JP5399953B2 - Semiconductor element, semiconductor device using the same, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、すず基はんだを介して回路基板に接合する半導体素子の構成、および半導体装置とその製造方法に関する。 The present invention relates to a configuration of a semiconductor element bonded to a circuit board through a tin-based solder, a semiconductor device, and a method for manufacturing the same.
インバーターなどの電力用半導体装置に使用されるスイッチング素子(IGBT、MOSFET等)や整流素子では、電力損失を低減する必要があり、近年、例えば、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体の電力用半導体装置が開発されている。ワイドギャップ半導体の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、その特性を発揮するためには、半導体素子と基板との接合部が強固に接合されていなければならない。 In switching elements (IGBT, MOSFET, etc.) and rectifier elements used in power semiconductor devices such as inverters, it is necessary to reduce power loss. In recent years, for example, wide bands such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride. Gap semiconductor power semiconductor devices have been developed. In the case of a wide gap semiconductor, the element itself has high heat resistance and can be operated at a high temperature with a large current. However, in order to exhibit its characteristics, the junction between the semiconductor element and the substrate must be firmly bonded. Don't be.
高温動作可能な接合材料として、鉛入り高融点はんだが使用されてきたが、安全性や環境への配慮から、すず(Sn)をベースとする鉛フリーはんだ材料(すず基はんだ)が使用されるようになってきた。しかし、すず基はんだを使用するためには、半導体素子の接合面にチタン層、ニッケル層、金層を順に積層する必要があった。しかし、チタン層で不動態被膜が形成されるのを抑制するためにニッケル層を厚く形成する必要があり、はんだ接合時の条件が厳密であることから、信頼性の高い接合をおこなうことが困難であった。 High melting point solder containing lead has been used as a bonding material that can operate at high temperatures, but lead-free solder material (tin-based solder) based on tin (Sn) is used for safety and environmental considerations. It has become like this. However, in order to use tin-based solder, it was necessary to sequentially laminate a titanium layer, a nickel layer, and a gold layer on the bonding surface of the semiconductor element. However, it is necessary to form a thick nickel layer in order to suppress the formation of a passive film on the titanium layer, and it is difficult to perform highly reliable bonding because the conditions during soldering are strict. Met.
そこで、半導体素子の接合面に、チタン等からなる金属層の上にすず合金層を設け、熱処理した際にすず合金層をすず基はんだ中に拡散させてチタン−すず合金層を形成し、接着性やオーミック接合性に優れた接合を実現できる半導体装置が提案されている(例えば特許文献1参照。)。 Therefore, a tin alloy layer is provided on a metal layer made of titanium or the like on the bonding surface of the semiconductor element, and when the heat treatment is performed, the tin alloy layer is diffused into the tin-based solder to form a titanium-tin alloy layer and bonded. A semiconductor device that can realize bonding excellent in reliability and ohmic bonding has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記のような構成の半導体装置で製造時や動作時の熱履歴を模擬する熱サイクル試験を実施したところ、使用する合金層やすず基はんだの組成によって、または同じ材料の組み合わせであっても個体ごとに接合強度にばらつきが出て、信頼性の高い接合、ひいては寿命信頼性の高い半導体装置を得ることができなかった。 However, when a thermal cycle test that simulates the thermal history at the time of manufacture and operation is performed on the semiconductor device having the above-described configuration, the alloy layer used and the composition of the tin-based solder are used, or the same material is combined. However, the bonding strength varies from individual to individual, and it has not been possible to obtain a highly reliable bonding and consequently a semiconductor device with high lifetime reliability.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、すず基はんだを用いて寿命信頼性の高い接合が可能な半導体素子および寿命信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor element and a semiconductor device with high life reliability that can be bonded with high life reliability using a tin-based solder. To do.
本発明にかかる半導体素子は、すず基はんだを用いて導電部材と接合するための半導体素子であって、半導体材料からなる基材の前記導電部材との接合面に、シリサイド層と、チタンからなる第1の金属層と、アンチモンからなる第2の金属層と、ニッケル層、銅層、銅層上にニッケル層を積層した層、およびタンタル層上に銅層を積層した層、のいずれかからなる第3の金属層と、が前記基材側から順次積層されており、前記第2の金属層の厚みが50nm以上であることを特徴とする。 A semiconductor element according to the present invention is a semiconductor element for bonding to a conductive member using tin-based solder, and is formed of a silicide layer and titanium on a bonding surface of the base material made of a semiconductor material with the conductive member. One of the first metal layer, the second metal layer made of antimony, the nickel layer, the copper layer, the layer in which the nickel layer is laminated on the copper layer, and the layer in which the copper layer is laminated on the tantalum layer a third metal layer made, are sequentially stacked from the substrate side, the thickness of the second metal layer and wherein the at 50nm or more.
