JP5546067B2 - 半導体接合構造体および半導体接合構造体の製造方法 - Google Patents

半導体接合構造体および半導体接合構造体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体部品の内部接合に関するものであり、特に優れた機械特性と耐熱性が要求されるパワー半導体モジュールの半導体素子と電極をＳｎ基はんだによって接合する半導体接合構造体等に関するものである。
エレクトロニクス実装分野においては、鉛の有害性の懸念や環境への関心の高まりから、鉛を用いない接合が望まれ、一般的なはんだ材であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだについては代替材料が開発、実用化されている。
一方、半導体部品内部の接合材料として高温鉛はんだ代替材料が検討されている。
高温鉛はんだ代替候補材料としては、はんだ材料ではＡｕ系、Ｂｉ系、Ｚｎ系、Ｓｎ系のものが挙げられる。Ａｕ系のはんだ材料に関しては、例えば融点が２８０℃のＡｕ−２０Ｓｎなどが一部実用化されているが、主成分が金であるため、材料物性が硬く、材料コストが高く、小型部品に使用が限定されるなど汎用性を持たない。
融点が２７０℃付近であるＢｉは溶融温度面では問題ないが延性、熱伝導率に乏しく、またＺｎ系はんだは弾性率が高すぎるため、半導体部品の内部接合においては機械特性と耐熱性が課題である。
一方、Ｓｎ系のはんだ材料に関しては、優れた機械特性を有するものの、融点が２５０℃未満と低く耐熱性に乏しい。そこで、Ｓｎ系の耐熱性向上を目的として、例えばＣｕＳｎ化合物を形成することにより金属間化合物化により融点を上げた接合材料が検討されている。（特許文献１参照）
図６は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。図６において、パワー半導体モジュール５０１は、パワー半導体素子５０２と電極５０３との間に接合部５０４を有する。この接合部５０４は、ＣｕＳｎ化合物を接合材料として用いている。
特開２００７−２７３９８２号公報
しかしながら、特許文献１のＣｕＳｎ化合物の接合材料は、はんだ材料としてＳｎとＣｕの混合粉末を用いて、十分時間を掛けて接合すると、図７のように、ＳｎとＣｕの金属間化合物化により、パワー半導体モジュールが基板へ実装される際にかかる熱に対する接合部５０４の耐熱性、つまり一般的なリフロー温度である２６０℃雰囲気下での耐熱性を有するものの、パワー半導体モジュールの使用時に接合部５０４にクラック、剥離などが生じてしまう可能性がある。
これは、接合部５０４の殆どの部分が、ＳｎとＣｕの金属間化合物化により、接合部５０４の延性が失われ、パワー半導体モジュール使用時に生じる熱応力を受け、その応力を緩和することができないことが理由として考えられる。
一方、十分には時間を掛けずに接合すると、図８のように、ＳｎとＣｕとが完全には金属間化合物化せずに、Ｓｎの部分が相当量残存して接合部の延性を保つが、パワー半導体モジュール５０１が基板へ実装される際にかかる熱に対する接合部の耐熱性、つまり一般的なリフロー温度である２６０℃雰囲気下での耐熱性が失われる。
これは、ＳｎとＣｕを完全に金属間化合物化せずに、Ｓｎが残ることにより、例えばＳｎが層状に残存した場合、リフロー時に再溶融し、半導体素子と電極がずれる等の不具合が生じる可能性がある為である。なお、金属間化合物は生成されることはあるが、球状の金属間化合物が少しの量、離散的に出来るに止まる。
従って、前記特許文献１の接合材料による接合構造体では、応力緩和性と耐熱性を両立しなければならないという課題を有している。
本発明は、従来の上記課題を考慮し、耐熱性と、応力緩和性とを両立させた、半導体接合構造体等を提供することを目的とする。
第１の本発明は、
基板電極の上に、Ｓｎを含む第１金属間化合物層と、Ｓｎを含む第３金属間化合物部およびＳｎを含む相で構成された第３の層と、Ｓｎを含む第２金属間化合物層とが、順に積層されている上に、半導体素子の電極が載置された半導体接合構造体であり、
前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層とは、前記第３金属間化合物部で層間接合している一部を有する、半導体接合構造体である。
第２の本発明は、
前記第３金属間化合物部は、棒状の形態である、第１の本発明の半導体接合構造体である。
第３の本発明は、
前記第１金属間化合物層が、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
