接続材料付き半導体素子およびその製造方法
【課題】はんだ接続時の接続不良を低減し、パワー半導体素子を歩留りよく接続することができる接続材料付き半導体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体材料１の表面に設けられた電極２となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層５と、を備え、前記接続金属層５は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなるものである。
【解決手段】半導体材料１の表面に設けられた電極２となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層５と、を備え、前記接続金属層５は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、Ｐｂフリーの接合材料をパワー半導体素子側に備えた接続材料付き半導体素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージ内部に用いられるはんだ材、あるいはパワー半導体素子（単に半導体素子ともいう。）のダイボンディングに用いられるはんだ材などには、従来、鉛（Ｐｂ）を多く含み融点が３００℃近傍のはんだ（いわゆる高鉛はんだ）が使用されてきた。
【０００３】
例えば、電源や電力などの制御や供給を行うダイオード、トランジスタなどのパワー半導体（単に半導体ともいう。）では、これまで融点３００℃程度の高Ｐｂはんだにより、パワー半導体素子をリードフレームなどに接続されることが多かった。その理由は、汎用のパワー半導体素子を用いた半導体パッケージの場合は、半導体パッケージを基板に接続する際のはんだ付けで２６０℃などに加熱されるので、半導体パッケージ内部でパワー半導体素子とリードフレームを接合するはんだが溶けないように、融点の高い高Ｐｂはんだを使用する必要があったためである。
【０００４】
またパワーモジュールと呼ばれるパワー半導体を多数実装する機器では、両面に電極が形成されたセラミック基板の片面に、高Ｐｂはんだを用いてパワー半導体を実装し、もう片方の面は、融点の低いはんだを用いて放熱用のプレートなどに接続してきた。この場合も、融点の低いはんだでセラミック基板とプレートを接続する時に、パワー半導体とセラミック基板との接続部が溶けて不具合が生じることを回避するために、パワー半導体の接続部には、高Ｐｂはんだが用いられてきた。
【０００５】
しかし、近年では、環境意識の更なる高まりから、高Ｐｂはんだの代替材料がパワー半導体業界において、強く求められている。そして、このような状況に対応するため、高耐熱なＰｂフリーはんだとして以下のようなものが提案されている。
【０００６】
例えば特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ組成の高温はんだ付け用Ｚｎ合金が開示されている。この特許文献１では、共晶温度が３４０℃付近にあるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系３元共晶合金に、Ｇａを加えることで、高鉛はんだに近い２６５〜３５０℃の融点を実現する高温はんだ付け用Ｚｎ合金とすることが提案されている。
【０００７】
また、特許文献２には、共晶温度が３８０℃付近にあるＺｎ−Ａｌ系共晶合金に、Ｇｅ、Ｍｇ、さらにＳｎ、Ｉｎを添加することで、共晶温度をＰｂ系はんだ合金に近い高温はんだ付けＺｎ合金とすることが提案されている。
【０００８】
特許文献３には、半導体素子とフレームを接続するはんだとして、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎの三層にクラッドした高温はんだ付きＺｎ合金が提案されている。この高温はんだ付きＺｎ合金は、一般的に強固な酸化膜を形成するＡｌをＺｎでクラッドすることで、Ａｌ酸化膜の形成を回避して、濡れ性向上を図るものである。
【０００９】
また特許文献４には、フレームにＳｉチップをはんだ付けする鉛フリーはんだとして、Ｚｎ−４Ａｌ−１Ｉｎ系はんだの表面に、ＡｕまたはＡｇをコートし、Ｚｎ−４Ａｌ−１Ｉｎ系はんだの表面の酸化を抑止してぬれ性を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７２３５２号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８９５５号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、高Ｐｂはんだの代替材料が種々提案されているが、これら代替材料を用いて、パワー半導体素子をリードフレームなどにはんだ接続する場合、はんだ供給プロセスが重要である。
【００１２】
例えば、極めて高価な半導体であるレーザーダイオードをセラミック基板にはんだ接続する場合には、通常、セラミック基板上に、はんだ材料を蒸着によりはんだ膜を形成しておき、接合時に、レーザーダイオードの電極をはんだ膜に押し付けて、加熱してはんだ膜を溶融させて接続するようにしている。
【００１３】
このはんだ膜は、蒸着やスパッタで形成するので、通常のはんだ材に比べて高価であるが、レーザーダイオードが極めて高価であるため、高い接続歩留りを確保するため、高品質なはんだ膜つきの基板が用いられてきた。
【００１４】
パワー半導体では、従来のＳｉではなく、損失の少ないＳｉＣやＧａＮなどの半導体材料を用いた半導体素子も開発され始めている。これらの半導体材料では、Ｓｉに比べて欠陥の少ない単結晶を造るのが難しく、半導体素子一つ当たりの価格も高い。このため、このような半導体材料を用いた高価なパワー半導体素子をリードフレームなどの被接続部材に歩留りよく接続するため、高Ｐｂはんだの代替となるはんだ材で、高品質なはんだ膜を形成する必要がある。
【００１５】
しかし、一般的なパワー半導体素子の接続プロセスを考えた場合に、上述した高品質なはんだ膜を形成した場合であっても、リードフレームなどの被接続部材との接続が不十分となり、接続不良が発生する可能性がある。
【００１６】
例えば、汎用のパワー半導体パッケージを作製する場合、線材、あるいはリボン材に加工されたはんだ材を、リードフレームに押し付けて溶融させ、この溶融したはんだ材の液滴の上からパワー半導体素子を押し付けて接続するものであるが、このような接続プロセスでは、溶融したはんだ材の液滴に酸素が混入し、酸化膜を形成してしまう問題がある。
【００１７】
すなわち、パワー半導体素子とリードフレームとの接続面であるはんだ材の表面に酸化膜が存在すると、濡れ性を劣化させることになり、パワー半導体素子およびリードフレームとはんだ材との接続が不十分となる。従って、一般的な接続プロセスでは、パワー半導体素子をリードフレーム上のはんだ材にダイボンディングする際の接続不良によって高い歩留まりが得られない場合があった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、はんだ接続時の接続不良を低減し、歩留りよく接続することができる接続材料付き半導体素子およびその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備え、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなることを特徴とする接続材料付き半導体素子である。
【００２０】
請求項２の発明は、前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に酸化防止金属層が形成されている請求項１に記載の接合材料付き半導体素子である。
【００２１】
請求項３の発明は、前記酸化防止金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つの金属層、またはこれらを複合した金属からなる請求項２に記載の接続材料付き半導体素子である。
【００２２】
