(57)【要約】【課題】接合層の剪断強度が高く、高温耐久性に優れた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体素子と、基板と、半導体素子と基板とを接合する接合層とを備える。接合層は、半導体素子の金属部分に接する第１層と、基板の金属部分に接する第２層と、第１層と第２層との間の第３層とを含む。第１層および第２層は、ニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を主成分として含み、第３層は、銅を主成分として含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、基板と、半導体素子と基板とを接合する接合層とを備え、
接合層は、半導体素子の金属部分に接する第１層と、基板の金属部分に接する第２層と、第１層と第２層との間の第３層とを含み、
第１層および第２層は、ニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を主成分として含み、
第３層は、銅を主成分として含む、半導体装置。
【請求項２】
第１層および第２層の厚さは、１ｎｍ以上かつ１０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
第３層は、粒子状の銅がランダムに分散した構造を有する、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
第３層に含まれる有機成分の含有量は、１重量％以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
第３層は、平均粒径が１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の銅粒子を含むペーストを用いて形成された、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
基板は、銅合金リードフレーム、電極が形成されたセラミックス基板、実装基板、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基板、ガラスエポキシ基板のうちのいずれかである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
第１層の原料層として、半導体素子の接合面にニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を含む層を形成し、
第２層の原料層として、基板の接合面にニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を含む層を形成し、
第１層の原料層および第２層の原料層に接合する銅を含む第３層の原料層を形成して、不活性ガスもしくは還元性ガスの雰囲気下で加熱処理を行い、半導体素子と基板とを接合する、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
加熱処理は、１５０℃以上かつ４５０℃以下の雰囲気温度で行う、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
加熱処理は、無加圧条件下で行う、請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
第３層の原料層に含まれる粒子状の銅の平均粒径は１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下である、請求項７〜９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、回路基板の一種であるタブ上に導電性接着剤を介して半導体素子を接合することが記載されている。また、この導電性接着剤においては、金、銀、ニッケル、銅等の微粉末を導電性フィラーとして使用できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１７０５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の半導体装置においては、一般に、半導体素子は、特許文献１のような導電性接着剤やはんだによって回路基板上に実装される。しかしながら、半導体装置においては、車載用のパワーモジュール等のより高い温度耐久性が要求される用途への利用が拡大している。より高い温度においても、半導体素子と基板との接合強度が維持された半導体装置が要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、基板と、半導体素子と基板とを接合する接合層とを備える。接合層は、半導体素子の金属部分に接する第１層と、基板の金属部分に接する第２層と、第１層と第２層との間の第３層とを含む。第１層および第２層は、ニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を主成分として含み、第３層は、銅を主成分として含む。
