JP2016211055A

JP2016211055A - 接合電極、半導体素子及び電子部品

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Publication number: JP2016211055A
Application number: JP2015097408A
Authority: JP
Inventors: 山寺　秀哉; Hideya Yamadera; 秀哉山寺; 明渡　邦夫; Kunio Aketo; 邦夫明渡; 大西　徹; Toru Onishi; 徹大西
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-12-15

Abstract

【課題】Ｃｕ製のリードフレームと接合する接合電極において、接合電極の表面の平坦性を向上させる。【解決手段】接合電極８は、半導体素子１０の表面に設けられ、Ｃｕ製のリードフレーム１４に接合される。接合電極８の材料は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である。【選択図】図２

Description

本明細書は、Ｃｕ製のリードフレームと接合する接合電極と、その接合電極を備える半導体素子及び電子部品に関する技術を開示する。

半導体素子、電子部品の表面には、Ｃｕ製のリードフレームが接合されることがある。非特許文献１には、半導体素子の表面に接合電極（Ｃｕ膜）を設け、接合材としてＳｎを用いて、接合電極とリードフレームを接合する技術が開示されている。ＣｕとＳｎは、相互拡散してＣｕ−Ｓｎ化合物を形成する。Ｃｕ−Ｓｎ化合物が接合層として働き、接合電極とリードフレームが接合される。

２００９ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．３４５−３４９，２００９

半導体素子、電子部品の表面に設ける接合電極は、緻密で熱伝導率が高いことが好ましい。接合電極の材料としてＣｕを用いる場合、緻密で高熱伝導率の接合電極を得るためには、基板を加熱した状態で接合電極を成膜することが必要である。しかしながら、基板を加熱した状態で接合電極を成膜すると、基板と接合電極の線膨張率の差により、接合電極（Ｃｕ膜）に引張応力が生じる。基板及び接合電極に反りが生じ、接合電極の表面の平坦性が低下する。その結果、リードフレームと接合電極を接合したときに、接合層（Ｃｕ−Ｓｎ化合物）内にボイドが発生しやすくなる。接合層内にボイドが存在すると、リードフレームと接合電極の熱伝導が低下する。本明細書は、Ｃｕ製のリードフレームと接合する接合電極において、接合電極の表面の平坦性を向上させる技術を提供する。

本明細書で開示する接合電極は、半導体素子又は電子部品の表面に設けられており、Ｃｕ製のリードフレームに接合される。この接合電極の材料は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である。

上記添加元素（Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ）を含むＣｕ合金では、添加元素がＣｕと固溶して、Ｃｕの格子を膨張させる。その結果、添加元素を含まないＣｕ電極に比べ、接合電極に生じる引張応力を低減することができ、接合電極に生じる反りを抑制することができる。その結果、上記の接合電極は、例えばＳｎを用いてＣｕ製のリードフレームと拡散接合したときに、接合層内にボイドが生じることを抑制することができる。なお、「Ｃｕ製のリードフレーム」とは、必ずしも純銅で形成されたリードフレームを意味するものではなく、リードフレームがＣｕ元素を主成分とする材料（すなわち、Ｃｕ元素以外の元素も含まれている材料）で形成されていることを意味する。また、「添加元素を含むＣｕ合金」とは、Ｃｕを主成分（９０原子％以上）とし、他の元素を含む合金のことをいう。

本明細書で開示する半導体素子は、Ｃｕ製のリードフレームに接合される接合電極が表面に設けられている。その接合電極の材料は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である。

本明細書で開示する電子部品は、Ｃｕ製のリードフレームに接合される接合電極が表面に設けられている。その接合電極の材料は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である。

半導体素子の断面図を模式的に示す。リードフレームが接合された半導体素子の断面図を模式的に示す。接合電極の組成とボイド発生率との関係を示す。接合電極に含まれる添加元素の割合とボイド発生率との関係を示す。接合電極の内部応力とボイド発生率との関係を示す。

