(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、表面にニッケル層が設けられているとともにそのニッケル層の表面の少なくとも一部に銅層が設けられている被接合部材との間に、少なくもすずを含むはんだ材料を配置する配置工程と、
前記はんだ材料を融解、凝固させる熱処理工程と、を有し、
前記配置工程では、前記はんだ材料と前記銅層を接触させ、
前記熱処理工程では、前記はんだ材料中のすずと前記銅層によって、前記ニッケル層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が形成され、
前記はんだ材料に含まれる銅元素の重量と前記配置工程において前記はんだ材料に接触する範囲内の銅の重量の合計が、前記はんだ材料の重量と前記はんだ材料に接触する範囲内の銅の重量の合計に対して２．０ｗｔ％以上である半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記はんだ材料に含まれる銅元素の重量と前記配置工程において前記はんだ材料に接触する範囲内の銅の重量の合計が、前記はんだ材料の重量と前記はんだ材料に接触する範囲内の銅の重量の合計に対して７．６ｗｔ％以下である請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記はんだ材料が、銅を含んでいる請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記はんだ材料が、Ｓｎ０．７Ｃｕを主成分とした合金である請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
半導体素子と、ニッケル層が設けられている被接合部材と、前記被接合部材を接合している接合層と、を備えており、
前記接合層は、
少なくともすずが含まれているはんだ部と、
前記ニッケル層と前記はんだ部の間に設けられているＣｕ６Ｓｎ５部と、
を備えており、
前記Ｃｕ６Ｓｎ５部は、前記ニッケル層の表面の一部と接触しているとともに、前記ニッケル層の表面の他の一部と非接触であり、
前記接合層に含まれる銅元素の割合が、２．０ｗｔ％以上である半導体装置。
【請求項６】
前記はんだ部は、すずと銅を含んでおり、
前記はんだ部に含まれている銅の重量は、前記はんだ部の重量に対して０．９ｗｔ％未満である請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体素子と、表面にニッケル層が設けられているとともにそのニッケル層の表面の少なくとも一部に銅層が設けられている被接合部材との間に、少なくもすずを含むはんだ材料を配置する配置工程と、
前記はんだ材料を融解、凝固させる熱処理工程と、を有し、
前記配置工程では、前記はんだ材料と前記銅層を接触させ、
前記熱処理工程では、前記はんだ材料中のすずと前記銅層によって、前記ニッケル層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が形成され、
前記はんだ材料に含まれる銅元素の重量と前記配置工程において前記はんだ材料に接触する範囲内の銅の重量の合計が、前記はんだ材料の重量と前記はんだ材料に接触する範囲内の銅の重量の合計に対して７．６ｗｔ％以下である半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、半導体装置とその製造方法に関する技術を開示する。特に、半導体素子の電極が被接合部材に接合されている半導体装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子が被接合部材に接合された半導体装置が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、Ｓｎ（すず）−Ｃｕ（銅）はんだを用いて、表面にニッケル層が形成された被接合部材に半導体素子を接合している。Ｓｎ−Ｃｕはんだに含まれるＣｕの割合は、３．０〜７．０ｗｔ％（重量パーセント）に調整されている。すなわち、Ｓｎ３．０〜７．０Ｃｕはんだを用いて被接合部材と半導体素子を接合している。特許文献１では、融解したはんだが凝固するときに、ニッケル層の表面にＣｕ６Ｓｎ５化合物が形成される。