JP6460578B2 - 接合材料、それを用いた接合方法、接合材料ペースト及び半導体装置 - Google Patents

接合材料、それを用いた接合方法、接合材料ペースト及び半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、少なくとも2種類の金属粒子を含有する接合材料、それを用いた接合方法、接合材料ペースト及び半導体装置に関する。
半導体素子の電極接合などにおいては、従来、Sn−Pb系はんだが用いられていたが、近年、環境保全の観点から、鉛フリーはんだといった新規な接合材料が求められている。また、半導体素子の接合技術においては、半導体素子への負荷を低減するために、低温での接合が可能な材料が求められている。さらに、Ag、Cu、Niなどの金属微粒子は、粒径がナノメートルサイズまで小さくなると、その融点よりはるかに低い温度で焼結させることが可能となるため、半導体素子の低温接合などへの応用が期待されている。
しかしながら、このような金属微粒子は、表面が高活性であり、凝集しやすいため、通常、界面活性剤やポリマーなどで被覆して分散安定性を確保している。このため、このような金属微粒子を用いて半導体素子の接合を行う際に加熱処理を施すと、金属微粒子が焼結するとともに界面活性剤やポリマーなどの被膜が分解され、ガスが発生し、金属微粒子間に空隙が生じる。その結果、無加圧や低温では焼結組織が密にならず、十分に高い接合強度が得られなかった。
一方、国際公開第2009/110095号(特許文献1)には、銅や銅合金等の第1の金属を主成分とする第1金属部と、前記第1の金属の融点より低い融点を有し、前記第1の金属と金属間化合物を形成し得る、スズやスズ合金等の第2の金属を主成分とし、前記第1の金属部の表面に形成された第2金属部と、前記第2の金属と共晶反応を生じる、ビスマス、インジウム等の第3の金属を主成分とする第3金属部とを有する導電材料が開示されている。
また、特開2015−986号公報(特許文献2)には、不可避不純物を除いてSn−Bi合金及びCu及びZnで構成され、Sn−Bi合金の含有率、Cuの含有率、及びZnの含有率が所定の関係を満たす接合材料が記載されており、この接合材料を用いることにより、固相温度が200℃以下の低融点相を短時間で消失させることができ、高い耐熱性を有する接合構造を提供できることが記載されている。
国際公開第2009/110095号 特開2015−986号公報
しかしながら、特許文献1に記載の導電材料を接合材料として用いて半導体素子と基板とを接合すると、第2の金属が溶融する際に、接合材料層内において第1の金属と第2の金属との反応が優先的に起こるため、接合界面において十分な接合強度が得られず、半導体装置の信頼性が低下するという問題があることを本発明者らは見出した。また、接合強度を高めるために、スズの割合を増加させると、導電性や熱伝導性が低下するという問題があった。さらに、特許文献2に記載の接合材料を用いて接合した場合にも、Sn−Bi合金が溶融する際に、SnとCuとの間で優先的に化学反応が起こり、金属間化合物が生成したり、ボイドが生成したりするため、接合界面において十分な接合強度が得られないという問題があることを本発明者らは見出した。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子や基板などの金属部材を高い接合強度で接合することができる接合材料、それを用いた接合方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、半導体素子と基板とを接合する際に、表面に有機被膜を備える第1金属微粒子(以下、「表面被覆金属微粒子」という。)と、前記第1金属微粒子に含まれる金属(以下、「第1金属」ともいう。)との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含む第2金属粒子とを含有する接合材料を使用し、この接合材料により形成された接合材料層を、第2金属粒子に含まれる前記金属(以下、「第2金属」ともいう。)からなる液相が一部でも生成する温度(以下、「液相生成温度」という。)以上かつ前記有機被膜が前記第1金属微粒子表面から脱離し始める温度(以下、「脱離開始温度」という。)未満の温度で加熱して、前記第2金属からなる液相を形成させ、さらに、この液相を含有する接合材料層を前記脱離開始温度以上の温度で加熱して、前記第1金属を焼成させるとともに、前記第1金属と前記第2金属とを反応させて金属間化合物を生成させて、接合層を形成することによって、半導体素子と基板とを高い接合強度で接合できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の接合材料は、平均粒子径が10nm以上1μm以下の銅微粒子である第1金属微粒子と、該第1金属微粒子の表面に配置され、加熱により前記表面から脱離することが可能な有機被膜とを備える表面被覆金属微粒子、及び、前記第1金属微粒子表面からの前記有機被膜の脱離開始温度より低い液相生成温度を有し、かつ、前記第1金属微粒子に含まれる銅との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含む第2金属粒子を含有し、前記第1金属微粒子に含まれる銅の焼結物及び前記第1金属微粒子に含まれる銅と前記第2金属粒子に含まれる金属との金属間化合物を含有する接合体を形成し得ることを特徴とすることを特徴とするものである。
本発明の接合材料において第2金属粒子に含まれる前記金属としてはスズ合金が好ましく、Bi−Sn合金がより好ましい。Bi−Sn合金のBiとSnとの原子比率としては、Bi−Sn合金の平衡状態図から求められ、前記脱離開始温度より50℃低い温度において液相となる原子比率が好ましい。さらに、Bi−Sn合金中のSnの含有率としてはBi−Sn合金の平衡状態図における液相線温度が200℃以下となる含有率であることが好ましく、40〜75原子%がより好ましい。
本発明の接合材料において、全金属元素に対する前記第2金属粒子に含まれる金属の原子比率としては8〜20%が好ましい。また前記第2金属粒子の平均粒子径としては100μm以下が好ましい。
本発明の接合材料においては、第1金属微粒子に含まれる及び第2金属粒子に含まれる前記金属の両者と異なる金属を含み、平均粒子径が1nm〜100μmである第3金属粒子を更に含有することが好ましく、第3金属粒子に含まれる前記金属がニッケル、銀、亜鉛、アルミニウム、及び白金からなる群から選択される少なくとも1種であることがより好ましい。また、前記第3金属粒子の含有量としては全金属粒子に対して0.01〜20質量%が好ましい。
本発明の接合方法は、表面が金属からなる第1部材及び第2部材と、該第1部材及び該第2部材の表面に接触している、前記本発明の接合材料を用いて形成された接合材料層とを備える積層体を形成する工程と、前記接合材料層を前記液相生成温度以上かつ前記脱離開始温度未満の温度で加熱して、第2金属粒子に含まれる前記金属からなる液相を形成せしめる工程と、前記液相を含有する接合材料層を前記脱離開始温度以上の温度で加熱して、第1金属微粒子に含まれるを焼成せしめ、かつ、第1金属微粒子に含まれると第2金属粒子に含まれる前記金属を反応させて金属間化合物を生成せしめ、接合層を形成せしめる工程と、を含むことを特徴とする方法である。
