接合结构体的制作方法

接合结构体的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种接合结构体，其具备：基板的电极；半导体元件的电极；和将基板的电极与半导体元件的电极之间接合的接合层，接合层从基板的电极朝向半导体元件的电极依次配置有：包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层；Bi层；包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层；Cu层；和包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。
【专利说明】接合结构体
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体部件的内部接合。本发明尤其是涉及一种要求优异的机械特性和耐热性的接合结构体，其包含将功率半导体模块的半导体元件的电极与基板的电极接合的接合层。
【背景技术】
[0002]在电子设备安装领域中，因对铅的有害性的担忧和对环境的关心高涨而期望不采用铅的接合，从而正在开发能够替代作为通常的焊锡材料的Sn-Pb共晶焊料的材料并将该材料付诸实用。
[0003]另一方面，以代替现有Si的作为新生代高输出器件的GaN、SiC的技术进步为背景，作为新生代高输出器件的接合材料，对于针对器件发热温度250°C的高耐热无Pb焊锡材料进行了研究。
[0004]作为闻耐热无Pb焊锡材料,对Au系、Bi系、Zn系、Sn系的材料进彳丁了研究。关于Au系的焊锡材料，例如熔点为280°C的Au-20Sn等部分焊锡材料正在被实用化，但由于主成分为Au，故材料物性较硬且材料成本较高，被限定使用在小型部件中等等而不具有通用性。
[0005]Bi系的焊锡材料由于熔点为270°C附近，故在熔融温度方面没有问题，但欠缺延展性、导热率。另外，Zn系焊锡材料由于弹性模量过高，故在半导体部件的内部接合中机械特性和耐热性成为课题。
[0006]另一方面，关于Sn系的焊锡材料，对于通过形成被通用为电极材料的Ag及Cu与Sn的金属间化合物即AgSn化合物、CuSn化合物来提高熔点的接合材料进行了研究(例如，参考专利文献I。) O
[0007]图11是专利文献I所记载的现有的接合结构体的剖视图。在图11中，功率半导体模块在功率半导体元件602与电极603之间具有接合层604。在该接合层604中采用AgSn化合物、CuSn化合物作为接合材料。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本特开2009-290007号公报
【发明内容】

[0011]发明所要解决的课题
[0012]但是,专利文献I的采用AgSn化合物、CuSn化合物的接合材料因Sn与Ag、Sn与Cu的金属间化合物化而对功率半导体元件的发热具有耐热性，但在从接合工艺中的260°C向室温冷却时，导致功率半导体元件产生裂缝、或者功率半导体元件与接合层的界面发生剥离。
[0013]其理由可认为是，由于Sn与Ag、或者Sn与Cu的金属间化合物化，而使接合层的延展性丧失，在功率半导体元件的接合工艺中，无法缓和基于功率半导体元件与电极的线膨胀率差的热应カ。
[0014]因而，在所述专利文献I的采用接合材料的接合结构体中，具有如下的课题，即，必须兼顾耐热性、以及防止因接合エ艺中的热应カ而使功率半导体元件产生裂缝或者功率半导体元件与接合层发生剥离。
[0015]对此，本发明的目的在于，提供一种功率半导体模块的接合结构体，其对功率半导体元件的发热具有耐热性、并且能够防止功率半导体元件与接合层剥离。
[0016]用于解决课题的手段
[0017]本发明所涉及的接合结构体具备:
[0018]基板的电极；
[0019]半导体元件的电极；和
[0020]将所述基板的电极与所述半导体元件的电极之间接合的接合层，
[0021]所述接合层从所述基板的电极朝向所述半导体元件的电极依次配置有:
[0022]包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层；
[0023]Bi 层；
[0024]包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层；
[0025]Cu 层；和
[0026]包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。
[0027]发明效果
[0028]如上所述，根据本发明所涉及的接合结构体，将基板的电极与半导体元件的电极之间接合的接合层从基板的电极朝向半导体元件的电极依次配置有:包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层层；包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层；Cu层；和包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。通过经由该接合层将半导体元件与基板的电极接合，由此利用接合层的Cu层的延展性和Bi层的低弹性(32X 109、N/m2)对接合エ艺中的热应カ进行应力松弛，从而能够防止半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。
[0029]另外，由于构成接合层的金属间化合物层、Cu层和Bi层均具有充分的耐热性，因此能够确保对功率半导体模块工作时的半导体元件的发热的耐热性。由此，在本发明所涉及的接合结构体中，能够兼顾耐热性、以及防止因接合エ艺中的热应カ而使半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。因此，能够通过以高品质将半导体元件与电极接合来提高接合可靠性。
【专利附图】

【附图说明】
[0030]图1是由实施方式I所涉及的接合结构体接合而成的功率半导体模块的剖视图。
[0031]图2的(a)是表示实施方式I所涉及的接合结构体的详细剖面结构的剖视图，(b)是(a)的Cu层的放大剖视图。
[0032]图3的(a)?(C)是实施方式I所涉及的接合结构体的制造エ序的流程图。
