JP2008244242A - 半導体装置、その製造方法、複合金属体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置のＮｉ又はＣｕ電極と、Ｃｕ粒子を接合の主剤とする接合材との接合部の接合信頼性を向上すること。
【解決手段】半導体素子と、ＣｕまたはＮｉ電極がＣｕで構成された接合層を介して接続され、前記Ｃｕ接合層と前記ＣｕまたはＮｉ電極とが相互拡散接合している構造を備えた半導体装置。上記接合層は、平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍのＣｕ酸化物粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料により、還元雰囲気中において接合を行うことで形成され、Ｎｉ又はＣｕ電極に対して優れた接合強度が得ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、粒径が１〜１００ｎｍの金属粒子を接合の主剤とする接合材を用いた半導体装置、その製造方法、その半導体装置を用いた電力変換装置、その電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車等に係り、また、その接合材を使用して接合が行われた複合金属体及びその製造方法等に関する。
金属粒子の粒径が１００ｎｍ以下のサイズまで小さくなり構成原子数が少なくなると、粒子の体積に対する表面積比は急激に増大し、融点や焼結温度がバルクの状態に比較して大幅に低下することが知られている。この低温焼成機能を利用して、粒径が１〜１００ｎｍの金属粒子を接合材として用いることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子からなる核の周囲に有機物よりなる皮膜を施した接合材料を用いて、加熱により有機物を分解させて金属粒子同士を焼結させることで接合を行うことが記載されている。本接合方法では、接合後の金属粒子はバルク金属へと変化すると同時に接合界面では金属結合により接合されているため、非常に高い耐熱性と信頼性及び高放熱性を有する。また、電子部品等の接続において、はんだの鉛フリー対応が迫られているが、高温はんだに関してはその代替となる材料が出ていない。電子部品等の実装においては階層はんだを用いることが必要不可欠なため、この高温はんだに代わる材料の出現が望まれている。従って、本接合技術はこの高温はんだに代わる材料としても期待されている。
特開２００４−１０７７２８号公報
特許文献１に記載の平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を接合の主剤として用いた接合材料について、本発明者らが検討した。その結果、被接合部材としてＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ等の相手電極に対しては良好な接合強度が得られるものの、半導体実装で多く適用されているＣｕ，Ｎｉに対しては十分な接合強度が得られないことが判明した。
図９に各電極材に対して行った接合強度評価結果を示す。接合温度を２５０℃、加圧１．０ＭＰａ一定とし、接合材料として、アミン系有機材料を被膜した平均粒径１０ｎｍ銀粒子を用いて、大気中でＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｎｉ及びＣｕ電極への接合を行った。
図９の縦軸はせん断強度を示し、Ａｇ電極の値で規格化したものである。この結果、大気中での接合では、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ電極に対しては良好な接合強度が得られているが、Ｎｉ，Ｃｕ電極に対しては十分な接合強度が得られないことが判った。
特許文献１に記載の超微粒子に被膜として形成されている有機材料は大気中の加熱でのみ消失する材料であり、酸化されにくい電極に対しては有効であるが、酸化されやすいＣｕ，Ｎｉの接合には適さないと考えられる。
特許文献１記載の方法（金属核としてＣｕを用い、この核をアミン化合物で被覆した接合材を用い、大気中加熱した）による接合面を顕微鏡観察すると、図１０に示すように、純銅焼結層とＮｉ電極との間に酸化ニッケル層が形成され、そのために接合強度が低いと考えられる。また、上記接合材を用いたＣｕ電極（下地層）と純銅焼結層との接合界面を観察すると、図１１に示すように、接合界面に酸化銅層が形成されている。このために、接合強度が低いと考えられる。
半導体装置を構成する電子部品を、金属超微粒子を接合の主剤とした接合材を用いて接合する場合には、電気的導通を確保することが必要になる。また、接合材には熱ひずみの緩和，熱伝導性も要求される。さらに半導体装置の分野で最も多く用いられているＮｉ，Ｃｕ電極に対しても良好な接合ができなければならない。
本発明は、半導体装置のＡｇ，Ａｕ，Ｎｉ、Ｃｕ又はそれらの合金からなる群から選ばれた材料よりなる電極と、Ｃｕ粒子を接合の主剤とする接合材との接合部の接合信頼性が向上し、これを利用した半導体装置、その製造方法、複合金属体及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明者らが鋭意検討した結果、Ｃｕ粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅（ＣｕＯ）粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料により、還元雰囲気中において接合を行うことでＡｇ，Ａｕ，Ｎｉ、Ｃｕ及びそれらの合金からなる群から選ばれた金属に対して優れた接合強度が得ることができることを見出した。
本発明は、半導体素子と、その電極又は配線層料或いはそれらの表面に形成された被覆層であるＡｇ，Ａｕ，ＣｕまたはＮｉが、Ｃｕの焼成層で構成された接合層を介して接続された半導体装置であって、前記接合層と前記ＣｕまたはＮｉ電極とが相互拡散接合している構造を備えた半導体装置を特徴とする。
