(57)【要約】【課題】耐熱性、信頼性が高く、かつ低コストで製造可能な半導体装置を提供すること。【解決手段】実施形態に係る半導体装置１０は、実装基板１１、半導体チップ１２、接合層１３、および軟質金属層１４ｂ、を有する。半導体チップ１２は、接合層１３および軟質金属層１４ｂを介して実装基板１１に接合される。接合層１３は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金、およびＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を主成分として構成される合金層を有する。軟質金属層１４ｂは、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む。【選択図】図１
2014060341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装基板と、
前記実装基板上に接合される半導体チップと、
前記実装基板と前記半導体チップとの間に設けられ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金、およびＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を主成分として構成される合金層を有する接合層と、
前記接合層と前記半導体チップとの間に設けられ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む軟質金属層と、
前記接合層と前記軟質金属層との間に設けられ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗより選択されるいずれかの金属を含む拡散バリア層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
実装基板と、
前記実装基板上に接合される半導体チップと、
前記実装基板と前記半導体チップとの間に設けられ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金、およびＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を主成分として構成される合金層を有する接合層と、
前記接合層と前記半導体チップとの間に設けられ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む軟質金属層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記接合層と前記軟質金属層との間に、さらにＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗより選択されるいずれかの金属を含む拡散バリア層を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記接合層と前記拡散バリア層との間に、さらにＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を含む接合支持層を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記接合層は、複数の前記合金層を有するとともに、
前記接合支持層は、さらに前記複数の合金層のそれぞれの間に設けら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。
【請求項６】
実装基板と半導体チップとの間に、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金を含む溶融層、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を含む接合支持層、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗより選択されるいずれかの金属を含む拡散バリア層、およびＣｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む軟質金属層、をこの順に積層する工程と、
前記溶融層を液相状態にすることにより、前記溶融層に含まれる金属または合金と、前記接合支持層に含まれる金属または合金と、を相互拡散させて、前記溶融層より融点が高い合金層を形成することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
実装基板と半導体チップとの間に、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金を含む溶融層、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を含む接合支持層、およびＣｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む軟質金属層、をこの順に積層する工程と、
前記溶融層を液相状態にすることにより、前記溶融層に含まれる金属または合金と、前記接合支持層に含まれる金属または合金と、を相互拡散させて、前記溶融層より融点が高い合金層を形成することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記軟質金属層は、前記溶融層および前記接合支持層を複数回繰り返し積層した後に、最上層の前記接合支持層上に積層されることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記軟質金属層は、最上層の前記接合支持層上にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗより選択されるいずれかの金属を含む拡散バリア層を積層した後に、前記拡散バリア層上に積層されることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記合金層を形成する際に、前記接合支持層を残存させることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
少なくとも表面にＣｕを含む配線層を有する実装基板の前記配線層と半導体チップとの間に、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金を含む溶融層、およびＣｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む軟質金属層、をこの順に積層する工程と、
前記溶融層を液相状態にすることにより、前記溶融層に含まれる金属または合金と、前記配線層に含まれるＣｕと、を相互拡散させて、前記溶融層より融点が高い合金層を形成することにより、前記半導体チップを前記実装基板に実装する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記軟質金属層は、複数の前記溶融層と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を含む接合支持層と、を前記接合支持層が前記溶融層によって挟まれるように積層した後に、最上層の前記溶融層上に積層され、
前記半導体チップは、前記複数の溶融層を液相状態にすることにより、それぞれの前記溶融層に含まれる金属または合金と、それぞれの前記溶融層に接する前記配線層に含まれるＣｕまたは前記接合支持層に含まれる金属または合金と、をそれぞれ相互拡散させて、前記溶融層より融点が高い合金層を形成することにより、前記実装基板に実装されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記軟質金属層は、最上層の前記溶融層上にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｖ、Ｗより選択されるいずれかの金属を含む拡散バリア層を積層した後に、前記拡散バリア層上に積層されることを特徴とする請求項１１または１２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】
本発明の実施形態は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、はんだ材料を用いたはんだ接合によって実装基板上に半導体チップを実装した半導体装置が知られている。例えば、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、サイリスタなどの単一の機能を備えたディスクリート型半導体チップは、はんだ接合によって、銅板などを主成分とする実装基板上に直接実装されている。また、IＣ、ＬＳI等のモジュール型の半導体チップは、はんだ接合によって、実装基板に実装されている。モジュール型の半導体チップが実装される実装基板には、さらに、はんだ接合によって、ヒートシンクなどの他の部材が接合されている。
