(57)【要約】【課題】300〜400℃のような高温環境下でも動作可能であり、かつ半導体チップと配線部材との接合信頼性に優れる半導体装置を提供する。【解決手段】  本発明に係る半導体装置は、セラミックパッケージの中に半導体チップが封入された半導体装置であって、前記セラミックパッケージは、セラミックスケースと配線部材とを有し、前記半導体チップは、SiC半導体チップまたはGaN半導体チップであり、表面電極と裏面電極とを有し、該裏面電極に対面する前記配線部材のダイボンド部と前記裏面電極とが接合層を介して電気的接合されており、前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面の少なくとも一方が、Au、AlまたはNiからなり、前記接合層が、Cuナノ粒子とNiナノ粒子とを含む混合金属ナノ粒子の焼結組織を有していることを特徴とする。【選択図】図１
2020061407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックパッケージの中に半導体チップが封入された半導体装置であって、
前記セラミックパッケージは、セラミックスケースと配線部材とを有し、
前記半導体チップは、SiC半導体チップまたはGaN半導体チップであり、表面電極と裏面電極とを有し、該裏面電極に対面する前記配線部材のダイボンド部と前記裏面電極とが接合層を介して電気的接合されており、
前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面の少なくとも一方が、Au、AlまたはNiからなり、
前記接合層が、Cuナノ粒子とNiナノ粒子とを含む混合金属ナノ粒子の焼結組織を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面が共にAuからなり、
前記接合層が、Cuナノ粒子、Niナノ粒子およびSnナノ粒子からなる三元混合金属ナノ粒子の焼結組織を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記三元混合金属ナノ粒子は、
10原子％以上30原子％以下で平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子と、
2原子％以上10原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のSnナノ粒子とを含み、
残部が平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記表面電極は、表面がAuからなり、前記配線部材の内部配線とボンディングワイヤによって接続されており、
前記セラミックパッケージが、金属蓋で封止されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記裏面電極の表面がAlからなり、
前記ダイボンド部の表面がAuからなり、
前記接合層が、Cuナノ粒子、Niナノ粒子、Snナノ粒子およびZnナノ粒子からなる四元混合金属ナノ粒子の焼結組織を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、
前記四元混合金属ナノ粒子は、
10原子％以上30原子％以下で平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子と、
2原子％以上8原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のSnナノ粒子と、
2原子％以上8原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のZnナノ粒子とを含み、
前記Snナノ粒子と前記Znナノ粒子との合計が4原子％以上10原子％以下であり、
残部が平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記表面電極は、表面がAuからなり、前記配線部材の内部配線とボンディングワイヤによって接続されており、
前記セラミックパッケージが、金属蓋で封止されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面が共にNiからなり、
前記接合層が、Cuナノ粒子およびNiナノ粒子からなる二元混合金属ナノ粒子の焼結組織を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
前記二元混合金属ナノ粒子は、
前記Cuナノ粒子の平均粒径が10 nm以上200 nm以下であり、
前記Niナノ粒子の平均粒径が10 nm以上50 nm以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記表面電極は、表面がAuからなり、前記配線部材の内部配線とボンディングワイヤによって接続されており、
前記セラミックパッケージが、金属蓋で封止されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
セラミックパッケージの中に半導体チップが封入された半導体装置であって、
前記セラミックパッケージは、セラミックスケースと配線部材とを有し、
前記半導体チップは、SiC半導体チップまたはGaN半導体チップであり、表面電極と裏面電極とを有し、該裏面電極に対面する前記配線部材のダイボンド部と前記裏面電極とが接合層を介して電気的接合されており、
前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面が共にNiからなり、
