JP5523680B2 - 接合体、半導体装置および接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられる接合体、半導体装置および接合体の製造方法に関に関する。

従来から、電気・電子機器において電気的接合を行うための方法として、はんだ接合は極めて広範囲に行われている。このはんだ接合において、実用に極めて適していることから、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだが多用されてきた。しかし、Ｓｎ−Ｐｂ系共晶はんだに含まれるＰｂは、人体に対し有害であることから、Ｐｂを含まない、いわゆる非Ｐｂ系はんだの開発が急務とされている。

一方、現在半導体デバイスの中で、例えばパワーデバイスの接合材としては、主に融点が１８３℃の低温系はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ）と、融点が約３００℃程度の高温系はんだ（Ｐｂ−５Ｓｎはんだ）が多用されており、それぞれ工程に応じて使い分けられている。

このうち、低温系はんだについては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を中心としたものが実用化の段階に到達している。このため、多くのセットメーカーで非Ｐｂ系はんだへの代替は完了している。

また、高温系はんだ、すなわち例えば２６０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材については、高Ｐｂ含有材料以外はＡｕを主成分としたＡｕ系合金が挙げられる。しかし、貴金属のＡｕを使用するため、大幅に材料価格が上昇するため、汎用的に使用するには難しい材料である。また、ＰｂおよびＡｕ以外の金属材料を主成分とした金属合金も、高温系はんだとしては未だに実用化には至っていない。

これまでに、ＰｂおよびＡｕ以外の金属材料を主成分とし２６０℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材のひとつとして、Ｚｎ系合金が候補として挙げられている（特許文献１、特許文献２）。この接合材料は、Ｚｎ元素からなる金属材料であるため、安価であり、環境にも配慮された接合材である。しかしながら、耐酸化性が悪く、また、接合材料としても硬いため、実用化にまでは至っていない。

また、Ｓｎを主成分とするＳｎ系合金を高温系はんだに適用しようとする試みもなされている（特許文献３）。しかし、Ｓｎ系合金の場合、Ｃｕなどの被接合材との接合性や硬さなどの加工性は優れるものの、低融点のため低温で液化が始まることから、高温はんだとしての耐熱性を満たすことは困難であった。
特開２００４−２３７３５７号公報 特開２００１−１２１２８５号公報 特開２００１−２８４７９２号公報

本発明は、上記事情に鑑み、実質的にＰｂおよびＡｕを含有しない材料を用い、高温条件においても、なお良好な機械的強度を保持する接合部を有する接合体、半導体装置および接合体の製造方法を提供するものである。

本発明の一態様の接合体は、第１の基材と、第２の基材と、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層を具備し、前記金属間化合物層がＡｇ_３Ｓｎ相単相であり、かつ、前記第１の基材の接合面および前記第２の基材の接合面がＡｇ相単相の金属層であることを特徴とする。

本発明の一態様の半導体装置は、金属リードフレームと、半導体素子と、前記金属リードフレームと前記半導体素子とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層とを有し、前記金属間化合物層がＡｇ_３Ｓｎ相単相であり、かつ、前記金属リードフレーム接合面および前記半導体素子接合面がＡｇ相単相の金属層であることを特徴とする。

本発明の一態様の接合体は、第１の基材と、第２の基材と、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層を具備し、前記金属間化合物層がＣｕ _３ Ｓｎ相単相／Ｃｕ _６ Ｓｎ _５ 相単相／Ｃｕ _３ Ｓｎ相単相の積層構造であり、かつ、前記第１の基材の接合面および前記第２の基材の接合面がＣｕ相単相の金属層であることを特徴とする。

本発明の一態様の半導体装置は、金属リードフレームと、半導体素子と、前記金属リードフレームと前記半導体素子とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層とを有し、前記金属間化合物層がＣｕ _３ Ｓｎ相単相／Ｃｕ _６ Ｓｎ _５ 相単相／Ｃｕ _３ Ｓｎ相単相の積層構造であり、かつ、前記金属リードフレーム接合面および前記半導体素子接合面がＣｕ相単相の金属層であることを特徴とする。

本発明によれば、実質的にＰｂおよびＡｕを含有しない材料を用い、高温条件においても、なお良好な機械的強度を保持する接合部を有する接合体、半導体装置および接合体の製造方法を提供することが可能となる。

