WO2013125022A1

WO2013125022A1 - 半導体装置

Info

Publication number: WO2013125022A1
Application number: PCT/JP2012/054525
Authority: WO
Inventors: 俊章守田; 雄亮保田
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29

Abstract

　銅、ニッケルはパワー半導体モジュール等で多く用いられる電極材料であるが、これらの銅電極やニッケル電極に対して信頼性の高い接合性能が確保できず大きな課題として残っていた。本発明は、銅、或いはニッケルによって形成された半導体素子や配線等の電極を酸化銅の粒子を主剤とする接合材料を用いて接合するようにし、接合材料中の酸化銅を還元することによって得られる銅粒子を加熱及び加圧することによって電極と銅粒子の接合界面に銅の高密度接合層を形成するものである。これによれば、長期に亘って接合部の接合信頼性が確保できる。

Description

半導体装置

　本発明は金属粒子を主剤とする接合材料によって配線や半導体素子の電極等を電気的に接合した半導体装置に係り、特にニッケルや銅を使用した電極に好適な接合材料によって配線や半導体素子の電極等を電気的に接合した半導体装置に関するものである。

　一般に半導体装置は電力変換装置、その電力変換装置を搭載した電車、風力発電装置、ハイブリッド自動車等の制御装置に多く使用されている。この半導体装置においては、例えば電子部品の電極端子と回路基板上の回路パターンの電極端子との電気的接合には「はんだ」や「はんだ合金」によるものが主流であった。

　ところが、地球環境保全の観点から鉛の使用が厳しく制限されており、鉛の使用を制限して鉛を含まない材料で電極等の接合を行なう開発が進められている。特に、「高温はんだ」に関してはその代替となる有効な材料がまだ見出されていない。実装においては「階層はんだ」を用いることが必要不可欠なため、この「高温はんだ」に代わる材料の出現が望まれている。

　このような背景から、その開発の一環として金属粒子と有機化合物の複合材料を用いて電極を接合する接合材料が提案されている。

　例えば、金属粒子の粒径が１００ｎｍ以下のサイズまで小さくなったナノ粒子のように構成原子数が少なくなると、粒子の体積に対する表面積比は急激に増大し、その融点や焼結温度がバルクの状態(ナノ粒子より大きい状態)に比較して大幅に低下することが知られている。

　そして、この焼結温度が低下する低温焼成機能を利用して、有機化合物で被覆した粒径が１００ｎｍ以下の銀粒子を接合材料として用いることが検討されている。例えば、特開２００４－１０７７２８号公報（特許文献１）には、平均粒径１００ｎｍ以下の銀粒子からなる核の周囲に有機化合物の被覆を施した接合材料を用いて、加熱により有機化合物を分解させて銀粒子同士を焼結させることで接合を行うことが記載されている。

　この接合方法では、接合後の銀粒子はバルク金属(ナノ粒子より大きい個体金属)へと変化すると同時に接合界面では金属結合により接合されているため、非常に高い耐熱性と高放熱性を有するようになる。

　また、特開２００８－２１２９７６号公報（特許文献２）には、平均粒径１００ｎｍ以下の銀粒子からなる核の周囲に有機化合物の被覆を施した粒子と１００ｎｍ以上の銀粒子単体を混合させた接合材料を用いて、特許文献1と同様に加熱によって有機化合物を分解させて銀粒子同士を焼結させることで電極等の接合を行うことが記載されている。この特許文献２においては、この接合方法を採用すると接合後の銀の焼結密度を向上させることにより接合信頼性を向上できるとしている。

特開２００４－１０７７２８号公報特開２００８－２１２９７６号公報

　ところで、最近の半導体装置においては価格の低減要請や希少金属の確保の困難性等の理由から金、銀、パラジウム等の貴金属を使用した電極に代えて、ニッケルや銅を電極材料として用いる半導体装置の開発が行われている。このような背景からニッケルや銅からなる電極に好適な接合材料の探索、開発が要請されている。

　そして、上記した特許文献１、及び特許文献２に記載の平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子、特に銀粒子を接合の主剤として用いた接合材料について、本発明者らが検討したところ、被接合部材として金、銀、及びパラジウム等を用いた貴金属電極に対しては良好な接合強度が得られるものの、銅やニッケルを使用した電極に対しては十分な接合強度が得られないことが判明した。特に最近では銅電極やニッケル電極を使用した半導体装置が多く適用される傾向にある。

　例えば、図９に銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）を材料にした電極に対して行った接合強度評価の結果を示している。これは接合温度を２５０℃、加圧力を１．０ＭＰａにして一定とし、接合材料としてアミン系有機材料を被覆した平均粒径１０ｎｍの銀粒子を用いて、大気中で金及び銀よりなる電極と、ニッケル及び銅よりなる電極への接合を行った。

　図９の縦軸はせん断強度を示し、銀電極の値で規格化したものである。この結果、大気中での接合では、金電極及び銀電極に対して良好な接合強度が得られているが、ニッケル電極及び銅電極に対して接合力がかなり低いことが判明した。

　このニッケル電極及び銅電極に対して接合力が低い理由としては、特許文献１及び特許文献２に記載の銀粒子に被覆されている有機材料が大気中での加熱でのみ消失する材料であることで、酸化されにくい金電極及び銀電極に対しては有効であるが、酸化されやすいニッケル電極及び銅電極の接合には適さないことが判明した。

