(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と基板との間に介在する接合構造体であって、
前記接合構造体は、Ｓｎ相と、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子と、Ａｇ粒子とを含み、
前記Ｃｕ合金粒子は、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層で被覆されており、
前記Ａｇ粒子は、Ａｇ3Ｓｎ被覆層で被覆されており、
前記Ｃｕ合金粒子と前記Ａｇ粒子とは、Ｃｕ10Ｓｎ3相を介して少なくとも部分的に結合されており、
前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の添加量の合計は、前記接合構造体に対して、２５質量％以上６５質量％未満であり、
前記Ｃｕ合金粒子の添加量に対する前記Ａｇ粒子の添加量の質量比は、０．２以上１．２未満である、
接合構造体。
【請求項２】
Ｃｕ−Ｐ化合物粒子が、前記接合構造体内に点在している請求項１に記載の接合構造体。
【請求項３】
半導体素子と基板とが、請求項１又は２に記載の接合構造体を介して接合されている半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子と前記接合構造体との間に、前記半導体素子側からＡｇ層及びＡｇ3Ｓｎ界面層が順に形成されており、
前記基板と前記接合構造体との間に、前記基板側からＣｕ層及びＣｕ6Ｓｎ5界面層が順に形成されている、
請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
Ｓｎ粒子、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子、Ａｇ粒子、及び溶剤を混合してペーストを調製する工程であって、前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の合計量は、前記Ｓｎ粒子、前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の合計量に対して、２５質量％以上６５質量％未満とし、且つ前記Ｃｕ合金粒子に対する前記Ａｇ粒子の質量比を、０．２以上１．２未満とする、工程と、
前記ペーストを基板上に塗布する工程と、
前記ペースト上に半導体素子を載せる工程と、
１２０℃以上２００℃以下の温度に加熱して前記ペースト中の溶剤を揮発させる工程と、
３４０℃以上４５０℃未満の温度に加熱して前記半導体素子と前記基板とを接合する工程と、
を有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、接合体構造体、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置に対する信頼性の要求は益々高まっている。特に、半導体素子と回路基板とは熱膨張係数の差が大きいため、これらの間に介在する接合部の信頼性の向上が求められている。従来、半導体素子としては、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等を基材としたものが多く使われ、その動作温度は１００℃〜１２５℃である。これらの半導体素子を回路基板に接合する際に用いる接合材には、多段階の接合に対応するための高い融点、起動・停止に伴う繰り返し熱応力に対する耐クラック性、及び半導体装置の汚染耐性が求められる。これらの要求に対して、Ｓｉを基材とする半導体素子を用いた半導体装置では、９５Ｐｂ−５Ｓｎ（質量％）が接合材として用いられている。また、ガリウム砒素を基材とする半導体素子を用いた半導体装置では、８０Ａｕ−２０Ｓｎ（質量％）が接合材として用いられている。しかしながら、有害な鉛（Ｐｂ）を多く含む９５Ｐｂ−５Ｓｎは、環境負荷低減の観点から問題があった。また、貴金属を多く含む８０Ａｕ−２０Ｓｎは、貴金属の高騰及び埋蔵量の点から問題があった。そのため、これらの接合材の代替となる接合材が強く望まれていた。【０００３】
一方、省エネルギーの観点から、次世代の半導体装置として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）を基材とする半導体素子を用いた半導体装置の開発が盛んに行なわれている。これらの半導体装置では、電力損失低減の観点から、動作温度が１７５℃以上とされており、将来的には３００℃になるとも言われている。そのため、半導体素子と回路基板との間に介在する接合部には、より高温で動作させてもクラックが生じないことが求められている。【０００４】
従って、鉛又は貴金属を含む従来の接合材の問題を解決しつつ、半導体装置を高温で動作させる際の接合部の耐クラック性を向上させることが求められている。【０００５】