また、半導体素子の電極と前記半導体素子の電気信号を外部に取り出すための配線を接合した半導体装置の製造方法であって、前記半導体素子の電極、または、前記配線の少なくと一方がＡｇ，Ａｕ，ＣｕまたはＮｉあるいはそれらの合金で構成され、平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料により、還元雰囲気下で加熱により前記電極と配線とを接合する工程を有する半導体装置の製造方法を提供するものである。
本発明により、半導体装置のＡｇ，Ａｕ，Ｎｉ、Ｃｕ及びそれらの合金からなる群から選ばれた材料よりなる電極及び／または配線層と、Ｃｕ粒子の焼成層を接合の主剤とする接合材との接合部の接合信頼性を向上することができる。特に本発明は、極めて低温における加熱によっても、上記接合部を得ることができるという効果がある。本発明は、特に電力変換装置やそれを用いたハイブリッド自動車、その他の電源回路等に適用可能である
本発明において、前記接合層は酸化第２銅（ＣｕＯ）から生成したＣｕ微粒子の焼成層であることが好ましい。また、前記接合層のＣｕ粒子径は前記電極の金属粒子径よりも著しく小さいことが好ましい。前記接合層と前記電極との境界に酸化物層が実質的に存在しないことが好ましく、これにより高い接合強度が維持される。更に、このことは、前記接合層の熱伝導率が５０乃至４３０Ｗ／ｍＫ程度であり、これにより熱放散性のよい半導体装置を実現するのに好ましい。前記電極は現在半導体装置の分野で最も多く用いられるＣｕ又はＮｉを用いるのが好ましい。本発明でもこれらの金属により形成した電極又は配線層を用いるのが好ましい。
前記接合層は、平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料を還元雰囲気下で加熱することで得られる焼成層からなることが好ましい。上記接合材に有機溶剤を添加して構成したペーストは、被接合部に接合材を塗布又は注入するのに適している。
また、本発明は、セラミック絶縁基板と、該セラミック絶縁基板に接合され両面に配線層を有する配線基板と、前記配線基板の一方の面に接続された半導体素子と、前記配線基板の他方の面に接続された支持部材とを有し、前記半導体素子と接続される前記配線層上に形成されたＮｉ又はＣｕで構成された被覆層と、前記半導体素子が、Ｃｕからなる金属粒子の結合層を介して接合され、前記結合層と前記配線層の被覆層とが相互拡散接合している半導体装置を提供する。
更に、本発明は、半導体素子と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた材料よりなる電極と、前記半導体素子と該電極との接合面に酸化第２銅と有機物からなる還元剤との接合材を塗布し、該接合材を含む接合面を還元雰囲気中で加熱し、純Ｃｕで構成されたＣｕ接合層と、前記Ｃｕ接合層のＣｕが前記電極の金属原子とが相互拡散して前記電極とＣｕ接合層とを接合する半導体装置の製造方法を提供する。上記方法において、加熱温度は５０〜５００℃、特に８０から２５０℃が好ましい。
本発明によれば、セラミック絶縁基板と、該セラミック絶縁基板に接合され両面に配線層を有する配線基板と、前記配線基板の一方の面に接続された半導体素子と、前記配線基板の他方の面に接続された支持部材とを有し、前記半導体素子と接続される前記配線層上に形成されたＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ，Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた金属で構成された被覆層の表面に、酸化第２銅粒子と有機物からなる還元剤を含む接合材を塗布し、これを還元雰囲気下で加熱して、Ｃｕの微粒子からなるＣｕ結合層を形成し、前記Ｃｕ結合層と前記配線層の被覆層とを相互拡散接合させる半導体装置の製造方法が提供される。
本発明は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた金属材とＣｕ焼成層とが、上記被覆層の金属粒子よりも微細なＣｕ粒子により接合している複合金属体を提供する。本発明は、半導体装置の製造のほか、Ｃｕ金属層を低温で金属上に形成した複合金属体を提供する。これは、金属のメタライスなどに適用することができる。更に、一対の金属母材の表面に、前記接合材を塗布又は載置して、還元雰囲気中で該接合材及び金属母材を加熱する複合金属体の製造方法を提供することができる。
更に本発明は、半導体素子の電極または前記半導体素子の電気信号を外部に取り出すための配線の少なくとも一方がＣｕまたはＮｉで構成され、前記半導体素子の電極と前記配線とを接合する半導体装置の製造方法であって、平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料を前記半導体素子と前記配線との接合面に付与し、前記接合材料を還元雰囲気下で加熱、焼成し、前記電極と前記配線とをＣｕ焼成層を介して接合する工程を有する半導体装置の製造方法を提供することができる。前記電極と配線とを接合する工程において、０．０１乃至５ＭＰａの加圧と、５０乃至５００℃に加熱を加えることが好ましい。
前記電極と配線とを接合する工程において、前記Ｃｕ酸化物粒子を加熱してＣｕ粒子を生成させ、これを焼成して、前記焼成層のＣｕを対向する電極又は配線層の金属と相互拡散させることが好ましい。
前記有機物からなる還元剤がアルコール類，カルボン酸類，アミン類から選ばれた１種または２種以上の混合物であることが好ましい。前記加熱により前記Ｃｕ粒子前駆体を還元させて平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子からなる焼成層を生成させる工程を含むことが好ましい。
本発明は、Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ、Ｃｕ及びそれらの合金からなる群から選択された電極または配線層あるいはそれらの接合表面に形成された被覆層と酸化第２銅粒子含有接合材が還元雰囲気でＣｕ焼成層を形成し、かつ前記電極または配線層あるいは被覆層とＣｕ接合層とが相互拡散により強固に結合するという発見に基づくものである。これに対し酸化第１銅（Ｃｕ２Ｏ）粒子と有機物からなる還元剤との混合物である接合材を用いても、相手材との相互拡散接合は起こらず、酸化第２銅粒子を用いたときのような効果が全く得られないことを確認した。このように、酸化第１銅と酸化第２銅は、有機物からなる還元剤の存在下において、全く異なった挙動を示すという点で、極めて重要な技術的知見である。
