(57)【要約】  半導体素子が高温、特に１７５℃以上で動作した場合にも、半導体素子と金属ナノ粒子焼結層とが、十分長時間安定に密着することができる電極を有する半導体素子を得ることを目的としている。  半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に形成され、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層（４）と、Ｎｉ含有金属層（４）における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されたＮｉバリア金属層（５）と、Ｎｉバリア金属層（５）における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成され、金属ナノ粒子焼結層（９）に接続する表面金属層（６）と、を備えた電極を有し、Ｎｉバリア金属層（５）は、Ｎｉが表面金属層（６）への拡散を低減する金属を含んだものである。
2012066803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ナノ粒子焼結層を介在させて実装基板に実装する半導体素子であって、
当該半導体素子における半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に形成され、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層と、
前記Ｎｉ金属含有層における前記半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されたＮｉバリア金属層と、
前記Ｎｉバリア金属層における前記半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成され、前記金属ナノ粒子焼結層に接続する表面金属層と、を備えた電極を有し、
前記Ｎｉバリア金属層は、前記Ｎｉが前記表面金属層への拡散を低減する金属を含んだことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記半導体素子構造部の少なくとも一方の表面に形成された金属シリサイド層と、
前記金属シリサイド層における前記半導体素子構造部と反対側の表面に形成された密着金属層と、を備え、
前記Ｎｉ含有金属層は、前記密着金属層における前記半導体素子構造部と反対側の表面に形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記Ｎｉバリア金属層は、Ｃｕを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記Ｎｉバリア金属層は、Ｃｕ金属、あるいはＣｕを含有した合金より構成されることを特徴とする請求項３記載の半導体素子。
【請求項５】
前記表面金属層は、貴金属を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記表面金属層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕの単金属あるいは１種以上を含有することを特徴とする請求項５記載の半導体素子。
【請求項７】
前記密着金属層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒの内の少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記半導体素子構造部がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項１０】
実装基板と、前記実装基板に金属ナノ粒子焼結層を介在させて実装された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体素子であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
金属ナノ粒子焼結層を介在させて実装基板に実装する半導体素子の製造方法であって、前記半導体素子における半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層を形成するＮｉ含有金属層形成工程と、
前記Ｎｉ含有金属層における前記半導体素子構造部と反対側よりも外側にＮｉバリア金属層を形成するＮｉバリア金属層形成工程と、
前記Ｎｉバリア金属層における前記半導体素子構造部と反対側よりも外側に、前記金属ナノ粒子焼結層に接続する表面金属層を形成する表面金属層形成工程と、を含み、
