半導体接合構造体及びその製造方法
【課題】応力緩和性及び耐熱性を両立する半導体接合構造体及びその製造方法を実現する。
【解決手段】半導体素子１０２と電極１０３とが接合部２１２を挟んで接合された半導体接合構造体において、接合部２１２は、電極１０３に接する第１金属間化合物層２０７と、半導体素子１０２に接する第２金属間化合物層２０８と、第１金属間化合物層２０７及び第２金属間化合物層２０８に挟まれた金属層とを備える。金属層は、Ｓｎ含有相２１０と、金属間化合物からなり且つＳｎ含有相に分散された複数の結晶粒塊２０９とを含み、それぞれの結晶粒塊２０９は、第１金属間化合物層２０７及び第２金属間化合物層２０８に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している。
【解決手段】半導体素子１０２と電極１０３とが接合部２１２を挟んで接合された半導体接合構造体において、接合部２１２は、電極１０３に接する第１金属間化合物層２０７と、半導体素子１０２に接する第２金属間化合物層２０８と、第１金属間化合物層２０７及び第２金属間化合物層２０８に挟まれた金属層とを備える。金属層は、Ｓｎ含有相２１０と、金属間化合物からなり且つＳｎ含有相に分散された複数の結晶粒塊２０９とを含み、それぞれの結晶粒塊２０９は、第１金属間化合物層２０７及び第２金属間化合物層２０８に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体部品の内部接合に関するものであり、特に、優れた機械特性及び耐熱性が要求されるパワー半導体モジュールの半導体素子と電極とをＳｎ基はんだによって接合する半導体接合構造体等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスの実装分野において、鉛の有害性の懸念や環境への関心の高まりから、鉛を用いない接合が望まれている。一般的なはんだ材であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだについては、代替材料が開発、実用化されている。この一方、半導体部品内部の接合材料として、高温鉛はんだの代替材料が検討されている。
【０００３】
そのような代替材料の候補として、はんだ材料については、Ａｕ系、Ｂｉ系、Ｚｎ系及びＳｎ系のものが挙げられる。
【０００４】
Ａｕ系のはんだ材料に関しては、例えば融点が２８０℃のＡｕ−２０Ｓｎなどが一部実用化されている。しかしながら、主成分が金であるから、材料物性が硬く、また、コストが高い。従って、小型部品に使用が限定される等、汎用性を持たない。融点が２７０℃付近であるＢｉ系はんだ材料は、溶融温度の面では問題ない。しかしながら、延性、熱伝導率に乏しい。また、Ｚｎ系はんだ材料は弾性率が高すぎるので、半導体部品の内部接合に用いるためには、機械特性及び耐熱性が課題となる。
【０００５】
以上に対し、Ｓｎ系のはんだ材料は、優れた機械特性を有するが、融点が２５０℃未満と低く耐熱性に乏しい。そこで、Ｓｎ系はんだ材料の耐熱性向上を目的として、例えばＣｕＳｎ化合物を形成して金属間化合物化により融点を上げた接合材料が検討されている（特許文献１）。例えば、パワー半導体素子と電極とを接合し、パワー半導体モジュールを構成するために用いられる。
【０００６】
また、鉛フリーはんだにおいて、融点の低温化を図ると共に、含有成分の結晶を微細化すると共に偏析を抑制することが行なわれている。例えば、鉛フリーはんだの冷却・凝固時に超音波振動を作用させる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２７３９８２号公報
【特許文献２】特開２００４−３２００４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のＣｕＳｎ化合物である接合材料には、応力緩和性と耐熱性とが両立し難いという課題がある。
【０００９】
つまり、はんだ材料としてＳｎとＣｕとの混合粉末を用い、十分に時間をかけて接合した場合、一般的なリフロー温度である２６０℃雰囲気下における耐熱性を有するが、熱応力に対する十分な応力緩和ができない。この結果、接合部にクラック、剥離等が生じたり、熱伝導特性が低下したりするので、パワー半導体モジュールの電気特性が十分に得られないことがある。この一方、はんだ材料としてＳｎとＣｕとの混合粉末を用い、より短時間の接合を行なった場合、接合部の延性は保たれるが、２６０℃雰囲気下における耐熱性が失われる。
【００１０】
また、特許文献２の技術は、はんだの種類によっては、全く効果が得られない場合がある。この場合、接合部が厚くなる、接合部にボイドが発生する等、はんだ付け部の接合信頼性を確保することが困難となる課題を有する。
【００１１】
以上に鑑み、本開示の目的は、より多くのはんだ材料について、耐熱性及び応力緩和性を両立し、はんだ付け部の接合信頼性を向上させた半導体接合構造体及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本願出願人等は前記の課題について種々の検討を行ない、以下のようなことに着目した。
【００１３】
特許文献１の技術において、前記のようにＳｎとＣｕとの混合粉末をはんだ材料として用いた場合、接合のために加熱すると、Ｓｎ及びＣｕの金属間化合物が生じる。接合部の耐熱性は当該金属間化合物により得られ、接合部の延性はＳｎによって得られる。従って、接合に十分な時間を掛けると、はんだ材料の大半が金属間化合物となって耐熱性が確保される一方、Ｓｎがほとんど残らないことから延性は不十分になる。逆に、接合の時間を短くすると、Ｓｎが残るので延性は確保される一方、金属間化合物が少なくなるので耐熱性は失われる。例えば、Ｓｎが層状に残存し、リフロー時に再融解して、半導体素子と電極とがずれる等の不具合を生じることがある。接合の時間が短くても金属間化合物が生じることはあるが、耐熱性を向上させるには足りず、例えば球状に小量だけ形成される。
【００１４】
また、特許文献２の方法は、金属間化合物を形成しないはんだ組成においては有効であるが、はんだ溶融初期から金属間化合物が形成される場合には全く効果が得られない。更に、接合部に析出した金属間化合物によって、半導体素子と電極との接合間距離が押し広げられることがある。これが、接合厚さが大きくなる、ボイドが発生する等の問題の一因と考えられる。
【００１５】
これらのことに基づき、本開示における半導体素子と電極とが接合部を挟んで接合された半導体接合構造体において、接合部は、電極に接する第１金属間化合物層と、半導体素子に接する第２金属間化合物層と、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に挟まれた金属層とを備え、金属層は、Ｓｎ含有相と、金属間化合物からなり且つＳｎ含有相に分散された複数の結晶粒塊とを含み、それぞれの結晶粒塊は、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している。
【００１６】
このような半導体接合構造体によると、金属間化合物層の結晶粒塊により耐熱性を確保すると共に、Ｓｎ含有相により応力緩和性を確保することができる。また、結晶粒塊が第１金属化合物層及び第２金属間化合物層の両方に接することなくＳｎ含有相に分散しているので、半導体素子と電極との距離を結晶粒塊が押し広げることはない。従って、結晶粒塊は、ボイドを発生させる、接合厚さを大きくする等の原因になることはない。
【００１７】
尚、接合部は、はんだ材料を含んでいても良い。
【００１８】
また、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層は、Ｃｕ及びＳｎの金属間化合物又はＡｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含んでいても良い。
【００１９】
接合部として、このような金属材料を用いることができる。
【００２０】
また、複数の結晶粒塊は、棒状であり且つ金属層の厚さよりも短い形状を有していても良い。
【００２１】
また、複数の結晶粒塊の寸法は、０．０１μｍ以上で且つ１０μｍ以下であっても良い。
【００２２】
このような結晶粒塊であれば、第１金属化合物層及び第２金属間化合物層の両方に接することはないので、ボイドの発生及び接合厚さの拡大をより確実に抑えることができる。
【００２３】
また、複数の結晶粒塊は、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層のいずれか一方と接する結晶粒塊を含んでいても良い。
【００２４】
このようにすると、Ｓｎ含有相よりも融点の高い第１金属化合物層又は第２金属間化合物層と結晶粒塊とが繋がっていることになり、耐熱性が向上する。
【００２５】
また、複数の結晶粒塊の一部は、互いに接触すると共に、第１金属間化合物層から第２金属間化合物層まで繋がっていても良い。
【００２６】
この場合、Ｓｎ含有相よりも融点の高い金属間化合物からなる結晶粒塊により第１金属化合物層と第２金属間化合物層とが繋がってることになるので、耐熱性が向上する。
【００２７】
