(57)【要約】【課題】  環境負荷が小さく低コストで、耐熱性等に優れる半導体装置用接合材料材及びこれを用いた半導体装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  半導体素子と銅部材とが接合された構成を有する半導体装置において、半導体素子と銅部材とを、融点が２５０℃以上で亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材で接合し、この接合部材は半導体素子との界面に近い領域において、ニッケル（Ｎｉ）が傾斜拡散している構成とした。【選択図】  図１
2005183650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と銅部材とが接合された構成を有する半導体装置であって、前記半導体素子と前記銅部材とは、融点が２５０℃以上で亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材で接合されており、該接合部材は前記半導体素子との界面に近い領域において、ニッケル（Ｎｉ）が傾斜拡散していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記銅部材は支持部材に亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第２の接合部材で接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記銅部材は前記半導体素子と前記支持部材との熱膨張率の差を緩衝するための緩衝材を構成する部材であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記亜鉛を主成分とする第１の接合部材と第２の接合部材とは、アルミニウム（Ａｌ）を８重量％以下含有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記亜鉛を主成分とする第１の接合部材と第２の接合部材とは、融点が異なることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体素子が部材に金属接合された構成を有する半導体装置であって、前記半導体素子と前記部材とは、亜鉛（Ｚｎ）を主成分としてアルミニウム（Ａｌ）を８重量％以下含有する第１の接合部材で接合されており、該第１の接合部材は前記半導体素子との界面に近い領域にニッケル（Ｎｉ）拡散層を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記ニッケル（Ｎｉ）拡散層は、前記半導体素子の表面に形成されたニッケル（Ｎｉ）膜が前記第１の接合部材の中に拡散して形成されたものであることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【請求項８】
前記部材は、亜鉛（Ｚｎ）を主成分としてアルミニウム（Ａｌ）を８重量％以下含有する第２の接合部材で支持部材に更に金属接続しており、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とは融点が異なることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体素子が整流素子又はＩＧＢＴ素子の何れかであることを特徴とする請求項１又は６に記載の半導体装置。
【請求項１０】
半導体素子の一方の面が第１の部材と第１の接合部材で接合され他方の面に第２の部材が第２の接合部材で接合された構成を有する半導体装置であって、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とは亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とするアルミニウム（Ａｌ）を含有する金属で、前記第１の接合部材及び前記第２の接合部材のそれぞれの前記半導体素子との界面の付近にはニッケル（Ｎｉ）の拡散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１１】
前記第１の接合部材及び前記第２の接合部材のそれぞれのニッケル（Ｎｉ）の拡散層は、前記半導体素子との界面に近いほどニッケル（Ｎｉ）の密度が高い傾斜拡散をしていることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
【請求項１２】