　また、アミン系有機材料を被覆した銀粒子では、特に３００℃以下の温度では被覆材料由来の残渣が電極間に大量に残り、電子部品である半導体素子の電極の接合には課題があることも判明した。

　また、半導体装置を構成する電子部品の電極を金属粒子よりなる接合材料を用いて接合する場合には、電気的導通を確保することは言うに及ばず、熱伝導性及び耐食性も接合材料として要求される課題である。

　図１０は特許文献２に記載の材料を用いて耐食性を評価した結果を示したものであるが、接合する電極は初期接合強度が良好であった銀電極と、初期接合強度が銀電極より劣る銅電極に対して評価を行った。接合プロセスは図９に示すものと同じ接合プロセスにより作成した。

　耐食性試験は温度８５℃、湿度８５％の加熱空気で満たされた密閉容器に電極サンプルを自然放置し、その後の所定時間経過した時点で電極サンプルを取り出してせん断試験を行い、そのせん断強度の劣化度合いで評価を行なったものである。

　図１０の縦軸はせん断強度を示し、銀電極の値で規格化したものである。この結果、銀電極や銅電極の両方とも１００時間を越えると強度劣化が始まり、銅電個では２００時間、銀電極では５００時間ではほとんど接合していない破断状態となった。

　この強度劣化の要因は接合層の腐食であり、その機序は相互の接合される電極との接合部界面に存在している空洞部に水分などの腐食物質が外部から侵入して空洞部に溜まり、これが腐食の起点となっていたことによるものと推測される。通常、１０００時間は強度劣化のないようにすることが必要であり、特許文献２等に記載の接合材料では接合信頼性に課題があることも判明した。尚、特許文献１に記載の接合材料でも同様の結果になったことを確認している。

　更に、半導体素子接合部には通電や環境温度変化に対応した、繰り返し温度サイクルによる耐熱疲労性も要求される。

　図１１は特許文献1に記載の材料を用いて、図１０と同様に銀電極、及び銅電極に対して接合試験片を作製し、－５５℃から１５０℃の温度サイクルの繰り返し回数に対する接合強度推移(せん断強度)を示したものである。接合プロセスは図９に示すものと同じ接合プロセスにより作成した。温度サイクルは－５５℃から１５０℃の加熱と冷却を１サイクルとし、この温度サイクルの繰り返し回数を示している。

　縦軸のせん断強度値は銀に対する初期値で規格化した。その結果、銀電極、及び銅電極とも少ない回数から強度劣化が大きくなり、銅電極に関しては１００回で強度が「０」すなわち完全に破断した状態となった。

　上前述した通り、銅、ニッケルはパワー半導体モジュール等で多く用いられる電極材料である。しかしながらこれまで述べた通り、これらの銅電極やニッケル電極に対して信頼性の高い接合性能が確保できず大きな課題として残っていた。

　本発明の目的は、銅電極やニッケル電極の接合に適した金属粒子を主剤とする接合材料を用いて長期に亘って接合部の接合信頼性が確保できる半導体装置を提供することにある。

　本発明の特徴は、表面を銅、或いはニッケルによって形成された半導体素子の電極や配線等の他の電極を酸化銅の粒子を主剤とする接合材料を用いて接合するようにし、接合材料中の酸化銅を還元することによって得られる銅粒子を加熱及び加圧することによって電極と銅粒子の接合界面に密度が高い銅の高密度接合層を形成して接合される電極の間に接合部を構成した、ところにある。

　本発明によれば、接合材料の主剤である酸化銅が還元された銅とニッケル或いは銅よりなる電極の接合界面には銅の高密度接合層が形成され、この高密度接合層は相手電極と金属的に拡散接合されて高い接合強度を備えるようになる。この結果、長期に亘って接合部の接合信頼性が確保できるようになる。

本発明の一実施例になる絶縁型半導体装置の平面図である。図１に示す絶縁型半導体装置のＡ－Ａ断面図である。本発明の他の実施例になる半導体装置の一部を拡大した拡大断面図である。本発明による接合部の組織状態を示す組織状態説明図である。本発明による接合部の接合強度の試験結果を示す説明図である。本発明による接合部の耐食性の試験結果を示す説明図である。本発明による接合部の温度サイクル試験結果を示す説明図である。本発明による接合部及び従来の接合部に生ずるクラックの伸展状態をしめす説明図である。従来材による接合部の接合強度の試験結果を示す説明図である。従来材による接合部の耐食性の試験結果を示す説明図である。従来材による接合部の温度サイクルの試験結果を示す説明図である。

　以下、本発明の一実施例になる半導体装置について詳細に説明する。上述したように粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子、特に銀粒子を接合の主剤とする接合材料を用いた場合では、銅電極やニッケル電極表面の酸化物層と接合材料とが強く接合されないことが判明した。これに対して、本発明者等が鋭意検討した結果、特定の接合材料を用いて銅電極やニッケル電極の接合を行うことにより、銅電極やニッケル電極に対して優れた接合強度が得られることを見出した。

　本発明者等は特定の接合材料の探索を行なうにあたり、材料価格やマイグレーションの問題に対して有効な接合材料である酸化銅の粒子を用いるアプローチを行った。その具体的な方法は、酸化銅の粒子を加熱、還元して酸化銅の中の銅粒子を生成させ、銅粒子同士を焼結させて接合する方法である。

