JP6780457B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電極を有する搭載部材が接合部材を介して導電性部材に接続された半導体装置およびその製造方法に関するものである。
従来より、この種の半導体装置として、次のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、この半導体装置では、搭載部材として半導体チップが用いられ、半導体チップに電極が備えられている。そして、半導体チップは、電極が導電性部材と対向するように配置されていると共に当該電極が接合部材を介して導電性部材と電気的に接続されている。なお、接合部材は、銀（以下では、単にＡｇという）粒子のみが焼結されたＡｇ焼結体を用いて構成されている。
特開２０１４−１２７５３５号公報
しかしながら、本発明者らは、このようなＡｇ焼結体で構成される接合部材を有する半導体装置について検討したところ、当該半導体装置が高温で長時間保持されると、接合部材内に大きな空隙が形成されることを見出した。すなわち、図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、接合部材Ｊ５が焼結体で構成されているため、初期状態においても微小な空隙Ｖが存在しているが、高温で長時間保持されると、多数の大きな空隙Ｖが形成されていることが確認される。この現象は、接合部材が高温で長時間保持されることによってＡｇ粒子（すなわち、Ａｇ原子）が拡散するためであると推定される。このため、このような半導体装置は、高温で長時間保持されるような使用環境では、接合部材の接合強度が低下し、接合部材が破壊されてしまう可能性がある。
本発明は上記点に鑑み、高温で長時間保持される場合であっても、接合部材が破壊されることを抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項１では、電極（２１、２２）を有する搭載部材（２）が接合部材（５、６）を介して導電性部材（１、３）に電気的、機械的に接続された半導体装置において、電極を有する搭載部材と、電極と対向して配置される導電性部材と、搭載部材と導電性部材との間に配置され、電極と導電性部材とを電気的、機械的に接続する接合部材と、を備え、接合部材は、Ａｇ粒子（８）に、Ａｇ原子より凝集エネルギーが高い金属原子を含む補助粒子（９）が添加された焼結体で構成されており、補助粒子は、金属原子の酸化物、または炭化物で構成されると共に、接合部材内に点在して配置されているものとしている。
これによれば、接合部材は、Ａｇ原子よりも凝集エネルギーの高い金属原子を含む補助粒子が添加された焼結体で構成されているため、高温で長時間使用されたとしても、補助粒子に含まれる金属原子によってＡｇ原子の拡散が抑制される。このため、接合部材の内部に大きな空隙が形成されることで接合強度が低下することを抑制でき、接合部材が破壊されることを抑制できる。
なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。
第１実施形態における半導体装置の断面図である。 図１に示す第１接合部材の構成を示す模式図である。 Ａｇ粒子にＷＯ３粒子を添加して構成した第１接合部材における初期状態を示すＳＥＭ写真に基づいて２値化した図である。 Ａｇ粒子にＷＯ３粒子を添加して構成した第１接合部材における２５０℃で５００時間保持した後の状態を示すＳＥＭ写真に基づいて２値化した図である。 Ａｇ粒子にＷＣ粒子を添加して構成した第１接合部材における初期状態を示すＳＥＭ写真に基づいて２値化した図である。 Ａｇ粒子にＷＣ粒子を添加して構成した第１接合部材における２５０℃で５００時間保持した後の状態を示すＳＥＭ写真に基づいて２値化した図である。 原子と凝集エネルギーとの関係を示す図である。 Ａｇ粒子のみで構成した従来の接合部材における接合強度の変化を示す図である。 Ａｇ粒子にＷＯ３粒子を添加して構成した第１接合部材における接合強度の変化を示す図である。 Ａｇ粒子にＷＣ粒子を添加して構成した第１接合部材における接合強度の変化を示す図である。 