両面にニッケル（Ｎｉ）膜が形成された半導体素子の一方の面に銅（Ｃｕ）部材を第１の接合部材で接合し他方の面にリード電極を第２の接合部材で接合した構成を有する半導体装置であって、前記第１の接合部材と前記第２の接合部材とはアルミニウム（Ａｌ）の含有率が異なる亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする金属であり、前記第２の接合部材は前記第１の接合部材よりも融点が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の接合部材と前記第２の接合部材との前記半導体素子との界面の近傍には、前記半導体素子の表面に形成したニッケル膜のニッケルが拡散した領域を有することを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体素子が整流素子であることを特徴とする請求項１０又は１２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、半導体装置用接合部材、これを用いた半導体装置、およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、高耐圧用半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、部品内部接続および高耐熱の接続には、高融点の高Ｐｂはんだが用いられている。特に、高耐圧用半導体装置の場合には、製造工程において２００℃の耐熱温度が要求されるため、半導体素子の接続には固相線が３００℃付近の高Ｐｂはんだ、例えば９５Ｐｂ５Ｓｎ（固相線３００℃液相線３１４℃）、９８Ｐｂ２Ｓｎ（固相線３１６℃液相線３２２℃）、９８Ｐｂ２Ａｇ（固相線３０４℃液相線３０５℃）、９７．５Ｐｂ１．５Ａｇ１Ｓｎ（固相線３０９℃液相線３０９℃）などのＰｂ 含有量が多いはんだが接続に使用される。
【０００３】
このような高耐圧用半導体装置の例としては、ＩＧＢＴ、ダイオード、ＧＴＯ、トランジスタ等のパワー半導体素子及びこれらを用いたパワー半導体モジュール（以下、これらを総称して半導体装置という）がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１２５８５６号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平７−１６１８７７号公報
【特許文献３】特開２００２−１４２４２４号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１２１０号公報
【特許文献５】特開２００２−３５９３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、近年環境保護の観点から、環境負荷が大きいＰｂを排除し、他の代替接続材料を使用した半導体装置、その他接続構造体が要求されるようになってきている。
【０００７】
接続構造体及びそれに用いる接続材料については要求される条件は様々であるが、高耐圧用半導体装置に用いる接続材料の場合には、製造工程において２００℃前後の耐熱温度が要求される。
【０００８】
そこで本発明の目的は、環境負荷が小さく低コストで、耐熱性等に優れる半導体装置用接合材料材及びこれを用いた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、半導体素子と銅部材とが接合された構成を有する半導体装置において、半導体素子と銅部材とは、融点が２５０℃以上で亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする第１の接合部材で接合されており、この接合部材は半導体素子との界面に近い領域において、ニッケル（Ｎｉ）が傾斜拡散している構成とした。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明では、半導体素子が部材に金属接合された構成を有する半導体装置において、半導体素子と部材とは、亜鉛（Ｚｎ）を主成分としてアルミニウム（Ａｌ）を８重量％以下含有する第１の接合部材で接合されており、第１の接合部材は半導体素子との界面に近い領域にニッケル（Ｎｉ）拡散層を有する構成とした。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明では、半導体素子の一方の面が第１の部材と第１の接合部材で接合され他方の面に第２の部材が第２の接合部材で接合された構成を有する半導体装置において、第１の接合部材と第２の接合部材とは亜鉛又は亜鉛（Ｚｎ）を主成分とするアルミニウム（Ａｌ）を含有する金属で、第１の接合部材及び第２の接合部材のそれぞれの半導体素子との界面の付近にはニッケル（Ｎｉ）の拡散層が形成されている構成とした。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明では、両面にニッケル（Ｎｉ）膜が形成された半導体素子の一方の面に銅（Ｃｕ）部材を第１の接合部材で接合し他方の面にリード電極を第２の接合部材で接合した構成を有する半導体装置において、第１の接合部材と第２の接合部材とはアルミニウム（Ａｌ）の含有率が異なる亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする金属であり、第２の接合部材は第１の接合部材よりも融点が高い材料で構成した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、Ｚｎを主成分とする接合材料を用いることで、環境負荷が小さくまた２５０℃以上の耐熱性がある高耐圧用半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