以下、本発明について詳細に説明する。特許文献１記載の従来の平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子例えば銀粒子を接合の主剤とする接合材料を用いた接合では、接合時にＮｉ又はＣｕ電極表面に酸化物層が形成されていることが判明した。この酸化物層が接合強度を低下させる要因であると考えられる。これに対して、本発明者らが鋭意検討した結果、特定の接合材を用いて還元雰囲気中において接合を行うことにより、Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ、Ｃｕ又はそれらの合金からなる電極又は配線層等に対しても優れた接合強度が得られることを見出した。すなわち、Ｃｕ粒子の前駆体である平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅（ＣｕＯ）粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料により、還元雰囲気中において接合を行うことでＮｉ又はＣｕ電極に対して優れた接合強度を得ることができる。
本接合は、Ｃｕ粒子前駆体（ＣｕＯ）に対して有機物からなる還元剤を添加することによって、Ｃｕ粒子前駆体単体を加熱分解するよりも低温でＣｕ粒子前駆体が還元され、その際に平均粒径が１００ｎｍ以下のＣｕ微粒子が生成し、かつＣｕ粒子同士が相互に融合して焼成層が形成され、それにより接合が行われるという現象を利用している。酸化第２銅粒子は還元剤の存在下では、２００℃以下で１００ｎｍ以下の金属粒子が形成され始めることから、従来困難であった２００℃以下の低温でも接合を達成することが可能である。
また、接合中においてその場で粒径が１００ｎｍ以下のＣｕ粒子が作成されるため、有機物で表面を保護した金属粒子の作製が不要であり、接合用材料の製造，接合プロセスの簡易化，接合材料の大幅なコストダウンを達成することが可能である。また、還元雰囲気での接合ならびに還元剤の還元作用によりＮｉ又はＣｕ電極の酸化物層の形成が抑制され、Ｎｉ又はＣｕ電極または配線層とＣｕ粒子との強固な金属結合を達成することができる。
１００ｎｍ以下のＣｕ粒子を作製するために、本発明においては、平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍのＣｕ粒子前駆体（酸化第２銅粒子）を用いる。酸化第２銅と規定したのはＣｕ粒子前駆体中におけるＣｕ含有量が高いことから、接合時における体積収縮が小さく、かつ分解時に酸素を発生するために、有機物の酸化分解を促進するからである。ここで、Ｃｕ粒子前駆体とは還元剤と混合し、加熱により還元された後に、Ｃｕ粒子を生成し、かつ他の金属部材と相互拡散接合しうる物質、即ち酸化第２銅粒子のことをいう。
ここで用いるＣｕ粒子前駆体の粒径を平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍとしたのは、Ｃｕ粒子の平均粒径が５０μｍより大きくなると、接合作業中に粒径が１００ｎｍ以下のＣｕ粒子が作製されにくくなり、これにより粒子間の隙間が多くなり、緻密な接合層を得ることが困難になるためである。ただ、本発明においては、前駆体の粒径が、目的のＣｕ粒子の１００ｎｍ以上であっても、加熱、還元処理によって、元の前駆体粒子よりも粒径の小さなＣｕ粒子を生成するという特徴がある。
また、１ｎｍ以上としたのは、平均粒子が１ｎｍ以下のＣｕ粒子前駆体を実際に作製することが困難なためである。本発明では、接合作業中に粒径が前駆体の還元により、１００ｎｍ以下のＣｕ粒子を生成するため、Ｃｕ粒子前駆体の粒径は１００ｎｍ以下とする必要はなく、Ｃｕ粒子前駆体の作製，取り扱い性，長期保存性の観点からは粒径が１〜５０μｍの粒子を用いることが好ましい。また、より緻密な接合層を得るためには粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍの金属粒子前駆体を用いることが好ましい。
Ｃｕ酸化物粒子としては、前述のとおり酸化第２銅が挙げられる。なお、酸化第２銅粒子に対し、本発明の目的の範囲内で酸化金，酸化銀（Ａｇ２Ｏ，ＡｇＯ）などの金属酸化物微粒子を添加しても良く、その量は金属酸化物全体の５０質量％以下である。これらの添加物は、還元時に酸素のみを発生するために、接合後における残渣も残りにくく、体積減少率も非常に小さい。また、本発明においては、酸化第２銅が必須成分であるが、本発明の目的を損なわない範囲で酸化第１銅（Ｃｕ２Ｏ）を含んでも良い。例えば、質量で、酸化第２銅の５分の１以下、特に１０分の１以下の酸化第１銅を含んでもよいが、酸化第１銅の含有量は成るべく少ないほうがよく、酸化第２銅のみの場合は最善の結果を与えることが実験で確認された。
本明細書において、特に断りがない限り、Ｃｕ酸化物粒子又はＣｕ粒子という場合、Ｃｕ酸化物粒子単独並びに他の添加金属酸化物又は金属粒子を含む意味で使用した。又、Ｃｕ粒子という場合も、Ｃｕ粒子単独でも良いし、他の添加金属粒子も含む意味である。ただし、酸化第２銅又は酸化第２銅由来の銅粒子が接合層の金属質量の７０％以上、特に９０％以上出ることが望ましい。
Ｃｕ粒子前駆体の含有量としては、接合材料（ＣｕＯを含む金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤の合計量）中における全質量部において５０質量％〜９９質量％とすることが好ましい。これは接合材料中における金属含有量が多い方が低温での接合後に有機物残渣が少なくなり、低温での緻密な焼成層の達成及び接合界面での金属結合の達成が可能となり、接合強度の向上さらには高放熱性，高耐熱性を有する接合層とすることが可能になるからである。
有機物からなる還元剤としては、アルコール類，カルボン酸類，アミン類から選ばれた１種又は２種以上の混合物を用いることができる。