Ａｇ粒子のみで構成した従来の接合部材における初期状態を示すＳＥＭ写真に基づいて２値化した図である。 Ａｇ粒子のみで構成した従来の接合部材における２５０℃で５００時間保持した後の状態を示すＳＥＭ写真に基づいて２値化した図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の半導体装置は、図１に示されるように、第１放熱部材１上に半導体チップ２が搭載され、半導体チップ２上に放熱ブロック３を介して第２放熱部材４が配置されることで構成されている。また、第１放熱部材１と半導体チップ２との間には第１接合部材５が配置され、半導体チップ２と放熱ブロック３との間には第２接合部材６が配置され、放熱ブロック３と第２放熱部材４との間には第３接合部材７が配置されている。
なお、本実施形態では、第１放熱部材１および放熱ブロック３が導電性部材に相当し、半導体チップ２が搭載部材に相当し、第１接合部材５および第２接合部材６が接合部材に相当している。
半導体チップ２は、本実施形態では、一面２０ａおよび一面２０ａと反対側の他面２０ｂを有する半導体基板２０を備えている。そして、半導体基板２０には、ＩＧＢＴ素子やＭＯＳＦＥＴ素子等の半導体素子が形成されていると共に、一面２０ａ側に一面電極２１が形成され、他面２０ｂ側に他面電極２２が形成されている。なお、特に図示しないが、半導体基板２０には、一面２０ａ側にゲートパッドが形成されており、当該ゲートパッドがゲート端子とボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。
放熱ブロック３は、半導体チップ２と第２放熱部材４との間に配置されてこれらを電気的および熱的に接続するものであり、例えば、電気伝導率および熱伝達率が大きい銅（Ｃｕ）等によって構成されている。本実施形態では、放熱ブロック３は、長方体形状とされている。そして、放熱ブロック３は、第２接合部材６を介して半導体チップ２の一面２０ａ側における一面電極２１と電気的、熱的および機械的に接続されていると共に、第３接合部材７を介して第２放熱部材４と電気的、熱的、および機械的に接続されている。
第１放熱部材１および第２放熱部材４は、半導体チップ２にて発生した熱を広範囲に拡散させて放出する放熱板として機能するものである。第１放熱部材１および第２放熱部材４は、例えば、電気伝導率および熱伝達率が大きい銅（Ｃｕ）をベースとして形成され、必要に応じて表面に金メッキ等が施された構造とされる。
また、第１放熱部材１は、第１接合部材５を介して半導体チップ２の他面電極２２と電気的、熱的、および機械的に接続されており、放熱板としての機能に加えて、他面電極２２に接続される配線部としても機能する。同様に、第２放熱部材４は、放熱ブロック３を介して半導体チップ２の一面電極２１と電気的に接続されており、放熱板としての機能に加えて、一面電極２１に接続される配線部としても機能する。
以上が本実施形態の半導体装置の基本的な構成である。次に、本実施形態の第１接合部材５の構成について説明する。なお、本実施形態では、第２接合部材６および第３接合部材７も第１接合部材５と同様の構成とされている。
第１接合部材５は、図２に示されるように、Ａｇ粒子８に、Ａｇ粒子８を構成するＡｇ原子よりも凝集エネルギーの高いタングステン（以下では、単にＷという）の酸化物、または炭化物で構成された補助粒子９が添加された焼結体で構成されている。
すなわち、図７Ｂに示されるように、Ａｇ粒子のみの焼結体で構成した接合部材Ｊ５は、高温で長時間保持されると、内部に大きな空隙Ｖが形成される。このため、本発明者らは、Ａｇ粒子にＡｇ原子よりも凝集エネルギーの高い金属原子を含む補助粒子を添加することでＡｇ原子の拡散が抑制されると考え、図３および図４に示す実験結果を得た。図３は、平均粒径が約１〜１０μｍであるＡｇ粒子８の粉末に、平均粒径が約０．９μｍである酸化タングステン（以下では、単にＷＯ３という）を２ｗｔ％添加した際の実験結果である。また、図４は、平均粒径が約１〜１０μｍであるＡｇ粒子８の粉末に、粒径が０．１１μｍである炭化タングステン（以下では、単にＷＣという）を２ｗｔ％添加した際の実験結果である。なお、Ｗは、図５に示されるように、凝集エネルギーがＡｇ原子の凝集エネルギーよりも著しく高い金属原子である。