半導体装置、特に高耐圧用半導体装置に要求される耐熱温度は２００℃であることから、接続部の材料組織において部材間の接続に寄与する材料の融点は、耐熱温度が２５０℃以上であることが必要である。すなわち接続部の組織としては、少なくとも部材間の接続に寄与する組織が溶融しなければ他の部分が溶融しても接続は保持される。さらに、接合材料で半導体素子を接続する際の温度としては、半導体素子の保護の観点から６００℃以下で接続することが必要である。これにより、接合材料の主成分となる金属元素の融点は２５０℃以上６００℃以下であることが必要となる。
【００１５】
まず、このような条件を満たす材料として、従来の鉛（Ｐｂ）を主成分とするはんだに代わる接合材料について以下検討していく。
【００１６】
前記条件を満たす金属元素としてはＢｉ（２７１．４℃）、Ｐｏ（２５４℃）、Ｃｄ（３２１．１℃）、Ｔｌ（３０２．５℃）、Ｚｎ（４１９．６℃）、Ｔｅ（４４９．８℃）、Ａｔ（３００℃） 、Ｐｂ（３２７．５℃） がある。これらの金属元素のうち、環境負荷低減、毒性が無いなどの安全性、さらには接合材料としての軟らかさなどを満たす材料となるとＺｎが最適であり、単一金属元素で接続する場合にも適している。  また、接合材料としては単一金属元素のほかに、融点が２５０℃以上かつ６００℃以下の共晶成分が発生する材料としてもよい。しかしながら、単一金属材料ではなく２成分材料系を用いる場合には、はんだ接続部の組成不均一さを考慮すると、少なくとも接続部に供給される接合材料の成分中に融点が２５０℃以下の成分が無いことが好ましい。なぜならば、接合材料を用いて接続後にも融点が２５０℃以下の成分がそのまま残存した組織では、それが溶融して接続の信頼性が低下するからである。
【００１７】
したがって、接続のために供給される接合材料中の全成分とも２５０℃以上の融点であることが好ましい。実際、上述した高Ｐｂはんだの場合、Ｓｎを含むものでは組成の不均一さに起因してＳｎが融点２３２℃で溶融することがあり、耐熱温度２５０℃の信頼性が得られない場合が起こるが、融点９６１℃のＡｇを含むものではこの問題は起らない。  
また共晶組成材料系が共晶組成の融点以下では２相混合となるが、接続部の応力低減の観点から、２相のうち全体の半分以上を占め接続に寄与する組成としては、硬い金属間化合物ではなく軟らかい材料、たとえば単一金属あるいは極少量の異種金属が固溶した金属であることが必要である。このような条件を満たす２成分材料系としては、ＺｎＡｌ系、ＺｎＣｄ系、ＺｎＭｇ系、ＺｎＢｉ系、ＺｎＳｂ系などがあるが、ＢｉおよびＭｇ系は硬く、またＣｄやＳｂ系は有毒であるため、これらの系ではＺｎＡｌ系が最も好ましく、また大部分を占める金属としては軟らかいＺｎが適する。
【００１８】
以上のことは３成分以上の材料系でも同様で、大部分を占める金属としてはＺｎが適する。すなわち、２成分以上の材料系では、Ｚｎを主成分とし、添加される元素としては、融点が２５０℃以上でまた共晶以下の温度でＺｎが大部分を占める組織となればどのような元素でも良く、例えば、Ａｌ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｂなどを適宜選択し、２成分、３成分等の材料系を形成すればよい。なお、ＺｎＡｌ系では、還元性雰囲気中でもＡｌの酸化皮膜が強固なため、濡れにくい場合には酸化皮膜が機械的に破れるよう加圧あるいはスクラブ等により除去するとよい。また、図１０に示すＺｎＡｌ系の２元系合金状態図に示すとおり、所望の融点を得るためには、Ａｌの重量％を適宜変更すればよく、Ｚｎよりも低融点を得る場合には、Ａｌは約８重量％以下にすればよい。
【００１９】
以上述べたように、耐熱温度が２５０℃以上でかつ６００℃以下の温度で接続する場合の接合部材の材料としては、Ｚｎ単体、およびＺｎを主成分とした２成分以上の系（以下、Ｚｎ系の接合材料と記す。）がある。尚、Ｚｎ単体の接合材料とは、純Ｚｎだけに限られず、実質的にＺｎからなる接合材料も指し、特性に大きな影響を与えない範囲で微量な含有物があっても構わない。
【００２０】
続いて、上記接合部材と半導体素子及びその他の部材との接合について述べる。
【００２１】
Ｚｎはほとんどの金属元素と反応するが、半導体素子材料であるＳｉとは実質的に反応せず、ＳｉとＺｎとを直接接続するのは非常に困難である。そこで、例えばＳｉ表面にＮｉ膜を形成した後に熱処理し、さらにその上にＮｉ膜を形成する前処理工程が必要となる。これにより、接続時のＺｎの濡れ性が確保され、結果としてＳｉとＺｎの良好な接続が得られる。ただし、表面にＮｉ膜を形成したＳｉとＣｕとをＺｎ系の接合部材で接続するような場合には、ＳｉとＣｕとの熱膨張率差が大きいため、ＮｉＺｎ化合物層が形成されてしまうとこの熱応力に耐え切れず、クラックが生じるなどの問題が起きてしまう。そこで、Ｎｉ膜厚、接続温度等を制御し、ＮｉＺｎ化合物層を形成しないようにすることが必要である。
