(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｕ又はＣｕ合金の層を順に形成して、
接合材との接合面側に、最表層から順に、Ｃｕ又はＣｕ合金の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層を有する半導体を調製する工程、
調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程、
を含む、半導体実装品を製造する方法。
【請求項２】
Ｃｕ又はＣｕ合金の層が厚み換算で１μｍ以下、Ｎｉ又はＮｉ合金の層が厚み換算で１μｍ以下、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層が厚み換算で１μｍ以下である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
半導体が、ワイドギャップ半導体である、請求項１〜２のいずれかに記載の製造方法。
【請求項４】
調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程が、
調製された半導体の接合面を、基材上に塗工された銅粉ペーストと接触させて焼成して、基材に接合する工程、又は
調製された半導体の接合面上に塗工された銅粉ペーストを、基材と接触させて焼成して、基材に接合する工程、
である、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
半導体実装品が、パワーモジュールである、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材との接合面が表面処理された半導体、および銅粉ペーストによる接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスは電力変換用の素子として、エアコン用インバータや送変電など幅広い分野で使用されている。従来はＳｉチップのデバイスで対応できたが、高耐圧、大電流用途、高速動作が求められる分野では、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいＳｉＣ、ＧａＮ等が近年注目を浴びている。
【０００３】
従来のパワーモジュールでは動作温度がせいぜい１７０℃程度であったが、次世代型のＳｉＣ、ＧａＮ等では２００℃を超える可能性がある。これに伴い、これらチップを搭載したモジュールに使用される各材料には耐熱性、放熱性が求められている。
【０００４】
接合材料に関して、Ｐｂフリーの観点でＣｕ−Ａｇ−Ｓｎはんだが好ましいが、次世代型モジュールでは動作温度が２００℃を超える可能性があるので、融点が２１０〜２２０℃であるこのはんだは溶融してしまう可能性がある。Ｐｂはんだであれば次世代型モジュールの動作温度には対応しうるが、環境規制の観点から好ましくない。また、はんだは使用環境の温度によって、被接合材との間で金属拡散が進行する。はんだに含まれる金属成分によっては、拡散速度に差が生じ、接合界面にカーケンダルボイドが発生する。これは接合強度の劣化、すなわちパワーモジュールの信頼性低下につながる。
【０００５】
そこで、近年次世代型モジュールの接合材料として金属粉ペーストが注目されている。金属粉のサイズが小さいので、表面エネルギーが高く、これを利用してその金属の融点よりも低い温度で焼結が始まる。そして、はんだとは異なり、いったん焼結すれば、その金属の融点近くまで昇温しないと再溶融しない。このような特性を生かし、銀粉ペーストの開発が進んでいる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ２０１１／１５５０５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
銀粉ペーストは優れた接合材料となるが、材料コストの観点で不利である。一方、銅粉ペーストは材料コストの観点から有利である。したがって、本発明の目的は、銅粉ペーストによって半導体と基材とを接合する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、この銅粉ペーストを接合材料として使用して、半導体と基材とを接合する手段を鋭意研究してきた。しかし、銀粉ペーストに使用するために提案されてきた従来の半導体構造のチップに対して、単に銀粉ペーストに代えて銅粉ペーストを使用しただけでは、接合強度は不十分であった。これは銅粉ペーストの組成を変更しても同様であった。そこで、むしろ半導体の接合面に表面処理を行って、銅粉ペーストによって十分な接合強度を達成するという着想に至った。すなわち、チップの接合のように非常に弱い拡散条件でも十分な接合強度を得るために、チップ側の接合面にＣｕ層を設ける着想に至った。
【０００９】
しかし、本発明者の洞察によれば、従来の銀粉ペーストのために提案されてきたＡｇ層に代替して、単にＣｕ層を設けただけでは、Ｃｕ層とチップとの間にＮｉ層を設けてあっても、チップ側にＣｕが拡散し、チップの機能を低下させる可能性が生じる。
【００１０】
本発明者は、半導体のチップ側に適切な表面処理を行うことによって、銅粉ペーストによっても十分な接合強度が得られ、チップ側へのＣｕ拡散の可能性を回避でき、繰り返し高温にさらされる条件下でも接合強度が維持される（熱劣化耐性を有する）ことを見いだして、本発明に到達した。
