JP6153077B2 - 金属ナノ粒子ペースト、それを含有する接合材料、およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

金属ナノ粒子ペースト、それを含有する接合材料、およびそれを用いた半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、Cuナノ粒子を含有する金属ナノ粒子ペースト、それを含有する接合材料、および前記接合材料を用いた半導体装置に関する。
半導体素子の電極接合などにおいては、従来、Sn−Pb系はんだが用いられていたが、近年、環境保全の観点から、鉛フリーはんだといった新規な接合材料が求められている。また、半導体素子の接合技術においては、半導体素子への負荷を低減するために、低温での接合や無加圧での接合が可能な材料が求められている。
Ag、Cuなどの金属ナノ粒子は、粒径が、例えば1000nm以下のようにナノメートルサイズまで小さくなると、その融点よりはるかに低い温度(焼結温度200℃以下)で焼結させることが可能となるため、半導体素子の低温接合などへの応用が期待されている。
しかしながら、このような金属ナノ粒子は、表面が高活性であり、凝集しやすいため、通常、界面活性剤やポリマーなどで被覆して分散安定性を確保している。このため、このような金属ナノ粒子を用いて半導体素子の接合を行う際に加熱処理を施すと、金属ナノ粒子が焼結するとともに界面活性剤やポリマーなどの被膜が分解され、ガスが発生し、金属ナノ粒子間に空隙(ボイド)が生じる。その結果、無加圧や低温では焼結組織が密にならず、十分に高い接合強度が得られなかった。
11th Symposium on ”Microjoining and Assembly Technology in Electronics”、2005年2月3〜4日、229〜232頁(非特許文献1)には、平均粒子径が10μmまたは30μmのCu粉10〜50質量%と平均粒子径が10μmまたは25μmのSn粉90〜50質量%とを含有する複合ペーストが開示されている。しかしながら、このような平均粒子径が10μm以上のマイクロメートルサイズの粉末を含有する複合ペーストを用いて半導体装置の低温接合を行うと、十分に高い接合強度が得られなかった。
また、特開2012−46779号公報(特許文献1)には、炭素数8以上の脂肪酸と脂肪族アミンとを含有する有機被膜を表面に備える金属ナノ粒子が開示されており、前記有機被膜が低温で熱分解されることも記載されている。
一方、金属ナノ粒子を用いた半導体素子の実装技術においては、従来、半導体素子と基板との接合を加圧下で行なっていたが、チップの破壊による歩留まりの低下や生産工程の追加によるコストアップといった問題があり、無加圧接合による実装技術の開発が強く求められていた。
特開2012−46779号公報
池田靖ら、「Cu粉/Sn粉複合ペーストを用いた接続の検討」、11th Symposium on "Microjoining and Assembly Technology in Electronics"、2005年2月3〜4日、229〜232頁
しかしながら、特許文献1に記載の表面被覆Cuナノ粒子を用いると、低温での焼結は可能であるが、接合層内部でのボイドは必ずしも十分に抑制されておらず、接合強度は必ずしも十分に高いものではなかった。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、接合強度が高い接合層を低温(具体的には400℃以下)で形成することが可能な金属ナノ粒子ペーストを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、Cuナノ粒子とSnナノ粒子とを特定の割合で含有する金属ナノ粒子ペーストを用いることによって、接合強度が高い接合層を低温(具体的には400℃以下)で形成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の金属ナノ粒子ペーストは、全金属ナノ粒子に対して、Cuナノ粒子を9785質量%且つSnナノ粒子を15質量%含有することを特徴とするものである。このような金属ナノ粒子ペーストにおいて、直径が1〜1000nmの範囲にある金属ナノ粒子が、個数基準で全金属粒子の99%以上であることが好ましい。本発明の接合材料はこのような本発明の金属ナノ粒子ペーストを含有するものである。
本発明の半導体装置は、半導体素子、基板、および前記半導体素子と前記基板とを接合する接合層を備えており、前記接合層が前記本発明の接合材料により形成されたCuとSnとの混合物層であることを特徴とするものである。
このような本発明の半導体装置において、前記混合物層は平均粒子径1〜1000nmの金属ナノ粒子により形成されていることが好ましい。また、前記混合物層にはCuSn金属間化合物が含まれていることが好ましく、前記CuSn金属間化合物としてはCuSnおよびCuSnのうちの少なくとも一方であることが好ましい。
さらに、本発明の半導体装置においては、前記接合層の両面にNi、CoおよびAgからなる群から選択される少なくとも1種の金属からなる密着層を更に備えており、一方の密着層が前記半導体素子の接合部に接するように配置され、他方の密着層が前記基板の接合部に接するように配置されていることが好ましい。
なお、本発明の金属ナノ粒子ペーストによって接合強度が高い接合層を低温で形成することが可能となる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の金属ナノ粒子ペーストは融点が232℃のSnナノ粒子を含んでいるため、400℃以下の温度で溶融したSnが、Cuナノ粒子間に浸透することによってボイドが埋められ、焼結密度が向上し、接合層の接合強度が高くなると推察される。また、Cuナノ粒子とSnナノ粒子は、活性な表面原子同士が低温、短時間で反応しやすく、CuSn金属間化合物が形成されやすい。このため、Cuナノ粒子間に浸透したSnナノ粒子は、その界面近傍で、CuSnやCuSnといった安定で高耐熱性のCuSn金属間化合物を形成しやすく、強固で高強度の接合層が形成されると推察される。さらに、Snナノ粒子の還元効果によりCuナノ粒子表面の酸化物層が還元されやすいため、Cuナノ粒子が焼結しやすく、焼結密度が向上し、接合強度が高い接合層が形成されると推察される。