発明者らは、融点が２３２℃のＳｎと、これより高融点の金属元素であるＡｇまたはＣｕとを反応させて、Ｓｎよりも高融点の金属間化合物を形成するとともに、未反応のＡｇまたはＣｕを残すことにより接合を行うことで、耐熱性および信頼性に優れた接合体を得ることができることを見出した。本発明はこの知見に基づき完成されたものである。以下、本発明の接合体、半導体装置および接合体の製造方法について図面を参照しつつ説明する。

〔第１の実施の形態〕
本実施の形態の接合体は、第１の基材と、第２の基材と、前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する金属間化合物層を備えている。そして、この金属間化合物層がＡｇ_３Ｓｎ相であり、かつ、第１の基材の接合面および第２の基材の接合面がＡｇ相の金属層である。

図１は、本実施の形態の接合体の要部断面図である。この接合体１０は、接合面が第１の金属層１２ａである第１の基材１２と、接合面が第２の金属層１４ａである第２の基材１４とが金属化合物層１６によって接合されている。金属化合物層１６は、融点が４８０℃のＡｇ_３Ｓｎ層（ε相）で形成されている。また、第１の金属層１２ａおよび第２の金属層１４ａとは、ともにＡｇ相で形成されている。

本実施の形態によれば、接合部を形成するＡｇ_３Ｓｎ相およびＡｇ相の融点は、高温はんだに要求される耐熱温度２６０℃を大幅に上回っており、極めて高い耐熱性を有している。したがって、この接合体を、例えばはんだリフロープロセスなどの加熱処理工程に適用しても、接合部の強度が十分に保たれる。さらに、接合部にＡｇ_３Ｓｎ相よりも弾性が高く軟らかいＡｇ相を緩衝層として上下に設けている。これにより、この接合部を有する接合体は、熱応力が加わっても接合不良が生じにくく高い信頼性を実現することが可能となる。

本実施の形態の接合体は、具体的には、回路基板とその上に搭載される電子部品、あるいはリードフレームとその上に搭載される半導体素子、などが接合して形成される接合体である。この接合体は、電子機器の実装基板の一部に組み込まれたものであっても差し支えない。この接合体は、耐熱性および信頼性が優れていることにより、発光半導体装置（ＬＥＤ）やパワーデバイス等高温環境において用いられる電子機器製品分野、あるいは、その接合の形成後、さらにリフローはんだ接合処理を施すプロセスを採用する製品分野において特にその効果を発揮する。また、本実施の形態の接合体は、有害なＰｂおよび高価なＡｕを実質的に使用せずとも、十分な接合強度を有し、かつ高温条件下においても機械的強度が維持可能で、高い耐熱性および信頼性を備えている。

第１の基材および第２の基材については、少なくとも接合面がＡｇ相の金属層であれば、例えば、半導体、樹脂、セラミックス等任意の材料が選択可能である。また、基材自体がＡｇ相の金属であっても構わない。ここで、第１の基材および第２の基材の材料は、ともに基材自体がＡｇ相の金属となる場合以外は異なっていても構わない。

Ａｇ_３Ｓｎ相およびＡｇ相の物性を保持する限り、それぞれの相が多少の不純物を含有することは許容される。例えば、Ａｇ_３Ｓｎ相およびＡｇ相は、それぞれ重量％にして１％程度以下の不純物を含有しても構わない。Ａｇ_３Ｓｎ相およびＡｇ相の物性が保持される限り、接合体の特性は維持できるからである。

Ａｇ_３Ｓｎ相である金属間化合物層１６の膜厚は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。膜厚が１０μｍを超えると、金属間化合物層１６形成のための所要時間が長時間となり、接合効率が悪化する問題が生じ、この厚さが１μｍに満たないように形成しようとすると、Ｓｎ相が薄くなりすぎＡｇ相とのぬれ性が低下する問題が生じて好ましくない。

また、Ａｇ相である金属層１２ａ、１４ａの膜厚は、それぞれが金属間化合物層１６以上の膜厚を有することが、熱応力を緩和し高い信頼性を維持する点から望ましい。

次に、本実施の形態の接合体の製造方法について説明する。この製造方法は、接合面がＡｇ相である第１の金属層である第１の基材を準備する工程と、接合面が第１の金属層と同相のＡｇ相である第２の金属層である第２の基材を準備する工程と、第１の金属層または第２の金属層上にＳｎ相である第３の金属層を形成する工程と、第１の基材の接合面と、第２の基材の接合面とが対向する状態で、第１の基材と第２の基材とを密着させ、加圧しながら２３２℃以上３５０℃以下の温度で加熱することにより第１の基材と第２の基材とを接合する工程とを備えている。そして、第１の金属層と第２の金属層の総膜厚が第３の金属の総膜厚の１．９倍以上である。