次に、本開示の半導体接合構造の製造方法は、電極の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第１の金属からなる第１金属層を形成する工程（ａ）と、半導体素子の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属からなる第２金属層を形成する工程（ｂ）と、第１金属層と第２金属層との間に少なくともＳｎを含むはんだ材料を配置し、外部エネルギーを印加しながら加熱することにより、半導体素子と電極とを接合する工程（ｃ）とを備え、工程（ｃ）において、電極に接する第１金属間化合物層及び半導体素子に接する第２金属間化合物層が形成されると共に、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に挟まれたＳｎ含有相が形成され、当該Ｓｎ含有相内に金属間化合物からなる結晶粒塊が析出し、Ｓｎ含有相が残存していると共に、それぞれの結晶粒塊が、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している状態において加熱を停止する。
【００２８】
尚、外部エネルギーとして、振動エネルギーを印加しても良い。
【００２９】
また、工程（ｃ）において、外部エネルギーによって、結晶粒塊の成長を抑制しても良い。
【００３０】
このような半導体接合構造体の製造方法によると、外部エネルギーを印加することにより微細な結晶粒塊がＳｎ含有相内に分散する。これにより、耐熱性及び応力緩和性を両立する本開示の半導体接合構造体を製造することができる。
【００３１】
また、第１の金属及び第２の金属は、Ａｇ及びＣｕの少なくとも一方からなり、第１金属間化合物層は第１の金属及びＳｎからなり、第２金属間化合物層は第２の金属及びＳｎからなり、結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含んでいても良い。
【００３２】
このような金属を材料として用いても良い。
【００３３】
また、外部エネルギーは、超音波又は音波によって印加されるのであっても良い。
【００３４】
超音波又は音波は、周波数が１０ｋＨｚ以上で且つ５０ｋＨｚ以下であっても良い。
【００３５】
また、外部エネルギーは、半導体素子における一方の面及び電極における一方の面に対して平行な方向の振動により与えられるのであっても良い。
【００３６】
また、はんだ材料を配置する前に外部エネルギーの印加を開始し、加熱を停止した後、はんだ材料が凝固する前に外部エネルギーの印加を停止するのであっても良い。
【００３７】
また、外部エネルギーは、前記はんだ材料が加熱されるのと同時又は加熱されるよりも先に印加を始めても良い。
【００３８】
金属間化合物の結晶粒塊は、はんだ材料が溶融する初期から生じ始めるので、結晶粒塊の成長を抑制するためにはこのようにするのが良い。
【００３９】
また、工程（ｃ）において、２２０℃以上で且つ４００℃以下に加熱しながら前記半導体素子と前記電極とを接合しても良い。
【００４０】
接合を行なう際の温度は、このような範囲の飛渡であっても良い。
【発明の効果】
【００４１】
本開示の半導体接合構造体及びその製造方法によると、耐熱性及び応力緩和性を両立すると共に、金属間化合物が生じることによるボイド発生等の弊害を抑え、はんだ付け部の接合信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本開示の一実施形態の例示的パワー半導体モジュールを模式的に示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、図１のパワー半導体モジュールに用いる半導体接合構造体及びその製造工程について示す図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、半導体素子と電極との接続工程をより詳しく説明する図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、比較例の半導体接合構造体を示す図である。
【図５】図５は、他の比較例の半導体接合構造体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図１は、本実施形態における例示的パワー半導体モジュール１００の構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体モジュール１００において、半導体素子１０２が、接合材料１０４を介して電極１０３に接合され、接合構造体１０５を構成している。
【００４５】
電極１０３は、はんだ材料によって基板１０１に接続されている。また、半導体素子１０２は金属細線１０９を介して実装部材１０８に電気的に接続され、該実装部材１０８は、はんだ材料によって基板１０１に接続されている。
【００４６】
次に接合構造体１０５及びその形成方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して更に説明する。
【００４７】
図２（ａ）は、電極１０３にはんだ材料２０３を供給する工程を示している。電極１０３はＣｕ合金からなり、予め電解めっき法によって形成されたＡｇ層２０２（例えば、厚さ３μｍ）を有している。また、はんだ材料２０３の供給は、例えば、水素を１０％含む窒素雰囲気下において、はんだ材料２０３の溶融温度である２２０℃以上で且つ設備の耐熱温度（例えば４００℃）以下に電極１０３を加熱した状態において行なわれる。望ましくは、電極１０３を２６０℃に加熱した状態において行なわれる。
【００４８】
例えば、Ａｇ層２０２上に、長さ５００〜１０００μｍで且つ直径０．７ｍｍであるワイヤー形状を有し、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（融点は２１７℃）であるはんだ材料２０３を供給する。この時、振動板１０６を用いて、電極１０３等に振動等の外部エネルギーを与える。例えば、電極１０３に平行に横振動１０７を電極１０３等に与える。これにより、Ａｇ層２０２とはんだ材料２０３との間にて析出するＡｇＳｎ金属間化合物の結晶粒塊をはんだ材料２０３中に分散させて、結晶粒塊が大きく成長するのを抑制する。尚、縦振動を加えると、振動に合わせて電極１０３等が振動板１０６から離れてしまうおそれがあるので、横振動とするのが良い。
【００４９】
印加する振動エネルギーの周波数は、例えば、１０ｋＨｚ以上で且つ５０ｋＨｚ以下とする。また、振幅は、０．５μｍ以上で且つ１６μｍ以下、より望ましくは、３μｍ以上で且つ５μｍ以下とする。このようにすると、より確実に結晶粒塊の成長を抑制し、はんだ材料２０３内に分散させることができる。
【００５０】
尚、ＡｇＳｎ金属間化合物は、はんだ材料２０３が溶融される始める初期段階から形成される。従って、振動エネルギーは、はんだ材料２０３に対する加熱と同時に与え始めるか、又は、加熱を始める前から与えておくのが良い。そこで、本実施形態では、電極１０３を加熱し且つ振動エネルギーを与えた状態にてはんだ材料２０３を供給している。
【００５１】
次に、図２（ｂ）に示す工程を行なう。ここでは、電極１０３上に半導体素子１０２を載置する。
【００５２】
半導体素子１０２は、例えば、ＧａＮにより構成され、４ｍｍ×５ｍｍの長方形状で且つ厚さ０．３ｍｍの大きさである。また、電極１０３と接合する側の面に、例えば、電解めっき法等を用いて、厚さ１０μｍのＣｕ層２０６及びその上に積層する厚さ５μｍのＡｇ層２０５を形成しておく。
【００５３】
このような半導体素子１０２を電極１０３上に載置する。この際、半導体素子１０２側のＡｇ層２０５が、電極１０３側に供給したはんだ材料２０３と接するようにして、５０ｇｆ〜１５０ｇｆ（０．４９Ｎ〜１．４７Ｎ）程度の力を加える。また、電極１０３にはんだ材料２０３を供給する際と同様に、例えば、水素１０％を含む窒素雰囲気中において、電極１０３を２６０℃に加熱しておく。
【００５４】
更に、半導体素子１０２の搭載は、振動板１０６を用いて電極１０３に振動を与え続けながら行なう。必要に応じて、半導体素子１０２の側にも振動を与えても良い。振動を与えることにより、半導体素子１０２に形成されたＡｇ層２０５と、はんだ材料２０３との間に析出するＡｇＳｎ金属間化合物の結晶粒塊を、はんだ材料２０３中に分散させて結晶粒塊の成長を抑制することができる。つまり、大きな結晶粒塊が生じるのを抑え、微細な結晶粒塊がはんだ材料２０３中に分散した状態とする。
【００５５】
以上のように、水素を含む窒素雰囲気中、２６０℃に加熱し且つ振動を加えた状態において、例えば約１０分間保持する。その後、加熱を停止して自然冷却させることにより、電極１０３と半導体素子１０２とを接合させる接合部２１２を形成させて、接合構造体１０５を製造する。ここで、電極１０３に与える外部エネルギー（例えば振動板１０６によって与える振動）は、はんだ材料２０３が冷却され固化する前に停止することが望ましい。図２（ｃ）に、電極１０３と半導体素子１０２とが接合部２１２を介して接合された状態を示している。
【００５６】
接合部２１２に関して、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して更に説明する。
