JP6885274B2

JP6885274B2 - 接合構造

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Publication number: JP6885274B2
Application number: JP2017175554A
Authority: JP
Inventors: 一弘前野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019054039A

Description

本発明は、接合構造に関するものである。

特許文献１に開示の接合構造は、第１部材と第２部材とを接合するものであり、第１部材と第２部材との間に、接合前において、ＳｎがＣｕに積層された状態で配置され、ＣｕとＳｎの金属間化合物を生成して、第１部材と第２部材とを接合する。具体的には、例えば、配線基板のＣｕ配線上に半導体素子を接合する場合、全面にＳｎ層を形成したＣｕ配線上に半導体素子を載置した後にＨ２還元炉にて４４０℃程度の温度でＳｎのみを溶融し、Ｃｕ配線と素子電極との間にＣｕとＳｎの金属間化合物層を有する接合構造を形成する。

国際公開番号ＷＯ２０１６／０２７５９３号公報

ところが、２０μｍのＳｎ箔を用いて４５０℃の高温で液相拡散接合すると、熱応力が大きくなるため半導体チップにクラックが発生してしまうことが判明し、接合温度を下げるとＣｕの拡散が低下してＳｎ単独層が残存してしまい接合後の半導体チップの動作環境が高温であるとＳｎ単独層が再溶融してしまうことが懸念される。

本発明の目的は、半導体チップのクラックの発生を抑制しつつＳｎの融点以上で接合可能な接合構造を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、前記Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、前記半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなし、前記Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層及び前記Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層は、それぞれ、隙間にＳｎ単独相を伴う金属間化合物のネットワーク構造を有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、２層構造をなす接合層でのＣｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層及び半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層は、それぞれ、隙間にＳｎ単独相を伴う金属間化合物のネットワーク構造を有するので、熱応力が緩和され、半導体チップのクラックの発生が抑制され、これによりＳｎの融点以上で接合可能となる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の接合構造において、前記接合層は、前記半導体チップとの界面においてＳｎ単独相の塊が部分的に形成されているとよい。

本発明によれば、半導体チップのクラックの発生を抑制しつつＳｎの融点以上で接合可能となる。

実施形態における接合構造を示す模式図。接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。各種のシェア強度の測定結果を示す図。３μｍのＳｎ薄膜を用いた場合における接合層の断面での元素線分析結果を示す図。７μｍのＳｎ薄膜を用いた場合における接合層の断面での元素線分析結果を示す図。各種のシェア強度の測定結果を示す図。実施形態における液相拡散接合部の断面の観察結果を示す図。比較例における液相拡散接合部の断面の観察結果を示す図。３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合における接合部の断面でのＣｕの面分析結果を示す図。３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合における接合部の断面でのＳｎの面分析結果を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、接合構造１０は、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に接合層４０が形成されている。接合層４０は、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなしている。つまり、２層構造をなす金属間化合物（ＩＭＣ）層のうちのＣｕ配線２２側の層４１はＣｕリッチな金属間化合物層であり、半導体チップ３０側の層４２はＳｎリッチな金属間化合物層である。

Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１は、Ｓｎ単独相４１ｂ中に金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａが分散しており、三次元的な網目状をなす金属間化合物４１ａを有する。つまり、隙間にＳｎ単独相４１ｂを伴う金属間化合物４１ａのネットワーク構造を有する。詳しくは、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１は、三次元的な網目状をなす金属間化合物４１ａと網目の隙間のＳｎ単独相４１ｂとが入り組んでいる。また、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、Ｓｎ単独相４２ｂ中に金属間化合物（ＩＭＣ）４２ａが分散しており、三次元的な網目状をなす金属間化合物４２ａを有する。つまり、隙間にＳｎ単独相４２ｂを伴う金属間化合物４２ａのネットワーク構造を有する。詳しくは、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、三次元的な網目状をなす金属間化合物４２ａと網目の隙間のＳｎ単独相４２ｂとが入り組んでいる。

