JP2007110016A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低有害、安全性等の環境要求に対応した錫（Ｓｎ）基はんだを用いた半導体装置およびその製造方法であって、簡単な層構造を有し、低コストで製造できる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１の表面に、錫（Ｓｎ）基はんだ層１Ｓが形成されてなる半導体装置１０であって、半導体基板１を構成するシリコン（Ｓｉ）原子と記Ｓｎ基はんだ層１Ｓを構成する錫（Ｓｎ）原子とが結合して、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面が形成されてなる半導体装置１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板の表面に、錫（Ｓｎ）基はんだ層が形成されてなる半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、半導体素子が形成されたＩＣチップなどの半導体基板をヒートシンクやリードフレームなどの基材に接合するためのはんだとして、一般的に、鉛（Ｐｂ）を含有する鉛−錫合金（Ｐｂ−Ｓｎ）からなるはんだが使用されてきた。しかしながら、低有害、安全性等の環境対応への要求の高まりから、Ｐｂの含有量を低減したはんだもしくはＰｂを含有しないはんだに切り替えられつつある。このようなＰｂフリーはんだとして開発されているはんだ材料の一つに、Ｓｎ基はんだがある。

このＳｎ基はんだを介して、半導体基板の裏面側が基材にはんだ付け接合された半導体装置が、例えば、特開２００３−３４７４８７号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１に開示された半導体装置は、半導体基板側から、チタン（Ｔｉ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）の層を順次形成した裏面電極を有する半導体ぺレットを、金−錫合金（Ａｕ−Ｓｎ）からなる低融点はんだを用いて、基材である放熱体にマウントしたものである
上記半導体装置は、例えば、以下のようにして製造する。半導体基板の裏面側を研削し、洗浄した後、研削面に上記裏面電極を形成する。しかる後、上記半導体ペレットに形成した裏面電極と基材との間に、上記金−錫合金（Ａｕ−Ｓｎ）からなる低融点はんだを介在させる。続いて、はんだの固相線温度以上に加熱し、はんだをリフローさせてはんだ付けする。これによって、半導体基板の裏面側が基材にはんだ付け接合された上記半導体装置が製造される。
特開２００３−３４７４８７号公報

上記特許文献１に開示された半導体装置における裏面電極の構造は、従来の（Ｐｂ−Ｓｎ）はんだを用いる半導体装置においても使用されてきた構造である。上記裏面電極の構造において、Ｔｉ層は、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板との接着性およびオーミック接合性を確保する役割を有している。また、Ｎｉ層は、はんだ中のＳｎと合金化することで、はんだと接着する役割を有している。これによって、上記半導体ペレットと基材とが、はんだを介して電気的、熱的、機械的に接合されることになる。

一方、上記半導体基板との接着性およびオーミック接合性を確保するためのＴｉ層は、常温常圧の雰囲気中で強固な不動態皮膜（酸化膜）が形成され易く、一般的に、はんだ材料と直接接合することが困難である。このためＴｉ層上に形成するＮｉ層を十分に厚く形成する必要があり、またはんだ付けの条件管理を厳密に行う必要があるため、これらが製造コストの増大要因となっている。

上記問題を解決するため、本発明者らは、半導体基板の裏面側において、第１金属層、第１金属−Ｓｎ合金層およびＳｎ基はんだ層が、順次形成されてなり、前記第１金属が、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）および鉄−ニッケル−クロム合金（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ）のいずれかである新規な半導体装置を発明した。また、半導体基板の裏面側に前記第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、前記第１金属層上に第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、前記第２金属層と前記基材の間に前記Ｓｎ基はんだを介在させて、前記半導体基板を基材上に積層する積層工程と、前記積層体を熱処理することにより、前記第２金属層を前記Ｓｎ基はんだ中に拡散させると共に、前記第１金属層とＳｎ基はんだを反応させて、第１金属層上に第１金属−Ｓｎ合金層を形成する熱処理工程とを有し、前記第２金属層の厚さを、５０ｎｍより大きく、７５０ｎｍ以下とする、前記半導体装置の製造方法を発明した。