Ｃｕ６Ｓｎ５化合物は、ニッケル層のニッケルとＳｎ−ＣｕはんだのＳｎとが相互に拡散することを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−６７１５８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているように、Ｃｕの割合が０．９ｗｔ％未満のＳｎ−Ｃｕはんだを用いると、理論上、Ｃｕ６Ｓｎ５化合物が形成されない。そのため、特許文献１では、Ｃｕの割合が０．９ｗｔ％以上のＳｎ−Ｃｕはんだを用いて、半導体素子を被接合部材に接合すると説明している。より好ましくは、上記したように、Ｓｎ−ＣｕはんだのＣｕの割合を３．０〜７．０ｗｔ％に調整すると説明している。しかしながら、Ｓｎ−Ｃｕはんだを構成しているＣｕの割合が増加すると、はんだの融点（又は、液相温度）が上昇する。例えば、Ｓｎ３．０Ｃｕはんだの場合、液相温度は３１０℃を越える。融点（液相温度）が高いはんだを用いる場合、半導体素子が損傷することを防止するために、半導体素子の耐熱性を高くすることが必要となる。本明細書では、被接合部材の表面にＣｕ６Ｓｎ５化合物を得ることを達成しながら、はんだの融点（又は、液相温度）を低く抑制し得る半導体装置の製造方法を開示する。また、本明細書は、半導体装置自体も開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、配置工程と熱処理工程を有する。配置工程では、半導体素子と被接合部材の間に、はんだ材料を配置する。熱処理工程では、はんだ材料を融解、凝固させる。この製造方法では、被接合部材は、表面にニッケル層が設けられているとともに、そのニッケル層の表面の少なくとも一部に銅層が設けられている。はんだ材料は、少なくともすずを含んでいる。配置工程では、はんだ材料と上記銅層を接触させる。また、熱処理工程では、はんだ材料中のすずと銅層によって、ニッケル層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が形成される。
【０００６】
なお、本明細書でいう「はんだ材料」とは、半導体素子と被接合部材を接合するために融解される材料であって、融解前の材料を意味する。これに対して、半導体素子と被接合部材を接合している接合層の一部であって、半導体素子と被接合部材を接合した後（すなわち、はんだ材料の凝固後）の材料を、「はんだ部」と称し、区別する。また、「はんだ材料と接触する銅」とは、ニッケル層の表面に設けた銅層に限定されるものではない。配置工程においてはんだ材料と接触する銅であれば、ニッケル層の表面以外（例えば半導体素子の電極の表面）に設けられている銅も含む。また、「Ｃｕ６Ｓｎ５部（又は、Ｃｕ６Ｓｎ５）」は、Ｃｕの一部がＮｉに置換された化合物を含む。すなわち、「Ｃｕ６Ｓｎ５部（又は、Ｃｕ６Ｓｎ５）」には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が含まれる。例えば、Ｎｉが添加されたＳｎ−Ｃｕはんだを用いると、Ｃｕ６Ｓｎ５にＮｉが固溶し、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成される。Ｃｕ６Ｓｎ５と（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、実質的に同じ機能を奏する。被接合部材は、半導体素子に直接接合される部材に限定されるものではなく、半導体素子に接合されている部材（第１部材）に接合されている部材（第２部材）も含む。すなわち、本明細書でいう被接合部材とは、半導体素子に直接又は間接的に接合される部材のことをいう。上記製造方法によって第１部材と第２部材を接合する場合、実際には第１部材と第２部材の間にはんだ材料を配置する。本明細書でいう半導体素子と被接合部材の間にはんだ材料を配置する配置工程には、半導体素子に接合されている第１部材と、第２部材の間にはんだ材料を配置することも含まれる。
【０００７】