前記接合層が、Niナノ粒子の焼結組織を有しており、該Niナノ粒子の平均粒径が10 nm以上50 nm以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記表面電極は、表面がAuからなり、前記配線部材の内部配線とボンディングワイヤによって接続されており、
前記セラミックパッケージが、金属蓋で封止されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に従来以上の高温環境でも使用可能な半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々なモノ（装置や設備）に取り付けられたセンサ等がインターネットに接続され、当該モノから取得したデータを解析・連携することによって、モノの動作効率や快適性の向上を図るIoT（Internet of Things）が近年注目されている。IoTの実用化にあたっては、収集するデータ量が膨大になるため、取得したデータをデータセンタのコンピュータ（例えば、クラウドコンピュータ）に集める前に、予めモノの側に設置した演算処理機構で一部のデータ処理を行うエッジコンピューティングが考えられている。
【０００３】
そして、エッジコンピューティングを行うにあたって、モノの側に設置される演算処理機構には、小型化や高効率化が求められる。この観点において、半導体物質として従来のシリコン（Si）の代わりに炭化シリコン（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を用いた半導体装置が期待されている。
【０００４】
SiCやGaNは、Siに比して、バンドギャップが大きく、絶縁破壊電界が高く、熱伝導率が高く、電子飽和速度が速いという特徴を有する。これらの特徴は、Siの半導体装置に比して、耐熱性の向上、電力損失の低減および動作速度の向上につながり、SiCやGaNの半導体装置および該半導体装置を用いた機構の小型化・高効率化を可能にする。例えば、SiCやGaNの半導体装置は、Si半導体装置で限界とされる175℃を超えても十分に動作可能であることから、従来のSi半導体装置では設置困難であった高温環境下のモノや箇所にも設置可能となる上に冷却機構の簡素化も可能となり、エッジコンピューティングに貢献することができる。
【０００５】
ここで、200℃程度以上の高温環境下での半導体装置の使用を想定した場合、半導体チップ自身の耐熱性に加えて、しばしば半導体チップと配線部材との接合性・耐熱性が重要な技術課題となる。特に、近年においては、地球環境への負荷低減の観点から、接合材の鉛フリー化が求められており、200℃以上の耐熱性を有するはんだ接合が困難になっている。
【０００６】
そのような技術課題に対し、種々の技術が研究開発されている。一例として、金属ナノ粒子を利用した接合技術がある。金属ナノ粒子（例えば、粒径200 nm以下）は、粒子の体積エネルギーに比して表面エネルギーが大きいために化学的活性が高く、焼結温度が大幅に低下する一方で、焼結後には当該金属が本来有する高い耐熱性を示すことから、高温環境下の半導体装置の接合材として好適に利用できる。
【０００７】
例えば、特許文献１（特開2016-167527）には、配線層を有する基板と、前記基板に搭載され、表面に電極を有する半導体素子と、前記半導体素子の電極と焼結金属層を介して接合された導電板と、を備える半導体モジュールであって、前記電極は、ゲート配線部によって複数の電極に分割されており、前記焼結金属層は、前記ゲート配線部上部の領域が前記電極上部の領域よりも焼結密度が低い半導体モジュール、が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２（特開2017-101313）には、第１金属微粒子と、該第１金属微粒子の表面に配置され、加熱により前記表面から脱離することが可能な有機被膜とを備える表面被覆金属微粒子、及び前記第１金属微粒子表面からの前記有機被膜の脱離開始温度より低い液相生成温度を有し、かつ、前記第１金属微粒子に含まれる金属との反応により金属間化合物を形成することが可能な金属を含む第２金属粒子を含有する接合材料、が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−１６７５２７号公報
【特許文献２】特開２０１７−１０１３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１によると、150℃のパワーサイクル試験の結果、従来技術に比して大幅な寿命延長がみられ、高温環境下であっても半導体チップと配線部材との接続信頼性に優れる半導体モジュールを提供できるとされている。また、特許文献２によると、250℃の温度環境下であっても、半導体素子や基板などの金属部材を高い接合強度で接合することが可能になるとされている。これらの記載から、特許文献１〜２に記載されたような従来の半導体モジュール／半導体装置は、その使用環境温度として150〜250℃程度を想定していると考えられる。
【００１１】
一方、IoTに伴うエッジコンピューティングでは、従来以上の高温環境下（例えば、300〜400℃）にあるモノや箇所にも設置可能な演算処理機構が求められている。しかしながら、従来の半導体モジュール／半導体装置は、そのような高温環境までは想定していないため、従来技術をそのまま適用しても当該要求の実現は困難と考えられる。
【００１２】
上記のような事情を鑑み、本発明の目的は、従来以上の高温環境下（例えば、300〜400℃）でも動作可能であり、かつ半導体チップと配線部材との接合信頼性に優れる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（I）本発明の一態様は、セラミックパッケージの中に半導体チップが封入された半導体装置であって、
前記セラミックパッケージは、セラミックスケースと配線部材とを有し、