前記Ｎｉバリア金属層は、前記Ｎｉが前記表面金属層への拡散を低減する金属を含んだことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温にて動作する半導体素子の電極構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温にて動作する半導体素子（高温動作対応の半導体素子）は、素子単体でパッケージングされる場合以外にも、実装基板に実装されて動作させることがある。この高温にて動作する半導体素子と実装基板とを安定して長時間接合可能にすべく、高温にて動作する半導体素子と実装基板とを接合するための半導体素子裏面の電極構造が多く提案されている。また、通常範囲の温度で動作する半導体素子と実装基板との接合では、はんだにおけるＰｂ（鉛）フリー化や低温接合化のために、Ｓｎ（錫）基はんだや金属ナノ粒子ペースト等で接合することも行われている。高温にて動作する半導体素子においても、この半導体素子と実装基板とをＳｎ基はんだや金属ナノ粒子ペースト等で接合するための半導体素子裏面の電極構造が多く提案されている。【０００３】
Ｓｎ基はんだは、主に半導体素子の低温接合用に使用され、Ｐｂフリーはんだとして期待されている。金属ナノ粒子ペーストは、金属ナノ粒子を主成分とし、融点あるいは焼結温度が数百℃以下に低温化できるものである。【０００４】
特許文献１には、Ｓｉ（シリコン）を主体とする半導体基板に、Ｎｉ（ニッケル）シリサイド層、Ｔｉ（チタン）層（第１金属層）、Ｎｉ層（第２金属層）、Ａｕ（金）層（第３金属層）を順次積層させた半導体素子の裏面電極構造が記載されている。特許文献１は、半導体素子裏面のＮｉシリサイド層（オーミック電極）剥がれを抑制するための半導体基板及び製造方法に関する文献である。特許文献１の裏面電極構造は、Ｓｉを主体とする半導体基板に第１のＮｉ層、Ｔｉ層、第２のＮｉ層、Ａｕ層を順次積層させた後に、Ｎｉシリサイド層の形成温度を１００〜３００℃と低くすることで、Ｎｉシリサイド層の基板とは反対側にＮｉ層を残すとともに、この残ったＮｉ層上に積層された金属層にかかる応力を低減し、基板との密着性を向上させることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４９１４４号公報（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記電極構造を有する半導体素子を金属ナノ粒子ペーストにより実装基板と接合した場合、上記電極構造では、実装基板に実装された後の高温動作により、Ｎｉ層（第２金属層）のＮｉとＡｕ層（第３金属層）のＡｕが相互拡散し、金属ナノ粒子焼結層との密着性がないＮｉ層が電極の表面層のＡｕ層の最表面にでてくるため、半導体素子の電極と金属ナノ粒子焼結層とが、再現性良くかつ十分な接合強度を得ることが難しかった。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、半導体素子が高温、特に１７５℃以上で動作した場合にも、半導体素子と金属ナノ粒子焼結層とが、十分長時間安定に密着することができる電極を有する半導体素子を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体素子は、半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に形成され、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層と、Ｎｉ含有金属層における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されたＮｉバリア金属層と、Ｎｉバリア金属層における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成され、金属ナノ粒子焼結層に接続する表面金属層と、を備えた電極を有し、Ｎｉバリア金属層は、Ｎｉが表面金属層への拡散を低減する金属を含んだものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、半導体素子の電極内にＮｉの拡散を低減させる金属を含んだＮｉバリア金属層を挿入したので、半導体素子を実装基板に実装後の高温動作の際に、半導体素子と金属ナノ粒子焼結層との間に、長時間安定した密着強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体素子の電極の断面外略図である。
【図２】本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図３】Ｎｉの拡散係数のアレニウスプロットを示す図である。
【図４】本発明の実施例及び比較例における結果を一覧にして示した図である。
【図５】本発明の実施の形態１による半導体装置の２５０℃保持後の電極構造を説明する図である。