【００５７】
図３（ａ）は、半導体素子１０２を電極１０３上に搭載した後、比較的短時間が過ぎた状態を示す。図３（ａ）の段階において、図２（ｂ）にて説明したＡｇ層２０２とはんだ材料２０３との間の拡散反応により、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９が形成され始める。この時、外部エネルギー（振動板１０６による振動）を与えることにより、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物の結晶が大きく成長するのを抑え、Ｓｎ含有相２１０に分散させることができる。
【００５８】
これと同時に、図２（ｂ）において説明した通り、Ｃｕ層２０６又は２０２と、はんだ材料２０３との間に、拡散反応が起る。これにより、図３（ａ）に示すように、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８及びＣｕＳｎ金属間化合物層２０７が成長し始める。
【００５９】
次に、図３（ｂ）は、加熱すると共に振動を加えながら約１０分が経過した状態を示す。図３（ａ）において形成されていた棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の結晶粒塊について、成長して大きくなることよりも、Ｓｎ含有相２１０に分散することの方が優先される。従って、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９は、微細な結晶粒塊として分散している。また、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及び２０８が成長している。
【００６０】
この後、自然冷却させることにより、図３（ｃ）に示す接合構造体１０５が製造される。ここで、例えば、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及び２０８の厚さは合わせて１２μｍ程度、Ｓｎ相２１０の厚さは１５μｍ程度、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の長さは５μｍ程度である。
【００６１】
接合部２１２において、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９と、Ｓｎ／Ａｇ混在組織（応力吸収部となるＳｎ含有相２１０）とが、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及びＣｕＳｎ金属間化合物層２０８に挟まれている。また、Ｓｎ含有相２１０中に分散された棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９は、上下のＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及びＣｕＳｎ金属間化合物層２０８のいずれか一方だけに接しているか、又は、いずれにも接していないようになっている。この結果、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９が半導体素子１０２と電極１０３との距離を押し広げるのを抑えることができる。
【００６２】
以上のようにして製造した接合構造体１０５に対してワイヤボンディング及び封止を行なってパワー半導体モジュールを形成した。更に、その接合構造体の接合部におけるクラック、剥離について確認するために、次のようにして製造歩留りを確認した。
【００６３】
温度サイクル試験として、低温側が−５０℃、高温側が１５０℃の温度サイクルを３００サイクル行なった。その後、超音波映像を用いて観察し、接合構造体１０５の接合部２１２におけるクラック、剥離を判定した。接合部２１２の接合面の表面積に対し、クラック、剥離が２０％未満となる場合の製造歩留り（サンプル数Ｎ＝２０）を算出した。
【００６４】
その結果、本実施形態のパワー半導体モジュール１００において、接合部２１２におけるクラック、剥離は認められず、製造歩留りは１００％であった。
【００６５】
これは、接合構造体１０５の接合部２１２において、金属間化合物に比べて延性が大きいＳｎ／Ａｇ混在組織（Ｓｎ含有相２１０）が存在することによると考えられる。つまり、温度サイクル試験にて生じる熱応力を、Ｓｎ／Ａｇ混在組織が歪むことによって緩和することができるので、応力緩和性が発揮される。
【００６６】
また、接合構造体１０５をパワー半導体モジュール１００において使用するための耐熱性を確認した。リフロー温度として想定した２６０℃の雰囲気下では、接合構造体１０５の半導体素子１０２と電極１０３との剪断方向からの接合強度は５０ｇｆ（０．４９Ｎ）以上であった。リフロー時の加熱によって剥離するのを避けるためには、接合強度は、３０ｇｆ（０．２９Ｎ）程度あれば良い。従って、接合構造体１０５は十分な接合強度を有することになる。
【００６７】
図３（ｃ）等に示すように、本実施形態の構成によると、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９が、Ｓｎ／Ａｇ混在組織に対し、大きな結晶粒塊を形成することなく微細な結晶粒塊状態で分散している。
【００６８】
ここで、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及び２０８の融点は約４１５℃、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の融点は約４８０℃であって、いずれも２６０℃以上である。
【００６９】
半導体素子１０２と電極１０３とがずれる等の不具合は、耐熱性の低い含Ｓｎ相２１０が融解することによって生じる。これに対し、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の結晶粒界が小さく且つ含Ｓｎ相２１０内に分散していれば、前記のような不具合は生じにくい。従って、例えば２６０℃の耐熱性を有すると考えられる。
【００７０】
また、金属間化合物層２０７及び２０８と、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９とが繋がることにより、融点の高い領域が連続することになるので、２６０℃の耐熱性が得られることになる。更に、微小な結晶粒塊同士が接することにより、金属間化合物層２０７から金属間化合物層２０８まで繋がった状態となると、耐熱性が更に向上する。
【００７１】
尚、大きな結晶粒塊は電極と半導体接合との距離を押し広げてしまい、不具合の原因になるが、微小な結晶粒塊同士が繋がっている構造であればそのような不具合は生じにくい。
【００７２】
以上のように、接合部２１２におけるボイドを防止すると共に、温度サイクルによって生じる熱応力に対する応力緩和性と、パワー半導体モジュールが基板に実装される際の熱に対する接合部の耐熱性とを両立することができる。この結果、半導体素子１０２と電極１０３とを品質良く接合し、接合信頼性を向上することができる。
【００７３】
図４（ａ）には、比較例として、電極５０３と半導体素子５０２とがＣｕＳｎ金属間化合物のみからなる接合に５０４によって接合された半導体接合構造体５０１を示す。この場合、ＣｕＳｎ金属間化合物は延性が低いので、温度サイクル試験によって生じる熱応力に対して応力緩和性が得られず、接合構造体の接合部５０４においてクラック、剥離等が生じると考えられる。尚、この場合の製造歩留りは、本実施形態の接合構造体１０５と同様の温度サイクル試験において、２５％であった。
【００７４】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の接合部５０４について、より詳しい構造の一例を示す。これは、Ｓｎ及びＣｕの混合粉末をはんだ材料として用い、接合のために十分な時間の加熱を行なった場合を示している。この場合、はんだ材料の大半がＣｕＳｎ金属間化合物５０５となり、当該ＣｕＳｎ金属間化合物からなる結晶粒塊の隙間を埋めるＳｎ相５０６が僅かにだけ残った状態となっている。この結果、ＣｕＳｎ金属間化合物５０５によって耐熱性は確保されるが、延性を得るために必要なＳｎ相５０６がほとんど残っていないので、延性は不足する。
【００７５】
また、図４（ｃ）には、Ｓｎ及びＣｕの混合粉末をはんだ材料として用い、接合のための加熱の時間を短くした例を示している。この場合、Ｓｎ相５０６内に、ＣｕＳｎ金属間化合物５０５の結晶粒塊と、Ｃｕ相５０７とが分散した構造となっている。この結果、Ｓｎ相５０６が十分に残っているので延性は確保されるが、耐熱性を得るために必要なＣｕＳｎ金属間化合物５０５が不十分であり、耐熱性は確保されない。
【００７６】