【０００３】
はんだ接合に使用されるはんだ材料としては、古くからＰｂ系やＰｂ−Ｓｎ系が用いられていた。近年では、Ｐｂフリー化に伴い、Ｓｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が用いられている。特に、モジュール型の半導体チップを実装する際には、３００℃付近の融点を有するＰｂ系はんだ材が用いられており、ヒートシンクなどの部材を実装する際には、２００℃以下の融点を有する比較的低融点のはんだ材が用いられている。
【０００４】
近年、電子機器の小型化と高出力化に伴い、電子機器に搭載される半導体装置における単位面積あたりの発熱量が上昇する傾向にある。シリコン（Ｓｉ）半導体装置の一般的な動作温度は１２５℃であり、その使用可能温度は高くても２００℃程度である。すなわち、Ｓｉ半導体装置は、３００℃以下の環境下で使用される。これに対し、ＳｉＣ、ＧａＮなどの高出力化合物半導体装置は３００℃以上の高温の環境下であっても低損失で動作させることができる。
【０００５】
しかし、はんだ材によって半導体チップが実装基板に実装された従来の半導体装置が高温の環境下において動作すると、融点が低いはんだ材は再溶融し、半導体チップと実装基板の配線との電気的接続が切れる等の問題がある。すなわち、従来の半導体装置は、高温の環境下において安定して動作させることが困難であり、耐熱性が低いという問題を有する。
【０００６】
耐熱性の高い半導体装置として、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだによって実装基板上に半導体チップを実装した半導体装置、および、Ａｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装基板上に半導体チップを実装した半導体装置、が知られている。しかし、これらの鉛フリーの高耐熱性接合材を用いて製造される半導体装置は、比較的大量のＡｕ、Ａｇ等の貴金属を用いている等により高コストである、という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
耐熱性、信頼性が高く、かつ低コストで製造可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態に係る半導体装置は、実装基板、半導体チップ、接合層、および軟質金属層、を有する。前記半導体チップは、前記接合部および前記軟質金属層を介して前記実装基板上に接合される。前記接合層は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金、およびＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を主成分として構成される合金層を有する。前記軟質金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む。
【００１０】
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、実装基板と半導体チップとの間に、溶融層、接合支持層、および軟質金属層、をこの順に積層する工程、および前記半導体チップを前記実装基板に実装する工程、を有する。前記溶融層は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金を含む。前記接合支持層は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属、またはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖより選択されるいずれかの金属とＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属との合金、を含む。前記軟質金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｇより選択されるいずれかの金属を含む。前記半導体チップは、前記溶融層を液相状態にすることにより、前記溶融層に含まれる金属または合金と、前記接合支持層に含まれる金属または合金と、を相互拡散させて、前記溶融層より融点が高い合金層を形成することにより、前記実装基板に実装される。
【００１１】
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、実装基板と半導体チップとの間に、溶融層および軟質金属層をこの順に積層する工程、および前記半導体チップを前記実装基板に実装する工程、を有する。前記実装基板は、少なくとも表面にＣｕを含む配線層を有する。前記溶融層は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎより選択されるいずれかの金属またはＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの合金を含む。前記半導体チップは、前記溶融層を液相状態にすることにより、前記溶融層に含まれる金属または合金と、前記配線層に含まれるＣｕと、を相互拡散させて、前記溶融層より融点が高い合金層を形成することにより、前記実装基板に実装される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１の破線部分である接合部分を拡大して示す断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】ＳｎおよびＣｕの状態図である。
【図８】接合層をより詳細に説明するための図である。
【図９】第２の実施形態に係る半導体装置の接合部分を拡大して示す断面図である。
【図１０】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１３】第３の実施形態に係る半導体装置の接合層をより詳細に説明するための図である。
【図１４】第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１５】第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１６】第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１７】第４の実施形態に係る半導体装置の接合層をより詳細に説明するための図である。
【図１８】第５の実施形態に係る半導体装置の接合部分を拡大して示す断面図である。
【図１９】第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２０】第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２１】第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２２】第６の実施形態に係る半導体装置の接合層をより詳細に説明するための図である。
【図２３】実装基板の変形例を説明するための断面図である。
【図２４】実装基板の変形例を説明するための断面図である。
【図２５】実装基板の変形例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図１に示す半導体装置１０は、実装基板１１に半導体チップ１２が実装されたものである。
【００１５】
実装基板１１は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）を主成分として構成される絶縁基板１１ａの表面および裏面にそれぞれ、例えば銅（Ｃｕ）を主成分として構成される配線層１１ｂ、１１ｃが設けられたものである。
【００１６】
半導体チップ１２は、例えば窒化珪素（ＳｉＣ）を主成分として構成される高出力半導体チップである。この半導体チップ１２は、接合層１３および応力緩和層１４を介して実装基板１１の配線層１１ｂに接合することにより、実装基板１１に実装されている。
【００１７】
図２は、図１の破線Ｘで囲われる接合部分を拡大して示す断面図である。図２に示す接合層１３は、半導体装置１０の使用可能温度の上限より高い融点を有する層であり、少なくとも２種類の金属または合金を相互拡散させることによって設けられる合金を主成分として構成される合金層である。例えば半導体装置１０の使用可能温度の上限が３００℃である場合、接合層１３として、例えば錫（Ｓｎ）とＣｕとを相互拡散させることにより設けられる金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ：融点７００℃）を採用することができる。