前記第２金属間化合物層が、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
前記第３金属間化合物部が、Ａｕ−ＳｎとＡｇ−Ｓｎのいずれか一方からなる金属間化合物で構成され、
前記Ｓｎを含む相が、ＡｕとＡｇのいずれか一方を含む構成である、第１の本発明の半導体接合構造体である。
第４の本発明は、
前記第１金属間化合物層が、Ａｇ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
前記第２金属間化合物層が、Ａｇ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
前記第３金属間化合物部が、Ａｕ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
前記Ｓｎを含む相が、ＡｕとＡｇのいずれか一方を含む構成である、第１の本発明の半導体接合構造体である。
第５の本発明は、
半導体素子の電極表面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する金属膜を形成する、半導体素子表面の金属膜形成工程と、
基板電極表面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する金属膜を形成する、電極表面の金属膜形成工程と、
前記金属膜が形成された半導体素子の電極面、および前記金属膜が形成された基板電極の面とを対向させ、対向された面の間をＳｎを含むはんだ材料で接合する際、前記基板電極の面に形成される第１金属間化合物層と、前記半導体素子の電極面に形成される第２金属間化合物層とが、前記Ｓｎを含むはんだ材料によって形成される第３金属間化合物部によって、一部で層間接合させる接合工程とを備えた、半導体接合構造体の製造方法である。
第６の本発明は、
前記半導体素子の表面に形成する金属膜の材料は、Ａｇ、Ｃｕのいずれか一つ又はＡｇとＣｕの組合せであり、
前記電極の表面に形成する金属膜の材料は、Ａｕ、Ａｇのいずれか一つ又はＡｇとＡuの組合せであり、
前記Ｓｎを含むはんだ材料は、Ｓｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕである、第５の本発明の半導体接合構造体の製造方法である。
以上のように、本発明によれば、パワー半導体モジュールの使用時における温度サイクルで生じる熱応力に対する応力緩和性を確保し、同時に、パワー半導体モジュールが基板へ実装される際にかかる熱に対する接合部の耐熱性を確保して、応力緩和性と耐熱性を両立することにより、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
本発明の実施の形態におけるパワー半導体モジュールの断面図 本発明の実施の形態における実施例1の接合構造体の製造工程フロー図 本発明の実施の形態における実施例１の接合構造体の製造工程を説明する断面図 本発明の実施の形態における、図３の接合構造体を、材料を一般化した用語で説明した図 本発明の実施の形態における実施例1の接合構造体の製造工程フロー図 従来のパワー半導体モジュールにおける接合構造体の断面図 従来のパワー半導体モジュールの製造工程における接合加熱の時間が十分長い場合を示す、パワー半導体モジュールの断面図 従来のパワー半導体モジュールの製造工程における接合加熱の時間が短い場合を示す、パワー半導体モジュールの断面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるパワー半導体モジュール１００の断面図である。
半導体素子１０２は、接合材料１０４により、基板電極１０３（以後単に電極１０３と表記する）に接合され接合構造体１０５を形成し、その接合構造体１０５が基板１０１に実装されている。
次に、この形成された接合構造体１０５について詳細に説明する。
図２は、本発明の実施の形態における実施例１の接合構造体の製造工程フロー図である。
図２（ａ）は、電極１０３にはんだ材料２０３を供給する工程図である。
ここで用いるＣｕ合金で構成された電極１０３には、予め電解めっき法により、厚み３μｍのＡｇ層２０２、及び、前記Ａｇ層２０２の上に厚み３μｍのＡｕ層２０１を成膜させている。
はんだ材料２０３を供給するに際しては、水素５％を含んだ窒素雰囲気中で、２６０℃に加熱した状態の電極１０３を用いる。