【００１１】
したがって、本発明は以下の（１）以下を含む。
（１）
接合材との接合面側に、最表層から順に、Ｃｕ又はＣｕ合金の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層を有する、半導体。
（２）
Ｃｕ又はＣｕ合金の層が厚み換算で１μｍ以下、Ｎｉ又はＮｉ合金の層が厚み換算で１μｍ以下、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層が厚み換算で１μｍ以下である、（１）に記載の半導体。
（３）
半導体が、ワイドギャップ半導体である、（１）〜（２）のいずれかに記載の半導体。
（４）
半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｕ又はＣｕ合金の層を順に形成して、半導体の接合面を調製する工程、
を含む、（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体を製造する方法。
（５）
半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｕ又はＣｕ合金の層を順に形成して、（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体を調製する工程、
調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程、
を含む、半導体実装品を製造する方法。
（６）
調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程が、
調製された半導体の接合面を、基材上に塗工された銅粉ペーストと接触させて焼成して、基材に接合する工程、又は
調製された半導体の接合面上に塗工された銅粉ペーストを、基材と接触させて焼成して、基材に接合する工程、
である、（５）に記載の方法。
（７）
半導体実装品が、パワーモジュールである、（５）〜（６）のいずれかに記載の方法。
（８）
（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体、
基材、及び
半導体の接合面と基材とを接合する接合層、
を含んでなる、半導体実装品。
（９）
接合層が焼成された銅粉ペーストからなる接合層である、（８）に記載の半導体実装品。
（１０）
半導体実装品が、パワーモジュールである、（８）〜（９）のいずれかに記載の半導体実装品。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による表面処理層を接合面に備えた半導体は、銅粉ペーストによって基材と接合することができて、十分な接合強度が得られ、繰り返し高温にさらされる条件下でも接合強度が維持できる。本発明によって得られた半導体実装品は、接合強度と熱劣化耐性を備えており、例えばパワーモジュールとして好適に使用できる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明を実施の態様をあげて詳細に説明する。本発明は以下にあげる具体的な実施の態様に限定されるものではない。
【００１４】
［表面処理層を有する半導体］
本発明による半導体は、接合材との接合面側に、最表層から順に、Ｃｕ又はＣｕ合金の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層を、表面処理層として有する。
【００１５】
［Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ又はＣｏの層］
Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層は、それぞれクロム及び不可避不純物、チタン及び不可避不純物、ニオブ及び不可避不純物、タンタル及び不可避不純物、コバルト及び不可避不純物を含有することができる。好適にはＣｒ、Ｔｉ及びＣｏから選択された１種の金属を使用できる。好適な実施の態様において、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ又はＣｏの層は、例えば接合面側の半導体上に直接に形成することができる。形成には公知の手段を使用することができ、例えば乾式成膜法、湿式成膜法を使用することができる。好ましくは乾式成膜法が使用され、例えば蒸着、スパッタリングをあげることができる。スパッタリングは公知の手段によって行うことができ、安定したスパッタリングのために、例えばＣｏに対して、Ｖ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｃｕ等を１〜１０ｗｔ％の含有量で含有させたターゲット材を使用することもできる。Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＣｏから選択された１種の金属の層は、厚み換算で例えば１μｍ以下、０．１０μｍ以下、例えば０．５ｎｍ以上、１ｎｍ以上、例えば１〜２０ｎｍとすることができる。厚み換算とは、表面処理面を酸に浸漬させ、その酸溶液中の金属濃度をＩＣＰ発光分光分析で測定することで、処理面の単位面積当たりのその金属の付着量を求め、それをその金属の比重で割り返すことによって求めることができる。
【００１６】
［Ｎｉ又はＮｉ合金の層］
