないが、前述の効果を得るためには、各ブロックのサイズは小さいほど好ましく、例えば厚さや幅等が数μｍ〜数十μｍ程度以下（特に厚さについては１０μｍ程度以下）であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る第１の半導体装置において、前記低融点層と前記高融点層とが交互にそれぞれ２層以上積層されていてもよい。このようにすると、高融点層が１層だけ形成されている場合と比べて、積層体中の各高融点層の厚さを薄くできるため、接合材料層を溶融させた際に当該接合材料層中で各高融点層を容易に拡散させることができるので、合金化接合材料層の組成のばらつきを抑制して接合品質を向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る第１の半導体装置において、前記高融点層はポーラス状に形成されていてもよい。このようにすると、接合材料層を溶融させた際に当該接合材料層中で高融点層を容易に拡散させることができるので、合金化接合材料層の組成のばらつきを抑制して接合品質を向上させることができる。
【００１７】
前記の目的を達成するために、本発明に係る第２の半導体装置は、基体上に接合材料層を介して半導体素子が設けられた半導体装置であって、前記接合材料層は、主成分となる第１の元素と、前記第１の元素よりも融点が高い第２の元素と、前記第１の元素よりも融点が低い第３の元素とを含む。
【００１８】
すなわち、本発明に係る第２の半導体装置は、前述の本発明に係る第１の半導体装置を接合材料層側からダイバッド等の基体上に押し付けることにより得られる半導体装置であるため、前述の本発明に係る第１の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
本発明に係る第２の半導体装置において、前記第２の元素は、前記接合材料層中に固形物として点在していてもよい。
【００２０】
本発明に係る第２の半導体装置において、前記第１の元素はＢｉであってもよい。この場合、前記第２の元素は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＳｂからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素であってもよい。また、前記第３の元素は、Ｓｎ、Ｉｎ及びＧａからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素であってもよい。また、前記接合材料層は、前記第１の元素、前記第２の元素及び前記第３の元素のいずれとも異なる不可避不純物をさらに含んでいてもよい。尚、Ｂｉの融点が２７０℃であるのに対して、例えば、Ｂｉ−Ｓｎ合金（Ｓｎの含有率が２１％以上）の融点は１３８℃であり、３５％Ｂｉ−６５％Ｉｎ合金の融点は７２℃（Ｉｎ自体の融点は１５６℃）であるので、Ｂｉ（第１の元素）の量に対するＳｎ、Ｉｎ又はＧａ（第３の元素）の量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００２１】
本発明に係る第２の半導体装置において、前記半導体素子と前記接合材料層との間に接着層がさらに形成されていてもよい。この場合、前記接着層は、Ｔｉ、Ｃｒ及びＡｌからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含んでいてもよい。また、前記接着層と前記接合材料層との間に中間接合層がさらに形成されていてもよい。この場合、前記中間接合層は、Ｎｉ又はＣｒ−Ｎｉ合金を含んでいてもよい。また、前記中間接合層と前記接合材料層との間に拡散防止層がさらに形成されていてもよい。この場合、前記拡散防止層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｏ及びＭｎからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含んでいてもよい。
【００２２】
本発明に係る第２の半導体装置において、前記基体はダイパッドであってもよい。この場合、前記ダイパッドは、銅又は銅合金を含んでいてもよい。また、前記ダイパッドの表面には、銀を含む被接合層が形成されていてもよい。