前記半導体チップは、SiC半導体チップまたはGaN半導体チップであり、表面電極と裏面電極とを有し、該裏面電極に対面する前記配線部材のダイボンド部と前記裏面電極とが接合層を介して電気的接合されており、
前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面の少なくとも一方が、Au（金）、Al（アルミニウム）またはNi（ニッケル）からなり、
前記接合層が、Cu（銅）ナノ粒子とNiナノ粒子とを含む混合金属ナノ粒子の焼結組織を有していることを特徴とする半導体装置、を提供するものである。
【００１４】
本発明は、上記の半導体装置（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面が共にAuからなり、前記接合層が、Cuナノ粒子、Niナノ粒子およびSn（スズ）ナノ粒子からなる三元混合金属ナノ粒子の焼結組織を有している。
（ii）前記三元混合金属ナノ粒子は、10原子％以上30原子％以下で平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子と、2原子％以上10原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のSnナノ粒子とを含み、残部が平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子からなる。
（iii）前記裏面電極の表面がAlからなり、前記ダイボンド部の表面がAuからなり、前記接合層が、Cuナノ粒子、Niナノ粒子、Snナノ粒子およびZn（亜鉛）ナノ粒子からなる四元混合金属ナノ粒子の焼結組織を有している。
（iv）前記四元混合ナノ粒子は、10原子％以上30原子％以下で平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子と、2原子％以上8原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のSnナノ粒子と、2原子％以上8原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のZnナノ粒子とを含み、前記Snナノ粒子と前記Znナノ粒子との合計が4原子％以上10原子％以下であり、残部が平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子からなる。
（v）前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面が共にNiからなり、前記接合層が、Cuナノ粒子およびNiナノ粒子からなる二元混合金属ナノ粒子の焼結組織を有している。
（vi）前記二元混合金属ナノ粒子は、前記Cuナノ粒子の平均粒径が10 nm以上200 nm以下であり、前記Niナノ粒子の平均粒径が10 nm以上50 nm以下である。
（vii）前記半導体チップの前記表面電極は、表面がAuからなり、前記配線部材の内部配線とボンディングワイヤによって接続されており、前記セラミックパッケージが、金属蓋で封止されている。
【００１５】
（II）本発明の他の一態様は、セラミックパッケージの中に半導体チップが封入された半導体装置であって、
前記セラミックパッケージは、セラミックスケースと配線部材とを有し、
前記半導体チップは、SiC半導体チップまたはGaN半導体チップであり、表面電極と裏面電極とを有し、該裏面電極に対面する前記配線部材のダイボンド部と前記裏面電極とが接合層を介して電気的接合されており、
前記裏面電極の表面および前記ダイボンド部の表面が共にNiからなり、
前記接合層が、Niナノ粒子の焼結組織を有しており、該Niナノ粒子の平均粒径が10 nm以上50 nm以下であることを特徴とする半導体装置、を提供するものである。
【００１６】
本発明は、上記の半導体装置（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（v）前記半導体チップの前記表面電極は、表面がAuからなり、前記配線部材の内部配線とボンディングワイヤによって接続されており、前記セラミックパッケージが、金属蓋で封止されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来以上の高温環境下（例えば、300〜400℃）でも動作可能であり、かつ半導体チップと配線部材との接合信頼性に優れる半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る半導体装置の一例を示す横断面模式図である。
【図２】図１に示した半導体装置の透視平面模式図である。
【図３】昇温還元法によるNiナノ粒子の熱伝導度と温度との関係を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながらより具体的に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。また、同義の部材・部位に同じ符号を付して、重複する説明を省略することがある。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示す横断面模式図であり、図２は、図１に示した半導体装置の透視平面模式図である。図２においては、セラミックパッケージ30の内部の様子が判るように、図１に示した金属蓋70を透視した状態を示した。
【００２１】
図１〜図２に示したように、本発明に係る半導体装置100は、概略的に、セラミックスケース10と配線部材20とを有するセラミックパッケージ30の中に、半導体チップ40が封入された構造を有している。半導体チップ40は、表面電極41と裏面電極42とを有し、裏面電極42に対面する配線部材20のダイボンド部21と裏面電極42とが接合層50を介して電気的接合され、表面電極41と配線部材20の内部配線22とがボンディングワイヤ60によって電気的接続されている。セラミックパッケージ30の開口面（図１の上方面）は、シールリング71を介して金属蓋70で封止されている。