利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられ、例えば、エタノール，プロパノール，ブチルアルコール，ペンチルアルコール，ヘキシルアルコール，ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルアルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデシルアルコール，ペンタデシルアルコール，ヘキサデシルアルコール，ヘプタデシルアルコール，オクタデシルアルコール，ノナデシルアルコール，イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、エチレングリコール，トリエチレングリコール、などの２級アルコール型，３級アルコール型、及びアルカンジオール，環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にもクエン酸，アスコルビン酸など４つのアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
また、利用可能なカルボン酸を含む化合物としてアルキルカルボン酸がある。具体例としては、ブタン酸，ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，ノナン酸，デカン酸，ウンデカン酸，ドデカン酸，トリデカン酸，テトラデカン酸，ペンタデカン酸，ペンタデカン酸，ヘキサデカン酸，ヘプタデカン酸，オクタデカン酸，ノナデカン酸，イコサン酸が挙げられる。また、上記アミノ基を含む化合物と同様に１級カルボン酸型に限らず、２級カルボン酸型，３級カルボン酸型、及びジカルボン酸，環状型の構造を有するカルボキシル化合物を用いることが可能である。
また、利用可能なアミノ基を含む化合物としてアルキルアミンを挙げることができる。例えば、ブチルアミン，ペンチルアミン，ヘキシルアミン，ヘプチルアミン，オクチルアミン，ノニルアミン，デシルアミン，ウンデシルアミン，ドデシルアミン，トリデシルアミン，テトラデシルアミン，ペンタデシルアミン，ヘキサデシルアミン，ヘプタデシルアミン，オクタデシルアミン，ノナデシルアミン，イコデシルアミンがある。また、アミノ基を有する化合物としては分岐構造を有していてもよく、そのような例としては、２−エチルヘキシルアミン、１，５−ジメチルヘキシルアミンなどがある。また、１級アミン型に限らず、２級アミン型，３級アミン型を用いることも可能である。さらにこのような有機物としては環状の形状を有していてもよい。
また、用いる還元剤は上記アルコール，カルボン酸，アミンを含む有機物に限らず、アルデヒド基やエステル基，スルファニル基，ケトン基などを含む有機物を用いても良い。
ここで、エチレングリコール，トリエチレングリコール等の２０〜３０℃において液体である還元剤は、ＣｕＯと混ぜて放置すると一日後には銀に還元されてしまうため、混合後はすぐに用いる必要がある。一方、２０〜３０℃の温度範囲において固体であるミリスチルアルコール，ラウリルアミン，アスコルビン酸等は金属酸化物等と１ヵ月ほど放置しておいても大きくは反応が進まないため、保存性に優れており、混合後に長期間保管する場合にはこれらを用いることが好ましい。
また、用いる還元剤は金属酸化物等を還元させた後には、精製された１００ｎｍ以下の粒径を有する金属粒子の保護膜として働くために、ある程度の炭素数があることが望ましい。具体的には、２〜２０であることが望ましい。これは炭素数が２より少ないと、金属粒子が作製されると同時に粒径成長が起こり、１００ｎｍ以下の金属粒子の作製が困難になるからである。また、２０より多いと、分解温度が高くなり、金属粒子の焼結が起こりにくくなる結果、接合強度の低下を招くからである。
還元剤の使用量はＣｕ粒子前駆体の全質量に対して１質量％〜５０質量％の範囲であればよい。これは還元剤の量が１質量％より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を全て還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、５０質量％を超えて用いると接合後における残渣が多くなり界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。還元剤の好ましい範囲は、１０〜６０質量％である。
さらに、還元剤としては、５００℃までの加熱時における熱重量減少率が９９％以上であることが好ましい。これは、還元剤の分解温度が高いと接合後における残渣が多くなり、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。ここで、５００℃までの加熱時における熱重量減少率の測定は、一般に市販されている、Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製ＴＧ／ＤＴＡ６２００や、島津製作所製ＴＧＡ−５０等の熱重量測定が可能な装置を用いて１０℃／ｍｉｎにおいて大気中で行った場合のものである。
金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤の組み合わせとしては、これらを混合することにより金属粒子を作製可能なものであれば特に限定されないが、接合用材料としての保存性の観点から、常温で金属粒子を生成しない組み合わせとすることが好ましい。
また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの酸化第２銅粒子を混合して用いることも可能である。これは接合中において生成する１００ｎｍ以下のＣｕ粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍのＣｕ粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下のＣｕ粒子を接合材に予め混合しておいてもよい。
この酸化第２銅粒子に添加可能な金属の種類としては、金，銀，白金，パラジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，イリジウム，鉄，錫，亜鉛，コバルト，ニッケル，クロム，チタン，タンタル，タングステン，インジウム，ケイ素，アルミニウム等の中から少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。ただし、金、銀、銅は金属成分質量の３０質量％以下、特に１０質量％以下とするのが好ましく、その他の金属は１０質量％以下特に５質量％以下が好ましい。