このように、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及びＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、三次元的な網目状をなす金属間化合物４１ａ，４２ａを有し、ネットワーク構造の接合層となっている。詳しくは、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及びＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、三次元的な網目状をなし相互に繋がった金属間化合物４１ａ，４２ａと網目の隙間のＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂとが入り組んでいる。より詳しくは、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及びＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、金属間化合物４１ａ，４２ａの網目の隙間にＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂが存在し、かつ、金属間化合物４１ａ，４２ａとＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂとの境界の少なくとも一部が非直線状をなし、入り組んだ構造を有する。

なお、図１中の金属間化合物４１ａ，４２ａは、塊が互いに離間しているかのように示されているが、当該図は一断面をわかり易く模式化したものであり、実際には三次元的に互いに接続したネットワーク状態となっている。

接合層４０は、半導体チップ３０との界面においてＳｎ単独相の塊４７が部分的に形成されている。
配線基板２０は、絶縁基板２１の上面にＣｕ配線２２がパターニングされており、絶縁基板２１上にＣｕ配線２２が延びている。半導体チップ３０はシリコン（Ｓｉ）よりなり、縦型のパワートランジスタ等が作り込まれている。そして、縦型のパワートランジスタの裏面電極が配線基板２０のＣｕ配線２２と電気的に接続される。

次に、接合方法について説明する。
図２に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散（ＴＬＰ）接合方法である。

半導体チップ３０の裏面には電極材３１が形成され、電極材３１はＴｉ層３１ａ、Ｎｉ層３１ｂ、Ａｕ層３１ｃを積層して構成されている。つまり、半導体チップの裏面電極は、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ構造を有する。

Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、厚さ３μｍのＳｎ薄膜５０を挟む。広義には、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、厚さ３μｍ〜６μｍのＳｎ薄膜５０を挟む。Ｓｎ薄膜５０はメッキ膜であり、Ｃｕ配線２２の全面にメッキ膜（５０）が形成されている。

このように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間にＳｎ薄膜５０を挟んだ状態において、Ｈ２還元雰囲気で３６０℃〜４５０℃の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。

より詳しくは、３６０℃での５〜６分間の加熱により接合を行う。この際、Ｓｎ薄膜５０のＳｎ中にＣｕ配線２２のＣｕが拡散すると、最初にＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａが生成し、さらに、Ｃｕの拡散が進むとＣｕ３Ｓｎの金属間化合物（ＩＭＣ）４２ａが生成する。その結果、図１に示すようにＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１とＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなす接合層４０が形成される。このとき、Ｓｎ薄膜５０として厚さ７μｍのメッキ膜を用いるとＳｎの量が過多であり、拡散が完全に行き届かなくて半導体チップ３０側にＳｎ単独層が残ってしまい、Ｓｎの融点の２３２℃以上である３００℃では再溶融してしまい高温接合材としては使えない。これに対し厚さが３〜６μｍのＳｎメッキ膜を使用した場合には半導体チップ３０側にＳｎ単独層が残ることなく、Ｓｎの融点の２３２℃以上である３００℃で再溶融することなく高温接合材として好ましいものとなっている。つまり、厚さが３〜６μｍのＳｎメッキ膜を使用した場合にはＣｕの拡散が進行して高温接合材として使用し得る。即ち、Ｓｎの供給形態がＳｎ薄膜（厚さ３μｍ〜６μｍの薄膜）にされてＳｎ量が低減される。よって、接合温度を３６０℃〜４５０℃に低温化してもＳｎ単独層の残存が抑制される。

また、接合層４０における半導体チップ３０との界面にはＳｎ単独相の塊４７が部分的に存在する。これは、拡散が均一に行われずに場所によってばらつきがあり、所々ではＳｎが残っている所があり、これが全体に広がっておらず部分的にＳｎが残っていても機能上問題はない。また、Ｓｎは塑性変形しやすく（柔らかく）、硬い金属間化合物（ＩＭＣ）のみの場合よりも熱応力を緩和する効果が期待できる。

