JP5773344B2 - 半導体装置及び半導体装置用接合材 - Google Patents

Description

本発明は、基板に半導体部材を積層した半導体装置、及び半導体部材と基板とを接合する半導体装置用接合材に関する。

一般に、半導体実装工程において、ダイ（半導体素子）と基板とが接合材によって接合される。例えば、特許文献１では、半導体素子がダイパッドにダイアタッチされている半導体装置が開示される。

特開平６−１６３７３７号公報

しかし、特許文献１の半導体装置には、接合材の主成分として、融点が低い鉛が用いられている。例えば、ハイブリッド自動車に使用されているパワーモジュールは、大電流によりデバイス自体に発熱が起こるとともに、エンジンに近接しているため、厳しい温度環境におかれる。従って、２００℃以上の高温での使用を想定している次世代パワー半導体（ＳｉＣ半導体チップ）のダイアタッチ用接合剤としては耐熱安定性にかけ、接合材としては使えない。

本発明は、次世代パワー半導体として開発されているＧａＮ半導体やＳｉＣ半導体などの化合物半導体装置、及び半導体装置のダイアタッチ用接合材として耐熱安定性に優れた半導体装置用接合材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、本発明に係る半導体装置の特徴的構成は、基板に半導体部材を積層した半導体装置であって、前記半導体部材と前記基板とは亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材を介して接合されている。

背景技術の項目で説明したように、従来の半導体装置では、半導体部材と基板との接合のためには鉛を主成分とする半導体装置用接合材が用いられてきた。しかし、これら半導体装置用接合材では融点が低く、２００℃以上の高温での使用を想定している次世代パワー半導体として開発されているＧａＮ半導体やＳｉＣ半導体のダイアタッチ用接合材としては耐熱安定性に欠けるため使用に耐えられない。一方、本発明の半導体装置であれば、融点が４２０℃である亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材を用いるため、３００℃までの温度サイクルに耐え得る耐熱疲労に優れた次世代パワー半導体装置を得ることができる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、半導体装置用接合材の拡散を防ぐコート層が基板表面および半導体部材表面の少なくとも一方に設けられている。従って、基板と半導体装置用接合材との反応および／または半導体部材と半導体装置用接合材との反応が妨げられ、強度が弱い反応層の形成を防ぐことができる。その結果、基板と半導体装置用接合材との接合強度および／または半導体部材と半導体装置用接合材との接合強度が保たれ、信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、前記コート層は、窒化物、炭化物または炭窒化物からなるバリア層と、貴金属からなる保護層とを積層して構成される。バリア層を設けることにより半導体装置用接合材が基板に拡散することを防ぐことができる。また、貴金属（特にＡｕ）は、コート層に対する半導体装置用接合材の濡れ性を向上させる。その結果、半導体装置用接合材と基板との良好な接合が可能になる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、前記バリア層を構成する窒化物、炭化物または炭窒化物は、前記基板に設けられた絶縁層を構成する物質が有する自由エネルギーよりも小さい自由エネルギーを有するように選択される。従って、バリア層の活性化が抑制され、基板又は半導体部材を構成する物質が半導体装置用接合材側に移動しない。このため、基板と半導体装置用接合材との反応及び半導体部材と半導体装置用接合材との反応を防ぎ得、強度が弱い反応層の形成を防ぐことができる。結果として、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、前記バリア層を構成する物質はＴｉＮであり、前記保護層を構成する物質はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄであり、前記基板に含まれる絶縁層を構成する物質はＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、又はＡｌＮである。例えば、バリア層を構成する物質としてのＴｉＮは、基板に含まれる絶縁層を構成する物質としてのＳｉ_３Ｎ_４が有する自由エネルギーよりも小さい自由エネルギーを有する。またＴｉとＮとの結合力が、ＴｉとＺｎとの結合力及びＮとＺｎとの結合力よりも大きい。従って、基板と半導体装置用接合材との反応を防ぎ得、強度が弱い反応層の形成を防ぐことができる。その結果、上記と同様に、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また保護層を構成する物質としてのＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄは、コート層に対する半導体装置用接合材の濡れ性を向上させるため、半導体装置用接合材との接合面にＡｕ層、Ａｇ層、Ｃｕ層、Ｎｉ層又はＰｄ層を設けると、接合面でのボイドの生成を抑えることができ、良好な接合面を得ることができる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、前記亜鉛の純度は、９０ｗｔ％以上である。亜鉛は柔軟性に優れた導電性の良好な金属である。従って、半導体装置用接合材に亜鉛を９０ｗｔ％以上含有させることで、半導体装置の曲げや折れなどの衝撃によって脆く破壊されることを避けることができる。なお、亜鉛の純度は、９９．９９９９ｗｔ％以上であることが好ましい。高純度の亜鉛を用いることにより、半導体装置用接合材の伸び率を向上させることができる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、前記バリア層の厚さは１００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内であり、前記保護層の厚さは２０ｎｍから５００ｎｍの範囲内である。この程度の厚さ範囲であれば、バリア層によって半導体装置用接合材の拡散を防ぐことが十分に可能となり、且つ、保護層によって半導体装置用接合材の酸化及び汚染を確実に防止することができる。