【図６】比較例における半導体装置の２５０℃保持後の電極構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による半導体素子の電極の断面外略図であり、図２は本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する図である。半導体素子１は、ショットキーダイオード、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタやバイポーラトランジタ等のパワー半導体素子等である。本発明は、半導体素子の電極形成部に金属シリサイドを含む多層構造の電極が形成される半導体素子に適用できるものである。半導体素子１は、半導体基板１１の片方の表面に、金属シリサイド層２、第１金属層３、第２金属層４、第３金属層５、第４金属層６が、順次形成されている。なお、電極を形成する前に、半導体基板１１には、半導体素子１の半導体素子構造部、すなわちショットキーダイオード、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジタ等の電極を除いた構造が形成されている。図において、半導体素子１の半導体素子構造部は省略した。
【００１１】
本実施の形態１では、半導体基板１１として炭化珪素基板を用いた。この炭化珪素基板としては、特に限定される必要はなく、公知のものを用いることができる。この炭化珪素基板の少なくとも片面、すなわち電極形成部を有する片面に、スパッタリング法等公知の方法によって、第１金属層３、第２金属層４、第３金属層５、第４金属層６として、それぞれＴｉ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層、Ａｕ層などの金属層を形成することができる。形成される金属層のそれぞれの厚さは、特に限定されることはなく、製造される半導体素子１の大きさに合わせて、適宜調整すればよいが、一般的に、１０ｎｍから２０００ｎｍ以下である。
【００１２】
半導体素子の電極構造の特性を調査や研究し、半導体素子の電極構造を開発する際には、動作可能な半導体素子が形成されていない半導体基板に、金属シリサイド層２、第１金属層３、第２金属層４、第３金属層５、第４金属層６が、順次形成されたものを用いることができる。これ以後、半導体素子１は、動作可能な半導体素子が形成されていない半導体基板１１に電極構造を設けたものを使用する場合で説明する。
【００１３】
半導体素子１の電極製造方法を説明する。炭化珪素基板１１の片方の表面に、金属シリサイド層２を形成するための金属層を所定の厚さ、例えば厚さ５０ｎｍで形成し、その後真空雰囲気下でその金属シリサイド層に応じた条件にて熱処理を行うことにより、前記所定の厚さ程度（例えば５０ｎｍ程度）の金属シリサイド層２を形成する（金属シリサイド層形成工程）。
【００１４】
スパッタリング法等を用いて、金属シリサイド層２の表面に、金属シリサイド層２に密着する密着層となる第１金属層（密着金属層）３を形成する（第１金属層形成工程、密着金属層形成工程）。第１金属層３の基板面側とは反対面側に、スパッタリング法等を用いて、Ｎｉを含む第２金属層（Ｎｉ含有金属層）４を形成する（第２金属層形成工程、Ｎｉ含有金属層形成工程）。第２金属層４の基板面側とは反対面側に、スパッタリング法等を用いて、Ｃｕを含む第３金属層（Ｎｉバリア金属層）５を形成する（第３金属層形成工程、Ｎｉバリア金属層形成工程）。第３金属層５の基板面側とは反対面側に、スパッタリング法等を用いて、表面金属層である貴金属を含む第４金属層６を形成する（第４金属層形成工程、表面金属層形成工程）。
【００１５】
第１金属層３を形成する金属は、Ｔｉ、Ｃｒ（クロム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｚｒ（ジルコニウム）のいずれかの単金属、またはＴｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒの少なくとも１種を含有する合金を用いることができる。第２金属層４は、Ｎｉ金属、またはＮｉを含有した合金を用いることができる。第３金属層５は、Ｃｕ金属、またはＣｕを含有した合金を用いることができる。第４金属層６は、Ａｕ、Ｐｔ（白金）、Ａｇ、Ｉｒ（イリジウム）、Ｃｕのいずれかの単金属、またはＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕの少なくとも１種を含有する合金を用いることができる。
【００１６】
図２を用いて、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する。図２（ａ）は接合前の半導体素子及び実装基板を示す図であり、図２（ｂ）は接合後の半導体装置を示す図である。半導体素子１を実装する実装基板１５は以下のように製造する。ベース板８の表面に、所定の開口径を有するステンレスマスクを用いて、金属ナノ粒子ペースト層７を印刷等により形成し、実装基板１５（１５ａ）を得る。金属ナノ粒子ペースト層７の表面に、半導体素子１を搭載し、接合前の半導体装置を得る。上記で得られた接合前の半導体装置を、接合装置を用いて、所定の圧力で加圧をしながら、所定の温度で所定の時間保持することにより、金属ナノ粒子ペースト層７に含有する金属ナノ粒子同士が焼結し、金属ナノ粒子ペースト層７は金属ナノ粒子焼結層９に変化する。その後、空冷させることにより、金属ナノ粒子焼結層９を有する実装基板１５（１５ｂ）に半導体素子１が接合され、密着された半導体装置２０を得る。
【００１７】
金属ナノ粒子ペースト層７を形成する金属ナノ粒子ペーストは、Ａｇナノ粒子ペーストやＣｕナノ粒子ペーストを用いることがきる。