[0033]图4的(a)?(C)是表示实施方式I所涉及的接合结构体的制造エ序中的接合层的形成的详细剖面结构的示意剖视图。
[0034]图5的(a)是表示实施方式2所涉及的接合结构体的详细剖面结构的剖视图，(b)是(a)的Cu层的放大剖视图。
[0035]图6的(a)?(C)是实施方式2所涉及的接合结构体的制造工序的流程图。
[0036]图7的(a)是表示实施方式3所涉及的接合结构体的详细剖面结构的剖视图，(b)是(a)的Cu层的放大剖视图。
[0037]图8的(a)?(C)是实施方式3所涉及的接合结构体的制造工序的流程图。
[0038]图9的(a)?(C)是表示实施方式3所涉及的接合结构体的制造工序中的接合层的形成的详细剖面结构的示意剖视图。
[0039]图10是表示相对于接合前的接合材料的Sn层的厚度15 μ m,使接合前的接合材料的Cu层的厚度发生变化时、接合前的接合材料的Cu层的厚度与接合后的接合层的Cu层的厚度的关系的曲线图。
[0040]图11是现有的功率半导体模块的接合层的剖视图。
【具体实施方式】
[0041]第一方案所涉及的接合结构体具备:
[0042]基板的电极；
[0043]半导体元件的电极；和
[0044]将所述基板的电极与所述半导体元件的电极之间接合的接合层，
[0045]所述接合层从所述基板的电极朝向所述半导体元件的电极依次配置有:
[0046]包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层；
[0047]Bi 层；
[0048]包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层；
[0049]Cu 层；
[0050]包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。
[0051]第二方案所涉及的接合结构体在上述第一方案的基础上，所述接合层也可以在所述第三金属间化合物层与所述半导体元件的电极之间还依次配置有:
[0052]Bi 层；和
[0053]包含CuSn系的金属间化合物的第四金属间化合物层。
[0054]第三方案所涉及的接合结构体在上述第一方案或者第二方案的基础上，所述CuSn系的金属间化合物也可以包含Cu6Sn5及Cu3Sn中的至少一种金属间化合物。
[0055]第四方案所涉及的接合结构体在上述第一方案至第三方案中的任一方案的基础上，所述Cu层的厚度也可以为6.2μπι以上。
[0056]第五方案所涉及的接合结构体在上述第四方案的基础上，所述接合层与所述半导体元件的电极的接合面的面积也可以为5mm2以上且IOOmm2以下。
[0057]第六方案所涉及的接合结构体在上述第一方案或者第二方案的基础上，所述第一金属间化合物层也可以具有CuSn系的金属间化合物且包含AgSn系金属间化合物。
[0058]第七方案所涉及的接合结构体在上述第二方案的基础上，所述第四金属间化合物层也可以具有CuSn系的金属间化合物且包含AgSn系金属间化合物。
[0059]第八方案所涉及的接合材料为向基板的电极与半导体元件的电极之间插入的接合材料，[0060]所述接合材料依次配置有:
[0061]Sn 层；
[0062]Cu 层；和
[0063]Sn-Bi 层，
[0064]所述Cu层的厚度为所邻接的所述Sn层及所述Sn-Bi层的厚度以上。
[0065]第九方案所涉及的接合材料为向基板的电极与半导体元件的电极之间插入的接合材料，
[0066]所述接合材料依次配置有:
[0067]第一Sn-Bi 层；
[0068]Cu 层；和
[0069]第二Sn-Bi 层，
[0070]所述Cu层的厚度为所邻接的所述第一 Sn-Bi层及第二 Sn-Bi层各自的厚度以上。
[0071]以下，边參照附图边对实施方式所涉及的接合结构体及接合材料进行说明。需要说明的是，对于附图中实质上相同的构件标以相同的符号。
[0072](实施方式I)
[0073]图1是由实施方式I所涉及的接合层104接合而成的功率半导体模块100的剖视图。该功率半导体模块100包含:基板101 ;和经由接合层104而与基板101上的电极103接合的半导体元件102。另外，由半导体元件102的电极205、接合层104及电极103构成接合结构体106。
[0074]接着，利用图2的(a)及(b)对该形成的接合结构体106进行详细地说明。图2的(a)是表示接合结构体106的详细剖面结构的剖视图。在该接合结构体106中，具备:电极103 ;半导体元件102的电极205 ;和将电极103与电极205接合的接合层104。接合层104从电极103 —侧朝向半导体兀件102的电极205 —侧依次配置有:包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层207c ；Bi层209 ;包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层207d ；Cu层200 ;和包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层208c。进而，图2的(b)是图2的(a)的三个层的放大剖视图。如该图2的(b)所示那样，第二金属间化合物层207d与Cu层200的边界面、及第三金属间化合物层208c与Cu层200的边界面不为平面而成为凹凸面。因此，夹持在第二金属间化合物层207d与第三金属间化合物层208c之间的Cu层200被认为是具有从最小厚度tmin到最大厚度tmax为止的范围的厚度作为其厚度。
[0075]如图2的(a)及(b)所示，该接合结构体106的特征在于，在将电极103与半导体元件102的电极205接合的接合层104中，具有:夹持于第二金属间化合物层207d及第三金属间化合物层208c的层状的Cu层200 ;和夹持于第一金属间化合物层207c及第ニ金属间化合物层207d的层状的Bi层209。由于具有这样的层叠结构，故接合层104所含有的各层207c、209、207d、200、208c具有充分的耐热性，并且能够利用夹持于第二金属间化合物层207d及第三金属间化合物层208c的层状的Cu层200来确保接合层104的延展性。此夕卜，还能够利用夹持于第一金属间化合物层207c及第ニ金属间化合物层207d的层状的Bi层209而实现基于低弹性金属层的应力松弛。关于理由随后进行说明。如上所述，该接合结构体106能够兼顾接合エ艺中的耐热性、以及利用Cu的延展性及Bi的低弹性对热应カ的应力松弛。尤其是，在该接合结构体106中，通过显示延展性，从而能够防止因热应力而使半导体元件102产生裂缝以及半导体元件102与接合层104发生剥离。