このＡｕ層２０１の上に、長さ５００〜８００μｍ、直径φ１．０ｍｍのワイヤーの形状のＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ（以後単にＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕと表記する）（融点：２１７℃）のはんだ材料２０３を供給する。
次にはんだ材料２０３の上に半導体素子１０２を載置する。
図２（ｂ）は、半導体素子１０２をはんだ材料２０３の上に載置する工程図である。
ここで用いるＧａＮで構成され、厚み０．３ｍｍ、４ｍｍ×５ｍｍの大きさの半導体素子１０２には、予め電解めっき法により、厚さ１０μｍのＣｕ層２０６、及び前記Ｃｕ層２０６に上に厚み５μｍのＡｇ層２０５を成膜させている。
半導体素子１０２を載置するに際しては、前述のはんだ材料２０３の供給工程と同様に、水素５％を含んだ窒素雰囲気中で、２６０℃に加熱した状態の電極１０３を用いている。
このＡｇ層２０５がはんだ材料２０３に接するように、半導体素子１０２を５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で、電極１０３に供給されたはんだ材料２０３の上に載置する。
次に、水素５％を含んだ窒素雰囲気中で、２６０℃に加熱した状態の電極１０３のままで、半導体素子１０２をはんだ材料２０３の上に載置してから約１０分間放置させた後、自然冷却させることにより、電極１０３と半導体素子１０２とを接合させる接合部２１２を形成させ、接合構造体１０５を製造する。
ここで、電極１０３と半導体素子１０２とを接合させる接合部２１２について説明する。図３（ａ）は、半導体素子１０２を、電極１０３上に供給されたはんだ材料２０３に載置した直後の模式図である。
図２（ｂ）で示したＡｇ層２０５とはんだ材料２０３との間での拡散反応、Ａｕ層２０１とＡｇ層２０２とはんだ材料２０３との間での拡散反応により、図３（ａ）のように、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９とが混在した棒状金属間化合物部２０９（後述する第３金属間化合物部の一例に対応）が形成し始める。
ここで、棒状とは、核となる結晶が成長して、縦横比の異なる柱状を意味する。
また同時に、前述の棒状金属間化合物部２０９を形成しながら、図２（ｂ）で示したＣｕ層２０６とはんだ材料２０３との間での拡散反応が起こり、図３（ａ）のように、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８（後述する第２金属間化合物層の一例に対応）、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７（後述する第１金属間化合物層の一例に対応）が形成し始める。
図３（ｂ）は図３（ａ）から１０分間放置した模式図である。
２６０℃で加熱した状態で１０分間放置することで、図３（ａ）で形成した棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９とが混在した棒状金属間化合物部２０９や、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７が成長する。
図２（ｃ）つまりその詳細図である図３（ｃ）は、図３（ｂ）を自然冷却させ、接合構造体を完成させた模式図である。
接合部２１２において、図３（ｂ）の状態で形成した、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９が混在した棒状金属間化合物部２０９と、Ｓｎ／Ａｕ／Ａｇ混在組織の応力吸収部である、Ｓｎを含む相２１０とが、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７に挟まれ、さらに、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９が、上下のＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７と層間接合した状態で凝固する。
以上により、電極１０３と半導体素子１０２とが接合部２１２により、すなわち、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９が混在した棒状金属間化合物部２０９と、Ｓｎ／Ａｕ／Ａｇ混在組織の応力吸収部である、Ｓｎを含む相２１０とが、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７に挟まれ、さらに、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９が、上下のＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７と層間接合した状態で凝固した接合部２１２により、接合される。