この発明によれば、強固な接合を得るためには、接合層中にアンチモンとチタンの合金を形成する必要があることを発見し、半導体素子にアンチモン層を設けるようにしたので、すず基はんだを用いて、接合強度の高いチタンとアンチモンの合金が安定して形成され、高温化でも接合強度を長期間持続する信頼性の高い半導体装置が得られる。 According to the present invention, in order to obtain a strong bond, it was found that an alloy of antimony and titanium must be formed in the bonding layer, and the antimony layer was provided in the semiconductor element. Thus, an alloy of titanium and antimony having a high bonding strength is stably formed, and a highly reliable semiconductor device that can maintain the bonding strength for a long time even at high temperatures can be obtained.
実施の形態1.
<接合強度ばらつきの原因発見>
本発明の実施の形態1にかかる半導体素子および半導体装置の構成を説明する前に、背景技術で説明した従来の半導体素子での接合強度のばらつき原因について説明する。半導体素子の接合面に第1金属層を設け、さらにその上にすず合金からなる第2金属層を設け、数種のすず基はんだを用いて銅板との接合体を形成した。その結果、高温動作時に安定して長時間接合し得る材料の組み合わせは、第1金属層にチタン(Ti)、すず基はんだにSn−Sb系はんだを用いたときであった。
<Finding the cause of uneven bonding strength>
Before describing the configuration of the semiconductor element and the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the cause of the variation in the bonding strength in the conventional semiconductor element described in the background art will be described. A first metal layer was provided on the joining surface of the semiconductor element, a second metal layer made of a tin alloy was further provided thereon, and a joined body with a copper plate was formed using several types of tin-based solders. As a result, the combination of materials that can be bonded stably for a long time during high-temperature operation was when titanium (Ti) was used for the first metal layer and Sn—Sb solder was used for the tin-based solder.
しかし、上記の材料を組み合わせても、接合強度が高い接合体とそうでない接合体があり、安定して信頼性の高い接合体を得ることができなかった。そこで、接合強度の高かった接合体とそうでない接合体の断面を分析したところ、接合強度の高い接合体では、第1金属層(Ti)―第2合金層(Sn)が、Ti−Sb−Snの3元合金層に変化し、接合強度の高くない接合体では、Ti−Sb−Snの3元合金層がまばらに形成されていることが分かった。つまり、上記の構成では、アンチモン(Sb)がはんだ材料を構成するSn−Sb系合金から供給されており、はんだ中のSbからTi層への拡散がばらつくために接合強度にばらつきが生じることが分かった。 However, even when the above materials are combined, there are a bonded body with high bonding strength and a bonded body with no bonding strength, and it has not been possible to obtain a bonded body stably and highly reliable. Then, when the cross section of the joined body with high joining strength and the joined body with no joining strength was analyzed, in the joined body with high joint strength, the first metal layer (Ti) —the second alloy layer (Sn) was Ti—Sb—. It turned out that the ternary alloy layer of Ti—Sb—Sn is formed sparsely in the joined body which is changed to the Sn ternary alloy layer and does not have high bonding strength. That is, in the above configuration, antimony (Sb) is supplied from the Sn—Sb-based alloy constituting the solder material, and the diffusion from Sb to the Ti layer in the solder varies, so that the bonding strength may vary. I understood.
そこで、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子では、半導体素子の接合面に設けた複数の金属層のうち、チタン層の直上にアンチモン層を設けることにより、回路パターンに対してすず基はんだで接合したときに、Ti−Sb−Sn合金を形成し、安定した接合強度を有する半導体装置を得られるようにした。以下、詳細に説明する。 Therefore, in the semiconductor element according to the first embodiment of the present invention, a tin-based solder is formed on the circuit pattern by providing an antimony layer immediately above the titanium layer among the plurality of metal layers provided on the bonding surface of the semiconductor element. When joining with Ti, a Ti—Sb—Sn alloy was formed so that a semiconductor device having stable joining strength was obtained. Details will be described below.