【００１８】
第３金属層５は、第２金属層４のＮｉが第４金属層６への拡散を低減させることができ、Ｎｉバリア金属層となる。ここでは、第３金属層５のＣｕがＮｉバリア金属として作用することを説明する。図３はＮｉの拡散係数のアレニウスプロットを示す図である。縦軸は拡散係数Ｄ（ｃｍ２／ｓ）であり、横軸は絶対温度Ｔの逆数、１０００／Ｔ（Ｋ−１）である。特性線３１はＮｉとＡｕとの相互拡散における拡散係数の特性を示し、特性線３２はＣｕ金属へのＮｉの拡散における拡散係数の特性を示している。特性線３１のデータは、Ｐ．Ｗ．Ｌｅｅｓ他による「INTERDIFFUSION BETWEEN CONNECTOR CONTACT MATERIALS AND NICKEL DIFFUSION BARRIERS DURING PRECIPITATION HARDENING OF HIGH PERFORMANCE SPRING MATERIALS」、Proceedings of the Fortieth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts (1994) 189（文献１）に記載された図３（以降、図Ａ）に基づくものである。特性線３２のデータは、Ａ．Ｍ．Ａｂｄｕｌ−Ｌｅｔｔｉｆによる「Investigation of interdiffusion in copper-nickel bilayer thin films」、Sience Direct Physica B388 (2007) 107（文献２）に記載された図３（以降、図Ｂ）に基づくものである。図３の白丸で示したデータは、文献１の図Ａにおける黒三角（Lees - Grain Boundary (Plated)）で示されたものであり、図３の黒丸で示したデータは、文献１の図Ａにおける×印で示されたものである。図３の白四角で示したデータは、文献２の図Ｂにおける黒ひし形で示されたものである。比較線３３は、特性線３１を縦軸方向に１／１００だけ移動にしたものである。
【００１９】
ほぼ３００℃（５７３Ｋ）において上記文献１及び２に示された拡散係数Ｄを示す。文献１には、３１５℃（５８８Ｋ）でのＮｉとＡｕとの相互拡散における拡散係数は、約１×１０−１３であることが示されている。これに対して、文献２には、３００℃（５７３Ｋ）でのＣｕ金属へのＮｉの拡散における拡散係数は、４．３×１０−１６であることが示されている。ほぼ３００℃（５７３Ｋ）において、Ｃｕ金属へのＮｉの拡散における拡散係数は、ＮｉとＡｕとの相互拡散における拡散係数よりも約１／１００倍になっている。すなわち、ＮｉのＣｕへの拡散は、ＮｉのＡｕへの拡散より約１／１００倍遅くなっている。このため、高温にて動作する半導体素子の電極構造にＣｕ層を挿入することで、Ｃｕ層がＣｕ層よりも外側（半導体素子の表面側）のＡｕ層（第４金属層６の１種類）へのＮｉ拡散を阻害し、実用的な累積動作時間においてＡｕ層とＮｉ層との間で相互拡散がほぼ生じないようにできる。Ｃｕ層がＡｕ層とＮｉ層との間に挿入された半導体素子の電極構造は、金属ナノ粒子焼結層９とは密着性がないＮｉ層がＡｕ層の最表面に形成されないようにできるため、Ａｕ層と金属ナノ粒子焼結層９との間で、長時間安定した密着強度が維持できる。
【００２０】
金属ナノ粒子ペースト層７に接触し、電極の最表面に形成された第４金属層６を構成する元素はＡｕ以外にもＰｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕを用いることができる。第４金属層６を構成する元素がＰｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕであっても、半導体素子の電極構造にＣｕ層を挿入することで、Ｃｕ層がＣｕ層よりも外側の第４金属層６へのＮｉ拡散を阻害することができる。したがって、半導体素子の電極構造における第４金属層６とＮｉ層４との間にＣｕ層６を挿入することで、金属ナノ粒子焼結層９とは密着性がないＮｉ層が第４金属層６の最表面に、形成されないようにできるため、第４金属層６と金属ナノ粒子焼結層９との間で、長時間安定した密着強度が維持できる。
【００２１】
図３において、特性線３１を引いた全温度範囲において、特性線３２の拡散係数Ｄは比較線３３とほぼ同じかそれ以下になっている。したがって、特性線３１を引いた全温度範囲において、ＮｉのＣｕへの拡散は、ＮｉのＡｕへの拡散より約１／１００倍遅くなっている。炭化珪素基板に形成された半導体素子は１７５℃（４４８Ｋ）以上で動作可能なので、炭化珪素基板に形成された半導体素子が動作可能な範囲において、電極構造におけるＡｕ層とＮｉ層との間にＣｕ層を挿入することで、Ａｕ層と金属ナノ粒子焼結層９との間で、長時間安定した密着強度が維持できる。同様に、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕを含む第４金属層６でも、第４金属層６と金属ナノ粒子焼結層９との間で、長時間安定した密着強度が維持できる。
【００２２】