本発明の半導体装置の好適な態様によれば、前記半導体装置用接合材は、不純物元素を含む。不純物元素を含むことにより、半導体装置用接合材の特性を改善することができる。なお、不純物元素は、Ｃａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＶおよびＮｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。このような不純物元素の添加により、半導体装置用接合材の延性を向上させるとともに酸化を抑制することができる。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置用接合材の特徴的構成は、基板に半導体部材を積層した半導体装置において、前記半導体部材と前記基板とを接合する半導体装置用接合材であって、亜鉛を主成分とする。

本発明に係る半導体装置用接合材によれば、上記説明した本発明の半導体装置と同様の作用効果を得ることができる。本発明に係る半導体装置用接合材は融点が４２０℃である亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材であるため、これを使用すれば、３００℃までの温度サイクルに耐え得る耐熱疲労に優れた次世代パワー半導体装置を得ることができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。 各種窒化物の自由エネルギー変化を示すグラフである。 熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料１の断面の写真を示す図である。 熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料２の断面の写真を示す図である。 熱衝撃試験後の熱衝撃試験用比較試料の断面の写真を示す図である。 せん断試験用試料の構成及びせん断試験結果を説明する図であり、（ａ）はせん断試験用試料の構成を示す模式図であり、（ｂ）はせん断試験結果を示すグラフである。 引張試験用の試験片の模式図である。 （ａ）および（ｂ）は引張試験の結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は引張試験の結果を示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は純亜鉛および不純物元素の添加された亜鉛の表面の像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は不純物元素の添加された亜鉛および純亜鉛の表面の像を示す図である。 試料の酸化時間に対する重量増加量の変化を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は引張試験の結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は引張試験の結果を示すグラフである。

図１、図２を参照して、本発明の半導体装置及び半導体装置用接合材に関する実施形態を説明し、図３〜図１４を参照して、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００を示す模式図である。半導体装置１００は、基板１１０に半導体部材１２０を積層した構成を有する。基板１１０と半導体部材１２０とは、亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材１３０を介して接合されている。半導体装置用接合材１３０は、ダイアタッチ材（半導体用ダイボンド材）として半導体製造過程で用いられる。薄膜層状、ペースト状、フィルム状等の形状で提供され、半導体部材（例えばダイチップ）と基板とを接合する接着剤である。亜鉛を主成分とする材料の融点は、約４２０℃であるため、３００℃程度の高温であっても融解することなく、ダイアタッチ材（半導体用ダイボンド材）としての機能を発揮しえる。

基板１１０は、絶縁層１１１と、絶縁層１１１の両面に接合されたＣｕ層（第１Ｃｕ層１１２と第２Ｃｕ層１１３）とを含む。基板１１０の表面に半導体装置用接合材１３０の拡散を防ぐ第１コート層１４０が設けられている。第１コート層１４０は、窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１バリア層１４１と、貴金属からなる第１保護層１４２とを積層して構成される。

半導体部材１２０の表面に半導体装置用接合材１３０の拡散を防ぐ第２コート層１５０が設けられている。第２コート層１５０は、窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第２バリア層１５１と、貴金属からなる第２保護層１５２とを積層して構成される。

半導体部材１２０を構成する物質は例えばＳｉＣであり、半導体装置１００はＳｉＣ半導体装置として機能する。また、半導体部材１２０を構成する物質はＧａＮであり得、半導体装置１００はＧａＮ半導体装置として機能する。また、絶縁層１１１を構成する物質は例えばＳｉ_３Ｎ_４であるが、絶縁体として機能する限りは、Ｓｉ_３Ｎ_４に限定されない。例えば、絶縁層１１１はＡｌ_２Ｏ_３、又はＡｌＮであり得る。あるいは、絶縁層１１１は他のセラミックスであってもよい。