上記半導体装置およびその製造方法は、低有害、安全性等の環境要求に対応した錫（Ｓｎ）基はんだを用いた半導体装置およびその製造方法であって、はんだ付け条件の管理が容易で、低コストで製造できる半導体装置およびその製造方法である。尚、上記発明については、すでに特許出願済み（出願番号２００４−３６８１１４）である。

本発明は、低有害、安全性等の環境要求に対応した錫（Ｓｎ）基はんだを用いた半導体装置およびその製造方法であって、上記特許出願された半導体装置およびその製造方法に較べて簡単な層構造を有し、さらに低コストで製造できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、半導体基板の表面に、錫（Ｓｎ）基はんだ層が形成されてなる半導体装置であって、前記半導体基板を構成するシリコン（Ｓｉ）原子と前記Ｓｎ基はんだ層を構成する錫（Ｓｎ）原子とが結合して、前記半導体基板と前記Ｓｎ基はんだ層の界面が形成されてなることを特徴としている。

上記半導体装置におけるＳｎ基はんだ層は、後述するように、低有害、安全性等の環境要求に対応した錫（Ｓｎ）基はんだを用いて形成される層である。上記半導体装置では、半導体基板を構成するＳｉ原子とＳｎ基はんだ層を構成するＳｎ原子とが直接結合して、半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面が形成されており、半導体基板とＳｎ基はんだ層の間に他の金属層が介在していない。このため、上記半導体装置は、半導体基板とＳｎ基はんだ層の間に他の金属層が介在する半導体装置に較べて簡単な層構造を有しており、これによって、安価な半導体装置とすることができる。

請求項２に記載のように、上記半導体装置における前記半導体基板は、シリコン（Ｓｉ）基板または炭化珪素（ＳｉＣ）基板とすることができる。特に、請求項３に記載のように、前記半導体基板は、Ｓｉ基板が好適である。Ｓｉ基板は、前記界面においてＳｎ原子と直接結合するＳｉ原子の数がＳｉＣ基板に較べて多くなるため、高い接合強度を確保することができる。

請求項４に記載のように、上記半導体装置における前記Ｓｎ基はんだ層は、鉛（Ｐｂ）の含有率が０．１ｗｔ％以下である、Ｐｂフリーはんだ層であることが好ましい。

これによれば、有害物質であるＰｂの含有率が、Ｓｎ基はんだ層において０．１ｗｔ％以下に抑えられているため、当該半導体装置を低有害、安全性等の環境要求に対応させることができる。また、Ｓｎ基はんだ層におけるＰｂの含有率を０．１ｗｔ％以下に設定することで、半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面における接合強度が増大し、界面での破壊確率を低減することができる。

請求項５に記載のように、前記Ｓｎ基はんだ層における錫（Ｓｎ）の含有率は、９５ｗｔ％以上が好適である。また、請求項６に記載のように、前記Ｓｎ基はんだ層として、錫（Ｓｎ）、錫−銅合金（Ｓｎ− Ｃｕ）、錫−銀合金（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−銅合金（Ｓｎ−Ａｇ− Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル合金（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−アンチモン合金（Ｓｎ−Ｓｂ）、錫−インジウム合金（Ｓｎ−Ｉｎ）および錫−亜鉛合金（Ｓｎ−Ｚｎ）のいずれかを主成分とした材料組成が好適である。中でも特に、請求項７に記載のように、純Ｓｎ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ、Ｓｎ−（３．５ｗｔ％）Ａｇ、Ｓｎ−（１ｗｔ％以上、３．９ｗｔ％以下）Ａｇ−（０．３ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下）Ｃｕ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ−（０．０６ｗｔ％）Ｎｉのいずれかを主成分組成とした材料を好適に用いることができる。これらの材料が主成分組成であれば、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの微量の添加物を加えたものであっても同様な効果が得られる事を確認している。