本発明の接合方法において、前記第1部材及び第2部材の表面の前記接合材料層との接触領域のうちの少なくとも一方は、前記第2金属粒子に含まれる金属との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものであることが好ましく、この場合、前記接合層を形成せしめる工程において、前記接触領域に含まれる前記金属と前記第2金属粒子に含まれる前記金属との反応により金属間化合物を更に生成せしめることが好ましい。
本発明の接合材料ペーストは、前記本発明の接合材料を含有することを特徴とするものである。また、本発明の半導体装置は、半導体素子、半導体用基板、及び前記半導体素子と前記半導体用基板との間に配置されており、前記本発明の接合材料を用いて形成された接合層を備えていることを特徴とするものである。このような半導体装置において、前記半導体素子及び前記半導体用基板の表面の前記接合層との接触領域のうちの少なくとも一方は、前記第2金属粒子に含まれる金属と反応して金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものであることが好ましい。
なお、本発明おける「有機被膜の脱離開始温度」は、前記表面被覆金属微粒子について、ArやN等の不活性ガス雰囲気下において熱重量分析を行い、有機被膜の脱離に起因する質量減少が認められる温度範囲のうちの最低温度、すなわち、昇温過程において質量減少が始まる温度で定義される。
さらに、本発明における「液相生成温度」は、金属の平衡状態図(例えば、Springer Materials Databaseに収録されたもの)において、一部でも液相が生成する温度で、例えば、単成分系においては、金属の融点で、多成分系(合金等)においては、各組成における固相線上の温度で定義される。
また、本発明の接合材料によって高い接合強度が得られる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の接合材料により形成された接合材料層を、前記液相生成温度以上前記脱離開始温度未満の温度で加熱すると、前記第2金属が融解して液相が生成する。このとき、第1金属微粒子の表面が有機被膜で覆われているため、前記第1金属と前記第2金属との反応が起こりにくく、また、表面被覆金属微粒子の凝集も起こりにくく、表面被覆金属微粒子が前記液相中に均一に分散した状態の接合材料層が形成されると推察される。そして、このような接合材料層を、前記脱離開始温度以上の温度で加熱すると、有機被膜が第1金属微粒子表面から脱離するとともに、前記第1金属が焼成され、さらに、前記第1金属と前記第2金属とが反応して金属間化合物が生成する。このとき、表面被覆金属微粒子が前記液相中に均一に分散しているため、金属の焼成(焼結)や金属間化合物の生成が接合材料層内で均一に起こり、接合強度に優れた接合層が形成されると推察される。
これに対して、表面被覆金属微粒子の代わりに表面が被覆されていない第1金属微粒子を用いた場合には、前記第2金属が融解して生成した液相中で第1金属微粒子が凝集するため、金属の焼成(焼結)や金属間化合物の生成が接合材料層内で均一に起こらず、接合層の接合強度が低くなると推察される。
本発明によれば、半導体素子や基板などの金属部材を高い接合強度で接合することが可能となる。
本発明の接合方法における温度プロファイルを示すグラフである。 Bi−Sn合金の平衡状態図である。 Bi−Sn合金中のSn含有率と接合強度との関係を示すグラフである。
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
<接合材料>
先ず、本発明の接合材料について説明する。本発明の接合材料は、第1金属微粒子と、該第1金属微粒子の表面に配置され、加熱により前記表面から脱離することが可能な有機被膜とを備える表面被覆金属微粒子、及び、前記第1金属微粒子表面からの前記有機被膜の脱離開始温度より低い液相生成温度を有し、かつ、前記第1金属微粒子に含まれる金属(第1金属)との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属(第2金属)を含む第2金属粒子を含有することを特徴とするものである。前記表面被覆金属微粒子に前記第2金属粒子を添加することによって、接合強度が向上するとともに、導電性や熱伝導性、耐熱性が向上する傾向にある。
本発明に用いられる表面被覆金属微粒子は、第1金属微粒子と、この第1金属微粒子の表面に配置され、加熱により前記第1金属微粒子の表面から脱離することが可能な有機被膜とを備えるものである。
本発明にかかる前記第1金属としては、Au、Ag、Cu、Niが挙げられ、金属微粒子を安定して得ることができる。このような金属は、1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、2種以上の金属を使用する場合、第1金属微粒子としては、2種以上の金属の合金からなるものであってもよいし、2種以上の金属微粒子の混合物であってもよい。また、これらの金属のうち、導電性や熱伝導性に優れているという観点から、Au、Ag、Cu、及びこれらの合金が好ましく、経済性の観点からCu及びCu合金がより好ましい。
このような第1金属微粒子の平均粒子径としては1μm以下が好ましく、300nm以下がより好ましい。第1金属微粒子の平均粒子径が前記上限を超えると、加熱による焼成(焼結)が進行せず、接合強度、導電性、熱伝導性が向上しにくい傾向にある。また、第1金属微粒子の平均粒子径の下限としては、金属として特性を保持させるという観点から、1nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましい。なお、この平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)観察において、無作為に抽出した200個の第1金属微粒子の直径を測定した算術平均値である。
本発明にかかる有機被膜としては、加熱により第1金属微粒子の表面から脱離することが可能なものであれば特に制限はないが、第1金属微粒子の表面からの脱離開始温度が250〜350℃となるものが好ましい。前記脱離開始温度が前記下限未満になると、前記第1金属が焼成(焼)する前に、前記第2金属により液相を形成することが困難となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、接合時の加熱温度が高くなり、半導体装置の信頼性が低下する傾向にある。また、前記脱離開始温度が前記範囲を満たす有機被膜としては、脂肪酸(好ましくは炭素数8〜18、より好ましくは炭素数8〜16、特に好ましくは炭素数8〜14)と脂肪族アミン(好ましくは炭素数8〜18、より好ましくは炭素数8〜16、特に好ましくは炭素数8〜14)とを含有する有機被膜が挙げられる。