【００１８】
接合層１３の厚さは特に限定されないが、例えば１０μｍ以下程度の厚さであってもよい。
【００１９】
ここで合金とは、２種類以上の金属を主成分として構成される固溶体、金属間化合物、または中間層を意味する。なお、合金に含まれる各金属は、例えばX線分光分析装置やX線回折装置を用いた分析によって検出することができる。
【００２０】
接合層１３上には、応力緩和層１４が設けられている。応力緩和層１４は、拡散バリア層１４ａおよび軟質金属層１４ｂがこの順に積層されたものである。
【００２１】
軟質金属層１４ｂは、実装基板１１と半導体チップ１２との線膨張率の差に起因して接合層１３にかかる応力を緩和するための金属層であり、例えばＣｕ等の塑性変形しやすい金属を主成分として構成される層である。
【００２２】
軟質金属層１４ｂの厚さが厚いほど、接合層１３にかかる応力をより緩和することができる。従って、軟質金属層１４ｂの厚さは厚いほどよく、軟質金属層１４ｂの厚さが増大するとともに応力緩和能は増大するため、１μｍ以上であることが好ましい。
【００２３】
拡散バリア層１４ａは、接合層１３を構成する２種類の金属または合金が相互拡散する際に、軟質金属層１４ｂが変質することを抑制するための層、すなわち、軟質金属層１４ｂが機械的・化学的に変化することを抑制するための層である。拡散バリア層１４ａは、例えばＮｉ（融点：１４５３℃）を主成分として構成される層である。
【００２４】
拡散バリア層１４ａは、１μｍ〜１０μｍ程度の厚さであることが好ましい。この範囲の厚さであれば、軟質金属層１４ｂの変質をより抑制することができる。
【００２５】
以上に説明したように、本実施形態に係る半導体装置１０は、図２に示す接合層１３および応力緩和層１４によって、半導体チップ１２が実装基板１１に実装されたものである。
【００２６】
次に、この半導体装置１０の製造方法について図３〜図６を参照して説明する。図３〜図６はそれぞれ、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための、図２に相当する断面図である。
【００２７】
図３に示すように、実装基板１１表面の例えばＣｕを主成分として構成される配線層１１ｂ上の所定位置に、低融点金属である例えば錫（Ｓｎ）（融点：２３２℃）を主成分として構成される溶融層１５、高融点金属である例えばＣｕ（融点：１０３４℃）を主成分として構成される接合支持層１６、および応力緩和層１４（例えばＮｉを主成分として構成される拡散バリア層１４ａ、および軟質な金属である例えばＣｕを主成分として構成される軟質金属層１４ｂ、をこの順に積層し、応力緩和層１４上（軟質金属層１４ｂ上）に半導体チップ１２を載置する。
【００２８】
溶融層１５、接合支持層１６、拡散バリア層１４ａ、および軟質金属層１４ｂはそれぞれ、メッキ法により形成する。これらの各層は、例えばスパッタ法、真空蒸着法、塗布など、その他の薄膜形成技術を用いて形成してもよい。また、特に溶融層１５は、上述の形成方法によって設けられたもの以外に、例えば金属箔が適用されてもよい。
【００２９】
溶融層１５および接合支持層１６はそれぞれ、例えば０．１〜１００μｍの厚さになるように設ける。これらは、１〜１０μｍの厚さになるように設けることが好ましい。また、拡散バリア層１４ａおよび軟質金属層１４ｂはそれぞれ、例えば１〜１００μｍの厚さになるように設ける。これらは、１〜１０μｍの厚さになるように設けることが好ましい。特に拡散バリア層１４ａにおいては、軟質金属層１４ｂの変質を長期間にわたって抑制するために、３μｍ以上の厚さになるように設けることが好ましい。
【００３０】
溶融層１５および接合支持層１６は、これらの層厚比（溶融層厚さ／接合支持層厚さ）が１以下となるように形成することが好ましい。このような層厚比で両者を形成することにより、短時間で接合層１３を形成することができる。
【００３１】
次に、図４に示すように、必要に応じて、例えば不活性雰囲気中において、所定の圧力を半導体チップ１２に印加しながら、実装基板１１及び半導体チップ１２を加熱し、Ｓｎを主成分として構成される溶融層１５の融点である２３２℃以上の接合温度（例えば２５０℃）で、これらを保持する。これにより、溶融層１５のみを液相状態とし、液相状態の溶融層１５´によって、溶融層１５´に接する実装基板１１（配線層１１ｂ）および接合支持層１６の接合面を濡らす。
【００３２】
なお、溶融層１５としては、Ｓｎ以外に、例えば低融点金属である亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）を適用してもよい。また、溶融層１５として、低融点合金であるＳｎ、Ｚｎ、Ｉｎの二元系、三元系合金を適用してもよい。例えば、溶融層１５としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ共晶合金（共晶温度：１０８℃）を適用すると、後述する接合温度を１０８℃まで下げることが可能となり、より低温で半導体チップ１２を実装基板１１に実装することが可能となる。
【００３３】
また、接合支持層１６としては、Ｃｕ以外に、例えばニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）のいずれか一つを適用してもよい。また、接合支持層１６として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖからなる元素グループの一つと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎからなる元素グループの一つと、を主成分として構成される合金（例えばＳｎおよびＣｕからなる金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎ等）を適用してもよい。
【００３４】
また、拡散バリア層１４ａとしては、Ｎｉ以外に、例えばＣｒ、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、Ｖ、タングステン（Ｗ）のいずれか一つを適用してもよい。
【００３５】
また、軟質金属層１４ｂとしては、Ｃｕ以外に、例えば塑性変形しやすい金属であるアルミニウム（Ａｌ）、Ｚｎ、Ａｇのいずれか一つを適用してもよい。
【００３６】
この工程において、実装基板１１及び半導体チップ１３は、不活性雰囲気中において加熱されたが、還元雰囲気中において加熱されてもよい。還元雰囲気中において加熱されることにより、形成される接合層１３の酸化を抑制することができる。
【００３７】
また、この工程において、半導体チップ１２に印加される圧力は、半導体チップ１２が破損しない範囲内の圧力であればよく、また、無加圧でもよい。
【００３８】
次に、所定時間だけ溶融層１５´を液相状態に保持することにより、図５に示すように、配線層１１ｂおよび接合支持層１６の成分（Ｃｕ）が液相状態の溶融層１５´（Ｓｎ）に溶け込むように相互拡散を生じさせる。
【００３９】
相互拡散によって液相状態の溶融層１５´を消滅させ、図６に示すように、実装基板１１（配線層１１ｂ）及び応力緩和層１４との間に、等温凝固したＳｎ、Ｃｕを含む合金（例えばＣｕ３Ｓｎ）を主成分として構成される接合層１３が形成される。形成された接合層１３は、溶融層１５の融点（例えばＳｎの融点：２３２℃）より高い融点（例えばＣｕ３Ｓｎの融点：７００℃）を有すると同時に、半導体装置１０の使用可能温度の上限である３００℃より高い融点を有しており、このような接合層１３により、半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとが接合される。
【００４０】
なお、図５に示すように、液相状態の溶融層１５´は、配線層１１ｂおよび接合支持層１６に挟み込まれているため、相互拡散は、液相状態の溶融層１５´の両面において生じる。従って、短時間で接合層１３を形成することができる。
【００４１】
以上に説明したように、半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとが接合層１３によって接合することによって、半導体チップ１２は実装基板１１に実装され、本実施形態に係る半導体装置１０が製造される。以下に、形成された接合層１３について、さらに詳細に説明する。
【００４２】
図７は、ＳｎおよびＣｕの状態図である。図中の横軸は、合金に含まれる両金属の割合を示しており、軸に沿って左側ほど、合金に含まれるＣｕの割合が高い（軸に沿って右側ほど、合金に含まれるＳｎの割合が高い）ことを示す。また、図中の縦軸は温度を示しており、図面上側ほど、温度が高いことを示す。図中の直線Ａは、固相と液相＋固相との間で合金の状態が変化する温度を示しており、曲線Ｂは、液相＋固相と液相との間で合金の状態が変化する温度（融点）を示している。