【０００６】
発明者らは、半導体装置の接合層を構成する成分として、温度耐久性の高い銅に着目し、銅を主成分として含む層を接合層の一部に用いて半導体素子と基板とを接合することについて鋭意研究を行った。その結果、銅を主成分として含む層（第３層）と、その両面側（半導体素子側および基板側）の、ニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を主成分として含む層（第１層、第２層）とを含む接合層を用いることによって、接合層における高い剪断強度が得られるという知見を得た。上記の半導体装置によれば、高い温度耐久性と、高い剪断強度とを兼ね備えた接合層によって接合されており、高温でも十分な接合強度を確保できる。
【０００７】
上記の半導体装置では、第１層および第２層の厚さは、１ｎｍ以上かつ１０μｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
上記の半導体装置では、第３層は、粒子状の銅がランダムに分散した構造を有していてもよい。また、第３層に含まれる有機成分の含有量は、１重量％以下であってもよい。また、第３層は、平均粒径が１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の銅粒子を含むペーストを用いて形成されてもよい。
【０００９】
上記の半導体装置では、基板は、銅合金リードフレーム、電極が形成されたセラミックス基板、実装基板、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基板、ガラスエポキシ基板のうちのいずれかであってもよい。
【００１０】
本明細書は、半導体素子と、基板と、半導体素子と基板とを接合する接合層とを備え、接合層は、半導体素子の金属部分に接する第１層と、基板の金属部分に接する第２層と、第１層と第２層との間の第３層とを含む半導体装置の製造方法を開示する。この製造方法では、第１層の原料層として、半導体素子の接合面にニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を含む層を形成し、第２層の原料層として、基板の接合面にニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を含む層を形成し、第１層の原料層および第２層の原料層に接合する銅を含む第３層の原料層を形成して、不活性ガスもしくは還元性ガスの雰囲気下で加熱処理を行い、半導体素子と基板とを接合する。
【００１１】
上記の製造方法では、加熱処理は、１５０℃以上かつ４５０℃以下の雰囲気温度で行うことが好ましい。また、加熱処理は、無加圧条件下で行ってもよい。
【００１２】
上記の製造方法では、第３層の原料層に含まれる銅粒子の平均粒径は１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る半導体装置の概要を示す図である。
【図２】実施例に係る試験片および接合層を示す図である。
【図３】実施例１に係る断面ＳＥＭ像を示す図である。
【図４】第１，第２層の厚さと剪断強度との関係を示す図である。
【図５】加熱処理の雰囲気温度と剪断強度との関係を示す図である。
【図６】第３層を形成するためのペースト中の銅の平均粒子径と剪断強度との関係を示す図である。
【図７】第３層における残留有機成分の含有量と剪断強度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、基板と、半導体素子と基板とを接合する基板とを備える。
【００１５】
半導体素子については、特に限定されないが、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等が半導体基板に形成された半導体素子を例示することができる。
【００１６】
基板については、特に限定されないが、銅合金リードフレーム、電極が形成されたセラミックス基板、実装基板等を例示できる。より具体的には、電極が形成されたセラミックス基板としては、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄ  Ｃｏｐｐｅｒ：登録商標）基板、活性金属接合（ＡＭＣ：Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板を例示できる。実装基板としては、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等を例示できる。