【００２２】
上記観点から、Ｎｉ膜厚は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下がよい。このようにＮｉ層の厚さを薄くすると、Ｚｎ系の接合部材で接続時にＺｎ系の接合部材中へのＮｉの供給量が少ないため、Ｎｉ成分はＺｎ系の接合部材の界面に近い浅い領域中に拡散するが、ＺｎＮｉ化合物層を形成するには至らず、結果としてＳｉとＺｎ系の接合部材との間で良好な接続強度を得ることができる。界面におけるＺｎ系の接合部材層には、Ｎｉが密度が界面から次第に小さくなる状態で拡散（傾斜拡散）されており、ＮｉＺｎ合金層は実質的に形成されないような条件で接続されている。
【００２３】
なお、接続温度を調整することにより、Ｓｉと拡散されたＮｉ成分を含むＺｎ系の接合部材との間にＮｉ層を残すようにしてもよい。また、反応のストッパ層としてＴｉ膜層を形成してＳｉ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｎｉという構成にして、Ｚｎ系の接合材料と反応するＮｉ膜層の厚さを制御しても良い。さらに、Ｎｉ表面にＺｎの濡れ性確保のため、Ａｕ、Ａｇめっきをしても良い。
【００２４】
いずれの場合も、ＮｉＺｎ化合物がＺｎ系の接合部材中に拡散している場合もあり得るが、ＮｉＺｎ化合物を界面の層として残さなければ、特に熱応力に対する観点からＳｉとＺｎ系の接合部材とは良好な接続を得ることができる。
【００２５】
一方、ＺｎとＣｕ部材との接続性であるが、ＺｎはＣｕと容易に反応し化合物を形成し強固な接続が得られ、またＺｎＣｕ化合物はＺｎおよびＣｕとの界面接合強度は十分大きいため、Ｃｕ部材に直接Ｚｎ系の接合部材を接続しても良い。また表面にＮｉ膜を施し、濡れ性を確保してもよいが、上記した点を考慮し、Ｎｉ膜の厚さを例えば１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下にするなどの対処をした方がよい。
【００２６】
また、先に述べたように半導体素子のＳｉとＣｕとでは熱膨張率がそれぞれＳｉで２．６×１０−６／℃、Ｃｕで１７×１０−６／℃と大きく異なる。したがって、厚いＣｕ部材に直接半導体素子を接続する場合には熱膨張率差に基づく応力が発生し、その応力が半導体素子のＳｉの強度より大きい場合には、Ｓｉにクラックが発生する。このような熱応力を低減するには、半導体素子とＣｕ部材の間に、熱膨張率がＳｉとＣｕの間にある応力緩和部材を介在させて接合すれば良い。応力緩和部材としては低熱膨張材のインバーや４２アロイをＣｕで挟んだ３層構造で、低熱膨張材とＣｕとの厚み比を変えることで全体の熱膨張率を制御できる。このような熱膨張率差緩衝材は表裏面がＣｕであるので容易にＺｎとの接続が可能である。さらに濡れ性確保のためにＮｉめっきをしても良い。尚、応力緩衝部材は前記構造からなる１層に限られず、適宜複数層設けても構わない。
【００２７】
さらにＺｎ系の接合部材で接続する際の条件としては、中性または還元性雰囲気が適し、好ましくは窒素に水素を添加した還元性雰囲気が良い。また、中性または還元性雰囲気中でフラックス無しでの接続が可能であるが、フラックスを使用する場合には、炭化物等が残り濡れ性の阻害および接合強度の低下がおこらないように、接続中に完全に飛散するフラックスを使用すればよい。
【００２８】
次に溶融冷却後のＺｎの特性としては、引張強度は高Ｐｂはんだと同等で約５０ＭＰａ程度、熱伝導率は０．２６９ｃａｌ・ｃｍ−１・ｓ−１・ｄｅｇ−１（  ９６．８Ｋｃａｌ・ｍ−１・ｈ−１・ｄｅｇ−１）、また比抵抗は５．９×１０−６Ωｃｍである。これらはＰｂの０．０８３８ｃａｌ・ｃｍ−１・ｓ−１・ｄｅｇ−１（３０．２Ｋｃａｌ・ｍ−１・ｈ−１・ｄｅｇ−１）および２．０８×１０−６Ωｃｍと比較し良好であることから、高Ｐｂはんだが用いられた接続部分をＺｎ系の接合材料で容易に置き換えることが可能であるばかりか、放熱性についてはＺｎ系の接合材料の方が優れていることがわかる。
【００２９】
一方、ＺｎとＣｕとの間の化合物層の厚さは、高Ｐｂはんだの場合には１〜３μｍ形成されるのに対して、Ｚｎ系の接合材料の場合にはＺｎの融点付近の４２０℃〜４６０℃の範囲で接続すると数十μｍ以上となり、Ｚｎ系の接合材料の残存部分の厚さが減ることになる。化合物層はＣｕ又はＺｎ系の接合材料と比べて硬く、上下層間の熱膨張率差を吸収しにくいため、接続部での強度を確保すべく、Ｚｎ系の接合材料がなるべく多く残存するように供給材の厚さを調整する必要がある。例えば、厚さが１ｍｍ程度のＺｎ系の接合部材を用いて半導体素子と厚さ２ｍｍ以上のＣｕ部材とを直接接続した場合、接合部分にＺｎ部分が残存し、半導体素子に対する応力は半導体素子強度以下となるため半導体素子にクラックは発生せず、また接合強度の低下も起こらない。