図４は、図３の接合状態を、材料を一般化した（上位概念化した）用語で説明した図である。ここで、第1金属間化合物層２０７‘は、上記ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７の一般化であり、第２金属間化合物層２０８‘は、上記ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８の一般化である。さらに、棒状金属間化合物部２０９‘は、上記棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９、棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９の一般化であって、本発明の第３金属間化合物部の一例である。
なお、この第３金属間化合物部の一例である棒状金属間化合物部２０９と、Ｓｎを含む相２１０とで、本発明の第３の層３００が構成されている。この第３金属間化合物部の他の例としては、柱状、針状などの金属間化合物部がある。
上記の事例（実施例１の接合時間が１０分の場合）により完成させた接合構造体を使用して、ワイヤボンディング、封止を実施し、パワー半導体モジュールを形成させ、接合構造体の接合部のクラック、剥離の確認のため、製品歩留まりを確認した。
製品歩留まりの確認方法は、低温側が−４５℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離を判定し、接合部の表面積に対してクラック、剥離が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。
製品歩留まりの判定は、８０％以上を○、５０％以上８０％未満を△、５０％未満を×と区別するようにし、８０％以上（○）を良品としている。
上記の事例により完成させた接合構造体のパワー半導体モジュールの製品歩留まりは１００％であったことから、○とし、良品と判定できる。
このことから、接合部のクラック、剥離は認められなかった。
このパワー半導体モジュールにおける接合構造体の接合部のクラック、剥離が起こらない理由としては、以下のことが推察される。
接合構造体の接合部２１２において、金属間化合物と比較して延性を有するＳｎ／Ａｕ／Ａｇ混在組織が存在し、温度サイクル試験で生じる熱応力に対して、Ｓｎ／Ａｕ／Ａｇの混在組織がひずむことにより、応力緩和性が発現した為と考えられる。
さらに、接合構造体をパワー半導体モジュールとして使用するための耐熱性を確認したところ、リフロー温度を想定した２６０℃の雰囲気下で接合構造体の半導体素子と電極のせん断方向からの接合強度が３０ｇｆ以上であった。これは、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、及び棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９、棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９の形成により金属間化合物層と棒状金属間化合物部が繋がる（層間接合）ことにより、２６０℃の耐熱性を有すると推定される。
なお、ここにＣｕＳｎ金属間化合物層２０７、２０８の融点は約４１５℃であり、棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９の融点は約２６０℃、約４８０℃と何れも２６０℃以上であることからも、金属間化合物層と棒状金属間化合物部が繋がることにより、２６０℃の耐熱性を有するといえる。
かかる構成によれば、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９が混在した棒状金属間化合物部２０９と、Ｓｎ／Ａｕ／Ａｇ混在組織の応力吸収部であるＳｎを含む相２１０とが、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７に挟まれ、さらに、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部２０９と棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部２０９が、上下のＣｕＳｎ金属間化合物層２０８、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７と層間接合した状態で凝固した接合部２１２により、半導体素子と電極とを接合することで、従来技術で得られなかった温度サイクルで生じる熱応力に対する応力緩和性とパワー半導体モジュールが基板へ実装される際にかかる熱に対する接合部の耐熱性の確保を両立することにより、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