請求項４の発明は、前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの金属からなる拡散抑制層、および前記酸化防止金属層がこの順に積層されている請求項２又は３に記載の接続材料付き半導体素子である。
【００２３】
請求項５の発明は、前記酸化防止金属層の厚さは、１０μｍ以下である請求項２〜４のいずれかに記載の接続材料付き半導体素子である。
【００２４】
請求項６の発明は、半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備えた半導体素子の製造方法において、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなると共に該積層体を蒸着法またはスパッタ法によって形成することを特徴とする接続材料付き半導体素子の製造方法である。
【００２５】
請求項７の発明は、前記接続金属層に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの拡散抑制層、酸化防止金属層を蒸着法またはスパッタ法によって、さらに形成する請求項６記載の接続材料付き半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、例えばパワー半導体のダイボンディングなどに、従来使用されてきた高鉛はんだの代替材料である鉛フリーはんだ材として、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ材料を適用する際に、パワー半導体の電極（金属層）にＺｎ−Ａｌ系はんだ材料を蒸着やスパッタ等にて予め形成しておくことで、リードフレームとの接合時に高い歩留りで接続できる半導体素子、およびその製造方法を提供することができるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の接続材料付き半導体部品の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明において、接続金属層の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明において、接続金属層の構成の他の例を示す図である。
【図４】本発明において、接続金属層の構成のさらに他の例を示す図である。
【図５】Ｚｎ−Ａｌ系合金の平衡状態図である。
【図６】図２に示した接続金属層に酸化防止金属層を設けて構成した接続金属層の一例を示す図である。
【図７】図４に示した接続金属層に拡散抑制層と酸化防止金属層を設けて構成した接続金属層の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２９】
図１は接続材料付き半導体素子の断面図を示したものである。
【００３０】
図１において、Ｓｉ、あるいはＳｉＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどからなる半導体材料１の下面には、コレクタ電極２が形成され、上面には、エミッタ電極３、ゲート電極４が形成される。半導体材料１とコレクタ電極２である金属層からなる半導体素子Ｄの表面には、すなわち、金属層の表面であって半導体材料１の表面に接する面とは異なる面（図１では半導体材料１の表面に接する面と対向する面）上には、金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層５が形成され、本発明の接続材料付き半導体素子Ｓが構成される。
【００３１】
なお、本実施の形態では、コレクタ電極２を金属層として、その表面上に接続金属層５を形成した例で説明するが、これに限定されず、エミッタ電極３やゲート電極４を金属層として、その表面上に接続金属層５を形成することであっても構わない。
【００３２】
接続金属層５は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなるもので、コレクタ電極２の表面に蒸着法またはスパッタ法によって形成する。
【００３３】
このような接続金属層５の形成は、ダイシング前のパワー半導体素子、電極が形成された半導体ウェハに、レジストによるマスク（Ａ）、あるいはメタルマスク（Ｂ）を用いて、蒸着やスパッタで形成することができる。
【００３４】
レジストマスク（Ａ）を用いる場合は、二通りの方法が挙げられる。
【００３５】
一つ目の方法（Ａ−１）は、半導体ウェハに、接続金属層を蒸着かスパッタにより所定の厚さで全面に形成し、その上にレジストをスピンコートして、ベーク、露光、ベーク、現像という処理で接続金属層を形成すべき部分以外にレジストが無いレジストパターンを形成し、その後ミリングあるいはエッチングにより余分な接続金属層を除去し、最後にレジストを除去、洗浄することで電極上に、パターン化された接続金属層５を形成する、という方法、いわゆる、ミリング法、エッチング法と呼ばれている方法で形成する。
【００３６】
レジストマスクを用いる場合のもう一つの方法（Ａ−２）は、電極形成まで完了した半導体ウェハに、レジストをスピンコートする。次にベーク、露光、ベーク、現像という処理で、接続金属層が形成されるべき場所に穴があいたレジストパターンを形成する。そして、蒸着やスパッタにより接続金属層を形成する。レジストパターンの穴のあいた部分では、接続金属層が電極に直接接触して密着する。その後、テープなどを利用して、レジストパターン上に形成されている接続金属層を剥ぎ取る。最後にレジストパターンを除去、洗浄することで、パターン化された接続金属層５を形成する。この方法はいわゆるリフトオフと呼ばれる方法である。
【００３７】
Ａ−１のミリング法やエッチング法のメリットは、接続金属層のパターンの輪郭がきれいにできることである。一方、接続金属層以外の部分が、ミリングやエッチングによりダメージを受ける可能性がある。Ａ−２のリフトオフ法のメリットは、接続金属層以外の部分がダメージを受けないが、接続金属層の外周の輪郭がきれいにならず、バリが含まれる場合がある、というデメリットがある。
【００３８】
もう一つの方法は、メタルマスク（Ｂ）を用いる方法である。
【００３９】
メタルマスクは、金属箔をエッチングすることで穴をあけたもので、このメタルマスクを半導体ウェハに密着させ、治具などを用いて固定し、その状態で蒸着やスパッタを用いて、接続金属層を成膜する。メタルマスクの穴を通過した金属粒子が電極上に堆積して、接続金属層５が形成される。
【００４０】
メタルマスク（Ｂ）のメリットは、工程が簡略であること、マスクの繰り返し使用が可能であること、デメリットは、メタルマスクと半導体ウェハの間に隙間があると、そこに金属粒子が入り込んで、意図しない部分に接続金属層のパターン形成される場合があること、などである。
【００４１】
上記に述べたＡ、Ｂの方法のいずれにもメリット、デメリットがある。レジストパターンを用いる場合は、レジストパターンの厚さが薄いと、リフトオフがうまく出来ないことがある。
【００４２】
また接続金属層５が厚いと、ミリングやエッチングでパターン形成する場合、レジストの下も、端から徐々に削られる、いわゆるサイドエッチングの問題もある。したがって、数μｍ程度の比較的薄い接続金属層５を得る場合は、レジストパターンを用いる方法が適している。厚い接続金属層５を得たい場合は、メタルマスクを厚くして、メタルマスク上に堆積した金属粒子と、電極上に堆積した金属粒子がつながらないようにしてやれば、対応できるので、メタルマスクを用いる方法は、厚い接続金属層５に向いている。
【００４３】
一般にパワー半導体素子を、リードフレームや基板に接続する場合、従来技術で述べたように、パワー半導体素子とリードフレームや基板などの被接続材料間に接続金属層を介在させ、パワー半導体素子を押し付けて接続する。しかし、接続金属層の表面に酸化膜が形成されている場合には、それが濡れ性を阻害する懸念がある。
【００４４】
本発明においては、接続金属層５を、蒸着法またはスパッタ法にてパワー半導体材料１と金属層（コレクタ電極２又はエミッタ電極３）からなる半導体素子Ｄに予め形成しておくことで、酸化膜による影響をなくすことができるようにしたものである。