[0076]<接合结构体的制造方法>
[0077]图3的(a)?(C)是实施方式I中的接合结构体的制造工序的流程图。图3的(a)是表示准备接合材料203的工序、及向电极103上供给接合材料203的工序的剖视图。图3的(b)是表示在接合材料203的Sn层202上载置半导体元件102的工序的剖视图。图3的(c)是在图3的(b)之后使其自然冷却而获得接合层212的工序的剖视图。
[0078](I)首先，如图3的(a)所示，准备依次配置有Sn-Bi层201、Cu层200、Sn层202的接合材料203。该接合材料203例如具有:在厚度50 μ m的Cu层200的厚度方向的下表面形成的、厚度IOym的Sn-58wt%Bi (以下，简写为“Sn-Bi”)的Sn-Bi层201 ;和在Cu层200的上表面形成的厚度10 μ m的Sn层202。需要说明的是，上述厚度为一个例子，并不局限于此。另外，关于Sn-Bi的组成，为了熔融时的润湿性和使其在接合后以单层残存，期望为相对于共晶组成而位于±5wt%以内的偏差范围。Sn-Bi层201例如可以利用电镀法或者无电镀膜法(electroless plating)而设置在Cu层200的下表面。优选可以利用电镀法来设置Sn-Bi层201。另外，Sn层202也可以利用电镀法或者无电镀膜法来设置。优选可以利用电镀法来设置Sn层202。需要说明的是，获得在Cu层200的背面具有Sn-Bi层201、且在表面具有Sn层202的接合材料的方法不局限于上述方法，也可以通过向Cu箔的背面压接Sn-Bi箔且向表面压接Sn箔来构成接合材料203。或者也可以利用真空蒸镀法或浸溃法对Cu箔的背面的Sn-Bi和表面的Sn进行成膜而构成接合材料203。另外，也可以利用真空蒸镀法在电极103上依次配置Sn-Bi层201、Cu层200、Sn层202而构成接合材料203，从而同时进行向电极103上供给接合材料203的工序。
[0079]另外，接合材料203的Cu层200优选为夹持其两面的Sn-Bi层201及Sn层202各自的厚度以上。进而，作为Cu层200的厚度，优选为15 μ m以上且IOOym以下。
[0080](2)接着，向电极103上供给接合材料203 (图3的(a))。在向电极103上供给接合材料203时，预先对电极103进行加热。具体而言，采用由在包含5%氢气的氮气气氛中加热为280°C的状态的Cu合金所构成的电极103。由此，在向电极103上供给接合材料203时，能够确保接合材料203的Sn-Bi层201、Sn层202的润湿性。
[0081]需要说明的是，从加快Sn-Bi熔融时的Sn和Cu的扩散速度的观点来看，期望在Bi的熔点即270°C以上时使Sn和Bi熔融。在这种情况下，实际确认到在加热温度270°C?290°C的范围内具有良好的润湿性。因此，在后述的实施例中，鉴于设备的温度偏差，而将加热温度设定为中央值280°C。
[0082](3)接着，在接合材料203的Sn层202上载置半导体元件102 (图3的(b))。当在接合材料203上载置半导体元件102时，与上述的接合材料203的供给工序同样地，采用在包含5%氢气的氮气气氛中从图3的(a)的工序连续加热为280°C的状态的电极103。
[0083]作为半导体元件102，例如可以采用由GaN构成的半导体元件。另外，半导体元件102例如可以采用具有0.3mm厚度、4mmX 5mm大小的半导体元件。另外，使半导体元件102上成膜例如厚度I μ m的Ag层205作为电极205。以该Ag层205与接合材料203的Sn层202相接的方式，使半导体元件102以50gf?150gf左右的荷重载置于向电极103供给的接合材料203的Sn层202上。[0084](4)接着，保持在包含5%氢气的氮气气氛中从图3的(b)连续加热为280°C的状态的电极103的状态，将半导体元件102载置于接合材料203上之后放置约30分钟，然后停止加热，切换为在包含5%氢气的氮气气氛中自然冷却(图3的(C))。由此，形成将电极103与半导体元件102的电极205接合的接合层212，从而能够制造出接合结构体。
[0085]〈关于接合层的形成〉
[0086]进而，利用图4的(a)?(C)，对将接合结构体106的电极103与半导体元件102接合的接合层212的形成进行说明。
[0087]图4的(a)和(b)是表示图3的(b)和(C)的エ序间的接合结构体106的状态变化的图。图4的(c)是表示相当于图3的(c)的接合结构体106的图，且详细地示出了接合层212。
[0088]a)金属间化合物层207a、金属间化合物层207b、Bi层209a、Bi层209b、金属间化合物层208a及金属间化合物层208b的形成
[0089]图4的(a)是在向电极103上供给的图3中说明了的接合材料203之上刚刚载置半导体元件102之后的示意剖视图。通过对电极103进行加热，由此利用扩散反应在Ag层205与Sn层202的界面形成包含AgSn系的金属间化合物的金属间化合物层208b。另外，利用扩散反应在接合材料203的Sn层与Cu层的界面形成包含CuSn系的金属间化合物的金属间化合物层208a。
[0090]另外，利用扩散反应在接合材料203的Sn-Bi层201与电极103的界面形成包含CuSn系的金属间化合物的金属间化合物层207a。另外，利用扩散反应在接合材料203的Sn-Bi层201与Cu层200的界面形成包含CuSn系的金属间化合物的金属间化合物层207b。进而，在金属间化合物层207a、金属间化合物层207b与Sn-Bi层201之间，与Cu不发生扩散反应的Bi析出而分别开始形成Bi层209a、Bi层209b。
[0091]以上的反应的结果是，金属间化合物层207a、Bi层209a、Sn_Bi层201、Bi层209b、金属间化合物层207b、Cu层200、金属间化合物层208a、Sn层202、金属间化合物层207b构成接合层212a。