上記の製造方法では、はんだ材料と銅層を接触させた状態で、はんだ材料を融解させ，凝固させる。はんだ材料と接触している銅層は、半導体素子と被接合部材を接合するためにはんだ材料を融解、凝固させるときに、Ｃｕ６Ｓｎ５部を生成するためのＣｕ成分になり得る。そのため、はんだ材料に含まれるＣｕの割合が低くても、Ｃｕ６Ｓｎ５部を得ることができる。はんだ材料に含まれるＣｕの割合を低くすると、はんだ材料の融点（または、液相温度）を低くすることができる。なお、Ｃｕ６Ｓｎ５部は、ニッケル層の表面に析出する。上記の製造方法によると、理論上Ｃｕ６Ｓｎ５を形成することができないはんだ材料（銅の含有量が低くて融点又は液相温度が低いはんだ材料）を用いたとしても、ニッケル層の表面にＣｕ６Ｓｎ５部を得ることができる。すなわち、被接合部材の表面にＣｕ６Ｓｎ５化合物を得ることを達成しながら、融点（又は液相温度）が低いはんだ材料を使用し得る。また、上記の製造方法では、半導体素子と被接合部材を接合するときに、半導体素子が高温に曝されることが抑制されるので、半導体素子に高い耐熱性を要求する必要がない。
【０００８】
本明細書で開示する半導体装置の一態様は、半導体素子と、ニッケル層が設けられている被接合部材と、被接合部材を接合している接合層を備えている。接合層は、はんだ部とＣｕ６Ｓｎ５部を備えている。はんだ部では、少なくともすずが含まれている。Ｃｕ６Ｓｎ５部は、ニッケル層とはんだ部の間に設けられている。Ｃｕ６Ｓｎ５部は、ニッケル層の表面の一部と接触しているとともに、ニッケル層の表面の他の一部と非接触である。接合層に含まれる銅元素の割合は、２．０ｗｔ％以上である。
【０００９】
本明細書で開示する半導体装置の他の一態様は、半導体素子と、ニッケル層が設けられている被接合部材と、被接合部材を接合している接合層を備えている。接合層は、すずと銅が含まれているはんだ部とＣｕ６Ｓｎ５部とを備えている。Ｃｕ６Ｓｎ５部は、ニッケル層とはんだ部の間に設けられている。はんだ部に含まれている銅の重量は、はんだ部の重量に対して０．９ｗｔ％未満である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】半導体装置の概略図を示す。
【図２】図１の破線で囲った部分の拡大図を示す。
【図３】ニッケル層とＣｕ６Ｓｎ５部の接合面の特徴を説明する図を示す。
【図４】半導体装置の製造方法を説明する図を示す。
【図５】Ｃｕ−Ｓｎ二元系状態図を示す。
【図６】図５の部分拡大図（Ｓｎ：８０−１００）を示す。
【図７】実施例１の半導体装置について、半導体素子と被接合部材の接合面のＳＥＭ写真を示す。
【図８】実施例１の半導体装置を繰り返し加熱した後の、半導体素子と被接合部材の接合面のＳＥＭ写真を示す。
【図９】比較例１の半導体装置について、半導体素子と被接合部材の接合面のＳＥＭ写真を示す。
【図１０】比較例１の半導体装置を繰り返し加熱した後の、半導体素子と被接合部材の接合面のＳＥＭ写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照し、半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は、２枚の金属板２，１０の間に半導体素子６を配置し、樹脂８でモールドしたものである。金属板２，１０は、半導体装置１００の電極板に相当する。また、金属板２，１０は、半導体素子６の熱を外部に放出する放熱板にも相当する。金属板２，１０の一方の面は、樹脂８の表面に露出している。なお、図１では、半導体素子６に接続されている端子、ボンディングワイヤ等の図示を省略している。
【００１２】
半導体素子６と金属板２の間に、接合層４が設けられている。より詳細には、半導体素子６の金属板２側（以下、裏面と称する）に設けられている電極６ａが、金属板２にはんだ接合されている。また、半導体素子６の金属板１０側（以下、表面と称する）に設けられている電極６ｂが、金属製のスペーサ１４の裏面にはんだ接合されている。スペーサ１４の表面が、金属板１０の裏面にはんだ接合されている。すなわち、半導体素子６と金属板２が接合層４によって接合されており、半導体素子６とスペーサ１４が接合層１６によって接合されており、スペーサ１４と金属板１０が接合層１２によって接合されている。なお、金属板１０は、半導体素子６に間接的に接合されているといえる。金属板２，１０及びスペーサ１４は、被接合部材の一例である。
【００１３】
なお、半導体素子６、金属板２，１０、スペーサ１４、接合層４，１２，１６の表面は、プライマ（図示省略）で被覆されている。プライマを用いることにより、樹脂８と、半導体素子６、金属板２，１０、スペーサ１４、接合層４，１２，１６との接合性が向上する。プライマには熱硬化性のポリイミド系樹脂が用いられており、樹脂８にはエポキシ系樹脂が用いられている。
【００１４】
