(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を搭載する基板と、
前記半導体素子と前記基板との間に介在し、前記半導体素子と前記基板とを接合する接合部と
を備え、
前記接合部は、前記半導体素子側から順に、ＡｕＳｎ合金層と、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体とを含む混晶層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記混晶層を形成する混晶中に含有される金属間化合物はＡｕの含有率が５０ａｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子と基板とを接合させた半導体装置の製造方法及び半導体装置に関し、より詳しくは、Ａｇペーストを用いてＡｕ−Ｓｎはんだを有する半導体素子を基板に接合させた半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷物質であるＰｂを含むはんだを使用しない、いわゆるＰｂフリーはんだが用いられている。このようなＰｂフリーはんだの中でも、熱伝導性の高いＡｕ−Ｓｎはんだが用いられることが多い（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
しかしながら、Ａｕ−Ｓｎはんだは、濡れ性が悪いため接合領域を十分に広く取ることができず、また表面には酸化膜が多いため溶融したＡｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が悪い。そのため加熱溶融しながら荷重をかけて接合する工法もあるが、加熱温度が高い上、加熱時間が長い。その上、長時間荷重をかけて接合しなければならないといった問題があった。
【０００４】
このため、Ａｕ−Ｓｎはんだのみではなく、Ａｇ等の付加的な金属を用いることにより、上記のようなＡｕ−Ｓｎはんだを用いる際の問題点を解決する手法が提案されている（例えば、特許文献３〜６参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６９７５１号公報
【特許文献２】特開２００９−３０２４１３号公報
【特許文献３】特開平０６−１８８５５１号公報
【特許文献４】特開２００４−０７２０４８号公報
【特許文献５】特開２００７−２７３７４４号公報
【特許文献６】特開２０１０−１６１２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ａｇを付加的な金属として用いる際には、マイグレーションの問題が懸念される。また、Ａｕ−Ｓｎはんだを溶融させた後に、脆性破壊を生じやすいＳｎ含有量の多いＡｕＳｎ２合金やＡｕＳｎ４合金等の金属間化合物は生成し、接合信頼性を劣化するといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記の従来技術の課題を鑑みてなされたものであり、低い加熱温度で半導体素子と基板とを接合可能で、信頼性が良好な半導体装置の製造方法及び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】
【００１０】
上記の課題を解決すべく、本発明は、以下の構成の発光装置を提供する。
即ち、半導体素子と、前記半導体素子を搭載する基板と、前記半導体素子と前記基板との間に介在し、前記半導体素子と前記基板とを接合する接合部とを備え、前記接合部は、前記半導体素子側から順に、ＡｕＳｎ合金層と、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｕ固溶体とを含む混晶層とを有することを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
ここで、前記混晶層を形成する混晶中に含有される金属間化合物はＡｕの含有率が５０ａｔ％以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発光装置によれば、半導体素子と基板との接合部が、半導体素子側から順に、ＡｕＳｎ合金層と、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｕ固溶体とを含む混晶層とを有することから、Ａｇ単体では存在せずにＡｇ−Ａｕ−Ｓｎの固溶体となって存在することから、マイグレーションが生じない。従って、接合信頼性の高い発光装置を得ることができる。
【００１５】
ここで、混晶層を形成する混晶中に含有される金属間化合物はＡｕの含有率が５０ａｔ％以上であれば、接合部に脆性破壊を生じやすいＳｎ含有量の多いＡｕＳｎ２合金やＡｕＳｎ４合金等の金属間化合物は生成しない。従って、更に接合信頼性の高い発光装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の接合メカニズムを示す断面図である。
【図２】図２は、Ａｕ−Ｓｎ系の二元系状態図である。