また、図５には、はんだ接合の際に外部から振動エネルギーを与えず、加熱のみを行なった場合について例示している。この場合、電極１０３側の金属間化合物層６０７と半導体素子１０２側の金属間化合物層６０８との間に挟まれたＳｎ含有相２１０中に、棒状金属間化合物６０９が成長する。振動が加えられていないので、棒状金属間化合物６０９は大きく成長し、半導体素子１０２と、電極１０３との両方に接した後にも更に成長する。この結果、棒状金属間化合物６０９は、半導体素子１０２と電極１０３との距離を押し広げてしまう。これは、接合部２１２（特に、Ｓｎ含有相２１０）内にボイド６０１を発生させて、はんだクラックの原因となる。また、半導体素子１０２を電極１０３に対して傾斜させることになり、接合部２１２の厚さバラツキを生じさせてパワー半導体モジュール６００が特性変動を起こす原因にもなる。このように、製品の信頼性、特性安定性を著しく低下させている。
【００７７】
このような比較例に対し、本実施形態のパワー半導体モジュール１００及びその製造方法は、耐熱性及び応力緩和性を両立させると共に、接合部２１２の厚さバラツキを避けて、はんだ付け部の接合信頼性を向上させることができる。更に、はんだ材料が加熱されるのと同時又は加熱よりも先に振動エネルギーを与え始めることにより、本実施形態の技術は、はんだ材料の溶融の初期から金属間化合物が生じるはんだ材料についても適用可能である。
【００７８】
尚、以上では、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９がＳｎ含有相２１０中に分散される例を説明した。しかしながら、他の金属元素、例えばＡｕＳｎ金属間化合物（はんだ材料をＳｎ系はんだ、金属層をＡｕとする）、ＢｉＮｉ金属間化合物（はんだ材料をＢｉ系はんだ、金属層をＮｉとする）等を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本開示の半導体接合構造及びその製造方法は、応力緩和性及び耐熱性を両立し、接合の信頼性を高めることができるので、パワー半導体モジュール等にも有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 基板
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 接合材料
１０５ 接合構造体
１０６ 振動板
１０７ 横振動
１０８ 実装部材
１０９ 金属細線
２０２ Ａｇ層
２０３ はんだ材料
２０５ Ａｇ層
２０６ Ｃｕ層
２０７ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２０８ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２０９ 棒状ＡｇＳｎ金属間化合物
２１０ Ｓｎ含有相
２１２ 接合部
５０１ 半導体接合構造体
５０２ 半導体素子
５０３ 電極
５０４ 接合部
５０５ ＣｕＳｎ金属間化合物
５０６ Ｓｎ相
５０７ Ｃｕ相
６００ パワー半導体モジュール
６０１ ボイド
６０７ 金属間化合物層
６０８ 金属間化合物層
６０９ 棒状金属間化合物
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体部品の内部接合に関するものであり、特に、優れた機械特性及び耐熱性が要求されるパワー半導体モジュールの半導体素子と電極とをＳｎ基はんだによって接合する半導体接合構造体等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスの実装分野において、鉛の有害性の懸念や環境への関心の高まりから、鉛を用いない接合が望まれている。一般的なはんだ材であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだについては、代替材料が開発、実用化されている。この一方、半導体部品内部の接合材料として、高温鉛はんだの代替材料が検討されている。
【０００３】
そのような代替材料の候補として、はんだ材料については、Ａｕ系、Ｂｉ系、Ｚｎ系及びＳｎ系のものが挙げられる。
【０００４】
Ａｕ系のはんだ材料に関しては、例えば融点が２８０℃のＡｕ−２０Ｓｎなどが一部実用化されている。しかしながら、主成分が金であるから、材料物性が硬く、また、コストが高い。従って、小型部品に使用が限定される等、汎用性を持たない。融点が２７０℃付近であるＢｉ系はんだ材料は、溶融温度の面では問題ない。しかしながら、延性、熱伝導率に乏しい。また、Ｚｎ系はんだ材料は弾性率が高すぎるので、半導体部品の内部接合に用いるためには、機械特性及び耐熱性が課題となる。
【０００５】
以上に対し、Ｓｎ系のはんだ材料は、優れた機械特性を有するが、融点が２５０℃未満と低く耐熱性に乏しい。そこで、Ｓｎ系はんだ材料の耐熱性向上を目的として、例えばＣｕＳｎ化合物を形成して金属間化合物化により融点を上げた接合材料が検討されている（特許文献１）。例えば、パワー半導体素子と電極とを接合し、パワー半導体モジュールを構成するために用いられる。
【０００６】
また、鉛フリーはんだにおいて、融点の低温化を図ると共に、含有成分の結晶を微細化すると共に偏析を抑制することが行なわれている。例えば、鉛フリーはんだの冷却・凝固時に超音波振動を作用させる（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２７３９８２号公報
【特許文献２】特開２００４−３２００４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のＣｕＳｎ化合物である接合材料には、応力緩和性と耐熱性とが両立し難いという課題がある。
【０００９】
つまり、はんだ材料としてＳｎとＣｕとの混合粉末を用い、十分に時間をかけて接合した場合、一般的なリフロー温度である２６０℃雰囲気下における耐熱性を有するが、熱応力に対する十分な応力緩和ができない。この結果、接合部にクラック、剥離等が生じたり、熱伝導特性が低下したりするので、パワー半導体モジュールの電気特性が十分に得られないことがある。この一方、はんだ材料としてＳｎとＣｕとの混合粉末を用い、より短時間の接合を行なった場合、接合部の延性は保たれるが、２６０℃雰囲気下における耐熱性が失われる。
【００１０】
また、特許文献２の技術は、はんだの種類によっては、全く効果が得られない場合がある。この場合、接合部が厚くなる、接合部にボイドが発生する等、はんだ付け部の接合信頼性を確保することが困難となる課題を有する。
【００１１】
以上に鑑み、本開示の目的は、より多くのはんだ材料について、耐熱性及び応力緩和性を両立し、はんだ付け部の接合信頼性を向上させた半導体接合構造体及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本願出願人等は前記の課題について種々の検討を行ない、以下のようなことに着目した。
【００１３】
特許文献１の技術において、前記のようにＳｎとＣｕとの混合粉末をはんだ材料として用いた場合、接合のために加熱すると、Ｓｎ及びＣｕの金属間化合物が生じる。接合部の耐熱性は当該金属間化合物により得られ、接合部の延性はＳｎによって得られる。従って、接合に十分な時間を掛けると、はんだ材料の大半が金属間化合物となって耐熱性が確保される一方、Ｓｎがほとんど残らないことから延性は不十分になる。逆に、接合の時間を短くすると、Ｓｎが残るので延性は確保される一方、金属間化合物が少なくなるので耐熱性は失われる。例えば、Ｓｎが層状に残存し、リフロー時に再融解して、半導体素子と電極とがずれる等の不具合を生じることがある。接合の時間が短くても金属間化合物が生じることはあるが、耐熱性を向上させるには足りず、例えば球状に小量だけ形成される。
【００１４】
また、特許文献２の方法は、金属間化合物を形成しないはんだ組成においては有効であるが、はんだ溶融初期から金属間化合物が形成される場合には全く効果が得られない。更に、接合部に析出した金属間化合物によって、半導体素子と電極との接合間距離が押し広げられることがある。これが、接合厚さが大きくなる、ボイドが発生する等の問題の一因と考えられる。
【００１５】
これらのことに基づき、本開示における半導体素子と電極とが接合部を挟んで接合された半導体接合構造体において、接合部は、電極に接する第１金属間化合物層と、半導体素子に接する第２金属間化合物層と、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に挟まれた金属層とを備え、金属層は、Ｓｎ含有相と、金属間化合物からなり且つＳｎ含有相に分散された複数の結晶粒塊とを含み、それぞれの結晶粒塊は、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している。
【００１６】
このような半導体接合構造体によると、金属間化合物層の結晶粒塊により耐熱性を確保すると共に、Ｓｎ含有相により応力緩和性を確保することができる。また、結晶粒塊が第１金属化合物層及び第２金属間化合物層の両方に接することなくＳｎ含有相に分散しているので、半導体素子と電極との距離を結晶粒塊が押し広げることはない。従って、結晶粒塊は、ボイドを発生させる、接合厚さを大きくする等の原因になることはない。
【００１７】
尚、接合部は、はんだ材料を含んでいても良い。
【００１８】
また、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層は、Ｃｕ及びＳｎの金属間化合物又はＡｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含んでいても良い。