また、このような有機被膜における脂肪族アミンと脂肪酸とのモル比(脂肪族アミン/脂肪酸)としては、0.001/1〜2/1が好ましく、0.001/1〜0.15/1がより好ましく、0.001/1〜0.1/1が特に好ましい。脂肪族アミンの割合が前記下限未満になると、金属微粒子の表面に有機被膜が安定に存在せず、金属微粒子が凝集しやすい傾向にあり、他方、前記上限を超えると、有機被膜の脱離開始温度が前記上限を超える傾向にある。
このような本発明に用いられる表面被覆金属微粒子は、例えば、特開2012−46779号公報に記載の方法、すなわち、前記第1金属の塩であって前記アルコール系溶媒に不溶なものを、アルコール系溶媒中、脂肪酸及び脂肪族アミンの共存下で、還元せしめることによって第1金属微粒子を生成させ、かつ、この金属微粒子の表面に前記脂肪酸及び前記脂肪族アミンを含有する有機被膜を形成させる方法によって製造することができる。
本発明に用いられる第2金属粒子は、第1金属微粒子表面からの前記有機被膜の脱離開始温度より低い液相生成温度を有する金属(第2金属)を含むものである。第2金属が前記脱離開始温度より低い液相生成温度を有することによって、前記第1金属が焼成(焼結)する前に、前記第2金属により液相が形成され、被接合部材との濡れや化学反応により強固な接合界面を形成するとともに、この液相中に第1金属微粒子が均一に分散するため、接合材料層内で前記第1金属の焼成(焼結)を均一に行うことが可能となり、接合強度に優れた接合層(より好ましくは、導電性、熱伝導性にも優れた接合層)が形成される。一方、前記第2金属の液相生成温度が前記脱離開始温度より高くなると、前記第2金属が、被接合部材と界面反応する前に、前記第1金属と反応するため、被接合部材と接合層との界面において十分な接合強度を得ることが困難となる。また、接合材料層内での均一な焼成(焼結)を確実に行うことができるという観点から、前記液相生成温度としては、前記脱離開始温度−50℃以下の温度(液相生成温度≦脱離開始温度−50℃)が好ましく、具体的には、200℃以下(液相生成温度≦200℃)が特に好ましい。
また、前記第2金属は、前記第1金属との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属である。前記第2金属が前記第1金属と反応して金属間化合物を形成することによって、接合強度が向上する。
このような前記第2金属としては、Ga、In、Hg等の単金属が挙げられ、環境面から、Ga、Inが好ましい。このような金属は、1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、2種以上の金属を使用する場合、第2金属粒子としては、2種以上の金属の合金からなるものであってもよいし、2種以上の金属粒子の混合物であってもよい。さらに、本発明においては、単金属としては前記液相生成温度(融点)が200℃を超える金属(例えば、Bi、Sn、Zn)であっても、他の金属との反応によって液相生成温度が200℃以下となる合金を形成できるものであれば、この合金からなる粒子を第2金属粒子として好適に使用することもできる。このような合金としては、Bi−Sn合金、In−Sn合金、Sn−Zn合金、Bi−In合金が挙げられ、中でも、Bi−Sn合金が好ましい。このような合金は1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、このような合金の組成としては、液相生成温度(液相線温度)が200℃以下となる組成であれば特に制限はないが、液相生成温度(液相線温度)がより低くなる組成が好ましく、共晶組成が特に好ましい。
特に、第2金属がBi−Sn合金である場合において、第2金属により液相が容易に形成され、接合強度に優れた接合層(より好ましくは、導電性、熱伝導性にも優れた接合層)を確実に形成することができるという観点から、Bi−Sn合金中のBiとSnとの原子比率としては、Bi−Sn合金の平衡状態図(図2)から求められ、前記脱離開始温度より50℃低い温度(脱離開始温度−50℃)において液相となる原子比率であることが好ましい。例えば、脱離開始温度が約230℃の場合、図2より、約180℃における原子比率Bi:Sn=60:40〜25:75が好ましい原子比率の範囲となる。
また、第2金属がBi−Sn合金である場合において、より高い接合強度が得られるという観点から、Bi−Sn合金中のSnの含有率としてはBi−Sn合金の平衡状態図(図2)における液相線温度が200℃以下となる含有率が好ましく、40〜75原子%がより好ましく、50〜65原子%が更に好ましく、55〜60原子%が特に好ましい。
また、本発明に用いられる前記第2金属としては、接合層の耐熱性の観点から、融点が250℃以上のものが好ましい。融点が250℃以上の単金属としては、Bi、Znが挙げられる。また、本発明においては、単金属としては融点が250℃未満の金属(例えば、Sn、Bi、In)であっても、前記第1金属や後述する接合部材の接合表面に含まれる金属との反応によって液相生成温度が250℃以上となる金属間化合物を形成できるものであれば、この金属からなる粒子を、耐熱性に優れた接合層が得られるという観点において、第2金属粒子として好適に使用することができる。液相生成温度が250℃以上となる金属間化合物としては、Cu−Sn化合物、Cu−In化合物、Ni−Sn化合物、Ni−In化合物、Ag−Sn化合物が挙げられる。なお、Ag−In化合物は液相生成温度が200℃程度であるため、第1金属微粒子や後述する接合部材の接合表面にAgが含まれる場合には、前記第2金属としては、Bi、Zn、Bi−Sn合金、Sn−Zn合金が好ましい。
このような第2金属粒子の平均粒子径としては100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましい。第2金属粒子の平均粒子径が前記上限を超えると、接合材料の印刷性や塗工性が低下する傾向にある。また、第2金属粒子の平均粒子径の下限としては、酸化の影響を抑制する観点から、0.01μm以上が好ましく、1μm以上がより好ましい。なお、この平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)又は走査型電子顕微鏡(SEM)による観察において、無作為に抽出した200個の第2金属粒子の直径を測定した算術平均値である。また、第2金属粒子としては、表面に有機被膜を備えるものでもよいが、不純物の少ない液相を形成するという観点から、有機被膜を備えていないものが好ましい。