図1〜図4は、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子および半導体装置および半導体装置の製造方法を説明するための図である。図1は半導体素子の構成を説明するための工程ごとの断面を示す図、図2は半導体素子および半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャート、図3は半導体素子を導電部材に接合する際の工程ごとの断面を示す図、図4は接合部の状態を説明するための従来の半導体素子を導電部材に接合するときの状態を説明する断面図である。 1 to 4 are diagrams for explaining a semiconductor element, a semiconductor device, and a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a diagram showing a cross section for each process for explaining the configuration of a semiconductor element, FIG. 2 is a flowchart for explaining a method for manufacturing the semiconductor element and the semiconductor device, and FIG. 3 is a diagram when joining the semiconductor element to a conductive member The figure which shows the cross section for every process of this, FIG. 4: is sectional drawing explaining the state when joining the conventional semiconductor element for demonstrating the state of a junction part to a conductive member.
はじめに、半導体素子の構成について図1を用いて説明する。図1は本発明の実施の形態にかかる半導体素子の構成とその製造方法を説明するための断面模式図であり、図1(a)は半導体材料からなる基材1にニッケル層2を形成した状態、図1(b)は形成したニッケル層2がニッケルシリサイド化2Sした状態、図1(c)はさらに4つの金属層3、4、5、6を形成した状態を示す。図において、半導体素子1を構成する材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化ケイ素(SiC)からなる厚さ500μmの板状の基材1を用意した。この炭化ケイ素基材の少なくとも片面に、以降、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、アンチモン(Sb)、金(Au)といった複数の金属層をスパッタリングにより形成していく。なお、製造方法については図2に示すフローチャートのステップ番号(カッコ内)で説明する。
First, the structure of the semiconductor element will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a configuration of a semiconductor element and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a
はじめに(ステップS10)、図1(a)に示すように、炭化ケイ素基材1の接合面である片方の表面に、シリサイドを形成するための金属層として、厚さ50nmのニッケル層2を形成し(ステップS20)、ニッケル付与半導体基材10f1を得る。その後真空雰囲気下で800℃、1時間の熱処理を行う(ステップS30)ことにより、ニッケルが炭化ケイ素素基材1のシリコンと反応してシリサイド化する。シリサイド化が完了すると(ステップS40で「Y」)、図1(b)に示すように、ニッケル層2は、厚さ50nm程度のニッケルシリサイド層2Sとなり、接合面がシリサイド化された半導体基材10f2が得られる。つづいて、図1(c)に示すように、シリサイド層2S表面に、第1金属層である厚さ200nmのTi層3、Ti層3の表面に第2金属層である厚さ100nmのSb層4、Sb層4の表面に第3金属層である厚さ800nmのNi層5、Ni層5の表面に第4金属層である厚さ100nmのAu層6を順次形成する(ステップS50)。第1〜第4の金属層まで層形成が完了すると(ステップS60で「Y」)、ダイシングで7.0mm角サイズに切断し(ステップS70)、洗浄(ステップS80)すると、半導体装置に実装可能な半導体素子10が得られる(準備完了:ステップS90)。
First (step S10), as shown in FIG. 1A, a
つづいて、半導体素子と導電部材の接合体、つまり、半導体装置の構成と製造方法について図3および図2の続きを用いて説明する。図3は本発明の実施の形態にかかる半導体装置(接合体)の構成とその製造方法を説明するための断面模式図であり、図3(a)は回路基板の銅の回路パターン17上にSn基はんだ8を塗布した状態、図3(b)はSn基はんだ8が溶融し(溶融状態および溶融後に固化した状態を8Mと記す。)、Au層6がはんだ8M中に溶解した状態、図3(c)はNi層5がはんだ8M中のSnと反応して合金化5Aした状態、図3(d)はTi層3にSb層4のSb、はんだ8Mや合金化Ni層5A中のSnが拡散し、反応して3元合金層3Aを形成した状態を示す。なお、図では簡略化するために半導体装置の回路基板に設けられた回路パターン17のまさしく導電部材である銅材料部分のみを記載している。
Next, a bonded body of a semiconductor element and a conductive member, that is, a configuration of a semiconductor device and a manufacturing method will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the semiconductor device (bonded body) according to the embodiment of the present invention and the manufacturing method thereof, and FIG. 3 (a) is formed on the