そこで、特許文献１には、半導体装置における半導体素子と基板とを接合する方法として、半導体素子又は基板の接合面に、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子とを含む接合材を塗布する工程と、半導体素子の接合面と基板の接合面とを接合材を介在して合わせる工程と、Ｓｎの融点より高い温度で加熱し、接合材のＣｕとＳｎとを遷移的液相焼結させて、接合材をＣｕ6Ｓｎ5とＣｕ3Ｓｎとを含む組成にする工程と、加熱し接合材のＣｕ6Ｓｎ5をＣｕ3Ｓｎに変化させて、Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程と、を有する接合方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１９９８５２号公報
【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、特許文献１では、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子との組成比が、接合部の耐クラック性に与える影響について何ら検討されていない。Ｃｕ粒子を多く添加するとＳｎの流動性が低下するため、粒子同士で密閉された箇所には空隙が発生すると考えられる。空隙を含む接合部に熱衝撃が加わると、クラックが生じ易い。更に、Ｃｕ6Ｓｎ5に代表されるＣｕ−Ｓｎ合金は、金属状態図から考えると、Ｃｕが５質量％程度の固溶領域があるものの、２相分離型の状態を示す。そのため、Ｃｕ6Ｓｎ5の界面に低融点のＳｎが存在しなければ空隙となり、クラックの起点となり得る。よって、特許文献１の接合方法で形成された接合部の耐クラック性は十分であるとは言えない。【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、半導体装置の高温動作時においても、クラックが生じ難いといった接合信頼性の高い接合構造体を提供することを目的とする。また、本発明は、その接合構造体を備える半導体装置、及びそ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】
【０００９】
本発明は、半導体素子と基板との間に介在する接合構造体であって、前記接合構造体は、Ｓｎ相と、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子と、Ａｇ粒子とを含み、前記Ｃｕ合金粒子は、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層で被覆されており、前記Ａｇ粒子は、Ａｇ3Ｓｎ被覆層で被覆されており、前記Ｃｕ合金粒子と前記Ａｇ粒子とは、Ｃｕ10Ｓｎ3相を介して少なくとも部分的に結合されており、前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の添加量の合計は、前記接合構造体に対して、２５質量％以上６５質量％未満であり、前記Ｃｕ合金粒子の添加量に対する前記Ａｇ粒子の添加量の質量比は、０．２以上１．２未満である、接合構造体である。【００１０】
本発明は、半導体素子と基板とが、上記の接合構造体を介して接合されている半導体装置である。【００１１】
本発明は、Ｓｎ粒子、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子、Ａｇ粒子、及び溶剤を混合してペーストを調製する工程であって、前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の合計量は、前記Ｓｎ粒子、前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の合計量に対して、２５質量％以上６５質量％未満とし、且つ前記Ｃｕ合金粒子に対する前記Ａｇ粒子の質量比を、０．２以上１．２未満とする、工程と、前記ペーストを基板上に塗布する工程と、前記ペースト上に半導体素子を載せる工程と、１２０℃以上２００℃以下の温度に加熱して前記ペースト中の溶剤を揮発させる工程と、３４０℃以上４５０℃未満の温度に加熱して前記半導体素子と前記基板とを接合する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体装置の高温動作時においても、クラックが生じ難いといった接合信頼性の高い接合構造体を提供することができる。また、本発明によれば、接合信頼性の高い接合構造体を備えた半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る接合構造体を備える半導体装置の模式断面図である。
【図２】実施の形態１に係る接合構造体を備える半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図３】ペーストに含まれる成分の状態を示す模式図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、ペーストを基板上に塗布する工程を示す模式図である。
【図５】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、基板上に塗布したペースト上に半導体素子を載せる工程を示す模式図である。