請求項８に記載のように、上記半導体装置においては、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）および銀（Ａｇ）から選択される少なくとも一つの金属と錫（Ｓｎ）の合金からなる析出物が、前記半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面に、または前記Ｓｎ基はんだ層内に、存在していてもよい。

後述する製造方法においては、熱処理前の半導体基板の表面に、一時的に、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなる金属層を存在させる。前記金属は、Ｓｎ基はんだ中に拡散してＳｎと合金を形成しうる金属であり、前記金属層は、半導体基板の表面酸化防止のために形成される層である。前記金属層は、はんだ付け等の熱処理によって、錫（Ｓｎ）基はんだ中に拡散して消滅させる。上記析出物は、前記金属層の金属が熱処理によってＳｎ基はんだ中に拡散してＳｎとの合金を形成した、熱処理後における反応生成物である。

後述する製造方法において熱処理前に一時的に存在させる金属層は、特に、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなることが好ましい。従って、この場合には、請求項９に記載のように、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属とＳｎの合金からなる析出物が、前記半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面に、または前記Ｓｎ基はんだ層内に、存在することとなる。

請求項１０に記載のように、上記半導体装置は、例えば、前記Ｓｎ基はんだ層が、前記半導体基板の素子形成領域と反対の裏面側に形成されてなり、当該Ｓｎ基はんだ層を介して、前記半導体装置が、基材にはんだ付け接合される場合に好適である。

請求項１１〜２３に記載の発明は、上記した半導体装置の製造方法に関する発明である。

請求項１１に記載の発明は、半導体基板の表面に、錫（Ｓｎ）基はんだ層が形成されてなり、前記半導体基板を構成するシリコン（Ｓｉ）原子と前記Ｓｎ基はんだ層を構成する錫（Ｓｎ）原子とが結合して、前記半導体基板と前記Ｓｎ基はんだ層の界面が形成されてなる半導体装置の製造方法であって、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）および銀（Ａｇ）から選択される少なくとも一つの金属からなる金属層を、熱処理前に前記半導体基板の表面に一時的に存在させる金属層形成工程と、前記金属層上に、前記Ｓｎ基はんだ層となるＳｎ基はんだを積層するはんだ積層工程と、前記Ｓｎ基はんだが積層された半導体基板を熱処理することにより、前記金属層の金属をＳｎ基はんだ中に拡散させて金属層を消滅させ、前記半導体基板の表面に、前記Ｓｎ基はんだ層を形成すると共に、半導体基板を構成するＳｉ原子とＳｎ基はんだ層を構成するＳｎ原子とを結合させて、半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面を形成する熱処理工程とを有することを特徴としている。

上記半導体装置の製造方法において、前記金属層を構成する金属としてＡｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属を用いる理由は、前述したように、これらの金属がＳｎと合金を形成しうるからである。また、前記金属層を形成することで、熱処理前における半導体基板の表面酸化の進展を抑制することができる。

上記半導体装置の製造方法においては、低有害、安全性等の環境要求に対応できる、錫（Ｓｎ）基はんだを用いている。また上記製造方法は、半導体基板を構成するＳｉ原子に対して、Ｓｎ基はんだを構成するＳｎ原子を直接結合させるものであり、熱処理前には、半導体基板とＳｎ基はんだの間に、一層の前記金属層を介在させるだけである。このため、上記製造方法は、半導体基板とＳｎ基はんだの間に多層の金属層を介在させる製造方法に較べて、工程数を低減することができ、低コストで製造できる半導体装置の製造方法となっている。また、前記金属層は、熱処理によってＳｎ基はんだ中に拡散して消滅する。このため、金属層の膜厚やはんだ付け条件の管理が容易であり、これによっても、低コストで製造できる半導体装置の製造方法となっている。

請求項１２に記載のように、前記金属層は、特に、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなることが好ましい。これらの金属は、Ｓｎとの合金を容易に形成しうると共に、当該金属自身が酸化され難いためである。