半導体素子10の接合対象となる導電部材である銅の回路パターン17が上側に向くように回路基板を図示しない治具に設置し、接合を開始した(ステップS110)。回路パターン17の表面に、開口径が6mm角で、厚さ0.2mmのステンレスマスクを用いてマスキングをし(ステップS120)て、図3(a)に示すようにソルダーペースト8を回路パターン17の所定範囲に印刷し(ステップS130)、印刷したソルダーペースト8表面に、半導体素子10を搭載した(ステップS140)。ソルダーペースト8としては、Sbを10wt%含有したSn−Sb系はんだ(9014-374F:千住金属製(合金組成:90Sn−10Sb:融点約240℃))を用いた。これを、300℃に設定したホットプレ―ト上に40秒間保持する(ステップS150)ことにより、はんだが溶融して以下の合金化が完了すると(ステップS160で「Y」)、その後空冷させることにより(ステップS170)、半導体装置100(または接合体)を得ることができる。
The circuit board was placed on a jig (not shown) so that the
この熱処理の間の反応をさらに詳しく説明すると、以下のようになる。はんだ8が溶融すると、はじめに図3(b)に示すように、金層6がはんだ8M内に溶解し、つぎに、図3(c)に示すように、はんだ8M中のSn成分とNi層5との間で反応を生じ、Ni−Sn合金層5Aが形成される。そして、最後に図3(d)に示すように、Ti層3にSb層4のSbと、はんだ8MやNi−Sn合金層5A中のSnとが拡散していって合金化し、Ti−Sb−Snの3元合金層3Aが形成される。これにより、半導体素子10が銅の回路パターン17に強固に接合され、強固な接合体である半導体装置が得られる。
The reaction during this heat treatment will be described in more detail as follows. When the
<比較試験>
つぎに、本実施の形態にかかる半導体素子10をすず基はんだを用いて接合した時の接合強度を評価するため、比較試験を実施した。この比較試験では、接合および強度評価を容易にするため、実際の回路基板ではなく、回路基板上に形成された回路パターン17を模擬するものとして10mm角に切断した厚さ1.0mmの銅板7を用いた。そして、本実施の形態にかかる半導体素子10を銅板7に接合した接合体100MEと、比較対象となる半導体素子10CEを銅板7に接合した接合体100MCに対しさまざまな条件で評価試験を行った。
<Comparison test>
Next, a comparative test was performed to evaluate the bonding strength when the
比較サンプルとなる半導体素子10CEは、以下に示す方法で製作した。
図4(a)に示すように、厚さ500μmの半導体基材1の片方の表面に、半導体素子10を作成したときと同じ方法で、厚さ50nm程度のニッケルシリサイド層2Sを形成した。スパッタリング法を用いて、シリサイド層2S表面に、第1の金属層である厚さ200nmのTi層3を形成した。ここで第2の金属層であるSb層を省略して、Ti層3の表面に第3の金属層である厚さ800nmのNi層5、Ni層5の表面に第4の金属層である厚さ100nmのAu層6を順次形成した。この後、ダイシングで5.0mm角サイズに切断し、洗浄したものを、比較用半導体素子10CEとして用いた。つまり、比較用半導体素子10CEと半導体素子10との違いは、第2の金属層であるSb層4を有するか否かの違いである。そして、銅板7との接合、つまり実施例接合体100MEと比較例接合体100MCの製造は、半導体装置100を製造するときと同様の方法で行った。本実施例接合体100ME、比較例接合体100MCをそれぞれ3個使用した。
The
As shown in FIG. 4A, a
このように構成された接合体100MEと100MCを、200℃の高温で2000時間保持し、100時間保持時、300時間保持時、500時間保持時、1000時間保持時、2000時間保持後の接合体の密着強度測定を行った。密着強度判定は、所定治具でサンプルを固定し、接合体の横方向からせん断方向に最高5kgf(約50N)まで印加(測定)可能なプッシュテスタ(ARF-05:アトニック(株)製デジタルフォースゲージ)を用いて測定した。この際、測定上限の5kgfでもはがれなかった場合を密着性異常なしとし、5kgf以下で剥離したものを強度低下有りとした。評価結果を表1に示す。
The joined
表1に示すように、本発明にかかる実施例であるSb層4を備えた接合体100MEのサンプル(サンプル2−1,2−2,2−3)は、高温で2000時間保持する間に密着強度低下が見られなかったのに対し、比較例のSb層を備えていない接合体100MCのサンプル(サンプル1−1,1−2,1−3)は、100時間までは強度を保ったが、高温で300時間保持すると密着強度が低下することがわかった。
As shown in Table 1, the sample of the joined body 100 ME (Samples 2-1, 2-2, 2-3) provided with the
つぎに、密着強度試験後のサンプルを接合部分の断面が出るように切断・研磨し、波長分散型X線分析を用いて接合部断面の元素分析を行った。その結果、密着強度を保つことができた本発明の実施例の接合体100MEの場合はんだ8MとTi層3、Sb層4、Ni層5またはNi−Sn合金層5Aとの間で、熱拡散を生じ、図3(d)で説明したような、Ti−Sb−Snの3元合金層3AとNi−Sn合金層5Aからなる強固な接合部が形成されていることが確認された。このとき、3元合金層3A内において、Sbが均一に分布していた。一方、密着強度が低下した比較例の接合体100MEでは、図4(b)に示すように、はんだ8M中のSbの拡散により、部分的にはTi−Sb−Sn合金相が形成されているが、Ti相、あるいはTi−Sn合金化相の状態と不均一に分散しており、強固な接合体が均一に形成されていないことが確認できた。