　酸化銅は金属銅源として化学的に安定で、かつ低価格で求めることができ、更に還元、焼結後は純銅となるため、銀に比べ高い耐マイグレーション性能が期待できる。しかしながらその反面、酸化銅は酸素との親和性が高く実装プロセスに適用される温度程度ではバルク銅に対して酸化銅がより安定であるため容易には還元し難いという特性を有している。ちなみに大気圧で酸化銅を分解するには約１８００℃程度まで加熱しなければならず、このため酸化銅の粒子で電極の接合部を形成するには還元力が強い還元剤が必要である。

　接合部の形成に用いる還元剤は室温では個体状態で、接合形成後には蒸発して消失する特性が要求され、この特性を満たすのは一般的には有機化合物である。したがって、このような還元剤が存在するか否かを明らかにすることが、酸化銅の粒子を接合材料として用いるアプローチの実施可能性を判断する上で重要であった。

　酸化銅の粒子を接合材料として用いるため、接合材料としての素材を酸化銅である酸化第一銅(Ｃｕ_２Ｏ)、及び酸化第二銅(ＣｕＯ)とし、先ず酸化銅の還元作用を示す有機化合物の探索を目的として第一原理計算による還元反応経路の計算を行った。

　この結果を基に、本発明者等が鋭意検討した結果、金属粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ～５μｍの酸化第二銅粒子と、酢酸系化合物、またはギ酸系化合物、またはクエン酸系化合物、及び有機溶剤を混合した接合材料を作製し、銅電極或いはニッケル電極にこの接合材料を塗布して加熱と加圧を所定時間加えて接合を行うことで、結果として銅電極やニッケル電極に対して優れた接合強度が得られることを見出した。ここで、酸化第二銅を使用したのは酸化第一銅よりも酸化第二銅の方がより還元し易いからであるが、酸化第一銅を使用することも可能である。

　更に具体的に説明すると、金属粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ～５μｍの酸化第二銅の粒子と、これに酸化第二銅の粒子を還元する作用を有する低級カルボン酸、例えば酢酸系化合物、またはギ酸系化合物、またはクエン酸系化合物を添加し、更にグリコール系やエーテル系の有機溶剤を混合した接合材料を用いて、窒素雰囲気下で電極の加熱及び加圧を行って接合を行うことで銅電極やニッケル電極に対して優れた接合状態を得ることができるようになった。尚、酸化第二銅の粒子には特許文献１や特許文献２にあるような有機材料による被覆は施されていないものである。これによって、低い温度での加熱による被覆材料由来の残渣が電極に残るといった現象を抑制することが期待できるものである。

　このような接合材料を用いた接合方法は、銅粒子前駆体に対して有機化合物からなる還元剤を添加することによって、銅粒子前駆体単体を加熱分解するよりも低温で銅粒子前駆体が還元され、その際に平均粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子が生成され、銅粒子同士が相互に融合することで接合が強固に行なわれるという現象を利用しているものである。

　この平均粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子が生成され、銅粒子同士が相互に融合して接合に至る機序は以下の通りと推測される。つまり、
（１）生成した１００ｎｍ以下の銅粒子が接合される相手電極表面（界面）に薄膜層（銅　　の高密度接合層）を形成し、
（２）この薄膜層は接合される相手電極、すなわち銅電極、或いはニッケル電極の結晶成長方向と略同一方向に結晶成長し、
（３）更に薄膜層の形成に寄与しなかった銅粒子同士の熱による融合によって焼結層が形成され、
最終的に銅の高密度接合層と焼結層を形成して接合が達成されるものである。

　本実施例においては、上述した機序に示したように、接合部界面、すなわち電極表面に高密度に結晶が成長した銅の薄層が形成されていることが大きな特徴である。図４にこの状態を示しており、銅電極、或いはニッケル電極からなる相手電極との接合部界面に銅の高密度接合層が電極の結晶成長方向と略同一方向に結晶成長し、この結晶による接合層を接合部界面に形成している。したがって、この銅の高密度接合層は内側（電極表面から遠ざかる方向）の銅の焼結層に比べて空洞部の存在割合が少ない構成となっている。

　また、この接合層は拡散接合の構成を有しており、電極材料である銅やニッケル及び接合材料である酸化第二銅の還元された銅を溶融焼結させることなく、加熱、加圧によって接合面を横切って接合界面の原子を拡散させて接合層を得るようにしている。

　つまり、銅やニッケル及び接合材料である酸化第二銅の還元された銅を加熱、加圧すると、接触界面に塑性変形が生じると同時に酸化皮膜が破壊され、加熱、加圧状態を所定時間だけ保持することにより接合界面近傍のクリープ変形と原子の拡散により酸化皮膜の破壊、分解が進み、その結果清浄な銅やニッケル及び接合材料である酸化第二銅の還元された銅の表面が増加し、接合界面の原子配列は、結晶粒界に近づき時間の経過とともに接合界面を横切って結晶粒が成長していくようになって接合層が得られるものである。

　このように銅の高密度接合層は電極表面及びこれに接する接合材料を加熱、加圧することで形成することができるものである。そして、この実施例では銅の高密度接合層は約１μｍ程度の厚さを持って形成されているが、加熱時間や加熱温度、加圧力によって適宜調整可能である。

　また、銅の高密度接合層から内側（電極表面から遠ざかる方向）は内部に空洞部が形成された銅粒子による焼結層となっている。このような高密度接合層と焼結層は図４に示すように接合界面に形成した空洞、すなわち焼結欠損部を観察することで判るようになる。つまり、焼結欠損部と相手電極間に銅の薄層が形成しているので、これを確認すれば良いことになる。