【００１７】
半導体素子の金属部分と基板の金属部分とは、接合層を介して接合されている。半導体素子の金属部分とは、例えば、半導体素子の表面電極や裏面電極である。より具体的には、例えば、半導体素子がＩＧＢＴである場合には、エミッタ電極やコレクタ電極であり、ＭＯＳＦＥＴである場合には、ソース電極やドレイン電極である。また、基板の金属部分とは、非金属基板上に形成された金属部分であってもよいし、金属基板それ自体であってもよい。接合層は、半導体素子に接する第１層と、基板に接する第２層と、第１層と第２層との間の第３層とを含む。
【００１８】
第１層および第２層は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）から選ばれる少なくとも１種の金属を含む。第１層、第２層は、上記の金属を主成分として含むことが好ましく、他の成分（例えば、バインダ等の有機成分）をその一部に含んでいてもよい。第１層、第２層は、上記の金属のうちの１種を含んでいてもよいし、２種以上を含んでいてもよい。
【００１９】
第３層は、銅（Ｃｕ）を含む。第３層は、銅を主成分として含むことが好ましく、他の成分（例えば、バインダ等の有機成分）をその一部に含んでいてもよい。より高い剪断強度を得るために、第３層の有機成分の含有量は１重量％以下であることが好ましい。
【００２０】
例示によってより具体的に説明するために、図１に、本明細書が開示する半導体装置の一例を示す。半導体装置１０は、半導体素子１２０と、上部基板１１と、下部基板１２と、接合層１３，１４と、信号端子１５と、モールド樹脂１６と、ボンディングワイヤ１７とを備えている。半導体素子１２０の上表面は、接合層１３を介して、上部基板１１と接合されている。半導体素子１２０の下表面は、接合層１４を介して、下部基板１２と接合されている。半導体素子１２０の上表面の一部と信号端子１５とは、ボンディングワイヤ１７によって電気的に接続されている。半導体素子１２０と、上部基板１１および下部基板１２の一部と、接合層１３，１４と、信号端子１５の一部と、ボンディングワイヤ１７とは、モールド樹脂１６に覆われている。上部基板１１および下部基板１２から伸びるリードおよび信号端子の一部がモールド樹脂１６の外部に突出している。半導体素子１２０は、Ｓｉを材料とする半導体基板にＩＧＢＴが形成された素子である。詳細は図示していないが、半導体基板の上表面側には絶縁ゲートおよびエミッタ層が形成されており、半導体基板の上表面に接するエミッタ電極が形成されている。半導体基板の下表面側にはコレクタ層が形成されており、半導体基板の下表面に接するコレクタ電極が形成されている。上部基板１１および下部基板１２は、金属製のリードフレームである。
【００２１】
接合層１３は、半導体素子１２０の上表面のエミッタ電極に接合する第１層１３１と、上部基板１１の下表面に接合する第２層１３２と、第１層１３１と第２層１３２との間の第３層１３３とを含む。第１層１３１の上表面と第３層１３３の下表面は互いに接合しており、第２層１３２の下表面と第３層１３３の上表面とは互いに接合している。接合層１４は、半導体素子１２０の下表面のコレクタ電極に接合する第１層１４１と、下部基板１２の上表面に接合する第２層１４２と、第１層１４１と第２層１４２との間の第３層１４３とを含む。第１層１４１の下表面と第３層１４３の上表面は互いに接合しており、第２層１４２の上表面と第３層１４３の下表面とは互いに接合している。第１層１３１，１４１および第２層１３２，１４２は、ニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を主成分として含む。第３層１３３，１４３は、銅を主成分として含む。なお、図１では、半導体素子１２０が上表面および下表面においてそれぞれ基板１１，１２と接合する場合を例示して説明したが、これに限定されない。例えば、半導体素子の一方の面のみが接合層を介して基板に接合され、他方の面は基板に接合されてなくてもよい。
【００２２】
第１層および第２層の厚さは、１ｎｍ以上であればよく、１ｎｍ以上かつ１０μｍ以下であることが好ましい。第１層および第２層の厚さは、１ｎｍ以上であればどのような膜厚でも高い剪断強度を得ることができるが、半導体装置の生産コストや第１層、第２層の電気抵抗などを考慮すると１０μｍ以下が好ましい。生産コストをより低減するという点において、第１層および第２層の厚さは、２００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２３】