一方、マイクロメートルサイズのSn粒子を用いると、Cu粒子間にSn粒子が浸透せず、Cu粒子間のボイドが十分に埋まらないため、十分な接合強度が得られないと推察される。また、マイクロメートルサイズのCu粒子やSn粒子は、表面の活性が高いものではないため、低温では焼結しにくく、また、CuSn金属間化合物が形成されにくく、接合強度が十分に高くならないと推察される。
また、有機被膜を表面に備えるCuナノ粒子のみを用いて比較的低温での熱処理や無加圧での熱処理により接合層を形成すると、有機被膜の分解時に生成するガスやCuナノ粒子同士の点での結合状態(リンキング状態)によりボイドが形成しやすく、焼結密度が低い組織構造が形成されると推察される。このため、有機被膜を表面に備えるCuナノ粒子のみを用いた場合には、接合強度は低下すると推察される。
本発明によれば、接合強度が高い接合層を低温(具体的には400℃以下)で形成することが可能な金属ナノ粒子ペーストを提供することが可能となる。
本発明の半導体装置の一実施態様を示す模式図である。 本発明の半導体装置の他の一実施態様を示す模式図である。 本発明の半導体装置の他の一実施態様を示す模式図である。 本発明の半導体装置の他の一実施態様を示す模式図である。 実施例で作製したせん断強度測定用接合体を示す模式図である。 実施例1−2で作製した接合層の上側の密着層付近のXRDスペクトルを示すグラフである。 比較例1−2で作製した接合層の上側の密着層付近のXRDスペクトルを示すグラフである。 実施例1−2で作製した接合層の上側の密着層付近の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例1−2で作製した接合層の下側の密着層付近の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例2−1で作製した接合層の上側の密着層付近の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例2−1で作製した接合層の下側の密着層付近の走査型電子顕微鏡写真である。 比較例2−2で作製した接合層の上側の密着層付近の走査型電子顕微鏡写真である。 比較例2−2で作製した接合層の下側の密着層付近の走査型電子顕微鏡写真である。
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
先ず、本発明の金属ナノ粒子ペーストおよびそれを含有する本発明の接合材料について説明する。本発明の金属ナノ粒子ペーストは、Cuナノ粒子とSnナノ粒子とを所定の割合で含有するものである。本発明の金属ナノ粒子ペーストは、低温(具体的には400℃以下)での熱処理により焼結し、接合強度が高い接合層を形成することができる。また、本発明の金属ナノ粒子ペーストを用いると、熱処理時に無加圧でも、接合強度が高い接合層を形成することができる。
(Cuナノ粒子)
本発明においては、直径が1〜1000nmの範囲にあるCu粒子を「Cuナノ粒子」という。Cu粒子の直径は、透過型電子顕微鏡(TEM)観察において測定することができ、本発明においては、以下に示す全Cu粒子に対するCuナノ粒子の割合およびCu粒子(Cuナノ粒子を含む)の平均粒子径を、前記TEM観察において、無作為に200個のCu粒子を抽出し、これらの直径を測定することによって求められる値とする。
本発明の金属ナノ粒子ペーストにおいては、このようなCuナノ粒子(直径が1〜1000nmの範囲にあるもの)が個数基準で全Cu粒子の99%以上であることが好ましく、全てのCu粒子が前記Cuナノ粒子であることが特に好ましい。Cuナノ粒子の割合が前記下限未満になると、Cu粒子の焼結温度が高くなるため、低温(具体的には400℃以下)での加熱によるCu粒子同士の結合が起こりにくく、その結果、接合強度が低下する傾向にある。
また、本発明の金属ナノ粒子ペーストに含まれるCu粒子(Cuナノ粒子を含む)の平均粒子径としては、10〜1000nmが好ましく、30〜500nmがより好ましく、50〜250nmが特に好ましい。Cu粒子の平均粒子径が前記下限未満になると、バルクに対する表面比率が大きくなるため、Cuナノ粒子の表面が大気中で酸化されやすく、その結果、金属ナノ粒子ペースト中でCuナノ粒子同士の凝集が起こったり、接合時の熱処理で十分に酸化成分を除去できず、接合強度や導電性、熱伝導性などの接合材料の特性が低下する傾向にある。ただし、Cuナノ粒子を不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気下で取り扱えば、Cuナノ粒子表面の酸化が起こりにくく、上記の不具合が起こりにくくなるため、平均粒子径が前記下限未満のCuナノ粒子も本発明の金属ナノ粒子ペーストに使用することが可能である。また、有機被膜を備えるCuナノ粒子を使用する場合には、有機被膜の割合がCuナノ粒子に比べて多くなるため、有機被膜が接合時の熱処理で十分に分解されずに残存し、接合強度や導電性、熱伝導性などの接合材料の特性が低下する傾向にある。他方、Cu粒子の平均粒子径が前記上限を超えると、粒子サイズ効果が小さいため、Cu粒子の焼結温度が高くなり、低温(具体的には400℃以下)での加熱によるCu粒子同士の結合が起こりにくく、その結果、接合強度が低下する傾向にある。
このようなCuナノ粒子としては、例えば、Cuナノ粒子と、このCuナノ粒子の表面に配置された、脂肪酸および脂肪族アミンを含有する有機被膜とを備える表面被覆Cuナノ粒子が挙げられる。前記有機被膜は低温(具体的には400℃以下)で熱分解させることができるものである。この表面被覆Cuナノ粒子は、特開2012−46779号公報に記載された方法に準じて製造することができる。すなわち、アルコール系溶媒中、脂肪酸および脂肪族アミンの共存下で、前記アルコール系溶媒に不溶なCu塩を還元せしめることによってCuナノ粒子を形成させ、且つ、このCuナノ粒子の表面に前記脂肪酸および脂肪族アミンを含有する有機被膜を形成させることによって前記表面被覆Cuナノ粒子を製造することができる。ここで、Cu塩としては炭酸銅、水酸化銅が挙げられる。また、脂肪酸としてはオクタン酸、デカン酸、ドデカン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸などの飽和脂肪酸やオレイン酸などの不飽和脂肪酸が挙げられ、脂肪族アミンとしてはオクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、ミリスチルアミン、パルミチルアミン、ステアリルアミンなどの飽和脂肪族アミンやオレイルアミンなどの不飽和脂肪族アミンが挙げられ、脂肪酸および脂肪族アミンの炭化水素鎖の炭素数を変更することによってCuナノ粒子の粒子径を調整することができる。