Ｎｉ又はＮｉ合金の層は、ニッケル及び不可避不純物を含有することができる。Ｎｉ合金層のＮｉ合金は、Ｎｉ合金及び不可避不純物を含有することができる。Ｎｉ合金としては、例えばＮｉＶ、ＮｉＣｕ、ＮｉＺｎをあげることができ、好ましくはＮｉＶ、ＮｉＣｕである。Ｎｉ又はＮｉ合金の層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層の上に形成することができる。形成には公知の手段を使用することができ、例えば乾式成膜法、湿式成膜法を使用することができる。好ましくは乾式成膜法が使用され、例えば蒸着、スパッタリングをあげることができる。スパッタリングは公知の手段によって行うことができ、安定したスパッタリングのために、例えばＮｉに対して、Ｖ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｃｕ等を１〜１０ｗｔ％の含有量で含有させたターゲット材を使用することもできる。例えば、Ｎｉ合金の層を、Ｖ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｗによるスパッタリング層として、形成することができる。Ｎｉ又はＮｉ合金の層は、厚み換算で例えば１μｍ以下、０．１０μｍ以下、例えば０．５ｎｍ以上、１ｎｍ以上、例えば１〜２０ｎｍとすることができる。厚み換算とは、表面処理面を酸に浸漬させ、その酸溶液中の金属濃度をＩＣＰ発光分光分析で測定することで、処理面の単位面積当たりのその金属の付着量を求め、それをその金属の比重で割り返すことによって求めることができる。
【００１７】
［Ｃｕ又はＣｕ合金の層］
Ｃｕ又はＣｕ合金の層は、半導体の接合面側の表面処理層の最表面（最外面）に位置しており、接合材と接して、接合される。Ｃｕ層のＣｕは、銅及び不可避不純物を含有することができる。Ｃｕ合金層のＣｕ合金は、Ｃｕ合金及び不可避不純物を含有することができる。Ｃｕ合金としては、例えばＣｕＺｎ、ＣｕＮｉ、チタン銅をあげることができ、好ましくはＣｕＺｎ、ＣｕＮｉである。Ｃｕ又はＣｕ合金の層は、Ｎｉ又はＮｉ合金の層の上に形成することができる。形成には公知の手段を使用することができ、例えば乾式成膜法、湿式成膜法を使用することができる。好ましくは乾式成膜法が使用され、例えば蒸着、スパッタリングをあげることができる。Ｃｕ又はＣｕ合金の層は、厚み換算で例えば５μｍ以下、１μｍ以下、０．１０μｍ以下、例えば５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、例えば５ｎｍ〜５μｍとすることができる。厚み換算とは、表面処理面を酸に浸漬させ、その酸溶液中の金属濃度をＩＣＰ発光分光分析で測定することで、処理面の単位面積当たりのその金属の付着量を求め、それをその金属の比重で割り返すことによって求めることができる。
【００１８】
［半導体］
表面処理層を付与される半導体としては、銅粉ペーストによって基材との接着される半導体であれば、特に制限は無い。好適な実施の態様において、接合強度と熱劣化耐性が求められる半導体が使用される。このような半導体として、例えばワイドギャップ半導体、をあげることができる。ワイドギャップ半導体とは、Ｓｉのバンドギャップが１．１２ｅＶであるので、これに対してその約２倍、すなわち２．２ｅＶ以上のバンドギャップをもつ半導体をいう。代表的な例として、ＩＩＩ−Ｖ族半導体をあげることができ、例えばＧａＮ（３．３９ｅＶ）、ＳｉＣ（２．２〜３．０ｅＶ）、ダイヤモンド（５．４７ｅＶ）をあげることができる。
【００１９】
［基材］
接合される基材としては、公知の基材をあげることができる。好適な実施の態様において、接合強度と熱劣化耐性が求められる基材が使用される。このような基材として、例えばＳｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、銅または銅合金のリードフレームをあげることができる。基材がＳｉＮ、ＡｌＮまたは銅合金である場合、上記半導体の接合面側の表面に行った表面処理を、基材の接合面側の表面に行って、同様の表面処理層を設けてもよく、すなわち、基材の最表層から順に、Ｃｕ又はＣｕ合金の層、Ｎｉ又はＮｉ合金の層、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｏから選択された１種の金属の層を、表面処理層として設けてもよい。
【００２０】
［銅粉ペーストによる基材との接合］
本発明の半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程、を行って、半導体実装品を製造することができる。銅粉ペーストによって基材に接合する工程は、半導体の接合面を、基材上に塗工された銅粉ペーストと接触させて焼成して、基材に接合する工程、又は、半導体の接合面上に塗工された銅粉ペーストを、基材と接触させて焼成して、基材に接合する工程、とすることができる。
【００２１】
［塗工］
銅粉ペーストの塗工は、公知の手段によって行うことができ、例えばスクリーン印刷、インクジェット印刷、メタルマスク印刷、マイクロコンタクト法、パッド印刷等によって行うことができる。塗工されて形成される塗膜の膜厚は、例えば１０〜５００μｍ、２０〜２００μｍの範囲とすることができる。塗膜は、所望により適宜乾燥して、その後の焼成を行うことができる。
【００２２】
［焼成］