第１層、第２層および第３層に含まれる金属は、特に限定されず、例えば、粒子状の金属が互いに焼結した状態であってもよいし、スパッタ法等によって原子レベルで結合した状態であってもよい。第１層および第２層は、比較的薄いため、スパッタ法等を用いて比較的容易に緻密な膜を形成することができる。第３層は、比較的厚いため、粒子状の銅を用いてその焼結体を得る等の方法によって形成することが好ましい。また、この場合、第３層は、銅粒子がランダムに分散した構造を有していてもよい。このような構造とすることにより、半導体素子と基板との線膨張係数の違いによる熱応力に対する緩和性が向上し、より高い温度で耐久性を確保することができる。
【００２４】
また、第３層を形成するために用いられるペーストに含まれる銅粒子の平均粒径は、ナノオーダーであることが好ましく、１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下であることがより好ましく、３０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下であることが特に好ましい。平均粒径が大き過ぎると、サイズ効果による融点の低下効果が小さく高い焼結温度が必要になってしまう。このため、後述する半導体装置の製造工程において行う加熱処理を比較的低温で行うと、銅粒子同士の結合が起こりにくくなり、剪断強度を十分に向上させられなくなる場合がある。また、平均粒径が小さ過ぎると、バルクに対する表面比率が高くなる。このため、ペースト作製時等に銅粒子を大気中に取り出した際に粒子の表面が酸化すると、粒子中の酸化層の割合が高くなってしまう。このような酸化層の割合が多い銅粒子を用いてペーストを作製すると、ペースト中で銅粒子同士の凝集し、後述する半導体装置の製造工程において行う加熱処理時に酸化層が除去しきれず残存して、剪断強度を十分に向上させられなくなる場合がある。
【００２５】
なお、平均粒径が上記の範囲を超える銅粒子を用いる場合であっても、焼結温度を適切に高くした場合には、上記した銅粒子同士の結合の問題は起こらない。また、平均粒径が上記の範囲に満たない銅粒子を用いる場合であっても、接合層を形成する全ての工程を不活性ガスもしくは還元性ガスの雰囲気下で行う場合には、上記した銅粒子の酸化の問題は起こらない。
【００２６】
（半導体装置の製造方法）
（第１層、第２層を形成する方法）
第１層、第２層を形成する方法は、特に限定されないが、スパッタ法、メッキ法、塗布法等を用いることができる。上述したように、第１層、第２層の厚さは、１ｎｍ以上に形成されればよく、１ｎｍ以上かつ１０μｍ以下に形成されることが好ましい。
【００２７】
一例としてスパッタ法について具体的に説明する。まず、その表面上に第１層、第２層を形成する基材（基板や半導体素子等）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、基材側にＲＦプラズマを生成して基材表面の不純物の除去を行う。その後、形成する層の材料（例えば、ニッケル、コバルト、もしくは銀）のターゲットを用いてＲＦスパッタ法を行う。これによって、基材表面に第１層または第２層を成膜することができる。第１層、第２層を形成する際の基材の温度は、特に限定されないが、例えば、ニッケル層を形成する場合には、室温（２５℃程度）以上かつ４５０℃以下が好ましい。基材の温度が４５０℃を超えると、半導体素子の耐熱温度を超える場合があり、熱応力も増大して反りや剥離の原因となり得る。
【００２８】
他の一例として、塗布法について具体的に説明すると、まず、第１層、第２層を形成する基材（基板や半導体素子等）を用意する。次に、基材に大気中もしくは不活性ガス雰囲気中でインクジェット法、スピンコート法、ディップ法、スクリーン印刷法等の手法によって、形成する層の材料（例えば、ニッケル、コバルト、銀等の金属粒子）を含むペーストを塗布する。なお、ペーストは、金属粒子と溶剤等を混合して作製してもよいし、市販の金属粒子を含むペーストを用いてもよい。市販のペーストを例示すると、ニッケル粒子を含むペーストとしては、例えば、立山科学工業株式会社製のニッケルナノ粒子分散液、大研化学工業株式会社製のＭＭ１２−８００ＴＯ等を挙げることができる。コバルト粒子を含むペーストとしては、例えば、立山科学工業株式会社製のコバルトナノ粒子分散液等を挙げることができる。銀粒子を含むペーストとしては、例えば、住友電気工業株式会社製のＡＧＩＮ−Ｗ４Ａ、ハリマ化成株式会社製のＮＰＳ−Ｊ−ＨＴＢ等を挙げることができる。形成する層の材料を含むペーストが塗布された基材を不活性ガスもしくは還元ガス雰囲気中で加熱処理する。これによって、第１層、第２層を形成することができる。なお、不活性ガスもしくは還元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っても良い。加熱処理における雰囲気温度は、限定されないが、１５０℃以上かつ４５０℃以下が好ましい。１５０℃未満の雰囲気温度で加熱処理を行うと、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、第１層、第２層の有機成分の含有量が多くなる。また、４５０℃を超える雰囲気温度で加熱処理を行うと、半導体素子の耐熱温度を超える場合があり、熱応力も増大して反りや剥離の原因となり得る。