Next, the sample after the adhesion strength test was cut and polished so that the cross section of the bonded portion appeared, and elemental analysis of the cross section of the bonded portion was performed using wavelength dispersion X-ray analysis. As a result, in the case of the joined
<適応可能材料>
なお、本実施の形態においては、接合力の評価を目的として、素板状の炭化ケイ素基材を用いた例を示したが、裏面にパターン等が形成された炭化ケイ素基材を用いても同様である。また、炭化ケイ素基材の大きさも、特に限定されることはなく、製造する半導体素子の大きさに合わせて、適宜調整すればよい。
<Applicable materials>
In the present embodiment, for the purpose of evaluating the bonding force, an example in which a base-plate-like silicon carbide substrate is used is shown, but a silicon carbide substrate having a pattern or the like formed on the back surface may be used. It is the same. Further, the size of the silicon carbide base material is not particularly limited, and may be appropriately adjusted according to the size of the semiconductor element to be manufactured.
さらに、半導体素子としては、炭化ケイ素以外にケイ素も使用できる。また、炭化ケイ素と同じくワイドバンドギャップ半導体材料である、窒化ガリウム(GaN)、ガリウムヒ素(GaAs)、ダイヤモンドについても、表面に別途Si層を形成してシリサイド層を形成すれば、炭化ケイ素と同様に適用可能である。 Further, as the semiconductor element, silicon can be used in addition to silicon carbide. Similarly to silicon carbide, gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), and diamond, which are wide bandgap semiconductor materials, are similar to silicon carbide if an additional Si layer is formed on the surface to form a silicide layer. It is applicable to.
また、第3の金属層5の材料としては、ニッケルが最適であるが、ニッケル以外に銅を使用することも可能である。ただし、銅を使用する場合は、下記に示すように銅単独(組合せA)以外に、第4の金属層4であるSb層との間にタンタル(Ta)層を挿入(組合せB)したり、最表面にNi層をかぶせたり(組合せC)することが望ましい。
組合せA:Sb/Cu
組合せB:Sb/Ta/Cu
組合せC:Sb/Cu/Ni
In addition, nickel is the most suitable material for the
Combination A: Sb / Cu
Combination B: Sb / Ta / Cu
Combination C: Sb / Cu / Ni
これら、炭化ケイ素基材の接合面に形成する金属層2、3、4、5は、スパッタリングにより形成していったが、他の公知の方法によって形成してもよいことはいうまでもない。なお、形成される厚さは、金属種(層種)や半導体素子の大きさにより好適な範囲が異なるが、一般的に、10nmから2000nmの範囲である。
Although these
また、半導体素子10の接合対象である導電部材としては、銅以外にアルミニウムや、CIC(Cu:Invar:Cu)のような半導体基板用クラッド材でもよい。また、有機基板、AlSiCやSiN等のセラミック基板上に形成された導電部材に対しても、同様に接合できる。
In addition to copper, the conductive member to be joined to the
また、シリサイド層2Sを形成するための金属層2には、Ni以外にもシリコンとシリサイドを形成する高融点の遷移金属等を使用することができる。
For the
以上のように、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子10によれば、すず基はんだ8を用いて導電部材7と接合するための半導体素子10であって、半導体材料からなる基材1の前記導電部材7との接合面に、シリサイド層2Sと、チタンからなる第1の金属層3と、アンチモンからなる第2の金属層4と、ニッケルおよび/または銅を有する第3の金属層5と、が基材1側から順次積層されている、ように構成したので、第2の金属層のSbがシリサイド層2Sとの接合性のよい第1の金属層3に取り込まれてTi−Sb−Snの3元合金層3Aとなり、はんだ8との接合性のよい第3の金属層5がSnとの合金層5Aとなり、Ti−Sb−Snの3元合金層3Aと合金層5Aが強固に接合するので、すず基はんだを用いて導電部材との寿命信頼性の高い接合が可能となる半導体素子が得られ、この半導体素子を用いてすず基はんだで接合すると、寿命信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
As mentioned above, according to the
また、本発明の実施の形態1にかかる半導体素子10の製造方法によれば、シリコンを含有する半導体材料からなる基材1の場合は、接合面にニッケル層2を形成し、シリコンを含有しない半導体材料からなる基材の場合は、シリコン層を形成してからニッケル層2を形成する(ステップS20)。そして、熱処理を行い、シリサイド化(ステップS30〜40)し、シリサイド層2S表面に、第1金属層3、第2金属層4、第3金属層5を順次形成するように構成したので、すず基はんだで導電部材と強固に接合できる半導体素子を容易に得ることができる。
Moreover, according to the manufacturing method of the
実施の形態2.