[0092]b) Sn-Bi 层 201 及 Sn 层 202 的消失
[0093]图4的(b)为从图4的(a)放置15分钟后的状态、也就是说半导体元件102经由接合材料203而载置于电极103上之后15分钟后的示意剖视图。通过以在280°C下加热的状态放置15分钟，由此在图4的(a)中形成的金属间化合物层208a、金属间化合物层208b和金属间化合物层207a、金属间化合物层207b分别生长，图4的(a)所记载的Sn层202及Sn-Bi层201完全消失。
[0094]具体而言，夹持Sn层202的金属间化合物层208a、金属间化合物层208b生长，从而使Sn层202消失。结果形成在层状的块体(bulk)的CuSn系的金属间化合物中以微细且均匀分散的状态混存有AgSn化合物的第三金属间化合物层208c。尤其是，在第三金属间化合物208c中成为主相的CuSn系的金属间化合物例如为Cu6Sn5、Cu3Sn。另外，作为第二相而含有的AgSn系的金属间化合物例如为Ag3Sn。需要说明的是，上述金属间化合物的组成例如可以通过搭载在扫描型电子显微镜(SEM)上的EDX(Energy dispersion X-ray analysis,X射线能谱仪)等来确认。
[0095]另外，夹持Sn-Bi层201的金属间化合物层207a、金属间化合物层207b生长，使Sn-Bi层201消失,从而形成基于CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层207c及第二金属间化合物层207d、和Bi层209。在这种情况下，CuSn系的金属间化合物例如为Cu6Sn5、Cu3Sn0
[0096]进而，在这种情况下，由于扩散反应而使原本的接合材料203的Cu层200的一部分变化为第二金属间化合物层207d及第三金属间化合物层208c，但残存层状的Cu层200 (参考图2的(a)及(b)。)。
[0097]以上的反应的结果是，第一金属间化合物层207c、Bi层209、第二金属间化合物层207d、Cu层200、第三金属间化合物层208c构成接合层212b。该接合层212b的结构与上述接合层212a明显不问。
[0098]需要说明的是，在此将加热时间设成15分钟，但不局限于此，也可以将加热时间设为45分钟以内。如后所述，如果加热时间为45分钟以内，则能够抑制电极103的Cu因氧化而变色的情况。
[0099]c)接合结构体106的形成
[0100]图4的(C)是从图4的(b)的加热状态自然冷却至室温而完成接合结构体106的示意剖视图。通过从加热状态自然冷却至室温，由此能够在维持图4的(b)的层叠状态的状态下得到图4的(c)的接合结构体106。需要说明的是，接合层212具有与上述接合层212b大致同样的结构，但在各金属间化合物中根据温度而存在高温相/低温相等的情况下，有时其组成会发生局部变化。
[0101]例如，如图4的(c)所示，利用接合层212将电极103与半导体元件102的电极205之间接合。在接合层212中包含:混存有AgSn金属间化合物和CuSn金属间化合物的第三金属间化合物层208c ；Cu层200 ;基于CuSn金属间化合物的第二金属间化合物层207d ；Bi层209 ;和基于CuSn金属间化合物的第一金属间化合物层207c。另外，Cu层200具有4.8iim平均厚度(以剖面观察测定N= 10个点(每一剖面测量5个点，对两个剖面进行测量)的平均值)。
[0102]<关于本实施方式I的特征即Sn-Bi层及Sn层的消失、以及层状的Cu层、Bi层的
残存〉
[0103]如图4的(C)所示，在该实施方式I所涉及的接合结构体106中，使图3中说明了的接合材料203的Sn-Bi层201、Cu层200、Sn层202中的Sn-Bi层201及Sn层202消失。另一方面，使夹持于第二金属间化合物层207d及第三金属间化合物层208c的层状的Cu层200残存，从而能够使接合层212获得基于Cu层200的延展性。另外，使夹持于第一金属间化合物层207c及第二金属间化合物层207d的Bi层209残存，从而能够获得基于Bi层209的低弹性。
[0104]另一方面，设想在想要相反地通过使接合材料中的Sn-Bi层残存而确保接合层的延展性的情况下，Sn-Bi的熔点低达139°C，故使针对功率半导体模块的工作时的半导体元件的发热温度250°C的耐热性丧失。这是因为，由于残留Sn-Bi层，故例如在以层状残存Sn-Bi时，在半导体元件的发热温度250°C下可能产生半导体元件与电极的位置发生偏移等不良情况。
[0105]因此，本发明人考虑到不残存Sn-Bi而使Cu层和Bi层残存。在这种情况下，由于通用Ag、Cu作为电极，故也可以考虑使电极侧的Ag及Cu残留。但是，在半导体元件的电极与基板的电极之间的接合层内全部为金属间化合物层的情况下，即便在电极侧残留Cu层，也无法使接合层本身确保充分的延展性，无法实现防止因热应力而使半导体元件产生裂缝及半导体元件与接合层发生剥离。因此，本发明人考虑:如图4的(c)所示那样，通过使夹持于第二金属间化合物层207d及第三金属间化合物层208c的层状的Cu层200残存而使接合层212具有延展性，进而通过使Bi层209残存而实现低弹性化，从而达成了实施方式I的结构。
[0106]作为使该接合结构体的接合层不产生裂缝及剥离的理由，可推测为以下的情况。
[0107]如图4的(C)所示，构成接合层212的第三金属间化合物层208c的AgSn化合物、CuSn化合物的熔点分别为480°C以上及415°C以上。另外，构成第一金属间化合物层207c及第二金属间化合物层207d的CuSn化合物的熔点为415°C以上。进而，Cu层200的熔点为1000°C以上，Bi层209的熔点为270°C。由此可见，针对与作为功率半导体模块使用时的半导体元件102工作时的发热对应的耐热性250°C，而使接合层212的全部的结构处于比上述耐热性的基准250°C更高的高熔点侧，由此确保了耐热性。