【００２９】
（第３層を形成する方法）
一例として、銅粒子を含むペーストを用いて塗布法によって第３層を形成する方法について具体的に説明する。塗布法としては、例えば、スクリーン印刷法、バーコート法、インクジェット法、ディップ法、フレキソ印刷法等の方法を用いることができる。第３層を形成する際に用いる銅粒子の平均粒径は、上述のとおり、ナノオーダーであることが好ましく、１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下であることがより好ましく、３０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下であることが特に好ましい。
【００３０】
銅粒子は、市販のものを用いてもよいし、銅を含む塩等を材料に製造したものを用いてもよい。銅粒子の製造法としては、例えば、特開２０１２−４６７７９号公報に記載の方法を用いることができる。この方法は、表面に有機分散剤が形成された、ナノオーダーの粒径を有する銅粒子を製造可能な方法であり、有機分散剤により溶剤への分散性が良好となっているため、銅粒子が凝集することなく、容易にペーストを作製することができる。
【００３１】
ペーストは、金属粒子と溶剤等を混合して作製してもよいし、市販の金属粒子を含むペーストを用いてもよい。銅粒子を用いてペーストを作製する方法としては従来公知の種々の方法を用いることができ、限定されないが、例えば、銅粒子にオクタノール、テルピネオール等の有機溶媒を添加して、自転・公転ミキサーにて撹拌を行うことで作製できる。
【００３２】
銅粒子を含むペーストを不活性ガスもしくは還元ガス雰囲気中で加熱処理する。これによって、第３層を形成することができる。なお、不活性ガスもしくは還元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っても良い。加熱処理における雰囲気温度は、限定されないが、１５０℃以上かつ４５０℃以下が好ましい。１５０℃未満の雰囲気温度で加熱処理を行うと、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、第３層の有機成分の含有量が多くなる。また、４５０℃を超える雰囲気温度で加熱処理を行うと、半導体素子の耐熱温度を超える場合があり、熱応力も増大して反りや剥離の原因となり得る。加熱処理後に得られる第３層の残留有機成分の含有量は、１重量％以下であることが好ましく、１重量％以下であることがより好ましい。第３層の残留有機成分の含有量が多過ぎると、炭素成分の多い脆弱な層となり得る。また、なお、第１層、第２層および第３層を塗布法等で形成する場合には、これらの層の加熱処理を同時に行ってもよい。
【００３３】
本明細書が開示する半導体装置は、限定されないが、例えば、以下に説明する製造方法によって製造できる。この製造方法では、第１層の原料層として、半導体素子の接合面にニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を含む層を形成し、第２層の原料層として、基板の接合面にニッケル、コバルト、銀から選ばれる少なくとも１種の金属を含む層を形成し、第１層の原料層および第２層の原料層に接合する銅を含む第３層の原料層を形成して、半導体素子と基板とを接合する接合層の原料層を形成し、接合層の原料層によって接合された半導体素子と基板とを不活性ガスもしくは還元性ガスの雰囲気下で加熱処理を行い、接合層を形成する。
【００３４】
第１層、第２層、第３層およびこれらの原料層は、既に説明した方法によって好適に形成できる。第１層の原料層および第２層の原料層に接合する銅を含む第３層の原料層を形成して、半導体素子と基板とを接合する接合層の原料層を形成する方法の一例を以下に説明する。
【００３５】
まず、半導体素子の接合面に形成された第１層の表面と、基板の接合面に形成された第２層の表面との少なくともいずれか一方に、銅粒子を含むペーストを塗布し、第３層の原料層を形成する。第３層の原料層の厚さは、限定されないが、生産性や接合抵抗を考慮すると１μｍ以上かつ５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【００３６】