本実施の形態2においては、実施の形態1で作成した半導体素子10の第2の金属層であるSb層4の厚みとすず基はんだ8の組成を変化させ、接合強度の評価を行った。実施の形態1で用いた図1を用いて説明する。半導体基材1と、ニッケルシリサイド層2Sを形成するためのニッケル層2の厚みおよび熱処理条件は実施の形態1と同様である。そして、ニッケルシリサイド層2S上に順次積層していく、第1金属層3、第2金属層4、第3金属層5、第4金属層6のうち、第2金属層であるSb層4の厚みを変化させた。また、銅板7との接合の際、マスキングや熱処理条件は実施の形態1と同様であるが、はんだの組成(Sb含有量)を変化させた。測定サンプル数は、同じ仕様のものをそれぞれ3個作成し、接合体の横方向からせん断方向に最高20kgf(約200N)まで印加(測定)可能なプッシュテスタ(ARF-20:アトニック(株)製デジタルフォースゲージ)を用いて測定し、剥離が生じた時の印加力を密着強度とした。測定した密着強度値はそれぞれの平均値を使用した。評価結果を表2に示す。
In the second embodiment, the bonding strength was evaluated by changing the thickness of the
表2に示すように、サンプル3−1〜3−3の結果から、第1の金属層3(Ti層)に隣接して第2の金属層4としてSb層を形成すると、Sbを含まないはんだを使用しても接合体の密着強度は、2000時間まで5kgf以上を保ち、実施の形態1で示したSb層4のない接合体(1−1〜1−3)と比較して、大幅に接合強度に関する耐熱性が向上していることが確認された。つまり、Ti層3に隣接してSb層4を備えることにより、接合信頼性が向上することが示された。
As shown in Table 2, when the Sb layer is formed as the
一方、Sb層4の層厚が50nm以上のサンプル3−2,3−3では、1000時間保持しても密着強度がほとんど低下していないが、Sb層4の層厚が5nmのサンプル3−1は、500時間後から密着強度の低下がみられる。このことから、はんだ組成によらず(はんだ中にSb成分がない場合でも)、信頼性の高い接合を得るには、第2の金属層であるSb層4の層厚を50nm以上とすることが望ましいことがわかった。
On the other hand, in Samples 3-2 and 3-3 in which the layer thickness of the
また、Sb含有量が5wt%以上のはんだ中を用いて接合した、実施例5−1〜6−3については、Sb層4の厚みを50nmより薄い5nmにしたサンプル5−1,6−1でも、2000時間経過後に生じる強度低下はほんの僅かであり、はんだ8中のSb濃度を増大させることで接合信頼性がさらに向上していることがわかる。
Further, in Examples 5-1 to 6-3, which were joined using a solder having an Sb content of 5 wt% or more, Samples 5-1 and 6-1 in which the thickness of the
さらにSb層4の層厚を50nm以上とする(サンプル5−2,5−3,6−2,6−3)ことにより、2000時間高温で保持しても、密着強度低下が生じないことが確認された。つまり、第2の金属層としてのSb層4の層厚を50nm以上とし、接合するはんだ8中のSb含有量を5wt%以上とすることにより、一層高信頼な接合が得られることが確認できた。
Furthermore, when the layer thickness of the
以上のように、本実施の形態2にかかる半導体素子または、半導体素子と導電部材との接合体によれば、第2の金属層であるSb層4の層厚みを50nm以上にすることで、接合信頼性がより高くなった。さらに接合に用いるはんだ8中のSb濃度を5wt%以上にすることで、長時間高温で保持しても接合強度が低下しない信頼性の高い接合が得られた。
As described above, according to the semiconductor element according to the second embodiment or the joined body of the semiconductor element and the conductive member, by setting the layer thickness of the
実施の形態3.