第１保護層１４２及び第２保護層１５２の厚さは２０ｎｍから５００ｎｍの程度であることが好ましい。第１保護層１４２及び第２保護層１５２は貴金属で構成され、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄを採用することができる。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄは半導体装置用接合材１３０の濡れ性を確保し、半導体装置用接合材の汚染を防止する。半導体装置用接合材１３０との接合面にＡｕ層、Ａｇ層、Ｃｕ層、Ｎｉ層又はＰｄ層を設けると、接合面でのボイドの生成を抑えることができ、良好な接合面を得ることができる。

第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１の厚さは１００ｎｍから２０００ｎｍの程度であることが好ましい。この程度の厚さであれば、バリア層によって半導体装置用接合材１３０の拡散を防ぐことが十分に可能となる。第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を構成する窒化物、炭化物または炭窒化物は、絶縁層１１１を構成する物質が有する自由エネルギーよりも小さい自由エネルギーを有するように選択される。従って、各バリア層１４１、１５１の活性化が抑制され、基板１１０又は半導体部材１２０を構成する物質が半導体装置用接合材１３０側に移動しない。このため、基板と半導体装置用接合材との反応及び半導体部材と半導体装置用接合材との反応を防ぎ得、強度が弱い反応層の形成を防ぐことができる。結果として、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

図２は、各種窒化物の自由エネルギー変化を示すグラフである。縦軸は反応（Ｍｅ＋Ｎ２→Ｍｅ−ｎｉｔｒｉｄｅ）の自由エネルギー変化（ｋｃａｌ／ｍｏｌ）を示し、横軸は温度（℃）を示す。図２を参照すれば、ＮｂＮ、ＴｉＮ、Ｔａ_２Ｎ及びＺｒＮは、Ｓｉ_３Ｎ_４よりも反応の自由エネルギー変化が小さい。例えば、絶縁層を構成する物質がＳｉ_３Ｎ_４であれば、第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を構成する物質は例えばＴｉＮを選択可能である。ＴｉＮは、Ｓｉ_３Ｎ_４が有する自由エネルギーよりも小さい自由エネルギーを有する。この他、第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を構成する物質としては、ＮｂＮ、ＴｉＮ、Ｔａ_２Ｎ及びＺｒＮを用い得る。なお、第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を構成する物質が炭化物の場合は、例えば、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣなどを用い得る。また、ＴｉＣまたはＮｂＣから構成された第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を形成する場合、予めＴｉまたはＮｂから構成された第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を形成した後、半導体部材１２０を構成するＳｉＣとＴｉまたはＮｂとが反応することによって、第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を構成する物質をＴｉＣまたはＮｂＣに変化させてもよい。この反応は固相状態で生じてもよいが、メタルバリア（例えば、Ｔｉ）が液体中に溶けると、ＳｉＣとの反応がさらに生じやすくなる。あるいは、第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１を構成する物質はＴｉＣＮなどの炭窒化物であってもよい。なお、第１バリア層１４１及び第２バリア層１５１は互いに異なる物質から構成されてもよい。

以上、図１及び図２を参照して、本発明の半導体装置１００及び半導体装置用接合材１３０に関する実施形態を説明した。なお、半導体装置１００において、基板１１０と半導体部材１２０とが亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材１３０を介して接合されている限りは、基板１１０の表面に第１コート層１４０が設けられることに限定されない。また同様に、半導体部材１２０の表面に第２コート層１５０が設けられることに限定されない。基板１１０の表面に第１コート層１４０が設けられないことがあり得、半導体部材１２０の表面に第２コート層１５０が設けられないことがあり得る。

更に、第１コート層１４０と第２コート層１５０において、半導体装置用接合材１３０との接合面に貴金属層が設けられる限りは、第１保護層１４２と第２保護層１５２の各々は、貴金属層の単層に限定されない。第１保護層１４２と第２保護層１５２の少なくとも一方が、貴金属層の単層に加えて少なくとも一層の金属層を有し得る。更に、第１保護層１４２と第２保護層１５２の各々は、例えばＮｉ層とＡｕ層とを含んだ貴金属層のように、複数の貴金属層を含み得る。更に、半導体装置用接合材１３０は、亜鉛が主成分であれば、微量の不純物を添加し得る。半導体装置用接合材１３０における主成分としての亜鉛の純度は、９０ｗｔ％以上であるが、高純度（９９．９９ｗｔ％以上）であることが好ましい。