【００１９】
接合部として、このような金属材料を用いることができる。
【００２０】
また、複数の結晶粒塊は、棒状であり且つ金属層の厚さよりも短い形状を有していても良い。
【００２１】
また、複数の結晶粒塊の寸法は、０．０１μｍ以上で且つ１０μｍ以下であっても良い。
【００２２】
このような結晶粒塊であれば、第１金属化合物層及び第２金属間化合物層の両方に接することはないので、ボイドの発生及び接合厚さの拡大をより確実に抑えることができる。
【００２３】
また、複数の結晶粒塊は、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層のいずれか一方と接する結晶粒塊を含んでいても良い。
【００２４】
このようにすると、Ｓｎ含有相よりも融点の高い第１金属化合物層又は第２金属間化合物層と結晶粒塊とが繋がっていることになり、耐熱性が向上する。
【００２５】
また、複数の結晶粒塊の一部は、互いに接触すると共に、第１金属間化合物層から第２金属間化合物層まで繋がっていても良い。
【００２６】
この場合、Ｓｎ含有相よりも融点の高い金属間化合物からなる結晶粒塊により第１金属化合物層と第２金属間化合物層とが繋がってることになるので、耐熱性が向上する。
【００２７】
次に、本開示の半導体接合構造の製造方法は、電極の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第１の金属からなる第１金属層を形成する工程（ａ）と、半導体素子の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属からなる第２金属層を形成する工程（ｂ）と、第１金属層と第２金属層との間に少なくともＳｎを含むはんだ材料を配置し、外部エネルギーを印加しながら加熱することにより、半導体素子と電極とを接合する工程（ｃ）とを備え、工程（ｃ）において、電極に接する第１金属間化合物層及び半導体素子に接する第２金属間化合物層が形成されると共に、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に挟まれたＳｎ含有相が形成され、当該Ｓｎ含有相内に金属間化合物からなる結晶粒塊が析出し、Ｓｎ含有相が残存していると共に、それぞれの結晶粒塊が、第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している状態において加熱を停止する。
【００２８】
尚、外部エネルギーとして、振動エネルギーを印加しても良い。
【００２９】
また、工程（ｃ）において、外部エネルギーによって、結晶粒塊の成長を抑制しても良い。
【００３０】
このような半導体接合構造体の製造方法によると、外部エネルギーを印加することにより微細な結晶粒塊がＳｎ含有相内に分散する。これにより、耐熱性及び応力緩和性を両立する本開示の半導体接合構造体を製造することができる。
【００３１】
また、第１の金属及び第２の金属は、Ａｇ及びＣｕの少なくとも一方からなり、第１金属間化合物層は第１の金属及びＳｎからなり、第２金属間化合物層は第２の金属及びＳｎからなり、結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含んでいても良い。
【００３２】
このような金属を材料として用いても良い。
【００３３】
また、外部エネルギーは、超音波又は音波によって印加されるのであっても良い。
【００３４】
超音波又は音波は、周波数が１０ｋＨｚ以上で且つ５０ｋＨｚ以下であっても良い。
【００３５】
また、外部エネルギーは、半導体素子における一方の面及び電極における一方の面に対して平行な方向の振動により与えられるのであっても良い。
【００３６】
また、はんだ材料を配置する前に外部エネルギーの印加を開始し、加熱を停止した後、はんだ材料が凝固する前に外部エネルギーの印加を停止するのであっても良い。
【００３７】
また、外部エネルギーは、前記はんだ材料が加熱されるのと同時又は加熱されるよりも先に印加を始めても良い。
【００３８】
金属間化合物の結晶粒塊は、はんだ材料が溶融する初期から生じ始めるので、結晶粒塊の成長を抑制するためにはこのようにするのが良い。
【００３９】
また、工程（ｃ）において、２２０℃以上で且つ４００℃以下に加熱しながら前記半導体素子と前記電極とを接合しても良い。
【００４０】
接合を行なう際の温度は、このような範囲の飛渡であっても良い。
【発明の効果】
【００４１】
本開示の半導体接合構造体及びその製造方法によると、耐熱性及び応力緩和性を両立すると共に、金属間化合物が生じることによるボイド発生等の弊害を抑え、はんだ付け部の接合信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本開示の一実施形態の例示的パワー半導体モジュールを模式的に示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、図１のパワー半導体モジュールに用いる半導体接合構造体及びその製造工程について示す図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、半導体素子と電極との接続工程をより詳しく説明する図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、比較例の半導体接合構造体を示す図である。
【図５】図５は、他の比較例の半導体接合構造体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図１は、本実施形態における例示的パワー半導体モジュール１００の構成を模式的に示す断面図である。パワー半導体モジュール１００において、半導体素子１０２が、接合材料１０４を介して電極１０３に接合され、接合構造体１０５を構成している。
【００４５】
電極１０３は、はんだ材料によって基板１０１に接続されている。また、半導体素子１０２は金属細線１０９を介して実装部材１０８に電気的に接続され、該実装部材１０８は、はんだ材料によって基板１０１に接続されている。
【００４６】
次に接合構造体１０５及びその形成方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して更に説明する。
【００４７】
図２（ａ）は、電極１０３にはんだ材料２０３を供給する工程を示している。電極１０３はＣｕ合金からなり、予め電解めっき法によって形成されたＡｇ層２０２（例えば、厚さ３μｍ）を有している。また、はんだ材料２０３の供給は、例えば、水素を１０％含む窒素雰囲気下において、はんだ材料２０３の溶融温度である２２０℃以上で且つ設備の耐熱温度（例えば４００℃）以下に電極１０３を加熱した状態において行なわれる。望ましくは、電極１０３を２６０℃に加熱した状態において行なわれる。
【００４８】
例えば、Ａｇ層２０２上に、長さ５００〜１０００μｍで且つ直径０．７ｍｍであるワイヤー形状を有し、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（融点は２１７℃）であるはんだ材料２０３を供給する。この時、振動板１０６を用いて、電極１０３等に振動等の外部エネルギーを与える。例えば、電極１０３に平行に横振動１０７を電極１０３等に与える。これにより、Ａｇ層２０２とはんだ材料２０３との間にて析出するＡｇＳｎ金属間化合物の結晶粒塊をはんだ材料２０３中に分散させて、結晶粒塊が大きく成長するのを抑制する。尚、縦振動を加えると、振動に合わせて電極１０３等が振動板１０６から離れてしまうおそれがあるので、横振動とするのが良い。
【００４９】
印加する振動エネルギーの周波数は、例えば、１０ｋＨｚ以上で且つ５０ｋＨｚ以下とする。また、振幅は、０．５μｍ以上で且つ１６μｍ以下、より望ましくは、３μｍ以上で且つ５μｍ以下とする。このようにすると、より確実に結晶粒塊の成長を抑制し、はんだ材料２０３内に分散させることができる。
【００５０】
尚、ＡｇＳｎ金属間化合物は、はんだ材料２０３が溶融される始める初期段階から形成される。従って、振動エネルギーは、はんだ材料２０３に対する加熱と同時に与え始めるか、又は、加熱を始める前から与えておくのが良い。そこで、本実施形態では、電極１０３を加熱し且つ振動エネルギーを与えた状態にてはんだ材料２０３を供給している。
【００５１】
次に、図２（ｂ）に示す工程を行なう。ここでは、電極１０３上に半導体素子１０２を載置する。
【００５２】
半導体素子１０２は、例えば、ＧａＮにより構成され、４ｍｍ×５ｍｍの長方形状で且つ厚さ０．３ｍｍの大きさである。また、電極１０３と接合する側の面に、例えば、電解めっき法等を用いて、厚さ１０μｍのＣｕ層２０６及びその上に積層する厚さ５μｍのＡｇ層２０５を形成しておく。
【００５３】
このような半導体素子１０２を電極１０３上に載置する。この際、半導体素子１０２側のＡｇ層２０５が、電極１０３側に供給したはんだ材料２０３と接するようにして、５０ｇｆ〜１５０ｇｆ（０．４９Ｎ〜１．４７Ｎ）程度の力を加える。また、電極１０３にはんだ材料２０３を供給する際と同様に、例えば、水素１０％を含む窒素雰囲気中において、電極１０３を２６０℃に加熱しておく。