図９には、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合における接合部断面でのＣｕの面分析結果を示す。図１０には、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合における接合部断面でのＳｎの面分析結果を示す。測定は、高分解能のＦＥ−ＥＰＭＡ（電界放出形電子プローブマイクロアナラザ）（日本電子製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）を用いて実施している。図９及び図１０でのＣｕ及びＳｎの面分析結果において、各々、ドットの密度により存在する元素の濃度を示している。

接合層の上層（Ｃｕ６Ｓｎ５）について、図９のＣｕマップでは濃度の低いドットが点在しており、図１０のＳｎマップでは濃度の高いドットが点在しており、これらはＣｕが少ない、及びＳｎが多いエリアを表し、Ｓｎ単独相の存在が確認できる。また、接合層の下層（Ｃｕ３Ｓｎ）について、図９のＣｕマップでは濃度の低いドットが存在しており、図１０のＳｎマップでは濃度の高いドットが点在しており、これらはＣｕが少ない、及びＳｎが多いエリアを表し、ＳｎリッチなＣｕ６Ｓｎ５層の存在、更にはＳｎ単独相の存在が確認できる。

このように、接合層における上下の２層ともに、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５の単独層ではなく、濃度の異なる相が入り込んでいることが分かる。
なお、ＦＥ−ＥＰＭＡではＳＥＭ（二次電子検出）とは異なりＸ線波長を検出するため、分析箇所が表面からより深い位置を取り込むことになる。その結果、表面ではなくその周辺元素を取り込んでしまい、表面にＣｕが無くＳｎのみが存在するＳｎ単独相が存在していても、分析データとしては、３Ｄ周囲に存在するＩＭＣに含まれるＣｕも取り込んでしまうので、Ｃｕ元素も出てしまう。

このように、少なくとも、図９及び図１０のデータからは、ＩＭＣ層は単独層ではなく、濃度の異なるＣｕ、Ｓｎ相が入り込んでいることが分かる。
以下、高温接合材について詳しく説明する。

現在使用されている高温接合材は、Ｐｂ５Ｓｎ半田である。しかし、環境対策から近い将来規制化されるのは確実であり、代替するＰｂフリー高温接合材の開発が各社で行われている。その候補材料の一つとして、Ｃｕ／ＳｎのＩＭＣ（金属間化合物）による液相拡散（ＴＬＰ）接合は、低コストで鉛フリー高温接合が可能となる。これまでに、ＳｎとＣｕの粒子をフラックスに混在させたペースト材が開発、市販されている。しかし、この市販材には、フラックス残渣が生じること、ボイドが非常に多いこと等の問題から、実用レベルには程遠いのが実情である。そこで、本発明者は、特許文献１にて開示されたＳｎ箔等を用いたＳｎ層状配置による接合構造を鋭意開発した。当該接合構造によれば、フラックスレスで接合できる上、ＣｕとＳｎの粒子の供給が不要となるためボイドレスで良好な接合構造が低コストで得られる。

Ｓｎ箔の加工において、厚みの薄化は２０μｍ程度が限界であり、これ以上の薄化は困難である。この厚みが２０μｍ程度の箔ではＳｎ量が過多となり、４５０℃程度の高温で接合を行わないと、Ｃｕ／ＳｎのＩＭＣの生成が不十分となり、Ｓｎ単独層が残存してしまう。Ｓｎ単独層が残存してしまうと、Ｓｎの融点の２３２℃以上の高温環境では再溶融してしまい、高温接合材として機能しなくなる。