[0108]另外，根据这样的结构，接合层212具有:混存有AgSn化合物和CuSn化合物的第三金属间化合物层208c ;层状的Cu层200 ;第二金属间化合物层207d ;Bi层209 ;和第一金属间化合物层207c。通过利用该接合层212将半导体元件102与电极103接合，由此能够兼顾确保针对功率半导体模块的工作时的半导体元件的发热250°C的耐热性、以及在现有技术中无法获得的防止因接合工艺中的热应力而使半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。由此，能够通过以高品质将半导体元件与基板的电极接合来提高接合可靠性。因此，可以说本实施方式I的接合结构体解决了现有的课题。
[0109](实施方式2)
[0110]图5的(a)是表示实施方式2所涉及的接合结构体106的详细剖面结构的剖视图。图5的(b)是图5的(a)的Cu层200的放大剖视图。图6的(a)?(c)是实施方式2所涉及的接合结构体的制造工序的流程图。
[0111]如图5的(a)所示，该实施方式2所涉及的接合结构体106具备:电极103 ;半导体元件102的电极205 ;和两者之间的接合层104。如图6的(a)的剖视图所示，若与实施方式I所涉及的接合材料相比较，则在实施方式2中采用的接合材料213的不同点在于:在电极103侧与半导体元件102的电极205之间，Sn-Bi层204和Sn层206相对于Cu层200的配置为上下相反的配置。其结果是，作为所形成的接合层104，如图5的(a)所示，从电极103 一侧朝向半导体元件102的电极205 —侧依次配置有:包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层217c ；Cu层200 ;包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层218c ；Bi层220 ;和包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层218d。
[0112]如图5的(a)所示，与实施方式I所涉及的接合结构体同样，该实施方式2所涉及的接合结构体106的特征在于，在将电极103与半导体元件102的电极205接合的接合层104中，具有:夹持于第一金属间化合物层217c及第二金属间化合物层218c的层状的Cu层200 ;和夹持于第二金属间化合物层218c及第三金属间化合物层218d的层状的Bi层220。由于具有这样的层叠结构，故接合层104中所含有的各层217c、200、218c、220、218d具有充分的耐热性，并且能够利用夹持于第一金属间化合物层217c及第三金属间化合物层218c的层状的Cu层200来确保接合层104中的延展性。此外，还能够利用夹持于第二金属间化合物218c及第三金属间化合物218d的层状的Bi层220而实现基于低弹性金属层的应力松弛。如上所述，该接合结构体能够兼顾接合エ艺中的耐热性、以及利用Cu的延展性及Bi的低弾性对热应力的应カ松弛。尤其是，在该接合结构体106中，通过显示延展性，从而能够防止因热应カ而使半导体元件102产生裂缝以及半导体元件102与接合层104发生剥离。
[0113]〈接合结构体的制造方法〉
[0114]图6的(a)?(C)是实施方式2所涉及的接合结构体的制造エ序的流程图。
[0115]与实施方式I的接合结构体的制造エ序相比，实施方式2的接合结构体的制造エ序的不同点在于:采用在Cu层200的表面具有Sn-Bi层204、且在背面具有Sn层206的接合材料213。需要说明的是，关于Sn-Bi层204、Sn层206的组成、制作方法等，也可以与实施方式I实质上相同。
[0116](实施方式3)
[0117]图7的(a)是表示实施方式3所涉及的接合结构体106的详细剖面结构的剖视图。在该接合结构体106中，具备:电极103 ;半导体元件102的电极205 ;和将电极103与电极205接合的接合层104。接合层104从电极103 —侧朝向半导体元件102的电极205 —侧依次配置有:包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层227 ;Bi层229 ;包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层227d ；Cu层200 ;包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层228c ；Bi层230 ;和包含CuSn系的金属间化合物的第四金属间化合物层228d。进而，图7的(b)是图7的(a)的三个层的放大剖视图。如该图7的(b)所示那样，第二金属间化合物层227d与Cu层200的边界面、及第三金属间化合物层228c与Cu层200的边界面不为平面而成为凹凸面。因此，夹持于第二金属间化合物层227d与第三金属间化合物层228c之间的Cu层200被认为是具有从最小厚度tmin到最大厚度tmax为止的范围的厚度作为其厚度。
[0118]如图7的(a)及(b)所示，该接合结构体106的特征在于，在将电极103与半导体元件102的电极205接合的接合层104中，具有:夹持于第二金属间化合物层227d及第三金属间化合物层228c的层状的Cu层200、夹持于第一金属间化合物层227c及第ニ金属间化合物层227d的层状的Bi层229、和夹持于第三金属间化合物层228c及第四金属间化合物层228d的层状的Bi层230。由于具有这样的层叠结构，故接合层104所含有的各层227c、229、227d、200、228c、230、228d具有充分的耐热性，并且能够利用夹持于第二金属间化合物层227d及第三金属间化合物层228c的层状的Cu层200来确保接合层104的延展性。此外，还能够利用夹持于第一金属间化合物227c及第ニ金属间化合物227d的层状的Bi层229、和夹持于第三金属间化合物228c及第四金属间化合物228d的层状的Bi层230而实现基于低弹性金属层的应力松弛。关于理由随后进行说明。如上所述，该接合结构体106能够兼顾接合エ艺中的耐热性、以及利用Cu的延展性及Bi的低弹性对热应カ的应カ松弛。尤其是，在该接合结构体106中，通过显示延展性，从而能够防止因热应カ使半导体元件102产生裂缝以及半导体元件102与接合层104发生剥离。
[0119]〈接合结构体的制造方法〉
[0120]图8的(a)?(C)是实施方式3中的接合结构体的制造エ序的流程图。