また、本発明においては、(株)テックサイエンス製の銅ナノ粒子粉末などの市販のCuナノ粒子を使用することもできる。さらに、溶媒中に分散されたCuナノ粒子を使用することもできる。このようなCuナノ粒子分散液としては、(株)イオックス製「Cu60−BtTP」、立山科学工業(株)製の銅ナノ粒子分散液、大研化学工業(株)製「NCU−09」、ハリマ化成グループ(株)製の銅ナノ粒子分散液などの市販品が挙げられる。
(Snナノ粒子)
本発明においては、直径が1〜1000nmの範囲にあるSn粒子を「Snナノ粒子」という。Sn粒子の直径は、透過型電子顕微鏡(TEM)観察において測定することができ、本発明においては、以下に示す全Sn粒子に対するSnナノ粒子の割合およびSn粒子(Snナノ粒子を含む)の平均粒子径は、前記TEM観察において、無作為に200個のSn粒子を抽出し、これらの直径を測定することによって求められる値とする。
本発明の金属ナノ粒子ペーストにおいては、このようなSnナノ粒子(直径が1〜1000nmの範囲にあるもの)が個数基準で全Sn粒子の99%以上であることが好ましく、全てのSn粒子が前記Snナノ粒子であることが特に好ましい。Snナノ粒子の割合が前記下限未満になると、Cuナノ粒子間に入り込むSnナノ粒子の量が少なくなり、Cuナノ粒子間の空隙が十分に埋まらないため、ボイドが生成し、接合強度が十分に向上しない傾向にある。
また、本発明の金属ナノ粒子ペーストに含まれるSn粒子(Snナノ粒子を含む)の平均粒子径としては、5〜1000nmが好ましく、10〜500nmがより好ましく、20〜250nmが特に好ましい。Sn粒子の平均粒子径が前記下限未満になると、バルクに対する表面比率が大きくなるため、Snナノ粒子の表面が大気中で酸化されやすく、その結果、金属ナノ粒子ペースト中でSnナノ粒子同士の凝集が起こったり、接合時の熱処理で十分に酸化成分を除去できず、接合強度や導電性、熱伝導性などの接合材料の特性が低下する傾向にある。ただし、Snナノ粒子を不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気下で取り扱えば、Snナノ粒子表面の酸化が起こりにくく、上記の不具合が起こりにくくなるため、平均粒子径が前記下限未満のSnナノ粒子も本発明の金属ナノ粒子ペーストに使用することが可能である。また、有機被膜を備えるSnナノ粒子を使用する場合には、有機被膜の割合がSnナノ粒子に比べて多くなるため、有機被膜が接合時の熱処理で十分に分解されずに残存し、接合強度や導電性、熱伝導性などの接合材料の特性が低下する傾向にある。他方、Sn粒子の平均粒子径が前記上限を超えると、Cuナノ粒子間にSnナノ粒子が入り込めず、Cuナノ粒子間の空隙が十分に埋まらないため、ボイドが生成し、接合強度が十分に向上しない傾向にある。
このようなSnナノ粒子としては、例えば、Snナノ粒子と、このSnナノ粒子の表面に配置された、脂肪族アミンを含有する有機被膜とを備える表面被覆Snナノ粒子が挙げられる。前記有機被膜は低温(具体的には400℃以下)で熱分解させることができるものである。この表面被覆Snナノ粒子は、特願2012−130888号の明細書に記載された方法に準じて製造することができる。すなわち、有機溶媒中、脂肪族アミンと第4級アンモニウムボロハイドライドとの共存下で、Snイオンを還元せしめることによってSnナノ粒子を形成させ、且つ、このSnナノ粒子の表面に前記脂肪族アミンを含有する有機被膜を形成させることによって前記表面被覆Snナノ粒子を製造することができる。ここで、Snイオン源としては、有機溶媒に可溶であり、Snイオンを生成するSn化合物であれば特に制限はなく、例えば、塩化スズ、フッ化スズ、臭化スズ、ヨウ化スズ、酢酸スズ、硫酸スズ、硝酸スズ、アセチルアセトナートスズなどが挙げられる。また、脂肪族アミンとしてはオクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、ミリスチルアミン、パルミチルアミン、ステアリルアミンなどの飽和脂肪族アミンやオレイルアミンなどの不飽和脂肪族アミンが挙げられ、脂肪族アミンの炭化水素鎖の炭素数を変更することによってSnナノ粒子の粒子径を調整することができる。
また、本発明においては、日本イオン(株)製のスズナノパウダーなどの市販のSnナノ粒子を使用することもできる。さらに、溶媒中に分散されたSnナノ粒子を使用することもできる。このようなSnナノ粒子分散液としては、立山科学工業(株)製のスズナノ粒子分散液などの市販品が挙げられる。
(金属ナノペースト)
本発明の金属ナノペーストは、このようなCuナノ粒子とSnナノ粒子とを所定の割合で含有するものである。本発明の金属ナノペーストにおけるCuナノ粒子とSnナノ粒子の割合は、全金属ナノ粒子に対して、Cuナノ粒子が99.9〜70質量%であり且つSnナノ粒子が0.1〜30質量%ある。Snナノ粒子の含有量が前記下限未満になる(すなわち、Cuナノ粒子の含有量が前記上限を超える)と、Cuナノ粒子間に入り込むSnナノ粒子の量が少なくなり、Cuナノ粒子間の空隙が十分に埋まらないため、ボイドが生成し、接合強度が低下する。また、CuSn金属間化合物も生成しないため、接合強度が低下する。他方、Snナノ粒子の含有量が前記上限を超える(すなわち、Cuナノ粒子の含有量が前記下限未満になる)と、接合強度や導電性、熱伝導性などの接合材料の特性が低下する。また、接合強度がより高くなるという観点から、Cuナノ粒子の含有量が98〜80質量%であり且つSnナノ粒子の含有量が2〜20質量%であることが好ましく、Cuナノ粒子の含有量が97〜85質量%であり且つSnナノ粒子の含有量が3〜15質量%であることがより好ましい。なお、Cuナノ粒子とSnナノ粒子の割合において、これらの合計量は全金属ナノ粒子に対して100質量%である。
また、本発明の金属ナノペーストにおいては、金属ナノ粒子(直径が1〜1000nmの範囲にあるもの、Cuナノ粒子+Snナノ粒子)が個数基準で全金属粒子(Cu粒子+Sn粒子)の99%以上であることが好ましく、全ての金属粒子が前記金属ナノ粒子であることが特に好ましい。金属ナノ粒子の割合が前記下限未満になると、金属粒子の焼結温度が高くなるため、低温(具体的には400℃以下)での加熱による金属粒子同士の結合が起こりにくく、その結果、接合強度が低下する傾向にある。