本発明の半導体装置及び半導体装置用接合材によれば、融点が４２０℃である亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材を用いるため、３００℃までの温度サイクルに耐え得る耐熱疲労に優れた次世代パワー半導体装置を得ることができる。また、半導体装置用接合材の拡散を防ぐコート層が基板表面に設けられている。従って、基板と半導体装置用接合材との反応が妨げられ、強度が弱い反応層の形成を防ぐことができる。その結果、基板と半導体装置用接合材との接合強度が保たれ、信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。

特に、バリア層を構成する物質がＴｉＮであり、保護層を構成する物質がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄであり、基板に含まれる絶縁層を構成する物質がＳｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、又はＡｌＮである場合は、本発明の好適な半導体装置を構成する。例えば、バリア層を構成する物質としてのＴｉＮは、基板に含まれる絶縁層を構成する物質としてのＳｉ_３Ｎ_４が有する自由エネルギーよりも小さい自由エネルギーを有する。またＴｉとＮとの結合力が、ＴｉとＺｎとの結合力及びＮとＺｎとの結合力よりも大きい。従って、基板と半導体装置用接合材との反応を防ぎ得、強度が弱い反応層の形成を防ぐことができる。その結果、上記と同様に、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また保護層を構成する物質としてのＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄは、コート層に対する半導体装置用接合材の濡れ性を向上させるため、半導体装置用接合材との接合面にＡｕ層、Ａｇ層、Ｃｕ層、Ｎｉ層又はＰｄ層を設けると、接合面でのボイドの生成を抑えることができ、良好な接合面を得ることができる。

上述したように、半導体装置用接合材１３０において、主成分の亜鉛に微量の不純物元素が添加されてもよい。不純物元素は、例えば、Ｃａ（カルシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｖ（バナジウム）およびＮｂ（ニオブ）からなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。なお、Ｃａはアルカリ土類金属であり、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＶおよびＮｂは遷移金属である。特に、Ｎｉ、ＶおよびＮｂは高融点金属とも呼ばれる。このような不純物元素の添加により、半導体装置用接合材１３０の延性を向上させるとともに半導体装置用接合材１３０の酸化を低減させることができる。不純物元素として亜鉛よりも酸化しやすい元素を用いることにより、半導体装置用接合材１３０の表面に亜鉛の保護膜となる酸化膜が形成されると考えられる。また、半導体装置用接合材１３０において純度の高い亜鉛を用いることによって延性を向上させることができる。

なお、露出された銅が２００℃以上の温度の環境下にさらされると、酸化が著しく進行し、銅とＳｉＣおよび銅とセラミックスのそれぞれの界面に酸化物が生成し、強度が低下してしまうことがある。これに対して、第１バリア層１４１を構成する物質としてＴｉＮを用いて絶縁層１１１の表面のＣｕ層１１３を覆うと、３００℃の高温下にさらされても銅の酸化はほとんど進行しない。このように、第１バリア層１４１を構成する物質としてＴｉＮを用いることにより、ＳｉＣ／ＴｉＮ／銅／セラミックス界面における強度の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施例を図３から図１４を参照して説明する。
［熱衝撃試験用試料］
熱衝撃試験のために、熱衝撃試験用試料１、熱衝撃試験用試料２及び熱衝撃試験用比較試料を用意した。

熱衝撃試験用試料１において、半導体装置用接合材１３０として純亜鉛（純度９９．９９ｗｔ％、縦４ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）を用いた。絶縁層１１１として、Ｓｉ_３Ｎ_４層（縦１５ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用いた。基板１００の片面（第２Ｃｕ層１１３（縦１３ｍｍ、横１３ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ））側に第１保護層１４２としてＡｕ層（縦１３ｍｍ、横１３ｍｍ、厚さ２００ｎｍ）を、第１バリア層１４１としてＴｉＮ層（縦１３ｍｍ、横１３ｍｍ、厚さ８００ｎｍ）を用いた。Ａｕ層は半導体装置用接合材１３０側に積層され、ＴｉＮ層は第２Ｃｕ層１１３側に積層されている。半導体部材１２０の片面（縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚さ１ｍｍ）側に第２保護層１５２としてＡｕ層（縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚さ２００ｎｍ）を、第２バリア層１５１としてＴｉＮ層（縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚さ８００ｎｍ）を用いた。Ａｕ層は半導体装置用接合材１３０側に積層され、ＴｉＮ層は半導体部材１２０側に積層されている。