【００４３】
図７に示すように、Ｓｎに対してＣｕの割合が微小である場合を除き、ＣｕおよびＳｎを主成分として構成される合金の融点は、Ｃｕの割合が増加するにしたがって高くなる。Ｓｎの融点温度より高い温度（例えば接合温度（２５０℃））でＳｎを溶融させて、ＳｎおよびＣｕを相互拡散させることにより、イータ相の金属間化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成されると、この金属間化合物の融点は４５０℃となる。Ｓｎの融点温度より高い温度（例えば接合温度）を保ちながらさらに相互拡散を進行させ、イータ相の金属間化合物よりＣｕの割合が高いイプシロン相の金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）が形成されると、この金属間化合物の融点は７００℃となる。
【００４４】
なお、ＳｎおよびＣｕを相互拡散させることにより、イータ相の金属間化合物とイプシロン相の金属間化合物とは同時に形成されるものである。
【００４５】
図８（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、接合層１３をより詳細に説明するための図である。配線層１１ｂおよび接合支持層１６のＣｕ成分と、溶融し液相状態となった溶融層１５´のＳｎ成分とを相互拡散させた結果、図８（ａ）に示すように、溶融層１５´が存在していた領域を中心にイータ相の金属間化合物１３ａ（Ｃｕ６Ｓｎ５）（融点：４５０℃）が形成され、配線層１１ｂおよび接合支持層１６が存在していた領域を中心にそれぞれイプシロン相の金属間化合物１３ｂ（Ｃｕ３Ｓｎ）（融点：７００℃）が形成される。その結果、イプシロン相の金属間化合物１３ｂ、イータ相の金属間化合物１３ａ、イプシロン相の金属間化合物１３ｂがこの順に積層された接合層１３´が形成される。
【００４６】
しかし、イータ層の金属間化合物１３ａは不安定である。従って、図８（ａ）に示す構造の接合層１３´が形成された後、半導体装置１０の製造過程においてさらにＣｕとＳｎとの相互拡散が進行し、または、図８（ａ）に示す構造の接合層１３´を有する半導体装置１０を製造した後に、この半導体装置１０にかかる熱履歴等によりＣｕとＳｎとの相互拡散がさらに進行し、最終的には、図８（ｂ）に示すように、全てがイプシロン相の金属間化合物１３ｂからなる接合層１３が形成される。
【００４７】
すなわち、上述した半導体装置１０の製造方法により製造された直後の半導体装置１０において、半導体チップ１２は、図８（ａ）に示す接合層１３´、または図８（ｂ）に示す接合層１３、のいずれかによって実装基板１１に実装される。しかし、半導体チップ１２が図８（ａ）に示す接合層１３´によって実装基板１１に実装されていても、その後の半導体装置１０に係る熱履歴等により、最終的には、図８（ｂ）に示す接合層１３によって半導体チップ１２が実装基板１１に実装された半導体装置１０となる。
【００４８】
図８（ａ）に示す接合層１３´の融点は、イプシロン相の金属間化合物１３ｂおよびイータ相の金属間化合物１３ａのうち、融点温度が低いイータ相の金属間化合物１３ａの融点である４５０℃である。また、図８（ｂ）に示す接合層１３の融点は、イプシロン相の金属間化合物１３ｂの融点である７００℃である。これらの温度は、実施形態に係る半導体装置１０の動作可能温度の上限を３００℃とした場合、これより十分に高温である。従って、図８（ａ）に示す接合層１３´によって実装基板１１の配線層１１ｂと半導体チップ１２とが接合された半導体装置１０であっても、また、図８（ｂ）に示す接合層１３によって実装基板１１の配線層１１ｂと半導体チップ１２とが接合された半導体装置１０であっても、半導体装置１０の動作可能温度の上限である３００℃より十分に高い融点の接合層１３、１３´により、実装基板１１の配線１１ｂと半導体チップ１２とが接合される。
【００４９】
以上に説明したように、第１の実施形態によれば、半導体装置１０の使用可能温度の上限である３００℃より高い融点（Ｃｕ６Ｓｎ５の融点：約４５０℃、またはＣｕ３Ｓｎの融点：約７００℃）の接合層１３、１３´によって、実装基板１１に半導体チップ１２が実装されている。従って、３００℃より高い環境下において使用しても接合層１３、１３´が再溶融することが抑制されるため、３００℃より高い環境下においても安定して動作させることができる、耐熱性の高い半導体装置および耐熱性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００５０】
また、第１の実施形態によれば、接合層１３、１３´上に軟質金属層１４ｂが設けられている。従って、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。すなわち、製造された半導体装置１０を高温の環境下において使用すると、半導体チップ１２と実装基板１１との線膨張率の差に起因して、接合層１３、１３´に応力がかかる。しかし、接合層１３、１３´上に軟質金属層１４ｂが設けられているため、この軟質金属層１４ｂが接合層１３、１３´にかかる応力を緩和する。従って、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法が提供される。
【００５１】
また、第１の実施形態によれば、上述の軟質金属層１４ｂと接合層１３、１３´との間に、拡散バリア層１４ａが設けられている。従って、接合層１３、１３´が形成される際、および半導体装置製造後の熱履歴によって、溶融層１５の成分（Ｓｎ）が軟質金属層１４ｂに入り込むことを抑制することができる。すなわち、接合層１３、１３´を形成する際に、または半導体装置製造後の熱履歴によって、溶融層１５の成分（Ｓｎ）の一部は接合支持層１６中を容易に拡散し、接合支持層１６と拡散バリア層１４ａとの境界面まで到達する。しかし、拡散バリア層１４ａにより、それ以上のＳｎの拡散が抑制され、Ｓｎが軟質金属層１４ｂまで到達することが抑制される。その結果、軟質金属層１４ｂの機械的・化学的特徴が変化することが抑制される。従って、軟質金属層１４ｂを長期間にわたって存在させ続けることができ、より信頼性の高い半導体装置およびより信頼性の高い半導体装置の製造方法が提供される。
【００５２】
また、第１の実施形態において、溶融層１５、接合支持層１６、拡散バリア層１４ａ、軟質金属層１４ｂとしてそれぞれ、貴金属以外の金属を適用することができるため、半導体装置を低コストで製造することができる。
【００５３】
なお、接合支持層１６および軟質金属層１４ｂはそれぞれ、Ａｇを主成分として構成される層であってもよいが、これらの層は例えば１０μｍ以下程度の薄さであってもよい。従って、使用されるＡｇは少量であってもよく、接合支持層１６および軟質金属層１４ｂとしてそれぞれ、Ａｇを主成分として構成される金属を採用しても、半導体装置を低コストで製造することができる。
【００５４】
これに対して、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだによって実装基板上に半導体チップを実装した従来の半導体装置の場合、接合部としてのＡｕ−Ｓｎ共晶はんだは一般に３０〜５０μｍ程度の厚さを必要とし、このような厚い接合部にＡｇより極めて高価なＡｕが用いられている。従って、このような従来の半導体装置を製造するためには、多大なコストが必要である。
【００５５】
また、Ａｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装基板上に半導体チップを実装した従来の半導体装置の場合であっても、一般に３０〜５０μｍ程度の厚さのＡｇを含む接合部が必要となるため、大量のＡｇが用いられる。さらに、この従来の半導体装置を製造する場合、Ａｇ原料をナノ粒子化する工程を必要とする。従って、このような従来の半導体装置を製造するためにも、多大なコストが必要である。
【００５６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態に係る半導体装置１０と比較して、接合部分の構造が異なる。以下に、第２の実施形態に係る半導体装置の説明として、この半導体装置の接合部分について、図９を参照して説明する。
【００５７】
図９は、第２の実施形態に係る半導体装置の接合部分を拡大して示す断面図である。なお、本実施形態に係る半導体装置において、実装基板１１および半導体チップ１２については、第１の実施形態に係る半導体装置と同様であるため、同一符号を付すとともに、説明を省略する。
【００５８】
図９に示すように、第２の実施形態に係る半導体装置の接合部分において、接合層２１と半導体チップ１２との間には、接合支持層２２ａ、拡散バリア層２２ｂ、軟質金属層２２ｃがこの順に積層された応力緩和層２２が設けられている。
【００５９】