本発明の接合材料は、前記表面被覆金属微粒子及び前記第2金属粒子を含有するものである。このような接合材料においては、全金属粒子に対する前記第2金属粒子の含有量が20〜40質量%であることが好ましく、25〜35質量%であることがより好ましい。また、全金属元素に対する前記第2金属の原子比率が8〜20%であることが好ましく、10〜18%であることがより好ましく、10〜15%であることが特に好ましい。前記第2金属粒子の含有量や前記第2金属の原子比率が前記下限未満になると、前記第2金属により形成される液相の割合が少なくなり、接合強度が低くなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、導電性や熱伝導性が低下したり、あるいは、前記第1金属や後述する接合部材の接合表面に含まれる金属との反応によって過剰に金属間化合物が生成したり、液相過多により接合層内に欠陥が生じることにより、接合層が脆くなり、半導体装置の信頼性が低下する傾向にある。
また、本発明の接合材料は、前記第1金属及び前記第2金属の両者と異なる金属(以下、「第3金属」ともいう。)を含む第3金属粒子を更に含有することが好ましい。これにより、200℃以上の高温に曝された場合でも優れた接合強度を有する接合層を形成することが可能となる。なお、本発明の接合材料が前記第3金属粒子を更に含有することによって、高温に曝された場合でも優れた接合強度を有する接合層を形成することが可能となる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、前記表面被覆金属微粒子及び前記第2金属粒子を含有する接合材料に前記第3金属粒子を添加すると、前記第3金属粒子が、前記第2金属(特に、第2金属が合金の場合における一方の成分)を捕捉して金属部材と接合層との間への前記第2金属(特に、第2金属が合金の場合における一方の成分)の偏析を抑制するため、前記第2金属が接合層内に均一に分散して存在し、その結果、接合層が高温に曝された場合でも、第2金属(特に、第2金属が合金の場合における一方の成分)の拡散や機械的な脆さに起因する接合層の劣化が起こりにくくなり、優れた接合強度を有する接合層が形成されると推察される。
本発明に用いられる第3金属粒子の平均粒子径は1nm〜100μmである。平均粒子径が前記下限未満の金属粒子は得ることが困難であり、他方、平均粒子径が前記上限を超える第3金属粒子を用いると、接合材料層を形成することが困難となる。なお、この平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)又は走査型電子顕微鏡(SEM)による観察において、無作為に抽出した200個の第3金属粒子の直径を測定した算術平均値である。
このような第3金属粒子の含有量としては全金属粒子に対して0.01〜20質量が好ましく、1〜10質量%がより好ましい。第3金属粒子の含有量が前記下限未満になると、高温に曝された場合の接合層の接合強度の低下を十分に抑制できない場合があり、他方、前記上限を超えると、接合強度が低下する傾向にある。
本発明にかかる前記第3金属としては、Ni、Ag、Zn、Al、Ptが好ましく、Ag、Niがより好ましい。第3金属としてこれらの金属を用いることによって、高温に曝された場合でも優れた接合強度を有する接合層を形成することができ、特に、前記第2金属がBi−Sn合金である場合に有効である。これは、前記第3金属粒子が、Biを捕捉して金属部材と接合層との間へのBiの偏析を抑制するため、Biが接合層内に均一に分散して存在し、その結果、接合層が高温に曝された場合でも、Biの拡散や機械的な脆さに起因する接合層の劣化が起こりにくくなるためと推察される。このような金属は、1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、2種以上の金属を使用する場合、第3金属粒子としては、2種以上の金属の合金からなるものであってもよいし、2種以上の金属粒子の混合物であってもよい。また、第3金属粒子としては、表面に有機被膜を備えるものでもよいが、不純物の少ない接合層を形成するという観点から、有機被膜を備えていないものが好ましい。
また、本発明の接合材料は、印刷性や塗工性の観点から、溶媒や油脂等を添加してペースト(本発明の接合材料ペースト)として使用してもよいし、圧粉してシート状に成形してもよい。ペーストに用いられる溶媒としては、α−テルピネオール等のモノテルペンアルコール、1−オクタノール、1−デカノール等の脂肪族アルコールが挙げられる。
<接合方法>
次に、本発明の接合方法について説明する。本発明の接合方法は、第1部材と、第2部材と、該第1部材及び該第2部材の表面に接触している、前記本発明の接合材料を用いて形成された接合材料層とを備える積層体を形成する工程と、前記接合材料層を前記液相生成温度以上かつ前記脱離開始温度未満の温度で加熱して、前記第2金属からなる液相を形成せしめる工程と、前記液相を含有する接合材料層を前記脱離開始温度以上の温度で加熱して、前記第1金属を焼成せしめ、かつ、前記第1金属と前記第2金属とを反応させて金属間化合物を生成せしめ、接合層を形成せしめる工程と、を含むことを特徴とする方法である。
本発明の接合方法においては、先ず、第1部材と、第2部材と、これら第1部材及び該第2部材の表面に接触している、前記本発明の接合材料を用いて形成された接合材料層とを備える積層体を形成する。このような積層体を形成する方法としては特に制限はないが、例えば、第1部材の表面に本発明の接合材料を含むペースト(以下、「接合材料ペースト」という。)を印刷又は塗工し、形成した接合材料ペースト層の表面に第2部材を配置する方法;第1部材の表面に本発明の接合材料を圧粉して成形したシート(以下、「接合材料シート」という。)を積層し、この接合材料シートの表面に第2部材を積層する方法;接合材料シートを第1部材及び第2部材で挟持する方法等が挙げられる。
第1部材としては、表面が金属のものであれば特に制限はないが、例えば、Cu板(例えば、半導体用基板)、表面に金属を貼り付けたセラミック板、Cu合金やNi合金等の合金板が挙げられる。また、第2部材としては、表面が金属のものであれば特に制限はないが、例えば、半導体素子(Siチップ、SiCチップ、GaNチップ)、金属板(Cu板、Ni板、Al板)が挙げられる。
また、前記第1部材の表面の前記接合材料層が接触している領域及び第2部材の表面の前記接合材料層が接触している領域のうちの少なくとも一方には、前記第1金属及び前記第2金属のうちの少なくとも一方との反応により金属間化合物(好ましくは、融点が250℃以上の金属間化合物)を生成することが可能な金属が含まれていることが好ましい。これにより、第1部材や第2部材と接合層との接合強度が向上し、さらに、融点が250℃以上の金属間化合物を生成し得る金属を含む場合には、接合層の耐熱性も向上する傾向にある。このような前記第1金属及び前記第2金属のうちの少なくとも一方との反応により金属間化合物を生成することが可能な金属としては、Au、Ag、Cu、Niが挙げられる。このような金属は、1種を単独で使用しても2種以上を併用してもよい。また、2種以上の金属を使用する場合、合金を形成していてもよい。
次に、このようにして形成した第1部材/接合材料層/第2部材からなる積層体を、図1に示す温度プロファイルに従って加熱して、前記第2金属からなる液相を形成させ、更に、前記第1金属を焼成(焼結)するとともに、前記第1金属と前記第2金属とを反応させて金属間化合物を生成させ、接合強度に優れた接合層(より好ましくは、導電性、熱伝導性にも優れた接合層)を形成する。