このような本発明の金属ナノペーストは、例えば、Cuナノ粒子とSnナノ粒子とが所定の割合となるように、両者を混合し、得られた混合ナノ粒子がペースト状となるように有機溶媒などの溶剤と混合したり、Cuナノ粒子ペーストおよびSnナノ粒子ペーストを調製した後、Cuナノ粒子とSnナノ粒子とが所定の割合となるように、両者を混合したり、Cuナノ粒子分散液とSnナノ粒子分散液とを調製した後、Cuナノ粒子とSnナノ粒子とが所定の割合となるように、両者を混合し、得られた混合ナノ粒子の分散液をペースト状になるまでエバポレータなどを用いて濃縮することによって製造することができる。
これらのナノ粒子のペーストや分散液は、Cuナノ粒子およびSnナノ粒子をそれぞれ有機溶媒などの溶剤と混合して調製してもよいし、前述したような市販のナノ粒子のペーストや分散液を使用してもよい。
本発明の金属ナノペーストに用いられる有機溶媒としては特に制限はないが、例えば、テトラデカンなどの炭素数5〜18のアルカン類;1−ブタノール、デカノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜20のモノアルコール類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコールなどのグリコール類;グリセリンなどのトリオール類;α−テルピネオールなどの環状アルコール類;アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトンなどのケトン類;テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ブチルカルビトールなどのエーテル類;酢酸エチル、ブチルカルビトールアセテートなどのエステル類;ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族化合物などが挙げられる。また、本発明の金属ナノペーストには、必要に応じて、セルロース誘導体(例えば、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース)やグリセリド(例えば、ヒマシ油)といった粘度調整剤などの添加剤を添加してもよい。
ナノ粒子と溶剤との混合方法としては特に制限はないが、例えば、自転・公転ミキサー、ボールミル、スターラーなどの公知の撹拌装置を用いる方法が挙げられる。
<半導体装置>
次に、本発明の半導体装置について説明する。本発明の半導体装置は、半導体素子、基板、および前記半導体素子と前記基板とを接合する接合層を備えており、前記接合層が本発明の金属ナノペーストを含有する接合材料(以下、「本発明の接合材料」という)により形成されたCuとSnとの混合物層である。また、本発明の半導体装置において、前記混合物層は平均粒子径1〜1000nmの金属ナノ粒子により形成されていることが好ましい。さらに、前記混合物層には、接合強度が高くなるという観点から、CuSn金属間化合物が含まれていることが好ましい。このようなCuSn金属間化合物としては、CuSnおよびCuSnが挙げられ、これらは、いずれか一方が含まれていても両方が含まれていてもよい。また、本発明の半導体装置においては、前記混合物層の両面に、Ni、CoおよびAgのうちの少なくとも1種の金属からなる密着層を更に備えていることが好ましい。この場合、一方の密着層は前記半導体素子の接合部に接するように配置され、他方の密着層は前記基板の接合部に接するように配置されている。
本発明の半導体装置を構成する半導体素子としては特に制限はなく、例えば、パワー素子、LSI、抵抗、コンデンサなどが挙げられる。また、基板としては特に制限はなく、例えば、リードフレーム、電極が形成されたセラミック基板、実装基板などが挙げられる。リードフレームとしては、例えば、銅合金リードフレームが挙げられる。また、電極が形成されたセラミックス基板としては、例えば、DBC(Direct Bond Copper:登録商標)基板、活性金属接合(AMC:Active Metal Copper)基板が挙げられる。また、実装基板としては、例えば、電極が形成されたアルミナ基板、低温同時焼成セラミックス(LTCC:Low Temperature Co−fired Ceramics)基板、ガラスエポキシ基板などが挙げられる。
以下、図面を参照しながら本発明の半導体装置の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明の半導体装置は前記図面に限定されるものではない。なお、以下の説明および図面中、同一または相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図1は、本発明の半導体装置の一実施形態を示す模式図である。この半導体装置は、半導体素子1、上部基板2a、下部基板2b、接合層3aおよび3b、信号端子5、ボンディングワイヤ6、ならびにモールド樹脂7を備えるものである。半導体素子1の上表面には、接合層3aを介して上部基板2aが接合されている。半導体素子1の下表面には、接合層3bを介して下部基板2bが接合されている。また、半導体素子1の上表面の一部と信号素子5とは、ボンディングワイヤ6によって電気的に接続されている。半導体素子1、上部基板2aの一部、下部基板2bの一部、接合層3aおよび3b、信号端子5の一部、ならびにボンディングワイヤ6は、モールド樹脂7に覆われている。また、上部基板2aの突出部2c、下部基板2bの突出部2d、および信号端子5の一部は、モールド樹脂7の外部に突出している。
このような半導体装置は、以下のようにして製造することができる。すなわち、先ず、半導体素子1の上表面および上部基板2aの下表面のいずれか一方に本発明の接合材料を塗布して接合材料層を形成する。また、半導体素子1の下表面および下部基板2bの上表面のいずれか一方に本発明の接合材料を塗布し接合材料層を形成する。これらの接合材料層の厚さとしては特に制限はないが、生産性や接合抵抗を考慮すると、1〜500μmが好ましく、50〜400μmがより好ましく、100〜300μmが特に好ましい。接合材料の塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、ディップ法、フレキソ印刷法などが挙げられる。また、このような塗布は、大気中もしくは不活性ガス雰囲気中で行うことができる。