熱衝撃試験用試料２は、熱衝撃試験用試料１の各層のうち、第１コート層１４０以外の層を含む。熱衝撃試験用比較試料は、半導体装置用接合材としてＰｂ−５Ｓｎ（融点は３１５℃）を用いる点以外は、熱衝撃試験用試料１と同様の構成である。

第１Ｃｕ層の表面を研磨し、第１コート層を蒸着することにより、熱衝撃試験用試料１及び熱衝撃試験用比較試料を作製した。熱衝撃試験用試料１、熱衝撃試験用試料２及び熱衝撃試験用比較試料において、赤外線炉（Ａｒ雰囲気、４５０℃×６０ｓ（融点４２０℃以上、１００ｓ））で半導体装置用接合材を溶融した。

［熱衝撃試験］
熱衝撃試験用試料１、熱衝撃試験用試料２及び熱衝撃試験用比較試料の各々に対し、大気中、−５０℃と３００℃との間の温度サイクル（０〜５００回）を実施した。各回において、３０ｍｉｎ保持した。

図３は、熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料１の断面の写真を示す図である。熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料１は、ＳｉＣ層（半導体部材１２０）、ＴｉＮ層（第２バリア層１５１）、Ｚｎ層（半導体装置用接合材１３０）及びＣｕ層（第２Ｃｕ層１１３）を含む。半導体部材１２０と半導体装置用接合材１３０との接合面及び基板１１０と半導体装置用接合材１３０との接合面の各々は完全に濡れ、ボイドを見つけることができなかった。Ｚｎ層（半導体装置用接合材１３０）内部では、ＡｕＺｎ化合物が確認されたが、微量であり定量が困難であった（（１８−２２ａｔ％）Ａｕ−（７８−８２ａｔ％）Ｚｎ）。熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料１を外観観察及び低倍率観察しても、大きな接合欠陥（亀裂、界面剥離等）は確認されず、半導体部材１２０と半導体装置用接合材１３０及び基板１１０と半導体装置用接合材１３０は良好に接合していた。半導体部材１２０と半導体装置用接合材１３０との接合面における界面及び基板１１０と半導体装置用接合材１３０との接合面における界面では、ＴｉＮ層（第２バリア層１５１）のみ形成されていた。

図４は、熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料２の断面の写真を示す図である。熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料２は、ＳｉＣ層（半導体部材１２０）、ＴｉＮ層（第２バリア層１５１）、Ｚｎ層（半導体装置用接合材１３０）、ＣｕＺｎ_５層、Ｃｕ_５Ｚｎ_８層及びＣｕ層（第２Ｃｕ層１１３）を含む。Ｚｎ層（半導体装置用接合材１３０）とＣｕ層（第２Ｃｕ層１１３）との界面では、Ｚｎ層（半導体装置用接合材１３０）とＣｕ層（第２Ｃｕ層１１３）とが反応し、ＣｕＺｎ_５層、Ｃｕ_５Ｚｎ_８層が形成された。Ｃｕ_５Ｚｎ_８層部分から亀裂が発生しているが、Ｚｎ層（半導体装置用接合材１３０）内部には伝播していない。熱衝撃試験後の熱衝撃試験用試料２を外観観察及び低倍率観察しても、大きな接合欠陥（亀裂等）は確認されず、半導体部材１２０と半導体装置用接合材１３０及び基板１１０と半導体装置用接合材１３０は良好に接合していた。半導体部材１２０とＺｎ層（半導体装置用接合材１３０）との接合面における界面では、ＴｉＮ層（第２バリア層１５１）のみ形成されていた。

図５は、熱衝撃試験後の熱衝撃試験用比較試料の断面の写真を示す図である。熱衝撃試験後の熱衝撃試験用比較試料は、ＳｉＣ層、ＴｉＮ層、Ｐｂ−５Ｓｎ層（半導体装置用接合材）及びＣｕ層を含む。Ｐｂ−５Ｓｎ層（半導体装置用接合材）内部に亀裂が発生している。