焼成は、銅粉ペーストの焼成の条件として公知の条件を使用することができる。焼成の温度は、例えば２２０℃〜３００℃の範囲とすることができる。好適な実施の態様において、十分に接合するように、焼成は、接合する面を加圧する加圧焼成によって行うことができる。加圧の圧力は、例えば０〜１ＭＰａの範囲とすることができる。
【００２３】
［雰囲気］
焼成は、例えば非酸化性雰囲気下又は還元性雰囲気下で行うことができる。非酸化性雰囲気下とは、酸化性気体が含まれない又は低減された雰囲気をいう。還元性雰囲気は、雰囲気中にＣＯ、Ｈ2Ｓ、ＳＯ2、Ｈ2、ＨＣＨＯ、ＨＣＯＯＨ、Ｈ2Ｏ等の還元性気体が、０．５ｖｏｌ％以上、好ましくは１．０ｖｏｌ％以上で含まれる雰囲気をいう。還元性雰囲気としては、例えば大気圧の気体窒素及び気体水素を含む雰囲気を挙げることができる。
【００２４】
［接合強度・熱劣化耐性］
接合強度は、実施例に記載のように、測定することができる。本発明の接合強度は、−４０℃〜＋２５０℃の間で温度を変化させて、それぞれの両端で３０分保持するサイクル（すなわち−４０℃に３０分静置した後に＋２５０℃に３０分静置するというサイクル）を、５００サイクル、及び１０００サイクル行った後の接合強度である。それぞれの温度条件のサイクル後に維持される接合強度を示すので、すなわち、温度変化に対する耐久性
、熱劣化耐性を示すものである。好適な実施の態様において、例えば初期接合強度（温度変化サイクル前の強度）は、２０ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以上、４０ＭＰａ以上とすることができ、例えば２０〜５０ＭＰａの範囲とすることができる。好適な実施の態様において、温度変化サイクル１０００回後に、例えば初期接合強度の５０％以上、６０％以上の接合強度とすることができ、例えば初期接合強度の７０％〜９５％の範囲の接合強度とすることができる。好適な実施の態様において、温度変化サイクル１０００回後に、例えば初期接合強度の６０％以上、７０％以上の接合強度とすることができ、例えば初期接合強度の７５％〜９５％の範囲の接合強度とすることができる。
【００２５】
［半導体実装品］
上記半導体を銅ペーストで基材に接合する方法、該接合方法を含む製造方法、該製造方法によって製造されてなる半導体実装品、パワーモジュールもまた本発明の範囲内にある。
【実施例】
【００２６】
以下に実施例をあげて、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２７】
［銅粉の調製］
Ｌビーカー内に亜酸化銅粉５０ｇとアラビアゴム０．２５ｇを３５０ｍＬの純水に分散させ、そこに体積比率２５％の希硫酸１００ｍＬを添加した。このスラリーからデカンテーション、水洗を繰り返し、Ｄ５０  ０．２μｍの銅粉２０ｇを得た。この銅微粒子２０ｇと、水溶性３級アミン１ｇを含む水溶液１００ｍＬを３００ｒｐｍで１時間混合した後、銅粉を回収した。その後、窒素中で７０℃で１時間乾燥させた後、解砕し、表面処理された銅粉を得た。
【００２８】
［銅粉ペーストの調製］
前記銅粉、ターピネオール、アクリル樹脂を重量比率で８５％、１３．５％、１．５％となるように遊星ミキサーで混練した後、３本ロールに通して、試験に供するペーストを調整した。
【００２９】
［基板への積層及びペーストによる接合］
厚み０．６ｍｍ、１５ｍｍ角のＳｉ3Ｎ4の両面に、厚み０．３ｍｍ、１３ｍｍ角のＣｕ板を共晶反応によって接合させたＤＣＢ基板を準備した。また、厚み０．１８ｍｍ、１．８５ｍｍ角のＳｉＣチップの接合面となる面にＣｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＮｉＶ（Ｖ７ｗｔ％）、ＣｏＶ（（Ｖ７ｗｔ％））、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、Ａｇのターゲットを用いてスパッタリングにより各層を形成した。ＤＣＢ基板の片側銅板上に、前記手順で準備したペーストをスクリーン印刷で膜厚５０μｍ、５ｍｍ角となるように塗工し、大気中で１２０℃で１分乾燥させた。この塗膜上にスパッタリングで処理した面が向かい合うようにＳｉＣチップを載せ、２ｖｏｌ％Ｈ２を含むＮ２中で２５０℃、１０分間、０．４ＭＰａの圧力をかけて、ＳｉＣチップとＤＣＢ基板をペーストで接合させた。
【００３０】
［接合強度試験］
接合した材料の接合強度の変化をサイクル試験で調査した。試料を、−４０℃に３０分静置した後に、＋２５０℃に３０分静置するというサイクルの試験を行った。サイクル試験前（表中では‘０回’と表記）、５００サイクル後、１０００サイクル後の接合強度を測定した。
【００３１】
［結果］
実施例１〜１０及び比較例１〜１０の処理の条件及び接合強度試験の結果を、表１にまとめて示す。
【００３２】
実施例１〜１０は初期及び、１０００サイクル後の接合強度が十分に高い。一方、比較例１〜３、６〜１０では初期ですら十分な接合強度が得られなかった。比較例４、５では、初期の接合強度は高かったものの、５００サイクル後、１０００サイクル後の接合強度は大幅に低下した。
【００３３】
【表１】
0006507120.tif 000002
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、銅粉ペーストによって基材と接合することができて、十分な接合強度が得られ、繰り返し高温にさらされる条件下でも接合強度が維持できる半導体を提供する。本発明は産業上有用な発明である。