JP2015170768A - 半導体接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性の高い接合層を形成するとともに、接合層の形成が大気圧下の比較的低い温度での焼結によって行え、量産化と低コスト化を可能とする半導体接合方法を提供する。
【解決手段】半導体チップ５の接合部及び／又はリードフレーム６の接合領域に金属ナノ結晶層２を形成する第１工程と、接合部と接合領域の間に金属ナノ結晶層２が挟まれた状態となるようにリードフレーム６に半導体チップ５をダイボンドする第２工程と、金属ナノ結晶層２を焼結して接合層１０を形成する第３工程を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワー半導体装置等において、主として通電や放熱の機能を有するリードフレームや基板等と半導体チップを、金属ナノ結晶層による導電性接合材を用いて接合する半導体接合方法に関するものである。

リードフレームや基板の上に半導体チップを接合する場合、Ｐｂを８５％以上含有するＳｎ−Ｐｂ系高融点半田材が広く用いられている一方、近年では環境保全の観点からＰｂフリー化の動きが活発化している。

また、昨今のエコブームを背景に電力損失を低減する効果のあるＳｉＣやＧａＮといった次世代パワー半導体の開発も活発化しているが、これらの材料を用いた半導体素子の特徴の一つである２５０℃以上の高温領域における動作を可能とするためには、導電性接合材についてもより高い耐熱性が要求される。
そして、従来の高融点半田材やＰｂフリー半田材では、その要求を満足できないため、従来利用してきた材料とは異なる接合材や接合方法の開発が進められている。

例えば、特許文献１（特開２００５−３２８３４号公報）では、液相拡散接合法によって次世代パワー半導体に対応する３００℃以上の耐熱接合を可能とする接合技術が開示されている。
しかし、この接合技術は、接合プロセスにおいて４５０〜６５０℃の高温、真空状態で加圧しながら３時間程度保持する必要があるため、生産性の面で難点が多く存在し、また、４５０〜６５０℃の高温、真空状態とすることで半導体チップ表面の配線パターン等にダメージが発生するおそれがあるため、信頼性の面でも懸念材料が多い。

そこで、２００℃程度の低温加熱により高耐熱接合（例えば、Ａｇを主成分とした材料の場合９６０℃程度）を可能とする金属ナノ粒子を用いた導電性接合材の開発が進められ、そのような導電性接合材を利用した接合技術についても様々な検討がなされている。
ここで、金属ナノ粒子を用いた導電性接合材（以下「金属ナノ接合材」という。）について説明すると、５〜１００ｎｍサイズの金属ナノ粒子と、これらが常温で凝集してしまうことを防止するために各金属ナノ粒子の周囲を被覆する有機分散剤と、有機溶剤からなるものである。
この金属ナノ接合材は、量子サイズ効果により融点よりはるかに低い温度で焼結が可能であるとともに、焼結後は有機分散剤と有機溶剤が揮発して完全に金属化してしまうことから、その金属固有の融点に相当する耐熱性、電気抵抗値、放熱性を有するものとなる。
そのため、融点が高く、電気抵抗値が低く、放熱性が高い材料（例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ）を選択することによって、パワー半導体等のさらなる性能向上や信頼性向上を達成できる接合が可能になるものと期待されている。

また、特許文献２（特許第５０７０５５７号公報）には、半導体等から成るウエハ、チップ、その他各種任意の被接合材を、加熱、加圧等に伴う物理的なダメージを与えることなく接合することを目的として、被接合材の少なくとも一方の接合面に、スパッタリングやイオンプレーティング等の真空成膜により金属や合金等の微結晶構造を有する被膜を形成し、被膜を常温で重合して被接合材間の強固な接合を可能とする常温接合方法が開示されている。