しかし、４５０℃での液相拡散接合（ダイボンド）では、冷却後に半導体チップ（素子）と配線基板との間の接合部分に大きな熱応力が残存することになる。従来のＰｂ５Ｓｎ半田では、展性延性に富む材料特性により、このような熱応力が生じても一定の塑性変形を生じることで応力が緩和される上、３２０〜３５０℃程度の低温で接合が可能である。これに対し、Ｃｕ／ＳｎのＩＭＣは、硬く接合強度も強いため、接合材が塑性変形して応力緩和することができず、半導体チップ（素子）及び接合層に、クラックが生じ損傷してしまう。

また、４５０℃の高温での液相拡散接合（ダイボンド）ではＣｕ拡散が過度に進行し、配線基板のＣｕ配線と接合層界面に図８に示すようなカーケンダルボイドが発生する。
本実施形態では、当該熱応力による半導体チップ（素子）及び接合層でのクラック及びカーケンダルボイドの発生を抑制し、低コストで接合強度が高く且つ高信頼性のＰｂフリー高温接合構造を得るようにする。そのために、層状配置のＳｎ供給形態を、Ｓｎ箔からメッキ等の薄膜（図２におけるＳｎ薄膜５０）に変更する。当該Ｓｎ薄膜によるＣｕ／Ｓｎの液相拡散接合により、Ｓｎ量を低減してＳｎ単独層の残存の防止と接合温度の低温化を両立し、高温環境下で再溶融することなく熱応力緩和を図る。同時にカーケンダルボイドの低減を図る。且つ、層状配置のＳｎにより、Ｓｎ／ＣｕのＩＭＣのネットワーク構造を作ることにより熱応力緩和を図る。

層状Ｓｎ供給形態を膜厚３μｍ、及び７μｍの２種とした上で（成膜した上で）、接合温度を特許文献１のように箔を使用した場合の４５０℃から３６０℃へ９０℃低温化して液相拡散接合（ダイボンド）を行った。

当該液相拡散接合（ダイボンド）について、２５℃（室温）、１５０℃、２００℃、２５０℃、２８０℃、３００℃の各温度でのシェア強度を各々測定した。シェア強度とは、半導体チップ（素子）を側面から水平方向に加圧し、破断する強度のことを指し、接合状態の良否の判断基準となる。

その結果を図３に示す。図３は、温度を変えたときのシェア強度の測定結果である。図３では横軸に温度をとり、縦軸にシェア強度をとっている。サンプルとして、Ｓｎ箔（厚さ２０μｍかつ面積をチップの１／２としたものであり、厚さ１０μｍのＳｎ箔に相当する）を用いて４５０℃で接合したものと、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いて３６０℃で接合したものと、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いて３６０℃で接合したものとしている。シェア強度について、１．３ＭＰａを、良否判定の際の基準値としている。即ち、シェア強度が１．３ＭＰａ以上であれば、接合層の再溶融がないと判断できる。

詳しくは、シェア強度の基準値の１．３ＭＰａは、図６において横軸の最も右側のサンプルであるＰｂ５Ｓｎ（鉛半田）における３００℃でのシェア強度の最小値であり、この値以上ならば良品とする。

図３に示すように、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合には、全温度域で基準値の１．３ＭＰａ以上のシェア強度が得られ、再溶融することなく合格となった。また、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合には、従来のＳｎ箔を用いた場合のシェア強度との相対比較でも、２５０℃を除く全温度域で同等以上の強度が得られ、良好であった。

これに対し、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合には、３００℃において基準を下回り再溶融が発生した。この結果、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合には、３６０℃での接合ではＳｎ量が過多であり、Ｓｎ単独層が残存することが推定される。

そこで、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合にＳｎ単独層の残存を検証するため、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合と厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合での接合層断面の元素線分析を行った。結果を図４及び図５に示す。

図４は、厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合であり、図５は、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合である。図４及び図５において、上から下に向かって順に、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｉの分析結果を示す。