［せん断試験用試料］
図６は、せん断試験用試料の構成及びせん断試験結果を説明する図である。図６（ａ）は、せん断試験用試料の構成を示す模式図である。せん断試験のために、せん断試験用試料１、せん断試験用試料２及びせん断試験用比較試料を用意した。せん断試験用試料１、及びせん断試験用比較試料の各々は、下から第１Ｃｕ層２１３（縦７ｍｍ、横１１ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ）、第１コート層２４０（Ａｕ層２４２の厚さ２００ｎｍ、ＴｉＮ層２４１の厚さ８００ｎｍ）、半導体装置用接合材層２３０（縦４ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）、第２コート層２５０（Ａｕ層２５２の厚さ２００ｎｍ、ＴｉＮ層２５１の厚さ８００ｎｍ）、第２Ｃｕ層２２０（縦４ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ）を含む。せん断試験用試料２は、せん断試験用試料１の各層のうち、第１コート層２４０以外の層を含む。せん断試験用試料１及びせん断試験用試料２の半導体装置用接合材は、純亜鉛（純度９９．９９ｗｔ％）であり、せん断試験用比較試料の半導体装置用接合材は、Ｐｂ−５Ｓｎである。

せん断試験用試料１、せん断試験用試料２及びせん断試験用比較試料の各々に対して、大気中、−５０℃と３００℃との間の温度サイクル（０〜５００回）を実施している。各回において、３０ｍｉｎ保持した。温度サイクルが０回目、２５０回目及び５００回目の各々において、ヘッドによる衝撃を与えた。試験高さ（ヘッドの位置）は、第１コート層２４０の上面から０．１ｍｍの部分、試験速度（ヘッドスピード）は５０μｍ／ｓである。せん断力を付与する部分を図６（ａ）において矢印で示す（半導体装置用接合材層２３０の部分）。

［せん断試験結果］
図６（ｂ）は、せん断試験用試料１、せん断試験用試料２及びせん断試験用比較試料に対するせん断試験結果を示すグラフである。縦軸はせん断強度（ＭＰａ）を示し、横軸は温度サイクル数（回）を示す。

せん断試験用試料１では、サイクル数が５００回目であっても、極めて微細な亀裂が生じる以外は微細組織に変化がなく、初期強度が維持される信頼性の高いダイアタッチ接合を得ることができた。せん断試験用試料２では、金属間化合物層（Ｃｕ_５Ｚｎ_８層）で亀裂が生じるが、接合部分（半導体装置用接合材内部）には亀裂は伝播しないため、初期強度が維持される信頼性の高いダイアタッチ接合を得ることができた。

せん断試験用試料１は約３６〜３９ＭＰａのせん断強度を示し、せん断試験用比較試料のせん断強度の約３．５倍であった。

このように、本発明の半導体装置１００及び半導体装置用接合材１３０によれば、融点が４２０℃である亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材を用いるため、３００℃までの温度サイクルに耐え得る耐熱疲労に優れた次世代パワー半導体装置を得ることができる。

［不純物元素の添加による特性の変化］
不純物元素の添加による特性の変化を調べるために試料１〜５を用意した。試料１として、不純物元素を添加しない市販の亜鉛を用意した。この亜鉛の純度は９９．９９ｗｔ％であった。このような亜鉛は４Ｎと表される。ここでは、試料１における不純物元素の添加を行わない亜鉛を純亜鉛と呼ぶことがある。

試料２〜５として、上述の亜鉛に不純物元素Ｃａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒがそれぞれ０．１質量パーセント（０．１ｗｔ％）となるように添加した４つの添加物を用意した。試料２〜５には、それぞれ、Ｃａ、Ｍｎ、ＴｉおよびＣｒが添加されている。

具体的には、不純物を添加した亜鉛をアーク炉においてＡｒ雰囲気において融解し、その後、ひっくり返した。溶解およびひっくり返しを交互に３回行い、不純物元素を含む亜鉛合金を試料２〜５として作製した。

次に、試料１〜５を引張試験用の試験片に加工した。図７に、試験片の模式図を示す。具体的には、試料１〜５をそれぞれ鋳造し、それぞれの厚さが１０〜１３ｍｍから１．３ｍｍになるまで圧延し、その後、放電加工を行った。このようにして、試料１〜５から試験片１〜５をそれぞれ形成した。

次に、試験片１〜５のそれぞれの厚さが１．２ｍｍになるように研磨を行い、１８０℃で３時間の熱処理を行い、残留応力を除去した。その後、アルミナ研磨剤で試験片１〜５のそれぞれの研磨を行った。研磨では、アルミナ研磨剤の粒径を徐々に小さくしていき、最終的に粒径０．３μｍの研磨剤を用いた。