次に、半導体素子1の上表面と上部基板2aの下表面との間に接合材料層が配置されるように、半導体素子1と上部基板2aとを貼り合わせ、また、半導体素子1の下表面と下部基板2bの上表面との間に接合材料層が配置されるように、半導体素子1と下部基板2bとを貼り合わせる。このとき、接合材料層に気泡が入り込まないように、加圧してもよい。また、貼り合わせは真空中で行なってもよいが、本発明の接合材料は大気中でのCuナノ粒子の酸化が抑制されているため、大気中で貼り合わせを行うことができる。
このようにして半導体素子1と上部基板2aおよび半導体素子1と下部基板2bとを貼り合わせた接合体に加熱処理を施して接合材料を焼結させ、接合層3aおよび3bを形成する。これにより、半導体素子1と上部基板2aとが接合層3aを介して接合され、半導体素子1と下部基板2bとが接合層3bを介して接合される。本発明の接合材料により形成された前記接合層3aおよび3bは、CuとSnとの混合物層であるため、接合強度に優れている。前記接合層3aおよび3bは、Snが含まれていることにより、応力緩和層として作用する傾向にある。これに対して、Cuのみからなる接合層は、高硬度であるため、応力が緩和されず、例えば、冷熱サイクル時に半導体素子が破壊されるという不具合が生じる。
さらに、本発明にかかる接合層においては、CuSn金属間化合物が含まれていることが好ましく、前記CuSn金属間化合物としてはCuSnおよびCuSnのうちの少なくとも一方であることが好ましい。このようなCuSn金属間化合物が含まれることによって、前記接合層の接合強度が向上する傾向にある。また、本発明にかかる接合層においては、焼結時にCuSn金属間化合物が形成されることによって、Cuナノ粒子は完全には焼結されず、本発明の接合材料中での粒子径を維持しながら焼結される傾向にある。その結果、得られる接合層(混合物層)は、平均粒子径1〜1000nm(より好ましくは10〜1000nm)の金属ナノ粒子により形成されたものとなる傾向にある。このような金属ナノ粒子により形成された接合層は、走査型電子顕微鏡観察などにより確認することができる。
加熱処理の温度としては特に制限はないが、150〜450℃が好ましく、250〜400℃がより好ましい。加熱処理温度が前記下限未満になると、接合材料に含まれていた溶剤が接合層3aおよび3b中に残存しやすく、十分な接合強度が得られない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、半導体素子の耐熱温度を超える場合があり、熱応力が増大し、反りや剥離が発生しやすい傾向にあり、また、接合層が酸化される場合もある。
また、このような加熱処理は、不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。さらに、本発明の接合材料を用いると、無加圧で接合することができるが、加圧しながら接合することによって接合強度が向上する傾向にある。
また、本発明の半導体装置においては、図2に示すように、半導体素子1と接合層3aとの間、上部基板2aと接合層3aとの間、半導体素子1と接合層3bとの間、下部基板2bと接合層3aとの間に、Ni、CoおよびAgのうちの少なくとも1種の金属からなる密着層4aおよび4bが配置されていることが好ましい。このような密着層を形成することによって、接合強度がさらに向上する傾向にある。
このような密着層の厚さについては、1nm以上であれば高い接合強度が得られるため特に制限はないが、半導体装置の生産コストや密着層の電気抵抗などを考慮すると10μm以下が好ましい。また、生産コストをより低減するという観点から200nm以下がより好ましい。
このような半導体装置は、以下のようにして製造することができる。すなわち、先ず、半導体素子1の両面、上部基板2aの下表面、および下部基板2bの上表面に前記密着層を形成する。密着層の形成方法としては、スパッタ法、メッキ法、塗布法などが挙げられる。
スパッタ法により密着層を形成する場合には、先ず、半導体素子や基板などの被塗布物を真空チャンバーに挿入し、チャンバー内を減圧する。チャンバー内が真空状態になった後、アルゴンガスを導入し、被塗布物側にRFプラズマを生成して被塗布物表面の不純物の除去を行う。その後、形成する密着層の材料(例えば、Ni、Co、またはAg)のターゲットを用いてRFスパッタ法を行う。これにより、被塗布物表面に密着層を形成することができる。密着層を形成する際の被塗布物の温度としては特に制限はないが、例えば、室温(25℃程度)〜450℃が好ましい。被塗布物の温度が前記上限を超えると、半導体素子の耐熱温度を超える場合があり、熱応力が増大し、反りや剥離が発生しやすい傾向にある。
また、塗布法により密着層を形成する場合には、先ず、半導体素子や基板などの被塗布物に、大気中もしくは不活性ガス雰囲気中でメタルマスク法、インクジェット法、スピンコート法、ディップ法、スクリーン印刷法などの手法によって、形成する密着層の材料(例えば、Ni、Co、またはAg)を含むペーストまたはインクを塗布する。ペーストやインクとしては、金属粒子と溶剤などを混合して調製したものを使用してもよいし、金属粒子を含む市販のペーストを使用してもよい。ニッケル粒子を含む市販のペーストとしては、例えば、立山科学工業(株)製のニッケルナノ粒子分散液、大研化学工業(株)製「MM12−800TO」などが挙げられる。コバルト粒子を含む市販のペーストとしては、例えば、立山科学工業(株)製のコバルトナノ粒子分散液などが挙げられる。銀粒子を含む市販のペーストとしては、例えば、住友電気工業(株)製「AGIN−W4A」、ハリマ化成(株)製「NPS−J−HTB」などが挙げられる。このようにペーストを塗布した被塗布物を不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気中で加熱処理することにより前記密着層が形成される。なお、不活性ガスまたは還元性ガス雰囲気中での加熱処理の前に酸化雰囲気中で加熱処理を行なってもよい。加熱処理における雰囲気温度としては特に制限はないが、150〜450℃が好ましい。雰囲気温度が前記下限未満になると、ペースト中の有機成分(例えば、有機溶媒、有機修飾剤)の揮発除去が不十分となり、密着層中の有機成分の含有量が多くなる傾向にある。他方、前記上限を超えると、半導体素子の耐熱温度を超える場合があり、熱応力が増大し、反りや剥離が発生しやすい傾向にある。