【００４５】
すなわち、蒸着装置やスパッタ装置などでは、蒸着やスパッタ等の真空下にて接続金属層を形成するものであり、コレクタ電極２又はエミッタ電極３である金属層と接続金属層５間には酸化膜は存在せず、またその後接続金属層５をリードフレームにはんだ接合する際には、その接続設備では、例えば、スパッタやミリング、あるいはプラズマ洗浄などを備えており、接続金属層５を形成した後に、仮に接続金属層５の表面の酸化膜が形成されていても、接続時に、その酸化膜を除去してから接続できるため、接続金属層の形成後に、仮にその表面に酸化膜が形成されていても、それ程大きな問題とならない。
【００４６】
次に、図２〜図５により、接続金属層５の具体的な実施形態を説明する。
【００４７】
図２は、本実施の形態に係る接続材料付き半導体素子Ｓにおいて、接続金属層５から半導体材料１までの積層構造を示す拡大断面図である。
【００４８】
パワー半導体材料１の下面に、電極層６、電極表面層７からなるコレクタ電極２が形成されて半導体素子Ｄが構成される。電極層６は、半導体材料１とのオーミックコンタクト、密着性を考慮して形成されている。電極表面層７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどが好適である。
【００４９】
この電極表面層７の下面に、電極表面層７側からＺｎ層８、Ａｌ層９が順次形成されて接続金属層５が構成されている。Ｚｎ層８を形成する前に、電極表面層７の表面をクリーニングした方が、Ｚｎ層８との密着を高めることができる。Ｚｎ層８を形成してから、Ａｌ層９は、蒸着、あるいはスパッタの真空槽をあけることなく、連続で成膜する。
【００５０】
その理由は、途中で真空槽をあけてしまうと、表面が酸化され、層間の密着が得られなくなるためである。
【００５１】
Ｚｎ層８、Ａｌ層９の厚さの比は、例えばＺｎ９：Ａｌ１．５などが好適である。このような比にすることで、Ｚｎ−６Ａｌ共晶（融点３８２℃）組成となる。この比をそのまま厚さとすると、例えば、Ｚｎ９μｍ、Ａｌ１．５μｍになり、トータルの厚さが１０．５μｍの接続金属層５となる。
【００５２】
図３は、半導体素子Ｄの下面に形成する接続金属層５としてのＺｎ層８とＡｌ層９の配置を、図２の配置と逆にしたものであり、電極表面層７の下面に、電極表面層７側からＡｌ層９、Ｚｎ層８がこの順で形成されて接続金属層５が構成されている。製造方法や、厚さ、組成については図２の実施の形態と同様である。
【００５３】
図４は、半導体素子Ｄの下面に形成する接続金属層５としてのＺｎとＡｌを分離せず、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０を形成して接続金属層５を構成するものである。Ｚｎ−Ａｌ合金層の厚さは、数μｍ以上、１０μｍ以下程度が好適である。
【００５４】
これまでに述べたＺｎとＡｌからなる接続金属層５は、組成はＺｎ−６Ａｌ共晶組成が好適ではあるが、必ずしもこの組成に限定されるものではない。
【００５５】
図５に、Ｚｎ−Ａｌ系共晶合金の平衡状態図を示す。
【００５６】
図５において、ｌは液相線、ｓは固相線で、Ａｌの融点６６０．４５２℃、Ｚｎの融点４１９．５８℃であり、共晶温度は３８１℃、共晶点はＺｎ濃度９４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度６．０ｍａｓｓ％である。
【００５７】
パワー半導体素子の接続には、耐熱性の観点から純Ｚｎを適用することは可能である。したがって、純Ｚｎの融点（４１９．５８℃）と同等の温度である図示の一点鎖線と液相線ｌが交わるＺｎ濃度は９０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度は１０ｍａｓｓ％であり、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下の範囲のＺｎ−０〜１０Ａｌは、接続に用いることができ、その溶融温度は、共晶点（Ｚｎ濃度９４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度６．０ｍａｓｓ％）の３８１℃から純Ｚｎの融点、Ｚｎ−１０Ａｌの溶融温度である４１９．５８℃の範囲にあるものを用いることができる。
【００５８】
図２、図３、図４に示した実施の形態では、Ｚｎ、Ａｌがいずれも表面を露出した状態となっている。この状態は、表面の酸化膜による濡れ不良の懸念があるので、リードフレームと接続する際には、事前の酸化膜除去が必要であるが、それでも酸化膜の除去が不足の場合は接続時の半導体素子のスクラブ（擦りつけ）を念入りに行う必要がある。
【００５９】
酸化膜除去ができるような特殊な接続設備は、設備自体のコストが大きくなる。より一般的な、熱圧着のみで接続できるような設備では、接続金属層の表面の酸化を抑制する必要がある。このためには、接続金属層５の表面に、すなわち金属層の表面に接する面と対向する面上に、酸化防止金属層を形成するのが好適である。このような酸化防止金属層としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つからなる金属、またはこれらを複合した金属が好適である。
【００６０】
このような酸化防止金属層は、図２、図３、図４に示した実施の形態において、図２の例では、Ａｌ層９に連続して、図３の例ではＺｎ層８に連続して、図４の例では、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０に連続して、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つ或いはこれらを複合した金属を、蒸着、あるいはスパッタで酸化防止金属層を形成する。つまり、酸化防止金属層は、Ａｌ層９、Ｚｎ層８、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の表面上にそれらの層と接するように設けられている。
【００６１】
このように接続金属層５の表面に酸化防止金属層を形成することにより、接続金属層５の表面酸化が抑制され、濡れ性を向上させることができる。
【００６２】
なお、酸化防止金属層がＺｎ層８やＺｎ−Ａｌ合金層１０に接するように連続して形成された場合、酸化防止金属層へのＺｎの拡散が速いため、酸化防止金属層による酸化防止の効果をより安定して得られるようにＺｎ層８、あるいはＺｎ−Ａｌ合金層１０と酸化防止金属層の間に、拡散抑制層を配置することで、酸化防止金属層へのＺｎの拡散を抑制することがよい。
【００６３】
拡散抑制層には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗなどの金属が好適である。これらの金属を用いる場合に注意すべきことは、本質的に拡散を抑制できる金属は、溶融時に溶解しにくいということである。このため拡散抑制層の形成では厚さに注意する必要がある。Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗは、融点が高い金属であるため、溶解が遅い。したがって、厚さは０．０５〜０．２μｍ程度の厚さとすべきである。一方、Ａｌは、Ｚｎの拡散抑制効果が得られる金属でありながら、Ｚｎ−Ａｌはんだの成分でもある。したがって、Ｚｎ層、Ｚｎ−Ａｌ層の表面上にＡｌ層を配置することでＡｌ層の拡散抑制効果を得ることができる。
【００６４】
図６は、図２で説明した実施の形態において、Ｚｎ層８、Ａｌ層９で構成された接続金属層５のＡｌ層９の下面に、酸化防止金属層の一例としてＣｕ層１１を形成した実施の形態を示したものである。
【００６５】
この図６に示す実施の形態においては、Ａｌ層９の下面に、酸化防止金属層としてＣｕ層１１を形成することで、Ａｌ層９が、接続金属層５を構成するのと同時に拡散抑制層としての機能も発揮するものである。
【００６６】