これにより、本発明の実施の形態における接合構造体は、従来の課題を解決したものと言える。
次に、電極と半導体素子にあらかじめ成膜した層の材料構成と厚みを変化させて、応力緩和性、耐熱性を確認した。
ここで、各層の名称を次のように定めて説明する。図５のように、電極に電解めっき法により成膜した膜の名称を電極の面に接する方から電極表面第２処理層４０２、電極表面第１処理層４０１とし、次に半導体素子に電解めっき法により成膜した膜の名称を素子の面に接する方から素子表面第２処理層４０６、素子表面第１処理層４０５とし、膜の構成と厚みを変化させて接合部を形成させた。表１は本発明実施の形態で検討した構成の実施例を示す。
Figure 0005546067
表１の縦軸は、電極に成膜した膜の構成と厚みを示し、横軸は半導体素子に成膜した膜の構成と厚みを示す。
例えば、実施例１では、電極の面に接する方から電極表面第２処理層４０２としてＡｇ３μｍ、電極表面第１処理層４０１としてＡｕ３μｍを２層で成膜した電極と、半導体素子の面に接する方から素子表面第２処理層４０６としてＣｕ１０μｍ、素子表面第１処理層４０５としてＡｇ５μｍを成膜した半導体素子をはんだ材料により接合し、接合部を形成させた。
なお、接合の為のはんだ材料は、実施例ではＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕとし、従来例ではＳｎとＣｕとの混合粉末を用いた。
次に、表２は表１の各実施例１〜９から得られた接合構造体の接合部の組成についてまとめたものである。なお、従来例の場合は接合の加熱時間が６０分の場合である。実施例１〜９の場合は接合の加熱時間が１０分〜６０分である。
Figure 0005546067
なお、表２における各実施例及び従来例の接合部の組成はＥＤＸ（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）装置を用いて調べた。
但し、従来例は従来技術のＳｎとＣｕ混合粉により接合部をＣｕＳｎ化合物のみで形成した構成である。
表３は、表１の各実施例１〜９の電極と半導体素子を用い、半導体素子をはんだ材料が供給された電極上に載置してから自然冷却開始までの時間を１０分、２０分、３０分、６０分と変化させた接合構造体の製品歩留まりと耐熱性を示す。
Figure 0005546067
製品歩留まりは、表１の各実施例１〜９で得られた接合構造体を用いて、ワイヤボンディング、封止を実施し、パワー半導体モジュールを形成させ、接合構造体の接合部のクラック、剥離の確認のため、製品歩留まりを確認した。
製品歩留まりの確認方法は、低温側が−４５℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離を判定し、接合部の表面積に対してクラック、剥離が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。
製品歩留まりの判定は、８０％以上を○、５０％以上８０％未満を△、５０％未満を×と区別するようにし、８０％以上（○）を良品としている。
また、耐熱性は、接合構造体をパワー半導体モジュールとして使用するため、リフロー温度を想定した２６０℃での耐熱性を確認した。
２６０℃耐熱性は、２６０℃の雰囲気下で接合構造体の半導体素子と電極のせん断方向からの接合強度が３０ｇｆ以上とならば２６０℃耐熱性を有していると判定している。
つまり、２６０℃の雰囲気下で接合強度が３０ｇｆ以上であれば、棒状金属間化合物部２０９‘が第１金属間化合物層２０７‘と第２金属間化合物層２０８‘の両方と接して層間接合することにより、２６０℃の耐熱性を有すると推定している。
表３の結果より、製品歩留まりに関しては、接合時間１０〜２０分では実施例１〜９、従来例共に判定○で良品であり、接合時間３０分では実施例３、６、７〜９が判定○で良品であり、接合時間６０分では実施例１〜９、従来例共に判定×であり、接合時間が長くなるとクラック、剥離の発生の程度が増している。