【００２３】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基体上に接合材料層を介して半導体素子が設けられた半導体装置の製造方法であって、前記半導体素子の一面上に、前記接合材料層よりも融点が低い低融点層を形成する工程（ａ）と、前記低融点層上に、前記接合材料層よりも融点が高い高融点層を形成する工程（ｂ）と、前記半導体素子の前記一面上に前記低融点層及び前記高融点層を覆うように接合材料層を形成する工程（ｃ）と、前記半導体素子の前記接合材料層側を前記基体に押し付けながら前記接合材料層を溶融させることによって、前記基体と前記半導体素子とを接合する工程（ｄ）とを備えている。ここで、前記工程（ｂ）において、前記高融点層は、前記低融点層上に、互いに分離した複数のブロックとして形成されてもよい。
【００２４】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、半導体素子の接合材料層側をダイバッド等の基体上に加熱状態で押し付けることにより、接合材料層中で低融点層を溶融させて高融点層を低融点層から分離した後に接合材料層を溶融させて当該接合材料層中で高融点層を拡散させることができる。このため、当初の接合材料層よりも高い融点を持つ合金化接合材料層を形成できると共に、当該合金化接合材料層を介して半導体素子と基体とを接合することができる。言い換えると、固相線と、それよりも高温の液相線とを有する（固相線と液相線との間に温度幅を有する）合金化接合材料層を介して半導体素子と基体とを接合することができる。従って、半導体素子と基体とを接合する際には接合材料層を比較的低温で溶融させることができるため、基体上への半導体素子の接合を安定して行うことができると共に、半導体素子と基体との接合後においては接合材料層が合金化して液相線が高温化するため、リフロー時や実使用時の耐熱性を向上させることができる。
【００２５】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記工程（ｄ）よりも前に、前記基体を加熱する工程をさらに備えていてもよい。この場合、前記基体の加熱温度は、前記接合材料層の融点よりも高く且つ前記高融点層の融点よりも低くてもよい。
【００２６】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記工程（ｄ）において、前記接合材料層中で前記低融点層を溶融させて前記高融点層を前記低融点層から分離した後に前記接合材料層を溶融させて当該接合材料層中で前記高融点層を拡散させることにより、前記接合材料層よりも高い融点を持つ合金化接合材料層を形成してもよい。この場合、前記合金化接合材料層は、固相線と、前記固相線よりも高温の液相線とを有していてもよい。
【００２７】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記基体はダイパッドであってもよい。この場合、前記ダイパッドの表面には、銀を含む被接合層が形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、基体上に半導体素子が接合される際に、接合材料層中に高融点層を拡散させることにより、当初の接合材料層よりも高い融点を持つ合金化接合材料層を形成できると共に、当該合金化接合材料層を介して半導体素子と基体とを接合することができる。従って、半導体素子と基体とを接合する際には接合材料層を比較的低温で溶融させることができるため、基体上への半導体素子の接合を安定して行うことができると共に、半導体素子と基体との接合後においては接合材料層が合金化して液相線が高温化するため、リフロー時や実使用時の耐熱性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置、具体的には、ＴＶ受像機の電源部に利用される半導体装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示す半導体装置のうち封止樹脂部を除いた部分の平面図である。
【００３２】