　そして、酸化第二銅の粒子は還元剤の存在下では、２００℃以下で１００ｎｍ以下の銅粒子が生成され始めることから、従来では困難であった２５０℃以下の低温でも接合を達成することが可能である。特に接合の機序で説明した電極表面に銅の薄層を形成させるには、銅粒子が生成される温度以下で所定時間だけ加圧を維持し、その後に銅粒子を焼結するのに必要な温度に昇温して所定時間だけ加圧を維持する多段階加熱方式を採用することによってより促進されるようになる。

　また、接合の進行過程において粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子が生成されるため、上述したように、有機化合物で表面を被覆した銅粒子の作製が不要であり、接合用材料の製造や接合プロセスの簡易化、接合材料の大幅なコストダウンを達成することが可能である。

　図５は本実施例による銅電極やニッケル電極と酸化第二銅を主剤とする接合材料の接合部に対して行った接合強度評価の試験結果を示したものである。

　接合プロセスとしては、（１）６０℃の熱を約１０分間だけ加え、同時に１．０ＭＰａの圧力を窒素雰囲気下で加える、（２）この圧力を維持した状態のまま温度を２５０℃に上昇させて５分間だけ維持するプロセスとした。ここで、プロセス（１）は銅の高密度接合層を形成するためのプロセスであり、プロセス（２）は銅の焼結層を形成するためのプロセスである。

　この評価では接合材料として、還元剤としてギ酸銅０．５ｗｔ％を含んだ平均粒径２μｍの酸化第二銅粒子と、有機溶剤としてジエチレングリコールモノブチルエーテル溶剤の混合材料を用いて、窒素雰囲気下で夫々ニッケル電極、銅電極への接合を行った。

　図５の縦軸はせん断強度を示し、銅電極に対するせん断強度値で規格化したものである。その結果、ニッケル電極、銅電極に対する接合強度はほぼ同等の接合強度が得られており、強固な接合状態が獲得されていることが判明した。尚、還元剤としてギ酸銅を使用したが、これ以外に酢酸銅、クエン酸銅、アルデヒド基をもつ銅化合物も選択でき、同様の効果があることを確認している。

　図６は本実施例による銅電極やニッケル電極と酸化第二銅を主剤とする接合材料の接合部に対して行った耐食性評価の試験結果を示したものである。

　接合する相手電極の材料はニッケル、及び銅を使用しており、接合材料は還元剤として酢酸銅０．２ｗｔ％を含んだ平均粒径２μｍの酸化第二銅粒子と、有機溶剤としてジエチレングリコールモノエチルエーテル溶剤の混合材料を用いた。尚、接合プロセスは上述したように（１）６０℃の熱を約１０分間だけ加え、同時に１．０ＭＰａの圧力を窒素雰囲気下で加える、（２）この圧力を保持した状態のまま温度を２５０℃に上昇させて５分間だけ保持するプロセスとした。

　耐食性試験は温度８５℃、湿度８５％の加熱空気で満たされた密閉容器に電極サンプルを自然放置し、その後の所定時間に到達した時にせん断試験を行ってその強度劣化で評価した。本実施例との比較のため特許文献1に記載された接合材料を用いて接合した電極サンプルについても同様に評価した。尚、この特許文献1に記載の接合材料に対しては、接合される相手電極の材料を銀とし、接合プロセスを大気中で温度を２５０℃、圧力を５ＭＰａとして電極サンプルを作製した。

　図６の縦軸はせん断強度を示し、銅電極の値で規格化したものである。この結果、銅電極、及びニッケル電極とも１０００時間まで強度劣化がないことが確認できた。特許文献1に記載の接合材料では初期強度は同等であったが試験後には急激に強度劣化した。このことは銅に比べ銀は耐食性に劣ることを示している。図４のように接合界面に電極表面と略同一結晶方位に成長した薄膜層があるため、高い接合強度を維持できていたと考えられる。

　図７はニッケル電極に対して、還元剤としてギ酸銅０．５ｗｔ％を含んだ平均粒径２μｍの酸化第二銅粒子と、有機溶剤としてジエチレングリコールモノブチルエーテルを混合した接合材料を用いて１２ｍｍ×１２ｍｍのＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）チップを接合した電極サンプルに対して、温度サイクル試験を実施した後のクラック伸展率を示したものである。

　縦軸はクラック伸展率で、これは接合面の長さに対する比であり、横軸は温度サイクルの回数を示している。温度サイクルは－５５℃から１５０℃の冷却と加熱を１サイクルとし、この温度サイクルの繰り返し回数を示している。

　ＩＧＢＴチップの接合プロセスは、窒素雰囲気下において（１）６０℃の熱を約１０分間だけ加え、同時に１．０ＭＰａの圧力を加える、（２）この圧力を維持した状態のまま温度を２５０℃に上昇させて５分間だけ維持するプロセスとした。

　このＩＧＢＴチップの接合部側（コレクタ側）の電極構造はＡｌ/Ｔｉ/Ｎｉで、最表面はニッケルで被覆されている。また、接合される相手電極は表面にニッケルめっきを施した電極を有した銅配線形成窒化珪素回路基板を用いた。

　比較例して特許文献２に記載の材料を用いて同様の接合試験サンプルを作製して同様の試験に供した。尚、この比較電極サンプルの接合面電極には銀めっきを施し、大気中で接合した。またＩＧＢＴチップの接合部側（コレクタ側）の電極構造はＡｌ/Ｔｉ/Ｎｉ/Ａｕで最表面は金で被覆されている。