[0121](I)首先，准备依次配置有第一 Sn-Bi层201、Cu层200、第二 Sn-Bi层204的接合材料223。该接合材料223例如具有在厚度50 ii m的Cu层200的厚度方向的上下各表面形成的厚度10 i! m的Sn-58wt% Bi (以下，简写为“Sn_Bi”)的第一 Sn-Bi层201和第二 Sn-Bi层204。需要说明的是，上述厚度为ー个例子，并不是局限于此。另外，关于Sn-Bi的组成，为了熔融时的润湿性和使其在接合后以单层残存，期望为相对于共晶组成而位于±5wt%以内的偏差范围。第一 Sn-Bi层201及第二 Sn-Bi层204例如可以利用电镀法或者无电镀膜法而设置在Cu层200的两个表面上。优选可以利用电镀法来设置第一 Sn-Bi层201及第二 Sn-Bi层204。需要说明的是，获得在Cu层200的表面及背面具有第一 Sn-Bi层201及第二 Sn-Bi层204的接合材料的方法不局限于上述方法，也可以通过向Cu箔的表面及背面分别压接Sn-Bi箔来构成接合材料223。或者也可以利用真空蒸镀法或浸溃法在Cu箔的表面及背面分别成膜Sn-Bi而构成接合材料223。另外，也可以利用真空蒸镀法在电极103上依次配置第一 Sn-Bi层201、Cu层200、第二 Sn-Bi层204而构成接合材料223，从而同时进行向电极103上供给接合材料223的エ序。
[0122] 另外，接合材料223的Cu层200优选为夹持其两面的第一 Sn-Bi层201及第二Sn-Bi层204各自的厚度以上。进而，作为Cu层200的厚度，优选为15iim以上且IOOiim以下。
[0123](2)接着，向电极103上供给接合材料223 (图8的(a))。在向电极103上供给接合材料223时，预先对电极103进行加热。具体而言，采用由在包含5%氢气的氮气气氛中加热为280°C的状态的Cu合金所构成的电极103。由此，在向电极103上供给接合材料223吋，能够确保接合材料223的第一 Sn-Bi层201、第二 Sn-Bi层204的润湿性。
[0124]需要说明的是，从加快Sn-Bi熔融时的Sn和Cu的扩散速度的观点来看，期望在Bi的熔点即270°C以上温度下使Sn和Bi熔融。在这种情况下，确认到在加热温度270°C~290°C的范围内具有良好的润湿性。因此，在后述的实施例中，鉴于设备的温度偏差，而将加热温度设定为中央值280°C。
[0125](3)接着，在接合材料223的第二 Sn-Bi层204上载置半导体元件102(图8的(b))。当在接合材料223上载置半导体元件102吋，与上述的接合材料223的供给エ序同样地，采用在包含5%氢气的氮气气氛中从图8的(a)连续加热为280°C的状态的电极103。
[0126]作为半导体元件102，例如可以采用由GaN构成的半导体元件。另外，半导体元件102例如可以采用具有0.3mm厚度、4mmX5mm大小的半导体元件。另外，在半导体元件102上成膜例如厚度Ium的Ag层205作为电极205。以该Ag层205与接合材料223的第二Sn-Bi层204相接的方式，使半导体元件102以50gf~150gf程度的荷重而载置于向电极103供给的接合材料223上。
[0127](4)接着，保持在包含5%氢气的氮气气氛中从图8的(b)连续加热为280°C的状态的电极103的的状态，将半导体元件102载置于接合材料223上之后放置约30分钟，然后停止加热，切换为在包含5%氢气的氮气气氛中自然冷却(图8的(C))。由此，形成将电极103与半导体元件102的电极205接合的接合层232，从而能够制造出接合结构体。
[0128]〈关于接合层的形成〉
[0129]进而，利用图9的(a)~(C)，对将接合结构体106的电极103与半导体元件102接合的接合层232的形成进行说明。
[0130]图9的(a)和(b)是表示图8的(b)和(C)的エ序间的接合结构体106的状态变化的图，图9的(c)是表示相当于图8的(c)的接合结构体106的图，且详细地示出了接合层 232。
[0131]a)金属间化合物层227a、金属间化合物层227b、Bi层229a、Bi层229b、金属间化合物层228a、金属间化合物层228b、Bi层230a及Bi层230b的形成
[0132]图9的(a)是在向电极103上供给的图8中说明了的接合材料223之上刚刚载置半导体元件102之后的示意剖视图。通过对电极103进行加热，由此利用扩散反应在图8的接合材料223的Ag层205与第二 Sn-Bi层204的界面形成包含AgSn系的金属间化合物的金属间化合物层228b。另外，利用扩散反应在接合材料223的第二 Sn-Bi层204与Cu层200的界面形成包含CuSn系的金属间化合物的金属间化合物层228a。进而，在金属间化合物层228a、金属间化合物层228b与第二 Sn-Bi层204之间，与Cu不发生扩散反应的Bi析出而分别开始形成Bi层230a、Bi层230b。
[0133]另外，利用扩散反应在接合材料223的第一 Sn-Bi层201与电极103的界面形成包含CuSn系的金属间化合物的金属间化合物层227a。另外，利用扩散反应在接合材料223的第一 Sn-Bi层201与Cu层200的界面形成包含CuSn系的金属间化合物的金属间化合物层227b。进而，在金属间化合物层227a、金属间化合物层227b与第一 Sn-Bi层201之间，与Cu不发生扩散反应的Bi析出而分别开始形成Bi层229a、Bi层229b。
[0134]以上的反应的结果是，金属间化合物层227a、Bi层229a、第一 Sn-Bi层201、Bi层229b、金属间化合物层227b、Cu层200、金属间化合物层228a、Bi层230a、第二 Sn-Bi层204、Bi层230b、金属间化合物层227b构成接合层232a。
[0135]b)第一 Sn-Bi 层 201 及第二 Sn-Bi 层 204 的消失
[0136]图9的(b)为从图9的(a)放置15分钟后的状态、也就是说半导体元件102经由接合材料223而载置于电极103上之后15分钟后的示意剖视图。通过以在280°C下加热的状态放置15分钟，由此在图9的(a)中形成的金属间化合物层228a、金属间化合物层228b和金属间化合物层227a、金属间化合物层227b分别生长，图9的(a)所记载的第二 Sn-Bi层204及第一 Sn-Bi层201完全消失。