【００５４】
更に、半導体素子１０２の搭載は、振動板１０６を用いて電極１０３に振動を与え続けながら行なう。必要に応じて、半導体素子１０２の側にも振動を与えても良い。振動を与えることにより、半導体素子１０２に形成されたＡｇ層２０５と、はんだ材料２０３との間に析出するＡｇＳｎ金属間化合物の結晶粒塊を、はんだ材料２０３中に分散させて結晶粒塊の成長を抑制することができる。つまり、大きな結晶粒塊が生じるのを抑え、微細な結晶粒塊がはんだ材料２０３中に分散した状態とする。
【００５５】
以上のように、水素を含む窒素雰囲気中、２６０℃に加熱し且つ振動を加えた状態において、例えば約１０分間保持する。その後、加熱を停止して自然冷却させることにより、電極１０３と半導体素子１０２とを接合させる接合部２１２を形成させて、接合構造体１０５を製造する。ここで、電極１０３に与える外部エネルギー（例えば振動板１０６によって与える振動）は、はんだ材料２０３が冷却され固化する前に停止することが望ましい。図２（ｃ）に、電極１０３と半導体素子１０２とが接合部２１２を介して接合された状態を示している。
【００５６】
接合部２１２に関して、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して更に説明する。
【００５７】
図３（ａ）は、半導体素子１０２を電極１０３上に搭載した後、比較的短時間が過ぎた状態を示す。図３（ａ）の段階において、図２（ｂ）にて説明したＡｇ層２０２とはんだ材料２０３との間の拡散反応により、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９が形成され始める。この時、外部エネルギー（振動板１０６による振動）を与えることにより、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物の結晶が大きく成長するのを抑え、Ｓｎ含有相２１０に分散させることができる。
【００５８】
これと同時に、図２（ｂ）において説明した通り、Ｃｕ層２０６又は２０２と、はんだ材料２０３との間に、拡散反応が起る。これにより、図３（ａ）に示すように、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０８及びＣｕＳｎ金属間化合物層２０７が成長し始める。
【００５９】
次に、図３（ｂ）は、加熱すると共に振動を加えながら約１０分が経過した状態を示す。図３（ａ）において形成されていた棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の結晶粒塊について、成長して大きくなることよりも、Ｓｎ含有相２１０に分散することの方が優先される。従って、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９は、微細な結晶粒塊として分散している。また、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及び２０８が成長している。
【００６０】
この後、自然冷却させることにより、図３（ｃ）に示す接合構造体１０５が製造される。ここで、例えば、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及び２０８の厚さは合わせて１２μｍ程度、Ｓｎ相２１０の厚さは１５μｍ程度、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の長さは５μｍ程度である。
【００６１】
接合部２１２において、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９と、Ｓｎ／Ａｇ混在組織（応力吸収部となるＳｎ含有相２１０）とが、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及びＣｕＳｎ金属間化合物層２０８に挟まれている。また、Ｓｎ含有相２１０中に分散された棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９は、上下のＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及びＣｕＳｎ金属間化合物層２０８のいずれか一方だけに接しているか、又は、いずれにも接していないようになっている。この結果、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９が半導体素子１０２と電極１０３との距離を押し広げるのを抑えることができる。
【００６２】
以上のようにして製造した接合構造体１０５に対してワイヤボンディング及び封止を行なってパワー半導体モジュールを形成した。更に、その接合構造体の接合部におけるクラック、剥離について確認するために、次のようにして製造歩留りを確認した。
【００６３】
温度サイクル試験として、低温側が−５０℃、高温側が１５０℃の温度サイクルを３００サイクル行なった。その後、超音波映像を用いて観察し、接合構造体１０５の接合部２１２におけるクラック、剥離を判定した。接合部２１２の接合面の表面積に対し、クラック、剥離が２０％未満となる場合の製造歩留り（サンプル数Ｎ＝２０）を算出した。
【００６４】
その結果、本実施形態のパワー半導体モジュール１００において、接合部２１２におけるクラック、剥離は認められず、製造歩留りは１００％であった。
【００６５】
これは、接合構造体１０５の接合部２１２において、金属間化合物に比べて延性が大きいＳｎ／Ａｇ混在組織（Ｓｎ含有相２１０）が存在することによると考えられる。つまり、温度サイクル試験にて生じる熱応力を、Ｓｎ／Ａｇ混在組織が歪むことによって緩和することができるので、応力緩和性が発揮される。
【００６６】
また、接合構造体１０５をパワー半導体モジュール１００において使用するための耐熱性を確認した。リフロー温度として想定した２６０℃の雰囲気下では、接合構造体１０５の半導体素子１０２と電極１０３との剪断方向からの接合強度は５０ｇｆ（０．４９Ｎ）以上であった。リフロー時の加熱によって剥離するのを避けるためには、接合強度は、３０ｇｆ（０．２９Ｎ）程度あれば良い。従って、接合構造体１０５は十分な接合強度を有することになる。
【００６７】
図３（ｃ）等に示すように、本実施形態の構成によると、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９が、Ｓｎ／Ａｇ混在組織に対し、大きな結晶粒塊を形成することなく微細な結晶粒塊状態で分散している。
【００６８】
ここで、ＣｕＳｎ金属間化合物層２０７及び２０８の融点は約４１５℃、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の融点は約４８０℃であって、いずれも２６０℃以上である。
【００６９】
半導体素子１０２と電極１０３とがずれる等の不具合は、耐熱性の低い含Ｓｎ相２１０が融解することによって生じる。これに対し、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９の結晶粒界が小さく且つ含Ｓｎ相２１０内に分散していれば、前記のような不具合は生じにくい。従って、例えば２６０℃の耐熱性を有すると考えられる。
【００７０】
また、金属間化合物層２０７及び２０８と、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９とが繋がることにより、融点の高い領域が連続することになるので、２６０℃の耐熱性が得られることになる。更に、微小な結晶粒塊同士が接することにより、金属間化合物層２０７から金属間化合物層２０８まで繋がった状態となると、耐熱性が更に向上する。
【００７１】
尚、大きな結晶粒塊は電極と半導体接合との距離を押し広げてしまい、不具合の原因になるが、微小な結晶粒塊同士が繋がっている構造であればそのような不具合は生じにくい。
【００７２】
以上のように、接合部２１２におけるボイドを防止すると共に、温度サイクルによって生じる熱応力に対する応力緩和性と、パワー半導体モジュールが基板に実装される際の熱に対する接合部の耐熱性とを両立することができる。この結果、半導体素子１０２と電極１０３とを品質良く接合し、接合信頼性を向上することができる。
【００７３】
図４（ａ）には、比較例として、電極５０３と半導体素子５０２とがＣｕＳｎ金属間化合物のみからなる接合に５０４によって接合された半導体接合構造体５０１を示す。この場合、ＣｕＳｎ金属間化合物は延性が低いので、温度サイクル試験によって生じる熱応力に対して応力緩和性が得られず、接合構造体の接合部５０４においてクラック、剥離等が生じると考えられる。尚、この場合の製造歩留りは、本実施形態の接合構造体１０５と同様の温度サイクル試験において、２５％であった。
【００７４】
図４（ｂ）は、図４（ａ）の接合部５０４について、より詳しい構造の一例を示す。これは、Ｓｎ及びＣｕの混合粉末をはんだ材料として用い、接合のために十分な時間の加熱を行なった場合を示している。この場合、はんだ材料の大半がＣｕＳｎ金属間化合物５０５となり、当該ＣｕＳｎ金属間化合物からなる結晶粒塊の隙間を埋めるＳｎ相５０６が僅かにだけ残った状態となっている。この結果、ＣｕＳｎ金属間化合物５０５によって耐熱性は確保されるが、延性を得るために必要なＳｎ相５０６がほとんど残っていないので、延性は不足する。