【図６】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、加熱によりペースト中の溶剤を揮発させる工程を示す模式図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、加熱により半導体素子と基板とを接合する工程を示す模式図である。
【図８】Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕの３元系状態図である。
【図９】各Ａｇ／Ｃｕ質量比における、Ｃｕ合金粒子及びＡｇ粒子の合計量と、熱抵抗値の変化率との関係を示すグラフである。
【図１０】各Ｃｕ合金粒子中のＰ含有量における、Ｃｕ合金粒子及びＡｇ粒子の合計量と、熱抵抗値の変化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る接合構造体を備える半導体装置の模式断面図である。図１において、半導体装置は、半導体素子１と基板２とが接合構造体３を介して接合されたものである。接合構造体３は、錫（Ｓｎ）相４と、リン（Ｐ）を１質量％以上７質量％未満含有する銅（Ｃｕ）合金粒子５と、銀（Ａｇ）粒子６とを含む。Ｃｕ合金粒子５の表面は、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層７で被覆されている。Ａｇ粒子６の表面は、Ａｇ3Ｓｎ被覆層８で被覆されている。Ｃｕ合金粒子５とＡｇ粒子６とは、Ｃｕ10Ｓｎ3相９を介して少なくとも部分的に結合されている。半導体素子１と接合構造体３との間には、半導体素子１側からＡｇ層１０及びＡｇ3Ｓｎ界面層１１が順に形成されている。基板２と接合構造体３との間には、基板２側からＣｕ層１２及びＣｕ6Ｓｎ5界面層１３が順に形成されている。また、接合構造体３内には、半導体装置の製造過程で生じた空隙１４が存在している。更に、接合構造体３内には、半導体装置の製造過程で生じた微細なＣｕ−Ｐ化合物粒子１５が点在していてもよい。
【００１５】
実施の形態１に係る接合構造体３では、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の添加量の合計が、接合構造体３に対して、２５質量％以上６５質量％未満であり、好ましくは３０質量％以上６０質量％以下である。Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の添加量の合計が２５質量％未満であると、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６に対してＳｎが不足して接合構造体３内に低融点相が見られる。一方、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の添加量の合計が６５質量％以上であると、接合構造体３内に多数の空隙が生じ、クラックが生じ易くなる。
【００１６】
実施の形態１に係る接合構造体３では、Ｃｕ合金粒子５の添加量に対するＡｇ粒子６の添加量の質量比（Ａｇ／Ｃｕ質量比）は、０．２以上１．２未満であり、好ましくは０．３以上１．１以下である。Ａｇ／Ｃｕ質量比が０．２未満又は１．２以上であると、接合構造体３内に多数の空隙が生じ、クラックが生じ易くなる。
【００１７】
接合構造体３の断面厚さは、２０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以上１３０μｍ以下であることがより好ましい。接合構造体３の断面厚さが上記の範囲内であると、接合構造体３内に空隙が少なく、優れた耐クラック性を有することができる。
【００１８】
Ｃｕ合金粒子５のリン含有量が１質量％未満７質量％以上であると、接合構造体３内に多数の空隙が生じ、クラックが生じ易くなる。Ｃｕ合金粒子５のリン含有量は、好ましくは２質量％以上６質量％以下である。Ｃｕ合金粒子５の形状は、特に限定されるものではないが、球状であることが好ましい。Ｃｕ合金粒子５の平均粒子径は、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下であり、より好ましくは７μｍ以上４０μｍ以下である。Ｃｕ合金粒子５の平均粒子径が上記の範囲内であると、溶剤がＣｕ合金粒子５、Ａｇ粒子６及びＳｎ粒子の隙間から抜け易くなり、且つＣｕ合金粒子５の表面の酸化膜が溶剤により除去され易くなるため、Ｓｎと化合物を形成することができる。また、Ｃｕ合金粒子５の表面を被覆するＣｕ6Ｓｎ5被覆層７の厚さは、特に限定されるものではないが、好ましくは３μｍ以上２０μｍ以下である。
【００１９】
Ａｇ粒子６の形状は、特に限定されるものではないが、球状であることが好ましい。Ａｇ粒子６の平均粒子径は、好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下であり、より好ましくは７μｍ以上４０μｍ以下である。Ａｇ粒子６の平均粒子径が上記の範囲内であると、溶剤がＣｕ合金粒子５、Ａｇ粒子６及びＳｎ粒子の隙間から抜け易くなり、且つＡｇ粒子６の表面の酸化膜が溶剤により除去され易くなるため、Ｓｎと化合物を形成することができる。Ａｇ粒子６の表面を被覆するＡｇ3Ｓｎ被覆層８の厚さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２０】