【図３】図３は、Ａｕ−Ａｇ系の二元系状態図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態で用いる窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を示す概略断面図であり、図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態にて引用するフェイスアップ型の半導体発光素子の構造を示す概略断面図であり、図４（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態にて引用するフリップチップ型の半導体発光素子の構造を示す概略断面図であり、図４（ｃ）は、本発明の第３の実施の形態にて引用する垂直発光型の半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態を示す製造方法を示す断面図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態を示す製造方法を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施の形態を示す製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書では、Ａ元素とＢ元素との混合物又は化合物（合金）を「Ａ−Ｂ」と記載し、Ａ元素とＢ元素とが１：１で含まれる化合物（合金）「ＡＢ合金」と記載することとする。また。「ナノ粒子」とは、直径が１ｎｍ〜１００ｎｍの粒子を指すこととする。更に、「ａｔ％」とは、原子％を指すこととする。
【００１８】
（本発明の接合メカニズム）
以下、図１を参照して、本発明の半導体素子と基板との接合メカニズムを説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、半導体素子本体１ａの搭載面にＡｕ−Ｓｎ層１ｂを設けた半導体素子１を用意する。一方、基板本体２ａの表面に配線２ｂを設けた基板２を用意する。次に、配線２ｂ上にＡｇナノ粒子と有機溶媒との混合物であるＡｇペースト３ａを塗布する。そして、半導体素子１のＡｕ−Ｓｎ層１ｂ形成側と基板２のＡｇペースト３ａを塗布した領域の配線２ｂとを対向させる。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、温度を昇温させて、Ａｇペースト３ａ中の有機溶媒を揮発させて除去する。この際、有機溶媒は室温で揮発しにくく、沸点が比較的低いものであって、揮発後に残渣を生じさせないものを用いることが好ましい。このような有機溶媒として、アルコール系溶媒が挙げられる。この中でも特に、ペンタンジオールやヘキサンジオール等のジオールを用いることが好ましい。昇温温度としては１００〜２００℃が好ましい。
この際、Ａｇナノ粒子は活性度が高いため、隣接するＡｇナノ粒子同士が凝集し始め、Ａｇ単体の結晶化が進行したＡｇナノ粒子凝集層３ｂを形成する。
【００２０】
次いで、図１（ｃ）に示すように、半導体素子１を基板２に搭載し、更に、温度を昇温させる。昇温温度としては、２８０℃〜３３０℃が好ましい。この際、Ａｕ−Ｓｎ層を予め、Ａｕの含有率を５０ａｔ％〜８５ａｔ％とすると、図２に示すＡｕ−Ｓｎ系の合金状態図から明らかなように、室温でＡｕ５Ｓｎ合金となるゼータ相とＡｕＳｎ合金との共晶（共晶温度：２８０℃）組織となり、融点を下げることができる。また、脆性破壊を生じやすいＡｕＳｎ２合金やＡｕＳｎ４合金等の金属間化合物を生成することがない。このような組成のＡｕ−Ｓｎ合金を用いた際、昇温時の接合層４は、半導体素子本体１ａ側からＡｕＳｎ合金層４ａ、Ａｕ５Ｓｎ合金層４ｂ、ＡｕＳｎ合金層４ｃ及びＡｇナノ粒子凝集層３ｂとなる。
【００２１】
その後、図１（ｄ）に示すように、図３に示すＡｕ−Ａｇ系の合金状態図から明らかなように、Ａｕ−Ａｇ系は全率固溶であるため、Ａｇナノ粒子凝集層３ｂは、Ａｕ５Ｓｎ層４ｂ、ＡｕＳｎ合金層４ｃに固溶する。そして、降温後、室温での接合層５は半導体素子本体１ａ側からＡｕＳｎ合金層５ａ、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体との混晶層５ｂを形成される。この際、混晶層５ｂにはＡｕ５Ｓｎの他に、Ａｕが５０ａｔ％〜８５ａｔ％の金属間化合物が生成されることもある。
【００２２】
このような本発明の接合メカニズムによれば、活性度の高いＡｇナノ粒子と、Ａｕの含有率が５０ａｔ％〜８５ａｔ％のＡｕ−Ｓｎ層１ｂを用いた接合を行うため、比較的低温で、半導体素子１と基板２とを接合することができる。この際、Ａｇのマイグレーションが懸念されるが、Ａｇは単体では存在せずに、Ａｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体としてＡｕ−Ｓｎ内に進入して存在するため、マイグレーションが抑制される。また、脆性破壊の生じやすいＳｎの含有量の多いＡｕＳｎ２合金やＡｕＳｎ４合金等の金属間化合物を生成することがないため、接合信頼性の高い接合部を形成することができる。