本発明の実施の形態における実施例の接合構造体での工程時間３０分で一部、６０分で全ての製品歩留まりの判定が△、×となっているが、これに関しては、工程時間が進むことにより金属間化合物層、棒状金属間化合物の成長が進み過ぎ、ＳｎとＡｕ或いはＡｇよりなるＳｎを含む相が存在しなくなり、温度サイクル試験で生じる熱応力に対する応力緩和性が発現しなくなったと考えられる。
さらに、表３の結果より、２６０℃における耐熱性に関しては、接合時間１０分では実施例１のみがＯＫであり、接合時間２０分では実施例１、２、４、５、７、８が良判定であり、接合時間３０分では実施例１〜９が良判定であり、接合時間６０分では実施例１〜９、従来例共に良判定であり、接合時間が長くなると耐熱性が増している。その理由は、棒状金属間化合物部２０９‘が第１金属間化合物層２０７‘と第２金属間化合物層２０８‘の両方と接して繋がる程度が増していったからである。
以上の結果から、応力緩和性を有する製品歩留まり判定○と耐熱性を有する２６０℃耐熱性良判定の両方を兼ね備えた領域をみると、実施例１では接合時間１０分、２０分であり、実施例２では接合時間２０分の領域である。実施例３では３０分、実施例４では２０分、実施例５では２０分、実施例６では３０分、実施例７では２０〜３０分、実施例８では２０〜３０分、実施例９では３０分である。
それに対して従来例では、製品歩留まりと２６０℃の耐熱性の確保との良判定を両立する領域が存在しないとがわかる。
その理由は、従来例の２６０℃の耐熱性を確保する接合構造体で、３０分と６０分で接合構造体の製造歩留まりが△と×判定であったことに関しては、延性の低い脆弱なＣｕＳｎ金属間化合物部のみで接合されることにより、温度サイクル試験で生じる熱応力に対する応力緩和性が得られず接合構造体の接合部のクラック、剥離が発生した為と考えられる。
それに対して本発明の実施の形態における実施例の接合構造体では、金属間化合物と比較して延性を有するＳｎを含む相が存在し、温度サイクル試験で生じる熱応力に対してＳｎを含む相がひずむことにより応力緩和性が発現し、かつ、棒状金属間化合物部２０９‘が第１金属間化合物層２０７‘と第２金属間化合物層２０８‘の両方と接して繋がることにより、２６０℃の耐熱性が発現し、応力緩和性と耐熱性の両立を実現できたものと考えられる。
従って、本発明実施の形態では、温度サイクル試験の製品歩留まりと２６０℃の耐熱性の確保の良判定を両立する領域が確保出来ている。
本発明の実施の形態では、半導体素子１０２と接合部２１２との境界部分及び基板電極１０３と接合部２１２との境界部分に、ＣｕＳｎ化合物またはＡｇＳｎ化合物よりなる金属間化合物層２０７’、２０８‘を形成させ、それ以外の接合部は、ＡｕＳｎ化合物とＡｇＳｎ化合物が混在した棒状金属間化合物部２０９’と、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇよりなる、Ｓｎを含む相２１０との第３の層３００を形成させることにより、応力緩和性と耐熱性の両立を実現した。
そのような構造を実現するため、例えば実施例１では、電極表面処理層、半導体素子表面処理層の、はんだ材料と接する順が近い部分にはんだ材料中のＳｎと棒状金属間化合物部を形成し得るＡｕ或いはＡｇを配置し、遠い部分にはんだ材料中のＳｎと金属間化合物層を形成し得るＡｇ或いはＣｕを配置した。
なお、実施例１〜９において、それらの厚みに関しては、はんだ材料の量と相関して決める必要がある。
つまり、本発明実施の形態では、ＧａＮで構成された厚み０．３ｍｍ、４ｍｍ×５ｍｍの大きさの半導体素子を対象として、接合部の厚みが２５〜３５μｍとなるようにはんだ材料の量を決定した。長さ５００〜８００μｍ、直径φ１．０ｍｍのワイヤーの形状のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点：２１７℃）のはんだ材料２０３を供給した。
このはんだ材料の量に対して、半導体素子１０２と接合部２１２との境界部分及び電極１０３と接合部２１２との境界部分のＣｕＳｎ化合物或いはＡｇＳｎ化合物よりなる金属間化合物層２０７‘、２０８‘に対して、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物よりなる棒状金属間化合物部２０９‘が、半導体素子と電極が繋がる必要があり、かつ、ＳｎとＡｕ或いはＡｇよりなるＳｎを含む相２１０が存在するように、電極表面処理層、半導体素子表面処理層の各層の厚みを決める必要がある。