　図７において、温度サイクル回数に対してクラックの伸展が特許文献２に記載の材料を用いて作製した比較電極サンプルより少ないことが判った。比較電極サンプルは温度サイクルが４００回を超えると急激にクラックが増加し、１０００回で進展率が８０％以上になり破断した。これに対して本実施例の電極サンプルでは温度サイクルが１０００回を越えてもクラックの増加は４００回の時からさほど変化しなかった。比較電極サンプルでは４００回を境にクラックが大きく成長しているのに対して、本実施例の電極サンプルではクラックの成長が実質停止していることが理解できる。

　図８は図７で説明した温度サイクル試験後の比較電極サンプルと本実施例になる電極サンプルの断面の模式図を示したものである。（ａ）は比較電極サンプルの断面を示し、（ｂ）は本実施例になる電極サンプルの断面を示している。

　比較電極サンプルにおいては、クラックは接合部端部で発生してから伸展していき、やがてチップ側電極界面、あるいは電極側界面に沿ってほぼ一直線に伸展していることが理解できる。この接合界面に沿ってクラックが発生して成長すると、これを境に接合状態が一気に破綻して接合材料と電極の間に破断が生じるようになる。図７に示す温度サイクルの繰り返し回数が４００回から１０００回に至る過程でこの状態が進行しているものと推測される。

　一方、酸化第二銅の粒子を使用した本実施例の電極サンプルの場合は、接合部の端部がクラックの発生起点ではあるが、ＩＧＢＴチップの接続部側、或いは電極側との接合界面にはクラックは伸展せずに銅の焼結層中で定まった方向では無く複雑な方向に伸展していることがわかる。

　このことは図４に示す構造からも明らかなように、電極と接合材料の接合界面には銅の高密度接合層が相手電極と略同一方向に結晶が成長する接合形態となって非常に強い接合状態であることが大きな要因となっている。先に述べたように、この銅の高密度接合層は金属の拡散接合の状態となっており、極めて強い接合状態を作り出すことができるからである。

　また、クラックは上述した理由から銅の高密度接合層には侵入できずに銅の焼結層を進展していくが、焼結層に存在する空洞部によってクラックの成長原因の一つであるストレス（応力）が緩和されることからクラックの成長を抑制できるようになる。このような理由からクラックの伸展が接合界面に生じることなく、焼結層内で伸展して成長が停止されていったものと推測される。図７に示す温度サイクルの繰り返し回数が４００回から１０００回に至る過程でクラックの進展率が変わらないのはこの状態が維持されているからと推測される。

　そして、このような接合界面の破断の恐れが少ない接合構造は半導体モジュールの設計に欠かすことのできない指標である。接合界面の破断が支配的であると寿命策定ができず、信頼性設計が困難となって製品製造の観点から好ましいものではない。これに対して本実施例では接合界面の破断の恐れが少ない接合構造を提供できるので、信頼性設計が容易にでき製品製造の観点から好ましいものとなる。

　本実施例では接合材料の主剤に酸化第二銅を使用し、相手電極がニッケルで被覆されているため、その接合界面は上述の通り界面構造が明確であるが、相手電極の材料が銅の場合は接合界面位置を観察するのは困難である。ただ、空隙或いは空洞の多い焼結層と、空隙或いは空洞の無い、或いは少ない層との接合界面は結晶方位が略同一方位に成長した粒子が存在しており、ニッケルを使用した場合と同様の現象が生じていると考えて差し支えない。

　本実施例において、１００ｎｍ以下の銅粒子を生成する平均粒径が１ｎｍ～５μｍの酸化第二銅粒子を銅粒子前駆体として規定したのは銅粒子前駆体中における銅含有量が高く、接合時における体積収縮が小さく、かつ分解時に酸素を発生して有機物の酸化分解を促進するからである。

　また、ここで用いた酸化第二銅粒子の粒径を平均粒径が１ｎｍ～５μｍとしたのは、平均粒径が５μｍより大きくなると、接合過程において粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子が生成されにくくなり、これによって銅粒子間の隙間が多くなり、緻密な接合層を得ることが困難になるためである。一方、１ｎｍ以上としたのは、平均粒子が１ｎｍ以下の酸化第二銅の銅粒子前駆体を実際に作製することが技術的に困難なためである。

　本発明においては銅酸化物粒子としては酸化第二銅を使用した実施例を説明したが、この他に酸化第一銅も挙げられ、これらの群から少なくとも１種類、あるいは２種類の銅酸化物を主剤とする接合材料を用いることも可能である。また、酸化銅からなる金属酸化物粒子は還元時に酸素のみを発生するために、接合後における残渣も残りにくく、体積減少率も小さいので半導体モジュールの接合材料として好適である。

　また、酸化銅の粒子中に混合される有機物からなる還元剤としては、アルコール類、カルボン酸類、アミン類から選ばれた１種以上の混合物を用いることができる。

　銅粒子前駆体と有機物からなる還元剤の組み合わせとしては、これらを混合することにより銅粒子を生成可能なものであれば特に限定されないが、接合用材料としての保存性の観点から、常温で銅粒子を生成しない組み合わせとすることが望ましい。

　また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ～１００μｍの銅粒子を混合して用いることも可能である。これは接合過程において生成された１００ｎｍ以下の銅粒子が、平均粒径５０μｍ～１００μｍの銅粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。