次に、このようにして形成した密着層の表面に、図1に示した半導体装置の場合と同様に、本発明の接合材料を用いて接合材料層を形成し、半導体素子1と上部基板2a、半導体素子1と下部基板2bとを貼り合わせ、得られた接合体に加熱処理を施して接合材料を焼結させ、接合層3aおよび3bを形成する。これにより、半導体素子1と上部基板2aとが接合層3aおよび密着層4aおよび4bを介して接合され、半導体素子1と下部基板2bとが接合層3bおよび密着層4aおよび4bを介して接合される。このようにNi、CoおよびAgのうちの少なくとも1種の金属からなる密着層を形成することによって、接合強度がさらに向上する傾向にある。
なお、前記密着層を形成することによって、接合強度がさらに向上する理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、Niなどの金属表面に形成されている不働態の酸化物層は薄く、容易に還元されるとともに、Niなどの金属層にはCuナノ粒子表面の酸化物層を還元する作用もある。また、Niなどの金属層は焼結時のCuナノ粒子との濡れ性が非常に大きいため、無加圧でも高い接合強度を有する密着層を形成することができる、と推察される。
以上、半導体素子を上部電極と下部電極とで挟持する場合(図1および図2)を例に本発明の半導体装置を説明したが、本発明の半導体装置はこれらに限定されるものではなく、例えば、図3および図4に示すように、半導体素子の一方の面のみを接合層を介して基板と接合した半導体装置などが挙げられる。
以下、実施例および比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、実施例および比較例で使用した各種金属ナノ粒子は以下の方法により調製した。
(調製例1)
<Cuナノ粒子の調製>
Cuナノ粒子は、特開2012−46779号公報に記載の方法に従って調製した。すなわち、フラスコにエチレングリコール(HO(CHOH)300mlを入れ、これに炭酸銅(CuCO・Cu(OH)・HO)60mmolを添加したところ、炭酸銅はエチレングリコールにほとんど溶解せずに沈殿した。これに、デカン酸(C19COOH)90mmolおよびデシルアミン(C1021NH)30mmolを添加した後、窒素ガスを1L/minで流しながら、エチレングリコールの沸点で1時間加熱還流させたところ、微粒子が生成した。得られた微粒子をヘキサン中に分散させて回収し、アセトンおよびエタノールを順次添加して洗浄した後、遠心分離(3000rpm、20min)により回収し、真空乾燥(35℃、30min)を施した。
得られた微粒子について、X線回折装置((株)リガク製「試料水平型強力X線回折装置RINT−TTR」)を用い、X線源:CuKα線(λ=0.15418nm)、管電圧:50kV、管電流:300mAの条件で粉末X線回折(XRD)測定を行なった。得られたXRDスペクトルから金属成分を同定し、Cuが主成分であることを確認した。
また、得られたCu微粒子をトルエンに分散させ、この分散液をエラスチックカーボン支持膜(高分子材料膜(15〜20nm厚)+カーボン膜(20〜25nm厚))付きCuマイクログリッド(応研商事(株)製)上に滴下した後、自然乾燥させて観察用試料を作製した。この観察用試料を、透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子(株)製「JEM−2000EX」)を用いて加速電圧200kVで観察した。このTEM観察において、無作為に200個のCu微粒子を抽出し、その直径を測定したところ、直径1〜1000nmの範囲にあるCuナノ粒子は全Cu微粒子の100%(個数基準)であった。また、これらの平均粒子径は200nmであった。
(調製例2)
<Cu粒子の調製>
デカン酸およびデシルアミンの代わりにヘキサン酸(C11COOH)30mmolおよびヘキシルアミン(C13NH)30mmolを用いた以外は調製例1と同様にしてCu粒子を調製した。得られたCu粒子を走査型電子顕微鏡(SEM、(株)日立製作所製「S−3600N」)を用いた以外は調製例1と同様にして観察したところ、平均粒子径は1.5μmであった。
(調製例3)
<Snナノ粒子の調製>
フラスコにテトラヒドロフラン(THF)120mlを入れ、これに塩化スズ(SnCl)10.8mmol、オレイルアミン(C1835NH)96mmolおよびテトラブチルアンモニウムボロハイドライド(TBABH)21.6mmolを添加した後、窒素ガスを1L/minで流しながら、50℃で3時間撹拌して合成反応を行い、微粒子を含むTHF分散液を得た。
このTHF分散液に遠心分離(3000rpm、10min)を施し、得られた沈殿物をエタノールに分散させた後、再度、遠心分離(3000rpm、20min)を施して微粒子を回収し、真空乾燥(35℃、30min)を施した。
得られた微粒子について、X線回折装置((株)リガク製「試料水平型強力X線回折装置RINT−TTR」)を用い、X線源:CuKα線(λ=0.15418nm)、管電圧:50kV、管電流:300mAの条件で粉末X線回折(XRD)測定を行なった。得られたXRDスペクトルから金属成分を同定し、Snが主成分であることを確認した。
また、得られたSn微粒子をトルエンに分散させ、この分散液をエラスチックカーボン支持膜(高分子材料膜(15〜20nm厚)+カーボン膜(20〜25nm厚))付きCuマイクログリッド(応研商事(株)製)上に滴下した後、自然乾燥させて観察用試料を作製した。この観察用試料を、透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子(株)製「JEM−2000EX」)を用いて加速電圧200kVで観察した。このTEM観察において、無作為に200個のSn微粒子を抽出し、その直径を測定したところ、直径1〜1000nmの範囲にあるSnナノ粒子は全Sn微粒子の100%(個数基準)であった。また、これらの平均粒子径は25nmであった。
(調製例4)
<Cuナノ粒子の調製>
炭酸銅(CuCO・Cu(OH)・HO)を30mmol、デカン酸およびデシルアミンの代わりにドデカン酸(C1123COOH)30mmolおよびドデシルアミン(C1225NH)30mmolを用いた以外は調製例1と同様にしてCu微粒子を調製した。得られたCu微粒子を調製例1と同様にして観察した。TEM観察において、無作為に200個のCu微粒子を抽出し、その直径を測定したところ、直径1〜1000nmの範囲にあるCuナノ粒子は全Cu微粒子の100%(個数基準)であった。また、これらの平均粒子径は60nmであった。