以上のようにして試験片１〜５をそれぞれ１０個用意し、引張試験を行った。伸長速度は７×１０^−４ｍｍ／秒であった。なお、引張試験において標点距離以外の部分において破断した試験片の結果を無視し、また、残りの試験片の測定結果のうちの最大値および最小値を除外した６個ずつの平均を算出した。

図８に、引張試験の結果を示す。図８（ａ）は、公称ひずみ（Ｎｏｍｉｎａｌ Ｓｔｒａｉｎ）に対する公称応力（Ｎｏｍｉｎａｌ Ｓｔｒｅｓｓ）を示し、図８（ｂ）に、試験片１〜５の最大引張強さ（Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｓｓ：ＵＴＳ）を示す。図８（ａ）および図８（ｂ）では、試験片１〜５の結果をそれぞれ、Ｚｎ、０．１Ｃａ、０．１Ｍｎ、０．１Ｃｒ、０．１Ｔｉと示している。Ｃａ、Ｍｎ、ＣｒおよびＴｉの添加により、弾性域が拡大したとともにヤング率が増大した。特に、Ｔｉの添加により、ヤング率は著しく増大した。

図９（ａ）に、試験片１〜５のそれぞれの伸び率（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）の結果を示す。試験片１の伸び率は５．０％と比較的低かったのに対して、不純物元素の添加された試験片２〜４の伸び率は２０％以上を示した。このように、不純物元素の添加により、伸び率が増大することが分かった。

図９（ｂ）に、０．２％耐力（ｐｒｏｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）の結果を示す。Ｃａ、Ｍｎ、Ｔｉの添加された試料２、３、５の耐力は試料１と比べて高かったが、Ｃｒの添加された試料４の耐力は試料１とほぼ同程度であった。試料４のように、試料２、３、５と比べて耐力の低い材料で半導体装置用接合材を形成することにより、半導体装置が衝撃を受けた場合の半導体部材へのダメージを吸収することができる。

図１０に、各試料１〜５の拡大像を示す。図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、それぞれ、試料１〜５の像である。試料１における亜鉛の結晶粒は比較的大きかったが、不純物元素の添加により、亜鉛の結晶の粒径が小さくなった。特に、ＣｒおよびＴｉの添加された試料４、５では亜鉛の結晶の粒径がかなり小さくなった。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）にＴｉの添加された試料５および試料１のそれぞれの初期組織における破断面の拡大像を示す。試料５には金属間化合物と考えられるところがある。試料５に対してエネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）を行ったところ、ＺｎおよびＴｉの質量％（ｗｔ％）は９９．４３、０．５７であり、原子数％（ａｔ％）は９９．２３、０．７７であった。

また、試料１〜５の酸化速度を熱重量分析（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＴＧＡ）で測定した。ここでは、大気中４００℃で酸化を行った。図１２に、試料１〜５の酸化時間に対する重量増加量（ｗｅｉｇｈｔ ｇａｉｎ）の結果を示す。酸化時間に対する試料１の重量増加量は比較的大きかったのに対して、不純物元素の添加により、酸化時間に対する試料２〜５の重量増加量は比較的小さくなった。特に、Ｃｒの添加により、重量増加量はかなり小さくなった。このように、不純物元素の添加（特に、Ｃｒの添加）により、亜鉛を主成分とする試料の酸化を抑制することができた。

以上から、不純物元素の添加により、亜鉛の結晶が微細化し、これにともない、強度および伸び率が向上したと考えられる。

［亜鉛の純度による特性の変化］
純度の異なる亜鉛を用いてその特性の比較を行った。ここでは、純度９９．９９ｗｔ％（４Ｎ）の亜鉛と、純度９９．９９９９ｗｔ％の亜鉛とを比較した。なお、純度９９．９９ｗｔ％の亜鉛（４Ｎ）の特性は図８および図９を参照して上述した結果と同様である。ここでは、試料６として純度９９．９９９９ｗｔ％の亜鉛を用意した。このような亜鉛は６Ｎと表される。試料６を厚さが１０〜１３ｍｍから１．３ｍｍになるまで圧延した後、図７に示した形状となるように放電加工を行った。このようにして、試料６から試験片６を形成した。