図４に示す厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合の接合層では、Ａ層とＢ層の２層構造であり、Ａ層では、Ｃｕの割合がやや多くＳｎの割合がやや少なく、Ｂ層では、Ｃｕの割合がやや少なくＳｎの割合がやや多い。これに対し、図５に示す厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合の接合層では、Ｃ層とＤ層とＥ層の３層構造であり、Ｃ層では、Ｃｕの割合がやや多くＳｎの割合がやや少なく、Ｄ層では、Ｃｕの割合がやや少なくＳｎの割合がやや多く、Ｅ層では、Ｃｕが全く無くＳｎのみである。

このように、図５の厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合では、ＩＭＣが生成しているＣ層、Ｄ層以外に、ＩＭＣが生成していないＳｎ単独層Ｅが残存していることが分かる。図４に示すように、対する厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合では、接合層はＩＭＣが生成しているＡ層、Ｂ層のみであることが分かる。

このようにして、図４と図５を対比すると、接合層において図５ではＳｎ単独層であるＥ層が存在することが分かる。即ち、Ｅ層ではＣｕが全く無くＳｎのみが現れている。これに対し図４ではＳｎ単独層が現れていないことが分かる。即ち、図５に比べ図４ではＣｕが無くＳｎのみがある部位は存在しない。

よって、メッキによるＳｎ薄膜の厚さは、３６０℃での接合の場合には、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合ではＳｎ量が過多である。対する厚さ３μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合ではＳｎ量は適正である。

なお、図１において接合層４０での金属間化合物層４１，４２において説明したように、Ａ層、Ｃ層がＣｕリッチなＣｕ３Ｓｎ、Ｂ層、Ｄ層はＳｎリッチなＣｕ６Ｓｎ５が主な組成となる。

次に、Ｓｎメッキ膜について３μｍから７μｍの間の厚みでの検証を行った。その結果を、図６に示す。図６は３００℃でのシェア強度の測定結果である。
図６での縦軸にはシェア強度をとっている。図６での横軸には３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍの各厚さのＳｎメッキ膜（Ｓｎ薄膜）を用いた場合のサンプル、及び、図３で説明した厚さ２０μｍのＳｎ箔を用いた場合のサンプル、Ｐｂ５Ｓｎ（鉛半田）を用いた場合のサンプルを示す。

その結果、３００℃におけるシェア強度は３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍの各厚みの何れでも基準（１，３ＭＰａ）を上回り、再溶融することなく合格となった。また、Ｐｂ５Ｓｎ（鉛半田）と比較しても同等以上の良好な強度が得られている。これに対し７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合は基準の１，３ＭＰａを下回っている。また、厚さ２０μｍのＳｎ箔を用いた場合と比較すると、厚さ４μｍ及び５μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合は上回る良好な強度が得られている。

このように、２０μｍのＳｎ箔を用いた場合及びＰｂ５Ｓｎを用いた場合との比較において、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍのＳｎ薄膜を用いた場合でも、良品となり、７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合には不良となる。

図７に、厚さ３μｍのＳｎ薄膜を用いた場合の接合層での断面ＳＥＭ像を示す。図８は上述したように４５０℃の高温での液相拡散接合を行った場合の接合層での断面ＳＥＭ像である。図８ではＣｕ配線と接合層との界面にボイドが発生していたが、図７ではＣｕ配線と接合層との界面にボイドが発生しない。また、図７において接合層の界面側の半導体チップ（素子）内にもクラックは全く観察されず、良好な状態となっている。よって、接合温度を３６０℃まで低下させたことにより、熱応力低減を図りクラック抑制に繋がったことが分かる。また、接合層自体にもクラックは認められず良好な状態が確認できる。