上記半導体装置の製造方法においは、請求項１３に記載のように、前記金属層形成工程において、前記金属層を、７５０ｎｍ以下の厚さに形成することが好ましい。

熱処理前の金属層を上記厚さに設定することで、熱処理工程において、当該金属層の金属をＳｎ基はんだ中に拡散させ、当該金属層を容易に消滅させることができる。

上記半導体装置の製造方法においは、請求項１４に記載のように、前記金属層形成工程において、前記金属層を、３０ｎｍ以上の厚さに形成することが好ましい。

熱処理前の金属層を上記厚さに設定することで、熱処理前における当該金属層による半導体基板の表面酸化の抑制効果を十分に確保することができる。

また、請求項１５に記載のように、上記半導体装置の製造方法では、前記金属層形成工程前において、前記半導体基板の表面に形成された自然酸化膜を除去する、自然酸化膜除去工程を有することが好ましい。これにより、金属層の形成前に半導体基板の表面に形成されている自然酸化膜を確実に除去しておくことで、半導体基板とＳｎ基はんだ層の接合も確実なものとなり、熱処理後に良好な接合強度を得ることができる。

前記自然酸化膜除去工程は、例えば請求項１６に記載のように、安価なフッ酸洗浄による自然酸化膜除去工程であることが好ましいが、ドライエッチング等を用いたものであってもよい。

請求項１７〜２３に記載の製造方法により製造される半導体装置の作用効果については、前述したとおりであり、その説明は省略する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ）は、本発明の半導体装置１０の模式的な断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す半導体装置１０の一実施例で、半導体基板１と錫（Ｓｎ）基はんだ層１Ｓの界面付近に関する断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）観察像である。また、図１（ｃ）は、図１（ｂ）における白の一点鎖線で囲った部分の拡大像である。

図１（ａ）に示す半導体装置１０は、半導体基板１の表面に、錫（Ｓｎ）を主成分とするＳｎ基はんだ層１Ｓが形成されてなる半導体装置である。半導体装置１０における半導体基板１は、後述するように、シリコン（Ｓｉ）基板であることが好ましいが、炭化珪素（ＳｉＣ）基板であってもよい。図１（ａ）の半導体装置１０は、Ｓｎ基はんだ層１Ｓが、半導体基板１の素子形成領域と反対の裏面側に形成されており、Ｓｎ基はんだ層１Ｓを介して、ヒートシンクやリードフレームあるいは配線基板等の基材２にはんだ付け接合されている。

図１（ｂ），（ｃ）のＳＥＭ像に示すように、図１（ａ）の半導体装置１０における半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面の大部分は、他の金属層が介在することなく、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓが直接接合している。界面の断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察像（図示省略）によれば、図１（ｂ），（ｃ）に示す界面では、半導体基板１を構成するシリコン（Ｓｉ）原子とＳｎ基はんだ層１Ｓを構成する錫（Ｓｎ）原子とが結合して、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面が形成されている。

図１（ａ）の半導体装置１０におけるＳｎ基はんだ層１Ｓは、後述するように、低有害、安全性等の環境要求に対応した錫（Ｓｎ）基はんだを用いて形成される層である。半導体装置１０では、主として、半導体基板１を構成するＳｉ原子とＳｎ基はんだ層１Ｓを構成するＳｎ原子とが直接結合して、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面が形成されており、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの間に他の金属層が介在していない。このため、図１（ａ）の半導体装置１０は、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの間に他の金属層が介在する半導体装置に較べて単純な層構造を有しており、これによって、安価な半導体装置とすることができる。

前述したように、図１（ａ）の半導体装置１０における半導体基板１は、シリコン（Ｓｉ）基板または炭化珪素（ＳｉＣ）基板とすることができる。特に、半導体基板１は、Ｓｉ基板が好適である。Ｓｉ基板は、Ｓｎ基はんだ層１Ｓとの界面においてＳｎ原子と直接結合するＳｉ原子の数がＳｉＣ基板に較べて多くなるため、高い接合強度を確保することができる。