この実施形態で用いられる接合材料はＣｕ粒子前駆体と有機物からなる還元剤のみで用いてもよいが、ペースト状として用いる場合に溶媒を加えてもよい。
混合後、すぐに用いるのであれば、メタノール，エタノール，プロパノール，エチレングリコール，トリエチレングリコール，テルピネオールのアルコール類等の還元作用があるものを用いてもよいが、長期間に保管する場合であれば、水，ヘキサン，テトラヒドロフラン，トルエン，シクロヘキサン、など常温での還元作用が弱いものを用いることが好ましい。また、還元剤としてミリスチルアルコールのように常温で還元が起こりにくいものを用いた場合には長期間保管可能であるが、エチレングリコールのような還元作用の強いものを用いた場合には使用時に混合して用いることが好ましい。
また、Ｃｕ粒子前駆体の溶媒への分散性を向上させるために必要に応じて分散剤を用いて金属粒子前駆体の周りを有機物で被覆し、分散性を向上させてもよい。本発明で用いられる分散剤としては、ポリビニルアルコール，ポリアクリルニトリル，ポリビニルピロリドン，ポリエチレングリコールなどの他に、市販の分散剤として、例えばディスパービック１６０，ディスパービック１６１，ディスパービック１６２，ディスパービック１６３，ディスパービック１６６，ディスパービック１７０，ディスパービック１８０，ディスパービック１８２，ディスパービック１８４，ディスパービック１９０（以上ビックケミー社製），メガファックＦ−４７９（大日本インキ製），ソルスパース２００００，ソルスパース２４０００，ソルスパース２６０００，ソルスパース２７０００，ソルスパース２８０００（以上、アビシア社製）などの高分子系分散剤を用いることができる。このような分散剤の使用量はＣｕ粒子前駆体に接合材中において０．０１質量％以上でかつ４５質量％を超えない範囲とする。
これらペースト材料の適用方法として、インクジェット法により微細なノズルからペーストを噴出させて基板上の電極あるいは電子部品の接続部に塗布する方法、あるいは塗布部分を開口したメタルマスクやメッシュ状マスクを用いて必要部分にのみ塗布を行う方法，ディスペンサを用いて必要部分に塗布する方法がある。また、シリコーンやフッ素等を含む撥水性の樹脂を必要な部分のみ開口したメタルマスクやメッシュ状マスクで塗布したり、感光性のある撥水性樹脂を基板あるいは電子部品上に塗布し、露光及び現像することによりＣｕ酸化第２銅の微細粒子等を含むペーストを塗布する部分を除去し、その後接合用ペーストをその開口部に塗布する方法もある。更に、撥水性樹脂を基板あるいは電子部品に塗布後、前記金属粒子からなるペースト塗布部分をレーザーにより除去し、その後接合用ペーストをその開口部に塗布する方法がある。
これらの塗布方法は、接合する電極の面積，形状に応じて組み合わせ可能である。また、ミリスチルアルコールやアスコルビン酸のような常温で固体のものを還元剤として用いた際にはＣｕ粒子前駆体と混合し加圧を加えることでシート状に成形して接合材料として用いる方法がある。
上記接合プロセスの一例を図１２のフロー図に示した。図に示すとおり、ＣｕＯ粉末と有機物からなる還元剤及び必要に応じて溶媒を混合して作成したペーストをＣｕ電極又はＮｉ電極の接合面に塗布し、乾燥し、接合面の位置合わせを行い、還元炉内にセットする。還元炉を水素雰囲気で置換し、加熱して、接合層を焼成し、次いで還元炉を窒素雰囲気に置換して冷却する。
このようにして得られた接合部の断面を顕微鏡観察した。その結果得られたものが図１３（ａ），（ｂ）に示す接合部の組織図である。図１３（ａ）は、純銅の焼結層と下地のＮｉ又はＣｕ金属との組織を示し、図１３（ｂ）はＣｕ焼結層と下地層との境界を更に詳細に示したものである。図１３から明らかなように、本発明による接合部においては、純銅の接合層と下地であるＣｕ又はＮｉと相互拡散接合し、結合している。Ｃｕ焼成層のＣｕ粒子の大きさは、下地のＣｕ又はＮｉの結晶粒子の大きさの約５分の１以下という微細粒子である。そしてその接合界面には、約０．１〜数１０ｎｍ程度の厚さの相互拡散領域が観察される。これに対し、酸化第１銅粒子のみを結合材として用いたときは、接合境界に相互拡散領域は観察されなかった。
また、本発明の場合は、境界層には酸化物等の異相が見られず、接合強度は、図４に示すように十分満足のいくものであった。また、接合層のＣｕ粒は下地であるＣｕ又はＮｉの結晶粒よりも非常に小さい結晶粒であることも確認された。
本発明の接合材料を用いた接合では、接合時にＣｕ粒子前駆体から粒径が１００ｎｍ以下のＣｕ粒子を生成し、接合層における有機物を排出しながら粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子の融着による金属結合を行うために熱と圧力を加えることが好ましい。また、Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ又はＣｕ電極との相互拡散接合を達成するために還元雰囲気中で接合を行うことが必須である。接合条件としては、１秒〜１０分で５０℃〜４００℃の加熱と０．０１〜１０ＭＰａの加圧を加えることが好ましい。
本発明の接合では、Ｃｕ酸化物粒子は接合時の加熱によって粒径０．１〜５０ｎｍ程度の酸化物ではない純Ｃｕ超微粒子が生成し、この純Ｃｕ超粒子同士が相互に融合してバルクになる。バルクになった後の溶融温度は通常のバルクの状態でのＣｕ又はその合金の溶融温度と同じであり、純Ｃｕ又は合金の超微粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。これは、純Ｃｕ又はその合金の超微粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が向上することから、その後、他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないというメリットをもたらす。
また、接合後の接合層の熱伝導率は５０〜４３０Ｗ／ｍＫとすることが可能であり、放熱性にも優れている。さらに前駆体がＣｕ酸化物であるため低コストというメリットもある。なお、Ｃｕ酸化物粒子には還元効果を促進するため、アルコールなどの有機物を被膜させておくことが好ましい。さらに、接合時の雰囲気は還元雰囲気とすることが必要である。還元雰囲気としては、例えば水素又は水素−窒素、水素−アルゴン、水素−ヘリウム雰囲気などを用いることができる。