図２は、金属板２と接合層４の界面を模式的に示している。図２に示すように、金属板２は、Ｃｕ板２ｂとＮｉ層２ａを備えている。Ｎｉ層２ａが、Ｃｕ板２ｂの表面を覆っている。Ｎｉ層２ａの厚みは、２〜２０μｍに調整されている。接合層４は、はんだ部４ａとＣｕ６Ｓｎ５部４ｂを備えている。Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂは、はんだ部４ａとＮｉ層２ａを分断している。Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂは、はんだ部４ａとＮｉ層２ａが接触することを防止している。なお、図３に示すように、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂは、Ｎｉ層２ａの表面２０に接触する接触部１８ａと、Ｎｉ層２ａの表面２０と非接触の非接触部１８ｂを備えている。表面２０と非接触部１８ｂの間は空洞である。換言すると、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂとＮｉ層２ａの間に、部分的に空隙が存在する。なお、電極６ａの表面にもＣｕ部とＣｕ部の表面を覆っているＮｉ膜が設けられている。そのため、電極６ａと接合層４の界面も、金属板２と接合層４の界面と同様の構成を有している。
【００１５】
図４を参照し、金属板２に半導体素子６を接合する工程について説明する。まず、Ｃｕ板２ｂの表面にＮｉ層２ａを形成する。これにより、表面にＮｉ層２ａが設けられている金属板２が得られる。その後、Ｎｉ層２ａの表面の所定の位置にＣｕ層２２を形成する。次に、はんだ材料４を、半導体素子６の裏面電極６ａとＣｕ層２２の間に配置する（配置工程）。このときに、はんだ材料４は、Ｃｕ層２２に接触するように配置する。はんだ材料は、Ｃｕ層２２の表面の全面に配置する。なお、はんだ材料４は、Ｓｎ０．７Ｃｕはんだであり、厚みは０．１５ｍｍに調整されている。また、Ｃｕ層２２の厚みは１．４μｍに調整されており、Ｃｕ層２２の重量は、はんだ材料４及びＣｕ層２２の重量の合計（接合材の合計重量）に対して１．３ｗｔ％である。すなわち、はんだ材料４に含まれる銅元素とＣｕ層２２の重量の合計（銅の合計重量）は、接合材の合計重量に対して２．０ｗｔ％である。
【００１６】
なお、Ｎｉ層２ａの表面の全面にＣｕ層を形成し、そのＣｕ層の表面の所定の位置（Ｃｕ層の表面の一部分）にはんだ材料４を配置してもよい。この場合、Ｃｕ層の厚みを１．４μｍに調整すると、Ｃｕ層の重量は、Ｃｕ層を所定の位置に設けた上記形態よりも重くなる。しかしながら、銅の合計重量とは、はんだ材料４に含まれる銅元素とはんだ材料４と接触する範囲内のＣｕ層の重量の合計のことをいう。また、接合材の合計重量とは、はんだ材料４及びはんだ材料４と接触する範囲内のＣｕ層の重量の合計のことをいう。そのため、Ｎｉ層２ａの表面の全面にＣｕ層を形成し、そのＣｕ層の表面の所定の位置にはんだ材料４を配置しても、Ｓｎ０．７Ｃｕはんだ（はんだ材料）の厚みを０．１５ｍｍに調整し、Ｃｕ層の厚みを１．４μｍに調整することにより、銅の合計重量は接合材の合計重量に対して１．３ｗｔ％となる。すなわち、はんだ材料４と接触しない範囲のＣｕ層の重量は、接合材の合計重量、銅の合計重量に含まない。
【００１７】
次に、はんだ材料４を２３０℃で熱処理し、はんだ材料４を融解、凝固させる（熱処理工程）。はんだ材料４が凝固するときに、Ｃｕ層２２のＣｕ元素がはんだ材料４と反応し、Ｃｕ６Ｓｎ５が形成される。これにより、図２に示すように、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂがＮｉ層２ａの表面に析出する。なお、従来は、Ｓｎ０．７Ｃｕはんだを用いて金属板２と半導体素子６を接合しても、Ｎｉ層２ａの表面にＣｕ６Ｓｎ５が析出しない。これに対し、本実施形態では、Ｎｉ層２ａの表面にＣｕ層２２を形成し、はんだ材料４をＣｕ層２２に接触させた状態で、はんだ材料４を融解、凝固させる。Ｃｕ層２２は、Ｃｕ６Ｓｎ５の材料となり得る。したがって、Ｃｕの割合が低いはんだ材料（Ｓｎ０．７Ｃｕはんだ）を用いているにも係らず、はんだ材料が凝固する際にＣｕ６Ｓｎ５部４ｂを形成することができる。なお、上記した通り、銅の合計重量は、接合材の合計重量に対して２．０ｗｔ％である。接合材の合計重量に対する銅の合計重量が２．０ｗｔ％であると、確実にＣｕ６Ｓｎ５部４ｂを形成することができる。
【００１８】