図１（ａ）の半導体装置１０におけるＳｎ基はんだ層１Ｓは、鉛（Ｐｂ）の含有率が０．１ｗｔ％以下である、Ｐｂフリーはんだ層であることが好ましい。この場合には、有害物質であるＰｂの含有率が、Ｓｎ基はんだ層において０．１ｗｔ％以下に抑えられているため、当該半導体装置を、低有害、安全性等の環境要求に対応させることができる。

図２は、半導体装置１０におけるＳｎ基はんだ層１Ｓとして、Ｐｂの含有率が３７ｗｔ％であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ層を用いた場合とＰｂフリーはんだ層を用いた場合とで、引張強度試験を行って破断箇所を調査し、界面での破壊確率を比較した結果である。

図２に示すように、半導体装置１０の引張強度試験を行うと、Ｓｎ基はんだ層１ＳとしてＰｂの含有率が高い（６３ｗｔ％）Ｓｎ−（３７％）Ｐｂ共晶はんだ層を用いた場合には、８０％程度の試料において半導体基板１との界面で剥離破壊が生じた。一方、Ｓｎ基はんだ層１ＳとしてＰｂの含有率が０．１ｗｔ％以下であるＰｂフリーはんだ層を用いた場合には、引張強度試験の結果、いずれも半導体基板１内で破壊し、界面での剥離破壊は見られなかった。これより、Ｓｎ基はんだ層１ＳにおけるＰｂの存在は、半導体基板１のＳｉとの結合を阻害すると考えられる。

以上のようにして、Ｓｎ基はんだ層におけるＰｂの含有率を０．１ｗｔ％以下に設定することで、環境面における安全性が高められると共に、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１ｓの界面における接合強度が増大し、界面での破壊確率を低減することができる。

図１（ａ）の半導体装置１０におけるＳｎ基はんだ層１Ｓにおける錫（Ｓｎ）の含有率は、９５ｗｔ％以上が好適である。また、Ｓｎ基はんだ層１Ｓとして、錫（Ｓｎ）、錫−銅合金（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銀合金（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−銅合金（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル合金（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−アンチモン合金（Ｓｎ−Ｓｂ）、錫−インジウム合金（Ｓｎ−Ｉｎ）および錫−亜鉛合金（Ｓｎ−Ｚｎ）のいずれかを主成分とした材料組成が好適である。中でも特に、純Ｓｎ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ、Ｓｎ−（３．５ｗｔ％）Ａｇ、Ｓｎ−（１ｗｔ％以上、３．９ｗｔ％以下）Ａｇ−（０．３ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下）Ｃｕ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ−（０．０６ｗｔ％）Ｎｉのいずれかを主成分組成とした材料を好適に用いることができる。これらの材料が主成分組成であれば、リン（Ｐ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの微量の添加物を加えたものであってもよい。

図１（ａ）に示すように、本発明の半導体装置１０においては、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）および銀（Ａｇ）から選択される少なくとも一つの金属と錫（Ｓｎ）の合金からなる析出物ＳＭが、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面に、またはＳｎ基はんだ層１Ｓ内に、存在していてもよい。図１（ｂ），（ｃ）のＳＥＭ像においては、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面およびＳｎ基はんだ層１Ｓ内に、Ａｕ−Ｓｎ合金からなる析出物ＳＭが観察される。

後述する図１（ａ）の半導体装置１０の製造方法においては、図３（ａ），（ｂ）に示すように、熱処理前の半導体基板１の表面に、一時的に、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなる金属層１Ｍを存在させる。前記金属は、Ｓｎ基はんだ中に拡散してＳｎと合金を形成しうる金属であり、図３（ａ），（ｂ）に示す金属層１Ｍは、半導体基板１の表面酸化防止のために形成される層である。金属層１Ｍは、はんだ付け等の熱処理によって、図３（ｃ）に示すように、錫（Ｓｎ）基はんだＳ中に拡散して消滅させる。図１（ａ）に示す析出物ＳＭは、金属層１Ｍの金属が熱処理によってＳｎ基はんだＳ中に拡散してＳｎとの合金を形成した、熱処理後における反応生成物である。