つまり、Ｓｎと化合物を形成するＣｕ、Ａｇ、Ａｕの供給量が過多な場合、ＳｎとＡｕ或いはＡｇよりなるＳｎを含む相が存在しなくなる可能性が生じ、Ｓｎを含む相が存在しない場合温度サイクル試験で生じる熱応力に対する応力緩和性が発現しなくなる。
また、Ｓｎと化合物を形成するＣｕ、Ａｇ、Ａｕの供給量が過少な場合、半導体素子１０２と接合部２１２との境界部分及び電極１０３と接合部２１２との境界部分のＣｕＳｎ化合物或いはＡｇＳｎ化合物よりなる金属間化合物層２０７’、２０８’と、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物よりなる棒状金属間化合物部２０９‘が繋がらない可能性が生じ、金属間化合物層２０７’、２０８’と棒状金属間化合物部２０９‘が繋がらない場合、２６０℃の耐熱性が発現しなくなる。
なお、実施例１における、Ａｕ−Ａｇ層の順は配置が逆でもよい。すなわち、実施例１では、電極表面処理層Ａｕ（はんだ材料側）／Ａｇ（電極側）については、はんだ材料中のＳｎに対しての拡散速度は、Ａｕの方がＡｇよりも速い為、はんだ材料に先に接する側がＡｕ、そしてＡｕの次に接する側にＡｇを載置している。Ａｇ（はんだ材料側）／Ａｕ（電極側）と層の順を入れ替えると、はんだ材料へのＡｇの拡散が律速になり、耐熱性を確保するまでの時間が遅くなる可能性が生じるものの、金属間化合物形成による耐熱性の確保は可能である。
他方、素子表面処理層Ａｇ（はんだ材料側）／Ｃｕ（素子側）については、棒状金属間化合物部としてＡｇＳｎ化合物、層状金属間化合物としてＣｕＳｎ化合物を形成させる必要がある。仮にＣｕ（はんだ材料側）／Ａｇ（素子側）のように層の順を入れ替えると、層状金属間化合物ＣｕＳｎ化合物が先に形成される為、棒状金属間化合物部ＡｇＳｎ化合物がはんだ材料中に形成されにくくなる。従って、素子表面処理層はＡｇ（はんだ材料側）／Ｃｕ（素子側）の順である必要がある。
なお、電極表面処理層の構成と素子表面処理層の構成とは入れ替えても構わない。
また、接合中の温度については、上述したように２６０℃が望ましい。一般的なはんだ付け温度は、はんだ材料の融点＋３０℃が望ましいとされている。本実施の形態においては、はんだ付け時にはんだ材料中にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕといった元素の拡散によりはんだ材料の溶融粘度が上がる為、はんだ材料の濡れ性が低下する。その為、はんだ材料の融点より＋約４０℃（さらに１０℃上げる）にすることで、はんだ材料の濡れ性を確保している。高温に上げすぎると、電極の反りの問題が生じる。
また、はんだ材料については、鉛フリーはんだであれば任意の材料でよい。一般的な鉛フリーはんだは、ＳｎＡｇ系（Ｓｎ３．５Ａｇ、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｂｉ６Ｉｎ）、ＣｕＳｎ系（Ｓｎ０．７Ｃｕ０．０５Ｎｉ）、ＳｎＡｇＣｕ系（Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ）、ＳｎＢｉ系（Ｓｎ５８Ｂｉ）が知られる。本実施の形態では、半導体素子、電極側からはんだ材料中のＳｎに対してＡｕ、Ａｇ、Ｃｕといった元素を拡散させることにより金属間化合物を形成し、かつＳｎを含む相を形成しなければならない為、はんだ材料中のＳｎの量が多いことが望ましい。従ってはんだ材料は、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕだけではなく、Ｓｎ３．５Ａｇ、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｂｉ６Ｉｎ、Ｓｎ０．７Ｃｕ０．０５Ｎｉといった鉛フリーはんだであればよく、Ｓｎ単体でも良い。
また、処理層の厚さについては、３μｍ、５μｍ、１０μｍが望ましい。すなわち、はんだ材料：直径φ１．０ｍｍのワイヤーの形状のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、長さ５００〜８００μｍに対して、電極表面処理層Ａｇ３μｍ、素子表面処理層Ｃｕ５μｍの構成した場合（実施例９）では、電極表面処理層のＡｇ及び素子表面処理層のＣｕは全てはんだ材料中に拡散した上で（３０分）、耐熱性を確保することができる。従って最低限、電極表面処理層Ａｇ３μｍ、素子表面処理層Ｃｕ５μｍが必要である。また、実施例７のように、例えば電極表面処理層としてＡｕ３μｍを付与すると、プロセス時間の短縮を図ることができる。