なお、本実施形態では、金属板２に半導体素子６を接合することにより、Ｃｕ層２２が全て消失する。そのため、図３に示すように、Ｎｉ層２ａとＣｕ６Ｓｎ５部４ｂが直接接触する形態が得られる。また、Ｃｕ層２２が全て消失することにより、Ｎｉ層２ａとＣｕ６Ｓｎ５部４ｂが部分的に非接触となる。すなわち、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂは、Ｎｉ層２ａに接触する接触部１８ａと、Ｎｉ層２ａに非接触である非接触部１８ｂを有する。非接触部１８ｂでは、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂとＮｉ層２ａ間の間に空洞が形成される。しかしながら、この空洞は、Ｎｉ層２ａとＣｕ６Ｓｎ５部４ｂで囲まれており、はんだ部４ａと連通していない。そのため、はんだ部４ａとＮｉ層２ａの間で相互拡散が起こることが防止されている。
【００１９】
上記したように、Ｎｉ層２ａの表面にＣｕ層２２を設けることにより、はんだ材料４に合金として含まれるＣｕの割合は、０．７ｗｔ％と低く抑えられている。はんだ材料に含まれるＣｕの割合を低く抑えることによって、はんだ材料の融点（又は液相温度）を低くすることができる。なお、図５及び図６に示すように、Ｓｎ０．７Ｃｕはんだの融点は、２２７℃であり、Ｓｎ２．０Ｃｕはんだの液相温度（２７０〜２８０℃）より低い。本実施形態の方法によると、半導体素子６と金属板２を接合するときに、Ｃｕ層２２を設けることなくＳｎ２．０Ｃｕはんだで接合する場合と比較して、半導体素子６に加わる温度を低くすることができる。したがって、本実施形態の方法によると、はんだ接合工程において半導体素子６に加わる温度を低くすることができる。
【００２０】
なお、金属板１０は、金属板２と同様に、Ｃｕ板の表面にＮｉを電解めっきしたものである。スペーサ１４は、Ｃｕ板の両面（表面及び裏面）にＮｉを電解めっきしたものである。また、電極６ｂの表面にもＮｉが形成されている。電極６ｂとスペーサ１４，スペーサ１４と金属板１０の接合部分は、半導体素子６と金属板２の接合部分と実質的に同じ構造である。そのため、半導体素子６と接合層１６の界面，スペーサ１４と接合層１６の界面，スペーサ１４と接合層１２の界面，金属板１０と接合層１２の界面についての説明は、金属板２と接合層４の界面を説明することにより省略する。
【００２１】
半導体装置１００の利点を説明する。上記したように、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂが、はんだ部４ａとＮｉ層２ａの間に設けられている。そのため、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂがバリア層として機能し、半導体素子６が発熱しても、はんだ部４ａのすずとＮｉ層２ａのニッケルが相互拡散することを抑制することができる。また、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂが設けられていることにより、半導体素子６と金属板２の界面にすずとニッケルの化合物が形成されることを抑制することができる。なお、半導体素子６と金属板２の界面にすずとニッケルの化合物が形成されると、半導体装置が加熱、冷却するに従って、Ｎｉ層２ａが変質が進行することがある。Ｎｉ層２ａの変質がＣｕ板２ｂまで到達すると、金属板２が半導体素子６から剥離することがある。はんだ部４ａとＮｉ層２ａの間にＣｕ６Ｓｎ５部４ｂが存在することにより、このような剥離を防止することができる。さらに、半導体装置１００は、Ｎｉ層２ａの表面にＣｕ層２２を設けることにより、Ｃｕの割合が低いはんだ材料を用いて、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂを形成することができる。そのため、はんだ接合工程において半導体素子６に加わる温度を低くすることができる。
【実施例】
【００２２】
図７から図１０を参照し、実施例１の半導体装置の特徴について説明する。図７及び８は、実施例１の半導体装置の実験結果を示している。図９及び１０は、比較例１の半導体装置の実験結果を示している。図７から図１０は、半導体素子を金属板に接合したときの、はんだ部と金属板の接合面のＳＥＭ写真を示している。
【００２３】
