专利名称：接合结构体和接合结构体的接合方法
技术领域：
本发明涉及包含不含铅的接合材料的接合结构体，更详细地说，涉及将Si、GaN、 SiC等的半导体元件和电极接合而成的半导体器件的接合结构体。
背景技术：
使用焊锡材料将半导体器件安装于基板。例如，作为将IGBTansulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)之类的半导体器件和基板接合的焊锡材料，一 般采用熔点为220°C的Sn-3重量％ Ag-O. 5重量％ Cu。
图5是将半导体器件安装于基板的示意图。
将半导体器件1安装于基板2时，采用焊锡浸渍方式的浸焊装置，例如用熔点为 220°C的作为焊锡材料3的Sn-3重量％ Ag-O. 5重量％ Cu将半导体器件1的外部电极4与 基板电极5焊接。此时，因为焊锡材料3被浸焊装置加热至250 260°C，所以半导体器件 1的内部温度可达250 ^0°C。在半导体器件1的内部，半导体元件6和电极7通过接合 材料8接合，但如果接合材料8在半导体器件1的内部熔融，则发生短路、断路或电学特性 的变化，最终产品可能会发生不良。因此，对于在半导体器件1的内部使用的接合材料8，要 求具有比用浸焊装置进行焊接时达到的半导体器件1内部的最高温度更高的熔融温度。
于是，作为熔融温度超过260°C且不含铅的接合材料，认为包含90重量％以上 的Bi的接合材料(以下称作“以Bi为主要成分的接合材料”；例如Bi-2. 5Ag熔点262°C， Bi-0.5Cu熔点270°C)是合适的。作为其它接合材料，也对Si进行了研究，但考虑到浸润 性和接合的难易程度等，现在优选上述以Bi为主要成分的接合材料。于是，提出了使用以 Bi为主要成分的接合材料的功率半导体模块(参照专利文献1)。图6是专利文献1所记 载的现有的接合结构体的剖视图。
图6中，功率半导体模块9在功率半导体元件10和导电层11之间具有接合部12。 该接合部12使用以Bi为主要成分的接合材料，为使以Bi为主要成分的接合材料和构成功 率半导体元件10的Si接合，通过蒸镀法在作为被接合面的功率半导体元件10的接合部12 侧的表面形成厚度为0. 1 μ m 10 μ m的Cu层13。
专利文献1 日本专利特开2007-281412号公报
发明的概要
但是，功率半导体元件10由Si构成，配置在功率半导体元件10表面的Cu层13 的Cu容易扩散于Si，因此存在下述问题Cu向功率半导体元件10的内部扩散，引发功率半 导体元件10无法正常工作的不良，产品的成品率下降，品质不稳定。
本发明是解决上述现有的问题的发明，其目的是提供一种在通过以Bi为主要成 分的接合材料将半导体元件和电极接合的情况下品质也稳定的接合结构体和接合结构体 的接合方法。
本发明的接合结构体是通过以Bi为主要成分的接合材料将半导体元件和电极接 合而成的接合结构体，其特征在于，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧配置晶3格与所述接合材料不同的金属的层，并且在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层和所 述半导体元件的与所述电极相对的表面之间配置与所述接合材料的化合物生成热为正值 的元素的层。
此外，本发明的接合结构体是通过以Bi为主要成分的接合材料将半导体元件和 电极接合而成的接合结构体，其特征在于，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧 配置晶格与所述接合材料不同的金属的层，并且在晶格与所述接合材料不同的金属的所述 层和所述半导体元件的与所述电极相对的表面之间配置与所述接合材料的化合物生成热 为正值的元素的层，在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层和所述接合材料之间配置 与所述接合材料的接触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属的层。
本发明的接合结构体的接合方法的特征在于，通过以Bi为主要成分的接合材料 将半导体元件和电极接合时，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧介以与所述接 合材料的化合物生成热为正值的元素的层而形成晶格与所述接合材料不同的金属的层，将 晶格与所述接合材料不同的金属的所述层在与所述接合材料接触的状态下加热，介以所述 接合材料、晶格与所述接合材料不同的金属的层以及与所述接合材料的化合物生成热为正 值的元素的层将所述半导体元件与所述电极接合。