なお、本明細書において、平均粒子径とは、ＪＩＳ−Ｚ−８８２５に記載の粒子径解析−レーザ回折・散乱法に準拠した装置を用いて測定した値である。
【００２１】
Ａｇ3Ｓｎ界面層１１の厚さは、特に限定されるものではないが、好ましくは５μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２２】
Ｃｕ6Ｓｎ5界面層１３の厚さは、特に限定されるものではないが、好ましくは３μｍ以上２０μｍ以下である。
【００２３】
なお、本明細書において、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層７、Ａｇ3Ｓｎ被覆層８、Ａｇ3Ｓｎ界面層１１及びＣｕ6Ｓｎ5界面層１３の厚さは、接合部断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）装置を用いて測定した値である。
【００２４】
半導体素子１としては、シリコン（Ｓｉ）を基材とした一般的な半導体素子でもよいが、シリコンと較べてバンドギャップが広い炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体材料を基材としたワイドバンドギャップ半導体素子が好ましい。半導体素子１上には、接合構造体３との接合性を確保するために、Ａｇ層１０が形成されている。Ａｇ層１０の厚さは、接合構造体３との接合性を確保することができれば特に限定されるものではない。
【００２５】
基板２の材質としては、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、銅モリブデン合金等が挙げられる。基板２上には、接合構造体３との接合性を確保するために、Ｃｕ層１２が形成されている。Ｃｕ層１２の厚さは、接合構造体３との接合性を確保することができれば特に限定されるものではない。また、Ｃｕ層１２は、Ｃｕを主成分とするものであればよく、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｐ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ等のＣｕ合金であってもよい。
【００２６】
次に、実施の形態１に係る接合構造体を備える半導体装置の製造方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る接合構造体を備える半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【００２７】
最初に、Ｓｎ粒子と、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子と、Ａｇ粒子と、溶剤とを混合してペーストを調製する（Ｓ１）。図３は、ペーストに含まれる成分の状態を示す模式図である。図３に示されるように、ペースト１６では、Ｓｎ粒子１７、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６が溶剤１８中に分散された状態となっている。ここで用いるＳｎ粒子１７、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の製造方法は、特に限定されるものではなく、アトマイズ法等の公知の方法が挙げられる。溶剤１８としては、公知の接合材ペーストに用いられる溶剤を用いることができ、例えば、テルピネオール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、メチルエチルケトン、イソホロン等が挙げられる。溶剤１８は、ペースト１６に対して、好ましくは１０質量％以上３０質量％以下の範囲で含まれる。ペースト１６に含まれるＣｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の合計量は、Ｓｎ粒子１７、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の合計量に対して、２５質量％以上６５質量％未満であり、好ましくは３０質量％以上６０質量％以下である。Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の合計量が２５質量％未満であると、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６に対してＳｎが不足して接合構造体３内に低融点相が見られる。一方、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６の合計量が６５質量％以上であると、接合構造体３内に多数の空隙が生じ、クラックが生じ易くなる。ペースト１６に含まれるＣｕ合金粒子５に対するＡｇ粒子６の質量比（Ａｇ／Ｃｕ質量比）を、０．２以上１．２未満とし、好ましくは０．３以上１．１以下とする。Ａｇ／Ｃｕ質量比が０．２未満又は１．２以上であると、接合構造体３内に多数の空隙が生じ、クラックが生じ易くなる。
【００２８】
