專利名稱：接合結構體和接合結構體的接合方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包含不含鉛的接合材料的接合結構體，更詳細地說，涉及將Si、GaN、 SiC等的半導體元件和電極接合而成的半導體器件的接合結構體。
背景技術：
使用焊錫材料將半導體器件安裝于基板。例如，作為將IGBTansulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)之類的半導體器件和基板接合的焊錫材料，一 般采用熔點為220°C的Sn-3重量％ Ag-O. 5重量％ Cu。
圖5是將半導體器件安裝于基板的示意圖。
將半導體器件1安裝于基板2時，采用焊錫浸漬方式的浸焊裝置，例如用熔點為 220°C的作為焊錫材料3的Sn-3重量％ Ag-O. 5重量％ Cu將半導體器件1的外部電極4與 基板電極5焊接。此時，因為焊錫材料3被浸焊裝置加熱至250 260°C，所以半導體器件 1的內部溫度可達250 ^0°C。在半導體器件1的內部，半導體元件6和電極7通過接合 材料8接合，但如果接合材料8在半導體器件1的內部熔融，則發(fā)生短路、斷路或電學特性 的變化，最終產品可能會發(fā)生不良。因此，對于在半導體器件1的內部使用的接合材料8，要 求具有比用浸焊裝置進行焊接時達到的半導體器件1內部的最高溫度更高的熔融溫度。
于是，作為熔融溫度超過260°C且不含鉛的接合材料，認為包含90重量％以上 的Bi的接合材料(以下稱作“以Bi為主要成分的接合材料”；例如Bi-2. 5Ag熔點262°C， Bi-0.5Cu熔點270°C)是合適的。作為其它接合材料，也對Si進行了研究，但考慮到浸潤 性和接合的難易程度等，現(xiàn)在優(yōu)選上述以Bi為主要成分的接合材料。于是，提出了使用以 Bi為主要成分的接合材料的功率半導體模塊(參照專利文獻1)。圖6是專利文獻1所記 載的現(xiàn)有的接合結構體的剖視圖。
圖6中，功率半導體模塊9在功率半導體元件10和導電層11之間具有接合部12。 該接合部12使用以Bi為主要成分的接合材料，為使以Bi為主要成分的接合材料和構成功 率半導體元件10的Si接合，通過蒸鍍法在作為被接合面的功率半導體元件10的接合部12 側的表面形成厚度為0. 1 μ m 10 μ m的Cu層13。
專利文獻1 日本專利特開2007-281412號公報
發(fā)明的概要
但是，功率半導體元件10由Si構成，配置在功率半導體元件10表面的Cu層13 的Cu容易擴散于Si，因此存在下述問題Cu向功率半導體元件10的內部擴散，引發(fā)功率半 導體元件10無法正常工作的不良，產品的成品率下降，品質不穩(wěn)定。
本發(fā)明是解決上述現(xiàn)有的問題的發(fā)明，其目的是提供一種在通過以Bi為主要成 分的接合材料將半導體元件和電極接合的情況下品質也穩(wěn)定的接合結構體和接合結構體 的接合方法。
本發(fā)明的接合結構體是通過以Bi為主要成分的接合材料將半導體元件和電極接 合而成的接合結構體，其特征在于，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)扰渲镁?格與所述接合材料不同的金屬的層，并且在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層和所 述半導體元件的與所述電極相對的表面之間配置與所述接合材料的化合物生成熱為正值 的元素的層。
此外，本發(fā)明的接合結構體是通過以Bi為主要成分的接合材料將半導體元件和 電極接合而成的接合結構體，其特征在于，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)?配置晶格與所述接合材料不同的金屬的層，并且在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述 層和所述半導體元件的與所述電極相對的表面之間配置與所述接合材料的化合物生成熱 為正值的元素的層，在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層和所述接合材料之間配置 與所述接合材料的接觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬的層。
本發(fā)明的接合結構體的接合方法的特征在于，通過以Bi為主要成分的接合材料 將半導體元件和電極接合時，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)冉橐耘c所述接 合材料的化合物生成熱為正值的元素的層而形成晶格與所述接合材料不同的金屬的層，將 晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層在與所述接合材料接觸的狀態(tài)下加熱，介以所述 接合材料、晶格與所述接合材料不同的金屬的層以及與所述接合材料的化合物生成熱為正 值的元素的層將所述半導體元件與所述電極接合。