以上の接合材料と接合方法を経て接合された界面には金属的な接合を阻害する酸化物層が実質的に形成されない。還元して生成したＣｕ粒子は、接合によって相手部材と金属的に結合されるがこれは接合強度を高めるため、及び、電気的導通を確保するために必要である。もちろん、相手部材もＣｕ粒子を形成するＣｕと金属的に結合されることが要求される。このために相手部材は、金属粒子と金属結合する材料によって形成されていることが望ましい。
ＮｉあるいはＣｕ又はそれらを主成分とする合金よりなる相手部材は、Ｃｕ粒子と相手部材とが接合時に相互拡散接合により金属的に結合する。なお、酸化銀と酸化第２銅が混在する場合も上述と同様に接合でき、かつ耐食性向上が図れる利点を有する。
以上で説明した接合材，接合方法を半導体装置のＮｉあるいはＣｕ電極又は配線層の接合に用いることにより、優れた接合信頼性を得ることが可能となる。
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明を適用した絶縁型半導体装置を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示したものである。また、図２は図１の要部を示した斜視図である。
本実施例において、半導体素子１０１の一方の面は、コレクタ電極１０６’が、酸化第２銅粒子を使用した接合層（ミリスチルアルコールを５ｗｔ％含有、接合後は純Ｃｕ）１０５によって、セラミック絶縁基板１０３上の配線層１０２に接合されている。セラミック絶縁基板１０３は支持部材１１０にはんだ層１０９を介して接合されている。セラミック絶縁基板１０３と配線層１０２をもって配線基板と称する。
配線層１０２はＣｕ配線層にＮｉめっきを施したものである。接合層１０５は厚さ８０μｍである。半導体素子１０１の他方の面は、エミッタ電極が接続用端子２０１と酸化第２銅粒子使用接合材（接合後は純Ｃｕ化）を用いて接合されており、接続用端子２０１はセラミック絶縁基板１０３上の配線層１０４と酸化第２銅粒子使用接合材（接合後は純Ｃｕ層化）を用いて接合されている。なお、図１における他の符号は、それぞれ、ケース１１１，外部端子１１２，ボンディングワイヤ１１３，封止材１１４を示している。
図３（ａ）は図１における半導体素子搭載部分を拡大して示した断面図であり、図３（ｂ）はその接合部の詳細を拡大して示した断面図である。半導体素子１０１のコレクタ電極１０６’と配線層１０２が酸化第２銅粒子を使用した接合材１０５（接合後は純Ｃｕ化）で接合されている。配線層１０２はＣｕ配線にＮｉめっきを施したものである。酸化第２銅粒子使用接合材（接合後は純Ｃｕ層化）１０５は、半導体素子のエミッタ電極１０６と接続用端子２０１の接合部、及び接続用端子２０１と配線層１０４の接合部にも、同様の構成で適用されている。
コレクタ電極１０６’表面とエミッタ電極１０６の表面にはＮｉが施されている。また、接続用端子２０１はＣｕまたはＣｕ合金で構成されている。それぞれの酸化第２銅粒子による接合は個別に行ってもよいし、同時に行ってもよい。酸化第２銅粒子を使用した接合材（酸化第２銅微粉末、有機酸化剤、必要に応じて溶剤の混合物）を接合すべき部材の間に塗布又は注入などの方法で配置し、その状態で２５０℃の熱を約１分間加え、同時に１．０ＭＰａの圧力を１００％水素中で加えることにより、接合を行うことができる。接合に当たり、超音波振動を加えることもできる。
図４は本発明の接合部位に対して行った接合強度評価結果を示したもので、接合温度を２５０℃、加圧１．０ＭＰａで一定とし、相手電極、及び接合時の加熱雰囲気の影響を調べた結果を示す。本評価では接合材料として、ミリスチルアルコール５ｗｔ％含んだ平均粒径２μｍの酸化第２銅粒子を用いて、大気中と還元雰囲気中でそれぞれＡｇ、Ａｕ，Ｎｉ及びＣｕ電極への接合を行った。図４の縦軸はせん断強度を示し、水素中のＮｉ電極の値で規格化したものである。
その結果、酸化第２銅粒子を用いた接合では大気中での接合では、Ａｇ、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｕ電極に対しては良好な接合強度が得られなかった。これに対して、還元雰囲気中で接合した場合、Ａｇ，Ｎｉ、Ｃｕ，Ａｕ電極のいずれに対しても，十分な接合強度が得られた。本評価結果から、ミリスチルアルコールによる酸化第２銅の還元効果が十分に発揮されることがわかる。
また、同様の接合条件において、還元剤（ミリスチルアルコール）及び酸化第１銅（Ｃｕ２Ｏ）のみを含む接合材を用いて、大気中及び還元雰囲気中でＡｇ，Ｎｉ，Ｃｕ及びＡｕ電極に対する接合についても評価を行った。その結果、図５に示したように、大気中及び還元雰囲気でも、酸化第１銅を用いた接合材は電極と満足する接合層を形成しなかった。
以上の結果より、酸化物第２銅微粒子と有機物からなる還元剤を含む接合材料を用いて、還元雰囲気中にて接合を行うことでＮｉ，Ｃｕ電極への接合が可能であることが明らかとなった。
図６は図４及び図５における接合部断面の状態を示した図である。特許文献１記載の従来法では界面に酸化物層が形成され、金属的な接合の形成が阻害されている。これに対して本発明方法ではＮｉ，Ｃｕ等に対して界面に接合を阻害するものが無く、金属的な接合（相互拡散接合）が達成できていることが判った。
次に、本実施例による半導体装置の好ましい例について説明する。
図３に示すＣｕ微粒子による接合層１０５は電流が流れる部位である。このため、粒子層の材料には酸化第２銅を用いることは有効である。酸化銀と酸化第２銅の混合材を用いても良い。これらの場合も加熱時の還元効果（アルコールなどの有機物による還元作用、及び還元雰囲気の併用）で、生成したナノサイズ粒子が相手電極と接合し、その際の接合は２００℃以下でも行うことができる。
Ｃｕ又はその合金の熱膨張係数は約８〜１６ｐｐｍ／℃であるので、図３に示したセラミック絶縁基板１０３には窒化珪素を用いることが好ましい。窒化珪素の熱膨張係数は約９ｐｐｍ／℃である。また、はんだ層（図示せず）を、酸化物を用いた接合層とすることができ、これは放熱性向上のため望ましい構成である。