次に、図４に示すように、調製したペースト１６を、基板２のＣｕ層１２上に塗布する（Ｓ２）。ペースト１６の塗布厚さは、接合構造体３が所望の断面厚さとなるように適宜調整すればよい。ペースト１６の塗布方法は、ペースト１６を所望の塗布厚さで均一に塗布することができれば特に限定されないが、例えば、スキージを用いて塗布する方法、ディスペンサを用いて塗布する方法等が挙げられる。
【００２９】
次に、図５に示すように、基板２のＣｕ層１２上に塗布したペースト１６上に、半導体素子１のＡｇ層１０がペースト１６と接するように半導体素子１を載せる（Ｓ３）。ペースト１６上に半導体素子１を高精度に載せるため、ペースト１６の上面を自動認識することができる装置、例えば、アスリートＦＡ株式会社製のチップマウンタを用いてもよい。
【００３０】
次に、図６に示すように、半導体素子１、ペースト１６及び基板２からなる積層体を１２０℃以上２００℃以下の温度に加熱して溶剤１８を揮発させ、ペースト１６から除去する（Ｓ４）。得られるペースト乾燥体１９は、Ｓｎ粒子１７、Ｃｕ合金粒子５及びＡｇ粒子６から構成される。加熱は、真空雰囲気下、大気雰囲気下、不活性ガス雰囲気下等のいずれで行ってもよいが、Ｓｎ粒子１７が溶融しないように行う必要がある。加熱温度は、溶剤１８の沸点に応じて、１２０℃以上２００℃以下の範囲で適宜設定すればよい。
【００３１】
最後に、図７に示すように、半導体素子１、ペースト乾燥体１９及び基板２からなる積層体を３４０℃以上４５０℃未満の温度に加熱し、半導体素子１と基板２とを接合構造体３を介して接合する（Ｓ５）。この工程では、加熱温度が２３２℃に到達した段階でＳｎ粒子１７が溶融する。Ｓｎ粒子１７が溶融すると、半導体素子１のＡｇ層１０との界面にＡｇ3Ｓｎ界面層１１が形成されると共に、基板２のＣｕ層１２との界面にＣｕ6Ｓｎ5界面層１３が形成される。同時に、Ｃｕ合金粒子５の表面を覆うようにＣｕ6Ｓｎ5被覆層７が形成されると共に、Ａｇ粒子６の表面を覆うようにＡｇ3Ｓｎ被覆層８が形成される。Ｃｕ合金粒子５内には、少なからず溶存酸素が存在する。この酸素は、接合性を悪化させる。しかし、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層７が形成される際に、Ｃｕ合金粒子５に含まれるＰが脱酸剤として作用して酸素と優先的に反応し、リン酸化物を形成する。このリン酸化物は、加熱温度が２７０℃に到達すると気化する。Ｃｕ合金粒子５に含まれる一部のＰは酸素と反応せずに、微細なＣｕ−Ｐ化合物粒子１５として接合構造体３内に析出することがある。Ｃｕ合金粒子５のＰ含有量が１質量％以上７質量％未満であれば接合信頼性には悪影響を与えない。その後、加熱温度が３４０℃以上４５０℃未満に到達すると、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層７とＡｇ3Ｓｎ被覆層８との間で相変態が生じてＣｕ10Ｓｎ3相９が形成される。このＣｕ10Ｓｎ3相９を介してＣｕ合金粒子５とＡｇ粒子６とが少なくとも部分的に結合されるため、クラックの起点となる空隙１４が低減される。その結果、半導体装置の高温動作時においても、接合構造体３内でクラックが生じ難くなる。
【００３２】
このようにして製造された接合構造体３を備える半導体装置は、高温動作時においても、クラックが生じ難く、高い信頼性を有するものとなる。
【００３３】
なお、上記においては、半導体素子と基板とを接合する形態について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、半導体素子とリードフレームとを接合する形態、基板と冷却フィンとを接合する形態等にも適用することができる。また、１つの半導体素子と１つの基板とを接合する場合に限定されず、１つの基板上に複数の半導体素子及び部材を配置して一括で接合してもよい。
【実施例】
【００３４】
＜実施例１＞
平均粒子径が２０μｍであるＳｎ粒子と、Ｐ含有量が５質量％であり且つ平均粒子径２０μｍのＣｕ合金粒子と、Ａｇ粒子と、溶剤としてのテルピネオールとを混合してペーストを調製した。ここで、Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量は、Ｓｎ粒子とＣｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量に対して５０質量％とし、Ａｇ／Ｃｕ質量比は０．６７（小数第３位を四捨五入）とした。また、溶剤の量は、ペーストに対して２０質量％とした。なお、使用したＳｎ粒子、Ｃｕ合金粒子及びＡｇ粒子は、アトマイズ法で製造されたものであり、その形状はいずれも球状であった。【００３５】
サイズが２０ｍｍ×２０ｍｍのＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板上に開口サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍのステンレス製メタルマスクを配置した後、上記で調製したペーストをスキージを用いて厚さが１５０μｍとなるように塗布した。なお、ＤＢＣ基板としては、厚さ０．６ｍｍのセラミック（Ｓｉ3Ｎ4）の両面に、厚さ０．４ｍｍのＣｕ層が形成された構造を有するものを用いた。【００３６】