【００２２】
半導体装置100を構成する各部材・各部位について、より具体的に説明する。
【００２３】
前述したように、本発明は、従来以上の高温環境下（例えば、300〜400℃）でも信頼性高く安定して動作可能な半導体装置を目指すものである。そのため、半導体装置100を構成する各部材・各部位は、当然のことながら、そのような高温環境に耐えうる耐熱性と耐酸化性とが要求される。
【００２４】
まず、半導体チップ40としては、耐熱性に優れるSiC半導体チップまたはGaN半導体チップを用いることが好ましい。SiC半導体チップやGaN半導体チップを用いることにより、耐熱性に加えて、電力損失の低減や動作速度の向上が期待され、半導体装置100および半導体装置100を用いた機構の小型化・高効率化を可能にする。
【００２５】
パッケージ材料としても、耐熱性の観点から、樹脂モールドではなくセラミックスケース10を用いることが好ましい。半導体装置100の動作環境・動作条件に適合する限り利用するセラミックスに特段の限定はないが、優れた耐酸化性と低い比誘電率とを有するセラミックス（例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素）を利用することが好ましい。
【００２６】
配線部材20にも特段の限定はなく、従前の部材（例えば、リードフレーム）を好適に利用できる。ただし、高温の動作環境下でも耐酸化性を確保する観点から、酸化雰囲気に直接曝される領域（例えば、外部配線23）には、耐酸化性被膜（例えば、Auめっき）が施されることが好ましい。
【００２７】
接合層50に対しては、動作環境下で必要十分な耐熱性に加えて、簡便な施工性（接合し易さ）が強く求められる。これらの観点から、金属ナノ粒子の利用が好ましい。
【００２８】
金属ナノ粒子を利用した接合技術は、前述したように、金属ナノ粒子の高い化学的活性に起因する低温での焼結現象（例えば、300〜400℃での焼結）を利用した接合方法であり、具体的には、Ag（銀）やCuやNiのナノ粒子がしばしば利用されている。これらの金属ナノ粒子うち、コスト的な観点からはCuナノ粒子やNiナノ粒子が有利である。
【００２９】
しかしながら、Cuナノ粒子やNiナノ粒子は、Agナノ粒子よりも酸化し易く酸素との結合エネルギーが大きいため、酸素原子が離脱しにくい（還元されにくい）性状を有する。そのため、半導体チップでしばしば利用されるAu電極やAl電極との接合性が悪く剥離し易いという弱点（すなわち、接合信頼性に弱点）がある。
【００３０】
本発明者は、Au電極やAl電極と良好な接合性を有し、かつAgナノ粒子よりも低コスト化が可能な金属ナノ粒子の接合材について鋭意研究を行った。その結果、平均粒径を制御したCuナノ粒子および平均粒径を制御したNiナノ粒子を少なくとも含む混合金属ナノ粒子の接合材を用いることによって、Au電極やAl電極に対しても良好な接合性を示し、高い接合信頼性を確保できることを見出した。本発明は、当該知見に基づいて完成されたものである。
【００３１】
第１実施形態では、半導体チップ40の裏面電極42の表面と配線部材20のダイボンド部21の表面とが共にAuからなる場合について説明する。なお、本発明において、「裏面電極42の表面がAuからなる」や「ダイボンド部21の表面がAuからなる」とは、裏面電極42自体およびダイボンド部21自体がAuからなる構造でもよいし、裏面電極42およびダイボンド部21の最表面にAu層が形成されている構造でもよい。
【００３２】
本実施形態の場合、接合層50としては、Cuナノ粒子、Niナノ粒子およびSnナノ粒子からなる三元混合金属ナノ粒子の接合材を用いることが好ましい。より具体的には、10原子％以上30原子％以下で平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子と、2原子％以上10原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のSnナノ粒子とを含み、残部が平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子からなる三元混合金属ナノ粒子を用いることが好ましい。
【００３３】
接合層50がSn成分を含有することにより、裏面電極42およびダイボンド部21の表面のAuとの親和性が高まると共に、Cu-Niの合金化促進および良好な焼結接合に貢献する。
【００３４】
三元混合金属ナノ粒子中の各金属ナノ粒子の混合率が上記の範囲を外れると、焼結接合が不十分になったり、液相成分が流出したりする（すなわち、接合性や接合信頼性が低下する）。Niナノ粒子の混合率は、15原子％以上25原子％以下がより好ましく、20原子％以上25原子％以下が更に好ましい。Snナノ粒子の混合率は、3原子％以上9原子％以下がより好ましく、4原子％以上8原子％以下が更に好ましい。
【００３５】
各金属ナノ粒子の平均粒径は、上述したように10 nm以上が好ましい。平均粒径の下限が10 nm未満になると、凝集し易くなってハンドリング性が低下すると共に、用意コストが増大する。平均粒径の上限に関しては、Cuナノ粒子およびSnナノ粒子は、金属ナノ粒子の利点が享受できる一般的な粒径である200 nm以下が好ましく、100 nm以下がより好ましい。一方、Niナノ粒子は、Cuナノ粒子およびSnナノ粒子に比して融点が高く酸素原子が離脱しづらい（還元されにくい）ことから、平均粒径50 nm以下が好ましく、40 nm以下がより好ましく、30 nm以下が更に好ましい。