【００３０】
しかし、半導体装置の放熱性を考慮し、半導体素子とＣｕ部材との間の伝熱特性を良くするためには、間に入れる接合部材の層を接合強度を確保できる範囲でできるだけ薄くした方が良い。そこで、Ｚｎ系の接合材料の厚さを０．２ｍｍ以下とする場合には、接続するＣｕ部材の厚さを半導体素子の厚さ以下とするか、もしくは応力緩和部材を挿入し、半導体素子への熱応力を低減する構造にすればよい。なお、ＣｕＺｎ化合物層はＮｉＺｎ化合物層に比べると軟らかく、熱応力を吸収し易いので、化合物層が形成されていてもよいが、ＮｉＺｎ化合物層については、先に述べたように層として形成しない方がよい。また、形成される反応層の厚さを抑えるには、接続時の温度は融点〜融点＋５０℃の温度範囲で行うのがよい。
【００３１】
なお、Ｚｎ単体を接合部材として用いた時の半導体素子と厚さ２ｍｍのＣｕ板との接合強度は、半導体素子の直径を６ｍｍ、Ｚｎ単体の厚さを０．２〜１ｍｍにした場合、引張り強度は約３２０Ｎ、半導体素子とＣｕ板との間に応力低減のための応力緩和部材を挿入した場合では４００Ｎ以上の引張り強度が得られる。またＺｎ単体の代わりにＺｎ系の接合材料として共晶組成系のＺｎ５Ａｌを用いた場合では、半導体素子とＣｕ板の場合で約２５０Ｎ、応力緩和部材を挿入した場合で３２０Ｎ以上の強度が得られる。また、上記したＺｎ単体又はＺｎ５Ａｌを接合部材として用いて応力緩和部材を挿入した場合、熱サイクル試験（−４０〜２００℃、４００サイクル）を行った後でも、初期引張強度の８０％以上の強度が確保されることを確認した。
【００３２】
さらに、少なくとも上記Ｚｎ系の接合部材で接続された部分を、２５０℃の耐熱性を満足する樹脂たとえばポリイミド樹脂等で覆うことにより、Ｚｎ系接続部の耐環境性が向上するとともに半導体素子と部材との接合強度も向上する。
【００３３】
上記検討を踏まえ、高耐圧用半導体装置に上記Ｚｎ系の接合部材を適用した例を説明する。
【実施例１】
【００３４】
実施例１として、車載用交流発電機に用いる高耐圧用半導体装置に本発明を適用した場合ついて、幾つかの実施の形態を図を用いて説明する。
【００３５】
図１は、本発明による半導体装置の実施例１の第１の実施形態を示し、半導体素子１と、応力緩和部材５を介して半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系の接合材料からなる接合部材２、４、６と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを備えて構成されている。本第１の実施の形態の場合、半導体素子１の面と接してＺｎ系の接合部材２、４が接合されており、その間には他の層が存在しない。これにより、耐熱性、耐熱応力性、放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。ここで、半導体素子１は、例えばツェナーダイオードなどの整流素子である。
【００３６】
本実施形態において、半導体素子１および応力緩和部材５の両面と支持電極体３、リード電極７の接続面は、接合部材の濡れ性を良くするために予め表面をニッケル（Ｎｉ）膜がめっきにより薄く形成された状態で接合部材２、４、６により接合されるが、図１に示す接合後の状態では、Ｎｉが接合部材２、４、６の中に拡散してしまってＮｉ膜は消失している。
【００３７】
なお、接合部材２、４、６は、すべて同一組成のＺｎ系の接合材料を用いる必要はなく、下記に詳説する温度階層、応力階層等の観点から各層異なる組成のＺｎ系の接合材料を用いてもよい。また、接合材料は半導体装置全体の放熱特性向上を考慮し、０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い膜厚で設けるのが好ましい。応力緩和部材５としては、インバーや４２アロイをＣｕで挟んだ３層構造を用いればよい。また、図１では応力緩和部材５を１層のみ設けているが、更に熱応力を緩和すべく複数層設けても構わない。支持電極体３、リード電極７には、熱伝導率の高いＣｕ部材を用いればよい。封止材８は、耐熱性のある樹脂あるいはシリコーンゴム等を用いればよい。
【００３８】
次に、本発明の半導体装置の実施例１の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。第２の実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系の接合材料からなる接合部材２、４と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。本実施形態の場合、応力緩和部材５を有しないため、熱応力への対応として、半導体素子１と支持電極体３との接合部材４の膜厚を少し厚めの０．３〜０．６ｍｍ程度で設けるのが好ましい。
【００３９】