今まで、第２金属層（Ｎｉ含有金属層）４は第１金属層（密着金属層）３の面に形成され、第３金属層（Ｎｉバリア金属層）５、第４金属層（表面金属層）６が順次形成される場合で説明したが、第３金属層（Ｎｉバリア金属層）５は第２金属層（Ｎｉ含有金属層）４よりも導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されていればよい。また、第４金属層（表面金属層）６は、第３金属層（Ｎｉバリア金属層）５よりも導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されていればよい。このような電極構造であっても、半導体素子１の電極内にＮｉの拡散を低減させる金属を含んだＮｉバリア金属層５を有することにより、金属ナノ粒子焼結層９とは密着性がないＮｉ層が第４金属層６の最表面に、形成されないようにできるため、半導体素子１を実装基板１５に実装後の高温動作の際に、半導体素子１と金属ナノ粒子焼結層９との間に、長時間安定した密着強度を実現することができる。
【００２３】
実施の形態１の半導体素子によれば、半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に形成され、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層４と、Ｎｉ含有金属層４における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されたＮｉバリア金属層５と、Ｎｉバリア金属層５における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成され、金属ナノ粒子焼結層９に接続する表面金属層６と、を備えた電極を有し、Ｎｉバリア金属層５は、Ｎｉが表面金属層６への拡散を低減する金属を含んだものであるので、半導体素子１の電極内にＮｉの拡散を低減させる金属を含んだＮｉバリア金属層を有することにより、半導体素子１を実装基板１５に実装後の高温動作の際に、半導体素子１と金属ナノ粒子焼結層９との間に、長時間安定した密着強度を実現することができる。
【００２４】
実施の形態１の半導体装置によれば、実装基板１５と、実装基板１５に金属ナノ粒子焼結層９を介在させて実装された半導体素子１と、を備え、半導体素子１は、半導体素子１における半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に形成され、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層４と、Ｎｉ含有金属層４における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成されたＮｉバリア金属層５と、Ｎｉバリア金属層５における半導体素子構造部と反対側よりも外側に形成され、金属ナノ粒子焼結層９に接続する表面金属層６と、を備えた電極を有し、Ｎｉバリア金属層５は、Ｎｉが表面金属層６への拡散を低減する金属を含んだものであるので、半導体素子の電極内にＮｉの拡散を低減させる金属を含んだＮｉバリア金属層を有することにより、この半導体素子を実装基板に実装した半導体装置は、半導体素子と金属ナノ粒子焼結層との間に、長時間安定した密着強度を実現することができる。
【００２５】
実施の形態１の半導体素子の製造方法によれば、半導体素子１における半導体素子構造部の少なくとも一方の面側に、Ｎｉを含むＮｉ含有金属層４を形成するＮｉ含有金属層形成工程と、Ｎｉ含有金属層４における半導体素子構造部と反対側よりも外側にＮｉバリア金属層５を形成するＮｉバリア金属層形成工程と、Ｎｉバリア金属層５における半導体素子構造部と反対側よりも外側に、金属ナノ粒子焼結層９に接続する表面金属層６を形成する表面金属層形成工程と、を含み、Ｎｉバリア金属層５は、Ｎｉが表面金属層６への拡散を低減する金属を含んだものであるので、半導体素子１の電極内にＮｉの拡散を低減させる金属を含んだＮｉバリア金属層を有することにより、半導体素子１を実装基板１５に実装後の高温動作の際に、半導体素子１と金属ナノ粒子焼結層９との間に、長時間安定した密着強度を実現することができる。
【００２６】
なお、高温動作対応の半導体素子は、炭化珪素（ＳｉＣ）以外に、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いることができる。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１に、炭化珪素（ＳｉＣ）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珪素（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置等の高温動作対応の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、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、半導体装置の一層の小型化が可能になる。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