すなわち、先ず、前記接合材料層を前記液相生成温度以上かつ前記脱離開始温度未満の温度で加熱する。これにより、前記第1金属が焼成(焼結)する前に、前記第2金属により液相が形成される。このとき、前記第1金属微粒子は、表面が有機被膜によって覆われているため、前記液相中で凝集しにくく、また、前記第1金属と前記第2金属との反応が抑制される。その結果、前記第2金属からなる液相中に前記第1金属微粒子が均一に分散している接合材料層が形成される。
次に、このようにして形成した前記第2金属からなる液相を含有する接合材料層を、前記脱離開始温度以上の温度で加熱する。これにより、前記第1金属が焼成(焼結)するとともに、前記第1金属微粒子の表面から有機被膜が脱離して前記第1金属と前記第2金属とが反応し、金属間化合物が生成する。前記接合材料層においては、前記第2金属からなる液相中に前記第1金属微粒子が均一に分散しているため、前記第1金属の焼結や前記金属間化合物の生成が接合材料層内で均一に起こり、接合強度に優れた接合層(より好ましくは、導電性、熱伝導性にも優れた接合層)が形成される。また、前記接合材料層に前記第3金属粒子が含まれている場合には、200℃以上の高温に曝された場合でも優れた接合強度を有する接合層が形成される。これは、前記第3金属粒子が、前記第2金属(特に、第2金属が合金の場合における一方の成分、例えば、第2金属がBi−Sn合金の場合にはBi)を捕捉して金属部材と接合層との間への前記第2金属(特に、第2金属が合金の場合における一方の成分、例えば、第2金属がBi−Sn合金の場合にはBi)の偏析を抑制するため、前記第2金属が均一に分散している接合材料層が形成され、高温に曝された場合でも、第2金属(特に、第2金属が合金の場合における一方の成分、例えば、第2金属がBi−Sn合金の場合にはBi)の拡散や機械的な脆さに起因する接合層の劣化が起こりにくくなるためと推察される。
また、前記第1部材及び第2部材のうちの少なくとも一方として、表面の前記接合材料層との接触領域に前記第2金属との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものを使用した場合には、この加熱処理によって、前記接触領域に含まれる前記金属と前記第2金属とが反応して更に金属間化合物が生成し、接合強度が更に向上した接合層が形成される。
前記液相生成温度以上かつ前記脱離開始温度未満の温度での加熱処理と、前記脱離開始温度以上の温度で加熱処理とは、それぞれの工程での温度を一定に保って段階的(例えば、2段階)に行なってもよいし、連続的に温度上昇させて連続的に行なってもよい。
例えば、前記第1部材として半導体用基板、前記第2部材として半導体素子を使用した場合には、本発明の接合方法によって、半導体素子、半導体用基板、及び前記半導体素子と前記半導体用基板との間に配置されており、前記接合材料を用いて形成された接合層を備えている、半導体素子と半導体用基板との間の接合強度に優れた半導体装置を製造することができる。特に、前記半導体素子及び前記半導体用基板のうちの少なくとも一方(好ましくは、両方)として、表面の前記接合層との接触領域に、前記第2金属と反応して金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものを使用した場合には、半導体素子と半導体用基板との間の接合強度が更に向上した半導体装置を製造することができる。また、前記半導体素子及び前記半導体用基板のうちの少なくとも一方(好ましくは、両方)として、表面の前記接合層との接触領域に、前記第2金属と反応して融点が250℃以上の金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものを使用した場合には、耐熱性が更に優れた半導体装置を製造することができる。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、有機被膜の脱離開始温度、金属の液相生成温度、及び接合強度の測定方法及び有機被膜を有するCu微粒子の調製方法を以下に示す。
(1)脱離開始温度
熱重量分析装置((株)リガク製)を用いて、Ar又はNの不活性ガス雰囲気下、室温から500℃まで20℃/分で昇温しながら表面被覆金属微粒子の熱重量分析(TG分析)を行なった。得られたTG曲線に基づいて、有機被膜の脱離(分解)に起因する質量減少が認められた温度範囲を求め、その下限温度を有機被膜の脱離開始温度とした。
(2)液相生成温度
Springer Materials Databaseに収録されている金属の平衡状態図において、単金属についてはその融点を、合金についてはその合金組成における固相線上の温度を液相生成温度とした。
(3)接合強度
ツール高さ:Cu板表面から50μm、せん断速度:50μm/秒の条件で、Siチップにせん断ツールを当ててせん断試験を行い、Siチップの接合面積あたりのせん断強度を求め、これを接合強度とした。また、このときの破断箇所を確認した。
(調製例1)
表面被覆Cu微粒子は、特開2012−46779号公報に記載の方法に従って調製した。すなわち、フラスコにエチレングリコール(HO(CHOH)600mlを入れ、これに炭酸銅(CuCO・Cu(OH)・HO)120mmolを添加した。なお、炭酸銅はエチレングリコールにほとんど溶解せずに沈殿した。これに、デカン酸(C19COOH)180mmolおよびデシルアミン(C1021NH)60mmolを添加した後、窒素ガスを1L/minで流しながら、エチレングリコールの沸点で1時間加熱還流させ、Cu微粒子の表面にデカン酸及びデシルアミンからなる有機被膜を備える表面被覆Cu微粒子を得た。この表面被覆Cu微粒子をヘキサン中に分散させて回収し、アセトンおよびエタノールを順次添加して洗浄した後、遠心分離(3000rpm、20min)により回収し、真空乾燥(35℃、30min)を施した。
得られた表面被覆Cu微粒子をトルエンに分散させ、この分散液をエラスチックカーボン支持膜(高分子材料膜(15〜20nm厚)+カーボン膜(20〜25nm厚))付きCuマイクログリッド(応研商事(株)製)上に滴下した後、自然乾燥させて観察用試料を作製した。この観察用試料を、透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子(株)製「JEM−2000EX」)を用いて加速電圧200kVで観察した。このTEM観察において、無作為に200個のCu微粒子を抽出し、その直径を測定して平均粒子径を求めたところ、230nmであった。また、前記表面被覆Cu微粒子における有機被膜の脱離開始温度を前記方法により測定したところ、210℃であった。
(実施例1)