本実施形態においても前記した第１の実施の形態と同様に、半導体素子１の両面と支持電極体３、リード電極７の接続面は、接合部材の濡れ性を良くするために予め表面をＮｉ膜がめっきにより薄く形成された状態で接合部材２、４、６により接合されるが、図２に示す接合後の状態ではＮｉが接合部材２、４、６の中に拡散してしまってＮｉ膜は消失している。
【００４０】
次に、本発明の半導体装置の実施例１の第３の実施形態について、図３を用いて説明する。第３の実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、応力緩和部材５を介して半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系の接合材料からなる接合部材２、４、６及びその界面に設けられたＮｉ層９と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。上記した第１の実施形態との相違点は、第１の実施の形態においては、図１に示したように、Ｚｎ系接合部材２、４、６で接合した後には、Ｎｉ膜が消失しているのに対して、本実施形態の場合、Ｚｎ系接合部材２、４、６で接合した後にも各層間でＮｉ膜が残っている。各層間にＮｉ膜を掲載した状態でＺｎ系接合部材２、４、６で接合するため、製造時の濡れ性が向上し、良好な接続が得られる。本実施形態の場合、各層間でＮｉ膜を形成しているため、製造時の濡れ性が向上し、良好な接続が得られる。例えば、半導体素子１の面に接してＮｉ層９が接合され、Ｎｉ層９の面に接してＺｎ系の接合部材２、４が接合されている。この場合も先に述べた理由から、Ｎｉ層９とＺｎ系の接合部材２、４との間にＮｉＺｎ合金層が形成しないようにすることが必要である。なお、図３に示す半導体装置では各層間でＮｉ層９を設けているが、これに限られず、適宜任意の層間ではＮｉ層９を設けない構造にしても構わない。
【００４１】
次に、本発明の半導体装置の実施例１の第４の実施形態について、図４を用いて説明する。第４の実施形態の半導体装置は、半導体素子１と、半導体素子１を支持する支持電極体３と、半導体素子と電気的に接続されるリード電極７と、各々を接続するＺｎ系の接合材料からなる接合部材２、４及びその界面に設けられたＮｉ層９と、支持電極体３の内部を充填する封止材８とを有する。応力緩和部材５がない点以外は第３実施形態とほぼ同じであるが、それに伴い、熱応力への対応として、半導体素子１と支持電極体３との接合部材４の膜厚を少し厚めの０．３〜０．６ｍｍ程度で設けるのが好ましく、また接合部材４の両面に設けられたＮｉ層９は他のＮｉ層よりも薄い膜厚にするのが好ましい。なお、第３の実施形態同様、適宜任意の層間ではＮｉ層９を設けない構造にしても構わない。
【００４２】
次に、本実施例における半導体装置の第１の製造方法について、図１に示す半導体装置を例にとり、図５を用いて説明する。
【００４３】
まず、半導体素子１の表面及び裏面にＮｉ膜９を形成（ステップ６０１）した後、半導体素子１の一方の面とリード電極７とを還元雰囲気中でＺｎ系の接合部材２により接合する（ステップ６０２）。ここで、Ｎｉ膜９はめっきによって形成すればよいが、接合後ＮｉＺｎ合金層を形成しないように１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下の膜厚にするとよい。これにより、図１のように、半導体素子１の直上にＺｎ（Ｎｉ成分が拡散されたＺｎ）層を形成することができ、ＮｉＺｎ合金層が形成されないため、良好な接続を得ることができる。なお、Ｎｉ層９を残した図３の半導体装置を製造する場合には、上記Ｎｉの膜厚に制約される必要はないが、ＮｉＺｎ合金層を形成させないように、接合環境・温度調整をすればよい。
【００４４】
一方、表面にＮｉ膜を形成した支持電極体３にＺｎ系の接合部材６を供給し（ステップ６０３）、リフローにより支持電極体３と応力緩和部材５とをＺｎ系の接合部材６で接合する（ステップ６０４）。その後、前記半導体素子１とリード電極７とを接合してなる接続構造体と、前記支持電極体３と応力緩和部材５とを接合してなる接続構造体とをＺｎ系の接合部材４で接合し（ステップ６０５）、前記半導体素子１が接合された支持電極体３の内部を耐熱性の樹脂あるいはシリコーンゴム等によりモールドして完成する（ステップ６０６）。なお、Ｚｎ系の接合材料の供給方法としては、板状、箔状、めっき、ペースト等が考えられ、必要に応じて適宜選択すればよい。
【００４５】
この製造方法の場合、Ｚｎ系の接合部材４による接合時に既に接合されたＺｎ系の接合部材２、６が再溶融する恐れがあるため、Ｚｎ系の接合部材２、６には、Ｚｎ系の接合部材４よりも高い融点をもつ組成のＺｎ系の接合材料を用い、温度階層をつければよい。具体的には、例えば、Ｚｎ系の接合部材２，６には、Ｚｎ単体を用い、Ｚｎ系の接合部材４にはＺｎ５Ａｌ系の接合材料を用いればよい。
【００４６】