後述する製造方法において熱処理前に一時的に存在させる金属層１Ｍは、特に、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなることが好ましい。従って、この場合には、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属とＳｎの合金からなる析出物ＳＭが、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面に、またはＳｎ基はんだ層１Ｓ内に、存在することとなる。

次に、図１（ａ）に示す半導体装置１０の製造方法を説明する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、半導体装置１０の製造方法を示す、工程別断面図である。

最初に、Ｓｉからなる半導体基板１を準備し、自然酸化膜を除去するために、半導体基板１の素子形成領域と反対の裏面側をフッ酸にて洗浄する。このように、半導体基板１の表面に形成されている自然酸化膜を確実に除去しておくことで、以下に示す半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの接合が確実なものとなり、熱処理後に良好な接合強度を得ることができる。この自然酸化膜除去工程は、上記のように安価なフッ酸洗浄による自然酸化膜除去工程であることが好ましいが、ドライエッチング等を用いたものであってもよい。

次に、図３（ａ）に示すように、半導体基板１の裏面側表面に、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）および銀（Ａｇ）から選択される少なくとも一つの金属からなる金属層１Ｍを形成し、金属層１Ｍを熱処理前に半導体基板１の表面に一時的に存在させる。

金属層１Ｍを構成する金属としてＡｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属を用いる理由は、前述したように、これらの金属がＳｎと合金を形成しうるからである。また、金属層１Ｍを形成することで、熱処理前における半導体基板１の表面酸化の進展を抑制することができる。金属層１Ｍは、特に、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなることが好ましい。これらの金属は、Ｓｎとの合金を容易に形成しうると共に、当該金属自身が酸化され難いためである。

金属層１Ｍは、３０ｎｍ以上の厚さに形成することが好ましい。熱処理前の金属層１Ｍを上記厚さに設定することで、熱処理前における金属層１Ｍによる半導体基板１の表面酸化の抑制効果を十分に確保することができる。また、金属層１Ｍは、７５０ｎｍ以下の厚さに形成することが好ましい。熱処理前の金属層１Ｍを上記厚さに設定することで、後述する図３（ｃ）の熱処理工程において、金属層１Ｍの金属をＳｎ基はんだＳ中に拡散させ、金属層１Ｍを容易に消滅させることができる。

例えば、５．０×１０^−４Ｐａ程度の圧力下で成膜して、膜厚２５０ｎｍのＡｕからなる金属層１Ｍを形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、金属層１Ｍ上に、図１（ａ）のＳｎ基はんだ層１ＳとなるＳｎ基はんだＳを積層した後、積層体９のＳｎ基はんだＳが半導体基板１と基材２の間に介在するようにして、積層体９を基材２上の所定位置に配置する。尚、最初に基材２上の所定位置にＳｎ基はんだＳを供給しておき、次に半導体基板１上に形成された金属層１Ｍを基材２上のＳｎ基はんだＳ上に重ねるようにして、金属層１Ｍ上にＳｎ基はんだＳが積層されるようにしてもよい。

例えば、金属からなる基材２上に、（９９．２４ｗｔ％）Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ−（０．０６ｗｔ％）ＮｉからなるＳｎ基はんだＳを介在させる。

次に、図３（ｃ）に示すように、Ｓｎ基はんだＳが積層された半導体基板１を熱処理することにより、金属層１Ｍの金属をＳｎ基はんだＳ中に拡散させて金属層１Ｍを消滅させ、半導体基板１の表面に、Ｓｎ基はんだ層１Ｓを形成すると共に、半導体基板１を構成するＳｉ原子とＳｎ基はんだ層１Ｓを構成するＳｎ原子とを結合させて、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１の界面を形成する。この熱処理によって、Ｓｎ基はんだ層１Ｓと基材２も同時に接合させる。

例えば、図３（ｂ）に示す積層体を水素還元雰囲気炉に入れ、上記Ｓｎ基はんだＳの固相線温度（約２２０℃）以上のピーク温度２７０℃で約２０秒間加熱して熱処理する。これによって、Ｓｎ基はんだＳをリフローさせ、Ｓｎ基はんだ層１Ｓを介して、半導体基板１と基材２を接合する。