接合層２１は、第１の実施形態に係る半導体装置の接合層１３、１３´と同様の構成であって、例えば１０μｍ以下程度の厚さであってもよい。
【００６０】
応力緩和層２２は、第１の実施形態に係る半導体装置の応力緩和層１４と比較して、最下層に接合支持層２２ａを有する点が異なっている。
【００６１】
すなわち、本実施形態に係る半導体装置において、半導体チップ１２は、接合層２１および応力緩和層２２を介して実装基板１１の配線層１１ｂに接合することにより、実装基板１１に実装されている。
【００６２】
この半導体装置は、図３に示す工程において、接合支持層１６の厚さをより厚く形成する、または図５に示す工程における相互拡散の時間を短縮することにより、接合層２１が形成された際に接合支持層１６が残存するように設ければよい。残存した接合支持層１６が、本実施形態に係る半導体装置の接合支持層２２ａとなる。
【００６３】
このような第２の実施形態であっても、半導体装置の使用可能温度の上限である３００℃より高い融点（Ｃｕ６Ｓｎ５の融点：約４５０℃、またはＣｕ３Ｓｎの融点：約７００℃）の接合層２１によって実装基板１１上に半導体チップ１２が実装されているため、耐熱性の高い半導体装置および耐熱性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００６４】
また、接合層２１上に軟質金属層２２ｃおよび拡散バリア層２２ｂを含む応力緩和層２２が設けられているため、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００６５】
また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、溶融層１５、接合支持層１６（２２ａ）、拡散バリア層２２ｂ、軟質金属層２２ｃとしてそれぞれ、貴金属以外の金属を適用することができるため、半導体装置を低コストで製造することができる。
【００６６】
なお、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法において説明したが、接合支持層１６（２２ａ）および軟質金属層２２ｃはそれぞれ、Ａｇを主成分として構成される層であってもよいが、これらの層は例えば１０μｍ以下程度の薄さであってもよい。従って、使用されるＡｇは少量であってもよく、接合支持層１６（２２ａ）および軟質金属層２２ｃとしてそれぞれ、Ａｇを主成分として構成される金属を採用しても、
Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いて実装された従来の半導体装置、およびＡｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装された従来の半導体装置と比較して、半導体装置を低コストで製造することができる。
【００６７】
さらに、第２の実施形態においては、接合層２１と拡散バリア層２２ｂとの間に接合支持層２２ａが設けられている。例えば接合支持層２２ａとしてＣｕ等の軟質金属が適用されていれば、接合支持層２２ａも軟質金属層２２ｃと同様に、接合層２１にかかる応力を緩和することができる。従って、より信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００６８】
ただし、図９に示す接合部分を有する半導体装置を製造しても、製造後の半導体装置にかかる熱履歴等によりＳｎとＣｕとの相互拡散がさらに進行し、接合支持層２２ａは接合層２１に変化する。従って、最終的には応力緩和層２２は、第１の実施形態に係る半導体装置１０の応力緩和層１４と同様に、軟質金属層２２ｃおよび拡散バリア層２２ｂを含む構造となる。すなわち、接合支持層２２ａは、少なくとも製造直後の半導体装置であれば残存させることができるため、少なくとも製造直後の半導体装置であれば、より信頼性を向上させることができる。
【００６９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る半導体装置を説明するにあたり、まず初めに、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図１０、図１１、図１２を参照して説明する。図１０、図１１、図１２はそれぞれ、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。なお、実装基板１１、半導体チップ１２、および応力緩和層１４については、第１の実施形態と同様であるため、同一符号を付すとともに説明を省略する。
【００７０】
この製造方法においては、まず、図１０に示すように、実装基板１１の配線層１１ｂ上に、溶融層３１、拡散バリア層１４ａ、軟質金属層１４ｂをこの順に積層する。溶融層３１は、第１の実施形態に係る半導体装置１０を製造する際に適用された溶融層１５と同様の金属層である。
【００７１】
第１の実施形態に係る半導体装置１０の製造方法においては、図３に示すように、溶融層１５と拡散バリア層１４ｂとの間に接合支持層１６を設けたが、本実施形態においては、接合支持層を省略している。
【００７２】
この後、図１１に示すように、溶融層３１を液相状態とし、液相状態の溶融層３１´によって、この層３１´に接する実装基板１１（配線層１１ｂ）および応力緩和層１４（拡散バリア層１４ａ）の接合面を濡らす。
【００７３】
所定時間だけ溶融層３１´を液相状態に保持することにより、配線層１１ｂの成分（Ｃｕ）が液相状態の溶融層１５´（Ｓｎ）に溶け込むように相互拡散を生じさせる。
【００７４】
相互拡散によって液相状態の溶融層３１´を消滅させ、図１２に示すように、実装基板１１（配線層１１ｂ）及び応力緩和層１４との間に、等温凝固したＳｎ、Ｃｕを含む合金を主成分として構成される接合層３２が形成される。形成された接合層３２は、半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとを接合する。
【００７５】
このような方法により製造された半導体装置の接合層３２の構造について、図１３を参照して説明する。図１３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、接合層３２をより詳細に説明するための図である。配線層１１ｂのＣｕ成分と、溶融し液相状態となった溶融層３１´のＳｎ成分とを相互拡散させた結果、図１３（ａ）に示すように、溶融層３１´が存在していた領域を中心にイータ相の金属間化合物１３ａ（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成され、配線層１１ｂが存在していた領域を中心にイプシロン相の金属間化合物１３ｂ（Ｃｕ３Ｓｎ）が形成される。その結果、イプシロン相の金属間化合物１３ｂ、イータ相の金属間化合物１３ａがこの順に積層された接合層３２´が形成される。
【００７６】
しかし、図１３（ａ）に示す構造の接合層３２´が形成された後、半導体装置の製造過程においてさらにＣｕとＳｎとの相互拡散が進行し、または、図１３（ａ）に示す構造の接合層３２´を有する半導体装置を製造した後に、この半導体装置にかかる熱履歴等によりＣｕとＳｎとの相互拡散がさらに進行し、最終的には、図１３（ｂ）に示すように、全てがイプシロン相の金属間化合物１３ｂからなる接合層３２が形成される。この接合層３２は、図８（ｂ）に示す接合層１３の構造と同様である。
【００７７】
すなわち、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造された直後の半導体装置において、半導体チップ１２は、図１３（ａ）に示す接合層３２´、または図１３（ｂ）に示す接合層３２、のいずれかによって実装基板１１に実装される。しかし、半導体チップ１２が図１３（ａ）に示す接合層３２´によって実装基板１１に実装されていても、その後の半導体装置１０に係る熱履歴等により、最終的には、図１３（ｂ）に示す接合層３２によって半導体チップ１２が実装基板１１に実装された半導体装置となる。
【００７８】
このように、第３の実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態に係る半導体装置１０と比較して、接合層３２´の構造が異なっている。
【００７９】
なお、形成された接合層３２、３２´は、例えば１０μｍ以下程度の厚さであってもよい。
【００８０】
以上に説明した第３の実施形態であっても、Ｃｕ６Ｓｎ５の融点である約４５０℃の融点を有する接合層３２´、またはＣｕ３Ｓｎの融点である約７００℃の融点を有する接合層３２、のいずれかによって半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとが接合しており、これらの接合像３２、３２´の融点は、半導体装置の使用可能温度の上限である３００℃より高いため、耐熱性の高い半導体装置および耐熱性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００８１】