実施例１では、金属板として、Ｃｕ板の表面にニッケルを無電解めっきしてＮｉ層（ＮｉＰ）を７．０μｍ形成し、Ｎｉ層の表面にスパッタ法を用いてＣｕ層を１．４μｍ形成したものを用いた。また、はんだ材料として、０．１５ｍｍのＳｎ０．７Ｃｕはんだを用いた。図７は、半導体素子と金属板の間にはんだ材料を配置し、はんだ材料を２３０℃に加熱して室温まで冷却した後の、はんだ部４ａとＣｕ板２ｂの接合面を示している。また、図８は、図７のはんだ部４ａを２３０℃に加熱して室温まで冷却する工程を１サイクルとする熱処理処理を、４サイクル実施した後のはんだ部４ａとＣｕ板２ｂの接合面を示している。
【００２４】
比較例１では、金属板として、Ｃｕ板の表面にニッケルを無電解めっきしてＮｉ層（ＮｉＰ）を７．０μｍ形成したものを用いた。また、はんだ材料として、実施例１と同様に、０．１５ｍｍのＳｎ０．７Ｃｕはんだを用いた。すなわち、実施例１は、比較例１と比較して、Ｎｉ層の表面にＣｕ層を形成した点が異なる。図９は、半導体素子と金属板の間にはんだ材料を配置し、はんだ材料を２３０℃に加熱して室温まで冷却した後の、はんだ部とＣｕ板２ｂの接合面を示している。また、図１０は、図９のはんだ部を２３０℃に加熱して室温まで冷却する工程を１サイクルとする熱処理を、４サイクル実施した後のはんだ部とＣｕ板２ｂの接合面を示している。
【００２５】
図７に示されている通り、実施例１では、Ｎｉ層２ａとはんだ部４ａの間にＣｕ６Ｓｎ５部４ｂが形成されている。また、図８に示されている通り、繰り返し熱処理を行っても、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂがバリア層として働き、はんだ部のＳｎがＮｉ層２ａに拡散することが防止されている。
【００２６】
一方、図９に示されている通り、比較例１では、Ｎｉ層２ａとはんだ部４ａの間にＣｕ６Ｓｎ５部４ｂが形成されず、Ｎｉ３Ｓｎ４層，Ｎｉ３ＳｎＰ層が形成されている。また、Ｎｉ層（ＮｉＰ）の表層部がＮｉ３Ｐに変質している。さらに、図１０に示されているように、繰り返し熱処理を４回行うと、Ｎｉ３Ｐが成長し、ほぼ全てのＮｉ層（ＮｉＰ）がＮｉ３Ｐに変質している。Ｎｉ３ＰがＣｕ板２ｂに到達すると、Ｃｕ板２ｂがはんだ部４ａから剥離することが起こり得る。
【００２７】
実施例１及び比較例１は、はんだ材料が同一（Ｓｎ０．７Ｃｕはんだ）なので、はんだ材料の融点は等しい。図９に示しているように、比較例１では、Ｎｉ層とはんだ部の間にＣｕ６Ｓｎ５層が形成されない。この結果は、はんだ材料を構成しているＣｕ元素の割合が少ない（０．７ｗｔ％）と、Ｃｕ６Ｓｎ５層が形成されないことを示している。それに対して、実施例１では、はんだ材料が比較例１と同一であるにも関わらず、Ｎｉ層とはんだ部の間にＣｕ６Ｓｎ５部４ｂが形成されている。Ｎｉ層の表面に銅層を形成することにより、半導体素子と金属板を接合するときの温度を上昇させることなく、Ｎｉ層の表面にＣｕ６Ｓｎ５部を形成することができる。
【００２８】
上記実施例では、Ｃｕ層２２の厚みを１．４μｍとし、はんだ材料４（Ｓｎ０．７Ｃｕはんだ）の厚みを０．１５ｍｍに調整した。これにより、銅の合計重量を、接合材の合計重量に対して２．０ｗｔ％に調整した。しかしながら、例えば、はんだ材料としてＳｎはんだ（Ｓｎ１００％）を用いてもよい。Ｓｎはんだを用いる場合、Ｃｕ層の厚みを２．５μｍにすることにより、銅の合計重量を接合材の合計重量に対して２．０ｗｔ％に調整することができる。なお、Ｓｎはんだの融点は２３２℃であり、Ｓｎ２．０Ｃｕはんだの液相温度（２７０〜２８０℃）より低い。また、銅の合計重量を接合材の合計重量に対して２．０ｗｔ％より多くしてもよい。この場合、Ｃｕ層の厚みを厚くすればよい。Ｃｕ層の厚みは、はんだ材料の厚み、はんだ材料に含まれるＣｕ元素の割合、接合材の合計重量に対する所望するＣｕの割合に応じて計算することができる。
【００２９】
上記実施例では、Ｎｉ層２ａと非接触である非接触部１８ｂによって、Ｃｕ６Ｓｎ５部４ｂとＮｉ層２ａ間の間に空洞が形成される。しかしながら、非接触部１８ｂとＮｉ層２ａの間に銅が存在してもよい。この銅は、Ｎｉ層２ａの表面に設けたＣｕ層２２の残部であってよい。
【００３０】