本実施形態の半導体装置は電源部に用いられるため、数十アンペアから百アンペア程度の電流が流れる。そこで、この電流に伴う発熱により半導体素子が破壊されることを防止するために、本実施形態の半導体装置においては、図１及び図２に示すように、肉厚が十分に厚い銅（Ｃｕ）からなり、且つ複数の外部リード１、複数の内部リード２、ダイパッド３及び放熱部４を有するリードフレームを用いている。ここで、放熱部４は、ダイパッド３における外部リード１の取り付け側の反対側にダイパッド３と一体的に形成されている。また、各外部リード１と各内部リード２とは一体的に形成されていると共に、複数の外部リード１のうちの１つと複数の内部リード２のうちの１つとはダイパッド３と一体的に形成されている。
【００３３】
また、図２に示すように、本実施形態の半導体装置においては、ダイパッド３の上に半導体素子５が実装されており、半導体素子５に形成された電極６と、ダイパッド３と接続されていない内部リード２とは、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなるワイヤ７によって電気的に接続されている。
【００３４】
尚、半導体素子５、ワイヤ７、内部リード２及びダイパッド３は封止樹脂部８（図２では外形のみ一点鎖線で図示）によって覆われている。
【００３５】
また、放熱部４には、ねじ止め孔４ａが形成されており、当該ねじ止め孔４ａをねじによって電源部の放熱機構（図示省略）に固持すれば、半導体素子５の発熱をダイパッド３、放熱部４及び前記ねじを通じて前記放熱機構に放熱させることができる。
【００３６】
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図３（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【００３７】
まず、図３（ａ）に示すように、半導体素子５をダイボンドする前のダイパッド３の表面上に、例えば真空成膜法（具体的には蒸着法又はスパッタ法等）又はめっき法等により、例えば厚さ０．１μｍ〜０．４μｍ程度の銅からなる表面層１０を設ける。尚、本実施形態においては、この表面層１０も含めてダイパッド３として取り扱う。また、本実施形態においては、外部リード１及び内部リード２を含むダイパッド３の材料として銅（Ｃｕ）を用いたが、これに限らず、銅、銀（Ａｇ）又はコバルト（Ｃｏ）を含む合金等を用いてもよい。次に、表面層１０の上に、例えばめっき法等により、厚さ０．５μｍ〜４μｍ程度の銀（Ａｇ）からなる被接合層１１を設ける。すなわち、本実施形態の半導体装置の製造においては、半導体素子が接合される基体は、ダイパッド３、表面層１０及び被接合層１１の３層構造を有する。また、本実施形態においては、被接合層１１の材料として銀を用いたが、これに限られず、銀、コバルト又は銅を含む合金等を用いてもよい。
【００３８】
一方、半導体素子５の下部は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板であり、当該半導体基板の下面上に、図３（ａ）に示すように、例えば真空成膜法（具体的には蒸着法又はスパッタ法等）又はめっき法等により、厚さが０．０５μｍ程度のクロム（Ｃｒ）からなる接着層１２、厚さが０．０５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）−クロム合金からなる中間接合層１３、及び厚さが０．３μｍ程度の銅（Ｃｕ）からなる拡散防止層１４を順次形成する。また、拡散防止層１４の下面上に、例えば真空成膜法（具体的には蒸着法又はスパッタ法等）又はめっき法等により、厚さ０．１〜０．５μｍ程度の錫（Ｓｎ：融点は２２０℃程度）からなる低融点層１５、厚さ０．５μｍ〜５μｍ程度の銅（Ｃｕ：融点は１０００℃程度以上）からなる高融点層１６Ａ、及び厚さ１０〜３０μｍ程度のビスマス（Ｂｉ：融点は２７０℃程度）からなる接合材料層１７Ａを順次形成する。ここで、高融点層１６Ａは、接合材料層１７Ａを溶融させた際に当該接合材料層１７Ａ中で容易に拡散できるように、互いに分離した複数のブロックから構成されていると共に、低融点層１５も、高融点層１６Ａを構成する各ブロックと対応する複数のブロックから構成されている。また、接合材料層１７Ａは、拡散防止層１４の下面と低融点層１５及び高融点層１６Ａの各ブロックとを覆うように形成されている。すなわち、本実施形態においては、前述の接着層１２、中間接合層１３、拡散防止層１４、低融点層１５、高融点層１６Ａ及び接合材料層１７Ａにより、半導体素子５の裏面電極１８が形成されている。
【００３９】