Ｚｎ層８、Ａｌ層９、Ｃｕ層１１の厚さの比は、例えばＺｎ９：Ａｌ１．５：Ｃｕ０．１などが好適である。このような比にすることで、Ｚｎ−６Ａｌ共晶（融点３８２℃）にＣｕが僅かに添加された組成となる。この比をそのまま厚さとすると、例えば、Ｚｎ９μｍ、Ａｌ１．５μｍ、Ｃｕ０．１μｍになり、トータルの厚さが１０．６μｍの接続金属層５となる。
【００６７】
このような構成とすることで、Ａｌ層がＺｎの拡散を抑制し、Ｃｕ層による酸化抑制効果を長期間得ることができる。
【００６８】
また、図３で説明した実施の形態の接続金属層５では、その下面にＺｎ層８が、図４で説明した実施の形態の接続金属層５では、その下面にＺｎ−Ａｌ合金層１０が形成され、これら層に酸化防止金属層であるＣｕ層１１を直接形成するとＺｎがＣｕ層１１に拡散してしまう。
【００６９】
そこで、図４で説明した実施の形態において、酸化防止金属層を形成する場合には、図７に示すように、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の表面に、拡散防止層としてのＡｌ層９、酸化防止金属層の一例としてＣｕ層１１を形成することが好ましい。
【００７０】
接続金属層５の厚さは数μｍ〜１０μｍ程度が好適である。Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の組成を、例えばＺｎ−５Ａｌにしておき、拡散防止層としてのＡｌ層９の厚さは、ちょうど接続金属層５の平均組成がＺｎ−６Ａｌとなるような厚さを選択することで、全体を共晶近傍の組成とすることができる。
【００７１】
また酸化防止金属層であるＣｕ層１１の厚さは、０．１μｍなどが好適である。
【００７２】
なお、すべての実施の形態で、原理的には、ＺｎやＡｌを厚く形成し、それに伴い酸化防止金属層を厚くして酸化を防止することができるが、本発明では、酸化防止金属層の厚さの上限を１０μｍ、接続金属層の厚さの上限を２０μｍとする。
【００７３】
その理由は、極端に厚いはんだ材を形成するのは不経済であること、あまりに厚い接続金属層では、はみ出してショートする可能性が高くなるためである。
【００７４】
次に、接続金属層、酸化防止金属層の各層厚と組成比の具体例を表１に示す。
【００７５】
【表１】
【００７６】
表１において、比較例１、２は、純Ｚｎで層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成したもの、実施例１、２は、Ｚｎ−１０Ａｌ合金で層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成したもの、比較例３、４は、比較例１、２の接続金属層に酸化防止金属層としてＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１０μｍにそれぞれ形成したもの、実施例３、４は、Ｚｎ−６Ａｌ合金で、層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成し、さらにＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１μｍにそれぞれ形成したもの、実施例５、６は、純Ｚｎで層厚を、それぞれ４．５μｍ、９μｍにし、そのＺｎ層の表面上にＡｌ層を、それぞれ０．７５μｍ、１．５μｍにして積層してＺｎ／Ａｌ積層体からなる接続金属層を形成し、さらにＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１μｍに、それぞれ形成したものである。
【００７７】
比較例１、２は、純Ｚｎで接続金属層が形成されているため、Ａｌと同様に酸化膜が形成されやすく、また比較例３、４は、酸化防止金属層のＣｕを形成しても、ＣｕにＺｎが拡散してしまい、酸化膜が形成されやすい。
【００７８】
これに対して、実施例１、２は、Ｚｎ−１０Ａｌ合金で層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成しており、また実施例３、４は、Ｚｎ−６Ａｌ合金からなる接続金属層にＣｕ層からなる酸化防止金属層を形成したものであり、リードフレームとの濡れ性がよい。
【００７９】
ここで、最も濡れ性に優れるのは、実施例５、６の構成である。
【００８０】
ここでは実施例６を具体的な例として説明する。
【００８１】
実施例６は、層厚が１０．６μｍとなるので、メタルマスクを用いた方が作製しやすい。具体的には、メタルマスクをデバイス、電極を形成したＳｉウェハからなる半導体材料の表面上に治具を用いて固定し、その治具をスパッタ装置、あるいは蒸着装置にセットする。そして、Ｚｎを９μｍ、Ａｌを１．５μｍ、Ｃｕを０．１μｍで成膜して接続材料付きの半導体素子を形成する。
【００８２】
治具から半導体素子を取り出し、ダイシングした後、各半導体素子は、ダイボンド装置でダイシングテープからピックアップされて、３９０℃などに加熱されたリードフレームに押し付けられて、接続金属層が溶融してリードフレームに接続される。
【００８３】
上記に述べた構成が最適である理由を述べる。
【００８４】
まず、酸化防止金属層としては最も低価格なＣｕが好適である。Ｃｕは酸化するが、一般的に半導体素子は還元雰囲気中で接続されるため、Ｃｕの酸化は問題とならない。
【００８５】
Ｚｎ／Ａｌ積層体のＡｌ層は拡散抑制層としての機能も果たすと同時に、Ｚｎと共晶して溶解する、接続金属層としての一成分でもある。したがって、固体状態では拡散を抑制し、溶融するときには、溶解性に優れる。接続金属層の全体の厚さについては、数μｍで接合は可能であるが、薄くなるほど、半導体素子を強い力で押し付ける必要がある。１０μｍ程度の厚さがあれば、比較的小さい力の押し付けで接続できる。
【００８６】
Ｃｕ以外の酸化防止金属層として、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどを用いることができる。これらの金属はＣｕよりも値段が高い傾向があり、高コストとなるが、厚さを薄くすれば、コスト的に問題なく使用できる。
【００８７】
また、拡散抑制層として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗなどを用いることができる。これらの金属は、高融点な金属であり、溶融しにくいが、これらの金属を用いる場合は、厚さを薄くして用いれば容易に溶融できる。
【符号の説明】
【００８８】
１ 半導体材料
２ コレクタ電極（金属層）
５ 接続金属層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、Ｐｂフリーの接合材料をパワー半導体素子側に備えた接続材料付き半導体素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージ内部に用いられるはんだ材、あるいはパワー半導体素子（単に半導体素子ともいう。）のダイボンディングに用いられるはんだ材などには、従来、鉛（Ｐｂ）を多く含み融点が３００℃近傍のはんだ（いわゆる高鉛はんだ）が使用されてきた。
【０００３】
例えば、電源や電力などの制御や供給を行うダイオード、トランジスタなどのパワー半導体（単に半導体ともいう。）では、これまで融点３００℃程度の高Ｐｂはんだにより、パワー半導体素子をリードフレームなどに接続されることが多かった。その理由は、汎用のパワー半導体素子を用いた半導体パッケージの場合は、半導体パッケージを基板に接続する際のはんだ付けで２６０℃などに加熱されるので、半導体パッケージ内部でパワー半導体素子とリードフレームを接合するはんだが溶けないように、融点の高い高Ｐｂはんだを使用する必要があったためである。
【０００４】
またパワーモジュールと呼ばれるパワー半導体を多数実装する機器では、両面に電極が形成されたセラミック基板の片面に、高Ｐｂはんだを用いてパワー半導体を実装し、もう片方の面は、融点の低いはんだを用いて放熱用のプレートなどに接続してきた。この場合も、融点の低いはんだでセラミック基板とプレートを接続する時に、パワー半導体とセラミック基板との接続部が溶けて不具合が生じることを回避するために、パワー半導体の接続部には、高Ｐｂはんだが用いられてきた。