本発明の半導体接合構造および製造方法は、パワー半導体モジュールの使用時における温度サイクルで生じる熱応力に対する応力緩和性を確保し、同時に、パワー半導体モジュールが基板へ実装される際にかかる熱に対する接合部の耐熱性を確保して、応力緩和性と耐熱性を両立することにより、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができるので、パワー半導体モジュールとして有用である。
１０１ 基板
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 接合材料
１０５ 接合構造体
２０１ Ａｕ層
２０２ Ａｇ層
２０３ はんだ材料
２０５ Ａｇ層
２０６ Ｃｕ層
２０７‘ 第１金属間化合物層
２０７ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２０８‘ 第２金属間化合物層
２０８ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２０９‘ 棒状金属間化合物部（第３金属間化合物部）
２０９ 棒状ＡｇＳｎ金属間化合物部
２０９ 棒状ＡｕＳｎ金属間化合物部
２１０ Ｓｎを含む相
２１２ 接合部
３００ 第３の層
４０１ 電極表面第１処理層
４０２ 電極表面第２処理層
４０５ 素子表面第１処理層
４０６ 素子表面第２処理層

Claims (6)

  1. 基板電極の上に、Ｓｎを含む第１金属間化合物層と、Ｓｎを含む第３金属間化合物部およびＳｎを含む相で構成された第３の層と、Ｓｎを含む第２金属間化合物層とが、順に積層されている上に、半導体素子の電極が載置された半導体接合構造体であり、
    前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層とは、前記第３金属間化合物部で層間接合している一部を有する、半導体接合構造体。
  2. 前記第３金属間化合物部は、棒状の形態である、請求項１に記載の半導体接合構造体。
  3. 前記第１金属間化合物層が、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
    前記第２金属間化合物層が、Ｃｕ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
    前記第３金属間化合物部が、Ａｕ−ＳｎとＡｇ−Ｓｎのいずれか一方からなる金属間化合物で構成され、
    前記Ｓｎを含む相が、ＡｕとＡｇのいずれか一方を含む構成である、請求項１に記載の半導体接合構造体。
  4. 前記第１金属間化合物層が、Ａｇ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
    前記第２金属間化合物層が、Ａｇ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
    前記第３金属間化合物部が、Ａｕ−Ｓｎからなる金属間化合物で構成され、
    前記Ｓｎを含む相が、ＡｕとＡｇのいずれか一方を含む構成である、請求項１に記載の半導体接合構造体。
  5. 半導体素子の電極表面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する金属膜を形成する、半導体素子表面の金属膜形成工程と、
    基板電極表面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する金属膜を形成する、電極表面の金属膜形成工程と、
    前記金属膜が形成された半導体素子の電極面、および前記金属膜が形成された基板電極の面とを対向させ、対向された面の間をＳｎを含むはんだ材料で接合する際、前記基板電極の面に形成される第１金属間化合物層と、前記半導体素子の電極面に形成される第２金属間化合物層とが、前記Ｓｎを含むはんだ材料によって形成される第３金属間化合物部によって、一部で層間接合させる接合工程とを備えた、半導体接合構造体の製造方法。
  6. 前記半導体素子の表面に形成する金属膜の材料は、Ａｇ、Ｃｕのいずれか一つ又はＡｇとＣｕの組合せであり、
    前記電極の表面に形成する金属膜の材料は、Ａｕ、Ａｇのいずれか一つ又はＡｇとＡuの組合せであり、
    前記Ｓｎを含むはんだ材料は、Ｓｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕである、請求項５に記載の半導体接合構造体の製造方法。

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