［実施例１］
半導体素子１を模擬するものとして、厚さ５００μｍの炭化珪素基板を用意した。なお、所定の回路パターンが形成された炭化珪素基板を用いてもよい。金属シリサイド層２を形成するための金属層として、スパッタリング法を用いて厚さ５０ｎｍでニッケル層を形成し、その後真空雰囲気下で８００℃、１時間の熱処理を行うことにより、厚さ５０ｎｍ程度のニッケルシリサイド層を形成することができる。スパッタリング法を用いて、金属シリサイド層２の表面に、第１金属層３として厚さ２００ｎｍのＴｉ層、Ｔｉ層表面に第２金属層４として厚さ２００ｎｍのＮｉ層、Ｎｉ層表面に第３金属層５として厚さ２００ｎｍのＣｕ層、第４金属層６としてＣｕ層表面に厚さ２００ｎｍのＡｕ層を順次形成した。この後、ダイシング工程にて５.０ｍｍ□（５.０ｍｍ平方、□は平方を意味する。）サイズに切断し、洗浄したものを、半導体素子１として用いた。【００２８】
次に、半導体素子１を実装する実装基板１５を用意する。まず、ベース板８は、面積１０ｍｍ□、厚さ１.０ｍｍのＣｕ板表面に厚さ５μｍのＡｇめっきを施した。このベース板８の表面に、開口径が、６ｍｍ□で、厚さ０.２ｍｍのステンレスマスクを用いて、金属ナノ粒子ペースト層７としてＡｇナノ粒子ペーストを印刷し、上記Ａｇナノ粒子ペースト層７の表面に、半導体素子１を搭載し、接合前の半導体装置を得た。Ａｇナノ粒子ペーストとしては、例えば、ＤＯＷＡ社製造Ｔ２Ｗ−Ａ２を用いることができる。接合装置は、アスリートＦＡ社製造の加熱圧着ユニット（ＡＰ−１００Ｍ）を用いた。上記で得られた接合前の半導体装置を、１００℃、１０ｍｉｎ間のプリヒート処理を行った後、５ＭＰａの加圧をしながら、３５０℃まで昇温し、３５０℃に到達してから、５分間保持することにより、Ａｇナノ粒子ペーストに含有するＡｇナノ粒子同士が焼結し、金属ナノ粒子焼結層９を形成する。その後、空冷させることにより、半導体装置２０を得た。半導体装置２０は、３個作製した。【００２９】
このように構成された半導体装置２０を、２５０℃、１０００ｈで、高温に保持し、２００ｈごとにＤａｇｅ社製造のダイシェアテスター（ＨＳ４０００）のシェア測定器による密着強度測定を行った。密着強度判定は、３０ｋｇｆ／チップ以上を密着性異常なしとし、３０ｋｇｆ／チップ未満で強度低下有りとした。図４に測定結果を示した。図４は、本発明の実施例及び比較例における結果を一覧にして示した図である。なお、比較例は後述する。図４からわかるように、本実施例のＣｕ層を挿入したサンプル（サンプル２−１、２−２、２−３）は、１０００ｈ経過しても、密着強度低下が見られなかった。【００３０】
１０００ｈ経過後のサンプル（サンプル２−１、２−２、２−３）を、波長分散型Ｘ線分析を用いて半導体素子電極の元素分析を行った。Ｎｉ層４のＮｉのＡｕ層６の側への拡散が、Ｃｕ層５の挿入により阻害されていた。したがって、実施例１の半導体装置２０は、２５０℃、１０００ｈ保持後においても、図５に示すように電極構造の変化が見られなかった。図５は、本発明の実施の形態１による半導体装置の２５０℃保持後の電極構造を説明する図である。図５（ａ）は高温保持前の半導体装置２０を示し、図５（ｂ）は高温保持後の半導体装置２０を示している。【００３１】
［比較例１］
実施例１のサンプルと比較する比較サンプルの作製は、以下の方法で行った。厚さ５００μｍの炭化珪素基板１１の片方の表面に、実施例１と同じ方法で、厚さ５０ｎｍ程度のニッケルシリサイド層（金属シリサイド層２）を形成した。スパッタリング法を用いて、金属シリサイド層２の表面に、第１金属層３として厚さ２００ｎｍのＴｉ層、第２金属層４としてＴｉ層表面に厚さ２００ｎｍのＮｉ層、第３金属層６としてＮｉ層表面に厚さ２００ｎｍのＡｕ層を順次形成した。この後、ダイシング工程にて５.０ｍｍ□サイズに切断し、洗浄したものを、半導体素子３５（３５ａ、図６参照）として用いた。半導体装置の製造方法は、実施例１と同様である。半導体素子３５が実装基板１５（１５ｂ）に実装された半導体装置４０（４０ａ、図６参照）は、３個作製した。【００３２】
このように構成された半導体装置４０（４０ａ）を、実施例１と同様に、２５０℃、１０００ｈで、高温に保持し、２００ｈごとにＤａｇｅ社製造のダイシェアテスター（ＨＳ４０００）のシェア測定器による密着強度測定を行った。図４に示したように、実施例１とは異なり、Ｃｕ層６を挿入していない比較例のサンプルは、２００ｈで密着強度低下するもの（サンプル１−１、１−３）があった。図６は、比較例１による半導体装置の２５０℃保持後の電極構造を説明する図である。図６（ａ）は高温保持前の半導体装置４０（４０ａ）を示し、図６（ｂ）は高温保持後の半導体装置４０（４０ｂ）を示している。【００３３】