次に、試験片６のそれぞれの厚さが１．２ｍｍになるように研磨を行い、１８０℃で３時間の熱処理を行い、残留応力を除去した。その後、アルミナ研磨剤で試験片６の研磨を行った。研磨では、アルミナ研磨剤の粒径を徐々に小さくしていき、最終的に粒径０．３μｍの研磨剤を用いた。以上のようにして試験片６を３個用意し、引張試験を行った。伸長速度は７×１０^−４ｍｍ／秒であった。

図１３に、引張試験の結果を示す。図１３（ａ）は、公称ひずみ（Ｎｏｍｉｎａｌ Ｓｔｒａｉｎ）に対する公称応力（Ｎｏｍｉｎａｌ Ｓｔｒｅｓｓ）を示し、図１３（ｂ）に、試験片１、６の最大引張強さ（Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｓｓ：ＵＴＳ）を示す。図１３（ａ）および図１３（ｂ）では、試験片１、６の結果をそれぞれ、４ＮＺｎ、６ＮＺｎと示している。亜鉛の高純度化に伴って弾性域が拡大した。

図１４（ａ）に、試験片１、６のそれぞれの伸び率（Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）の結果を示す。試験片１の伸び率は５．０％と比較的低かったのに対して、試験片６の伸び率は８％以上であった。このように、亜鉛の高純度化に伴って伸び率が向上した。

図１４（ｂ）に、０．２％耐力（ｐｒｏｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）の結果を示す。亜鉛の高純度化に伴って耐力が低減した。このように耐力の比較的低い材料で半導体装置用接合材を形成することにより、半導体装置が衝撃を受けた場合の半導体部材へのダメージを好適に吸収することができる。

本発明による半導体装置及び半導体装置用接合材は、次世代パワー半導体として開発されているＧａＮ半導体装置やＳｉＣ半導体装置などの化合物半導体装置に利用可能である。

１００ 半導体装置
１１０ 基板
１１１ 絶縁層
１１２ 第１Ｃｕ層
１１３ 第２Ｃｕ層
１２０ 半導体部材
１３０ 半導体装置用接合材
１４０ 第１コート層
１４１ 第１保護層
１４２ 第１バリア層
１５０ 第２コート層
１５１ 第２保護層
１５２ 第２バリア層

Claims (11)

1. 基板に半導体部材を積層した半導体装置であって、
   前記半導体部材と前記基板とは亜鉛を主成分とする半導体装置用接合材を介して接合されており、
   前記基板の表面および前記半導体部材の表面の少なくとも一方に前記半導体装置用接合材の拡散を防ぐコート層が設けられており、
   前記コート層は、窒化物、炭化物または炭窒化物からなるバリア層と、貴金属からなる保護層とを積層して構成される、半導体装置。
2. 前記バリア層を構成する窒化物、炭化物または炭窒化物は、前記基板に設けられた絶縁層を構成する物質が有する自由エネルギーよりも小さい自由エネルギーを有するように選択される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記バリア層を構成する物質はＴｉＮであり、前記保護層を構成する物質はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＰｄであり、前記基板に含まれる絶縁層を構成する物質はＳｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、又はＡｌＮである、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体装置用接合材における亜鉛の純度は、９０ｗｔ％以上である、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体装置。
5. 前記半導体装置用接合材における亜鉛の純度は、９９．９９９９ｗｔ％以上である、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記バリア層の厚さは１００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内にあり、前記保護層の厚さは２０ｎｍから５００ｎｍの範囲内にある、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体装置用接合材は、不純物元素を含む、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の半導体装置。
8. 前記不純物元素は、Ｃａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＶおよびＮｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項７に記載の半導体装置。
9. 基板に半導体部材を積層した半導体装置において、前記半導体部材と前記基板とを接合する半導体装置用接合材であって、
   亜鉛を主成分とし、
   前記半導体装置用接合材は不純物元素を含み、
   前記不純物元素は、Ｃａ、Ｍｎ、Ｔｉ、ＣｒおよびＮｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含み、
   前記半導体装置用接合材は、亜鉛を除いて、前記不純物元素の量よりも多い量の別の金属元素を含まない、半導体装置用接合材。
10. 前記亜鉛の純度は、９０ｗｔ％以上である、請求項９に記載の半導体装置用接合材。
11. 前記亜鉛の純度は、９９．９９９９ｗｔ％以上である、請求項１０に記載の半導体装置用接合材。

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