此外，本发明的接合结构体的接合方法的特征在于，通过以Bi为主要成分的接合 材料将半导体元件和电极接合时，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧介以与所 述接合材料的化合物生成热为正值的元素的层而形成晶格与所述接合材料不同的金属的 层，在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层的靠所述电极侧的面形成与所述接合材料 的接触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属的层，将与所述接合材料 的接触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属的所述层在与所述接合 材料接触的状态下加热，介以所述接合材料、与所述接合材料的接触角比晶格与所述接合 材料不同的金属的所述层更小的金属的所述层、晶格与所述接合材料不同的金属的所述层 以及与所述接合材料的化合物生成热为正值的元素的所述层将所述半导体元件与所述电 极接合。
利用该结构，可通过以Bi为主要成分的接合材料以良好的品质将半导体元件和 电极接合。
附图的简单说明
图1是本发明的实施方式1中的接合结构体的剖视图。
图2是实施方式1的防扩散层的厚度和半导体元件不良发生率的关系图。
图3是本发明的实施方式2中的接合结构体的剖视图。
图4是表示Bi对实施方式2的各表面材料的浸润扩散率的图。
图5是将半导体元件安装于基板的示意图。
图6是现有的接合结构体的剖视图。
实施发明的最佳方式
下面，基于具体的各实施方式对本发明的接合结构体的接合方法进行说明。
(实施方式1)
图1和图2表示本发明的实施方式1。
图1 (a)表示将半导体器件100安装于基板101而成的接合结构体。图1 (b)表示图1(a)中由虚线围成的区域A的放大图。
在半导体器件100的内部，半导体元件102通过以Bi为主要成分的接合材料106 与电极103接合。这里，接合材料106是Bi-2. 5重量％ Ag (熔点262°C )。
在半导体元件102的与电极103相对的表面102b侧配置有Cu层105，该Cu层105 作为晶格与接合材料106不同的金属的层。这里，Cu层105的厚度为0.5 μ m。
在Cu层105和半导体元件102的表面102b之间配置有防扩散层104，该防扩散层 104作为与接合材料106的化合物生成热为正值的元素的层。这里，防扩散层104使用的是 熔融温度超过260°C且可减少Cu层105的Cu向半导体元件102的固相扩散的金属Ta。防 扩散层104的厚度为0. 5 μ m。
更具体地进行说明。
从由Si构成的直径为6英寸且厚度为0. 3mm的晶片上以4. 5mmX3. 55mm的尺寸 切下半导体元件102。该半导体元件102不限于Si，也可以由Ge构成，还可以由作为化合 物半导体的 GaN, GaAs, InP、ZnS, ZnSe, SiC、SiGe 等构成。
此外，根据半导体元件的功能的不同，半导体元件102的尺寸可以大至6mmX5mm， 或者也可以使用3mmX2. 5mm、2mmXl. 6mm等较小的半导体元件。半导体元件102的厚度有 时也根据半导体元件的尺寸而不同，不限于0. 3mm,也可使用0. 4mm、0. 2mm、0. 15mm等厚度 的半导体元件。
在半导体元件102的与电极103相对的面102b的相反侧的面10 上还形成有电 路图案(未图示)。作为形成于半导体元件102的面102b的防扩散层104，通过蒸镀法形 成了厚度为0. 5 μ m的Ta层。该防扩散层104防止Cu层105的Cu向半导体元件102的内 部扩散而使半导体元件102的功能劣化。
防扩散层104只要是熔融温度超过260°C且Cu不固相扩散的金属即可，不限于 Ta，可选择TLCiNTall^CTilTiC。此外，可以重叠选自这些材料的多个层而形成。重 叠多个层而形成的情况下，可采用Ta层+TaN层、Ta层+TaC层、Ti层+TiN层、Cr层+Ta层 +TaC层等任意组合。
但是，因为防扩散层104形成在半导体元件102的与电极103相对的面上，所以必 须具有用于实现稳定的导通的电导率，TaN和TiN的电导率低于Ta、Ti、Cr、TaC, TiC,因此 不宜采用TaN和TiN的组合。
下面，对防扩散层104的厚度进行说明。
图2是表示防扩散层的厚度和半导体元件不良发生率的关系的图。
这里，将Cu层105和接合材料106各自的厚度固定，仅使防扩散层104的厚度变 化。