【００３６】
本発明者は、平均粒径の異なる市販のNiナノ粒子を用いて、平均粒径と還元温度との関係を調査した。調査方法は、昇温還元法（Temperature Programmed Reduction Method）を利用した。具体的には、熱電対を挿入したU字ガラス管にNiナノ粒子の試料を詰め、該U字ガラス管に3％水素-97％アルゴンのガスを流しながら昇温し、詰めたNiナノ粒子の還元で消費される水素量の変化を検出器（半拡散型４素子熱伝導度検出器（TCD））の熱伝導率の変化によって測定した。結果を図３に示す。
【００３７】
図３は、昇温還元法によるNiナノ粒子の熱伝導度と温度との関係を示すチャートである。図３に示したように、平均粒径40 nmの場合、約160〜230℃に掛けて単一のピークが測定され、還元温度（ピークトップ温度）が約190℃であることが判る。これに対し、平均粒径100 nmの場合、約190〜350℃に掛けてのサブピークと約370〜650℃超に掛けての主ピークとが測定され、主たる還元温度（ピークトップ温度）が約580℃であることが判る。平均粒径800 nmの場合、650℃までの測定温度範囲で還元ピークは測定されなかった。
【００３８】
図３のような調査結果から、金属ナノ粒子接合材による低温焼結接合（例えば、300〜400℃での焼結接合）を想定した場合、使用するNiナノ粒子の平均粒径の上限は、50 nm以下が好ましく、40 nm以下がより好ましく、30 nm以下が更に好ましいと言える。
【００３９】
半導体チップ40の表面電極41、配線部材20の内部配線22、およびボンディングワイヤ60に関しては、特段の限定はなく、従前の技術を適宜利用することができる。例えば、表面電極41の表面と内部配線22の表面とが共にAuからなり、Auボンディングワイヤによってワイヤボンディングする構造を好適に採用できる。
【００４０】
なお、本発明においては、ボンディングワイヤ60としてAuボンディングワイヤを使用することに限定されるものではなく、他のボンディングワイヤ（例えば、Cuボンディングワイヤ、Alボンディングワイヤ）を適宜利用できる。その場合、表面電極41の表面および内部配線22の表面も当該他のボンディングワイヤと適合するように適宜選択することが好ましい。
【００４１】
半導体チップ40およびボンディングワイヤ60の保護のため、セラミックパッケージ30の開口面（図１の上方面）は、シールリング71を介して金属蓋70で封止されることが好ましい。このとき、ワイヤボンディングの接合信頼性の確保の観点から、セラミックパッケージ30の内部は、非酸化性ガス（例えば、窒素、アルゴン）が封入されることが好ましい。
【００４２】
金属蓋70としては、熱応力低減の観点から、熱膨張係数がセラミックスケース10と近い合金（例えば、Fe-Ni-Co合金、コバール（登録商標））を好適に利用できる。また、シールリング71および封止方法としては、セラミックスケース10と金属蓋70とを気密封止できる限り特段の限定はなく、従前の技術を適宜利用できる。
【００４３】
本発明の半導体装置100は、従来以上の高温環境下（例えば、300〜400℃）でも動作可能であり、かつ半導体チップと配線部材との接合信頼性に優れることから、高い耐熱性や高い耐酸化性が求められるような厳しい環境下のモノ（例えば、自動車、航空機、油井採掘機器）に対しても、好適に適用することができる。
【００４４】
次に、本発明の半導体装置100の製造方法について、簡単に説明する。本発明の半導体装置100の製造方法は、半導体チップ40とセラミックパッケージ30とを接合層50を介して接合するダイボンド工程（ダイアタッチ工程、チップボンド工程とも言われる）に特徴があり、他の工程は従前の技術を適宜利用できるものである。よって、当該ダイボンド工程についてのみ説明する。
【００４５】
具体的には、ダイボンド工程は、別途用意した半導体チップ40の裏面電極42と、別途用意したセラミックパッケージ30の配線部材20のダイボンド部21とを、別途用意した接合層50を介して接合する工程である。第１実施形態においては、前述したように、裏面電極42の表面とダイボンド部21の表面とは共にAuからなるように用意されている。
【００４６】
ダイボンドする前の接合材としては、10〜30原子％で平均粒径10〜50 nmのNiナノ粒子と、2〜10原子％で平均粒径10〜200 nmのSnナノ粒子とを含み、残部が平均粒径10〜200 nmのCuナノ粒子からなる三元混合金属ナノ粒子が、適当な有機溶剤（例えば、ジエチレングリコールモノブチルエーテル）と共に混練されペースト化されたものを用いることが好ましい。
【００４７】
用意した接合材ペーストをダイボンド部21上に塗布する。接合材ペーストの塗布方法に特段の限定はなく、従前の方法（例えば、マスク印刷法）を適宜利用できる。つづいて、接合材ペーストを塗布したダイボンド部21上に、裏面電極42が対面するように半導体チップ40を配置する。
【００４８】
次に、裏面電極42に対する面圧が0.05〜0.2 MPa程度となるように加圧しながら、還元雰囲気中（例えば、水素雰囲気中）、300〜400℃の温度範囲、5〜30分間の時間範囲で加熱して、裏面電極42と三元混合金属ナノ粒子とダイボンド部21とを焼結接合させる。これにより、混合金属ナノ粒子の焼結組織を有した接合層50が得られる。
【００４９】
［第２実施形態］
第２実施形態では、半導体チップ40の裏面電極42の表面がAlからなり、配線部材20のダイボンド部21の表面がAuからなる場合について説明する。言い換えると、第２実施形態は、第１実施形態に比して、半導体チップ40の裏面電極42の表面の構成と、接合層50の構成とが異なり、他を同じとするものである。
【００５０】