特開２００５−３２８３４号公報 特許第５０７０５５７号公報

しかし、金属ナノ接合材を用いた接合方法では、加熱により有機分散剤と有機溶剤が揮発するため、リードフレームや基板と半導体チップとの間に金属ナノ接合材が挟まれた状態において加熱すると、有機分散剤と有機溶剤が揮発する際に逃げきれなかった揮発ガスがボイドとして発生したり、硬化時の体積収縮によって焼結後の膜厚が不均一になったりするなどの問題がある。
また、特許文献２に記載の接合方法は、常温で被接合材間の強固な接合を可能とする優れた方法ではあるものの、請求項１や段落００７５〜００７６等に記載されているように、高真空度雰囲気内で接合するため、大型の装置を必要とし処理時間が長くなるという問題があり、量産化や低コスト化には不利な方法である。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、半導体チップの接合部と支持体の接合領域との間に耐熱性が高くボイドのない均一な膜厚の接合層を形成するとともに、その接合層の形成が大気圧下の比較的低い温度での焼結によって行えるようにして、量産化と低コスト化を可能とすることを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、半導体接合方法において、半導体チップの接合部及び／又は支持体の接合領域に金属ナノ結晶層を形成する第１工程と、前記接合部と前記接合領域の間に前記金属ナノ結晶層が挟まれた状態となるように前記支持体に前記半導体チップをダイボンドする第２工程と、前記金属ナノ結晶層を焼結する第３工程を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の半導体接合方法において、前記第１工程は前記接合部に前記金属ナノ結晶層を形成する工程であり、前記第２工程前及び前記第２工程中に前記接合領域を加熱する工程をさらに有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の半導体接合方法において、前記第１工程は前記接合領域に前記金属ナノ結晶層を形成する工程であり、前記第２工程前及び前記第２工程中に前記接合部を加熱する工程をさらに有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３に記載の半導体接合方法において、前記第３工程における焼結温度が４５０℃以下であることを特徴とする。

請求項１に係る発明の半導体接合方法によれば、半導体チップの接合部及び／又は支持体の接合領域に金属ナノ結晶層を形成し、接合部と接合領域の間に金属ナノ結晶層が挟まれた状態となるようにダイボンドし、金属ナノ結晶層を焼結するだけで、半導体チップの接合部と支持体の接合領域との間に耐熱性と熱伝導度の高い接合層を形成することができる。
そして、その工程は接合雰囲気を格別調整することなく行うことも可能であり、接合雰囲気を調整するとしてもフレーム酸化防止用のホーミングガス雰囲気中とする程度で済むため、量産化と低コスト化を実現することができる。
また、金属ナノ結晶層を焼結しているので、金属ナノ接合材を焼結する時のように有機分散剤や有機溶剤の揮発がなく、焼結後の体積収縮が小さい。そのため、焼結後における接合層の厚さ調整が容易であるとともに、形成する金属ナノ結晶層を均一な厚さとすることにより、接合層の厚さを均一なものとすることができる。

請求項２又は３に係る発明の半導体接合方法によれば、請求項１に係る発明の半導体接合方法による効果に加え、半導体チップの接合部に金属ナノ結晶層を形成する場合には支持体の接合領域を、また、支持体の接合領域に金属ナノ結晶層を形成する場合には半導体チップの接合部を、第２工程前及び第２工程中に加熱する工程をさらに有するので、ダイボンドから金属ナノ結晶層の焼結完了までの時間を短縮することができる。

請求項４に係る発明の半導体接合方法によれば、請求項１ないし３に係る発明の半導体接合方法による効果に加え、金属ナノ結晶層を焼結する時の温度が４５０℃以下であるため、半導体チップ表面の配線パターン等にダメージが発生する危険性を下げることができ、完成した接合体の歩留まりと信頼性を上げることができる。
また、高い温度による焼結を必要としないので、加熱時間や冷却時間を短縮することができ、さらに、生産設備に耐熱性の高い特殊な装置や部品を用いる必要がないので、量産化及び低コスト化に有利である。

半導体チップの接合部に金属ナノ結晶層を形成する各工程を示す図。 実施例における半導体チップと支持体の接合方法を示す図。 実施例の半導体接合方法によって得られた接合体の断面図。 実施例の半導体接合方法によって得られた接合体の断面拡大写真。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

＜第１工程＞
図１（１）〜（６）は、本発明の実施例における半導体接合方法の工程のうち、半導体チップ５の接合部に銀ナノ結晶層２を形成する第１工程の詳細を示す図である。
なお、図面の記載は模写的なものであり、厚みと平面寸法の比率、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。

＜工程Ａ＞
図１（１）に示すように、一方の面に厚さ１０００ÅのＡｕ層、厚さ３０００ÅのＮｉ層及び厚さ２００００ÅのＡｇ層を、この順に積層したウエハバックメタルを有する半導体ウエハ１を準備する。
次に、図１（２）に示すように、準備した半導体ウエハ１のウエハバックメタルの表面に、電気めっきによって厚さ１〜４０μｍの銀ナノ結晶層２を形成する。
なお、銀ナノ結晶層２における銀結晶の粒子サイズは５〜１００ｎｍである。