本実施例の構造のパワー半導体モジュールは、半導体素子１０１と熱膨張係数が約９ｐｐｍ／℃の絶縁配線基板とが、熱膨張係数８〜１６ｐｐｍ／℃の接合材を介して接合されているため、高温環境で顕著になる各部材の熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることができる。理想的には接合材の熱膨張係数を配線基板のそれに一致させることで、接合材に生じる熱応力が最小になり、長期信頼性が向上する。
本発明の半導体装置は各種の電力変換装置に適用することができる。電力変換装置に本発明の半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載でき、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保することが可能になる。
図７は本発明が適用される半導体装置の回路を説明する図である。４個のＭＯＳ ＦＥＴ素子４０１が並列に配置された２系統のブロック９１０を有し、各ブロック９１０は直列に接続され、入力主端子３０ｉｎ，出力主端子３０ｏｕｔ，補助端子３１が所定部から引き出されて半導体装置９００の要部を構成している。また、この回路の稼働時における温度検出用サーミスタ３４が半導体装置９００内に独立して配置されている。
また、インバータ装置及び電動機は、電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたため、ギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。なお、本実施例の半導体装置９００は、図８に示すハイブリッド自動車電動機９６０の回転数制御用インバータ装置に組み込むことが可能である。
更に、本実施例の半導体装置９００を組み込んだインバータ装置は冷暖房機に組み込むことも可能である。この際、従来の交流電動機を用いた場合よりも高い効率を得ることができる。これにより、冷暖房機使用時の電力消費を低減することができる。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合よりも短縮できる。
本実施例と同様の効果は、半導体装置９００が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機，流体循環装置等に組み込まれた場合にも適用できる。なお、本発明のＣｕ超微粒子仕様の接合材は、例えばＬＥＤバックライトのような発熱が大きい部位の接合にも適用可能である。
（ａ）は本発明の一実施例による絶縁型半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 図１の要部を示した斜視図である。 図１における半導体素子搭載部分を拡大して示した断面図である。 本発明による接合部と比較方法による接合部の接合性を示すグラフである。 比較方法による接合部の接合性状態を示すグラフである。 本発明方法と従来例による接合部の状態を説明するための概略図である。 本発明の半導体装置を電子回路に適用した概略回路図である。 ハイブリッド自動車電動機の回転数制御用インバータ装置を示す概略回路図である。 銀微粒子を用いた接合部の各種金属に対する接合性を示すグラフである。 特許文献１に記載の方法の一例による接合部の断面構造を示す模式図である。 特許文献１に記載の方法の他の例による接合部の断面構造を示す模式図である。 本発明の接合方法の例を示すフロー図である。 本発明の実施例による接合部の断面組織を示す模式図である。
符号の説明
１０１…半導体素子、１０２，１０４…配線層、１０３…セラミック絶縁基板、１０５…接合層、１０６…エミッタ電極、１１０…支持部材、２０１…接続用端子。

Claims (32)

  1. 半導体素子と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた材料よりなる電極と、前記半導体素子と該電極とを接合する接合層とを備え、該接合層はＣｕで構成され、前記接合層のＣｕと前記電極の金属原子が相互拡散して前記電極と接合層とが接合していることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、前記接合層はＣｕ微粒子の焼成層であることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１において、前記接合層のＣｕ粒子径は前記電極の金属粒子径よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１において、前記接合層と前記電極との境界に酸化物層が実質的に存在しないことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１において、前記接合層の熱伝導率が５０乃至４３０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１において、前記接合層はＣｕ粒子が相互に金属結合した焼成層であることを特徴とする半導体装置。
  7. 前記電極はＣｕ又はＮｉであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  8. 請求項１において、前記接合層は、平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料を還元雰囲気下で加熱することで得られる焼成層からなることを特徴とする半導体装置。
  9. セラミック絶縁基板と、該セラミック絶縁基板に接合され両面に配線層を有する配線基板と、前記配線基板の一方の面に接続された半導体素子と、前記配線基板の他方の面に接続された支持部材とを有し、前記半導体素子と接続される前記配線層上に形成されたＮｉ又はＣｕで構成された被覆層と、前記半導体素子が、Ｃｕからなる金属粒子の接合層を介して接合され、前記接合層と前記配線層の被覆層とが相互拡散接合していることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項９に記載の半導体装置において、前記接合層は前記被覆層の金属粒子よりも微細なＣｕ粒子からなる焼成層であることを特徴とする半導体装置。