なお、本発明において、「裏面電極42の表面がAlからなる」とは、裏面電極42自体がAlからなる構造でもよいし、裏面電極42の最表面にAl層が形成されている構造でもよい。また、ここでのAlは、電極材料として利用されるAl合金（例えば、Al-Si合金、Al-Cu-Si合金）を含むものとする。
【００５１】
本実施形態の場合、接合層50としては、Cuナノ粒子、Niナノ粒子、Snナノ粒子およびZnナノ粒子からなる四元混合金属ナノ粒子の接合材を用いることが好ましい。より具体的には、10原子％以上30原子％以下で平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子と、2原子％以上8原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のSnナノ粒子と、2原子％以上8原子％以下で平均粒径10 nm以上200 nm以下のZnナノ粒子とを含み、Snナノ粒子とZnナノ粒子との合計が4原子％以上10原子％以下であり、残部が平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子からなる四元混合金属ナノ粒子を用いることが好ましい。
【００５２】
第１実施形態と同様に、接合層50がSn成分を含有することにより、ダイボンド部21の表面のAuとの親和性が高まる。また、接合層50がZn成分を含有することにより、裏面電極42の表面のAlとの親和性が高まる。加えて、SnおよびZn成分は、Cu-Niの合金化促進および良好な焼結接合に貢献する。
【００５３】
四元混合金属ナノ粒子中の各金属ナノ粒子の混合率が上記の範囲を外れると、焼結接合が不十分になったり、液相成分が流出したりする（すなわち、接合性や接合信頼性が低下する）。Niナノ粒子の混合率は、15原子％以上25原子％以下がより好ましく、20原子％以上25原子％以下が更に好ましい。Snナノ粒子の混合率は、3原子％以上7原子％以下がより好ましく、4原子％以上6原子％以下が更に好ましい。Znナノ粒子の混合率は、3原子％以上7原子％以下がより好ましく、4原子％以上6原子％以下が更に好ましい。また、Snナノ粒子とZnナノ粒子との合計混合率は、5原子％以上9原子％以下がより好ましく、6原子％以上8原子％以下が更に好ましい。
【００５４】
本実施形態の半導体装置における他の構成、他の作用効果および製造方法は、第１実施形態のそれらと同様である。
【００５５】
［第３実施形態］
第３実施形態では、半導体チップ40の裏面電極42の表面と配線部材20のダイボンド部21の表面とが共にNiからなる場合について説明する。言い換えると、第３実施形態は、第１実施形態に比して、裏面電極42の表面の構成と、ダイボンド部21の表面の構成と、接合層50の構成とが異なり、他を同じとするものである。
【００５６】
なお、本発明において、「裏面電極42の表面がNiからなる」や「ダイボンド部21の表面がNiからなる」とは、裏面電極42自体およびダイボンド部21自体がNiからなる構造でもよいし、裏面電極42およびダイボンド部21の最表面にNi層が形成されている構造でもよい。また、ここでのNiは、電極材料として利用されるNi合金（例えば、Ni-P合金）を含むものとする。
【００５７】
本実施形態の場合、接合層50としては、Cuナノ粒子およびNiナノ粒子からなる二元混合金属ナノ粒子の接合材を用いることが好ましい。より具体的には、平均粒径10 nm以上200 nm以下のCuナノ粒子と、平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子とからなる二元混合金属ナノ粒子を用いることが好ましい。Cuナノ粒子およびNiナノ粒子の混合率に特段の限定はなく、合計が100原子％となる限り任意の混合率をとることができる。
【００５８】
CuとNiとは全率固溶体をつくり得ることから、互いに親和性の高い元素である。このことから、接合材ペースト中のCuナノ粒子は、裏面電極42の表面およびダイボンド部21の表面と接する界面において、ダイボンド工程の熱処理過程で容易に拡散焼結接合を生じさせることができる。また、接合材ペースト中のNiナノ粒子は、裏面電極42の表面およびダイボンド部21の表面に対して同種元素であり、親和性に問題はない。
【００５９】
本実施形態の半導体装置における他の構成、他の作用効果および製造方法は、第１実施形態のそれらと同様である。加えて、本実施形態の半導体装置は、裏面電極42の表面およびダイボンド部21の表面にAu層を形成する必要がないことから、コスト低減に寄与する利点もある。
【００６０】
［第４実施形態］
第４実施形態では、第３実施形態と同様に、半導体チップ40の裏面電極42の表面と配線部材20のダイボンド部21の表面とが共にNiからなる場合について説明する。言い換えると、第４実施形態は、第３実施形態に比して、接合層50の構成が異なり、他を同じとするものである。
【００６１】
本実施形態の場合、接合層50として、平均粒径10 nm以上50 nm以下のNiナノ粒子からなる接合材を用いることが好ましい。
【００６２】
本実施形態の半導体装置における他の構成、作用効果および製造方法は、第３実施形態のそれらと同様である。
【実施例】
【００６３】
以下、種々の実験により本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実験に限定されるものではない。
【００６４】
［実験１］
（Niナノ粒子における平均粒径と焼結接合性との関係の調査）
図３で説明したように、Niナノ粒子は、平均粒径によって還元温度が変化する。ここでは、平均粒径の異なるNiナノ粒子を用いた接合材ペーストを用意して、当該接合材ペーストによる焼結接合性を調査した。
【００６５】