ＤＢＣ基板上に塗布されたペーストの上に、サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さが０．３ｍｍの炭化ケイ素（ＳｉＣ）の片面に厚さ７μｍのＡｇ層が形成された半導体素子を、ペーストの上面とＡｇ層とが接するように載せた。【００３７】
次に、真空リフロー炉において、ＤＢＣ基板、ペースト及び半導体素子からなる積層体を１８０℃に加熱し、ペースト中のテルピネオールを揮発させた。【００３８】
続けて、真空リフロー炉において、ＤＢＣ基板、ペースト乾燥体及び半導体素子からなる積層体を、昇温速度３０℃／分にて３４０℃まで加熱した後、自然冷却することにより半導体装置を得た。【００３９】
得られた半導体装置の接合構造体における空隙の発生状況を非破壊で検査するために、超音波探傷装置（ＳＡＴ）（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ  ＩＩＩ）を用いて接合構造体の側面を観察した。２値化ソフト（アドビシステムズ社製Photoshop）を用いて観察像を２値化し、空隙率を算出した。空隙率が１０％未満であるものを初期接合性が良好（〇）と評価し、空隙率が１０％以上であるものを初期接合性が不良（×）と評価した。結果を表１に示す。【００４０】
＜実施例２〜４及び比較例１〜３＞
接合温度を表１に示す温度に変更したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を得た。得られた半導体装置の接合構造体における空隙の発生状況を実施例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。【００４１】
【表１】
0006509469.tif 000002
【００４２】
表１から分かるように、接合温度が３４０℃未満であると初期接合性が不良となった。これは、加熱に伴ってＣｕ6Ｓｎ5被覆層、Ａｇ3Ｓｎ被覆層、Ｃｕ6Ｓｎ5界面層及びＡｇ3Ｓｎ界面層が形成される際に、１０％程度の体積収縮が起きて空隙が生じたためであると考えられる。接合温度が３４０℃以上４５０℃未満であると空隙が急激に少なくなり、初期接合性が良好となった。これらの接合構造体の断面の組成分析を行ったところ、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層とＡｇ3Ｓｎ被覆層との間にＣｕ10Ｓｎ3相が形成されていた。これは、接合温度が３４０℃以上になると、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層とＡｇ3Ｓｎ被覆層との間で相変態が生じてＣｕ10Ｓｎ3相及びＳｎリッチな溶融相（Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ共晶相）が形成されたためであると考えられる。このようにＣｕ10Ｓｎ3相が形成されるメカニズムは、図８に示されるＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕの３元系状態図からも読み取ることができる。接合温度が４５０℃であると初期接合性が不良となった。この接合構造体の断面の組成分析を行ったところ、Ｃｕ10Ｓｎ3相は見られなかった。これは、Ｃｕ合金粒子の表面に、Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層ではなく、Ｃｕ3Ｓｎ被覆層が形成され、上記のような相変態が生じなかったためであると考えられる。【００４３】
＜実施例５〜１３及び比較例４〜２２＞
Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量及びＡｇ／Ｃｕ質量比を表２及び３に示す通りに変更し、接合温度を４００℃に変更したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を得た。【００４４】
得られた半導体装置から接合構造体を切り出して、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）にて３００℃まで加熱し、Ｓｎ相に由来する融点２１０〜２４０℃の溶融ピークが生じるか否かを確認した。溶融ピークが検出されたものを低融点相有と評価し、溶融ピークが検出されなったものを低融点相無と評価した。具体的には、大気中、昇温速度１０℃／分にて室温から３００℃まで加熱し、２１０℃〜２４０℃までの溶解ピーク量が２０ｍＪ／ｍｇ未満であれば低融点相が無いものと判断し、２０ｍＪ／ｍｇ以上であれば低融点相が有るものと判断した。結果を表２及び３に示す。【００４５】
得られた半導体装置の接合構造体における空隙の発生状況を実施例１と同様にして評価した。結果を表２及び３に示す。【００４６】
また、レーザフラッシュ法にて半導体装置の初期熱抵抗値を測定した。次に、半導体装置の高温動作を模擬したものとして、液槽式のヒートショック試験機にて、５０℃で３０秒保持後に１７５℃で３０秒保持を１サイクルとし、これを１０万サイクル行った。１０万サイクル後の熱抵抗値を測定し、初期熱抵抗値に対する変化率を以下の式に従って算出した。結果を表２及び３に示す。熱抵抗値の変化率が１０％以上であるものは、半導体装置の高温動作時における耐クラック性が不良であると判断することができる。