(調製例5)
<Cuナノ粒子の調製>
炭酸銅(CuCO・Cu(OH)・HO)を30mmol、デカン酸およびデシルアミンの代わりにオクタン酸(C15COOH)30mmolおよびオクチルアミン(C17NH)30mmolを用いた以外は調製例1と同様にしてCu微粒子を調製した。得られたCu微粒子を調製例1と同様にして観察した。TEM観察において、無作為に200個のCu微粒子を抽出し、その直径を測定したところ、直径1〜1000nmの範囲にあるCuナノ粒子は全Cu微粒子の100%(個数基準)であった。また、これらの平均粒子径は300nmであった。
比較例1−1
調製例1で調製したCuナノ粒子と調製例3で調製したSnナノ粒子とを乳鉢ですりつぶして混合し、全金属ナノ粒子に対して99質量%のCuナノ粒子と1質量%のSnナノ粒子を含有する混合粉末を調製した。この混合粉末1gにデカノール50μlおよびα−テルピネオール50μlを添加し、自転・公転ミキサーにより撹拌して接合材料ペーストを調製した。
<接合強度測定>
リードフレームや半導体素子などにより構成される半導体装置において、接合層の接合強度を直接測定することは困難である。従って、得られた接合材料により形成される接合層の接合強度は、図5に示すせん断強度測定用接合体を用いて、以下の方法により測定した。
先ず、無酸素銅(C1020)からなる試験片8a(直径5mmφ×高さ2mm)の一方の面および無酸素銅(C1020)からなる試験片8b(10mm×22mm×3mm)の一方の面にそれぞれRFスパッタリング法により厚さ40nmのNi密着層10aおよび10bを形成した。
次に、試験片8b上のNi密着層10bの表面に、メタルマスク(直径5mmφ×厚さ0.15mm)を用いてスクリーン印刷法により接合材料ペーストを塗布し、接合材料層(直径5mmφ×厚さ150μm)を形成した。この接合材料層と試験片8a上のNi密着層10aとが接するように試験片8aと試験片8bとを貼り合わせ、水素雰囲気中、無加圧の条件下、200℃で10分間予備加熱した後、接合温度400℃で5分間の加熱処理を施し、試験片8aと試験片8bが接合層9により接合された、せん断強度測定用接合体(図5)を作製した。
このようにして3個のせん断強度測定用接合体を作製し、これらのせん断強度を、インストロン型万能試験機(インストロン社製)を用いて、室温(20℃)、剪断速度1mm/分でそれぞれ測定し、これらの平均値を接合材料により形成された接合層の接合強度とした。その結果を表1に示す。
(実施例1−1〜1−2、比較例1−2
Cuナノ粒子およびSnナノ粒子の含有量を表1に示す割合に変更した以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表1に示す。
また、実施例1−2で形成した接合層(Sn:10質量%)および比較例1−2で形成した接合層(Sn:30質量%)の上側の密着層10a付近のXRDスペクトルを測定したところ、それぞれ図〜図に示すように、Cuに由来する回折ピークに加えて、CuSnおよびCuSnに由来する回折ピークが観察され、CuSn金属間化合物(CuSnおよびCuSn)が生成していることが確認された。
さらに、実施例1−2で形成した接合層(Sn:10質量%)の上側の密着層10a付近および下側の密着層10b付近の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、図8Aおよび図8Bに示したように、いずれの部分においても平均粒子径は1000nm以下であることが確認された。これは、前記接合材料ペーストを用いて形成した接合層においては、CuSn金属間化合物が形成したことによってCuナノ粒子が完全には焼結せず(焼結が抑制され)、前記接合材料ペースト中での粒子径を維持しながらCuナノ粒子が焼結したためと考えられる。
(実施例1−3
調製例1で調製したCuナノ粒子と平均粒子径が1.2μmのCu粉(全Cu粒子に対する直径1〜1000nmの範囲にあるCuナノ粒子の割合(個数基準):20%)とを混合し、Cuナノ粒子を個数基準で99%含有するCu混合粉を調製した。このCu混合粉97質量%と調製例3で調製したSnナノ粒子3質量%とを乳鉢ですりつぶして混合し、Cuナノ粒子とSnナノ粒子とを含有する混合粉末を調製した。この混合粉末1g用いた以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表1に示す。
(比較例1−3
Snナノ粒子を混合しなかった以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表1に示す。
(比較例1−4〜1−6
Cuナノ粒子およびSnナノ粒子の含有量を表1に示す割合に変更した以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表1に示す。
1に示した結果から明らかなように、全金属ナノ粒子に対して9785質量%のCuナノ粒子と15質量%のSnナノ粒子を含有する接合材料により形成された接合層(実施例1−1〜1−2)の接合強度は、Snナノ粒子を含まない接合材料により形成された接合層(比較例1−3)およびSnナノ粒子の含有量が15質量%を超える接合材料により形成された接合層(比較例1−2、1−4〜1−6)の接合強度に比べて、高くなることが確認された。
(比較例1−7
調製例2で調製したCu粒子と調製例3で調製したSnナノ粒子とを乳鉢ですりつぶして混合し、全金属粒子に対して90質量%のCu粒子と10質量%のSnナノ粒子を含有する混合粉末を調製した。この混合粉末0.2gにデカノール20μlおよびα−テルピネオール20μlを添加した以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表2に示す。なお、表2には、実施例1−2の結果も示した。
(比較例1−8
調製例2で調製したCu粒子の代わりに平均粒子径が24μmのCu粉(福田金属箔粉工業(株)製の電解Cu粉)を用いた以外は比較例1−7と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表2に示す。
表2に示した結果から明らかなように、平均粒子径が1μmを超えるCu粒子を用いた場合(比較例1−7〜1−8)には、Cuナノ粒子を用いた場合(実施例1−2)に比べて接合強度が低くなることが確認された。