【０００５】
しかし、近年では、環境意識の更なる高まりから、高Ｐｂはんだの代替材料がパワー半導体業界において、強く求められている。そして、このような状況に対応するため、高耐熱なＰｂフリーはんだとして以下のようなものが提案されている。
【０００６】
例えば特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｇａ組成の高温はんだ付け用Ｚｎ合金が開示されている。この特許文献１では、共晶温度が３４０℃付近にあるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系３元共晶合金に、Ｇａを加えることで、高鉛はんだに近い２６５〜３５０℃の融点を実現する高温はんだ付け用Ｚｎ合金とすることが提案されている。
【０００７】
また、特許文献２には、共晶温度が３８０℃付近にあるＺｎ−Ａｌ系共晶合金に、Ｇｅ、Ｍｇ、さらにＳｎ、Ｉｎを添加することで、共晶温度をＰｂ系はんだ合金に近い高温はんだ付けＺｎ合金とすることが提案されている。
【０００８】
特許文献３には、半導体素子とフレームを接続するはんだとして、Ｚｎ／Ａｌ／Ｚｎの三層にクラッドした高温はんだ付きＺｎ合金が提案されている。この高温はんだ付きＺｎ合金は、一般的に強固な酸化膜を形成するＡｌをＺｎでクラッドすることで、Ａｌ酸化膜の形成を回避して、濡れ性向上を図るものである。
【０００９】
また特許文献４には、フレームにＳｉチップをはんだ付けする鉛フリーはんだとして、Ｚｎ−４Ａｌ−１Ｉｎ系はんだの表面に、ＡｕまたはＡｇをコートし、Ｚｎ−４Ａｌ−１Ｉｎ系はんだの表面の酸化を抑止してぬれ性を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７２３５２号公報
【特許文献２】特開平１１−２８８９５５号公報
【特許文献３】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、高Ｐｂはんだの代替材料が種々提案されているが、これら代替材料を用いて、パワー半導体素子をリードフレームなどにはんだ接続する場合、はんだ供給プロセスが重要である。
【００１２】
例えば、極めて高価な半導体であるレーザーダイオードをセラミック基板にはんだ接続する場合には、通常、セラミック基板上に、はんだ材料を蒸着によりはんだ膜を形成しておき、接合時に、レーザーダイオードの電極をはんだ膜に押し付けて、加熱してはんだ膜を溶融させて接続するようにしている。
【００１３】
このはんだ膜は、蒸着やスパッタで形成するので、通常のはんだ材に比べて高価であるが、レーザーダイオードが極めて高価であるため、高い接続歩留りを確保するため、高品質なはんだ膜つきの基板が用いられてきた。
【００１４】
パワー半導体では、従来のＳｉではなく、損失の少ないＳｉＣやＧａＮなどの半導体材料を用いた半導体素子も開発され始めている。これらの半導体材料では、Ｓｉに比べて欠陥の少ない単結晶を造るのが難しく、半導体素子一つ当たりの価格も高い。このため、このような半導体材料を用いた高価なパワー半導体素子をリードフレームなどの被接続部材に歩留りよく接続するため、高Ｐｂはんだの代替となるはんだ材で、高品質なはんだ膜を形成する必要がある。
【００１５】
しかし、一般的なパワー半導体素子の接続プロセスを考えた場合に、上述した高品質なはんだ膜を形成した場合であっても、リードフレームなどの被接続部材との接続が不十分となり、接続不良が発生する可能性がある。
【００１６】
例えば、汎用のパワー半導体パッケージを作製する場合、線材、あるいはリボン材に加工されたはんだ材を、リードフレームに押し付けて溶融させ、この溶融したはんだ材の液滴の上からパワー半導体素子を押し付けて接続するものであるが、このような接続プロセスでは、溶融したはんだ材の液滴に酸素が混入し、酸化膜を形成してしまう問題がある。
【００１７】
すなわち、パワー半導体素子とリードフレームとの接続面であるはんだ材の表面に酸化膜が存在すると、濡れ性を劣化させることになり、パワー半導体素子およびリードフレームとはんだ材との接続が不十分となる。従って、一般的な接続プロセスでは、パワー半導体素子をリードフレーム上のはんだ材にダイボンディングする際の接続不良によって高い歩留まりが得られない場合があった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、はんだ接続時の接続不良を低減し、歩留りよく接続することができる接続材料付き半導体素子およびその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備え、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなることを特徴とする接続材料付き半導体素子である。
【００２０】
請求項２の発明は、前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に酸化防止金属層が形成されている請求項１に記載の接合材料付き半導体素子である。
【００２１】
請求項３の発明は、前記酸化防止金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つの金属層、またはこれらを複合した金属からなる請求項２に記載の接続材料付き半導体素子である。
【００２２】
請求項４の発明は、前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの金属からなる拡散抑制層、および前記酸化防止金属層がこの順に積層されている請求項２又は３に記載の接続材料付き半導体素子である。
【００２３】
請求項５の発明は、前記酸化防止金属層の厚さは、１０μｍ以下である請求項２〜４のいずれかに記載の接続材料付き半導体素子である。
【００２４】
請求項６の発明は、半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備えた半導体素子の製造方法において、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなると共に該積層体を蒸着法またはスパッタ法によって形成することを特徴とする接続材料付き半導体素子の製造方法である。
【００２５】
請求項７の発明は、前記接続金属層に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの拡散抑制層、酸化防止金属層を蒸着法またはスパッタ法によって、さらに形成する請求項６記載の接続材料付き半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、例えばパワー半導体のダイボンディングなどに、従来使用されてきた高鉛はんだの代替材料である鉛フリーはんだ材として、Ｚｎ−Ａｌ系はんだ材料を適用する際に、パワー半導体の電極（金属層）にＺｎ−Ａｌ系はんだ材料を蒸着やスパッタ等にて予め形成しておくことで、リードフレームとの接合時に高い歩留りで接続できる半導体素子、およびその製造方法を提供することができるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の接続材料付き半導体部品の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明において、接続金属層の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明において、接続金属層の構成の他の例を示す図である。
【図４】本発明において、接続金属層の構成のさらに他の例を示す図である。
【図５】Ｚｎ−Ａｌ系合金の平衡状態図である。
【図６】図２に示した接続金属層に酸化防止金属層を設けて構成した接続金属層の一例を示す図である。
【図７】図４に示した接続金属層に拡散抑制層と酸化防止金属層を設けて構成した接続金属層の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２９】
図１は接続材料付き半導体素子の断面図を示したものである。