此外，本發(fā)明的接合結構體的接合方法的特征在于，通過以Bi為主要成分的接合 材料將半導體元件和電極接合時，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)冉橐耘c所 述接合材料的化合物生成熱為正值的元素的層而形成晶格與所述接合材料不同的金屬的 層，在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層的靠所述電極側的面形成與所述接合材料 的接觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬的層，將與所述接合材料 的接觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬的所述層在與所述接合 材料接觸的狀態(tài)下加熱，介以所述接合材料、與所述接合材料的接觸角比晶格與所述接合 材料不同的金屬的所述層更小的金屬的所述層、晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層 以及與所述接合材料的化合物生成熱為正值的元素的所述層將所述半導體元件與所述電 極接合。
利用該結構，可通過以Bi為主要成分的接合材料以良好的品質將半導體元件和 電極接合。
附圖的簡單說明


圖1是本發(fā)明的實施方式1中的接合結構體的剖視圖。
圖2是實施方式1的防擴散層的厚度和半導體元件不良發(fā)生率的關系圖。
圖3是本發(fā)明的實施方式2中的接合結構體的剖視圖。
圖4是表示Bi對實施方式2的各表面材料的浸潤擴散率的圖。
圖5是將半導體元件安裝于基板的示意圖。
圖6是現(xiàn)有的接合結構體的剖視圖。
實施發(fā)明的最佳方式
下面，基于具體的各實施方式對本發(fā)明的接合結構體的接合方法進行說明。
(實施方式1)
圖1和圖2表示本發(fā)明的實施方式1。
圖1 (a)表示將半導體器件100安裝于基板101而成的接合結構體。圖1 (b)表示圖1(a)中由虛線圍成的區(qū)域A的放大圖。
在半導體器件100的內部，半導體元件102通過以Bi為主要成分的接合材料106 與電極103接合。這里，接合材料106是Bi-2. 5重量％ Ag (熔點262°C )。
在半導體元件102的與電極103相對的表面102b側配置有Cu層105，該Cu層105 作為晶格與接合材料106不同的金屬的層。這里，Cu層105的厚度為0.5 μ m。
在Cu層105和半導體元件102的表面102b之間配置有防擴散層104，該防擴散層 104作為與接合材料106的化合物生成熱為正值的元素的層。這里，防擴散層104使用的是 熔融溫度超過260°C且可減少Cu層105的Cu向半導體元件102的固相擴散的金屬Ta。防 擴散層104的厚度為0. 5 μ m。
更具體地進行說明。
從由Si構成的直徑為6英寸且厚度為0. 3mm的晶片上以4. 5mmX3. 55mm的尺寸 切下半導體元件102。該半導體元件102不限于Si，也可以由Ge構成，還可以由作為化合 物半導體的 GaN, GaAs, InP、ZnS, ZnSe, SiC、SiGe 等構成。
此外，根據(jù)半導體元件的功能的不同，半導體元件102的尺寸可以大至6mmX5mm， 或者也可以使用3mmX2. 5mm、2mmXl. 6mm等較小的半導體元件。半導體元件102的厚度有 時也根據(jù)半導體元件的尺寸而不同，不限于0. 3mm,也可使用0. 4mm、0. 2mm、0. 15mm等厚度 的半導體元件。
在半導體元件102的與電極103相對的面102b的相反側的面10 上還形成有電 路圖案(未圖示)。作為形成于半導體元件102的面102b的防擴散層104，通過蒸鍍法形 成了厚度為0. 5 μ m的Ta層。該防擴散層104防止Cu層105的Cu向半導體元件102的內 部擴散而使半導體元件102的功能劣化。
防擴散層104只要是熔融溫度超過260°C且Cu不固相擴散的金屬即可，不限于 Ta，可選擇TLCiNTall^CTilTiC。此外，可以重疊選自這些材料的多個層而形成。重 疊多個層而形成的情況下，可采用Ta層+TaN層、Ta層+TaC層、Ti層+TiN層、Cr層+Ta層 +TaC層等任意組合。
但是，因為防擴散層104形成在半導體元件102的與電極103相對的面上，所以必 須具有用于實現(xiàn)穩(wěn)定的導通的電導率，TaN和TiN的電導率低于Ta、Ti、Cr、TaC, TiC,因此 不宜采用TaN和TiN的組合。
下面，對防擴散層104的厚度進行說明。
圖2是表示防擴散層的厚度和半導體元件不良發(fā)生率的關系的圖。
這里，將Cu層105和接合材料106各自的厚度固定，僅使防擴散層104的厚度變 化。