図１において、上述したように配線基板２０寄りの下層の金属間化合物層４１はＣｕリッチなＩＭＣ（Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層）、半導体チップ３０寄りの上層の金属間化合物層４２はＳｎリッチなＩＭＣ（Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層）であることから、下層はＣｕ３Ｓｎ、上層はＣｕ６Ｓｎ５が主な組成であるが、上下各層ともに単一の層ではない。上下各層、各々が、上記各ＩＭＣとＳｎとの入り混じったネットワーク構造を有している。当該ネットワーク構造により、単一の層に比べて熱応力を緩和することが可能となる。上述したように、Ｃｕ／ＳｎのＩＭＣは硬く塑性変形し難い性質であるため、単一の層で構成される場合、熱応力が緩和されず半導体チップ（素子）側にクラックが入り易い。しかし、図１の接合構造では、Ｓｎ単独相４１ｂ，４２ｂ中に金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａ，４２ａが入り組んだネットワーク構造となっているため、単一の層に比べて変形し易く、熱応力を緩和できる。その結果、図７に示すように半導体チップ（素子）のみならず、接合層自体にもクラックの発生は無く、良好な接合構造が得られている。

図１の金属間化合物層４１，４２でのネットワーク構造は、ＣｕのＳｎ内への拡散状態の進展具合によって変化すると思われる。即ち、本実施形態では接合温度を３６０℃に低温化しているため、Ｃｕの拡散が４５０℃の場合に比べて抑えられている。よって、Ｃｕ拡散の進行による単一のＩＭＣ層の形成を抑制し、元々のＳｎがＣｕ拡散の抑制により、その一部がＩＭＣ化せずに残存し、ＩＭＣ化した領域との間で入り組みネットワーク構造を形成していると考えられる。

但し、上述した３６０℃接合でのＣｕ拡散の抑制に伴い、Ｓｎ量も併せて低減してやらないと、厚さ７μｍのＳｎメッキ膜を用いた場合のように全くＩＭＣの存在しない単独層が残存することとなり、高温環境下での再溶融に繋がる。本実施形態では、接合温度の低温化とＳｎ量の低減の組合せを最適調節することにより、Ｓｎ単独層の残存防止のみならず、ネットワーク構造を併せて創出している。これにより、熱応力の一層の低減を図ることが可能となる。

もしＳｎ量を過度に減らしたり、Ｓｎ量低減に対し接合温度が高すぎたりすると、Ｓｎ内にＣｕ拡散が進行し、接合層全体が均一なＩＭＣのみで満たされることとなり、上述したネットワーク構造は消失してしまう。これは熱応力耐性を損なうことになる。逆にＳｎ量が過多であったり、接合温度が低すぎたりするとＳｎ単独層が残存し、高温環境下での再溶融に繋がる。

また、Ｓｎ薄膜の厚みを単に薄くすれば良いというわけではない。即ち、薄膜化が過ぎると溶融時に半導体チップ（素子）全体に濡れ広がらず、接合不良を来たすおそれもある。逆に厚過ぎれば、上述の通り高温環境での再溶融を招く。厚さ６μｍはその上限である。

接合温度は、本実施形態では３６０℃／５〜６ｍｉｎとしており、この温度とＳｎ薄膜の厚さが３μｍ〜６μｍの積層配置構造の組合せで、Ｈ２還元雰囲気接合を行う。こうすることで、上述のＳｎ単独層の残存防止のみならず、接合層においてＳｎ単独相中に金属間化合物のネットワーク構造を形成することが可能となる。

この結果、当該ネットワーク構造による接合層の応力緩和効果が得られ、接合温度の低温化と相まって大幅な熱応力低減を図ることができる。
なお、金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａ，４２ａの上記ネットワーク構造においては、その隙間にＳｎ単独相４１ｂ、４２ｂが並存することとなり、Ｓｎの融点以上の高温環境下では当該Ｓｎ単独相４１ｂ、４２ｂは溶融することとなるが、図３及び図６のシェア強度が示す通り、高い融点を有する金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａ，４２ａのネットワーク構造により繋ぎ止められることで、Ｐｂ５Ｓｎ半田を上回る高いシェア強度を維持しており、高温接合材としての機能が損なわれることは無い。