【００３０】
図１において、Ｓｉ、あるいはＳｉＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどからなる半導体材料１の下面には、コレクタ電極２が形成され、上面には、エミッタ電極３、ゲート電極４が形成される。半導体材料１とコレクタ電極２である金属層からなる半導体素子Ｄの表面には、すなわち、金属層の表面であって半導体材料１の表面に接する面とは異なる面（図１では半導体材料１の表面に接する面と対向する面）上には、金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層５が形成され、本発明の接続材料付き半導体素子Ｓが構成される。
【００３１】
なお、本実施の形態では、コレクタ電極２を金属層として、その表面上に接続金属層５を形成した例で説明するが、これに限定されず、エミッタ電極３やゲート電極４を金属層として、その表面上に接続金属層５を形成することであっても構わない。
【００３２】
接続金属層５は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなるもので、コレクタ電極２の表面に蒸着法またはスパッタ法によって形成する。
【００３３】
このような接続金属層５の形成は、ダイシング前のパワー半導体素子、電極が形成された半導体ウェハに、レジストによるマスク（Ａ）、あるいはメタルマスク（Ｂ）を用いて、蒸着やスパッタで形成することができる。
【００３４】
レジストマスク（Ａ）を用いる場合は、二通りの方法が挙げられる。
【００３５】
一つ目の方法（Ａ−１）は、半導体ウェハに、接続金属層を蒸着かスパッタにより所定の厚さで全面に形成し、その上にレジストをスピンコートして、ベーク、露光、ベーク、現像という処理で接続金属層を形成すべき部分以外にレジストが無いレジストパターンを形成し、その後ミリングあるいはエッチングにより余分な接続金属層を除去し、最後にレジストを除去、洗浄することで電極上に、パターン化された接続金属層５を形成する、という方法、いわゆる、ミリング法、エッチング法と呼ばれている方法で形成する。
【００３６】
レジストマスクを用いる場合のもう一つの方法（Ａ−２）は、電極形成まで完了した半導体ウェハに、レジストをスピンコートする。次にベーク、露光、ベーク、現像という処理で、接続金属層が形成されるべき場所に穴があいたレジストパターンを形成する。そして、蒸着やスパッタにより接続金属層を形成する。レジストパターンの穴のあいた部分では、接続金属層が電極に直接接触して密着する。その後、テープなどを利用して、レジストパターン上に形成されている接続金属層を剥ぎ取る。最後にレジストパターンを除去、洗浄することで、パターン化された接続金属層５を形成する。この方法はいわゆるリフトオフと呼ばれる方法である。
【００３７】
Ａ−１のミリング法やエッチング法のメリットは、接続金属層のパターンの輪郭がきれいにできることである。一方、接続金属層以外の部分が、ミリングやエッチングによりダメージを受ける可能性がある。Ａ−２のリフトオフ法のメリットは、接続金属層以外の部分がダメージを受けないが、接続金属層の外周の輪郭がきれいにならず、バリが含まれる場合がある、というデメリットがある。
【００３８】
もう一つの方法は、メタルマスク（Ｂ）を用いる方法である。
【００３９】
メタルマスクは、金属箔をエッチングすることで穴をあけたもので、このメタルマスクを半導体ウェハに密着させ、治具などを用いて固定し、その状態で蒸着やスパッタを用いて、接続金属層を成膜する。メタルマスクの穴を通過した金属粒子が電極上に堆積して、接続金属層５が形成される。
【００４０】
メタルマスク（Ｂ）のメリットは、工程が簡略であること、マスクの繰り返し使用が可能であること、デメリットは、メタルマスクと半導体ウェハの間に隙間があると、そこに金属粒子が入り込んで、意図しない部分に接続金属層のパターン形成される場合があること、などである。
【００４１】
上記に述べたＡ、Ｂの方法のいずれにもメリット、デメリットがある。レジストパターンを用いる場合は、レジストパターンの厚さが薄いと、リフトオフがうまく出来ないことがある。
【００４２】
また接続金属層５が厚いと、ミリングやエッチングでパターン形成する場合、レジストの下も、端から徐々に削られる、いわゆるサイドエッチングの問題もある。したがって、数μｍ程度の比較的薄い接続金属層５を得る場合は、レジストパターンを用いる方法が適している。厚い接続金属層５を得たい場合は、メタルマスクを厚くして、メタルマスク上に堆積した金属粒子と、電極上に堆積した金属粒子がつながらないようにしてやれば、対応できるので、メタルマスクを用いる方法は、厚い接続金属層５に向いている。
【００４３】
一般にパワー半導体素子を、リードフレームや基板に接続する場合、従来技術で述べたように、パワー半導体素子とリードフレームや基板などの被接続材料間に接続金属層を介在させ、パワー半導体素子を押し付けて接続する。しかし、接続金属層の表面に酸化膜が形成されている場合には、それが濡れ性を阻害する懸念がある。
【００４４】
本発明においては、接続金属層５を、蒸着法またはスパッタ法にてパワー半導体材料１と金属層（コレクタ電極２又はエミッタ電極３）からなる半導体素子Ｄに予め形成しておくことで、酸化膜による影響をなくすことができるようにしたものである。
【００４５】
すなわち、蒸着装置やスパッタ装置などでは、蒸着やスパッタ等の真空下にて接続金属層を形成するものであり、コレクタ電極２又はエミッタ電極３である金属層と接続金属層５間には酸化膜は存在せず、またその後接続金属層５をリードフレームにはんだ接合する際には、その接続設備では、例えば、スパッタやミリング、あるいはプラズマ洗浄などを備えており、接続金属層５を形成した後に、仮に接続金属層５の表面の酸化膜が形成されていても、接続時に、その酸化膜を除去してから接続できるため、接続金属層の形成後に、仮にその表面に酸化膜が形成されていても、それ程大きな問題とならない。
【００４６】
次に、図２〜図５により、接続金属層５の具体的な実施形態を説明する。
【００４７】
図２は、本実施の形態に係る接続材料付き半導体素子Ｓにおいて、接続金属層５から半導体材料１までの積層構造を示す拡大断面図である。
【００４８】
パワー半導体材料１の下面に、電極層６、電極表面層７からなるコレクタ電極２が形成されて半導体素子Ｄが構成される。電極層６は、半導体材料１とのオーミックコンタクト、密着性を考慮して形成されている。電極表面層７は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどが好適である。
【００４９】
この電極表面層７の下面に、電極表面層７側からＺｎ層８、Ａｌ層９が順次形成されて接続金属層５が構成されている。Ｚｎ層８を形成する前に、電極表面層７の表面をクリーニングした方が、Ｚｎ層８との密着を高めることができる。Ｚｎ層８を形成してから、Ａｌ層９は、蒸着、あるいはスパッタの真空槽をあけることなく、連続で成膜する。
【００５０】
その理由は、途中で真空槽をあけてしまうと、表面が酸化され、層間の密着が得られなくなるためである。
【００５１】
Ｚｎ層８、Ａｌ層９の厚さの比は、例えばＺｎ９：Ａｌ１．５などが好適である。このような比にすることで、Ｚｎ−６Ａｌ共晶（融点３８２℃）組成となる。この比をそのまま厚さとすると、例えば、Ｚｎ９μｍ、Ａｌ１．５μｍになり、トータルの厚さが１０．５μｍの接続金属層５となる。
【００５２】
図３は、半導体素子Ｄの下面に形成する接続金属層５としてのＺｎ層８とＡｌ層９の配置を、図２の配置と逆にしたものであり、電極表面層７の下面に、電極表面層７側からＡｌ層９、Ｚｎ層８がこの順で形成されて接続金属層５が構成されている。製造方法や、厚さ、組成については図２の実施の形態と同様である。
【００５３】
図４は、半導体素子Ｄの下面に形成する接続金属層５としてのＺｎとＡｌを分離せず、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０を形成して接続金属層５を構成するものである。Ｚｎ−Ａｌ合金層の厚さは、数μｍ以上、１０μｍ以下程度が好適である。