＜工程Ｂ＞
図１（３）に示すように、銀ナノ結晶層２を形成した半導体ウエハ１を、４０〜７０℃のお湯に１０〜１８０秒間浸漬して湯洗する。

＜工程Ｃ＞
図１（４）に示すように、湯洗した半導体ウエハ１を銀ナノ結晶層２が上側となるように載置した後、上方から４０〜１００℃の温風を３０〜３００秒間当てて乾燥する。

＜工程Ｄ＞
図１（５）に示すように、乾燥させた半導体ウエハ１を銀ナノ結晶層２が下側となるようにウエハ固定シート３の上面に載置した後、上方から円盤状のブレード４を用いて縦方向及び横方向に適宜の間隔でカットし、複数の半導体チップ５に個片化する。図１（６）は個片化した半導体チップ５を示す拡大図である。

＜第２工程＞
図２（１）〜（３）は、本発明の実施例における半導体接合方法の工程のうち、半導体チップ５の接合部をリードフレーム６の接合領域表面にダイボンドする第２工程の詳細を示す図である。
まず、図２（１）に示すように、銅を主な材料とし、表面に厚さ４μｍ程度の銀めっき層を形成して接合領域としたリードフレーム６を準備する。
次に、接合領域が上側となるようにしてホーミングガス７の雰囲気中に置かれたホットプレート上にリードフレーム６を載置する。
ホットプレートの表面は２５０〜３５０℃に加熱してあり、その上にリードフレーム６を１〜９０秒間載置することによって、表面の接合領域を含むリードフレーム６全体を加熱しておく。
その後、図２（２）に示すように、ホーミングガス７の雰囲気中において、第１工程によって製造した半導体チップ５を、その銀ナノ結晶層２全面がリードフレーム６の接合領域に接触するようにダイボンドして図２（３）に示す状態とする。
なお、ホーミングガス７は半導体チップ５（特に、配線パターンに使用される金属やチップバックメタル９）、リードフレーム６及び銀ナノ結晶層２の酸化を防止するためのものであり、窒素ガス９５％及び水素ガス５％を含有するガスである。

＜第３工程＞
第２工程によって半導体チップ５がリードフレーム６の接合領域にダイボンドされると、その接合領域は予め加熱してあるため、ダイボンド直後から銀ナノ結晶層２は熱せられ焼結が開始される。
ホットプレートの表面は２５０〜３５０℃を保持できるようになっており、その上にリードフレーム６を０．５〜６０分間載置しておくことによって、銀ナノ結晶層２の焼結が終了する。
そして、焼結終了後にリードフレーム６をホットプレートから移して冷却すると接合工程が完了する。
焼結が終了すると銀ナノ結晶層２はバルクのＡｇ層となるため、融点が高く（約９６０℃）電気抵抗率の低い（３〜５μΩ・ｃｍ）接合層１０で半導体チップ５とリードフレーム６が接合された図２（４）の接合体が得られる。

このようにして得られた接合体をモールドした素子の断面図が図３であり、図３左下の四角形で囲まれた部分の写真が図４である。
図３及び図４において、８はリードフレーム６の表面に形成されている厚さ４μｍ程度の銀めっき層、９は半導体チップ５の接合部となるチップバックメタル、１０はバルクのＡｇ層よりなる接合層、１１はモールド樹脂である。
そして、図４の写真から、ボイドがなく半導体チップ５の下の接合層１０の厚さが均一であるとともに、接合層１０とリードフレーム６の接合領域である銀めっき層８及びチップバックメタル９との密着性が極めて良好であることが分かる。
なお、図４の接合層１０の部分には、小さい穴があることを示す黒い部分が散在しているが、この穴は焼結によってナノ結晶が成長することで自然に生じる細孔であり、焼結の際に発生したガスや金属ナノ接合材塗布時等における空気巻き込みによって生じる一般的なボイドとは異なるものである。

また、銀ナノ結晶層２を焼結する時の温度と接合強度との関係をダイシェア強度試験（せん断強度試験）によって確認したところ、２５０℃（焼結時間１分）で平均１１Ｎ／平方ｍｍ、３００℃（焼結時間１分）で平均２７Ｎ／平方ｍｍ、３５０℃（焼結時間１分）で平均３７Ｎ／平方ｍｍであった。
高融点半田材を用いた接合強度を同強度試験によって確認した結果、平均２９Ｎ／平方ｍｍであり、１０Ｎ／平方ｍｍ程度でも半導体装置の組立てに耐えられることが分かっているので、２５０〜３５０℃（焼結時間１分）で銀ナノ結晶層２を焼結した実施例の接合体はいずれも通常の使用に耐え得るものと評価できる。