この製造方法は、Ａｇ相の間にＳｎ相を介在させ、加熱してＳｎ相とＡｇ相を反応させることにより、耐熱性の高いＡｇ_３Ｓｎ相を金属間酸化物層として形成する。この時、Ｓｎ相は反応により完全に消失し、未反応のＡｇ相が残存するようにそれぞれの膜厚を制御する。

図２および図３は、本実施の形態の製造方法を示す接合体の要部断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、接合面の第１の金属層１２ａがＡｇ相である第１の基材１２を準備する。ここで、基材自体がＡｇ相であっても良いし、金属その他の基材の上に、Ａｇ相を、下地の材料等に合わせて、スパッタリング法、真空蒸着法、化学メッキ法、イオンプレーティング法など周知の手段を採用して形成しても構わない。同様に、接合面の第２の金属層１４ａがＡｇ相である第２の基材１４を準備する。

次に、第２の基材１４のＡｇ相の上に、Ｓｎ相２２を形成する。このＳｎ相２２の形成は、例えば、Ｓｎ箔をＡｇ相の上に載置して良いし、また、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法などの公知の物理的薄膜形成技術を用いて形成してもよい。さらに、化学メッキ法を採用することも可能である。なお、ここでは、第２の基材１４上のＡｇ相にＳｎ相２２を形成する場合について示したが、第２の基材１４にかえて第１の基材１２上のＡｇ相上にＳｎ相２２を形成しても構わない。

ここで、Ａｇ相の表面に、Ａｇ相の酸化防止およびＳｎ相２２との親和性改善のために、メタライズ層が形成されることが望ましい。このメタライズ層の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ等を用いることができる。なお、最終的な接合体が形成された時には、このメタライズ層が完全に拡散し残存しないことが望ましい。この観点からは、メタライズ層の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。このメタライズ層は、スパッタリング法、真空蒸着法、化学メッキ法、イオンプレーティング法など周知の手段を採用して形成することが可能である。

また、Ｓｎ相２２の表面には、酸化を防止するためにメタライズ層を設けることが好ましい。このメタライズ層の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ等を用いることができる。なお、最終的な接合体が形成された時には、このメタライズ層が完全に拡散し残存しないことが望ましい。この観点からは、メタライズ層の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。このメタライズ層は、スパッタリング法、真空蒸着法、化学メッキ法、イオンプレーティング法など周知の手段を採用して形成することが可能である。

次に、第１の基材１２の第１の金属層１２ａのＡｇ相表面と、Ｓｎ相２２の表面を密着させて、加圧しながら２３２℃以上３５０℃以下の接合温度で加熱することにより第１の基材１２と第２の基材１４とを接合する。この工程により、図２（ｂ）に示すように、Ｓｎ相２２と、その上下のＡｇ相とが反応して、金属間化合物層１６としてＡｇ_３Ｓｎ相が形成される。この時、Ａｇ相である第１、第２の金属層１２ａ、１４ａの一部が未反応層として残存する。このようにして接合体１０が形成される。

接合温度が２３２℃未満では、Ｓｎ相２２とＡｇ相が十分反応せず、Ａｇ_３Ｓｎ相が形成され難い。また、接合温度が３５０℃を超えると、接合体に熱的ダメージを与える可能性が高く、好ましくない。接合体へのダメージを軽減する観点からは、接合温度は２９０℃以下であることがより望ましい。

接合の際の雰囲気は、特に限定されず大気雰囲気中で行ってもよい。しかし、Ａｇ相やＳｎ相２２の酸化を防止するために、例えば、窒素雰囲気のような非酸化性雰囲気で加熱しながら接合することが望ましい。水素を含有した還元性雰囲気中で接合することがより望ましい。そして、接合の際、接合前にＳｎ相２２の表面に形成されていたＳｎ酸化層を破壊するために、接合面に対して水平方向に振幅させることが望ましい。

接合の際の加熱時間は、０．１秒以上５分以下であることが好ましい。加熱時間がこれより短いと十分金属間化合物層１６が形成されず、接合体の耐熱性が保てない恐れがある。また、加熱時間がこれより長いと加熱時間向上に見合った耐熱性向上効果が認められないため不経済である。