まず、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。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。

接合電極は、半導体素子又は電子部品の表面に設けられている。接合電極は、Ｃｕ製のリードフレームに接合される。接合電極とリードフレームは、接合材を用いた拡散接合により接合される。接合材の一例として、Ｓｎ板が用いられる。この場合、接合電極及びリードフレームに含まれるＣｕとＳｎ板に含まれるＳｎとが相互拡散し、接合電極とリードフレームがＣｕ―Ｓｎ接合層を介して接合される。なお、接合電極は、Ｃｕを主成分とし、添加元素としてＣｕより格子定数が大きな元素を含むＣｕ合金である。添加元素として、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂが挙げられる。

Ｃｕ合金に含まれる添加元素は、０．１原子％以上２．０原子％以下であることが好ましい。この割合であれば、添加元素はＣｕと固溶する。なお、添加元素の含有量が０．１原子％未満の場合、引張応力を低減する効果が得られにくく、接合電極の平坦性が低下する。また、添加元素の含有量が２．０原子％を超える場合、Ｃｕの結晶格子が過度に膨張し、圧縮応力が強くなり、接合電極の平坦性が低下する。特に好ましくは、Ｃｕ合金は、添加元素を１．０原子％以上２．０原子％以下の割合で含むことである。なお、リードフレームは、純銅（典型的に、Ｃｕ純度９９．９％以上）であってよい。あるいは、リードフレームは、接合電極と同様に、Ｃｕを主成分とするＣｕ合金であってもよい。リードフレームは、接合電極と拡散接合することが可能な程度にＣｕを含んでいればよい。

Ｃｕ合金は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂの少なくとも一種の添加元素を含む。すなわち、Ｃｕ合金は、これらの添加元素の一種のみを含んでいてもよいし、これらの添加元素のうちの複数種を含んでいてもよい。これらの添加元素は、常温で安定な結晶層を有しており、Ｃｕと固溶する。これらの添加元素がＣｕと固溶することにより、Ｃｕの結晶格子が膨張し、添加元素を含まないＣｕ膜（純銅膜）と比較して、Ｃｕ膜（Ｃｕ合金膜）に生じる引張応力が低減する。なお、添加元素は、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｍｎの少なくとも一種の元素であることがさらに好ましい。

接合電極の厚みは、０．５μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましい。電極の厚みが０．５μｍより薄い場合、接合電極とリードフレームを接合するときに、接合材が接合電極の裏面（接合材が配置される面とは反対側の面）まで拡散することがある。この場合、接合電極の裏面の一部（あるいは裏面全体）が接合層に変化し、半導体基板に接合層が接触することがある。典型的に、接合層は、半導体基板との濡れ性が悪い。そのため、接合層が半導体基板に接触すると、半導体基板と接合電極との密着性が低下することがある。また、接合電極の厚みが２０μｍより厚い場合、接合電極の内部応力によって半導体基板に反りが生じることがある。結果として接合電極にも反りが生じ、接合電極の表面の平坦性が低下することがある。

接合電極の内部応力は、２００ＭＰａ以下であることが好ましい。上記したように、接合電極の内部応力により半導体基板に反りが生じ、結果として接合電極の表面の平坦性が低下することがある。そのため、接合電極の内部応力は、小さいことが好ましい。また、半導体素子（接合電極が設けられた半導体基板）の反りは、１０μｍ以下であることが好ましい。半導体素子の反りを１０μｍ以下に抑制することにより、接合電極とリードフレームを拡散接合したときに、接合層にボイドが発生することを抑制することができる。なお、接合電極の内部応力が２００ＭＰａ以下であれば、半導体素子の反りを１０μｍ以下に抑制することができる。半導体素子（半導体基板）の反りは、レーザ変位計により測定することができる。