【００５４】
これまでに述べたＺｎとＡｌからなる接続金属層５は、組成はＺｎ−６Ａｌ共晶組成が好適ではあるが、必ずしもこの組成に限定されるものではない。
【００５５】
図５に、Ｚｎ−Ａｌ系共晶合金の平衡状態図を示す。
【００５６】
図５において、ｌは液相線、ｓは固相線で、Ａｌの融点６６０．４５２℃、Ｚｎの融点４１９．５８℃であり、共晶温度は３８１℃、共晶点はＺｎ濃度９４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度６．０ｍａｓｓ％である。
【００５７】
パワー半導体素子の接続には、耐熱性の観点から純Ｚｎを適用することは可能である。したがって、純Ｚｎの融点（４１９．５８℃）と同等の温度である図示の一点鎖線と液相線ｌが交わるＺｎ濃度は９０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度は１０ｍａｓｓ％であり、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下の範囲のＺｎ−０〜１０Ａｌは、接続に用いることができ、その溶融温度は、共晶点（Ｚｎ濃度９４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ濃度６．０ｍａｓｓ％）の３８１℃から純Ｚｎの融点、Ｚｎ−１０Ａｌの溶融温度である４１９．５８℃の範囲にあるものを用いることができる。
【００５８】
図２、図３、図４に示した実施の形態では、Ｚｎ、Ａｌがいずれも表面を露出した状態となっている。この状態は、表面の酸化膜による濡れ不良の懸念があるので、リードフレームと接続する際には、事前の酸化膜除去が必要であるが、それでも酸化膜の除去が不足の場合は接続時の半導体素子のスクラブ（擦りつけ）を念入りに行う必要がある。
【００５９】
酸化膜除去ができるような特殊な接続設備は、設備自体のコストが大きくなる。より一般的な、熱圧着のみで接続できるような設備では、接続金属層の表面の酸化を抑制する必要がある。このためには、接続金属層５の表面に、すなわち金属層の表面に接する面と対向する面上に、酸化防止金属層を形成するのが好適である。このような酸化防止金属層としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つからなる金属、またはこれらを複合した金属が好適である。
【００６０】
このような酸化防止金属層は、図２、図３、図４に示した実施の形態において、図２の例では、Ａｌ層９に連続して、図３の例ではＺｎ層８に連続して、図４の例では、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０に連続して、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つ或いはこれらを複合した金属を、蒸着、あるいはスパッタで酸化防止金属層を形成する。つまり、酸化防止金属層は、Ａｌ層９、Ｚｎ層８、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の表面上にそれらの層と接するように設けられている。
【００６１】
このように接続金属層５の表面に酸化防止金属層を形成することにより、接続金属層５の表面酸化が抑制され、濡れ性を向上させることができる。
【００６２】
なお、酸化防止金属層がＺｎ層８やＺｎ−Ａｌ合金層１０に接するように連続して形成された場合、酸化防止金属層へのＺｎの拡散が速いため、酸化防止金属層による酸化防止の効果をより安定して得られるようにＺｎ層８、あるいはＺｎ−Ａｌ合金層１０と酸化防止金属層の間に、拡散抑制層を配置することで、酸化防止金属層へのＺｎの拡散を抑制することがよい。
【００６３】
拡散抑制層には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗなどの金属が好適である。これらの金属を用いる場合に注意すべきことは、本質的に拡散を抑制できる金属は、溶融時に溶解しにくいということである。このため拡散抑制層の形成では厚さに注意する必要がある。Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗは、融点が高い金属であるため、溶解が遅い。したがって、厚さは０．０５〜０．２μｍ程度の厚さとすべきである。一方、Ａｌは、Ｚｎの拡散抑制効果が得られる金属でありながら、Ｚｎ−Ａｌはんだの成分でもある。したがって、Ｚｎ層、Ｚｎ−Ａｌ層の表面上にＡｌ層を配置することでＡｌ層の拡散抑制効果を得ることができる。
【００６４】
図６は、図２で説明した実施の形態において、Ｚｎ層８、Ａｌ層９で構成された接続金属層５のＡｌ層９の下面に、酸化防止金属層の一例としてＣｕ層１１を形成した実施の形態を示したものである。
【００６５】
この図６に示す実施の形態においては、Ａｌ層９の下面に、酸化防止金属層としてＣｕ層１１を形成することで、Ａｌ層９が、接続金属層５を構成するのと同時に拡散抑制層としての機能も発揮するものである。
【００６６】
Ｚｎ層８、Ａｌ層９、Ｃｕ層１１の厚さの比は、例えばＺｎ９：Ａｌ１．５：Ｃｕ０．１などが好適である。このような比にすることで、Ｚｎ−６Ａｌ共晶（融点３８２℃）にＣｕが僅かに添加された組成となる。この比をそのまま厚さとすると、例えば、Ｚｎ９μｍ、Ａｌ１．５μｍ、Ｃｕ０．１μｍになり、トータルの厚さが１０．６μｍの接続金属層５となる。
【００６７】
このような構成とすることで、Ａｌ層がＺｎの拡散を抑制し、Ｃｕ層による酸化抑制効果を長期間得ることができる。
【００６８】
また、図３で説明した実施の形態の接続金属層５では、その下面にＺｎ層８が、図４で説明した実施の形態の接続金属層５では、その下面にＺｎ−Ａｌ合金層１０が形成され、これら層に酸化防止金属層であるＣｕ層１１を直接形成するとＺｎがＣｕ層１１に拡散してしまう。
【００６９】
そこで、図４で説明した実施の形態において、酸化防止金属層を形成する場合には、図７に示すように、Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の表面に、拡散防止層としてのＡｌ層９、酸化防止金属層の一例としてＣｕ層１１を形成することが好ましい。
【００７０】
接続金属層５の厚さは数μｍ〜１０μｍ程度が好適である。Ｚｎ−Ａｌ合金層１０の組成を、例えばＺｎ−５Ａｌにしておき、拡散防止層としてのＡｌ層９の厚さは、ちょうど接続金属層５の平均組成がＺｎ−６Ａｌとなるような厚さを選択することで、全体を共晶近傍の組成とすることができる。
【００７１】
また酸化防止金属層であるＣｕ層１１の厚さは、０．１μｍなどが好適である。
【００７２】
なお、すべての実施の形態で、原理的には、ＺｎやＡｌを厚く形成し、それに伴い酸化防止金属層を厚くして酸化を防止することができるが、本発明では、酸化防止金属層の厚さの上限を１０μｍ、接続金属層の厚さの上限を２０μｍとする。
【００７３】
その理由は、極端に厚いはんだ材を形成するのは不経済であること、あまりに厚い接続金属層では、はみ出してショートする可能性が高くなるためである。
【００７４】
次に、接続金属層、酸化防止金属層の各層厚と組成比の具体例を表１に示す。
【００７５】
【表１】
【００７６】
表１において、比較例１、２は、純Ｚｎで層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成したもの、実施例１、２は、Ｚｎ−１０Ａｌ合金で層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成したもの、比較例３、４は、比較例１、２の接続金属層に酸化防止金属層としてＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１０μｍにそれぞれ形成したもの、実施例３、４は、Ｚｎ−６Ａｌ合金で、層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成し、さらにＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１μｍにそれぞれ形成したもの、実施例５、６は、純Ｚｎで層厚を、それぞれ４．５μｍ、９μｍにし、そのＺｎ層の表面上にＡｌ層を、それぞれ０．７５μｍ、１．５μｍにして積層してＺｎ／Ａｌ積層体からなる接続金属層を形成し、さらにＣｕ層を、層厚０．０５μｍ、０．１μｍに、それぞれ形成したものである。