なお、図２では、接合前のＳｎ相２２は第２の基材１４側にのみ形成する場合について示したが、図３（ａ）に示すように、第１の基材１２側のＡｇ相表面にＳｎ相２２ａを、第２の機材１４側のＡｇ相表面にＳｎ相２２ｂを形成し、その後、Ｓｎ相同士の表面を密着させ、図３（ｂ）のように接合体１０を形成する方法であっても構わない。

そして、本実施の形態においては、Ａｇ相である第１の金属層１２ａと第２の金属層１４ａの総膜厚が、第３の金属すなわちＳｎ相２２の総膜厚の１．９倍以上である。さらに、第１の金属層１２ａおよび第２の金属層１４ａのそれぞれの膜厚が、Ｓｎ相２２の総膜厚の１．９倍以上とする。ここで、Ｓｎ相２２の総膜厚とは、図３（ａ）のようにＳｎ相がＳｎ相２２ａとＳｎ相２２ｂの２層ある場合には、この両者の膜厚の和を示すものとする。

なお、各層の膜厚は、接合体の断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察することで測定が可能である。

このように膜厚設定することにより、Ｓｎ相と反応する第１の金属層１２ａおよび第２の金属層１４ａのそれぞれのＡｇ相の量が、Ｓｎ相を反応させてＡｇ_３Ｓｎ相を形成するに必要な量よりも多量となる。したがって、接合体１０形成後に未反応のＳｎ相が残存して、接合体の耐熱性が低下することがない。また、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示すように接合体１０形成後に、接合部において、未反応のＡｇ相が金属間化合物層１６の両側に残存し、このＡｇ相／Ａｇ_３Ｓｎ相／Ａｇ相の３層構造が確実に形成されることになる。

Ｓｎ相２２の膜厚、あるいはＳｎ相２２ａ、Ｓｎ相２２ｂの膜厚の和は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。Ｓｎ相２２が１μｍより薄い場合には良好な接合性を保つことが困難になるからである。また、１０μｍより厚い場合には物理的成膜法によりＳｎ相を形成する際に、製造効率を低下させる恐れがあるからである。

〔第１の実施の形態の変形例〕
図４は、第１の実施の形態の変形例の接合体の要部断面図である。本変形例の接合体２０においては、Ａｇ_３Ｓｎ相である金属間化合物層１６の片側のみに、Ａｇ相である金属層１４ａが形成されている。熱応力に対する耐性を向上させるためには、第１の実施の形態のように、Ａｇ_３Ｓｎ相である金属間化合物層１６の上下にＡｇ相を設けることが望ましい。しかし、本変形例のようにＡｇ相が１層だけであっても、熱応力を緩和する効果を得ることは可能である。

なお、本実施の形態の接合体２０を製造する際の膜厚設定については、Ａｇ相である第１の金属層１２ａと第２の金属層１４ａの総膜厚が、第３の金属すなわちＳｎ相２２の総膜厚の１．９倍以上であればよい。この条件を満たせば、Ｓｎ相２２がすべて反応で消失するとともに、Ａｇ相である第１の金属層１２ａと第２の金属層１４ａの少なくともいずれかを残存させることが可能になる。

〔第２の実施の形態〕
本発明の第２の実施の形態の接合体は、Ａｇ相にかえてＣｕ相を適用すること以外は、基本的に第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。

本実施の形態の接合体においては、図１の金属層１２ａおよび金属層１４ａがＣｕ相で形成される。そして、金属間化合物層１６が、融点が４１５℃のＣｕ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されている。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態同様に、Ｃｕ_３Ｓｎ相およびＣｕ相で構成される接合層は、融点が３００℃以上あり、極めて高い耐熱性を有している。さらに、接合層がＣｕ_３Ｓｎ相よりも弾性が高く軟らかいＣｕ相を緩衝層として上下に設けることで、この接合層を有する接合体は、熱応力が加わっても接合不良の生じにくい高い信頼性を実現することが可能となる。

本実施の形態の接合体の製造方法においては、図２に示した第１の実施の形態の製造方法において、Ｃｕ相をＡｇ相にかえて用いる。そして、Ｃｕ相である第１の金属層１２ａと第２の金属層１４ａの総膜厚が、第３の金属すなわちＳｎ相２２の総膜厚の１．３倍以上である。さらに、第１の金属層１２ａおよび第２の金属層１４ａのそれぞれの膜厚をＳｎ相２２の総膜厚の１．３倍以上とする。ここで、Ｓｎ相２２の総膜厚とは、図３（ａ）のようにＳｎ相がＳｎ相２２ａとＳｎ相２２ｂの２層ある場合には、この両者の膜厚の和を示すものとする。