尚、本実施形態において、接着層１２の材料として、クロム（Ｃｒ）を用いたが、これに代えて、チタン（Ｔｉ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）を用いてもよいし、又はチタン、クロム及びアルミニウムからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を主成分として含む合金を用いてもよい。
【００４０】
また、本実施形態において、中間接合層１３の材料として、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金を用いたが、これに代えて、ニッケルを用いてもよいし、又はニッケル若しくはニッケル−クロムを主成分とする合金を用いてもよい。
【００４１】
また、本実施形態において、拡散防止層１４の材料として、銅（Ｃｕ）を用いたが、これに代えて、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）若しくはマンガン（Ｍｎ）を用いてもよいし、又は銅、銀、コバルト及びマンガンからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含む合金を用いてもよい。
【００４２】
また、本実施形態において、低融点層１５の材料として、錫（Ｓｎ）を用いたが、これに代えて、接合材料層１７Ａの構成材料（本実施形態ではビスマス）よりも融点が低い他の材料、例えばインジウム（Ｉｎ）若しくはガリウム（Ｇａ）を用いてもよいし、又は錫、インジウム及びガリウムからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含む合金を用いてもよい。
【００４３】
また、本実施形態において、高融点層１６Ａの材料として、銅（Ｃｕ）を用いたが、これに代えて、接合材料層１７Ａの構成材料（本実施形態ではビスマス）よりも融点が高い他の材料、例えば銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）若しくはアンチモン（Ｓｂ）を用いてもよいし、又は銅、銀、マグネシウム、マンガン、ニッケル、亜鉛及びアンチモンからなる元素群から選ばれた１つ又は複数の元素を含む合金を用いてもよい。
【００４４】
また、本実施形態において、接合材料層１７Ａとして、ビスマス（Ｂｉ）を用いたが、これに代えて、低融点層１５の構成材料（本実施形態では錫）よりも融点が高く且つ高融点層１６Ａの構成材料（本実施形態では銅）よりも融点が低い他の材料、例えばＢｉを主成分として含む合金を用いてもよい。ここで、接合材料層１７Ａは、ビスマスと異なる不可避不純物をさらに含んでいてもよい。
【００４５】
次に、図３（ｂ）に示すように、以上のような構成を持つダイパッド３と半導体素子５とを接合する。具体的には、ダイパッド３上の被接合層１１と、半導体素子５の裏面電極１８を構成する接合材料層１７Ａとの間で接合を形成し、それにより、ダイパッド３の上に半導体素子５を実装すると共に固着する。このとき、図３（ｂ）に示すように、加熱されたダイパッド３から接合材料層１７Ａを通じて裏面電極１８に熱が伝わり、まず、低融点層１５が溶融する。続いて、接合材料層１７Ａが溶融した時、低融点層１５から分離してフリーになった高融点層１６Ｂが接合材料層１７Ａ中で溶解しつつ拡散することにより、接合材料層１７Ａよりも高い融点を持つ合金化接合材料層１７Ｂが形成される結果、合金化接合材料層１７Ｂを介して半導体素子５とダイパッド３とが接合される。すなわち、固相線と、それよりも高温の液相線とを有する（固相線と液相線との間に温度幅を有する）合金化接合材料層１７Ｂを介して半導体素子５とダイパッド３とを接合することができる。
【００４６】
以上のように、本実施形態によると、半導体素子５とダイパッド３とを接合する際には接合材料層１７Ａを比較的低温で溶融させることができるため、ダイパッド３上への半導体素子５の接合を安定して行うことができると共に、半導体素子５とダイパッド３との接合後においては接合材料層１７Ａが合金化して（つまり合金化接合材料層１７Ｂが形成されて）液相線が高温化するため、リフロー時や実使用時の耐熱性を向上させることができる。例えば、接合材料層１７Ａがビスマスからなる場合、その融点は２７０℃程度である一方、合金化接合材料層１７Ｂが９８％ビスマス−２％銅合金からなる場合、その融点は５００℃を超える。従って、半導体素子５とダイパッド３とを接合する際には接合材料層１７Ａを比較的低温の２７０℃程度で溶融させることができる一方、それよりも高温の２８０℃〜２９０℃程度でも合金化接合材料層１７Ｂはその一部分しか溶けないため、リフロー時や実使用時の耐熱信頼性を確保することができる。