[0137]具体而言，夹持第二 Sn-Bi层204的金属间化合物层228a、金属间化合物层228b生长，从而使第二 Sn-Bi层204消失。结果形成在层状的块体的CuSn系的金属间化合物中以微细且均匀分散的状态混存有AgSn化合物的第四金属间化合物层228d、作为层状块体的CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层228c、和Bi层230。尤其是，在第四金属间化合物228d中成为主相的CuSn系的金属间化合物例如为Cu6Sn5、Cu3Sn。另外，作为第二相而含有的AgSn系的金属间化合物例如为Ag3Sn。需要说明的是，上述金属间化合物的组成例如可以通过搭载在扫描型电子显微镜(SEM)上的EDX(Energy dispersion X-rayanalysis, X射线能谱仪)等来确认。
[0138]另外，夹持第一 Sn-Bi层201的金属间化合物层227a、金属间化合物层227b生长，使第一 Sn-Bi层201消失，从而形成基于CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层227c及第二金属间化合物层227d、和Bi层229。在这种情况下，CuSn系的金属间化合物例如为 Cu6Sn5、Cu3Sn。
[0139]进而，在这种情况下，由于扩散反应而使原本的接合材料223的Cu层200的一部分变化为第二金属间化合物层227d及第三金属间化合物层228c，但残存层状的Cu层200 (图 9 的(b))。[0140]以上的反应的结果是，第一金属间化合物层227c、Bi层229、第二金属间化合物层227d、Cu层200、第三金属间化合物层228c、Bi层230、第四金属间化合物层228d构成接合层232b。该接合层232b的结构与上述接合层232a明显不问。
[0141]需要说明的是，在此将加热时间设成15分钟，但不局限于此，也可以将加热时间设为45分钟以内。如后所述，如果加热时间为45分钟以内，则能够抑制电极103的Cu因氧化而变色的情况。
[0142]c)接合结构体106的形成
[0143]图9的(C)是从图9的(b)的加热状态自然冷却至室温而完成接合结构体106的示意剖视图。通过从加热状态自然冷却至室温，由此能够获得在维持图9的(b)的层叠状态的状态下得到图9的(c)的接合结构体106。需要说明的是，接合层232具有与上述接合层232b大致同样的结构，但在金属间化合物中根据温度而存在高温相/低温相等的情况下，有时其组成会发生局部变化。
[0144]例如，如图9的(C)所示，利用接合层232将电极103与半导体元件102的电极205之间接合。在接合层232中包含:混存有AgSn金属间化合物和CuSn金属间化合物的第四金属间化合物层228d ；Bi层230 ;基于CuSn金属间化合物的第三金属间化合物层228c ；Cu层200 ;基于CuSn金属间化合物的第二金属间化合物层227d ；Bi层229 ;和基于CuSn金属间化合物的第一金属间化合物层227c。另外，Cu层200具有4.8 μ m平均厚度(以剖面观察测定N = 10个点(每一剖面测量5个点，对两个剖面进行测量)的平均值)。
[0145]<关于本实施方式3的特征即第一 Sn-Bi层及第二 Sn-Bi层的消失、以及层状的Cu层、Bi层的残存〉
[0146]如图9的(C)所示，在该实施方式3所涉及的接合结构体106中，使图8中说明了的接合材料223的第一 Sn-Bi层201、Cu层200、第二 Sn-Bi层204中的第一 Sn-Bi层201及第二 Sn-Bi层204消失。另一方面，使夹持于第二金属间化合物层227d及第三金属间化合物层228c的层状的Cu层200残存，从而能够使接合层232获得基于Cu层200的延展性。另外，使夹持于第一金属间化合物层227c及第二金属间化合物层227d的Bi层229、和夹持于第三金属间化合物层228c及第四金属间化合物层228d的Bi层230残存，从而能够获得基于Bi层229、Bi层230的低弹性。
[0147]另一方面，设想在想要相反地通过使接合材料中的Sn-Bi层残存而确保接合层的延展性的情况下，Sn-Bi的熔点低达139°C，故使针对功率半导体模块的工作时的半导体元件的发热温度250°C的耐热性丧失。这是因为，由于残留Sn-Bi层，故例如在以层状残存Sn-Bi时，在半导体元件的发热温度250°C下可能产生半导体元件与电极的位置发生偏移等不良情况。
[0148]因此，本发明人考虑到到不残存Sn-Bi而使Cu层和Bi层残存。在这种情况下，由于通用Ag、Cu作为电极，故也可以考虑使电极侧的Ag及Cu残留。但是，在半导体元件的电极与基板的电极之间的接合层内全部为金属间化合物层的情况下，即便在电极侧残留Cu层，也无法使接合层本身确保充分的延展性，无法实现防止因热应力而使半导体元件产生裂缝及半导体元件与接合层发生剥离。因此，本发明人考虑:如图9的(c)所示那样，通过使夹持于第二金属间化合物层227d及第三金属间化合物层228c的层状的Cu层200残存而使接合层232具有延展性，进而通过使Bi层230、Bi层229残存而实现低弹性化，从而达成了实施方式3的结构。
[0149]<接合结构体的成品率的计算>
[0150]在此，为了对半导体元件中的裂缝产生、半导体元件与接合层的界面剥离进行确认，而使用如上所述完成的接合结构体对接合结构体的成品率进行了确认。接合结构体的成品率的确认方法如下:利用超声波图像观察接合结构体，判定半导体元件中的裂缝产生、半导体元件与接合层的界面剥离，计算出相对于半导体元件、接合层的表面积而言裂缝产生、剥离低于20%时的成品率(N数=20)。
[0151]关于接合结构体的成品率的好坏判定，按照以80%以上为“〇(好)”、小于80%为“X(坏)”的方式进行划分，将80%以上(〇)设为合格品。由于如上所述完成的接合结构体的成品率为100,故为“〇”，可以判定为合格品。
[0152]作为该接合结构体的半导体元件中不产生裂缝、半导体元件与接合层的界面不发生剥离的理由，可推测为以下的情况。