このように膜厚設定することにより、Ｓｎ相と反応する第１の金属層１２ａおよび第２の金属層１４ａのそれぞれのＣｕ相の量が、Ｓｎ相を反応させてＣｕ_３Ｓｎ相を形成するに必要な量よりも多量となる。したがって、接合体１０形成後に未反応のＳｎ相が残存して、接合体の耐熱性が低下することがない。また、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示すように接合体１０形成後に、接合部において、未反応のＣｕ相と、このＣｕ相に上下を挟まれた金属間化合物層１６であるＣｕ_３Ｓｎ相の３層構造が確実に形成されることになる。

なお、第１の実施の形態の変形例と同様に、未反応のＣｕ相を金属間化合物層１６であるＣｕ_３Ｓｎ相の片側に設ける接合体とすることも可能である。この場合は、接合体の製造にあたり、第１の金属層１２ａと第２の金属層１４ａの総膜厚が、第３の金属すなわちＳｎ相２２の総膜厚の１．３倍以上となるよう設定すればよい。

〔第２の実施の形態の変形例〕
本変形例は、金属間化合物層が、Ｃｕ_３Ｓｎ相（ε相）／Ｃｕ_６Ｓｎ_５相（η相）／Ｃｕ_３Ｓｎ相（ε相）の３層構造である以外は、第２の実施の形態と同様である。図５は、本変形例の接合体の断面図である。

図５に示すように、本変形例の接合体３０において、接合部は、Ｃｕ_３Ｓｎ相１６ｂ／Ｃｕ_６Ｓｎ_５相１６ａ／Ｃｕ_３Ｓｎ相１６ｃの３層構造で形成される金属間化合物層１６と、この金属間化合物層１６を上下で挟みこむＣｕ相で形成される第１の金属層１２ａと第２の金属層１４ａとで構成されている。

接合形成の際に、第２の実施の形態よりＳｎ相膜厚をＣｕ相に対して比較的厚く設定し，かつ、反応時間を長くして反応を進行させた場合に、融点が６７６℃とＣｕ_３Ｓｎ相よりも融点が高いＣｕ_６Ｓｎ_５相（η相）が、Ｃｕ_３Ｓｎ相（ε相）の間に形成される。Ｃｕ_３Ｓｎ相よりもＣｕ_６Ｓｎ_５相が熱伝導特性が劣るが、本変形例によっても、耐熱性の向上等、第２の実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。

〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態の半導体装置は、金属リードフレームと、半導体素子と、これらの金属リードフレームと半導体素子とを接合するＡｇ_３Ｓｎ相の金属間化合物層とを備えている。そして、金属リードフレーム接合面および半導体素子接合面がＡｇ相の金属層である。

図６は本実施の形態の半導体装置の要部断面図である。この半導体装置は、例えば、白色発光ダイオードなどの発光半導体装置である。

本実施の形態の半導体装置は、金属リードフレーム４２と、半導体素子４４と、この金属リードフレーム４２と半導体素子４４とを接合する金属間化合物層１６を有している。金属リードフレーム４２は、例えば、Ｃｕで形成されている。そして、金属リードフレーム４２の表面には、例えば化学メッキ法によりＡｇ相の第１の金属層４２ａが形成されている。また、半導体素子４４は、例えば、ＳｉＣなどの半導体基板４８裏面に、例えば化合物半導体の発光層５０が配置されている。そして、その表面に例えば、蒸着法により、Ａｇ相の第２の金属層４４ａが形成された構造となっている。

このように、Ａｇ相の金属層４２ａと４４ａに挟まれて、金属間化合物層１６としてＡｇ_３Ｓｎ相が形成され、第１の金属層４２ａ／金属間化合物層１６／第２の金属層４４ａの３層で接合部が構成される。

ここで、金属リードフレーム４２としては、Ｃｕなどの高膨張率材料の他にも、用途に応じて４２アロイなどの低膨張率材料を用いることも可能である。

なお、本実施の形態の半導体装置は、第１の実施の形態の接合体の製造方法の説明において、第１の基材を金属リードフレーム４２、第２の基材を半導体素子４４とし、適宜、公知の半導体装置に必要な製造方法を付加することにより製造が可能である。したがって、製造方法の詳細については、記述を省略する。