　また、粒径が１００ｎｍ以下の他の金属粒子を予め混合しておいても良い。例えば、この銅粒子前駆体が主剤であることは変わりないが、これに他の金属粒子を添加することも可能であり、添加する金属粒子の種類としては、金、銀、銅、ニッケル等があげられ、その添加金属の割合は３ｗｔ％程度が実際的である。

　更に本発明でいう銅電極やニッケル電極は、全体を銅やニッケルで形成した電極はもちろんのこと、表面に銅やニッケルをメッキした電極や、表面に銅やニッケルが露出したクラッド材による電極等を意味し、要は電極表面に銅やニッケルが存在している電極を意味するものである。

　本発明で使用する接合材料は有機溶剤に溶けたペースト状の態様を呈しており、電極への塗布方法は種々あるが以下にその代表的な方法を説明する。例えば、
塗布部分を開口したメタルマスクやメッシュ状マスクを用いて必要部分にのみ　塗布を行う方法
ディスペンサを用いて必要部分に塗布する方法
シリコーンやフッ素等を含む撥水性の樹脂を必要な部分のみ開口したメタルマスクやメッシュ状マスクで塗布したり、感光性のある撥水性樹脂を基板あるいは電子部品上に塗布し、露光および現像することにより接合材料のペーストを塗布する部分を除去し、その後に接合材料のペーストをその開口部に塗布する方法
撥水性樹脂を基板あるいは電子部品に塗布後、接合材料のペーストを塗布した塗布部分をレーザーにより除去し、その後に接合材料のペーストをその開口部に塗布する方法
等がある。これらの塗布方法は接合する電極の面積や形状に応じて組み合わせて実施することが可能である。

　本発明になる接合材料で電極を接合する場合では、接合過程で銅粒子前駆体から粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子を生成し、高密度接合層における有機物を排出しながら粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子の拡散接合による金属結合を行うため、所定の温度に保つための加熱と、０．０１～５ＭＰａの圧力を加えて接合することが望ましい。

　ニッケル電極や銅電極の接合過程においては、接合材料の主剤が酸化第二銅の微粒子であるため接合過程では低い温度で加熱すれば良く、この時の還元剤の還元作用によって純銅の粒子を生成させ、この純銅の粒子同士は相互に融合してバルク状態となる。

　バルク状態になった後の銅の溶融温度は通常のバルクの状態での銅の溶融温度と同じであるので、銅粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。

　この特徴は、上述したようにナノ粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が高くなることから、その後の他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないという長所をもたらすことになる。

　また、接合後の高密度接合層及び焼結層の熱伝導率は５０～３９０Ｗ/ｍＫとすることが可能であり放熱性にも優れている。さらに前駆体が銅酸化物であるため低価格にできるという長所もある。

　尚、本発明の実施例として説明した接合過程のプロセス雰囲気は窒素雰囲気であったが、水素雰囲気、ギ酸を含んだ還元雰囲気、非酸化雰囲気のもとで接合プロセスを実行しても良い。

　以上の説明にある通り、本発明による半導体装置のニッケル電極や銅電極を、酸化銅を主剤とする接合材料で接合した場合の接合構造によれば、接合材料の主剤である酸化銅が還元された銅とニッケル或いは銅よりなる電極の接合界面には銅の高密度接合層が形成され、これ以外は空洞を有する銅の焼結層とが形成される。このため生成した高密度接合層は相手電極と金属的に拡散接合されて高い接合強度を備えるようになる。

　したがって、仮にクラックが生じても、このクラックはこの高密度接合層によって接合界面まで侵入できず、またクラックは焼結層の空洞部によってその成長が抑制されて長期にわたって強い接合状態を維持することが可能となる。

　以上の通り、本発明によれば銅電極やニッケル電極の接合に適した酸化銅粒子を主剤とする接合材料を用いて。銅の高密度接合層と銅の焼結層よりなる接合構造を形成して長期に亘って接合部の接合信頼性が確保できる半導体装置が得られるようになる。

　次に、本発明の一実施例になる半導体装置を図面に従い詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

　図1、及び図２は本発明を適用した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを実装した半導体装置を示したものであり、図１はその平面図、図２は図１のＡ－Ａ断面を示したものである。

　本実施例において、半導体素子１０１の一方の面は図示しないコレクタ電極（銅やニッケルが使用されている）が、還元剤としてのギ酸銅０．５ｗｔ％を添加した８８ｗｔ％の酸化第二銅粒子（還元後は純銅化）と、有機溶剤として１２ｗｔ％のジエチレングリコールモノブチルエーテルを混合した接合材料を、上述の接合プロセスにしたがって形成された接合層１０５によってセラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０２に接合されている。セラミックス絶縁基板１０３は支持部材１１０にはんだ層１０９を介して接合されている。（セラミックス絶縁基板１０３と配線層１０２をもって配線基板という）ここで、配線層１０２は銅配線であり、接合層１０５は厚さ８０μｍである。

　半導体素子１０１の他方の面は、エミッタ電極（銅やニッケルが使用されている）が接続用アルミワイヤ２０１と、ギ酸銅を含む酸化第二銅粒子と有機溶剤からなる接合材料（１０５と同一材料）を用いて接合されており、更にアルミワイヤ２０１はセラミックス絶縁基板１０３上のＡｌ配線１０４とギ酸銅を含む酸化第二銅粒子と有機溶剤からなる接合材料（１０５と同一材料）を用いて接合されている。尚、図１における他の符号は、ケース１１１、外部端子１１２、ボンディングワイヤ１１３、封止材１１４を示している。