次に、第１層の原料層と第２層の原料層との間に第３層の原料層が位置するように貼り合わせを行う。例えば、第３層の原料層を第１層の原料層の表面のみに接合するように形成した場合には、第３層の原料層の表面と、第２層の原料層の表面とを貼り合わせて接合させる。また、例えば、第３層の原料層を第１層の原料層の表面と、第２層の原料層の表面とにそれぞれ形成した場合には、それぞれの第３層の原料層の表面を貼り合わせて互いに接合させる。貼り合わせの際に第３層の原料層等に気泡が入るのを防ぐために加圧を行ってもよい。貼り合わせは、特に限定されないが、大気中でも真空中でも行うことができる。次に、貼り合わせた接合体に加熱処理を行う。加熱処理方法は、既に説明した方法によって好適行うことができる。
【実施例１】
【００３７】
図２は、本明細書が開示する半導体装置を模擬した試験体２０である。試験体２０は、半導体素子を模擬した円板状の試験片２１（φ５ｍｍ×高さ２ｍｍ）と、基板を模擬した板状の試験片２２（１０ｍｍ×２２ｍｍ×３ｍｍ）と、接合層２３とを備えている。試験片２１，２２の材料はいずれも無酸素銅（Ｃ１０２０）である。試験片２１と試験片２２とは、接合層２３を介して互いに接合されている。接合層２３は、試験片２１の下表面に接合する第１層２３１と、試験片２２の条表面に接合する第２層２３２と、第１層２３１の下表面および第２層２３２の上表面に接合する第３層２３３とを有している。実施例１等では、試験体２０を用いて接合部２３の剪断強度を調べる。試験体２０について調べた剪断強度は、例えば図１に示す半導体装置１０のような実際の半導体装置１０について調べた剪断強度に対応しており、試験体２０において高い剪断強度を得られれば、同様の接合層を有する半導体装置においても高い剪断強度を得ることができる。
【００３８】
試験体２０は、以下の方法で作製した。まず、第１層２３１、第２層２３２として、それぞれ試験片２１，２２を基材としてＲＦスパッタ法を行うことによってニッケル層を形成した。第１層２３１、第２層２３２の厚さは、いずれも４０ｎｍであった。
【００３９】
次に、第１層２３１の裏面に銅粒子を含むペーストを塗布した。銅粒子は、以下の方法で作製した。まず、フラスコにエチレングリコール（ＨＯ（ＣＨ２）２ＯＨ）を３００ｍｌ入れ、これに炭酸銅（ＣｕＣＯ３・Ｃｕ（ＯＨ）２・Ｈ２Ｏ）を３０ｍｏｌ、デカン酸（Ｃ９Ｈ１９ＣＯＯＨ） ３０ｍｍｏｌ、デシルアミン（Ｃ１０Ｈ２１ＮＨ２）を３０ｍｍｏｌ添加した後、Ｎ２ガスを１Ｌ/ｍｉｎで流しながら、１９８℃で１ｈ加熱還流した。得られた生成物をヘキサンに分散させた後、エタノールおよびアセトンを添加して順次洗浄し、３５００ｒｐｍ-２０ｍｉｎの遠心分離により回収した。回収した生成物は、５０℃、３０分間の条件で真空乾燥を行い、粉体を得た。真空乾燥後の粉体をＸＲＤ分析によって調べたところ、銅のスペクトルを示し、得られた粉体が銅粒子であることを確認できた。また、この銅粒子についてＴＥＭ観察を行い、粒子２００個の平均粒径を求めたところ、９３ｎｍであることが分かった。また、この銅粒子について示差熱・熱重量（ＴＧ-ＤＴＡ）分析を行ったところ、この銅粒子における有機分散剤の含有量は０．９３重量％であることが分かった。なお、上記で用いたデカン酸、デシルアミンの代わりにアルキル鎖長の違う有機材料を用いたり、その添加割合を変化させたりすることで、様々な粒径や有機成分含有量の銅粒子を合成することが可能である。
【００４０】
次に、得られた銅粒子を用いてペーストを作製した。銅粒子１０ｇに対してオクタノール５００μＬ、テルピネオール５００μＬを添加して、自転・公転ミキサーにて撹拌を行うことで作製した。これによって、銅粒子の平均粒径が９３ｎｍであり、有機成分の含有量が０．９３重量%のペーストを得ることができた。
【００４１】
得られたペーストを第１層２３１の試験片２１と接合していない側の面にスクリーン印刷法によって塗布し、厚さ１５０μｍの第３層２３３の原料層として銅原料層を形成した。第３層２３３の原料層の第１層２３１と接合していない側の面を、第２層２３２の試験片２２と接合してない側の面に接合するように貼り合わせた。なお、第３層２３３の原料層等に気泡が入ることを抑制するために、加圧しながら貼り合わせを行ってもよい。その後、水素雰囲気中、３００℃の雰囲気温度で５分間の加熱処理を行った。これによって、実施例１に係る試験体２０を作製した。
【００４２】
（接合層の断面構造）
図３に実施例１に係る試験体２０の試験片２１と接合部２０との接合部近傍の断面ＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)像を示す。これより、第３層２３３として形成した銅層（Ｃｕ層）はナノ粒子ペースト用いて形成された場合に特徴的なランダムなナノ粒子構造を示していることがわかった。
【００４３】
（比較例１）
第１層２３１および第２層２３２を形成しないで、第３層２３３の原料層として用いた銅を含む原料層によって試験片２１と試験片２２とを接合した以外は、実施例１と同様の方法を行い、比較例１に係る試験体を作製した。