２００ｈ経過後のサンプル（サンプル１−１、１−３）を、波長分散型Ｘ線分析を用いて半導体素子電極の元素分析を行った。２００ｈ経過後に密着強度が低下した素子電極の元素分析では、実施例１と異なり、Ｎｉ層４のＮｉとＡｕ層６のＡｕが相互拡散し、Ａｕ最表面においてＮｉ元素が検出された。したがって、比較例１の半導体装置４０ｂは、２５０℃、２００ｈ保持後において、図６に示すように電極構造の変化が見られた。すなわち、高温保持前の半導体装置４０ａにおけるＮｉ層（第２金属層）４のＮｉとＡｕ層（第４金属層）６のＡｕが相互拡散し、第２金属層の金属（Ｎｉ）と第３金属層の金属（Ａｕ）との拡散層（相互拡散層）１０が形成された。高温保持後の半導体装置４０ｂは、その電極構造が金属シリサイド層２、第１金属層３、相互拡散層１０からなる多層構造になっていた。
【符号の説明】
【００３４】
１…半導体素子、２…金属シリサイド層、３…第１金属層（密着金属層）、４…第２金属層（Ｎｉ含有金属層）、５…第３金属層（Ｎｉバリア金属層）、６…第４金属層（表面金属層）、９…金属ナノ粒子焼結層、１５…実装基板、２０…半導体装置。
【図１】
2012066803.tif 000003
【図２】
2012066803.tif 000004
【図３】
2012066803.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012066803.tif 000007
【図６】
2012066803.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月1日(2013.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
金属ナノ粒子ペースト層７に接触し、電極の最表面に形成された第４金属層６を構成する元素はＡｕ以外にもＰｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕを用いることができる。第４金属層６を構成する元素がＰｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｕであっても、半導体素子の電極構造にＣｕ層を挿入することで、Ｃｕ層がＣｕ層よりも外側の第４金属層６へのＮｉ拡散を阻害することができる。したがって、半導体素子の電極構造における第４金属層６とＮｉ層４との間にＣｕ層５を挿入することで、金属ナノ粒子焼結層９とは密着性がないＮｉ層が第４金属層６の最表面に、形成されないようにできるため、第４金属層６と金属ナノ粒子焼結層９との間で、長時間安定した密着強度が維持できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
［比較例１］
実施例１のサンプルと比較する比較サンプルの作製は、以下の方法で行った。厚さ５００μｍの炭化珪素基板１１の片方の表面に、実施例１と同じ方法で、厚さ５０ｎｍ程度のニッケルシリサイド層（金属シリサイド層２）を形成した。スパッタリング法を用いて、金属シリサイド層２の表面に、第１金属層３として厚さ２００ｎｍのＴｉ層、第２金属層４としてＴｉ層表面に厚さ２００ｎｍのＮｉ層、表面金属層６としてＮｉ層表面に厚さ２００ｎｍのＡｕ層を順次形成した。この後、ダイシング工程にて５.０ｍｍ□サイズに切断し、洗浄したものを、半導体素子３５（３５ａ、図６参照）として用いた。半導体装置の製造方法は、実施例１と同様である。半導体素子３５が実装基板１５（１５ｂ）に実装された半導体装置４０（４０ａ、図６参照）は、３個作製した。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
このように構成された半導体装置４０（４０ａ）を、実施例１と同様に、２５０℃、１０００ｈで、高温に保持し、２００ｈごとにＤａｇｅ社製造のダイシェアテスター（ＨＳ４０００）のシェア測定器による密着強度測定を行った。図４に示したように、実施例１とは異なり、Ｃｕ層５を挿入していない比較例のサンプルは、２００ｈで密着強度低下するもの（サンプル１−１、１−３）があった。図６は、比較例１による半導体装置の２５０℃保持後の電極構造を説明する図である。図６（ａ）は高温保持前の半導体装置４０（４０ａ）を示し、図６（ｂ）は高温保持後の半導体装置４０（４０ｂ）を示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
２００ｈ経過後のサンプル（サンプル１−１、１−３）を、波長分散型Ｘ線分析を用いて半導体素子電極の元素分析を行った。２００ｈ経過後に密着強度が低下した素子電極の元素分析では、実施例１と異なり、Ｎｉ層４のＮｉとＡｕ層６のＡｕが相互拡散し、Ａｕ最表面においてＮｉ元素が検出された。したがって、比較例１の半導体装置４０ｂは、２５０℃、２００ｈ保持後において、図６に示すように電極構造の変化が見られた。すなわち、高温保持前の半導体装置４０ａにおけるＮｉ層（第２金属層）４のＮｉとＡｕ層（表面金属層）６のＡｕが相互拡散し、第２金属層の金属（Ｎｉ）と表面金属層の金属（Ａｕ）との拡散層（相互拡散層）１０が形成された。高温保持後の半導体装置４０ｂは、その電極構造が金属シリサイド層２、第１金属層３、相互拡散層１０からなる多層構造になっていた。
【国際調査報告】
2012066803.tif 000009
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