次に、本発明の半導体装置の第２の製造方法について、図６を用いて説明する。まず、表面にＮｉ膜を形成した支持電極体３にＺｎ系の接合部材６を供給し（ステップ７０１）、支持電極体３に応力緩和部材５を還元雰囲気中でＺｎ系の接合部材６で接合する（ステップ７０２）。次に、前記応力緩和部材５の上にＺｎ系の接合部材４を供給し（ステップ７０３）、両面にＮｉ膜が形成された半導体素子１と応力緩和部材５とをＺｎ系の接合部材４で接合する（ステップ７０４）。次に、前記半導体素子１の上にＺｎ系の接合部材２を供給し（ステップ７０５）、半導体素子１と表面にＮｉ膜が形成されたリード電極７とをＺｎ系の接合部材２で接合する（ステップ７０６）。最後に、前記半導体素子１が接合された支持電極体３の内部をモールドして完成する（ステップ７０７）。
【００４７】
この製造方法の場合には、Ｚｎ系の接合部材６、４、２を順次接合していくため、温度階層を３層つける必要があり、例えば、上記順番での接合の場合、接合部材６にはＺｎ単体、接合材料４にはＺｎ３Ａｌ系の接合材料、接合部材６にはＺｎ５Ａｌ系の接合材料を用いればよい。
【００４８】
次に、本実施例における半導体装置の第３の製造方法について、図７を用いて説明する。
【００４９】
まず、表面をＮｉめっきした支持電極体３にＺｎ系の接合部材６を供給し（ステップ８０１）、前記Ｚｎ系の接合部材６の上に応力緩和部材５を供給し（ステップ８０２）、さらに前記応力緩和部材５の上にＺｎ系の接合部材４を供給する（ステップ８０３）。さらに、前記Ｚｎ系の接合部材４の上に両面にＮｉ膜を形成した半導体素子１を供給し（ステップ８０４）、前記半導体素子１の上にＺｎ系の接合部材２を供給し（ステップ８０５）、Ｚｎ系の接合部材２の上にリード電極７を供給する（ステップ８０６）。次に、リフロー処理により、電極支持体３と応力緩和部材５とをＺｎ系の接合部材６で、応力緩和部材５と半導体素子１とをＺｎ系の接合部材４で、半導体素子とリード電極７とをＺｎ系の接合部材２で、一括して接合する（ステップ８０７）。最後に、前記半導体素子１が接合された支持電極体３の内部をモールドして完成する（ステップ８０８）。
【００５０】
この製造方法の場合には、各Ｚｎ系の接合部材２、４、６を一括接合するため、すべて同じ組成の部材でもよく、また第１及び第２の製造方法のように温度階層を設けなくてもよい。従って、本製造方法の場合、Ｚｎ系の接合材料の材料の各組成の軟らかさ、熱抵抗率、熱伝導率等の観点から最適な組合せで階層を設けてもよい。
【００５１】
本実施例における半導体装置の製造方法について上記の通り、いくつか述べたが、上記実施例には限られず、適宜接合順番を入れ替え、それに伴い最適な接合材料を選択してもよい。
【００５２】
尚、上記実施例では、半導体素子１としてツェナーダイオードの例を説明したが、大電力用の整流素子やサイリスタ素子であっても良い。
【実施例２】
【００５３】
次に、実施例２として、本発明をＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートを持つバイポーラトランジスタ）素子を用いて組み立てるＩＧＢＴモジュールに適用した場合を説明する。
【００５４】
図８は、ＩＧＢＴ素子を用いて組み立てたＩＧＢＴモジュールの一部分の構造を示した図である。図中、１００１−１及び２はＩＧＢＴ素子、１００２は絶縁基板、１００３−１と１００３−２とは絶縁基板１００２上に形成された銅配線パターン、１００４は銅板、１００５はアルミワイヤ、１００６は内部配線、１００７はケース、１００８は蓋、１００９は端子であり、ＩＧＢＴ素子１００１−１と銅配線パターン１００３−１、１００３−２とはＺｎ系の接合材料１０１０で、また、絶縁基板１００２と銅板１００４とはＺｎ系の接合部材１０１１で、それぞれ接続されている。Ｚｎ系の接合部材１０１０とＺｎ系の接合部材１０１１としては、実施例１で説明したものと同様の、Ｚｎ単体、又はＺｎ−Ａｌ系合金、又はＺｎ−Ａｌに他の金属成分を添加した３元系以上の合金を用いる。また、ケース１００７の内部は、シリコンゲルなどの封止材料１０１２が充填されている。
【００５５】
この実施例においても、ＩＧＢＴ素子１００１−１、１００１−２と銅配線パターン１００３−１、１００３−２とのそれぞれのＺｎ系の接合部材１０１０で接合する面には、予めＮｉ膜が１０μｍ以下の厚さ、好ましくは５μｍ以下の厚さで形成されており、このＮｉ膜が形成された面においてＺｎ系の接合部材１０１０で接合されている。この実施例においても、Ｚｎ系の接合部材１０１０とＩＧＢＴ素子１００１−１、１００１−２及び配線パタンとの界面におけるＺｎ系の接合部材層には、Ｎｉが密度が界面から次第に小さくなる状態で拡散（傾斜拡散）されており、ＮｉＺｎ合金層は実質的に形成されないような条件で接続されている。
【００５６】
また、絶縁基板１００２と銅板１００４とのそれぞれＺｎ系の接合部材１０１１で接合する面にも、Ｎｉ膜が１０μｍ以下の厚さ、好ましくは５μｍ以下の厚さで形成されており、このＮｉ膜が形成された面においてＺｎ系の接合部材１０１１で接合されている。この場合も上記と同様に、Ｚｎ系の接合部材１０１０と絶縁基板１００２及び銅板１００４との界面におけるＺｎ系の接合材料層には、Ｎｉが傾斜拡散された状態になっており、ＮｉＺｎ合金層は実質的に形成されないような条件で接続されている。これにより、耐熱性、耐熱応力性、放熱性に優れたＩＧＢＴモジュールを提供することができる。