本実施の形態の製造方法において、Ａｇ相である第２の金属層４４ａの発光層５０に対する親和性をあげるために、発光層５０と第２の金属層４４ａとの間に、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｗなどから選ばれる金属膜を、例えば、スパッタ法により形成することが望ましい。また、Ｃｕの金属リードフレーム４２とＡｇ相である第１の金属層４２ａとの間に、Ｃｕの拡散バリアとしての、例えば、Ｎｉ膜を化学メッキ法により形成することが望ましい。

また、第１の実施の形態の製造方法で記載したように、接合前のＡｇ相やＳｎ相の表面に、酸化防止のための薄いメタライズ層を設けることも可能である。この場合、接合後にはメタライズ層が残存しないようにする。

本実施の形態の半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、有害な高Ｐｂ含有接合層用材料を使用せずとも、接合部が３００℃以上の耐熱性を有する。したがって、半導体装置の製造過程において、高温条件下にさらされても半導体素子と金属リードフレーム間の接合強度は維持される。具体的には、例えば接合形成後にさらにリフローにより、半導体装置を回路基板等へはんだ接合する場合に、リフロー温度（通常２５０℃程度）よりも高温の融点を有しているため、リフロー後の接合の熱劣化がみられないという効果を発揮する。

また、この半導体装置は、高温環境下の使用においても接合の劣化を招かず高い信頼性を有する。さらに、接合形成に必要な加熱時間が短いため、このような耐熱性が高く、信頼性の高い半導体装置を短時間の製造時間で提供することが可能となる。

また、本実施の形態の半導体装置の接合層は、３００℃以上の耐熱性があるにも関わらず、２５０℃程度の比較的低温の接合温度条件で製造できる。このため、耐熱性の高くない樹脂部品等へ熱的なダメージを与えにくい。したがって、半導体装置の製造方法の選択肢が増加するとともに製造時の熱的なプロセスウィンドウも増大するという利点がある。

なお、ここではＡｇ相とＳｎ相を反応させて、金属間化合物層１６としてＡｇ_３Ｓｎ相を形成した半導体装置について説明したが、第２の実施の形態に記載したように、Ｃｕ相をＳｎ相と反応させて、金属間化合物層１６を、Ｃｕ_３Ｓｎ相（ε相）あるいはＣｕ_３Ｓｎ相（ε相）とＣｕ_６Ｓｎ_５相（η相）で形成しても構わない。この場合、一方のＣｕ相が、Ｃｕの金属リードフレーム自体であっても構わない。

ここでは未反応のＡｇ相またはＣｕ相を金属間化合物層１６の上下に有する場合を例に説明したが、いずれか一方のみにＡｇ相またはＣｕ相を有する接合部を適用することも可能である。

また、ここでは半導体装置として発光半導体装置を例に説明した。耐熱性の高い本実施の形態の半導体装置は、発光半導体装置あるいはパワーデバイスのように高温環境下で用いられる半導体装置に適用することで特にその効果が期待できる。しかしながら、その他、ダイオード、トランジスタ、コンデンサ、サイリスタ、メモリ、プロセッサ、システムＬＳＩ等、金属リードフレームと半導体素子との接合を有するあらゆる半導体装置に適用することが可能である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、接合体、半導体装置および接合体の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる接合体、半導体装置および接合体の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての接合体、半導体装置および接合体の製造方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

（実施例１）
２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板の表面に、厚さ１μｍのＳｎ蒸着膜を形成し、その上に上記サイズのＣｕ板を載置した。これを、窒素雰囲気下で、２５０℃で１５秒加熱し接合を行い、接合体を形成した。

その結果、Ｃｕ板の間に、ＳｎＣｕからなる複数の金属間化合物層が形成された。ＳＥＭ−ＥＤＸ(Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ａｎａｌｙｓｉｓ)による元素分析の結果、中心層はＣｕ_６Ｓｎ_５相（η相）で形成されており、中心層の両側に位置する表層側層は、Ｃｕ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されていることが分かった。接合部上下のＣｕ板には、未反応のＣｕ相が残存していた。

この接合体の接合層は、２７０℃加熱に耐える耐熱性を備えていた。

（実施例２）
６００μｍ厚さのシリコンウェハ表面に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕをスパッタ法によりこの順序により成膜した。その後、その表面に、Ａｇ、Ｓｎをこの順序に蒸着して薄膜層を形成した。これらの層厚は、Ａｇ、Ｓｎがそれぞれ３．５μｍ、１．０μｍであった。