接合電極は、厚みが０．５μｍ以上で２０μｍ以下の範囲内で、内部応力が２００ＭＰａ以下であることが特に好ましい。なお、ここでいう、「内部応力」は、引張応力と圧縮応力の双方を含む。具体的には、引張応力を「正」で示し、圧縮応力を「負」で示す場合、接合電極の内部応力は、−２００ＭＰａ以上＋２００ＭＰａ以下であることが好ましいと言える。すなわち、接合電極の表面の平坦性を保つためには、内部応力の絶対値を２００ＭＰａ以下にすることが好ましい。

（第１実施例）
図１及び図２を参照し、半導体素子１０（図１）、及び、リードフレーム１４を接合した半導体素子１０（図２）について説明する。まず、図１を参照し、半導体素子１０について説明する。半導体素子１０は、ＳｉＣ基板２の表面に設けられているＮｉ_２Ｓｉ膜４と、Ｎｉ_２Ｓｉ膜４の表面に設けられているＴａＮ膜６と、ＴａＮ膜６の表面に設けられているＣｕ合金膜８を備えている。Ｎｉ_２Ｓｉ膜４の厚みは０．２μｍに調整されている。なお、Ｎｉ_２Ｓｉ膜４は、スパッタリング法を用いてＳｉＣ基板２上に形成されている。Ｎｉ_２Ｓｉ膜４は、ＳｉＣ基板２とオーミックコンタクトしている。ＴａＮ膜６は、スパッタリング法を用いてＮｉ_２Ｓｉ膜４上に形成されている。ＴａＮ膜６は、Ｎｉ_２Ｓｉ膜４とＣｕ合金膜８の接着性を向上させる。また、ＴａＮ膜６は、半導体素子１０とリードフレーム１４を接合するときに、ＣｕがＳｉＣ基板２に拡散することを防止する。

Ｃｕ合金膜８は、Ｃｕを主体とし、添加元素として１．０原子％（ａｔ．％）のＡｌを含んでいる（他に不可避の不純物を含むことはある）。Ｃｕ合金膜８の厚みは、５μｍに調整されている。Ｃｕ合金膜８は、ＳｉＣ基板２を３００℃で加熱した状態で、スパッタリング法を用いてＴａＮ膜６上に形成されている。なお、Ｃｕ合金膜８は、接合電極の一例である。

図２は、リードフレーム１４を接合した状態の半導体素子１０を示している。半導体素子１０とリードフレーム１４は、接合層１２を介して接合されている。接合層１２は、Ｃｕ−Ｓｎ化合物である。ここで、半導体素子１０とリードフレーム１４の接合方法について説明する。まず、Ｃｕ合金膜８の表面に１００μｍのＳｎ板を配置し、３％Ｈ_２を含むＮ_２雰囲気の加熱炉内に配置する。炉内温度は３５０℃に調整する。その後、Ｃｕ製のリードフレーム１４を加熱した状態でＣｕ合金膜８に圧着し、半導体素子１０とリードフレーム１４を接合する。接合層１２は、Ｃｕ合金膜８及びリードフレーム１４に含まれるＣｕと、Ｓｎ板に含まれるＳｎとが相互拡散することにより形成される。なお、図２に示すように、Ｃｕ合金膜８の一部（リードフレーム１４側）とリードフレーム１４の一部（Ｃｕ合金膜８）も接合層１２に変化する。

上記したように、Ｃｕ合金膜８は、ＳｉＣ基板２を加熱した状態で形成されている。ＳｉＣ基板２を加熱することにより、緻密で高熱伝導率のＣｕ合金膜８を得ることができる。そのため、半導体素子１０の放熱性を向上させることができる。なお、一般的に、半導体材料は、Ｃｕ合金より線膨張率が小さい。ＳｉＣ基板２も、Ｃｕ合金膜８より線膨張率が小さい。そのため、仮に、ＳｉＣ基板２を加熱した状態でＴａＮ膜６上にＣｕ（純銅）膜を成膜した場合、ＳｉＣ基板２とＣｕ膜との線膨張率の差に基づくバイメタル効果によってＣｕ膜に引張応力が生じる。Ｃｕ膜に引張応力が生じると、Ｃｕ膜が反り、Ｃｕ膜の表面の平坦性が低くなる。