熱抵抗値の変化率（％）＝（初期熱抵抗値−１０万サイクル後の熱抵抗値）／初期熱抵抗値×１００【００４７】
【表２】
0006509469.tif 000003
【００４８】
【表３】
0006509469.tif 000004
【００４９】
表２から分かるように、Ｐを５質量％含有するＣｕ合金粒子を用いた場合、Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量を２５質量％以上６５質量％未満とし且つＡｇ／Ｃｕ質量比を０．２以上１．２未満とすれば、接合構造体に低融点相が見られず、初期接合性及び耐クラック性が良好である半導体装置が得られた。一方、表３から分かるように、Ｐを５質量％含有するＣｕ合金粒子を用いても、Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量を２５質量％未満又は６５質量％以上としたり、Ａｇ／Ｃｕ質量比を０．２未満又は１．２以上とすると、接合構造体に低融点相が見られたり、初期接合性が不良となったりする上に、いずれも耐クラック性が不良となった。【００５０】
＜実施例１４〜１９及び比較例２３〜３６＞
Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量及びＣｕ合金粒子中のＰ含有量を表４及び５に示す通りに変更し、接合温度を４００℃に変更したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を得た。【００５１】
得られた半導体装置の接合構造体における低融点相の有無、空隙の発生状況、及び熱抵抗値の変化率を実施例５と同様にして評価した。結果を表４及び５に示す。【００５２】
【表４】
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【００５３】
【表５】
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【００５４】
表４から分かるように、Ｐを１質量％又は６．５質量％含有するＣｕ合金粒子を用いても、Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量を２５質量％以上６５質量％未満とし且つＡｇ／Ｃｕ質量比を０．２以上１．２未満とすれば、接合構造体に低融点相が見られず、初期接合性及び耐クラック性が良好である半導体装置が得られた。一方、表５から分かるように、Ａｇ／Ｃｕ質量比を０．６７としても、Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との合計量を２５質量％未満又は６５質量％以上としたり、Ｐ含有量が１質量％未満又は７質量％以上であるＣｕ合金粒子を用いると、接合構造体に低融点相が見られたり、初期接合性が不良となったりする上に、いずれも耐クラック性が不良となった。【００５５】
ここで、表２及び３の熱抵抗値の変化率（％）を縦軸とし、接合構造体に対するＣｕ合金粒子及びＡｇ粒子の添加量の合計（質量％）を横軸として、各Ａｇ／Ｃｕ質量比についてグラフ化したものを図９に示す。また、表４及び５の熱抵抗値の変化率（％）を縦軸とし、接合構造体に対するＣｕ合金粒子及びＡｇ粒子の添加量の合計（質量％）を横軸として、各Ｃｕ合金粒子中のＰ含有量（質量％）についてグラフ化したものを図１０に示す。図９及び１０から、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子を用い、Ｃｕ合金粒子とＡｇ粒子との添加量の合計を接合構造体に対して２５質量％以上６５質量％未満とし、Ａｇ／Ｃｕ質量比を０．２以上１．２未満とした半導体装置では、熱抵抗値の変化率が１０％未満であることが確認された。
【符号の説明】
【００５６】
１  半導体素子、２  基板、３  接合構造体、４  Ｓｎ相、５  Ｃｕ合金粒子、６  Ａｇ粒子、７  Ｃｕ6Ｓｎ5被覆層、８  Ａｇ3Ｓｎ被覆層、９  Ｃｕ10Ｓｎ3相、１０  Ａｇ層、１１  Ａｇ3Ｓｎ界面層、１２  Ｃｕ層、１３  Ｃｕ6Ｓｎ5界面層、１４  空隙、１５  Ｃｕ−Ｐ化合物粒子、１６  ペースト、１７  Ｓｎ粒子、１８  溶剤、１９  ペースト乾燥体。
【要約】
半導体素子と基板との間に介在する接合構造体であって、前記接合構造体は、Ｓｎ相と、Ｐを１質量％以上７質量％未満含有するＣｕ合金粒子と、Ａｇ粒子とを含み、前記Ｃｕ合金粒子は、Ｃｕ6Ｓｎ5層で被覆されており、前記Ａｇ粒子は、Ａｇ3Ｓｎ層で被覆されており、前記Ｃｕ合金粒子と前記Ａｇ粒子とは、Ｃｕ10Ｓｎ3相を介して少なくとも部分的に結合されており、前記Ｃｕ合金粒子及び前記Ａｇ粒子の添加量の合計は、前記接合構造体に対して、２５質量％以上６５質量％未満であり、前記Ｃｕ合金粒子の添加量に対する前記Ａｇ粒子の添加量の質量比は、０．２以上１．２未満である、接合構造体。【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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