　そして、これらの接合方法は以下の通りである。
まず、ギ酸銅を含む酸化第二銅粒子と有機溶剤からなる接合材料を接合すべき電極の必要個所にメタルマスクによって印刷し、その上に半導体素子を配置する。この時に半導体素子に超音波振動を加え、接合材料の濡れを増加させるとより良好に接合できる。

　この後、０．５ＭＰａで加圧状態を維持しながら、窒素雰囲気中で６０℃の熱を約１０分間加える。この状態で相手側の銅電極やニッケル電極と酸化第二銅が還元された銅粒子との間に高密度接合層を形成する。この高密度接合層は上述したように相手電極との接合部界面に相手電極の結晶成長方向と略同一方向に結晶が成長して得られるものである。この状態で高密度接合層以外の銅粒子はバルク状態となっている。

　１０分が経過すると、次に窒素雰囲気中で温度を２５０℃に上昇させてバルク状態の銅を融合させるため５分間に亘りこの状態を維持する。この過程が銅粒子を焼結させるものであり本実施例では圧力は加えたままとしたが、この過程では加熱だけして加圧を加えなくても良い。圧力を加えるのは拡散接合を実行して高密度接合層を形成する時に必要となるからである。

　以上の接合プロセスはギ酸銅のような還元剤を使用した例を示したが、還元剤を使用せずに還元雰囲気で同様の接合プロセスを実行することもできる。

　次にこの還元雰囲気を用いた接合方法を述べる。接合材料は酸化第二銅粒子と有機溶剤の混合物を用いて行うことができ、酸化第二銅粒子９０ｗｔ％と１０ｗｔ％のαテルピネオール溶剤を混合した接合材料を接合すべき銅電極やニッケル電極の塗布部分にメタルマスクによって印刷する。

　このとき４０℃で１０分に亘り塗布した接合材料を乾燥、固化させ、更にその上に厚さの異なるメタルマスクで再び上述の接合材料を塗布する２度塗りを行っても良い。その上に半導体素子を配置する。このとき半導体素子に超音波振動を加え、接合材料の濡れを増加させるとより良好に接合できる。

　この後、０．１ＭＰａで加圧状態にした後にその状態を維持したままで、９５ｖｏｌ％の窒素と、５ｖｏｌ％のギ酸を混合した還元雰囲気下で常温から５℃/ｍｉｎの昇温速度で温度を２５０℃まで上昇させて１０分間に亘りこの状態を維持することで良好な接合状態を得ることができる。

　この様な接合プロセスを実行することにより、銅電極やニッケル電極と還元雰囲気中で酸化第二銅が還元された銅粒子との間に高密度接合層を形成し、更に還元雰囲気中で温度を２５０℃に上昇させてバルク状態の銅を融合して銅粒子を焼結させて銅の焼結層を形成するものである。

　以上の接合プロセスはギ酸を加えた還元雰囲気での接合プロセスを示したものであるが、水素雰囲気を用いても良好な接合が得られるものである。

　次にこの水素雰囲気を用いた接合方法を述べる。接合材料は酸化第二銅粒子と有機溶剤の混合物を用いて行うことができ、酸化第二銅粒子８５ｗｔ％と、１５ｗｔ％のトリエチレングリコール溶剤を混合した接合材料を接合すべき銅電極やニッケル電極の塗布部分にメタルマスクによって印刷して、その上に半導体素子を配置する。

　この後、０．１ＭＰａで加圧状態にした後にその状態を維持したままで、水素雰囲気下で常温から３０℃/ｍｉｎの昇温速度で温度を２５０℃まで上昇させて１０分間に亘りこの状態を維持することで良好な接合状態を得ることができる。

　この実施例においても、上記した接合プロセスを実行することにより、銅電極やニッケル電極と還元雰囲気中で酸化第二銅が還元された銅粒子との間に高密度接合層を形成し、更に還元雰囲気中で温度を２５０℃に上昇させてバルク状態の銅を融合して銅粒子を焼結させて銅の焼結層を形成するものである。

　次に、半導体装置の別の実施例について図３を用いて詳細に説明するが、この実施例はワイヤボンディングではなく、銅などの金属板で結線した半導体装置の例である。

　半導体素子１０１のコレクタ電極１０６Ａ（銅やニッケルで形成）と配線層１０２が接合層１０５で接合されている。ここで配線層１０２は銅配線である。

　接合層１０５は、酸化第二銅粒子９０ｗｔ％とトリエチレングリコール１０ｗｔ％を混合した接合材料を用いて形成している。

　半導体素子１０１のエミッタ電極１０６Ｂ（銅やニッケルで構成）と銅や銅合金で形成された接続用端子２０１の接合層１０５、及び接続用端子２０１と配線層１０４の接合層１０５も、上述した構造と同様の接合構造が形成されている。

　接合プロセスは、まず酸化第二銅粒子９０ｗｔ％とトリエチレングリコール１０ｗｔ％を混合した接合材料を接合すべき電極にメタルマスクを用いて印刷する。

　この後、１．０ＭＰａで加圧状態を維持しながら、水素雰囲気中で６０℃の熱を約１０分間加える。この状態で相手側の銅電極やニッケル電極と酸化第二銅が還元された銅粒子との間に高密度接合層を形成する。この高密度接合層は上述したように相手電極との接合部界面に相手電極の結晶成長方向と略同一方向に結晶が成長して得られるものである。この状態で高密度接合層以外の銅粒子はバルク状態となっている。