【００７５】
また、図４（ｃ）には、Ｓｎ及びＣｕの混合粉末をはんだ材料として用い、接合のための加熱の時間を短くした例を示している。この場合、Ｓｎ相５０６内に、ＣｕＳｎ金属間化合物５０５の結晶粒塊と、Ｃｕ相５０７とが分散した構造となっている。この結果、Ｓｎ相５０６が十分に残っているので延性は確保されるが、耐熱性を得るために必要なＣｕＳｎ金属間化合物５０５が不十分であり、耐熱性は確保されない。
【００７６】
また、図５には、はんだ接合の際に外部から振動エネルギーを与えず、加熱のみを行なった場合について例示している。この場合、電極１０３側の金属間化合物層６０７と半導体素子１０２側の金属間化合物層６０８との間に挟まれたＳｎ含有相２１０中に、棒状金属間化合物６０９が成長する。振動が加えられていないので、棒状金属間化合物６０９は大きく成長し、半導体素子１０２と、電極１０３との両方に接した後にも更に成長する。この結果、棒状金属間化合物６０９は、半導体素子１０２と電極１０３との距離を押し広げてしまう。これは、接合部２１２（特に、Ｓｎ含有相２１０）内にボイド６０１を発生させて、はんだクラックの原因となる。また、半導体素子１０２を電極１０３に対して傾斜させることになり、接合部２１２の厚さバラツキを生じさせてパワー半導体モジュール６００が特性変動を起こす原因にもなる。このように、製品の信頼性、特性安定性を著しく低下させている。
【００７７】
このような比較例に対し、本実施形態のパワー半導体モジュール１００及びその製造方法は、耐熱性及び応力緩和性を両立させると共に、接合部２１２の厚さバラツキを避けて、はんだ付け部の接合信頼性を向上させることができる。更に、はんだ材料が加熱されるのと同時又は加熱よりも先に振動エネルギーを与え始めることにより、本実施形態の技術は、はんだ材料の溶融の初期から金属間化合物が生じるはんだ材料についても適用可能である。
【００７８】
尚、以上では、棒状ＡｇＳｎ金属間化合物２０９がＳｎ含有相２１０中に分散される例を説明した。しかしながら、他の金属元素、例えばＡｕＳｎ金属間化合物（はんだ材料をＳｎ系はんだ、金属層をＡｕとする）、ＢｉＮｉ金属間化合物（はんだ材料をＢｉ系はんだ、金属層をＮｉとする）等を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本開示の半導体接合構造及びその製造方法は、応力緩和性及び耐熱性を両立し、接合の信頼性を高めることができるので、パワー半導体モジュール等にも有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 基板
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 接合材料
１０５ 接合構造体
１０６ 振動板
１０７ 横振動
１０８ 実装部材
１０９ 金属細線
２０２ Ａｇ層
２０３ はんだ材料
２０５ Ａｇ層
２０６ Ｃｕ層
２０７ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２０８ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２０９ 棒状ＡｇＳｎ金属間化合物
２１０ Ｓｎ含有相
２１２ 接合部
５０１ 半導体接合構造体
５０２ 半導体素子
５０３ 電極
５０４ 接合部
５０５ ＣｕＳｎ金属間化合物
５０６ Ｓｎ相
５０７ Ｃｕ相
６００ パワー半導体モジュール
６０１ ボイド
６０７ 金属間化合物層
６０８ 金属間化合物層
６０９ 棒状金属間化合物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と電極とが接合部を挟んで接合された半導体接合構造体において、
前記接合部は、
前記電極に接する第１金属間化合物層と、
前記半導体素子に接する第２金属間化合物層と、
前記第１金属間化合物層及び前記第２金属間化合物層に挟まれた金属層とを備え、
前記金属層は、Ｓｎ含有相と、金属間化合物からなり且つ前記Ｓｎ含有相に分散された複数の結晶粒塊とを含み、
それぞれの前記結晶粒塊は、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接していることを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項２】
請求項１の半導体接合構造体において、
前記接合部は、はんだ材料を含むことを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項３】
請求項１又は２の半導体接合構造体において、
前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層は、Ｃｕ及びＳｎの金属間化合物又はＡｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、
前記複数の結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、
前記Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含むことを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記複数の結晶粒塊は、棒状であり且つ前記金属層の厚さよりも短い形状を有することを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記結晶粒塊の寸法は、０．０１μｍ以上で且つ１０μｍ以下であることを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記複数の結晶粒塊は、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層のいずれか一方と接する結晶粒塊を含むことを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記複数の結晶粒塊の一部は、互いに接触すると共に、前記第１金属間化合物層から前記第２金属間化合物層まで繋がっていることを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項８】
電極の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第１の金属からなる第１金属層を形成する工程（ａ）と、
半導体素子の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属からなる第２金属層を形成する工程（ｂ）と、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に少なくともＳｎを含むはんだ材料を配置し、外部エネルギーを印加しながら加熱することにより、前記半導体素子と前記電極とを接合する工程（ｃ）とを備え、
前記工程（ｃ）において、
前記電極に接する第１金属間化合物層及び前記半導体素子に接する第２金属間化合物層が形成されると共に、
前記第１金属間化合物層及び前記第２金属間化合物層に挟まれたＳｎ含有相が形成され、当該Ｓｎ含有相内に金属間化合物からなる結晶粒塊が析出し、
前記Ｓｎ含有相が残存していると共に、それぞれの前記結晶粒塊が、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している状態において前記加熱を停止することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項８の半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーとして、振動エネルギーを印加することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９の半導体接合構造体の製造方法において、
前記工程（ｃ）において、前記外部エネルギーによって、前記結晶粒塊の成長を抑制することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記第１の金属及び前記第２の金属は、Ａｇ及びＣｕの少なくとも一方からなり、
前記第１金属間化合物層は前記第１の金属及びＳｎからなり、
前記第２金属間化合物層は前記第２の金属及びＳｎからなり、
前記結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、
前記Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含むことを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーは、超音波又は音波によって印加されることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２の半導体接合構造体の製造方法において、