調製例1で得られた表面被覆Cu微粒子と、表面が被覆されてない共晶組成のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:43原子%、Sn:57原子%、共晶点:139℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)とを質量比が7:3となるように混合し、得られた混合物に溶媒としてα−テルピネオールと1−デカノールとを混合物1gに対してそれぞれ45μlずつ添加して接合材料ペーストを調製した。なお、前記混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は14.7%である。
次に、表面に厚さ100nmのAg被膜を有するCu板(JIS H3100 C1020)の前記Ag被膜上に前記接合材料ペーストを厚さ150μmとなるように塗布し、得られた接合材料層上に、裏面に100nmのAg被膜を有するSiチップ((株)SUMCO製「単結晶Si(001)面」)を、前記接合材料層と前記Ag被膜とが接するように積層した。
得られた積層体の積層面を0.3MPaで加圧しながら、3流量%H雰囲気(残り:N、流量:3L/分)中、150℃で20分間の加熱処理を前記積層体に施し、さらに、同雰囲気中、350℃で10分間の加熱処理を前記積層体に施して、Cu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた半導体装置におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例2)
調製例1で得られた表面被覆Cu微粒子とBi−Sn合金粒子との質量比を8:2に変更した以外は実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は9.2%)を調製し、Cu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例3)
Ag被膜を有するCu板の代わりに、表面に厚さ500nmのNi被膜を有するCu板(JIS H3100 C1020)を用い、Ag被膜を有するSiチップの代わりに、表面に厚さ500nmのNi被膜を有するSiチップ((株)SUMCO製「単結晶Si(001)面」)を用いた以外は、実施例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例4)
接合時の圧力を0.1MPaに変更した以外は、実施例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(比較例1)
Bi−Sn合金粒子を混合しなかった以外は実施例1と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子(質量比)=10:0)を調製し、Cu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層とSiチップとの接合界面近傍であった。
(比較例2)
調製例1で得られた表面被覆Cu微粒子の代わりに、表面が被覆されてないCu粒子((株)高純度化学研究所製、平均粒子径:1μm)を用いた以外は実施例1と同様にして接合材料ペーストを調製し、Cu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層とSiチップとの接合界面近傍であった。
(比較例3)
Ag被膜を有するCu板の代わりに、表面に厚さ500nmのNi被膜を有するCu板(JIS H3100 C1020)を用い、Ag被膜を有するSiチップの代わりに、表面に厚さ500nmのNi被膜を有するSiチップ((株)SUMCO製「単結晶Si(001)面」)を用いた以外は、比較例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層とSiチップとの接合界面近傍であった。
(比較例4)
接合時の圧力を0.1MPaに変更した以外は、比較例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を表1に示す。また、破断箇所は接合層とSiチップとの接合界面近傍であった。
表1に示した結果から明らかなように、本発明の接合材料を用いた場合(実施例1〜4)は、本発明にかかる第2金属粒子を含んでいない接合材料を用いた場合(比較例1、3、4)や本発明にかかる表面被覆金属微粒子の代わりに有機被膜を備えていない金属微粒子を用いた場合(比較例2)に比べて、非常に高い接合強度で接合できることがわかった。また、実施例1、3に示した結果から明らかなように、本発明の接合材料を用いた場合には、Ag、Niのいずれの接合面に対しても高い接合強度で接合できることがわかった。
(実施例5)
接合時の圧力を0.5MPaに変更した以外は、実施例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例6)
Sn含有率が57原子%のBi−Sn合金粒子の代わりに、Sn含有率が74原子%のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:26原子%、共晶点:139℃、液相線温度:178℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は16.1%)を調製し、さらに、実施例5と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例7)
Sn含有率が57原子%のBi−Sn合金粒子の代わりに、Sn含有率が42原子%のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:58原子%、共晶点:139℃、液相線温度:171℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は13.7%)を調製し、さらに、実施例5と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例8)
接合時の圧力を0.1MPaに変更した以外は、実施例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例9)
Sn含有率が57原子%のBi−Sn合金粒子の代わりに、Sn含有率が74原子%のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:26原子%、共晶点:139℃、液相線温度:178℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は16.1%)を調製し、さらに、実施例8と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例10)
Sn含有率が57原子%のBi−Sn合金粒子の代わりに、Sn含有率が42原子%のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:58原子%、共晶点:139℃、液相線温度:171℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は13.7%)を調製し、さらに、実施例8と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例11)