【００２３】
本発明者らは、本発明の接合部の信頼性を評価するために、大気暴露試験（試験条件：Ｔａ＝４０℃）、マイグレーション試験（試験条件：Ｔａ＝８５℃／ＲＨ＝８５%／２ｍＡ通電）、熱衝撃試験（試験条件：−４０℃〜１００℃）を行ったところ、接合信頼性が通常のＡｕ−Ｓｎはんだのみを用いた接合信頼性より高いことを確認した。
【００２４】
次に、上記した本発明の接合メカニズムを用いて半導体素子を基板に接合して半導体装置を製造する実施の形態について説明する。
実施の形態の説明に際し、半導体素子として、種々の接合形態が存在する窒化ガリウム
（以下、「ＧａＮ」と記載する。）系半導体発光素子を用いた半導体発光装置の製造方法を例示することとする。
実施の形態の説明に先立って、ＧａＮ系半導体発光素子の素子構造について、図４を参照して説明する。
【００２５】
図４（ａ）は、一般的にフェイスアップ型と呼ばれる半導体発光素子の断面構造を示したものである。
この半導体発光素子１１は、サファイア等の絶縁性の成長基板１１０ａの表面側から順にｎ型ＧａＮ層１１１ａ、ノンドープＩｎＧａＮからなる発光層１１２ａ、ｐ型ＧａＮ層１１３ａを積層し、その積層体の一部の領域においてｐ型ＧａＮ層１１３ａからｎ型ＧａＮ層１１１ａの途中までエッチングにより除去し、ｎ型ＧａＮ層１１１ａを露出させ、その露出部にｎ型電極１１１ｅを形成した後、エッチングしなかった領域のｐ型ＧａＮ層１１３ａの全面にＩＴＯ、ＩＣＯ、ＩＺＯ等の透明導電性酸化物からなるｐ型透明電極１１３ｅを形成し、次いで、ｐ型透明電極１１３ｅの一部の領域の上にｐ型パッド電極１１３ｐを形成したものである。成長基板１１０ａには、その裏面側から順にＡｌ等からなる反射層１１０ｒ、Ａｕの含有率が５０ａｔ％〜８５ａｔ％であるＡｕ−Ｓｎ層１１ｂが形成されている。
【００２６】
図４（ｂ）は、一般的にフリップチップ型と呼ばれる半導体発光素子の断面構造を示したものである。
この半導体発光素子２１は、サファイア等の絶縁性の成長基板２１０ａの表面側から順にｎ型ＧａＮ層２１１ａ、ノンドープＩｎＧａＮからなる発光層２１２ａ、ｐ型ＧａＮ層２１３ａを積層し、その積層体の一部の領域においてｐ型ＧａＮ層２１３ａからｎ型ＧａＮ層２１１ａの途中までエッチングにより除去し、ｎ型ＧａＮ層２１１ａを露出させ、その露出部にｎ型電極２１１ｅを形成した後、エッチングしなかった領域のｐ型ＧａＮ層１１３ａの全面にＡｇ、Ａｇ合金、Ｒｈ等の高反射率の金属からなるｐ型反射電極２１３ｅを形成し、次いで、ｐ型反射電極２１３ｅの一部の領域の上にｐ型パッド電極２１３ｐを形成したものである。積層体側の全面にはＳｉＯ２等からなる絶縁膜２１４ａが形成され、ｎ型電極２１１ｅ及びｐ型パッド電極２１３ｐに対応する部分の絶縁膜２１４ａに開口部が設けられ、開口部を介してｎ型電極２１１ｅ及びｐ型パッド電極２１３ｐの各々と接続するＡｕの含有率が５０ａｔ％〜８５ａｔ％であるＡｕ−Ｓｎ層２１ｂが形成されている。
【００２７】
図４（ｃ）は、一般的に垂直発光型と呼ばれる半導体発光素子の断面構造を示したものである。
この半導体発光素子３１は、サファイア等の絶縁性の成長基板（図示せず。）の表面側から順にｎ型ＧａＮ層３１１ａ、ノンドープＩｎＧａＮからなる発光層３１２ａ、ｐ型ＧａＮ層３１３ａを積層した後、ｐ型ＧａＮ層３１３ａの全面にＡｇ、Ａｇ合金等からなる高反射率の金属からなるｐ型反射電極３１３ｅを形成し、次いで、Ｓｉ、Ｃｕ等からなる導電性の支持基板３１５ａをＡｕ−Ｓｎ等からなる接合層３１３ｂを介して接合し、その後、成長基板側から成長基板とｎ型ＧａＮ層３１１ａの界面にレーザーを照射し、成長基板をｎ型ＧａＮ層３１１ａから除去したものである。レーザーを照射して成長基板を除去して露出させたｎ型ＧａＮ層３１１ａの表面の一部にはｎ型電極１１０ｅが形成され、支持基板３１５ａの裏面には、Ａｕの含有率が５０ａｔ％〜８５ａｔ％であるＡｕ−Ｓｎ層３１ｂが形成されている。
【００２８】
（第１の実施の形態）
本実施の形態では、図３（ａ）に示したフェイスアップ型の半導体発光素子１１を用いた発光装置の製造方法について、図５を参照して説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、基板本体２ａに配線２ｂが設けられた基板２の配線２ｂ上に上記したＡｇペースト３ａを塗布し、半導体発光装置１１のＡｕ−Ｓｎ層１１ｂ側をＡｇペースト３ａが塗布された領域と対向させる。
次に、図５（ｂ）に示すように、上記した接合メカニズムにより、半導体発光素子本体１１ｂ側からＡｕＳｎ合金層５１ａ、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体との混晶層５１ｂからなる接合層５１を形成することにより、基板２の配線２ｂとを接合する。
最後に、半導体発光素子本体１１ｂのｎ型電極１１１ｅ及びｐ型パッド電極１１３の各々と配線２ｂをＡｕ等の金属細線からなるワイヤＷにて結線することにより、半導体発光素子本体１１ｂのｎ型ＧａＮ層１１３ａ、ｐ型ＧａＮ層１１３ａと基板２との電気的な接続を行うことにより半導体発光装置を得る。