上記実施例では、Ｎｉ層２ａの表面に銅層２２を設けて、さらに半導体素子６の電極６ａの表面にもＮｉ層，銅層を設けている。そのため、電極６ｂとはんだ部４の間（図１も参照）において、Ｎｉ層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が形成された形態が得られる。この場合、はんだ材料に含まれる銅元素の重量、銅層２２に含まれる銅元素の重量及び電極６ａの表面の銅層に含まれる銅元素の合計重量が、接合材の合計重量（電極６ａの表面の銅層の重量を含む）に対して２ｗｔ％以上であればよい。なお、電極６ａの表面には、Ｎｉ層，銅層を設けず、金属板２にのみＮｉ層２ａの表面に銅層２２を設けてもよい。
【００３１】
同様に、上記実施例では、半導体素子６の電極６ａ，６ｂ、金属板２，１０、スペーサ１４の各々が、Ｃｕ部（Ｃｕ板）とＣｕ部の表面を覆うＮｉ膜を備える半導体装置について説明した。しかしながら、電極６ａ，６ｂ、金属板２，１０、スペーサ１４の少なくとも１つが、Ｃｕ部とＣｕ部の表面を覆うＮｉ膜を備えた構造であればよい。半導体装置では、熱に起因する接合部の不具合は、製造工程における加熱、環境温度、半導体素子の発熱等によって起こり易さが異なる。半導体装置１００の場合、熱に起因する不具合が発生し易い部位は、半導体素子６と直接接触する部位である。すなわち、半導体装置１００の場合、金属板２と半導体素子６の間、半導体素子６とスペーサ１４の間で不具合が発生しやすい。特に、半導体素子６とスペーサ１４の間で不具合が発生しやすい。本明細書で開示する接合層（母材内に単体の銅を有するはんだ部と、ニッケル層に接しているＣｕ６Ｓｎ５部）に関する技術は、上記した不具合が発生しやすい部位にのみ適用してもよい。
【００３２】
以下、本明細書で開示する半導体装置及びその製造方法について、技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００３３】
半導体装置は、半導体素子と、Ｎｉ層が設けられている被接合部材と、被接合部材を接合している接合層を備えていてよい。接合層は、はんだ部と、Ｃｕ６Ｓｎ５部を備えていてよい。はんだ部には、少なくともすずが含まれていてよい。Ｃｕ６Ｓｎ５部は、Ｎｉ層とはんだ部の間に設けられていてよい。Ｃｕ６Ｓｎ５部は、一部がＮｉ層の表面に接しており、他の一部がＮｉ層の表面に非接触であってよい。接合層に含まれるＣｕ元素の割合は２．０ｗｔ％以上であってよい。また、はんだ部に含まれている銅の重量は、はんだ部の重量に対して０．９ｗｔ％未満であってよい。
【００３４】
半導体素子と被接合部材が接合された半導体装置の製造方法は、配置工程と熱処理工程を有している。配置工程では、半導体素子と被接合部材との間に、はんだ材料を配置してよい。被接合部材は、表面にＮｉ層が設けられており、さらにそのＮｉ層の表面の少なくとも一部に銅層が設けられていてよい。はんだ材料は、少なくともすずを含んでいてよい。配置工程では、はんだ材料と銅層を接触させてよい。熱処理工程では、はんだ材料を融解、凝固させてよい。熱処理工程では、はんだ材料中のすずと銅層によって、Ｎｉ層の表面にＣｕ６Ｓｎ５が形成されてよい。また、はんだ材料に含まれる銅元素の重量と配置工程においてはんだ材料に接触する銅の合計重量（銅の合計重量）が、はんだ材料の重量とはんだ材料に接触する銅の重量の合計（接合材の合計重量）に対して２．０ｗｔ％以上であってよい。
【００３５】
Ｎｉ層及び銅層は、配置工程に先立って、被接合部材の表面に形成されてよい。Ｎｉ層は、被接合部材の表面に電解めっきされたものであってよい。あるいは、Ｎｉ層は、被接合部材の表面に無電解めっきされたものであってよい。スパッタ法を用いて、Ｎｉ層を被接合部材の表面に形成してもよい。同様に、銅層は、Ｎｉ層の表面に電解めっき、無電解めっきされたものであってよい。また、スパッタ法を用いて、銅層をＮｉ層の表面に形成してもよい。
【００３６】
接合層におけるはんだ部の材質は、半導体素子と被接合部材を接合するはんだ材料の材質と同一であってよい。はんだ材料は、すずの割合が１００％（すずはんだ）であってよい。また、はんだ材料は、銅を含むＳｎ−Ｃｕはんだであってよい。はんだ材料がＳｎ−Ｃｕはんだの場合、はんだ材料を構成する銅の割合は、０．３ｗｔ％以上であってよく、好ましくは０．５ｗｔ％以上であってよい。特に好ましくは、Ｓｎ０．７Ｃｕ（Ｃｕ含有率０．７％）である。図５及び図６から明らかなように、Ｓｎ０．３Ｃｕはんだ，Ｓｎ０．５Ｃｕはんだ及びＳｎ０．７Ｃｕはんだは、液相から固相に相変態するときに、η（イータ）相の化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成される。Ｓｎ−Ｃｕはんだに含まれるＣｕを構成する銅の割合を０．