上記シリコンウェハを２．５×３．０ｍｍのサイズの半導体基板に裁断し、厚さ５．０μｍのＡｇメッキ処理を表面に施したＣｕ板と、Ｓｎ層とＣｕ板のＡｇとが接するように密着させ、窒素雰囲気下で、２５０℃で１５秒間加熱して接合させ接合体を形成した。元素分析の結果、接合部には金属間化合物としてＡｇ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されていることが分かった。接合部上下には、未反応のＡｇ相が残存していた。

こうして得た接合体を２５℃、２３０℃、２５０℃および２７０℃の温度条件でダイシェア試験を行った。図７は、ダイシェア試験の模式的説明図である。このダイシェア試験は、高温せん断試験であり、Ｃｕ板６０に、接合部６２を介して半導体基板６４が接合されている試験体を、所定の温度に加熱した状態で、加圧片６６を用いて白矢印方向に力を印加する。そして接合部６２の破断強度を測定する。

図８は、ダイシェア試験の結果を示すグラフである。図８の結果から明らかなように、各温度において平均２７ＭＰａを超えるせん断強度が得られ、高温条件下でも十分なせん断強度があり、耐熱性を有することが判明した。

（実施例３）
パワーデバイスにおける半導体素子と金属リードフレームとの接合と行った。半導体素子としては、２．５×３．０×０．６ｍｍのサイズのものを用いた。このパワーデバイスでは、Ｓｉの半導体素子裏面にＴｉ、Ｎｉ、Ａｕをこの順でスパッタ法により膜形成した。その後、Ａｕ表面にＣｕを３．５μｍ蒸着し、さらに、Ｓｎ層を１．０μｍ蒸着形成した。金属リードフレームとしてはＣｕのリードフレームを用いた。

半導体素子裏面のＳｎ層とＣｕのリードフレームが接するように密着させ、加熱して接合を行った。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、２５０℃、５秒とした。

接合部には金属間化合物としてＣｕ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されていることが分かった。接合部上下には、未反応のＣｕ相が残存していた。このようにして形成した接合体には、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。また、実施例２と同様のダイシェア試験を行ったところ、良好な耐熱性が示された。

最後に、リードフレームと半導体素子とをワイヤボンディングし、その後、樹脂封止し、２６０℃以上の耐熱性を有するパワーデバイスを得た。

（実施例４）
白色ＬＥＤにおける半導体素子と金属リードフレームとの接合を行った。半導体素子としては、１．０×１．０×０．３ｍｍのサイズのものを用いた。この白色ＬＥＤ用半導体デバイスは、ＳｉＣ基板裏面に形成された発光層表面のＡｕＧｅからなるオーミック電極上に、Ａｇを３．５μｍ蒸着し、さらにＳｎ層を１．０μｍ蒸着した。金属リードフレームとしてはＣｕのリードフレームを用い、表面にＡｇメッキを行った。

Ｓｎ層とＡｇメッキ層とが接するように密着させ、加熱して接合を行った。加熱は、１００ｐｐｍ以下の酸素濃度にしたフォーミングガス（窒素＋水素）雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、２５０℃、１５秒とした。

接合部には金属間化合物としてＡｇ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されていることが分かった。接合部上下には、未反応のＡｇ相が残存していた。このようにして形成した接合体には、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。

最後に、リードフレームと半導体素子とをワイヤボンディングし、その後、樹脂封止し、２７０℃以上の耐熱性を有する白色ＬＥＤを得た。

（実施例５）
Ｓｎ層表面に厚さ、２０ｎｍのＡｕ層を形成した以外は、上記実施例３と同様にして、パワーデバイスとリードフレームとの接合を行った。接合部には金属間化合物としてＣｕ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されていることが分かった。接合部上下には、未反応のＣｕ相が残存していた。Ａｕ層は、反応により消滅していた。接合後の界面にはボイドが認められず、良好な接合性を示した。

（実施例６）
Ｓｎ層表面に厚さ、２０ｎｍのＡｕ層を形成した以外は、上記実施例４と同様にして、白色ＬＥＤ用基板とリードフレームとの接合を行った。接合部には金属間化合物としてＡｇ_３Ｓｎ相（ε相）で形成されていることが分かった。接合部上下には、未反応のＡｇ相が残存していた。Ａｕ層は、反応により消滅していた。接合後の界面にはボイドが認められず、良好な接合性を示した。