【００４４】
（比較例２）
第１層２３１を形成しないで、試験片２２にのみ第２層２３２と同様のニッケル層を形成し、試験片２１とニッケル層とを第３層２３３の原料層として用いた銅を含む原料層によって接合した以外は、実施例１と同様の方法を行い、比較例１に係る試験体を作製した。
【実施例２】
【００４５】
第１層２３１および第２層２３２として用いたニッケル層に替えて、厚さ４０ｎｍのコバルト層をＲＦスパッタ法によって形成した以外は、実施例１と同様の方法で実施例２に係る試験体を作製した。
【実施例３】
【００４６】
第１層２３１および第２層２３２として用いたニッケル層に替えて、厚さ４０ｎｍの銀層をＲＦスパッタ法によって形成した以外は、実施例１と同様の方法で実施例３に係る試験体を作製した。
【００４７】
（比較例３）
第１層２３１および第２層２３２として用いたニッケル層に替えて、厚さ４０ｎｍのマンガン層をＲＦスパッタ法によって形成した以外は、実施例１と同様の方法で比較例３に係る試験体を作製した。
【００４８】
（比較例４）
第１層２３１および第２層２３２として用いたニッケル層に替えて、厚さ４０ｎｍのクロム層をＲＦスパッタ法によって形成した以外は、実施例１と同様の方法で比較例４に係る試験体を作製した。
【００４９】
（比較例５）
第１層２３１および第２層２３２として用いたニッケル層に替えて、厚さ４０ｎｍのチタン層をＲＦスパッタ法によって形成した以外は、実施例１と同様の方法で比較例５に係る試験体を作製した。
【００５０】
（剪断強度の測定）
インストロン社製のインストロン型万能試験機を用いて、実施例１〜３および比較例１〜５に係る試験体について、試験片２１と試験片２２とを互いにその平面方向にずらすように力を加えて、剪断強度の測定を行った。剪断速度は、１ｍｍ/ｍｉｎで行った。その結果を表１に示す。
【００５１】
【表１】
2014043382.tif 000003
【００５２】
表１に示すように、実施例１〜３の試験体の剪断強度は、比較例１〜５の剪断強度の１０倍以上であった。また、第１層側にのみニッケル層を形成した比較例２の試験体においても、ニッケル層が全くない比較例１と剪断強度が殆ど変らなかった。この結果より、接合層が第１層と第２層の双方を含むことで剪断強度を顕著に向上させることができ、一方のみでは、剪断強度を向上させる効果を殆ど得られないことが明らかになった。また、第１層、第２層の材料によって、剪断強度が大きく相違することがわかった。第１層、第２層の材料として、ニッケル、コバルト、銀を用いた場合には、高い剪断強度を得られる一方で、マンガン、クロム、チタンを用いた場合には、剪断強度を向上させる効果を殆ど得られないことが分かった。
【実施例４】
【００５３】
試験片２１，２２について材料をアルミニウム（Ａ１０５０Ｐ）に変更した以外は、実施例１と同様の方法を行い、実施例４に係る試験体を作製した。
【００５４】
（比較例６）
試験片２１，２２について材料をアルミニウム（Ａ１０５０Ｐ）に変更した以外は、比較例１と同様の方法を行い、比較例６に係る試験体を作製した。しかしながら、この場合は、試験体同士を接合させることができなかった。
【００５５】
実施例１と同様の剪断強度測定装置および方法によって、実施例４に係る試験体の剪断強度を測定した。その結果、実施例４の試験体の剪断強度は１２．０ＭＰａであった。比較例６においては、半導体素子と基板とを接合させることができなかったにも関わらず、実施例４では、試験片同士を接合層によって接合することができ、高い剪断強度を得ることができた。基板がアルミニウムのような難接着性の材料の場合でも、本明細書が開示する第１層、第２層、第３層を備えた接合層を介することで、互いに接合可能であり、十分な接合強度を確保することができることがわかった。
【実施例５】
【００５６】
第１層２３１および第２層２３２として用いたニッケル層の厚さを下記の表２のとおりに変更した以外は、実施例１と同様の方法で実施例５−１〜５−６に係る試験体を作製した。実施例１と同様の剪断強度測定装置および方法によって、実施例５−１〜５−６に係る試験体の剪断強度を測定した。表２に示す実施例５−１〜５−６の結果および実施例１、比較例１の結果を合わせて、図４に示した。
【００５７】
【表２】
2014043382.tif 000004
【００５８】
表２および図４に示すように、第１層および第２層としてのニッケル層がない比較例１の場合は、剪断強度は１ＭＰａであったが、第１層および第２層としての１ｎｍ以上の場合には１５ＭＰａ以上の剪断強度を示し、剪断強度を顕著に向上させることができることがわかった。また、第１層および第２層としてのニッケル層の厚さが１ｎｍ以上の範囲では剪断強度が１５ＭＰａから１８ＭＰａ程度の範囲に収まっていることから、ニッケル層の厚さが１ｎｍ以上の範囲では、層の厚さによって剪断強度が大きく変化しないこともわかった。なお、具体的な結果は記載していないが、第１層および第２層としてのニッケル層の厚さが１０μｍ程度の範囲までは同程度の剪断強度を示した。