また、接合層３２、３２´上に軟質金属層１４ｂおよび拡散バリア層１４ａを含む応力緩和層１４が設けられているため、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００８２】
また、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、溶融層３１、拡散バリア層１４ａ、軟質金属層１４ｂとしてそれぞれ、貴金属以外の金属を適用することができるため、半導体装置を低コストで製造することができる。
【００８３】
なお、すでに第１、第２の実施形態において説明した通り、軟質金属層１４ｂはＡｇを主成分として構成される層であってもよいが、これらの層は例えば１０μｍ以下程度の薄さであってもよい。従って、使用されるＡｇは少量であってもよく、軟質金属層２２ｃとしてそれぞれＡｇを主成分として構成される金属を採用しても、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いて実装された従来の半導体装置、およびＡｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装された従来の半導体装置と比較して、半導体装置を低コストで製造することができる。
【００８４】
さらに、第３の実施形態においては、接合支持層を用いずに接合層３２、３２´を形成するため、第１の実施形態に係る半導体装置１０の製造方法と比較して、製造工程数を低減することができ、より容易に半導体装置を製造することができる。
【００８５】
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る半導体装置を説明するにあたり、まず初めに、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図１４、図１５、図１６を参照して説明する。図１４、図１５、図１６はそれぞれ、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。なお、実装基板１１、半導体チップ１２、および応力緩和層１４については第１の実施形態と同様であるため、同一符号を付すとともに説明を省略する。
【００８６】
この製造方法においては、まず、図１４に示すように、実装基板１１の配線層１１ｂ上に、溶融層４１および接合支持層４２をこの順で３回繰り返して積層し、最上層の接合支持層４２上に、応力緩和層１４（拡散バリア層１４ａおよび軟質金属層１４ｂ）を積層する。そして、この応力緩和層１４上（軟質金属層１４ｂ上）に半導体チップ１２を載置する。各溶融層３１は、第１の実施形態に係る半導体装置１０を製造する際に適用された溶融層１５と同様の金属層であり、各接合支持層４２は、第１の実施形態に係る半導体装置１０を製造する際に適用された溶融層１６と同様の金属層である。
【００８７】
ただし、複数の溶融層４１の合計の層厚は、第１の実施形態に係る半導体装置１０を製造する際に適用された溶融層１５の層厚と同程度である。すなわち、第１の実施形態において適用された溶融層１５の層厚をｔとすれば、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において、各溶融層４１の層厚はｔ／３程度である。上記の例では溶融層４１を３層設けているが、一般に溶融層４１をｎ層設けた場合、各溶融層４１の層厚はｔ／ｎ程度である。
【００８８】
また、各接合支持層４２のそれぞれの層厚は、各溶融層４１と各接合支持層４２との層厚比（溶融層厚さ／接合支持層厚さ）が１以下となるように形成することが好ましい。
【００８９】
この後、図１５に示すように、各溶融層４１を液相状態とし、液相状態の溶融層４１´によって、この層４１´に接する実装基板１１（配線層１１ｂ）、接合支持層４２、および応力緩和層１４（拡散バリア層１４ａ）の接合面を濡らす。
【００９０】
所定時間だけ溶融層４１´を液相状態に保持することにより、配線層１１ｂおよび接合支持層４２の成分（Ｃｕ）が液相状態の溶融層４１´（Ｓｎ）に溶け込むように相互拡散を生じさせる。
【００９１】
相互拡散によって液相状態の溶融層４１´を消滅させ、図１６に示すように、実装基板１１（配線層１１ｂ）及び応力緩和層１４との間に、等温凝固したＳｎ、Ｃｕを含む合金を主成分として構成される接合層４３が形成される。形成された接合層４３は、半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとを接合する。
【００９２】
このような方法により製造された半導体装置の接合層４３の構造について、図１７を参照して説明する。図１７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、接合層４３をより詳細に説明するための図である。配線層１１ｂおよび接合支持層４２のＣｕ成分と、溶融し液相状態となった溶融層４１´のＳｎ成分とを相互拡散させた結果、図１７（ａ）に示すように、溶融層４１´が存在していた領域を中心にイータ相の金属間化合物１３ａ（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成され、配線層１１ｂおよび接合支持層４２が存在していた領域を中心にイプシロン相の金属間化合物１３ｂ（Ｃｕ３Ｓｎ）が形成される。その結果、イプシロン層の金属間化合物１３ｂとイータ層の金属間化合物１３ａとがこの順に３回繰り返して積層され、さらに最上層のイータ層の金属間化合物１３ａ上にイプシロン層の金属間化合物１３ｂが積層された接合層４３´が形成される。
【００９３】
しかし、図１７（ａ）に示す構造の接合層４３´が形成された後、半導体装置の製造過程においてさらにＣｕとＳｎとの相互拡散が進行し、または、図１７（ａ）に示す構造の接合層４３´を有する半導体装置を製造した後に、この半導体装置にかかる熱履歴等によりＣｕとＳｎとの相互拡散がさらに進行し、最終的には、図１７（ｂ）に示すように、全てがイプシロン相の金属間化合物１３ｂからなる接合層４３が形成される。この接合層４３は、図８（ｂ）に示す接合層１３の構造と同様である。
【００９４】
すなわち、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造された直後の半導体装置において、半導体チップ１２は、図１７（ａ）に示す接合層４３´、または図１７（ｂ）に示す接合層４３、のいずれかによって実装基板１１に実装される。しかし、半導体チップ１２が図１７（ａ）に示す接合層４３´によって実装基板１１に実装されていても、その後の半導体装置に係る熱履歴等により、最終的には、図１７（ｂ）に示す接合層４３によって半導体チップ１２が実装基板１１に実装された半導体装置となる。
【００９５】
このように、第４の実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態に係る半導体装置１０と比較して、接合層４３´の構造が異なっている。
【００９６】
なお、形成された接合層４３、４３´は、例えば１０μｍ以下程度の厚さであってもよい。
【００９７】
以上に説明した第４の実施形態であっても、Ｃｕ６Ｓｎ５の融点である約４５０℃の融点を有する接合層４３´、またはＣｕ３Ｓｎの融点である約７００℃の融点を有する接合層４３、のいずれかによって半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとが接合しており、これらの接合層４３、４３´の融点は、半導体装置の使用可能温度の上限である３００℃より高いため、耐熱性の高い半導体装置および耐熱性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００９８】
また、接合層４３、４３´上に軟質金属層１４ｂおよび拡散バリア層１４ａを含む応力緩和層１４が設けられているため、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００９９】
また、第４の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、溶融層４１、接合支持層４２、拡散バリア層１４ａ、軟質金属層１４ｂとしてそれぞれ、貴金属以外の金属を適用することができるため、半導体装置を低コストで製造することができる。複数の接合支持層４２および軟質金属層１４ｂはＡｇを主成分として構成される層であってもよいが、複数の接合支持層４２の合計の層厚および軟質金属層１４ｂの層厚はそれぞれ、例えば１０μｍ以下程度の薄さであってもよく、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いて実装された従来の半導体装置、およびＡｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装された従来の半導体装置と比較して、半導体装置を低コストで製造することができる。