图2中，横轴是防扩散层的厚度，防扩散层是通过蒸镀法形成的Ta。纵轴是半导体 元件的不良发生率，对于由通过本实施方式1接合而成的接合结构体组装而成的IGBT，通 过于150°C实施了 500小时的高温试验后的动作试验，以样本数各为10的条件算出不良发生率。
防扩散层104的厚度如果变薄，则无法防止Cu侵入半导体元件102，因此半导体元 件102遭到破坏，不理想。此外，防扩散层104的厚度如果变厚，则无法使半导体元件102 工作时产生的热量向电极103散发，半导体元件102的温度超过耐热温度而无法工作，因此不理想。使半导体元件102所产生的热量向电极散发的散热性可通过下式获得。
(散热性)=(导热系数)+(防扩散层的厚度)式1
由该图2的结果可知，使用Ta的防扩散层104的厚度如果为0. 3 0. 9 μ m，则不 良发生率为0 %，充分地获得了防扩散效果。
此外，防扩散层104的厚度为0. 1 0. 2μπι的情况下，有10%发生不良，但与0.05 μ m时的80 %的不良率相比，可认为获得了比较好的效果。
另一方面，防扩散层104的厚度如果达到1.5μπι厚，则不良发生率达60%，不理 想。这是因为如式1所示，如果厚度增加，则散热性降低。此外，防扩散层104的厚度为1.2 μ m的情况下，有10%发生不良，但与1. 5 μ m时的60%的不良率相比，可认为获得了比 较好的效果。
此外，也可使用Ti作为防扩散层104，但Ti的导热系数为21.9W/m*K，小于Ta的 导热系数57. 5ff/m ·Κ，约为Ta的38%，因此为了获得与Ta相同程度的散热性，根据式1，必 须使厚度小至iTa的38%左右。Ta防扩散层104的厚度为1. 2 μ m时，不良发生率为10%， 而使用Ti作为防扩散层104的情况下，如果使厚度为1. 2 μ m的38%、即0. 46 μ m,则可获 得与Ta相同程度的散热性，因此此时的不良发生率为10%左右。
此外，也可使用Cr作为防扩散层104，但Cr的导热系数为93. 9ff/m · K，大于Ta 的导热系数，约为Ta的160%，因此使用Cr作为防扩散层104的情况下，将厚度设为Ta的 160%左右来使用即可。
此外，也可使用TaC、TiC作为防扩散层104，但C的导热系数为129W/m ·Κ，大于Ta 或Ti的导热系数，因此TaC的导热系数大于Ta，TiC的导热系数大于Ti。Ta-50% C的导 热系数约为90W/m · K，大于I1a的导热系数57. 5ff/m · K，约为I1a的150%，因此使用TaC作 为防扩散层104的情况下，将厚度设为Ta的150%左右来使用即可。对于TiC，也同样地将 防扩散层104做得较厚来使用即可。
此外，也可使用TaN、TiN作为防扩散层104，但N的导热系数为0. 03ff/m · K，小于 Ta或Ti的导热系数，因此TaN的导热系数小于Ta，TiN的导热系数小于Ti。Ta-50% N的 导热系数约为^W/m ·Κ，小于I1a的导热系数57. 5ff/m ·Κ，约为I1a的48%，因此使用TaN作 为防扩散层104的情况下，将厚度设为Ta的48%左右来使用即可。对于TiN，也同样地将 防扩散层104做得较薄来使用即可。
此外，图2中，防扩散层104变薄时不良率升高的原因是，未起到防止Cu从与防扩 散层104相接配置的Cu层105向半导体元件102的内部扩散而使半导体元件102的功能 劣化的作为防扩散层104的作用，Cu侵入了半导体元件102的内部。
因为这些原因，由Ta构成的防扩散层104的厚度在0. Iym至1.2μπι的范围内即 可。理想的是不良发生率为0%的防扩散层104的厚度，即0. 3 μ m 0. 9 μ m的范围。
另外，像Ta层+TaN层那样形成多个层作为防扩散层104的情况下，从散热性的角 度来看，较好是将多个层的厚度的总和作为防扩散层的厚度。
此外，防扩散层104的厚度如果变厚，则无法使半导体元件102工作时产生的热量 向电极103散发，半导体元件102的温度超过耐热温度而无法工作，因此不理想，所以Cr、 TaC, TiC的厚度的上限值最好采用与Ta的上限值相当的值。
下面，对Cu层105进行说明。
通过蒸镀法在防扩散层104上形成的厚度为0. 5 μ m的Cu层105的形成目的是使 与以Bi为主要成分的接合材料106的接合更可靠。Cu层105的形成方法不限于蒸镀法，也 可以采用溅射法、电镀法、化学镀法、析出法。