【００４７】
また、本実施形態によると、高融点層１６Ａが互いに分離した複数のブロックから構成されているため、高融点層１６Ａが半導体素子５の下面の全体に形成されている場合と比べて、接合材料層１７Ａを溶融させた際に当該接合材料層１７Ａ中で高融点層１６Ａを容易に拡散させることができるので、合金化接合材料層１７Ｂの組成のばらつきを抑制して接合品質を向上させることができる。尚、高融点層１６Ａを構成する各ブロックのサイズは特に限定されるものではないが、前述の効果を得るためには、各ブロックのサイズは小さいほど好ましく、例えば厚さや幅等が数十μｍ程度以下であることが好ましい。また、本実施形態では、低融点層１５も、高融点層１６Ａを構成する各ブロックと対応する複数のブロックから構成されていたが、これに代えて、低融点層１５については、半導体素子５の下面の全体に形成されていてもよい。
【００４８】
尚、本実施形態において、加熱により半導体素子５をダイパッド３に固着させる際に、低融点層１５から分離してフリーになった複数のブロック状の高融点層１６Ｂは、加熱温度や溶解度等によっては、接合材料層１７Ａ中に溶解しきらない場合がありうる。この場合、複数のブロック状の高融点層１６Ｂは、加熱前の各ブロック形状よりも小さくなってはいるものの、依然として、接合材料層１７Ａ中に固形物として点在している状況となる。当該態様であっても、接合材料層１７Ａが溶融した時、複数のブロック状の高融点層１６Ｂの一部が接合材料層１７Ａ中で溶解しつつ拡散することにより、接合材料層１７Ａよりも高い融点を持つ合金化接合材料層１７Ｂが形成される結果、合金化接合材料層１７Ｂを介して半導体素子５とダイパッド３とを接合することができる。
【００４９】
また、本実施形態において、合金化接合材料層１７Ｂは、接合材料層１７Ａの構成材料（本実施形態ではビスマス）と低融点層１５の構成材料（本実施形態では錫）と高融点層１６Ａの構成材料（本実施形態では銅）とを含むことになる。ここで、合金化接合材料層１７Ｂが、こららの構成材料のいずれとも異なる不可避不純物をさらに含んでいてもよい。但し、例えば、ビスマスの融点が２７０℃であるのに対して、ビスマス−錫合金（錫の含有率は２１％以上）の融点は１３８℃であり、３５％ビスマス−６５％インジウム合金の融点は７２℃（Ｉｎ自体の融点は１５６℃）であるので、接合材料層１７Ａの構成材料であるＢｉの量に対する低融点層１５の構成材料であるＳｎ、Ｉｎ又はＧａの量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００５０】
また、本実施形態において、半導体素子５を接合材料を介してダイパッド３上に実装したが、これに代えて、半導体素子５を接合材料を介して他の基体上に実装してもよい。
【００５１】
また、本実施形態において、低融点層１５及び高融点層１６Ａの各ブロックでは、低融点層１５及び高融点層１６Ａのそれぞれが１層ずつ形成されていた。しかし、これに代えて、低融点層１５と高融点層１６Ａとが交互にそれぞれ２層以上積層されていてもよい。このようにすると、高融点層１６Ａが１層だけ形成されている場合と比べて、積層体中の各高融点層１６Ａの厚さを薄くできるため、接合材料層１７Ａを溶融させた際に当該接合材料層１７Ａ中で各高融点層１６Ａを容易に拡散させることができるので、合金化接合材料層１７Ｂの組成のばらつきを抑制して接合品質を向上させることができる。
【００５２】
また、本実施形態において、高融点層１６Ａはポーラス状に形成されていてもよい。このようにすると、接合材料層１７Ａを溶融させた際に当該接合材料層１７Ａ中で高融点層１６Ａを容易に拡散させることができるので、合金化接合材料層１７Ｂの組成のばらつきを抑制して接合品質を向上させることができる。
【００５３】
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法のうち、半導体素子５をダイパッド３上に実装する工程について、図４（ａ）及び（ｂ）を参照しながら詳細に説明する。尚、図４（ａ）及び（ｂ）において、図３（ａ）及び（ｂ）に示す構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００５４】