平均粒径が40 nm、100 nm、800 nmの３種類のNiナノ粒子をそれぞれジエチレングリコールモノブチルエーテルと混練して、３種類のNiナノ粒子ペーストを調合した。被接合材としては、アルミナ棒（直径10 mm）の端面を被接合面とし、当該被接合面を鏡面研磨した後にNi層をスパッタ成膜した試験片を用意した。
【００６６】
一方の試験片の被接合面（スパッタNi層）上にNiナノ粒子ペーストを塗布し、対となる他方の試験片の被接合面（スパッタNi層）を配置した後、面圧0.1 MPaで加圧しながら、水素雰囲気中で350℃、15分間保持の加熱を行って３種類の接合試料（N-1、N-2、N-3）を作製した。得られた接合試料に対して、JIS Z 3198-5（はんだ継手の引張および剪断試験方法）に準拠して接合部分の剪断応力を測定した。
【００６７】
半導体装置のダイボンドにおける接合強度としては、少なくとも13 MPaが求められていることから、13 MPa以上の剪断応力を「合格」と判定し、13 MPa未満の剪断応力を「不合格」と判定した。結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2020061407.tif 000003
【００６９】
表１に示したように、第４実施形態に係る接合試料N-1（平均粒径40 nm）は、15 MPaの剪断応力が得られ、合格と判定された。これに対し、接合試料N-2（平均粒径100 nm）および接合試料N-3（平均粒径800 nm）は、剪断応力が極めて低く、不合格と判定された。前述した図３の結果を参酌すると、接合試料N-1は、本実験の接合温度（350℃）でNiナノ粒子が十分に還元されて焼結接合が進展したのに対し、接合試料N-2およびN-3は、Niナノ粒子の還元が不十分であったために実質的に焼結接合しなかったものと考えられる。
【００７０】
［実験２］
（被接合面の両表面がAuである場合の焼結接合性の調査）
実験２では、被接合面の表面が共にAuからなる場合における焼結接合性を調査した。
【００７１】
被接合材としては、アルミナ棒（直径10 mm）の端面を被接合面とし、当該被接合面を鏡面研磨した後にAu層をスパッタ成膜した試験片を用意した。金属ナノ粒子としては、平均粒径100 nmのCuナノ粒子、平均粒径40 nmのNiナノ粒子、平均粒径100 nmのSnナノ粒子を用意した。
【００７２】
これらの金属ナノ粒子を用いて３種類の接合材ペーストを用意した。１つ目は、100原子％のCuナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、Cuナノ粒子ペーストを調合した。２つ目は、72原子％のCuナノ粒子と24原子％のNiナノ粒子と4原子％のSnナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、Cu-Ni-Sn三元混合ナノ粒子ペーストを調合した。３つ目は、68原子％のCuナノ粒子と24原子％のNiナノ粒子と8原子％のSnナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、別のCu-Ni-Sn三元混合ナノ粒子ペーストを調合した。
【００７３】
実験１と同様にして、一方の試験片の被接合面（スパッタAu層）上に接合材ペーストを塗布し、対となる他方の試験片の被接合面（スパッタAu層）を配置した後、面圧0.1 MPaで加圧しながら、水素雰囲気中で350℃、15分間保持の加熱を行って３種類の接合試料（C-1、CNS-1、CNS-2）を作製した。得られた接合試料に対して、実験１と同様にして、接合部分の剪断応力を測定した。結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
2020061407.tif 000004
【００７５】
表２に示したように、接合試料C-1（Au層／100Cuナノ粒子焼結層／Au層）は、剪断応力が11 MPaであり、不合格と判定された。これは、Cuナノ粒子のAu層に対する親和性が不十分なためと考えられる。これに対し、第１実施形態に係る接合試料CNS-1（Au層／72Cu-24Ni-4Snナノ粒子焼結層／Au層）および接合試料CNS-2（Au層／68Cu-24Ni-8Snナノ粒子焼結層／Au層）は、それぞれ19 MPaおよび14 MPaの剪断応力が得られ、合格と判定された。これは、Sn成分の存在により、AuとCuとNiとの相互親和性が向上したためと考えられる。
【００７６】
［実験３］
（被接合面の表面がAuとAlとの組み合わせである場合の焼結接合性の調査）
実験３では、一方の被接合面の表面がAuからなり、他方の被接合面の表面がAlからなる場合における焼結接合性を調査した。
【００７７】
被接合材としては、アルミナ棒（直径10 mm）の端面を被接合面とし、当該被接合面を鏡面研磨した後にAu層をスパッタ成膜した試験片と、当該被接合面を鏡面研磨した後にAl層をスパッタ成膜した試験片とを用意した。金属ナノ粒子としては、平均粒径100 nmのCuナノ粒子、平均粒径40 nmのNiナノ粒子、平均粒径100 nmのSnナノ粒子、平均粒径100 nmのZnナノ粒子を用意した。
【００７８】
これらの金属ナノ粒子を用いて２種類の接合材ペーストを用意した。１つ目は、100原子％のCuナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、Cuナノ粒子ペーストを調合した。２つ目は、68原子％のCuナノ粒子と24原子％のNiナノ粒子と4原子％のSnナノ粒子と4原子％のZnナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、Cu-Ni-Sn-Zn四元混合ナノ粒子ペーストを調合した。
【００７９】