【０１００】
さらに、第４の実施形態においては、各溶融層４１の層厚が、第１の実施形態において形成される溶融層１５の層厚より薄い。そして、このような薄い溶融層４１のそれぞれの両面が、配線層１１ｂ若しくは接合支持層４２で挟まれている。従って、より短時間で半導体装置を製造することができる。
【０１０１】
（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る半導体装置は、第４の実施形態に係る半導体装置と比較して、接合部分の構造が異なる。以下に、第５の実施形態に係る半導体装置の説明として、この半導体装置の接合部分について、図１８を参照して説明する。
【０１０２】
図１８は、第５の実施形態に係る半導体装置の接合部分を拡大して示す断面図である。なお、本実施形態に係る半導体装置において、実装基板１１および半導体チップ１２については、第４の実施形態に係る半導体装置と同様であるため、同一符号を付すとともに、説明を省略する。
【０１０３】
図１８に示すように、第５の実施形態に係る半導体装置の接合部分において、接合層５１は、３層の合金層５１ａ、および合金層５１ａ間に設けられる接合支持層５１ｂ、によって構成されている。
【０１０４】
各合金層５１ａは、第１の実施形態に係る半導体装置１０の接合層１３、１３´と同様の構成であり、各接合支持層５１ｂは、第１の実施形態に係る半導体装置１０を製造する際に適用された接合支持層１６と同様の金属層である。
【０１０５】
また、このような接合層５１と半導体チップ１２との間には、接合支持層５２ａ、拡散バリア層５２ｂ、軟質金属層５２ｃがこの順に積層された応力緩和層５２が設けられている。
【０１０６】
すなわち、本実施形態に係る半導体装置において、半導体チップ１２は、接合層５１および応力緩和層５２を介して実装基板１１の配線層１１ｂに接合することにより、実装基板１１に実装されている。なお、接合層５１は、例えば１０μｍ以下程度の厚さであってもよい。
【０１０７】
この半導体装置は、図１４に示す工程において、各接合支持層４２の厚さをより厚く形成する、または図１５に示す工程の後のＳｎとＣｕとの相互拡散の時間を短縮することにより、接合層５１が形成された際に各接合支持層４２が残存するように設ければよい。残存した接合支持層４２が、本実施形態に係る半導体装置の接合支持層５１ｂ、５２ａとなる。
【０１０８】
このような第５の実施形態であっても、半導体装置の使用可能温度の上限である３００℃より高い融点（Ｃｕ６Ｓｎ５の融点：約４５０℃、またはＣｕ３Ｓｎの融点：約７００℃）の複数の合金層５１ａによって実装基板１１上に半導体チップ１２が実装されているため、耐熱性の高い半導体装置および耐熱性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１０９】
また、接合層５１上に軟質金属層５２ｃおよび拡散バリア層５２ｂを含む応力緩和層５２が設けられているため、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１１０】
また、第５の実施形態においても、第４の実施形態と同様に、溶融層４１、接合支持層４２（５１ｂ、５２ａ）、拡散バリア層５２ｂ、軟質金属層５２ｃとしてそれぞれ、貴金属以外の金属を適用することができるため、半導体装置を低コストで製造することができる。複数の接合支持層４２（５１ｂ、５２ａ）および軟質金属層５２ｃはＡｇを主成分として構成される層であってもよいが、複数の接合支持層４２の合計の層厚および軟質金属層５２ｃの層厚はそれぞれ、例えば１０μｍ以下程度の薄さであってもよく、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いて実装された従来の半導体装置、およびＡｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装された従来の半導体装置と比較して、半導体装置を低コストで製造することができる。
【０１１１】
さらに、第５の実施形態においては、合金層５１ａ間にそれぞれ接合支持層５１ｂが設けられており、合金層５１ａと拡散バリア層５２ｂとの間に接合支持層５２ａが設けられている。例えば接合支持層５１ｂ、５２ａとしてＣｕ等の軟質金属が適用されていれば、接合支持層５１ｂ、５２ａも軟質金属層５２ｃと同様に、合金層５１ａにかかる応力を緩和することができる。従って、より信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１１２】
ただし、図１８に示す接合部分を有する半導体装置を製造しても、製造後の半導体装置にかかる熱履歴等によりＳｎとＣｕとの相互拡散がさらに進行し、接合支持層５１ｂ、５２ａはそれぞれ接合層５１に変化する。従って、最終的には応力緩和層５２は、第４の実施形態に係る半導体装置の応力緩和層１４と同様に、軟質金属層５２ｃおよび拡散バリア層５２ｂを含む構造となる。すなわち、各接合支持層５１ｂ、５２ａはそれぞれ、少なくとも製造直後の半導体装置であれば残存させることができるため、少なくとも製造直後の半導体装置であれば、より信頼性を向上させることができる。
【０１１３】
（第６の実施形態）
第６の実施形態に係る半導体装置を説明するにあたり、まず初めに、第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、図１９、図２０、図２１を参照して説明する。図１９、図２０、図２１はそれぞれ、第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。なお、実装基板１１、半導体チップ１２、および応力緩和層１４については、第４の実施形態と同様であるため、同一符号を付すとともに説明を省略する。
【０１１４】
この製造方法においては、まず、図１９に示すように、実装基板１１の配線層１１ｂ上に、溶融層６１および接合支持層６２をこの順に２回積層した後、さらに溶融層６１を積層し、続けて拡散バリア層１４ｂ、軟質金属層１４ａをこの順に積層する。各溶融層６１は、第４の実施形態に係る半導体装置を製造する際に適用された溶融層４１と同様の金属層であり、各接合支持層６２は、第４の実施形態に係る半導体装置を製造する際に適用された接合支持層４２と同様の金属層である。
【０１１５】
第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、図１４に示すように、最上層の溶融層４１と拡散バリア層１４ｂとの間にも接合支持層４２を設けたが、本実施形態においては、この接合支持層を省略している。
【０１１６】
この後、図２０に示すように、各溶融層６１を液相状態とし、液相状態の溶融層６１´によって、この層６１´に接する実装基板１１（配線層１１ｂ）、接合支持層６２、および応力緩和層１４（拡散バリア層１４ａ）の接合面を濡らす。
【０１１７】
所定時間だけ溶融層６１´を液相状態に保持することにより、配線層１１ｂおよび接合支持層６２の成分（Ｃｕ）が液相状態の溶融層６１´（Ｓｎ）に溶け込むように相互拡散を生じさせる。
【０１１８】
相互拡散によって液相状態の溶融層６１´を消滅させ、図２１に示すように、実装基板１１（配線層１１ｂ）及び応力緩和層１４との間に、等温凝固したＳｎ、Ｃｕを含む合金を主成分として構成される接合層６３が形成される。形成された接合層６３は、半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとを接合する。
【０１１９】
このような方法により製造された半導体装置の接合層６３の構造について、図２２を参照して説明する。図２２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、接合層６３をより詳細に説明するための図である。配線層１１ｂおよび接合支持層６２のＣｕ成分と、溶融し液相状態となった溶融層６１´のＳｎ成分とを相互拡散させた結果、図２２（ａ）に示すように、溶融層６１´が存在していた領域を中心にイータ相の金属間化合物１３ａ（Ｃｕ６Ｓｎ５）が形成され、配線層１１ｂおよび接合支持層６２が存在していた領域を中心にイプシロン相の金属間化合物１３ｂ（Ｃｕ３Ｓｎ）が形成される。その結果、イプシロン相の金属間化合物１３ｂ、イータ相の金属間化合物１３ａがこの順に３回繰り返し積層された接合層６３´が形成される。
【０１２０】
しかし、図２２（ａ）に示す構造の接合層６３´が形成された後、半導体装置の製造過程においてさらにＣｕとＳｎとの相互拡散が進行し、または、図２２（ａ）に示す構造の接合層６３´を有する半導体装置を製造した後に、この半導体装置にかかる熱履歴等によりＣｕとＳｎとの相互拡散がさらに進行し、最終的には、図２２（ｂ）に示すように、全てがイプシロン相の金属間化合物１３ｂからなる接合層６３が形成される。この接合層６３は、図１７（ｂ）に示す接合層４３、すなわち図８（ｂ）に示す接合層１３の構造と同様である。