接合時の圧力を0.003MPaに変更した以外は、実施例1と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例12)
Sn含有率が57原子%のBi−Sn合金粒子の代わりに、Sn含有率が74原子%のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:26原子%、共晶点:139℃、液相線温度:178℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は16.1%)を調製し、さらに、実施例11と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
(実施例13)
Sn含有率が57原子%のBi−Sn合金粒子の代わりに、Sn含有率が42原子%のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:58原子%、共晶点:139℃、液相線温度:171℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして接合材料ペースト(混合物中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は13.7%)を調製し、さらに、実施例11と同様にしてCu板/接合層/Siチップからなる半導体装置(接合体)を作製した。得られた接合体におけるCu板とSiチップとの接合強度を前記方法により測定した。その結果を図3に示す。また、破断箇所は接合層内であった。
図3に示した結果から明らかなように、本発明の接合材料においては、第2金属である合金が共晶組成の場合(Bi−Sn合金では、Bi:43原子%及びSn:57原子%の場合)に接合強度が極大になることがわかった。
(実施例14)
調製例1で得られた表面被覆Cu微粒子と、表面が被覆されてない共晶組成のBi−Sn合金粒子((株)高純度化学研究所製、Bi:43原子%、Sn:57原子%、共晶点:139℃、平均粒子径:36μm、液相生成温度:139℃)とを質量比が7:3となるように混合した。得られた混合物にAg粒子((株)高純度化学研究所製、平均粒子径:1μm)を全金属粒子に対する含有量が1質量%となるように混合し、得られた混合物に溶媒としてα−テルピネオールと1−デカノールとを混合物1gに対してそれぞれ40μlずつ添加して接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ag粒子=69質量%:30質量%:1質量%)を調製した。なお、前記接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は14.7%である。
次に、表面に厚さ100nmのAg被膜を有するCu貼り合わせセラミック板(デンカ(株)製、以下、「DBC基板」という。)の前記Ag被膜上に前記接合材料ペーストを厚さ100μmとなるように塗布し、得られた接合材料層上に、裏面に100nmのAg被膜を有するSiC板((株)MTK製)を、前記接合材料層と前記Ag被膜とが接するように積層した。
得られた積層体の積層面を0.5MPaで加圧しながら、100流量%H雰囲気(流量:1L/分)中、200℃で10分間の加熱処理を前記積層体に施し、さらに、同雰囲気中、350℃で5分間の加熱処理を前記積層体に施して、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体を大気中、250℃で100時間保持して耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定し、下記式:
耐熱試験前後の接合強度の変化率(%)
=(耐熱試験後の接合強度−耐熱試験前の接合強度)/耐熱試験前の接合強度×100
により耐熱試験前後の接合強度の変化率を求めた。その結果を表2に示す。
(実施例15)
全金属粒子に対するAg粒子の含有量を10質量%に変更した以外は、実施例14と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ag粒子=63質量%:27質量%:10質量%、接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は13.6%)を調製し、さらに、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体に対して実施例14と同様に耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定し、耐熱試験前後の接合強度の変化率を求めた。その結果を表2に示す。
(実施例16)
平均粒子径が1μmのAg粒子の代わりに平均粒子径が20nmのAg粒子(バンドー化学(株)製)を用いた以外は、実施例14と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ag粒子=69質量%:30質量%:1質量%、接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は14.7%)を調製し、さらに、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体に対して実施例14と同様に耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定し、耐熱試験前後の接合強度の変化率を求めた。その結果を表2に示す。
(実施例17)
全金属粒子に対するAg粒子の含有量を10質量%に変更した以外は、実施例16と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ag粒子=63質量%:27質量%:10質量%、接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は13.6%)を調製し、さらに、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体に対して実施例14と同様に耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定し、耐熱試験前後の接合強度の変化率を求めた。その結果を表2に示す。
(実施例18)
Ag粒子の代わりにNi粒子((株)高純度化学研究所製、平均粒子径:2〜3μm)を全金属粒子に対する含有量が3質量%となるように混合した以外は、実施例14と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ni粒子=68質量%:29質量%:3質量%、接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は14.1%)を調製し、さらに、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体に対して実施例14と同様に耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定し、耐熱試験前後の接合強度の変化率を求めた。その結果を表2に示す。