尚、熱処理前の半導体基板１の表面に一時的に形成した金属層１Ｍの金属は、Ｓｎ基はんだＳ中に拡散して、Ｓｎとの合金を形成する。その結果、熱処理後の反応生成物である析出物ＳＭが、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面およびＳｎ基はんだ層１Ｓ内に析出する。また、金属層１Ｍを形成しないで半導体基板１上にＳｎ基はんだＳを直接積層した試料については、多くの試料で、熱処理後に剥がれが発生した。これは、製造途中で半導体基板１の表面に、再び自然酸化膜が形成されたためと考えられる。

以上のようにして、図１（ａ）に示す半導体装置１０が製造される。

上記半導体装置１０の製造方法においては、低有害、安全性等の環境要求に対応できる、錫（Ｓｎ）基はんだＳを用いている。また上記製造方法は、半導体基板１を構成するＳｉ原子に対して、Ｓｎ基はんだＳを構成するＳｎ原子を直接結合させるものであり、熱処理前には、半導体基板１とＳｎ基はんだＳの間に、一層の金属層１Ｍを介在させるだけである。このため、上記製造方法は、半導体基板１とＳｎ基はんだＳの間に多層の金属層を介在させる製造方法に較べて、工程数を低減することができ、低コストで製造できる半導体装置の製造方法となっている。また、金属層１Ｍは、熱処理によってＳｎ基はんだＳ中に拡散して消滅する。このため、金属層１Ｍの膜厚やはんだ付け条件の管理が容易であり、これによっても、低コストで製造できる半導体装置の製造方法となっている。

以上示したように、上記半導体装置およびその製造方法は、低有害、安全性等の環境要求に対応した錫（Ｓｎ）基はんだを用いた半導体装置およびその製造方法であって、簡単な層構造を有し、低コストで製造できる半導体装置およびその製造方法となっている。

（ａ）は、本発明の半導体装置１０の模式的な断面図である。（ｂ）は、（ａ）に示す半導体装置１０の一実施例で、半導体基板１とＳｎ基はんだ層１Ｓの界面付近に関する断面ＳＥＭ観察像である。（ｃ）は、（ｂ）における白の一点鎖線で囲った部分の拡大像である。 半導体装置１０におけるＳｎ基はんだ層１Ｓとして、Ｐｂの含有率が３７ｗｔ％であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ層を用いた場合とＰｂフリーはんだ層を用いた場合とで、界面での破壊確率を比較した結果である。 （ａ）〜（ｃ）は、半導体装置１０の製造方法を示す、工程別断面図である。

符号の説明

１０ 半導体装置
１ 半導体基板
１Ｓ Ｓｎ基はんだ層
Ｓ Ｓｎ基はんだ
２ 基材
ＳＭ 析出物

Claims (23)