本発明の実施の形態3では、上述した半導体素子をすず基はんだを用いて接合した半導体装置について説明する。図5は実施の形態1または2で示した半導体素子をすず基はんだを用いて装着した半導体装置の構成を説明するためのもので、図5(a)は半導体装置の半導体素子を装着した部分の平面図、図5(b)は図5(a)のA−A線における切断面を示す断面図である。図において、電力用半導体装置100は、絶縁性の回路基板11上に複数の銅の回路パターンが形成され、そのうちのひとつの回路パターン17にドレイン電極側を接合したSiC基材を用いた半導体素子10が配置されている。
In
この回路パターン17への半導体素子10の接合を上述したすず基はんだ8を用いて行った。図1に示すように、半導体素子10のドレイン電極側の接合面にはシリサイド層2S、第1〜第4の金属層3〜6が順次形成されている。半導体素子10の基材には、上述した炭化ケイ素以外にも、シリコンやいわゆるワイドバンドギャップ半導体材料である、ガリウム−ヒ素、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどにシリコン層を形成しシリサイド化した材料が用いられる。また、半導体素子10と対向する導電部材である回路パターン17は銅からなり、その接合面にも1μm厚程度の金、銀、パラジウム、白金などの図示しない貴金属めっき層を形成している。そして、半導体素子10を回路パターン17に接合する方法については、実施の形態1で説明した図2のステップS110〜S180に示すとおりであり、説明を省略する。
The
ただし、熱処理(ステップS150)のとき、図示しない治具または組立装置により半導体素子10に対して所定の荷重を印加した状態で行っても良い。このようにして回路パターン17上に半導体素子10やその他の部材を実装した半導体装置または半導体モジュールが製造できる。これらの半導体装置100は、特に接合部において優れた電気伝導性、熱伝導性、耐熱サイクル寿命を有するため、高温動作環境に対応でき、熱ストレスに優れる。特に、大電流を扱う電力用半導体装置は高温で使用されるので、更に効果が顕著となる。
However, the heat treatment (step S150) may be performed in a state where a predetermined load is applied to the
上記のように回路基板11に実装された半導体素子10に対して、例えば、半導体素子10と銅端子18間を銅製のインナーフレーム16によって電気的に接続し、半導体素子10と図示しない外部電極とを電気接続する。こういった接続を繰り返し、半導体装置100が形成されていく。なお、半導体素子10の上面には厳密にはゲートパッドやソース電極が形成されているが、図では簡略化して上面全体にソース電極が形成されているものとして記載している。また、半導体素子10のソース電極の表面には、接続を良くするための図示しない厚さ数μmの薄いアルミニウムの下地(電極)が形成されている。
For example, the
上記半導体素子100を動作させると、動作温度が200℃以上に上昇し、一時的には数百度まで上昇することがある。しかし、本実施の形態のようなTi層3に隣接してSb層4を備えた半導体素子10をすず基はんだ8を用いて接合すると、接合部に強固なTi−Sb−Sn3元合金層が形成され、高温でも強固な接合強度を維持することができる。
When the
ここで、たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子に、炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。 Here, for example, when silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond is used for a semiconductor element that functions as a switching element or a rectifying element, power loss is lower than that of a conventionally formed element made of silicon. Therefore, the efficiency of the power semiconductor device can be increased. Further, since the withstand voltage is high and the allowable current density is also high, the power semiconductor device can be downsized. In addition, wide band gap semiconductor elements have high heat resistance, so they can operate at high temperatures, and the heat sink fins can be downsized and the water cooling section can be air cooled. Is possible.