　１０分が経過すると、次に水素雰囲気中で温度を２５０℃に上昇させてバルク状態の銅を融合させるため５分間に亘りこの状態を維持する。この過程が銅粒子を焼結させるものであり本実施例では圧力は加えたままとしたが、この過程では加熱だけして加圧を加えなくても良い。圧力を加えるのは拡散接合を実行して高密度接合層を形成する時に必要である。尚、それぞれの接合層１０５は個別に接合してもよいし、同時に接合しても良いものである。

　また、銅やニッケルの電極に対して酸化銅の粒子を主剤とする接合材料で接合するようにしたので、半導体素子１０１と熱膨張係数が約９ｐｐｍ／℃の絶縁配線基板とが、熱膨張係数が約１６ｐｐｍ／℃の接合材料を介して接合されるようになるため、高温環境で顕著になる各部材の熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることができる。理想的には接合材料の熱膨張係数を配線基板のそれに一致させることで、接合材料に生じる熱応力が最小になり長期信頼性が向上することが期待できる。

　本発明の半導体装置は各種の電力変換装置に適用することができ、電力変換装置に本発明の半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載でき、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保することが可能になる。

　１０１…半導体素子、１０２…配線層、１０３…セラミックス絶縁基板、１０４…配線層、１０５…接合層、１０６…エミッタ電極、１１０…支持部材、２０１…接続用端子。

Claims

　少なくとも電極の表面が銅、或いはニッケルによって形成された半導体素子の電極や配線等の他の電極を、金属粒子を主剤とする接合材料で接合して前記電極間に接合部を形成した半導体装置において、
　前記接合材料は酸化銅の粒子を主剤とする接合材料であり、前記酸化銅を還元することによって得られる銅粒子と前記電極の接合界面に、少なくとも密度が高い銅の高密度接合層を形成して前記接合部を構成したことを特徴とする半導体装置。
　少なくとも電極の表面が銅、或いはニッケルによって形成された半導体素子の電極や配線等の他の電極を、金属粒子を主剤とする接合材料で接合して前記電極間に接合部を形成した半導体装置において、
　前記接合材料は酸化銅の粒子を主剤とする接合材料であり、前記酸化銅を還元することによって得られる銅粒子と前記電極の接合界面に密度が高い銅の高密度接合層を形成すると共に、前記銅の高密度接合層より内側に前記高密度層より密度が小さい銅の焼結層を形成して前記接合部を構成したことを特徴とする半導体装置。
　少なくとも電極の表面が銅、或いはニッケルによって形成された半導体素子の電極や配線等の他の電極を、金属粒子を主剤とする接合材料で接合して前記電極間に接合部を形成した半導体装置において、
　前記接合材料は酸化銅の粒子を主剤とする接合材料であり、前記酸化銅を還元することによって得られる銅粒子を加熱及び加圧することによって前記電極と前記銅粒子の接合界面に密度が高い銅の高密度接合層を形成すると共に、前記銅の高密度接合層より内側に前記高密度層より密度が小さい銅の焼結層を形成して前記接合部を構成したことを特徴とする半導体装置。
　少なくとも電極の表面が銅、或いはニッケルによって形成された半導体素子の電極や配線等の他の電極を、金属粒子を主剤とする接合材料で接合して前記電極間に接合部を形成した半導体装置において、
　前記接合材料は酸化銅の粒子を主剤とする接合材料であり、前記酸化銅を還元することによって得られる銅粒子を第１の温度で加熱及び加圧することによって前記電極と前記銅粒子の接合界面に密度が高い銅の高密度接合層を形成すると共に、前記第１の温度より高い第２の温度で加熱して前記銅の高密度接合層より内側に前記高密度層より密度が小さい銅の焼結層を形成して前記接合部を構成したことを特徴とする半導体装置。
　請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置において、
　前記銅の高密度接合層は前記銅の焼結層の空隙率よりも小さい空隙率を有するものであることを特徴とする半導体装置。
　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置において、
　前記銅の高密度接合層は前記電極の結晶成長方向と略同一方向に結晶が成長した層であることを特徴とする半導体装置。
　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置において、
　前記銅の高密度接合層は前記電極の表面と前記銅粒子とが拡散接合されて形成されていることを特徴とする半導体装置。
　請求項７に記載の半導体装置において、
　前記接合材料の主剤となる酸化銅の粒子は酸化第二銅の粒子であることを特徴とする半導体装置。
　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体装置において、
　前記接合材料は、酸化銅の粒子を主剤とし、これに還元剤と有機溶剤とを混合した接合材料であることを特徴とする半導体装置。
　請求項９に記載の半導体装置において、
　前記酸化銅の粒子は酸化第二銅の粒子であることを特徴とする半導体装置。
　請求項９に記載の半導体装置において、
　前記還元剤は低級カルボン酸であり、好ましくは酢酸系化合物、ギ酸系化合物、またはクエン酸系化合物から選ばれていることを特徴とする半導体装置。
　請求項１１に記載の半導体装置において、
　前記接合材料は窒素雰囲気中で加熱及び加圧されて前記接合部を形成することを特徴とする半導体装置。
　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体装置において、
　前記接合材料は、酸化銅の微粒子を主剤とし、これに有機溶剤とを混合した接合材料であることを特徴とする半導体装置。
　請求項１３に記載の半導体装置において、
　前記接合材料は還元雰囲気、或いは水素雰囲気中で加熱及び加圧されて前記接合部を形成することを特徴とする半導体装置。