実験１と同様にして、一方の試験片の被接合面（スパッタAu層）上に接合材ペーストを塗布し、対となる他方の試験片の被接合面（スパッタAl層）を配置した後、面圧0.1 MPaで加圧しながら、水素雰囲気中で350℃、15分間保持の加熱を行って２種類の接合試料（C-2、CNSZ-1）を作製した。得られた接合試料に対して、実験１と同様にして、接合部分の剪断応力を測定した。結果を表３に示す。
【００８０】
【表３】
2020061407.tif 000005
【００８１】
表３に示したように、接合試料C-2（Au層／100Cuナノ粒子焼結層／Al層）は、剪断応力が0 MPaであり、不合格と判定された。前述の実験２の接合試料C-1の結果と比較すると、Cuナノ粒子のAl層に対する親和性が、Au層に対する親和性よりも更に低いためと考えられる。これに対し、第２実施形態に係る接合試料CNSZ-1（Au層／68Cu-24Ni-4Sn-4Znナノ粒子焼結層／Al層）は、19 MPaの剪断応力が得られ、合格と判定された。これは、Zn成分の存在により、AlとCuとNiとの相互親和性が向上したためと考えられる。
【００８２】
［実験４］
（被接合面の両表面がNiである場合の焼結接合性の調査）
実験４では、被接合面の表面が共にNiからなる場合における焼結接合性を調査した。
【００８３】
被接合材としては、実験１と同じ試験片を用意した。金属ナノ粒子としては、平均粒径40 nmのNiナノ粒子、および平均粒径100 nmのCuナノ粒子を用意した。
【００８４】
これらの金属ナノ粒子を用いて２種類の接合材ペーストを用意した。１つ目は、70原子％のNiナノ粒子と30原子％のCuナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、Ni-Cu二元混合ナノ粒子ペーストを調合した。２つ目は、50原子％のNiナノ粒子と50原子％のCuナノ粒子とジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混練して、別のNi-Cu二元混合ナノ粒子ペーストを調合した。
【００８５】
実験１と同様にして、一方の試験片の被接合面（スパッタNi層）上に接合材ペーストを塗布し、対となる他方の試験片の被接合面（スパッタNi層）を配置した後、面圧0.1 MPaで加圧しながら、水素雰囲気中で350℃、15分間保持の加熱を行って２種類の接合試料（NC-1、NC-2）を作製した。得られた接合試料に対して、実験１と同様にして、接合部分の剪断応力を測定した。結果を表４に示す。
【００８６】
【表４】
2020061407.tif 000006
【００８７】
表４に示したように、第３実施形態に係る接合試料NC-1（Ni層／70Ni-30Cuナノ粒子焼結層／Ni層）および接合試料NC-2（Ni層／50Ni-50Cuナノ粒子焼結層／Ni層）は、それぞれ20 MPaおよび32 MPaの剪断応力が得られ、合格と判定された。Cuナノ粒子の混合率を増加させると接合部分の剪断応力が増加したメカニズムは現段階で解明されていないが、前述の実験１の接合試料N-1（Ni層／100Niナノ粒子焼結層／Ni層）との比較から、Niナノ粒子とCuナノ粒子とを混合することにより、接合熱処理中のNiナノ粒子の還元が促進されて焼結接合性が向上し剪断応力が増加した可能性が考えられる。
【００８８】
［実験５］
（接合信頼性の調査）
実験５では、上記の実験１〜４で作製した各接合試料に対して熱サイクル試験を行い、接合部分の信頼性（耐久性）を調査した。具体的には、400℃で30分間保持、直ちに-40℃で30分間保持を1サイクルとして100サイクル実施した後、接合部分の様子（断面組織）を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した。接合部分に劣化（例えば、剥離、クラック）が観察されたものを「不合格」と判定し、劣化が観察されなかったものを「合格」と判定した。
【００８９】
熱サイクル試験の結果、接合試料C-1（Au層／100Cuナノ粒子焼結層／Au層）では、Au層／100Cuナノ粒子焼結層の界面で剥離やクラックの劣化が観察され、不合格と判定された。これは、Cuナノ粒子のAu層に対する親和性が不十分なためと考えられる。
【００９０】
これに対し、本発明に係る接合試料CNS-1（Au層／72Cu-24Ni-4Snナノ粒子焼結層／Au層）、CNS-2（Au層／68Cu-24Ni-8Snナノ粒子焼結層／Au層）、CNSZ-1（Au層／68Cu-24Ni-4Sn-4Znナノ粒子焼結層／Al層）、N-1（Ni層／100Niナノ粒子焼結層／Ni層）、NC-1（Ni層／70Ni-30Cuナノ粒子焼結層／Ni層）、およびNC-2（Ni層／50Ni-50Cuナノ粒子焼結層／Ni層）においては、接合部分に特段の劣化は観察されなかった。
【００９１】
実験１〜５の結果から、本発明に係る半導体装置は、従来以上の高温環境下（例えば、300〜400℃）でも動作可能であり、かつ半導体チップと配線部材との接合信頼性に優れると結論される。
【００９２】
上述した実施形態や実験例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実験例の構成の一部について、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
100…半導体装置、
10…セラミックスケース、
20…配線部材、21…ダイボンド部、22…内部配線、23…外部配線、
30…セラミックパッケージ、
40…半導体チップ、41…表面電極、42…裏面電極、
50…接合層、
60…ボンディングワイヤ、
70…金属蓋、71…シールリング。
【図１】
2020061407.tif 000007
【図２】
2020061407.tif 000008
【図３】
2020061407.tif 000009