一方、ワイドバンドギャップ半導体素子の性能を発揮するには、半導体素子に電流が流れるときの電気抵抗を下げるとともに、半導体素子で発生した熱を効率よく放熱する必要がある。そのため、本発明の実施の形態に記載した半導体素子をすず基はんだで接合すれば、放熱特性、電気伝導性にも優れるとともに、製造時や駆動時の熱サイクル下でも強固な接合を維持できるので、信頼性の高い半導体装置や半導体モジュールを得ることができる。 On the other hand, in order to exhibit the performance of the wide band gap semiconductor element, it is necessary to reduce the electrical resistance when current flows through the semiconductor element and to efficiently dissipate the heat generated in the semiconductor element. Therefore, if the semiconductor element described in the embodiment of the present invention is joined with tin-base solder, it has excellent heat dissipation characteristics and electrical conductivity, and can maintain a strong joint even under a thermal cycle during manufacturing or driving. A highly reliable semiconductor device or semiconductor module can be obtained.
以上のように、本実施の形態にかかる半導体装置によれば、回路パターン17が形成された回路基板11と、回路パターン17上に実装された上記半導体素子10とを備え、半導体素子10と回路パターン11との接合に、すず基はんだを用いるようにしたので、製造時や駆動時の熱サイクル下でも強固な接合を維持し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
As described above, the semiconductor device according to the present embodiment includes the
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、回路パターン17上にすず基はんだ8のペーストを所定範囲に塗布し(ステップS120、S130)、すず基はんだ8のペーストを塗布した部分に上述した半導体素子10を設置し(ステップS140)、すず基はんだ8を溶融するように加熱する(ステップS150〜S160)、ようにしたので、製造時や駆動時の熱サイクル下でも強固な接合を維持し、信頼性の高い半導体装置100を得ることができる。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the paste of
とくに、前記すず基はんだ8にはSb含有量が5wt%以上のものを用いたので、さらに信頼性の高い半導体装置100が得られる。
In particular, since the tin-based
1 半導体基材、 2 シリサイドを形成するための金属層(2S:シリサイド層)、
3 Ti層(第1金属層)(3A:Ti−Sb−Sn3元合金化層)、 4 Sb層(第2金属層)、 5 第3金属層(5A:Ni−Sn合金化層)、 6 Au層(第4金属層)、 7 銅板(導電部材)、 8 すず基はんだ(8M:溶融後)
11 回路基板、 17 回路パターン(導電部材)、 100 半導体装置。
1 semiconductor substrate, 2 metal layer for forming silicide (2S: silicide layer),
3 Ti layer (first metal layer) (3 A : Ti—Sb—Sn ternary alloyed layer), 4 Sb layer (second metal layer), 5 Third metal layer (5 A : Ni—Sn alloyed layer) , 6 Au layer (4th metal layer), 7 Copper plate (conductive member), 8 Tin-based solder (8M: after melting)
11 Circuit board, 17 Circuit pattern (conductive member), 100 Semiconductor device .
Claims (6)
半導体材料からなる基材の前記導電部材との接合面に、
シリサイド層と、
チタンからなる第1の金属層と、
アンチモンからなる第2の金属層と、
ニッケル層、銅層、銅層上にニッケル層を積層した層、およびタンタル層上に銅層を積層した層、のいずれかからなる第3の金属層と、が
前記基材側から順次積層されており、
前記第2の金属層の厚みが50nm以上であることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor element for joining to a conductive member using tin-based solder,
On the joint surface with the conductive member of the base material made of a semiconductor material,
A silicide layer;
A first metal layer made of titanium;
A second metal layer made of antimony;
A third metal layer comprising any one of a nickel layer, a copper layer, a layer obtained by laminating a nickel layer on the copper layer, and a layer obtained by laminating a copper layer on the tantalum layer is sequentially laminated from the base material side. and,
A semiconductor element, wherein the thickness of the second metal layer is 50 nm or more .
前記回路パターン上に実装された請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体素子と、を備え
前記半導体素子の前記回路パターンへの接合に、すず基はんだを用いたことを特徴とする半導体装置。 A circuit board on which a circuit pattern is formed;
A semiconductor element according to any one of claims 1 to 3 mounted on the circuit pattern, wherein a tin-based solder is used for joining the semiconductor element to the circuit pattern. Semiconductor device.
前記すず基はんだのペーストを塗布した部分に請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体素子を設置し、
前記すず基はんだが溶融するように加熱する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Apply tin-based solder paste to a predetermined area on the circuit pattern of the circuit board constituting the semiconductor device,
The semiconductor element according to any one of claims 1 to 3 is installed in a portion where the tin-based solder paste is applied,
Heating so that the tin-based solder melts;
A method for manufacturing a semiconductor device.
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