前記超音波又は音波は、周波数が１０ｋＨｚ以上で且つ５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１４】
請求項８〜１２のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーは、前記半導体素子における前記一方の面及び前記電極における前記一方の面に対して平行な方向の振動により与えられることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項８〜１４のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記はんだ材料を配置する前に前記外部エネルギーの印加を開始し、
前記加熱を停止した後、前記はんだ材料が凝固する前に前記外部エネルギーの印加を停止することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１６】
請求項８〜１５のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーは、前記はんだ材料が加熱されるのと同時又は加熱されるよりも先に印加を始めることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１７】
請求項８〜１６のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記工程（ｃ）において、２２０℃以上で且つ４００℃以下に加熱しながら前記半導体素子と前記電極とを接合することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１】
半導体素子と電極とが接合部を挟んで接合された半導体接合構造体において、
前記接合部は、
前記電極に接する第１金属間化合物層と、
前記半導体素子に接する第２金属間化合物層と、
前記第１金属間化合物層及び前記第２金属間化合物層に挟まれた金属層とを備え、
前記金属層は、Ｓｎ含有相と、金属間化合物からなり且つ前記Ｓｎ含有相に分散された複数の結晶粒塊とを含み、
それぞれの前記結晶粒塊は、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接していることを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項２】
請求項１の半導体接合構造体において、
前記接合部は、はんだ材料を含むことを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項３】
請求項１又は２の半導体接合構造体において、
前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層は、Ｃｕ及びＳｎの金属間化合物又はＡｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、
前記複数の結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、
前記Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含むことを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記複数の結晶粒塊は、棒状であり且つ前記金属層の厚さよりも短い形状を有することを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記結晶粒塊の寸法は、０．０１μｍ以上で且つ１０μｍ以下であることを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記複数の結晶粒塊は、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層のいずれか一方と接する結晶粒塊を含むことを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つの半導体接合構造体において、
前記複数の結晶粒塊の一部は、互いに接触すると共に、前記第１金属間化合物層から前記第２金属間化合物層まで繋がっていることを特徴とする半導体接合構造体。
【請求項８】
電極の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第１の金属からなる第１金属層を形成する工程（ａ）と、
半導体素子の一方の面に、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属からなる第２金属層を形成する工程（ｂ）と、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に少なくともＳｎを含むはんだ材料を配置し、外部エネルギーを印加しながら加熱することにより、前記半導体素子と前記電極とを接合する工程（ｃ）とを備え、
前記工程（ｃ）において、
前記電極に接する第１金属間化合物層及び前記半導体素子に接する第２金属間化合物層が形成されると共に、
前記第１金属間化合物層及び前記第２金属間化合物層に挟まれたＳｎ含有相が形成され、当該Ｓｎ含有相内に金属間化合物からなる結晶粒塊が析出し、
前記Ｓｎ含有相が残存していると共に、それぞれの前記結晶粒塊が、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層に対し、いずれとも離れているか、又は、いずれか一方のみに接している状態において前記加熱を停止することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項８の半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーとして、振動エネルギーを印加することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９の半導体接合構造体の製造方法において、
前記工程（ｃ）において、前記外部エネルギーによって、前記結晶粒塊の成長を抑制することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記第１の金属及び前記第２の金属は、Ａｇ及びＣｕの少なくとも一方からなり、
前記第１金属間化合物層は前記第１の金属及びＳｎからなり、
前記第２金属間化合物層は前記第２の金属及びＳｎからなり、
前記結晶粒塊は、Ａｇ及びＳｎの金属間化合物からなり、
前記Ｓｎ含有相は、Ａｇを更に含むことを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーは、超音波又は音波によって印加されることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２の半導体接合構造体の製造方法において、
前記超音波又は音波は、周波数が１０ｋＨｚ以上で且つ５０ｋＨｚ以下であることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１４】
請求項８〜１２のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーは、前記半導体素子における前記一方の面及び前記電極における前記一方の面に対して平行な方向の振動により与えられることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項８〜１４のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記はんだ材料を配置する前に前記外部エネルギーの印加を開始し、
前記加熱を停止した後、前記はんだ材料が凝固する前に前記外部エネルギーの印加を停止することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１６】
請求項８〜１５のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記外部エネルギーは、前記はんだ材料が加熱されるのと同時又は加熱されるよりも先に印加を始めることを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【請求項１７】
請求項８〜１６のいずれか１つの半導体接合構造体の製造方法において、
前記工程（ｃ）において、２２０℃以上で且つ４００℃以下に加熱しながら前記半導体素子と前記電極とを接合することを特徴とする半導体接合構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４８９４（Ｐ２０１３−４８９４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３７１９５（Ｐ２０１１−１３７１９５）
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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