因为Cu层105与以Bi为主要成分的接合材料106相接，所以Cu层105熔入以Bi 为主要成分的接合材料106。因此，如果其熔入的量大，则Cu层105消失，防扩散层104露 出。此时，防扩散层104和Bi的反应剧烈进行，防扩散层104消失，半导体元件102的Si露 出。因为Si不与Bi接合，所以如果防扩散层104露出，则产生剥离缺陷。因此，Cu层105 必须达到即使在与以Bi为主要成分的接合材料106相接的状态下加热至320°C也不会消失 的厚度。
下述表1是表示接合前和接合后的Cu层105的厚度的关系的表，示出了 Cu层向 Bi的熔入量。
[表 1]
权利要求
1.一种接合结构体，它是通过以Bi为主要成分的接合材料将半导体元件和电极接合 而成的接合结构体，其特征在于，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧配置晶格与所述接合材料不同的金属 的层，并且在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层和所述半导体元件的与所述电极相 对的表面之间配置与所述接合材料的化合物生成热为正值的元素的层。
2.一种接合结构体，它是通过以Bi为主要成分的接合材料将半导体元件和电极接合 而成的接合结构体，其特征在于，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧配置晶格与所述接合材料不同的金属 的层，并且在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层和所述半导体元件的与所述电极相 对的表面之间配置与所述接合材料的化合物生成热为正值的元素的层，在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层和所述接合材料之间配置与所述接合材 料的接触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属的层。
3.如权利要求1或2所述的接合结构体，其特征在于，晶格与所述接合材料不同的金属的所述层为Cu时，与所述接合材料的化合物生成热 为正值的元素的所述层的材料是选自Ta、Ti、Cr、TaN、TaC、TiN、TiC的1种以上的材料。
4.如权利要求1 3中的任一项所述的接合结构体，其特征在于，所述接合材料包含选自0. 1 1重量％的Cu和0. 1 9重量％的Ag的1种以上的元 素，除不可避免的杂质外，其余部分由Bi形成。
5.一种接合结构体的接合方法，其特征在于，通过以Bi为主要成分的接合材料将半导体元件和电极接合时，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧介以与所述接合材料的化合物生成热 为正值的元素的层而形成晶格与所述接合材料不同的金属的层，将晶格与所述接合材料不同的金属的所述层在与所述接合材料接触的状态下加热，介 以所述接合材料、晶格与所述接合材料不同的金属的层以及与所述接合材料的化合物生成 热为正值的元素的层将所述半导体元件与所述电极接合。
6.一种接合结构体的接合方法，其特征在于，通过以Bi为主要成分的接合材料将半导体元件和电极接合时，在所述半导体元件的与所述电极相对的表面侧介以与所述接合材料的化合物生成热 为正值的元素的层而形成晶格与所述接合材料不同的金属的层，在晶格与所述接合材料不同的金属的所述层的靠所述电极侧的面形成与所述接合材 料的接触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属的层，将与所述接合材料的接触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属 的所述层在与所述接合材料接触的状态下加热，介以所述接合材料、与所述接合材料的接 触角比晶格与所述接合材料不同的金属的所述层更小的金属的所述层、晶格与所述接合材 料不同的金属的所述层以及与所述接合材料的化合物生成热为正值的元素的所述层将所 述半导体元件与所述电极接合。
全文摘要
在半导体元件(102)的表面(102b)配置晶格与以Bi为主要成分的接合材料(106)不同的金属的层(105)，并且在晶格与接合材料(106)不同的金属的所述层(105)和半导体元件(102)的表面(102b)之间配置与接合材料(106)的化合物生成热为正值的元素的层(104)，藉此防止晶格与接合材料(106)不同的金属的所述层(105)的成分向半导体元件(102)扩散。
文档编号C22C12/00GK102047398SQ20108000175
公开日2011年5月4日 申请日期2010年4月27日 优先权日2009年4月30日
发明者中村太一, 北浦秀敏, 古泽彰男, 松尾隆广, 酒谷茂昭 申请人:松下电器产业株式会社