実施例の変形例を列記する。
（１）実施例の第１工程の工程Ａにおいては、電気めっきによって厚さ１〜４０μｍの銀ナノ結晶層２を形成したが、電気めっきに限らず、半導体ウエハ１の上面に金属ナノ結晶層２を形成できるものであれば、非電解めっきや蒸着等どのような方法でも良い。
また、その厚さは接合する半導体チップの大きさや用途に応じて適宜選択する。
さらに、その材質も銀に限らず、バルク状態における融点が高く電気抵抗値が低い金属（例えば、Ａｕ、Ｃｕ及びＡｇ、Ａｕ、Ｃｕを主材料とする合金）であればどのようなものでも良い。
（２）銀ナノ結晶層２における銀結晶の粒子サイズは５〜１００ｎｍであったが、量子サイズ効果により融点よりはるかに低い温度で焼結が可能なサイズの範囲であれば良い。
量子サイズ効果が発揮されるサイズ範囲は材質によっても若干異なるが、銀の場合は通常は５〜１００ｎｍである。
（３）実施例の第１工程の工程Ｂにおいては、半導体ウエハ１を４０〜７０℃のお湯に１０〜１８０秒間浸漬して湯洗したが、湯洗は場合によっては必要なく、お湯の温度や浸漬時間は金属ナノ結晶層の形成手法、厚さ及び材質に応じて調整する。
また、お湯に代えて洗浄液に浸漬したり、浸漬に代えてお湯や洗浄液を金属ナノ結晶層２の表面に流したりして洗浄しても良く、めっき液の組成や半導体ウエハ１の材質、製品への影響等を考慮して決定する。
（４）実施例の第１工程の工程Ｃにおいては、半導体ウエハ１に４０〜１００℃の温風を３０〜３００秒間当てて乾燥したが、乾燥は場合によっては必要なく、乾燥時間は温風の温度や半導体ウエハ１のサイズ及び材質、めっき液の組成、製品への影響等によって大きく変化するので、製造に際しては実施例の温度範囲や時間範囲にとらわれることなく温度や時間を最適化する必要がある。
また、酸化を防止するために温風に代えて窒素ガスや不活性ガスを当てても良い。
さらに、温風を当てず表面を４０〜１００℃に熱したプレートの上に載置するか、内部を４０〜１００℃に保てる乾燥室内に収容して乾燥させても良い。その場合、酸化を防止するために窒素ガスや不活性ガス雰囲気下で乾燥させるとより良い。
（５）実施例の第２工程においては、２５０〜３５０℃に加熱したホットプレートの上にリードフレーム６を１〜９０秒間載置することによって、表面の接合領域を含むリードフレーム６全体を加熱したが、加熱時間はホットプレートの表面温度及びリードフレーム６の材質やサイズによって大きく変化するので、製造に際しては実施例の温度範囲や時間範囲にとらわれることなく温度や時間を最適化する必要がある。
（６）実施例の第２工程においては、半導体チップ５をリードフレーム６にダイボンドしてから銀ナノ結晶層２の焼成が終了するまでの時間を短縮するため、ダイボンド前にリードフレーム６をホットプレート上に載置し全体を加熱したが、加熱は必ずしも必要なく、加熱する場合でも接合領域のみ加熱するようにしても良い。
また、加熱手段もホットプレートに限らず、内部の温度を５００℃程度までの任意の温度に保持できる焼成室を用いる等、少なくとも接合領域である銀めっき層８を加熱できるものであれば適宜選択することができる。
（７）実施例の第２工程においては、ダイボンドをホーミングガス７の雰囲気中で行い、同じく第３工程においては、銀ナノ結晶層２の焼成をホーミングガス７の雰囲気中で行ったが、半導体チップ、リードフレーム６及び金属ナノ結晶層に使用する材料が酸化しない、又は酸化してもその影響が小さくて酸化にこだわる必要がない場合等には、通常の大気雰囲気中で行っても良い。
特に、第３工程はダイボンド後の処理であり、銀ナノ結晶層２や銀めっき層８の露出部分が少ないので、ホーミングガス７の雰囲気中で行う必要性はより低い。
また、ホーミングガス７としては、窒素ガス９５％及び水素ガス５％を含有するガスを用いたが、酸素を含まない安定したガス（例えば、窒素ガスや不活性ガス）であれば、どのようなガスであっても良い。
（８）実施例では、第２工程において銀ナノ結晶層２全面が２５０〜３５０℃に加熱されたリードフレーム６の接合領域に接触するように半導体チップ５をダイボンドし、第３工程においてリードフレーム６を２５０〜３５０℃に保持することによって、銀ナノ結晶層２の焼結が終了するようにしたが、ダイボンド時にはリードフレーム６の温度を２００〜２５０℃の比較的低温とし、ダイボンド後にホットプレートの表面温度を３５０〜４００℃の比較的高温として銀ナノ結晶層２を焼結するようにしても良い。