【００５７】
ここで、銅板１００４上への絶縁基板１００２の接続と絶縁基板１００２上の配線パターン１００３−１、１００３−２とＩＧＢＴ素子１００１−１及び１００１−２との接続を別々に行う場合には、Ｚｎ系の接合部材１０１０とＺｎ系の接合部材１０１１とは、組成の比率を変えて融点の異なるものを用いればよい。例えば、Ｚｎ系の接合部材１０１０と１０１１との組合せとしては、１０１０にＺｎ単体を用いて１０１１にはＺｎ３ＡｌまたはＺｎ５Ａｌを用いても良く、また１０１０にＺｎ３Ａｌを用いたときには、１０１１にＺｕ５Ａｌを用いればよい。
【００５８】
一方、銅板１００４上への絶縁基板１００２の接続と絶縁基板１００２上の配線パターン１００３−１、１００３−２とＩＧＢＴ素子１００１−１及び１００１−２との接続を同時に行う場合には、Ｚｎ系の接合部材１０１１とＺｎ系の接合部材１０１１とは同じ組成のもであっても良い。
【実施例３】
【００５９】
次に、実施例３として、半導体装置について、図９を用いて説明する。実施例３に係る半導体装置は、表面に回路が作りこまれた半導体素子１と、半導体素子１を支持するＣｕ系リードフレーム１０と、Ｃｕ系リードフレーム１０の外部リード１１部分と半導体素子１とを電気的に接続するワイヤ１２と、少なくとも半導体素子１を封止する封止材８とで構成されている。本実施例においては、半導体素子１の裏面とＣｕ系リードフレーム１０とに１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下の厚さのＮｉ膜が形成された状態で、Ｚｎ系の接合部材２で接合されている。そして、上記に説明した実施例１及び実施例２の場合と同様に、Ｚｎ系の接合部材層の半導体素子１の裏面およびＣｕ系リードフレーム１０との界面にはＮｉの傾斜拡散層が形成されており、実質的にＮｉＺｎ合金層が形成されていない。すなわち、先に説明したように、ＮｉＺｎ化合物層を形成させない構造であるが、接合工程では、半導体素子１の裏面にＮｉ膜を設けたのち、Ｚｎ系の接合部材２と接合させるため、Ｚｎ系の接合部材２はＮｉ成分又はＮｉＺｎ化合物が拡散された状態となっている。これにより、耐熱性、耐熱応力性、放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。封止材８は、耐熱性のある樹脂あるいはシリコーンゴム等を用いればよい。
【００６０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種種変更可能である。
【００６１】
また、上記各実施形態に分けて記載した半導体装置及びその製造方法の内容は、各実施形態のみに限定されるものではなく、他の実施形態についても適宜適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例１の第１の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施例１の第２の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の第３の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の実施例１の第４の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の実施例１における半導体装置の第１の製造方法についての、フロー図である。
【図６】本発明の実施例１における半導体装置の第２の製造方法についての、フロー図である。
【図７】本発明の実施例１における半導体装置の第３の製造方法についての、フロー図である。
【図８】本発明の実施例２におけるＩＧＢＴモジュールの断面図である。
【図９】本発明の実施例３における半導体装置の断面図である。
【図１０】ＺｎＡｌ系合金の状態図である。
【符号の説明】
【００６３】
１・・・半導体素子    ２，４，６，１００１−１、１００１−２・・・Ｚｎ系の接合部材    ３・・・支持電極体    ５・・・応力緩和和材    ７・・・リード電極    ８・・・封止材    ９・・・  Ｎｉ層    １０・・・Ｃｕ系リードフレーム    １１・・・外部リード    １２・・・ワイヤ  １００１−１，１００１−２・・・ＩＧＢＴ素子  １００３−１，１００３−２・・・銅配線パターン    １００２−１，１００２−２・・・絶縁基板    １００４・・・銅板
【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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