また、両金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａ，４２ａは、そのネットワーク間にＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂのみを有する構成に限定はされず、互いに他方の金属間化合物を層内において少量有する場合もある。即ち、金属間化合物４１ａ，４２ａの生成はＣｕ拡散状態に依存するため、相互に混在する場合もある。

更に、本実施形態では、金属間化合物４１ａ，４２ａの２層構造としている。この構造により、熱応力緩和の効果を得ることができる。即ち、ＣｕのＳｎ中への拡散が進行すると、金属間化合物は全てＣｕ３Ｓｎのみとなる。しかし、Ｃｕ３ＳｎはＣｕ６Ｓｎ５と比べると線膨張率、及びヤング率が共に高いため、金属間化合物が全てＣｕ３Ｓｎのみの構造とした場合では耐熱衝撃性が劣る。これに対し、本実施形態のような金属間化合物Ｃｕ３ＳｎとＣｕ６Ｓｎ５の２層構造では、線膨張率、及びヤング率が低いＣｕ６Ｓｎ５を介するため、熱応力を緩和することが可能となる。

以上のごとく、特許文献１に開示の技術を用いて２０μｍのＳｎ箔を用いた場合には４５０℃、６分の接合条件下では半導体チップに割れが発生してしまう懸念があるので、温度を下げて３６０℃で接合したならば半導体チップにクラックが発生しないが、３６０℃ではＣｕの拡散が低下してしまいＳｎが多すぎてＳｎ単独層が残る。このように、４５０℃の高温ではクラックが発生してしまうことが判明したので、温度を下げたが、Ｃｕの拡散がうまくいかずＳｎ単独層が残存してしまい半導体チップの動作時において高温度に再溶融してしまうのでＳｎの融点以上に上げられない。本実施形態では、薄くすべくメッキ膜を使用することとし、３〜６μｍでは３６０℃の低温化した状態でもＳｎ単独層が残らずに接合層として成立し、半導体チップのクラックの発生を抑制しつつ接合層がＳｎの融点以上の温度でも再溶融してしまうことを防止できる。

また、Ｓｎ単独層の残存に起因した高温時の再溶融を防止しつつ、接合温度の低温化により熱応力の低減を図り、半導体チップ（素子）でのクラックの発生及び接合層自体のクラックを防止することが可能となる。

さらに、接合層にＩＭＣ／Ｓｎのネットワーク構造を形成して、強度が高く硬いＣｕ／ＳｎのＩＭＣによる液相拡散接合においても、一定の塑性変形性を得ることで、応力緩和効果を呈することができ、高い信頼性を確保できる。

また、接合温度の低温化により、過度なＣu拡散の進行が抑制されるため、カーケンダルボイドの発生を防止することができる。
また、材料には従来より一般的に多用されている安価なＳｎを層状配置して用いるのみで、Ｃｕは元々ある基板配線をそのまま利用するため、極めて低コストである。従来より多用されてきた安価なＰｂ５Ｓｎ半田と比べても、十分なコスト優位性がある。人体へも無害で環境負荷も極めて低い。現在、鉛フリーの高温接合材として有望視され各社の開発主流となっているＡｇナノ粒子材は極めて高価であり、それと比べるとより一層、コスト面で優位性がある。フラックスも不要であり、取り扱い作業性にも優れている。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）図１に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に接合層４０が形成された接合構造１０として、接合層４０は、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなし、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及びＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、金属間化合物４１ａ，４２ａのネットワーク構造を有し、Ｓｎ単独相４１ｂ，４２ｂがその隙間を埋めるように存在する。よって、２層構造をなす接合層４０でのＣｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及び半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、金属間化合物４１ａ，４２ａのネットワーク構造を有するので、熱応力が緩和され、半導体チップのクラックの発生が抑制され、これによりＳｎの融点以上で接合可能となる。