（実施例７）
Ａｇメッキ層を４２アロイからなる金属リードフレーム上に成膜して用いた以外は、実施例４と同様にして白色ＬＥＤを得た。接合部には金属間化合物としてＡｇ_３Ｓｎ相（ε相）が形成されていることが分かった。接合後の接合界面には、ボイドは発生せず良好な接合性を示し、高温での接合性も良好であった。

（比較例１）
２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板の表面に、厚さ１μｍのＳｎ蒸着膜を形成し、その上に上記サイズのＡｇ板を載置した。これを、窒素雰囲気下で、２５０℃で１５秒加熱し接合を行った。

その結果、接合層には、Ｃｕ板界面にはＣｕＳｎ金属間化合物が、Ａｇ板界面にはＡｇＳｎ金属間化合物が形成された。両金属間化合物界面には、クラックやボイドが多発し、接合不良となった。

（比較例２）
６００μｍ厚さのシリコンウェハ表面に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕをスパッタ法によりこの順序により成膜した。その後、その表面に、Ａｇ、Ｓｎをこの順序に蒸着して薄膜層を形成した。これらの層厚は、Ａｇ、Ｓｎがそれぞれ３．５μｍ、１．０μｍであった。

上記シリコンウェハを２．５×３．０ｍｍのサイズの半導体基板に裁断し、厚さ５．０μｍのＡｇメッキ処理を表面に施したＣｕ板と、Ｓｎ層とＣｕ板のＡｇとが接するように密着させ、４００℃で３０秒間加熱して接合させ接合体を形成した。こうして得た接合体の接合層断面観察したところ、Ｓｉ基板裏面に形成されていたＡｇ蒸着膜が消滅しており、Ｓｉ／ＡｇＳｎ間金属間化合物界面でクラックやボイドが発生し、接合不良となった。高温の接合温度による問題と考えられる。

第１および第２の実施の形態の接合体の要部断面図である。 第１および第２の実施の形態の製造方法を示す接合体の要部断面図である。 第１および第２の実施の形態の製造方法を示す接合体の要部断面図である。 第１の実施の形態の変形例の要部断面図である。 第２の実施の形態の変形例の要部断面図である。 第３の実施の形態の半導体装置の要部断面図である。 実施例のダイシェア試験の模式的説明図である。 実施例のダイシェア試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 接合体
１２ 第１の基材
１２ａ 第１の金属層
１４ 第２の基材
１４ａ 第２の金属層
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 金属間化合物層
２０ 接合体
２２、２２ａ、２２ｂ Ｓｎ相
３０ 接合体
４２ 金属リードフレーム
４２ａ 第１の金属層
４４ 半導体素子
４４ａ 第２の金属層
４８ 半導体基板
５０ 発光層
６０ Ｃｕ板
６２ 接合部
６４ 半導体基板
６６ 加圧片

Claims (4)

1. 第１の基材と、
   第２の基材と、
   前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層を具備し、
   前記金属間化合物層がＡｇ_３Ｓｎ相単相であり、かつ、前記第１の基材の接合面および前記第２の基材の接合面がＡｇ相単相の金属層であることを特徴とする接合体。
2. 金属リードフレームと、
   半導体素子と、
   前記金属リードフレームと前記半導体素子とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層とを有し、
   前記金属間化合物層がＡｇ_３Ｓｎ相単相であり、かつ、前記金属リードフレーム接合面および前記半導体素子接合面がＡｇ相単相の金属層であることを特徴とする半導体装置。
3. 第１の基材と、
   第２の基材と、
   前記第１の基材と前記第２の基材とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層を具備し、
   前記金属間化合物層がＣｕ_３Ｓｎ相単相／Ｃｕ_６Ｓｎ_５相単相／Ｃｕ_３Ｓｎ相単相の積層構造であり、かつ、前記第１の基材の接合面および前記第２の基材の接合面がＣｕ相単相の金属層であることを特徴とする接合体。
4. 金属リードフレームと、
   半導体素子と、
   前記金属リードフレームと前記半導体素子とを接合する膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下の金属間化合物層とを有し、
   前記金属間化合物層がＣｕ_３Ｓｎ相単相／Ｃｕ_６Ｓｎ_５相単相／Ｃｕ_３Ｓｎ相単相の積層構造であり、かつ、前記金属リードフレーム接合面および前記半導体素子接合面がＣｕ相単相の金属層であることを特徴とする半導体装置。
   

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