３ｗｔ％以上に調整することにより、Ｎｉ層上に設ける銅層の厚みにばらつきが生じても、確実にＣｕ６Ｓｎ５部を形成することができる。Ｃｕを構成する銅の割合を０．５ｗｔ％以上に調整することにより、より確実にＣｕ６Ｓｎ５部を形成することができる。なお、Ｓｎ−Ｃｕはんだでは、Ｓｎ０．７Ｃｕはんだが最も融点が低い。接合工程において半導体素子が高温に曝されることを抑制するという観点より、はんだ材料は、Ｓｎ０．７Ｃｕはんだ（Ｃｕ含有率０．７％）であることが特に好ましい。また、「Ｓｎ−Ｃｕはんだ」とは、すずと銅を主成分とする合金の総称であり、すず，銅以外に、例えばＮｉ，Ｐ（リン），Ｂｉ（ビスマス），Ｓｂ（アンチモン），Ａｇ（銀）等を含んでいてもよい。
【００３７】
はんだ材料を構成する銅の割合は、７．６ｗｔ％以下であってよく、好ましくは５．０ｗｔ％以下であってよく、特に好ましくは４．０ｗｔ％以下であってよい。図５及び６に示すように、Ｓｎ−Ｃｕはんだの場合、Ｃｕ含有率が７．６ｗｔ％を超えると、母材が液相から固相に相変態するときに、ε（イプシロン）相の化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）が形成される。それに対して、Ｃｕ含有率が７．６ｗｔ％以下であれば、母材が液相から固相に相変態するときに、η（イータ）相の化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成される。そのため、銅の合計重量が接合材の合計重量の７．６ｗｔ％を超えると、Ｃｕ６Ｓｎ５が形成されず、Ｃｕ３Ｓｎが形成される。銅の合計重量の割合を７．６ｗｔ％以下にすることにより、確実にＣｕ６Ｓｎ５部を形成することができる。なお、Ｎｉ層の表面に銅層を設けつつＣｕ６Ｓｎ５部を確実に形成するという観点から、はんだ材料を構成する銅の割合は、７．６ｗｔ％未満であることが好ましい。
【００３８】
図６に示すように、はんだ材料を構成する銅の割合が５．０ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕはんだ（Ｓｎ５．０Ｃｕはんだ）は、融点が３５０℃である。半導体素子で用いられる一般的な素子保護膜は、３５０℃を超えると劣化することがある。そのため、はんだ材料を構成する銅の割合が５．０ｗｔ％を超える場合、素子保護膜の劣化を抑制するための対策を施すことが必要となる。はんだ材料を構成する銅の割合を５．０ｗｔ％以下に調整することにより、特別な対策を施すことなく、素子保護膜が劣化することを抑制することができる。
【００３９】
図６に示すように、はんだ材料を構成する銅の割合が４．０ｗｔ％のＳｎ−Ｃｕはんだ（Ｓｎ４．０Ｃｕはんだ）は、融点が３３０℃である。半導体素子で用いる電極は、材質によっては、３３０℃を超えると割れることがある。そのため、はんだ材料を構成する銅の割合が４．０ｗｔ％を超える場合、電極の材質を制限する等、電極の割れを防止する対策を行うことが必要となる。はんだ材料を構成する銅の割合を４．０ｗｔ％以下に調整することにより、特別な対策を施すことなく、電極の割れが抑制された半導体装置を得ることができる。
【００４０】
接合材の合計重量に対する銅の合計重量は、２．０ｗｔ％以上であってよく、より好ましくは３．０ｗｔ％以上であってよい。図５及び図６から明らかなように、Ｓｎ２．０Ｃｕはんだ及びＳｎ２．０Ｃｕはんだは、液相から固相に相変態するときに、η（イータ）相の化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成される。すなわち、銅の合計重量を２．０ｗｔ％以上に調整することにより、Ｃｕ６Ｓｎ５部をＮｉ層の表面に確実に形成することができる。銅の合計重量を３．０ｗｔ％以上に調整することにより、Ｃｕ６Ｓｎ５部をＮｉ層の表面により安定して形成することができる。なお、銅層の厚み（銅層の重量）は、はんだ材料に含まれるＣｕの割合に応じて調整してよい。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４２】
２：被接合部材
２ａ：Ｎｉ層
４：はんだ材料
６：半導体素子
２２：銅層
１００：半導体装置
【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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