圖2中，橫軸是防擴散層的厚度，防擴散層是通過蒸鍍法形成的Ta?？v軸是半導體 元件的不良發(fā)生率，對于由通過本實施方式1接合而成的接合結構體組裝而成的IGBT，通 過于150°C實施了 500小時的高溫試驗后的動作試驗，以樣本數(shù)各為10的條件算出不良發(fā)生率。
防擴散層104的厚度如果變薄，則無法防止Cu侵入半導體元件102，因此半導體元 件102遭到破壞，不理想。此外，防擴散層104的厚度如果變厚，則無法使半導體元件102 工作時產生的熱量向電極103散發(fā)，半導體元件102的溫度超過耐熱溫度而無法工作，因此不理想。使半導體元件102所產生的熱量向電極散發(fā)的散熱性可通過下式獲得。
(散熱性)=(導熱系數(shù))+(防擴散層的厚度)式1
由該圖2的結果可知，使用Ta的防擴散層104的厚度如果為0. 3 0. 9 μ m，則不 良發(fā)生率為0 %，充分地獲得了防擴散效果。
此外，防擴散層104的厚度為0. 1 0. 2μπι的情況下，有10%發(fā)生不良，但與0.05 μ m時的80 %的不良率相比，可認為獲得了比較好的效果。
另一方面，防擴散層104的厚度如果達到1.5μπι厚，則不良發(fā)生率達60%，不理 想。這是因為如式1所示，如果厚度增加，則散熱性降低。此外，防擴散層104的厚度為1.2 μ m的情況下，有10%發(fā)生不良，但與1. 5 μ m時的60%的不良率相比，可認為獲得了比 較好的效果。
此外，也可使用Ti作為防擴散層104，但Ti的導熱系數(shù)為21.9W/m*K，小于Ta的 導熱系數(shù)57. 5ff/m ·Κ，約為Ta的38%，因此為了獲得與Ta相同程度的散熱性，根據(jù)式1，必 須使厚度小至iTa的38%左右。Ta防擴散層104的厚度為1. 2 μ m時，不良發(fā)生率為10%， 而使用Ti作為防擴散層104的情況下，如果使厚度為1. 2 μ m的38%、即0. 46 μ m,則可獲 得與Ta相同程度的散熱性，因此此時的不良發(fā)生率為10%左右。
此外，也可使用Cr作為防擴散層104，但Cr的導熱系數(shù)為93. 9ff/m · K，大于Ta 的導熱系數(shù)，約為Ta的160%，因此使用Cr作為防擴散層104的情況下，將厚度設為Ta的 160%左右來使用即可。
此外，也可使用TaC、TiC作為防擴散層104，但C的導熱系數(shù)為129W/m ·Κ，大于Ta 或Ti的導熱系數(shù)，因此TaC的導熱系數(shù)大于Ta，TiC的導熱系數(shù)大于Ti。Ta-50% C的導 熱系數(shù)約為90W/m · K，大于I1a的導熱系數(shù)57. 5ff/m · K，約為I1a的150%，因此使用TaC作 為防擴散層104的情況下，將厚度設為Ta的150%左右來使用即可。對于TiC，也同樣地將 防擴散層104做得較厚來使用即可。
此外，也可使用TaN、TiN作為防擴散層104，但N的導熱系數(shù)為0. 03ff/m · K，小于 Ta或Ti的導熱系數(shù)，因此TaN的導熱系數(shù)小于Ta，TiN的導熱系數(shù)小于Ti。Ta-50% N的 導熱系數(shù)約為^W/m ·Κ，小于I1a的導熱系數(shù)57. 5ff/m ·Κ，約為I1a的48%，因此使用TaN作 為防擴散層104的情況下，將厚度設為Ta的48%左右來使用即可。對于TiN，也同樣地將 防擴散層104做得較薄來使用即可。
此外，圖2中，防擴散層104變薄時不良率升高的原因是，未起到防止Cu從與防擴 散層104相接配置的Cu層105向半導體元件102的內部擴散而使半導體元件102的功能 劣化的作為防擴散層104的作用，Cu侵入了半導體元件102的內部。
因為這些原因，由Ta構成的防擴散層104的厚度在0. Iym至1.2μπι的范圍內即 可。理想的是不良發(fā)生率為0%的防擴散層104的厚度，即0. 3 μ m 0. 9 μ m的范圍。
另外，像Ta層+TaN層那樣形成多個層作為防擴散層104的情況下，從散熱性的角 度來看，較好是將多個層的厚度的總和作為防擴散層的厚度。
此外，防擴散層104的厚度如果變厚，則無法使半導體元件102工作時產生的熱量 向電極103散發(fā)，半導體元件102的溫度超過耐熱溫度而無法工作，因此不理想，所以Cr、 TaC, TiC的厚度的上限值最好采用與Ta的上限值相當?shù)闹怠?br> 下面，對Cu層105進行說明。
通過蒸鍍法在防擴散層104上形成的厚度為0. 5 μ m的Cu層105的形成目的是使 與以Bi為主要成分的接合材料106的接合更可靠。Cu層105的形成方法不限于蒸鍍法，也 可以采用濺射法、電鍍法、化學鍍法、析出法。