(実施例2−1、比較例2−1〜2−2
実施例1−2、比較例1−1〜1−2と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、接合温度を350℃に変更した以外は実施例1−2、比較例1−1〜1−2と同様にしてせん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表3に示す。
また、実施例2−1で形成した接合層(Sn:10質量%)および比較例2−2で形成した接合層(Sn:30質量%)のそれぞれの上側の密着層10a付近および下側の密着層10b付近の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、図9A〜図10Bに示したように、いずれの部分においても平均粒子径は1000nm以下であることが確認された。これは、前記接合材料ペーストを用いて形成した接合層においては、CuSn金属間化合物が形成したことによってCuナノ粒子が完全には焼結せず(焼結が抑制され)、前記接合材料ペースト中での粒子径を維持しながらCuナノ粒子が焼結したためと考えられる。
(比較例2−3〜2−4
比較例1−3および1−4と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、接合温度を350℃に変更した以外は比較例1−3および1−4と同様にしてせん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表3に示す。
3に示した結果から明らかなように、接合温度を350℃に変更した場合であっても、接合温度が400℃の場合と同様に、全金属ナノ粒子に対して9785質量%のCuナノ粒子と15質量%のSnナノ粒子を含有する接合材料により形成された接合層(実施例2−1)は、Snナノ粒子を含まない接合材料により形成された接合層(比較例2−3)およびSnナノ粒子の含有量が15質量%を超える接合材料により形成された接合層(比較例2−2、比較例2−4)の接合強度に比べて、高くなることが確認された。
(実施例3−1)
Cuナノ粒子として調製例4で調製したCuナノ粒子を用い、さらに、Cuナノ粒子およびSnナノ粒子の含有量を表4に示す割合に変更した以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、比較例1−1と同様にしてせん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表4に示す。
(比較例3−1)
Snナノ粒子を混合しなかった以外は実施例3−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表4に示す。
表4に示した結果から明らかなように、平均粒子径60nmのCuナノ粒子を用いた場合であっても、実施例3−1の接合材料により形成された接合層は、Snナノ粒子を含まない接合材料(比較例3−1)により形成された接合層の接合強度に比べて高くなることが確認された。
(実施例4−1)
Cuナノ粒子として調製例5で調製したCuナノ粒子を用い、さらに、Cuナノ粒子およびSnナノ粒子の含有量を表5に示す割合に変更した以外は比較例1−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、比較例1−1と同様にしてせん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表5に示す。
(比較例4−1)
Snナノ粒子を混合しなかった以外は実施例4−1と同様にして接合材料ペーストを調製し、さらに、せん断強度測定用接合体を作製して接合層の接合強度を求めた。その結果を表5に示す。
表5に示した結果から明らかなように、平均粒子径300nmのCuナノ粒子を用いた場合であっても、実施例3−1の接合材料により形成された接合層は、Snナノ粒子を含まない接合材料(比較例3−1)により形成された接合層の接合強度に比べて高くなることが確認された。
以上説明したように、本発明によれば、接合強度が高い接合層を無加圧、低温(具体的には400℃以下)で形成することが可能な接合材料を得ることができる。したがって、本発明の金属ナノ粒子ペーストは、低温や無加圧での半導体素子の接合技術において接合材料として有用である。
1:半導体素子、2:基板、2a:上部基板、2b:下部基板、2c,2d:各基板の突出部、3,3a,3b:接合層、4a,4b:密着層、5:信号端子、6:ボンディングワイヤ、7:モールド樹脂、8a,8b:試験片、9:接合層、10a,10b:密着層。

Claims (8)

  1. 全金属ナノ粒子に対して、Cuナノ粒子を9785質量%且つSnナノ粒子を15質量%含有することを特徴とする金属ナノ粒子ペースト。
  2. 直径が1〜1000nmの範囲にある金属ナノ粒子が、個数基準で全金属粒子の99%以上であることを特徴とする請求項1に記載の金属ナノ粒子ペースト。
  3. 請求項1または2に記載の金属ナノ粒子ペーストを含有することを特徴とする接合材料。
  4. 半導体素子、基板、および前記半導体素子と前記基板との間に配置された接合層を備え、
    前記接合層が請求項3に記載の接合材料により形成されたCuとSnとの混合物層であることを特徴とする半導体装置。
  5. 前記混合物層が平均粒子径1〜1000nmの金属ナノ粒子により形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記混合物層にCuSn金属間化合物が含まれていることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置。
  7. 前記CuSn金属間化合物がCuSnおよびCuSnのうちの少なくとも一方であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記接合層の両面にNi、CoおよびAgからなる群から選択される少なくとも1種の金属からなる密着層を更に備えており、
    一方の密着層が前記半導体素子の接合部に接するように配置され、他方の密着層が前記基板の接合部に接するように配置されていることを特徴とする請求項4〜7のうちのいずれか一項に記載の半導体装置。
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