【００２９】
（第２の実施の形態）
本実施の形態では、図３（ｂ）に示したフリップチップ型の半導体発光素子２１を用いた発光装置の製造方法について、図６を参照して説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、基板本体２ａに配線２ｂが設けられた基板２の配線２ｂ上に上記したＡｇペースト３ａを塗布し、半導体発光装置２１のＡｕ−Ｓｎ層２１ｂ側をＡｇペースト３ａが塗布された領域と対向させる。
次に、図６（ｂ）に示すように、上記した接合メカニズムにより、半導体発光素子本体２１ｂ側からＡｕＳｎ合金層５２ａ、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体との混晶層５２ｂからなる接合層５２を形成することにより、ｎ型ＧａＮ層２１３ａ、ｐ型ＧａＮ層２１３ａと基板２の配線２ｂとを接合するとともに、電気的な接続を行うことにより半導体発光装置を得る。
【００３０】
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、図３（ａ）に示した垂直発光型の半導体発光素子３１を用いた発光装置の製造方法について、図７を参照して説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、基板本体２ａに配線２ｂが設けられた基板２の配線２ｂ上に上記したＡｇペースト３ａを塗布し、半導体発光装置３１のＡｕ−Ｓｎ層３１ｂ側をＡｇペースト３ａが塗布された領域と対向させる。
次に、図６（ｂ）に示すように、上記した接合メカニズムにより半導体発光素子本体２１ｂ側からＡｕＳｎ合金層５３ａ、Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体との混晶層５３ｂからなる接合層５３を形成することにより、基板２の配線２ｂとを接合するとともに、支持基板３１５ａを介してｐ型ＧａＮ層１１３ａとの電気的な接続を行う。
最後に、半導体発光素子本体１１ｂのｎ型電極３１１ｅをＡｕ等の金属細線からなるワイヤＷにて結線することにより、半導体発光素子本体３１ｂのｎ型ＧａＮ層１１３ａと基板２との電気的な接続を行うことにより半導体発光装置を得る。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置は、上面発光型ＬＥＤランプ（所謂、トップビュー型ＬＥＤランプ），側面発光型ＬＥＤランプ（所謂、サイドビュー型ＬＥＤランプ）、チップオンボード（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ）型ＬＥＤモジュール（所謂、ＣＯＢ型モジュール）等に適用され、照明や液晶ディスプレイのバックライト等の各種光源に採用することができる。
【００３２】
この発明は、上記の発明の実施の形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲において種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００３３】
例えば、上記の発明の実施の形態では、半導体素子として半導体発光素子を用いて説明したが、その他の半導体素子、例えば、単数又は複数の論理素子（トランジスタ素子やダイオード素子）を形成した半導体素子、半導体受光素子、半導体サイリスタ素子等やこれらの複合素子を基板へ搭載する際に、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１        半導体素子
１ａ      半導体素子本体
１ｂ      Ａｕ−Ｓｎ層
２        基板
２ａ      基板本体
２ｂ      配線
３ａ      Ａｇペースト
３ｂ      Ａｇナノ粒子凝集層
４        接合層
４ａ      ＡｕＳｎ合金層
４ｂ      Ａｕ５Ｓｎ層
４ｃ      ＡｕＳｎ合金層
５        接合層
５ａ      ＡｕＳｎ合金層
５ｂ      Ａｕ５Ｓｎ合金とＡｇ−Ａｕ−Ｓｎ固溶体との混晶層
１１、２１、３１            半導体発光素子
１１ａ、２１ａ、３１ａ      半導体発光素子本体
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ      Ａｕ−Ｓｎ層
５１、５２、５３            接合層
【図１】
0005708512.tif 000002
【図２】
0005708512.tif 000003
【図３】
0005708512.tif 000004
【図４】
0005708512.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005708512.tif 000007
【図７】
0005708512.tif 000008