【実施例６】
【００５９】
加熱処理時の雰囲気温度を下記の表３のとおりに変更した以外は、実施例１と同様の方法で実施例６−１〜６−５に係る試験体を作製した。また、加熱処理時の雰囲気温度を下記の表３のとおりに変更した以外は、比較例１と同様の方法で比較例７−１〜７−４に係る試験体を作製した。実施例１と同様の剪断強度測定装置および方法によって、実施例６−１〜６−５に係る試験体の剪断強度を測定した。表３に示す実施例６−１〜６−５の結果および実施例１、比較例１の結果を合わせて、図５に示した。
【００６０】
【表３】
2014043382.tif 000005
【００６１】
実施例１および実施例６−１〜６−５の場合の剪断強度は比較例１および比較例７−１〜７−４の剪断強度よりも高い値を示していた。なお、図示していないが、実施例１および実施例６−１〜６−５の場合の剪断強度について、各実験点をつなぐ線を低温側に外挿すると、雰囲気温度が１５０℃までは、実施例における剪断強度が比較例における剪断強度よりも高い状態が維持されると推測される。すなわち、加熱処理の雰囲気温度は１５０℃以上とすることが好ましく、加熱処理を行えば、従来よりも高い剪断強度を得ることができると考えられる。
【実施例７】
【００６２】
銅粒子の平均粒径を下記の表４のとおりに変更した以外は、実施例１と同様の方法で実施例７−１〜７−５に係る試験体を作製した。平均粒径は、実施例１と同様のＴＥＭ観察による方法で調べた。また、実施例１と同様の剪断強度測定装置および方法によって、実施例７−１〜７−５に係る試験体の剪断強度を測定した。表４に示す実施例７−１〜７−５の結果および実施例１の結果を合わせて、図６に示した。
【００６３】
【表４】
2014043382.tif 000006
【００６４】
表４および図６に示すように、少なくとも銅粒子の平均粒径が１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下の範囲で、ニッケル層がない場合の剪断強度（０．８６ＭＰａ）より高い剪断強度が得られることがわかった。より高い信頼性を得るために剪断強度は高い方が好ましい。実験点およびこれを結ぶ直線から、銅粒子の平均粒径が３０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下の範囲では５ＭＰａ以上の強度が得られると推測され、好ましい。また、銅粒子の平均粒径が５０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下の範囲では１０ＭＰａ以上の強度が得られると推測され、特に好ましい。
【実施例８】
【００６５】
第３層の残留有機成分の含有量を下記の表５のとおりに変更した以外は、実施例１と同様の方法で実施例８−１〜８−４に係る試験体を作製した。なお、第３層の残留有機成分の含有量は、ＸＰＳ分析を用いて第３層中の炭素原子の割合を測定して調べた。なお、残留有機成分の含有量は、銅粒子における有機分散剤の含有量を変えることで調整した。また、実施例１と同様の剪断強度測定装置および方法によって、実施例８−１〜８−４に係る試験体の剪断強度を測定した。結果を表５および図７に示す。
【００６６】
【表５】
2014043382.tif 000007
【００６７】
表５および図７に示すように、第３層の残留有機成分の含有割合が１重量％以下の範囲に含まれるように調整することで、剪断強度を著しく高くすることが可能であることが明らかになった。
【００６８】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００６９】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００７０】
１０  半導体装置
１１  上部基板
１２  下部基板
１３，１４，２３  接合層
１５  信号端子
１６  モールド樹脂
１７  ボンディングワイヤ
２０  試験体
２１，２２  試験片
１３１，１４１，２３１  第１層
１３２，１４２，２３２  第２層
１３３，１４３，２３３  第３層
【図１】
2014043382.tif 000008
【図２】
2014043382.tif 000009
【図４】
2014043382.tif 000010
【図５】
2014043382.tif 000011
【図６】
2014043382.tif 000012
【図７】
2014043382.tif 000013
【図３】
2014043382.tif 000014