しかしながら、Ｃｕ合金膜８は、１．０原子％のＡｌを含むＣｕ合金である。Ａｌの格子定数は、Ｃｕより大きい。そのため、Ｃｕ合金膜８では、ＡｌがＣｕの結晶格子を膨張させている。その結果、半導体素子１０の場合、ＳｉＣ基板２を加熱した状態でＴａＮ膜６上にＣｕ合金膜８を成膜しても、Ｃｕ合金膜８に生じる引張応力をＣｕ（純銅）膜より低減させることができる。Ｃｕ合金膜８の表面の平坦性が向上し、Ｃｕ合金膜８とリードフレーム１４を接合したときに、接合層１２内にボイドが発生することを抑制できる。接合層１２内のボイドを抑制することにより、Ｃｕ合金膜８とリードフレーム１４を強固に接合するとともに、半導体素子１０の放熱性をより向上させることができる。

図３に、Ｃｕ合金膜８の内部応力（ＭＰａ）、及び、半導体素子１０にリードフレーム１４を接合したときの接合層１２内のボイド発生率（％）を示す（実施例１）。なお、内部応力は、ＳｉＣ基板２の反り測定により算出した。また、図３では、引張応力を正、圧縮応力を負で示している。

図３に示すように、Ｃｕ合金膜８（実施例１）は、−４０Ｍｐａの内部応力（圧縮応力）を有している。Ｃｕ合金膜８の内部応力の絶対値は、添加元素を含まないＣｕ膜（比較例１：４２０ＭＰａ）に比べ、１０分の１以下である。また、Ｃｕ合金膜８は、接合層１２内のボイド発生率もＣｕ膜のおよそ１０分の１である。この結果は、接合電極（Ｃｕ合金膜８）の内部応力の絶対値を小さくすることにより、接合電極の表面の平坦性が増し、接合層内のボイドが低減することを示している。

ここで、ボイド発生率の算出方法について説明する。まず、Ｃｕ合金膜８からリードフレーム１４を除去し、接合層１２を露出させる。その後、接合層１２を赤外線顕微鏡で観察する。このときに、接合層１２内でボイドが発生している部分が、暗部として観察される。すなわち、ボイドが発生していない部分は、明部として観察される。明部のコントラストを強調する画像処理を行い、観察部分を黒部（暗部）と白部（明部）にデジタル化する。その後、下記式（１）よりボイド発生率を算出する。
式（１）：ボイド発生率＝（黒部の面積）／（観察部全体の面積）×１００

（実施例２〜実施例１３）
実施例２〜１３の半導体素子は、Ｃｕ合金膜の組成が、半導体素子１０のＣｕ合金膜８と異なる。実施例２〜４のＣｕ合金膜は、添加元素（Ａｌ）の割合が実施例１のＣｕ合金膜８と異なる。実施例５〜１３のＣｕ合金膜は、添加元素の種類が実施例１のＣｕ合金膜８と異なる（Ｃｕ合金膜に含まれる添加元素の割合（原子％）は実施例１と等しい）。実施例２〜１３の内部応力，ボイド発生率を図３に示している。なお、図３には、添加元素（Ａｌ）の割合が０．０５原子％のＣｕ合金膜（比較例２）、添加元素（Ａｌ）の割合が４．０原子％のＣｕ合金膜（比較例３）の結果についても併せて示している。