まず、図４（ａ）に示すように、予め表面に表面層１０（図示省略）及び被接合層１１が形成されたダイパッド３をヒートブロック１９の上に配置し、その後、還元雰囲気（例えばグリーンガス（窒素（Ｎ2 ）と水素（Ｈ2 ）との混合ガス）、又は非酸化雰囲気（例えば窒素（Ｎ2 ）雰囲気）でダイパッド３を、接合材料層１７Ａの融点よりも高く且つ高融点層１６Ａの融点よりも低い温度、例えば約３１０℃に加熱する。
【００５５】
次に、還元雰囲気又は非酸化雰囲気で加熱されているダイパッド３の被接合層１１の上に、接合材料層１７Ａを含む裏面電極１８を形成した半導体素子５を押し付ける。ここで、接合材料層１７Ａは、主成分であるビスマス（Ｂｉ）と、不可避成分（不純物）とから構成されており、融点は約２７０℃である。また、高融点層１６Ａを構成する銅が接合材料層１７Ａ中に拡散してなる合金化接合材料層１７Ｂが、約９８重量％（以下、単に％と表示する）のビスマスと約２％の銅とから構成されるように、接合材料層１７Ａの膜厚は制御されている。また、接合材料層１７Ａつまり合金化接合材料層１７Ｂには、不可避成分として、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、カドミウム（Ｃｄ）又は砒素（Ａｓ）等が約０．０１％未満含まれている。
【００５６】
次に、図４（ｂ）に示すように、ダイパッド３より供給された熱量が、ビスマス（Ｂｉ）から構成された接合材料層１７Ａに伝わり、まず、錫（Ｓｎ）から構成された低融点層１５が溶融する。次に、接合材料層１７Ａが溶融する時に、低融点層１５から分離してフリーになった高融点層１６Ｂ（銅（Ｃｕ）から構成されている）が接合材料層１７Ａ中で溶解しつつ拡散することにより、接合材料層１７Ａは、Ｂｉ−Ｃｕ合金層から構成された合金化接合材料層１７Ｂとなる。合金化接合材料層１７Ｂは、約２７０℃以上の固相線を有するだけではなく、固相線よりも高温の合金の液相線を有するため、合金化接合材料層１７Ｂによって、耐熱性に優れた接合が可能となる。
【００５７】
このように、本実施形態においては、還元雰囲気又は非酸化雰囲気で加熱されているダイパッド３の被接合層１１の上に、裏面電極１８を形成した半導体素子５を押し付けることにより、接合材料層１７Ａと高融点層１６Ａとが合金化されてなる合金化接合材料層１７Ｂを形成する。その後、この状態で温度を下げて合金化接合材料層１７Ｂを固化させることにより、リフロー時や実使用時の耐熱性に優れた接合を有する半導体装置を得ることができる。
【００５８】
以上に説明したように、本実施形態においては、ビスマス（Ｂｉ）を主成分とする接合材料層１７Ａ中に低融点層１５及び高融点層１６Ａを形成した裏面電極１８を、ダイパッド３の表面上に形成した被接合層１１に押し付けることにより、ダイパッド３より供給された熱量が、Ｂｉから構成された接合材料層１７Ａに伝わり、まず、錫（Ｓｎ）から構成された低融点層１５が溶融する。次に、Ｂｉを主成分とする接合材料層１７が溶融する時に、銅（Ｃｕ）で構成された高融点層１６Ｂ（高融点層１６Ａが低融点層１５から分離したもの）が接合材料層１７Ａ中で溶解しつつ拡散する。これによって形成されるＢｉ−Ｃｕ合金層である合金化接合材料層１７Ｂは、２７０℃程度以上の融点（固相線）を有するだけではなく、固相線よりも高温の合金の液相線を有するため、ダイパッド３と半導体素子５との接合部の耐熱性が向上する結果、ダイパッド３上への半導体素子５の接合が安定する。
【００５９】
尚、ダイパッド３との接合前においては、半導体素子５の裏面に、前述の構成を持つ接着層１２、中間接合層１３、拡散防止層１４、低融点層１５、高融点層１６Ａ及び接合材料層１７Ａからなる裏面電極１８が予め形成されている。ここで、裏面電極１８を構成する拡散防止層１４に銅（Ｃｕ）を用いることにより、中間接合層１３に含まれるニッケル（Ｎｉ）から生成されるニッケルイオンが接合材料層１７Ａ中に拡散して金属間化合物（Ｂｉ3 Ｎｉ等）が形成される事態を阻止することができる。これにより、接合材料層１７Ａの溶融温度が著しく上昇してしまうことを防止することができる。一方、拡散防止層１４に用いたＣｕから生成されるＣｕイオンが半導体素子５側に拡散してデバイス特性を変化させることがないように、中間接合層１３にＮｉ又はＮｉ合金（Ｎｉ−Ｃｒ合金）を用いている。
