[发明专利]接合结构体和接合结构体的接合方法

说明书

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IGBT(Insulated 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℃的Sn-3重量％Ag-0.5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℃的作为焊锡材料3的Sn-3重量％Ag-0.5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℃，所以半导体器件1的内部温度可达250～260℃。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℃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℃，Bi-0.5Cu熔点270℃)是合适的。作为其它接合材料，也对Zn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0.1μm～10μm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。