そうすることによって、ダイボンド時に発生する応力を緩和できるとともに、焼結時間を短縮することができるという効果が得られる。
（９）実施例の第３工程においては、ホットプレートの表面温度を２５０〜３５０℃に保持し、その上にリードフレーム６を０．５〜６０分間載置しておくことによって、銀ナノ結晶層２の焼結が終了するようにしたが、加熱温度や加熱時間はこの範囲に限らず、半導体チップ５やその接合部（チップバックメタル９）、リードフレーム６やその接合領域（銀めっき層８）及び金属ナノ結晶層の材質や用途等に応じて、適宜選択可能である。
また、同じ材質であっても、ナノ結晶の平均粒径によって融点が変化するため、加熱温度や加熱時間は異なり、例えば銀ナノ結晶層の場合、平均粒径が非常に小さければ１５０℃程度でも焼成が可能である。
そして、焼成する際の上限温度は接合部や接合領域等への影響や半導体チップ５の表面に形成される配線パターン（Ａｌ−Ｓｉ）へのダメージを考慮すると、配線パターンに使用される金属の融点（Ａｌ−Ｓｉの場合５７７℃）以下とする必要があることから、第３工程における加熱温度は１５０〜５７７℃の範囲で選択可能である。
ただし、低い温度で焼成するには金属ナノ結晶層の材料を厳選する必要があり、高い温度で焼成すると装置コストが上がるとともに歩留まりや信頼性が下がるおそれがあるので、加熱温度の適値は２００〜４５０℃、最適値は２５０〜３５０℃である。
なお、加熱温度の適値や最適値の範囲は、金属ナノ結晶層の材料だけでなく加熱装置、半導体チップ５、リードフレーム６等の仕様等にもよるので、銀ナノ結晶層２に代えて他の金属ナノ結晶層（金ナノ結晶層や銅ナノ結晶層等）を用いた場合にもあてはまるものである。
（１０）実施例においては、半導体チップ５に銀ナノ結晶層２を形成し、リードフレーム６の接合領域に半導体チップ５をダイボンドしたが、半導体チップ５の銀ナノ結晶層２に代えて、又は加えてリードフレーム６の接合領域に銀ナノ結晶層を形成し、実施例と同様に半導体チップ５をダイボンドするようにしても良い。
そのうち、半導体チップ５及びリードフレーム６の両方に銀ナノ結晶層を形成する場合には、ダイボンド前及びダイボンド中に半導体チップ５やリードフレーム６を加熱することは行わず、ダイボンド後に加熱を開始する（予め加熱するとダイボンド前に銀ナノ結晶層の焼結が始まってしまうため）。
また、半導体チップ５には銀ナノ結晶層２を形成せず、リードフレーム６の接合領域に銀ナノ結晶層を形成する場合には、ダイボンド前及びダイボンド中に半導体チップ５又はその接合部（チップバックメタル９）を予め加熱するようにしても良い。
（１１）実施例は、リードフレーム６に半導体チップ５を接合する方法であったが、リードフレーム６に限らず、接合領域を有する支持体に半導体チップ５を接合する場合においては本発明の半導体接合方法を適用することが可能である。

１ 半導体ウエハ ２ 銀ナノ結晶層 ３ ウエハ固定シート
４ ブレード ５ 半導体チップ ６ リードフレーム
７ ホーミングガス ８ 銀めっき層 ９ チップバックメタル
１０ 接合層 １１ モールド樹脂

Claims (4)

1. 半導体チップの接合部及び／又は支持体の接合領域に金属ナノ結晶層を形成する第１工程と、
   前記接合部と前記接合領域の間に前記金属ナノ結晶層が挟まれた状態となるように前記支持体に前記半導体チップをダイボンドする第２工程と、
   前記金属ナノ結晶層を焼結する第３工程
   を有する半導体接合方法。
2. 前記第１工程は前記接合部に前記金属ナノ結晶層を形成する工程であり、
   前記第２工程前及び前記第２工程中に前記接合領域を加熱する工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体接合方法。
3. 前記第１工程は前記接合領域に前記金属ナノ結晶層を形成する工程であり、
   前記第２工程前及び前記第２工程中に前記接合部を加熱する工程をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体接合方法。
4. 前記第３工程における焼結温度が４５０℃以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体接合方法。