[0153]与上下的第二金属间化合物层及第三金属间化合物层相比，在该接合结构体的接合层中存在:具有塑性变形性的Cu层和弹性模量较低的Bi层。由此，可认为能够通过Cu层发生变形和Bi层缓和应カ来防止因接合エ艺中的热应カ而使半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。
[0154]〈产品成品率的计算〉
[0155]接着，使用如上所述完成的接合结构体，实施引线接合、密封，形成功率半导体模块，并且为了对用作为功率半导体模块的耐热性进行确认而计算出产品成品率。
[0156]广品的 成品率的确认方法如下:在250 C的闻温保存试验后1000小时后利用超声波图像观察产品，判定接合结构体的接合层的裂缝产生、剥离，计算出相对于接合层的表面积而言裂缝产生、剥离低于20%时的产品成品率(N数=20)。
[0157]关于产品的成品率的判定，按照以80%以上为“〇(好)”、小于80%为“X (坏)”的方式进行划分，将80%以上(〇)设为合格品。
[0158]由于如上所述完成的接合结构体的产品成品率为100%，故为“〇”，可以判定为合格品。
[0159]作为使该接合结构体的接合层不产生裂缝、剥离的理由，可推测为以下的情況。
[0160]如图9的(C)所示，构成接合层232的第三金属间化合物层228c及第四金属间化合物层228d的AgSn化合物、CuSn化合物的熔点分别为480°C以上及415°C以上。另外，构成第一金属间化合物层227c及第二金属间化合物层227d的CuSn化合物的熔点为415°C以上。进而，Cu层200的熔点为1000°C以上，Bi层229、Bi层230的熔点为270°C。由此可见，针对与作为功率半导体模块使用时的半导体元件102的工作时的发热对应的耐热性250°C，而使接合层232的全部的结构处于比上述耐热性的基准250°C更高的高熔点侧，由此确保了耐热性。
[0161]另外，根据这样的结构，如图9的(c)所示，接合层232具有:混存有AgSn化合物和CuSn化合物的第四金属间化合物层228d ；Bi层230 ;基于CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层228c ;层状的Cu层200 ;第二金属间化合物层227d ;Bi层229 ;和第一金属间化合物层227c。通过利用该接合层232将半导体元件102与电极103接合，由此能够兼顾确保针对功率半导体模块的工作时的半导体元件的发热温度250°C的耐热性、以及在现有技术中无法获得的、防止因接合工艺中的热应力而使半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。由此，能够通过以高品质将半导体元件和基板的电极接合来提高接合可靠性。因此，可以说本实施方式3的接合结构体106解决了现有的课题。
[0162]<接合材料的Cu层的厚度和Sn-Bi层的厚度的关系>
[0163]接着，使接合材料的Cu层的Cu层厚度、第一 Sn-Bi层、第二 Sn-Bi层的Sn-Bi的厚度相等，并改变其厚度，从而对耐热性、以及防止因接合工艺中的热应力而使半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离(剥离防止性)的情况进行了确认。在此，Cu层的厚度为O μ m的水准相当于现有例。
[0164]但是，接合时以在280°C下加热的状态保持的时间限定为45分钟。这是因为，若将在280°C下加热的状态保持45分钟以上，则由基板的电极的Cu合金的氧化所致的变色严重，导致后工序的引线接合、密封无法实施。
[0165]对于改变Cu层的Cu层厚度、第一 Sn-Bi层、第二 Sn-Bi层的Sn-Bi层的厚度而以上述图7的说明中所示的接合工艺接合而得的接合结构体，计算出接合结构体的成品率，结果如表1所示。另外，产品成品率如表2所示。
[0166][表 I]
[0167]
【权利要求】
1.ー种接合结构体，其具备: 基板的电极； 半导体元件的电极；和 将所述基板的电极与所述半导体元件的电极之间接合的接合层， 所述接合层从所述基板的电极朝向所述半导体元件的电极依次配置有: 包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层； Bi层； 包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层； Cu层；和 包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。
2.如权利要求1所述的接合结构体，其中， 所述接合层在所述第三金属间化合物层与所述半导体元件的电极之间还依次配置有: Bi层；和 包含CuSn系的金属间化合物的第四金属间化合物层。
3.如权利要求1或2所述的接合结构体，其中， 所述CuSn系的金属间化合物包含Cu6Sn5及Cu3Sn中的至少ー种金属间化合物。
4.如权利要求1?3中任一项所述的接合结构体，其中， 所述Cu层的厚度为6.2 ii m以上。
5.如权利要求4所述的接合结构体，其中， 所述接合层与所述半导体元件的电极的接合面的面积为5mm2以上且IOOmm2以下。
6.如权利要求1或2所述的接合结构体，其中， 所述第一金属间化合物层具有CuSn系的金属间化合物且包含AgSn系金属间化合物。
7.如权利要求2所述的接合结构体，其中， 所述第四金属间化合物层具有CuSn系的金属间化合物且包含AgSn系金属间化合物。
8.ー种接合材料，其为向基板的电极与半导体元件的电极之间插入的接合材料，其中， 所述接合材料依次配置有: Sn层； Cu层；和 Sn-Bi 层， 所述Cu层的厚度为所邻接的所述Sn层及所述Sn-Bi层的厚度以上。
9.ー种接合材料，其为向基板的电极与半导体元件的电极之间插入的接合材料， 所述接合材料依次配置有: 第一 Sn-Bi 层； Cu层；和 第二 Sn-Bi 层， 所述Cu层的厚度为所邻接的所述第一 Sn-Bi层及第二 Sn-Bi层各自的厚度以上。
【文档编号】H01L21/52GK103493190SQ201280015910
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2011年12月27日
【发明者】中村太一, 北浦秀敏 申请人:松下电器产业株式会社