図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、Ａｇ粒子８に、ＷＯ３またはＷＣの補助粒子９を添加して第１接合部材５を構成すると、２５０℃で５００時間保持した場合であっても、初期状態の空隙Ｖに対して、大きな空隙Ｖが形成されていないことが確認される。なお、以下では、２５０℃で５００時間保持した後のことを耐久後ともいう。
また、図６Ａに示されるように、Ａｇ粒子のみで構成した接合部材は、初期状態に対して、耐久後の接合強度が低下していることが確認される。これに対し、図６Ｂに示されるように、Ａｇ粒子８にＷＯ３粒子を添加して構成した第１接合部材５は、初期状態に対して、耐久後の接合強度が低下することが抑制されていることが確認される。同様に、図６Ｃに示されるように、Ａｇ粒子８にＷＣ粒子を添加して構成した第１接合部材５も、初期状態に対して、耐久後の接合強度が低下することが抑制されていることが確認される。
これらの各図より、Ａｇ粒子８に、Ａｇ原子より凝集エネルギーの高いＷ原子を含む補助粒子９を添加することにより、第１接合部材５の内部に大きな空隙Ｖが形成されることが抑制され、接合強度が低下することが抑制されることが確認される。なお、このような結果となるのは、Ａｇ原子より凝集エネルギーの高いＷ原子を含む補助粒子９を添加することにより、Ｗ原子の周囲にＡｇ原子が凝集するためであると推定される。
また、本実施形態では、補助粒子９をＷの酸化物、または炭化物で構成している。このため、Ｗ粒子（すなわち、Ｗ原子）のみを添加する場合と比較して、Ａｇ原子の還元作用によってＷ原子の周囲にＡｇ原子を凝集させ易くできる。
さらに、図６Ｂおよび図６Ｃに示されるように、Ａｇ粒子８に、補助粒子９を添加することにより、接合強度が低下することを抑制できるのみならず、接合強度が向上していることも確認される。これに関しても明確な論理については明らかではないが、Ａｇ原子がＷ原子の周囲に凝集する際、図３Ｂおよび図４Ｂに示されるように、初期状態にて形成されている微小な空隙Ｖが埋められるためであると推測される。
なお、添加する補助粒子９の平均粒径は、Ａｇ粒子８との間に空隙Ｖが形成されないように、Ａｇ粒子８よりも平均粒径が小さくされていることが好ましい。特に限定されるものではないが、例えば、Ａｇ粒子８の平均粒径を１〜１０μｍ程度とし、補助粒子９の平均粒径を０．１〜３μｍ程度となるようにすることが好ましい。このようにすることにより、初期状態において、Ａｇ粒子８と補助粒子９との間に大きな空隙Ｖが形成されることを抑制でき、接合強度が低下することを抑制できる。
以上が本実施形態における半導体装置の構成である。なお、このような第１〜第３接合部材５〜７は、Ａｇ粒子８をアルコールやエチレングリコール等の溶剤に混入したペースト材料を用意し、Ａｇ粒子８よりも平均粒径の小さい補助粒子９を添加して撹拌する。そして、補助粒子９を含むペーストを所定箇所に塗布した後、例えば、２８０℃で１時間、大気雰囲気、または窒素雰囲気にて焼結することによって生成される。
以上説明したように、本実施形態では、Ａｇ粒子８に、Ｗの酸化物、またはＷの炭化物で構成される補助粒子９を添加して第１〜第３接合部材５〜７を構成している。このため、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図６Ｂ、および図６Ｃに示されるように、高温で長時間保持される場合においても、第１〜第３接合部材５〜７内に大きな空隙Ｖが発生することを抑制できる。したがって、第１〜第３接合部材５〜７の接合強度が低下することを抑制でき、破壊されることを抑制できる。
また、補助粒子９として、Ｗの酸化物、またはＷの添加物を用いている。このため、Ｗ粒子のみを補助粒子９として添加する場合と比較して、Ａｇ原子の還元作用によってＷ原子の周囲にＡｇ原子を凝集させ易くできる。