【００７７】
比較例１、２は、純Ｚｎで接続金属層が形成されているため、Ａｌと同様に酸化膜が形成されやすく、また比較例３、４は、酸化防止金属層のＣｕを形成しても、ＣｕにＺｎが拡散してしまい、酸化膜が形成されやすい。
【００７８】
これに対して、実施例１、２は、Ｚｎ−１０Ａｌ合金で層厚を、それぞれ５μｍ、１０μｍにして接続金属層を形成しており、また実施例３、４は、Ｚｎ−６Ａｌ合金からなる接続金属層にＣｕ層からなる酸化防止金属層を形成したものであり、リードフレームとの濡れ性がよい。
【００７９】
ここで、最も濡れ性に優れるのは、実施例５、６の構成である。
【００８０】
ここでは実施例６を具体的な例として説明する。
【００８１】
実施例６は、層厚が１０．６μｍとなるので、メタルマスクを用いた方が作製しやすい。具体的には、メタルマスクをデバイス、電極を形成したＳｉウェハからなる半導体材料の表面上に治具を用いて固定し、その治具をスパッタ装置、あるいは蒸着装置にセットする。そして、Ｚｎを９μｍ、Ａｌを１．５μｍ、Ｃｕを０．１μｍで成膜して接続材料付きの半導体素子を形成する。
【００８２】
治具から半導体素子を取り出し、ダイシングした後、各半導体素子は、ダイボンド装置でダイシングテープからピックアップされて、３９０℃などに加熱されたリードフレームに押し付けられて、接続金属層が溶融してリードフレームに接続される。
【００８３】
上記に述べた構成が最適である理由を述べる。
【００８４】
まず、酸化防止金属層としては最も低価格なＣｕが好適である。Ｃｕは酸化するが、一般的に半導体素子は還元雰囲気中で接続されるため、Ｃｕの酸化は問題とならない。
【００８５】
Ｚｎ／Ａｌ積層体のＡｌ層は拡散抑制層としての機能も果たすと同時に、Ｚｎと共晶して溶解する、接続金属層としての一成分でもある。したがって、固体状態では拡散を抑制し、溶融するときには、溶解性に優れる。接続金属層の全体の厚さについては、数μｍで接合は可能であるが、薄くなるほど、半導体素子を強い力で押し付ける必要がある。１０μｍ程度の厚さがあれば、比較的小さい力の押し付けで接続できる。
【００８６】
Ｃｕ以外の酸化防止金属層として、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどを用いることができる。これらの金属はＣｕよりも値段が高い傾向があり、高コストとなるが、厚さを薄くすれば、コスト的に問題なく使用できる。
【００８７】
また、拡散抑制層として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗなどを用いることができる。これらの金属は、高融点な金属であり、溶融しにくいが、これらの金属を用いる場合は、厚さを薄くして用いれば容易に溶融できる。
【符号の説明】
【００８８】
１ 半導体材料
２ コレクタ電極（金属層）
５ 接続金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備え、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなることを特徴とする接続材料付き半導体素子。
【請求項２】
前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に酸化防止金属層が形成されている請求項１に記載の接合材料付き半導体素子。
【請求項３】
前記酸化防止金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つの金属層、またはこれらを複合した金属からなる請求項２に記載の接続材料付き半導体素子。
【請求項４】
前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの金属からなる拡散抑制層、および前記酸化防止金属層がこの順に積層されている請求項２又は３に記載の接続材料付き半導体素子。
【請求項５】
前記酸化防止金属層の厚さは、１０μｍ以下である請求項２〜４のいずれかに記載の接続材料付き半導体素子。
【請求項６】
半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備えた半導体素子の製造方法において、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなると共に該積層体を蒸着法またはスパッタ法によって形成することを特徴とする接続材料付き半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記接続金属層に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの拡散抑制層、酸化防止金属層を蒸着法またはスパッタ法によって、さらに形成する請求項６記載の接続材料付き半導体素子の製造方法。
【請求項１】
半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備え、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなることを特徴とする接続材料付き半導体素子。
【請求項２】
前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に酸化防止金属層が形成されている請求項１に記載の接合材料付き半導体素子。
【請求項３】
前記酸化防止金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔのうちの一つの金属層、またはこれらを複合した金属からなる請求項２に記載の接続材料付き半導体素子。
【請求項４】
前記接続金属層は、前記金属層の表面に接する面と対向する面上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの金属からなる拡散抑制層、および前記酸化防止金属層がこの順に積層されている請求項２又は３に記載の接続材料付き半導体素子。
【請求項５】
前記酸化防止金属層の厚さは、１０μｍ以下である請求項２〜４のいずれかに記載の接続材料付き半導体素子。
【請求項６】
半導体材料の表面に設けられた電極となる金属層と、前記金属層の表面であって前記半導体材料の表面に接する面とは異なる面上に設けられた、前記金属層を被接続部材に接続させるための接続金属層と、を備えた半導体素子の製造方法において、前記接続金属層は、Ａｌ濃度が０ｍａｓｓ％より大きく１０ｍａｓｓ％以下であるＺｎ−Ａｌ合金、またはＺｎとＡｌとを積層させて形成された積層体からなると共に該積層体を蒸着法またはスパッタ法によって形成することを特徴とする接続材料付き半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記接続金属層に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗのいずれかの拡散抑制層、酸化防止金属層を蒸着法またはスパッタ法によって、さらに形成する請求項６記載の接続材料付き半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８０８６３（Ｐ２０１３−８０８６３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１０２７（Ｐ２０１１−２２１０２７）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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