因為Cu層105與以Bi為主要成分的接合材料106相接，所以Cu層105熔入以Bi 為主要成分的接合材料106。因此，如果其熔入的量大，則Cu層105消失，防擴散層104露 出。此時，防擴散層104和Bi的反應劇烈進行，防擴散層104消失，半導體元件102的Si露 出。因為Si不與Bi接合，所以如果防擴散層104露出，則產生剝離缺陷。因此，Cu層105 必須達到即使在與以Bi為主要成分的接合材料106相接的狀態(tài)下加熱至320°C也不會消失 的厚度。
下述表1是表示接合前和接合后的Cu層105的厚度的關系的表，示出了 Cu層向 Bi的熔入量。
[表 1]
權利要求
1.一種接合結構體，它是通過以Bi為主要成分的接合材料將半導體元件和電極接合 而成的接合結構體，其特征在于，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)扰渲镁Ц衽c所述接合材料不同的金屬 的層，并且在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層和所述半導體元件的與所述電極相 對的表面之間配置與所述接合材料的化合物生成熱為正值的元素的層。
2.一種接合結構體，它是通過以Bi為主要成分的接合材料將半導體元件和電極接合 而成的接合結構體，其特征在于，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)扰渲镁Ц衽c所述接合材料不同的金屬 的層，并且在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層和所述半導體元件的與所述電極相 對的表面之間配置與所述接合材料的化合物生成熱為正值的元素的層，在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層和所述接合材料之間配置與所述接合材 料的接觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬的層。
3.如權利要求1或2所述的接合結構體，其特征在于，晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層為Cu時，與所述接合材料的化合物生成熱 為正值的元素的所述層的材料是選自Ta、Ti、Cr、TaN、TaC、TiN、TiC的1種以上的材料。
4.如權利要求1 3中的任一項所述的接合結構體，其特征在于，所述接合材料包含選自0. 1 1重量％的Cu和0. 1 9重量％的Ag的1種以上的元 素，除不可避免的雜質外，其余部分由Bi形成。
5.一種接合結構體的接合方法，其特征在于，通過以Bi為主要成分的接合材料將半導體元件和電極接合時，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)冉橐耘c所述接合材料的化合物生成熱 為正值的元素的層而形成晶格與所述接合材料不同的金屬的層，將晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層在與所述接合材料接觸的狀態(tài)下加熱，介 以所述接合材料、晶格與所述接合材料不同的金屬的層以及與所述接合材料的化合物生成 熱為正值的元素的層將所述半導體元件與所述電極接合。
6.一種接合結構體的接合方法，其特征在于，通過以Bi為主要成分的接合材料將半導體元件和電極接合時，在所述半導體元件的與所述電極相對的表面?zhèn)冉橐耘c所述接合材料的化合物生成熱 為正值的元素的層而形成晶格與所述接合材料不同的金屬的層，在晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層的靠所述電極側的面形成與所述接合材 料的接觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬的層，將與所述接合材料的接觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬 的所述層在與所述接合材料接觸的狀態(tài)下加熱，介以所述接合材料、與所述接合材料的接 觸角比晶格與所述接合材料不同的金屬的所述層更小的金屬的所述層、晶格與所述接合材 料不同的金屬的所述層以及與所述接合材料的化合物生成熱為正值的元素的所述層將所 述半導體元件與所述電極接合。
全文摘要
在半導體元件(102)的表面(102b)配置晶格與以Bi為主要成分的接合材料(106)不同的金屬的層(105)，并且在晶格與接合材料(106)不同的金屬的所述層(105)和半導體元件(102)的表面(102b)之間配置與接合材料(106)的化合物生成熱為正值的元素的層(104)，藉此防止晶格與接合材料(106)不同的金屬的所述層(105)的成分向半導體元件(102)擴散。
文檔編號C22C12/00GK102047398SQ20108000175
公開日2011年5月4日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者中村太一, 北浦秀敏, 古澤彰男, 松尾隆廣, 酒谷茂昭 申請人:松下電器產業(yè)株式會社