1. 半導体基板の表面に、錫（Ｓｎ）基はんだ層が形成されてなる半導体装置であって、
   前記半導体基板を構成するシリコン（Ｓｉ）原子と前記Ｓｎ基はんだ層を構成する錫（Ｓｎ）原子とが結合して、前記半導体基板と前記Ｓｎ基はんだ層の界面が形成されてなることを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体基板が、シリコン（Ｓｉ）基板または炭化珪素（ＳｉＣ）基板であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体基板が、Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記Ｓｎ基はんだ層が、鉛（Ｐｂ）の含有率が０．１ｗｔ％以下である、Ｐｂフリーはんだ層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記Ｓｎ基はんだ層における錫（Ｓｎ）の含有率が、９５ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記Ｓｎ基はんだ層が、錫（Ｓｎ）、錫−銅合金（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銀合金（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−銅合金（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル合金（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−アンチモン合金（Ｓｎ−Ｓｂ）、錫−インジウム合金（Ｓｎ−Ｉｎ）および錫−亜鉛合金（Ｓｎ−Ｚｎ）のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記Ｓｎ基はんだ層が、純Ｓｎ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ、Ｓｎ−（３．５ｗｔ％）Ａｇ、Ｓｎ−（１ｗｔ％以上、３．９ｗｔ％以下）Ａｇ−（０．３ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下）Ｃｕ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ−（０．０６ｗｔ％）Ｎｉのいずれかからなることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）および銀（Ａｇ）から選択される少なくとも一つの金属と錫（Ｓｎ）の合金からなる析出物が、前記半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面に、または前記Ｓｎ基はんだ層内に、存在することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属とＳｎの合金からなる析出物が、前記半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面に、または前記Ｓｎ基はんだ層内に、存在することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記Ｓｎ基はんだ層が、前記半導体基板の素子形成領域と反対の裏面側に形成されてなり、
    当該Ｓｎ基はんだ層を介して、
    前記半導体装置が、基材にはんだ付け接合されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. 半導体基板の表面に、錫（Ｓｎ）基はんだ層が形成されてなり、前記半導体基板を構成するシリコン（Ｓｉ）原子と前記Ｓｎ基はんだ層を構成する錫（Ｓｎ）原子とが結合して、前記半導体基板と前記Ｓｎ基はんだ層の界面が形成されてなる半導体装置の製造方法であって、
    金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）および銀（Ａｇ）から選択される少なくとも一つの金属からなる金属層を、熱処理前に前記半導体基板の表面に一時的に存在させる金属層形成工程と、
    前記金属層上に、前記Ｓｎ基はんだ層となるＳｎ基はんだを積層するはんだ積層工程と、
    前記Ｓｎ基はんだが積層された半導体基板を熱処理することにより、前記金属層の金属をＳｎ基はんだ中に拡散させて金属層を消滅させ、
    前記半導体基板の表面に、前記Ｓｎ基はんだ層を形成すると共に、半導体基板を構成するＳｉ原子とＳｎ基はんだ層を構成するＳｎ原子とを結合させて、半導体基板とＳｎ基はんだ層の界面を形成する熱処理工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 前記金属層が、Ａｕ、ＰｔおよびＡｇから選択される少なくとも一つの金属からなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記金属層形成工程において、前記金属層を、７５０ｎｍ以下の厚さに形成することを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記金属層形成工程において、前記金属層を、３０ｎｍ以上の厚さに形成することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記金属層形成工程前において、前記半導体基板の表面に形成された自然酸化膜を除去する、自然酸化膜除去工程を有することを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
16. 前記自然酸化膜除去工程が、フッ酸洗浄による自然酸化膜除去工程であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記半導体基板が、シリコン（Ｓｉ）基板または炭化珪素（ＳｉＣ）基板であることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
18. 前記半導体基板が、Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
19. 前記Ｓｎ基はんだが、鉛（Ｐｂ）の含有率が０．１ｗｔ％以下である、Ｐｂフリーはんだであることを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
20. 前記Ｓｎ基はんだにおける錫（Ｓｎ）の含有率が、９５ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
21. 前記Ｓｎ基はんだが、錫（Ｓｎ）、錫−銅合金（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銀合金（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−銅合金（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル合金（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−アンチモン合金（Ｓｎ−Ｓｂ）、錫−インジウム合金（Ｓｎ−Ｉｎ）および錫−亜鉛合金（Ｓｎ−Ｚｎ）のいずれかからなることを特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
22. 前記Ｓｎ基はんだ層が、純Ｓｎ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ、Ｓｎ−（３．５ｗｔ％）Ａｇ、Ｓｎ−（１ｗｔ％以上、３．９ｗｔ％以下）Ａｇ−（０．３ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下）Ｃｕ、Ｓｎ−（０．７ｗｔ％）Ｃｕ−（０．０６ｗｔ％）Ｎｉのいずれかからなることを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置の製造方法。
23. 前記Ｓｎ基はんだ層を、前記半導体基板の素子形成領域と反対の裏面側に形成し、
    前記Ｓｎ基はんだ層を介して、前記半導体装置を基材にはんだ付け接合する、裏面はんだ付け工程を有することを特徴とする請求項１１乃至２２のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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