(実施例19)
全金属粒子に対するNi粒子の含有量を10質量%に変更した以外は、実施例19と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ni粒子=63質量%:27質量%:10質量%、接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は12.8%)を調製し、さらに、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体に対して実施例14と同様に耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定した。その結果を表2に示す。
(実施例20)
Ag粒子を混合しなかった以外は、実施例14と同様にして接合材料ペースト(表面被覆Cu微粒子:Bi−Sn合金粒子:Ag粒子=70質量%:30質量%:0質量%、接合材料中の全金属元素に対するBi−Sn合金の原子分率は14.7%)を調製し、さらに、DBC基板/接合層/SiC板からなる接合体を作製した。得られた接合体に対して実施例14と同様に耐熱試験を行い、耐熱試験前後の接合体におけるDBC基板とSiC板との接合強度を前記方法により測定し、耐熱試験前後の接合強度の変化率を求めた。その結果を表2に示す。
表2に示した結果から明らかなように、本発明にかかる接合層に第3金属粒子としてAg粒子又はNi粒子を更に添加することによって、高温に曝された場合における接合層の接合強度の低下を抑制できることがわかった。
以上説明したように、本発明によれば、半導体素子や半導体用基板などの金属部材を高い接合強度で接合することが可能となる。
したがって、本発明の接合方法は、高い接合強度を有する接合層を形成できる接合材料を使用しているため、半導体装置を製造する際に、半導体素子及び半導体用基板等を強固に接合できる方法として有用である。

Claims (16)

  1. 平均粒子径が10nm以上1μm以下の銅微粒子である第1金属微粒子と、該第1金属微粒子の表面に配置され、加熱により前記表面から脱離することが可能な有機被膜とを備える表面被覆金属微粒子、及び
    前記第1金属微粒子表面からの前記有機被膜の脱離開始温度より低い液相生成温度を有し、かつ、前記第1金属微粒子に含まれる銅との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含む第2金属粒子を含有し、
    前記第1金属微粒子に含まれる銅の焼結物及び前記第1金属微粒子に含まれる銅と前記第2金属粒子に含まれる金属との金属間化合物を含有する接合体を形成し得ることを特徴とする接合材料。
  2. 第2金属粒子に含まれる前記金属がスズ合金であることを特徴とする請求項1に記載の接合材料。
  3. 前記スズ合金がBi−Sn合金であることを特徴とする請求項2に記載の接合材料。
  4. 前記Bi−Sn合金のBiとSnとの原子比率が、Bi−Sn合金の平衡状態図から求められ、前記脱離開始温度より50℃低い温度において液相となる原子比率であることを特徴とする請求項3に記載の接合材料。
  5. 前記Bi−Sn合金中のSnの含有率が、Bi−Sn合金の平衡状態図における液相線温度が200℃以下となる含有率であることを特徴とする請求項3に記載の接合材料。
  6. 前記Bi−Sn合金中のSnの含有率が40〜75原子%であることを特徴とする請求項5に記載の接合材料。
  7. 全金属元素に対する前記第2金属粒子に含まれる金属の原子比率が8〜20%であることを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか一項に記載の接合材料。
  8. 前記第2金属粒子の平均粒子径が100μm以下であることを特徴とする請求項1〜7のうちのいずれか一項に記載の接合材料。
  9. 第1金属微粒子に含まれる銅及び第2金属粒子に含まれる前記金属の両者と異なる金属を含み、平均粒子径が1nm〜100μmである第3金属粒子を更に含有することを特徴とする請求項1〜8のうちのいずれか一項に記載の接合材料。
  10. 第3金属粒子に含まれる前記金属がニッケル、銀、亜鉛、アルミニウム、及び白金からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項9に記載の接合材料。
  11. 前記第3金属粒子の含有量が全金属粒子に対して0.01〜20質量%であることを特徴とする請求項9又は10に記載の接合材料。
  12. 表面が金属からなる第1部材及び第2部材と、該第1部材及び該第2部材の表面に接触している、請求項1〜11のうちのいずれか一項に記載の接合材料を用いて形成された接合材料層とを備える積層体を形成する工程と、
    前記接合材料層を前記液相生成温度以上かつ前記脱離開始温度未満の温度で加熱して、第2金属粒子に含まれる前記金属からなる液相を形成せしめる工程と、
    前記液相を含有する接合材料層を前記脱離開始温度以上の温度で加熱して、第1金属微粒子に含まれる銅を焼成せしめ、かつ、第1金属微粒子に含まれる銅と第2金属粒子に含まれる前記金属を反応させて金属間化合物を生成せしめ、接合層を形成せしめる工程と、
    を含むことを特徴とする接合方法。
  13. 前記第1部材及び第2部材の表面の前記接合材料層との接触領域のうちの少なくとも一方が、前記第2金属粒子に含まれる金属との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものであり、
    前記接合層を形成せしめる工程において、前記接触領域に含まれる前記金属と前記第2金属粒子に含まれる前記金属との反応により金属間化合物を更に生成せしめることを特徴とする請求項12に記載の接合方法。
  14. 請求項1〜11のうちのいずれか一項に記載の接合材料を含有することを特徴とする接合材料ペースト。
  15. 半導体素子、半導体用基板、及び前記半導体素子と前記半導体用基板との間に配置されており、請求項1〜11のうちのいずれか一項に記載の接合材料を用いて形成された接合層を備えていることを特徴とする半導体装置。
  16. 前記半導体素子及び前記半導体用基板の表面の前記接合層との接触領域のうちの少なくとも一方が、前記第2金属粒子に含まれる金属と反応して金属間化合物を形成することが可能な金属を含むものであることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
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