図４は、実施例１〜４，比較例１〜３の半導体素子について、接合電極に含まれる添加元素の割合とボイド発生率との関係を示している。横軸は添加元素（Ａｌ）の割合（原子％）を示し、縦軸はボイド発生率（％）を示している。図４に示すように、添加元素の割合が増加するに従って、ボイド発生率が低下している。しかしながら、添加元素の割合が１．０原子％を超えると、添加元素の増加に伴ってボイド発生率が増加することが分かる。このことは、添加元素の割合を増加させ過ぎると、接合電極の圧縮応力が強くなり、接合電極の表面の平坦性が低下することを示している。実施例１〜４の半導体素子は、ボイド発生率が１．０％未満である。すなわち、添加元素の割合が０．１原子％以上２．０原子％以下であれば、ボイド発生率をＣｕ膜（添加元素０％）の半分以下（１．１％以下）に抑制することができる。なお、特に好ましくは、添加元素の割合は、０．５原子％以上１．０原子％以下である。

図５は、実施例１〜４，比較例１〜３の半導体素子について、接合電極の内部応力とボイド発生率との関係を示している。横軸は内部応力（ＭＰａ）を示し、縦軸はボイド発生率（％）を示している。図５に示すように、内部応力（絶対値）が小さくなるに従い、ボイド発生率が低下する。図５のグラフより、内部応力（絶対値）が２００ＭＰａ以下であれば、ボイド発生率をＣｕ膜のボイド発生率（２．２％）の半分以下に抑制することができる。なお、好ましくは、内部応力は１００ＭＰａ以下である。

図３に示すように、Ｃｕより格子定数が大きな元素を添加元素として含むＣｕ合金膜は、いずれも内部応力がＣｕ膜より小さくなっている（実施例５〜１３）。Ａｌに代わる添加元素として、具体的には、図３に示しているＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂを用いることができる。なお、ボイド発生率を有用な数値に抑制するという観点から、添加元素としてＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂを用いる場合も、添加元素の割合は０．１原子％以上２．０原子％以下であることが好ましい。また、引張応力を抑制する効果の高さから、添加元素は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｐｂが好ましく、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｍｎが特に好ましい。

上記実施例では、ＳｉＣ基板上に接合電極が設けられている半導体素子について説明した。しかしながら、接合電極を設ける基板は、ＳｉＣに限定されず、ＧａＡｓ，ＧａＮ等の化合物半導体であってもよいし、シリコン（Ｓｉ）単結晶であってもよい。本明細書で開示する技術は、基板と接合電極の線膨張率が異なる形態であれば、あらゆる基板に対して適用することができる。また、上記実施例では、半導体素子の表面に設けられており、Ｃｕ製のリードフレームに接合される接合電極について説明した。しかしながら、Ｃｕ製のリードフレームに接合されるのであれば、接合電極は、電子部品の表面に設けられていてもよい。ここでいう電子部品とは、多数の回路素子を備えた集積回路、トランジスタ、ダイオード等のことをいう。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。また、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合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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目的を同時に達成し得るものであり、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。

８：接合電極
１０：半導体素子
１４：リードフレーム

Claims

半導体素子又は電子部品の表面に設けられており、Ｃｕ製のリードフレームに接合される接合電極であって、
前記接合電極の材料が、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である接合電極。
前記添加元素が、Ａｌ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｍｎから選択される少なくとも一種の元素である請求項１に記載の接合電極。
前記Ｃｕ合金が、添加元素を０．１原子％以上２．０原子％以下の割合で含む請求項１又は２に記載の接合電極。
前記Ｃｕ合金が、添加元素を０．５原子％以上１．０原子％以下の割合で含む請求項３に記載の接合電極。
前記接合電極の厚みが、０．５μｍ以上２０μｍ以下である請求項１から４のいずれか一項に記載の接合電極。
前記接合電極の内部応力が、２００Ｍｐａ以下である請求項１から５のいずれか一項に接合電極。
Ｃｕ製のリードフレームに接合される接合電極が表面に設けられている半導体素子であって、
前記接合電極の材料が、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である半導体素子。
Ｃｕ製のリードフレームに接合される接合電極が表面に設けられている電子部品であって、
前記接合電極の材料が、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択される少なくとも一種の添加元素を含むＣｕ合金である電子部品。