さらに、補助粒子９の平均粒径をＡｇ粒子８の平均粒径よりも小さくしている。このため、初期状態において、Ａｇ粒子８と補助粒子９との間に大きな空隙Ｖが形成されることを抑制でき、接合強度が低下することを抑制できる。
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、上記第１実施形態において、Ａｇ原子よりも凝集エネルギーが高い金属原子としてＷを例に挙げたが、Ａｇ原子よりも凝集エネルギーが高ければ他の金属原子を用いることもできる。但し、Ａｇ原子よりも凝集エネルギーが高いほどＡｇ原子の拡散が抑制されると想定されるため、図５に示されるように、Ｗ、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）のように、Ａｇ原子よりも凝集エネルギーが著しく高いものを用いることが好ましい。また、上記第１実施形態において、補助粒子９は、Ａｇ原子よりも凝集エネルギーが高い金属原子の酸化物または炭化物でなく、金属原子のみで構成されていてもよい。なお、補助粒子９を選定する際には、Ａｇ原子と反応して特性が大きく変化しないものを選定することが好ましい。例えば、塩化物等は、Ａｇ原子と反応すると粉末状態となり、接合部材としての機能を発揮しなくなってしまうと想定される。
また、上記第１実施形態において、放熱ブロック３を備えず、半導体チップ２上に第２接合部材６を介して第２放熱部材４が配置される構成としてもよい。この場合、第２放熱部材４が導電性部材に相当する。
さらに、上記第１実施形態において、半導体装置は、半導体チップ２における一面電極２１および他面電極２２の少なくとも一方の電極が接合部材５、６を介して導電性部材１、３に接続されるのであれば、他の構成は適宜変更可能である。
１ 第１放熱部材（導電性部材）
２ 半導体チップ（搭載部材）
３ 放熱ブロック（導電性部材）
５ 第１接合部材
６ 第２接合部材
２１ 一面電極
２２ 他面電極

Claims (4)

  1. 電極（２１、２２）を有する搭載部材（２）が接合部材（５、６）を介して導電性部材（１、３）に電気的、機械的に接続された半導体装置において、
    前記電極を有する前記搭載部材と、
    前記電極と対向して配置される前記導電性部材と、
    前記搭載部材と前記導電性部材との間に配置され、前記電極と前記導電性部材とを電気的、機械的に接続する前記接合部材と、を備え、
    前記接合部材は、銀粒子（８）に、銀原子より凝集エネルギーが高い金属原子を含む補助粒子（９）が添加された焼結体で構成されており、
    前記補助粒子は、前記金属原子の酸化物、または炭化物で構成されると共に、前記接合部材内に点在して配置されている半導体装置。
  2. 前記補助粒子は、前記銀粒子よりも平均粒径が小さくされている請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記金属原子は、タングステン、モリブデン、ニオブ、またはバナジウムのいずれかである請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 電極（２１、２２）を有する搭載部材（２）と、
    前記電極と対向して配置される導電性部材（１、３）と、
    前記搭載部材と前記導電性部材との間に配置され、前記電極と前記導電性部材とを電気的、機械的に接続する接合部材（５、６）と、を備え、
    前記接合部材は、銀粒子（８）に、銀原子より凝集エネルギーが高い金属原子を含む補助粒子（９）が添加された焼結体で構成されており、
    前記補助粒子は、前記金属原子の酸化物、または炭化物で構成されると共に、前記接合部材内に点在して配置されている半導体装置の製造方法であって、
    前記銀粒子に前記補助粒子が添加されたペースト材料を用意することを行い、
    前記ペースト材料を所定箇所に塗布した後に焼結することにより、前記接合部材を構成する半導体装置の製造方法。
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