【００６０】
また、本実施形態において、半導体素子５の裏面電極１８中に低融点層１５、高融点層１６Ａ及び接合材料層１７Ａを形成したが、これに代えて、ダイパッド３の表面上に形成した被接合層１１上に、低融点層１５、高融点層１６Ａ及び接合材料層１７Ａを形成しても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
（比較例）
以下、比較例に係る半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００６２】
図５（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【００６３】
まず、図５（ａ）に示すように、半導体素子２０をダイボンドする前のダイパッド３の表面上に、表面層１０及び被接合層１１を順次形成する。一方、半導体素子２０の下部を構成する半導体基板の下面上に、接着層２１、中間接合層２２及び拡散防止層２３を順次形成する。続いて、拡散防止層２３の下面上に、第１の接合材料層２４、高融点層２５及び第２の接合材料層２６を形成する。これにより、接着層２１、中間接合層２２、拡散防止層２３、第１の接合材料層２４、高融点層２５及び第２の接合材料層２６からなる裏面電極２７が形成される。すなわち、ダイボンド前の裏面電極２７は、高融点層２５が接合材料層２４及び２６によってサンドイッチされた３層構造を有している。
【００６４】
次に、図５（ｂ）に示すように、以上のような構成を持つダイパッド３と半導体素子２０とを接合する。具体的には、ダイパッド３上の被接合層１１と、半導体素子２０の裏面電極２７を構成する接合材料層２４及び２６との間で接合を形成し、それにより、ダイパッド３の上に半導体素子２０を実装すると共に固着する。このとき、図５（ｂ）に示すように、加熱されたダイパッド３から接合材料層２６に熱が伝わり、まず、下層の接合材料層である接合材料層２６が溶融する。一方、高融点層２５は溶融することなく、溶融した接合材料層２６側に落ち込み始める。その後、裏面電極２７の全体に熱が伝わり、上層の接合材料層である接合材料層２４も溶融することにより、フリー状態となった高融点層２５が不規則な挙動をしながら、当該高融点層２５の一部分が接合材料層２４及び２６中で溶解しつつ拡散する。
【００６５】
本比較例では、高融点層２５は、ダイボンド時の加圧力により一部変形しながらも完全には溶解することなく、層構造を保ちつつ接合材料層２４及び２６が固化する時にその中に取り込まれてしまう。すなわち、ダイボンド終了後においても、固化した接合材料層２４及び２６の中に、変形した高融点層２５が残存してしまう。このような接合状態となると、本来均一である必要がある接合材料層中に異種接合材料が取り込まれた状態となるので、これらの材料間の物性の違いに起因して温度サイクル試験などでクラックが発生してしまう等の信頼性低下につながる問題が生じてしまう。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、基体と半導体素子とを接合する接合材料層の耐熱性を向上させ、それによって、基体上への半導体素子の接合を安定させることができるので、特に、動作時に高温となる電子機器に組み込まれる半導体装置及びその製造方法等に好適である。
【符号の説明】
【００６７】
１    外部リード
２    内部リード
３    ダイパッド
４    放熱部
４ａ    ねじ止め孔
５    半導体素子
６    電極
７    ワイヤ
８    封止樹脂部
１０    表面層
１１    被接合層
１２    接着層
１３    中間接合層
１４    拡散防止層
１５    低融点層
１６Ａ、１６Ｂ    高融点層
１７Ａ    接合材料層
１７Ｂ    合金化接合材料層
１８    裏面電極
１９    ヒートブロック
【図１】
2011071152.tif 000003
【図２】
2011071152.tif 000004
【図３】
2011071152.tif 000005
【図４】
2011071152.tif 000006
【図５】
2011071152.tif 000007