  11. 半導体素子と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた材料よりなる電極と、前記半導体素子と該電極との接合面に酸化第２銅と有機物からなる還元剤との接合材を塗布又は注入し、該接合材を含む接合面を還元雰囲気中で加熱し、純Ｃｕで構成された接合層を形成し、該接合層のＣｕと前記電極とが相互拡散して前記電極と接合層とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 加熱温度は５０〜５００℃であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
  13. 更に、前記接合材は有機溶剤を含むことを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記電極とＣｕ焼成層と野境界に、相互拡散領域が形成されていることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
  15. セラミック絶縁基板と、該セラミック絶縁基板に接合され両面に配線層を有する配線基板と、前記配線基板の一方の面に接続された半導体素子と、前記配線基板の他方の面に接続された支持部材とを有し、前記半導体素子と接続される前記配線層上に形成されたＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ，Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた材料で構成された被覆層の表面に、酸化第２銅と有機物からなる還元剤を含む接合材を付与し、これを還元雰囲気中で加熱して、Ｃｕ粒子からなるＣｕ焼成層を形成し、前記Ｃｕ焼成層と前記配線層の被覆層とを相互拡散接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 上記加熱温度は５０〜５００℃であることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
  17. 更に、前記接合材は有機溶剤を含むことを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記Ｃｕ焼成層のＣｕ粒子は、前記被覆層の金属粒子よりも微細であることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
  19. 半導体素子の電極または前記半導体素子の電気信号を外部に取り出すための配線の少なくとも一方がＣｕまたはＮｉで構成され、前記半導体素子の電極と前記配線とを接合する半導体装置の製造方法であって、
    平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの酸化第２銅粒子と、有機物からなる還元剤とを含む接合材料を前記半導体素子と前記配線との接合面に付与し、前記接合材料を還元性雰囲気下で加熱、焼成し、前記電極と前記配線とをＣｕ焼成層を介して接合する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  20. 前記電極と配線とを前記Ｃｕ焼成層により接合する工程において、０．０１乃至５ＭＰａの加圧下で、５０乃至５００℃に加熱することを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
  21. 前記電極と配線とを前記Ｃｕ焼成層により接合する工程において、前記酸化第２銅粒子を加熱して生成するＣｕ粒子を焼成して、前記Ｃｕ焼成層のＣｕと対向する電極又は配線層の金属と相互拡散させることを特徴とする請求項１９記載の半導体装置の製造方法。
  22. 前記還元性雰囲気下での加熱を、０．０１乃至５ＭＰａの加圧と、５０乃至５００℃の条件下で行うことを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置の製造方法。
  23. 請求項１９において、前記還元剤がアルコール類，カルボン酸類及びアミン類から選ばれた１種または２種以上の混合物であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  24. 請求項１９において、前記加熱により前記酸化第２銅粒子を還元させて平均粒径が１００ｎｍ以下のＣｕ粒子からなる焼成層を生成させる工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  25. Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ及びその合金からなる群から選ばれた金属材と、該金属材の金属粒子よりも微細なＣｕ粒子のＣｕ焼成層とが結合していることを特徴とする複合金属体。
  26. 前記Ｃｕ焼成層は前記金属材と相互拡散していることを特徴とする請求項２５記載の複合金属体。
  27. 前記Ｃｕ焼成層と前記金属材の界面に実質的に酸化物が存在しないことを特徴とする請求項２５記載の複合金属体。
  28. 前記金属材がＣｕ又はＮｉであることを特徴とする請求項２５記載の複合金属体。
  29. 酸化第２銅粒子と有機物からなる還元剤との接合材を、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ及びそれらの合金からなる群から選ばれた金属材の表面に塗布し、還元雰囲気中で、前記表面を加熱して前記接合材を金属Ｃｕからなる焼成層に変換し、前記金属材の表面に前記金属材の金属粒子よりも微細なＣｕ焼成層を形成することを特徴とする複合金属体の製造方法。
  30. 一対の前記金属材の表面に、前記接合材を塗布して、還元雰囲気内で該接合材を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項２９記載の複合金属体の製造方法。
  31. 請求項９に記載の１又は複数の半導体装置を搭載していることを特徴とする電力変換装置。
  32. 請求項３１に記載の電力変換装置がエンジンルームに搭載されることを特徴とするハイブリッド自動車。
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