（２）接合層４０は、半導体チップ３０との界面においてＳｎ単独相の塊４７が部分的に形成されている。よって、より熱応力の緩和が期待できる。
（３）図２に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、厚さ３μｍ〜６μｍのＳｎ薄膜５０を挟んだ状態において、３６０℃〜４５０℃の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。よって、接合層４０は、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造にできるとともに、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及びＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層４２が、それぞれ、ネットワーク構造を有することで、熱応力が緩和され、半導体チップのクラックの発生が抑制され、これによりＳｎの融点以上で接合可能となる。

詳しくは、Ｓｎ薄膜の厚さを３μｍよりも薄くすると、厚さをコントロールすることが困難であるとともに不濡れ（偏り）が発生してしまうので、品質上の問題が生じない厚さ３μｍ以上のＳｎ薄膜を使用する。また、Ｓｎ薄膜が６μｍより厚いとＳｎ単独層が残存し、高温時に再溶融する可能性がある。

（４）液相拡散接合方法において、Ｓｎ薄膜５０はメッキ膜である。よって、メッキによる薄膜は安価であり、実用的である。
（５）液相拡散接合方法において、Ｃｕ配線２２にメッキ膜（５０）が形成されている。よって、実用的である。

（６）金属間化合物４１ａ，４２ａの２層構造としている。この構造により、熱応力緩和の効果を得ることができる。即ち、ＣｕのＳｎ中への拡散が進行すると、金属間化合物は全てＣｕ３Ｓｎのみとなる。しかし、Ｃｕ３ＳｎはＣｕ６Ｓｎ５と比べると線膨張率、及びヤング率が高いため、金属間化合物が全てＣｕ３Ｓｎのみの構造では耐熱衝撃性が劣る。これに対し、本実施形態のような金属間化合物Ｃｕ３ＳｎとＣｕ６Ｓｎ５の２層構造では、熱応力を緩和することが可能となる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ Ｓｎ薄膜の成膜は、メッキに限定されず、同様の膜厚が可能ならば他の方法であっても良い。例えば、スパッタリング、ＣＶＤ等を用いる。

○ Ｃｕ配線２２のみにＳｎ薄膜５０を形成したが、これに限らない。半導体チップ３０の裏面電極のみにＳｎ薄膜を形成してもよい。また、Ｃｕ配線２２及び半導体チップ３０の裏面電極に、それぞれ、Ｓｎ薄膜を合計の厚さが３μｍ〜６μｍとなるように形成してもよい。Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０の裏面電極の両方にＳｎ薄膜を形成する場合、より濡れ性を向上させることができる。

○ 半導体チップは、Ｓｉ以外にも、ＳｉＣ、ＧａＮ等でもよい。詳しくは、強度が高く硬いＣｕ／ＳｎのＩＭＣによる液相拡散接合の特性を有するため、従来のＰｂ５Ｓｎ半田よりも高い強度を得ることができ、高い信頼性を確保できる。そのため、２５０℃〜３００℃の高温域でも、高い強度を維持することができ、今後に実用化が見込まれる化合物半導体（ＳｉＣ、ＧａＮ）の実装において、高温動作環境に非常に有用である。

１０…接合構造、２２…Ｃｕ配線、３０…半導体チップ、４０…接合層、４１…Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層、４１ａ…金属間化合物、４１ｂ…Ｓｎ単独相、４２…Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層、４２ａ…金属間化合物、４２ｂ…Ｓｎ単独相、４７…Ｓｎ単独相の塊、５０…Ｓｎ薄膜。

Claims

Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
前記接合層は、前記Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、前記半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなし、
前記Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層及び前記Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層は、それぞれ、隙間にＳｎ単独相を伴う金属間化合物のネットワーク構造を有することを特徴とする接合構造。
前記接合層は、前記半導体チップとの界面においてＳｎ単独相の塊が部分的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。