【０１２１】
第６の実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造された直後の半導体装置において、半導体チップ１２は、図２２（ａ）に示す接合層６３´、または図２２（ｂ）に示す接合層６３、のいずれかによって実装基板１１に実装される。しかし、半導体チップ１２が図２２（ａ）に示す接合層６３´によって実装基板１１に実装されていても、その後の半導体装置に係る熱履歴等により、最終的には、図２２（ｂ）に示す接合層６３によって半導体チップ１２が実装基板１１に実装された半導体装置となる。
【０１２２】
このように、第６の実施形態に係る半導体装置は、第４の実施形態に係る半導体装置と比較して、接合層６３´の構造が異なっている。
【０１２３】
なお、形成された接合層６３、６３´は、例えば１０μｍ以下程度の厚さであってもよい。
【０１２４】
以上に説明した第６の実施形態であっても、Ｃｕ６Ｓｎ５の融点である約４５０℃の融点を有する接合層６３´、またはＣｕ３Ｓｎの融点である約７００℃の融点を有する接合層６３、のいずれかによって半導体チップ１２と実装基板１１の配線層１１ｂとが接合しており、これらの接合像６３、６３´の融点は、半導体装置の使用可能温度の上限である３００℃より高いため、耐熱性の高い半導体装置および耐熱性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１２５】
また、接合層６３、６３´上に軟質金属層１４ｂおよび拡散バリア層１４ａを含む応力緩和層１４が設けられているため、信頼性の高い半導体装置および信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【０１２６】
また、第６の実施形態においても、第４の実施形態と同様に、溶融層６１、接合支持層６２、拡散バリア層１４ａ、軟質金属層１４ｂとしてそれぞれ、貴金属以外の金属を適用することができるため、半導体装置を低コストで製造することができる。複数の接合支持層６２および軟質金属層１４ｂはＡｇを主成分として構成される層であってもよいが、複数の接合支持層６２の合計の層厚および軟質金属層１４ｂの層厚はそれぞれ、例えば１０μｍ以下程度の薄さであってもよく、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いて実装された従来の半導体装置、およびＡｇナノ粒子を利用した低温焼結法により実装された従来の半導体装置と比較して、半導体装置を低コストで製造することができる。
【０１２７】
さらに、第６の実施形態においては、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、接合支持層の数を一層分省略して接合層６３、６３´を形成するため、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法と比較して、製造工程数を低減することができ、より容易に半導体装置を製造することができる。
【０１２８】
以上に、各実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法を説明した。上記各実施形態に係る説明において、半導体装置の使用可能温度の上限を３００℃とし、この温度より高い融点の合金によって接合層１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、５１、６３、６３´を構成するために、接合支持層１６、２２ａ、４２、５１ｂ、５２ａ、６２をＣｕとし、溶融層１５、３１、４１、６１をＳｎとした。従って、使用可能温度の上限が３００℃より高い半導体装置の場合、この温度より高い融点の合金によって接合層１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、５１、６３、６３´が構成されるように、接合支持層１６、２２ａ、４２、５１ｂ、５２ａ、６２、溶融層１５、３１、４１、６１の材料を選定すればよい。また、接合支持層１６、２２ａ、４２、５１ｂ、５２ａ、６２、溶融層１５、３１、４１、６１の選定された材料に応じて、軟質金属層１４ｂ、２２ｃ、５２ｃおよび拡散バリア層１４ａ、２２ｂ、５２ｂの材料を選定すればよい。
【０１２９】
また、以上に説明した接合層１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、５１、６３、６３´、および応力緩和層１４、２２、５２によって半導体チップ１２が実装される実装基板１１は、ＳｉＮを主成分として構成される絶縁基板１１ａの表面および裏面にそれぞれ、配線層１１ｂが設けられた実装基板に限定されない。実装基板は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として構成される絶縁基板の表面および裏面にそれぞれ、配線層が設けられた実装基板であってもよい。
【０１３０】
さらに、実装基板は、上述のような絶縁基板１１ａの両面に配線層１１ｂ、１１ｃが形成されたもの以外に、例えばディスクリート型の半導体装置に広く用いられる導電基板であってもよい。例えば、図２３に示すように、実装基板は銅基板７１であってもよく、銅基板７１の表面に、接合層７２および応力緩和層７３によって半導体チップ１２を接合させてもよい。なお、接合層７２は、上述の各実施形態において説明した接合層１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、５１、６３、６３´のいずれかであり、応力緩和層７３は、上述の各実施形態において説明した応力緩和層１４、２２、５２のいずれかである。
【０１３１】
銅基板７１としては、純銅基板のみならず銅合金基板や、アルミナ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ガラスなどの絶縁基板の表面に銅板、銅合金板を貼り付けた銅貼り基板を用いることができる。
【０１３２】
さらに、図２４に示すように、実装基板は、絶縁基板８１ａの表面に配線層８１ｂ、裏面に配線層８１ｃがそれぞれ設けられており、配線層８１ｂ上に、Ａｇ或いはＡｕを主成分として構成されるめっき層８１ｄが設けられた実装基板８１であってもよく、実装基板８１のめっき層８１ｄの表面に、接合層８２および応力緩和層８３によって半導体チップ１２を接合させてもよい。なお、めっき層８１ｄを除く実装基板８１の各構成は、図１に示す実装基板１１と同様であり、接合層８２は、上述の各実施形態において説明した接合層１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、５１、６３、６３´のいずれかであり、応力緩和層８３は、上述の各実施形態において説明した応力緩和層１４、２２、５２のいずれかである。
【０１３３】
同様に、図２５に示すように、実装基板は、銅基板９１ａの表面上にＡｇ或いはＡｕを主成分として構成されるめっき層９１ｂが設けられた実装基板９１であってもよく、実装基板９１のめっき層９１ｂの表面に、接合層９２および応力緩和層９３によって半導体チップ１２を接合させてもよい。なお、銅基板９１ａは、図２３に示す銅基板７１と同様であり、接合層９２は、上述の各実施形態において説明した接合層１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、５１、６３、６３´のいずれかであり、応力緩和層９３は、上述の各実施形態において説明した応力緩和層１４、２２、５２のいずれかである。
【０１３４】
図２４および図２５に示すように、実装基板８１、９１の表面にめっき層８１ｄ、９１ｂを設けることにより、拡散障壁となる酸化皮膜等の形成を抑制し、接合後のボイド形成を抑えることができるため、接合信頼性を向上させることが可能となる。
【０１３５】
また、半導体チップ１２も、ＳｉＣを主成分として構成される高出力半導体チップに限定されない。半導体チップ１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）を主成分として構成される半導体チップであってもよく、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などを主成分として構成される高出力半導体チップであってもよい。さらに、半導体チップのディスクリート型、モジュール型なども、特に限定されない。
【０１３６】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１３７】
１０・・・半導体装置
１１・・・実装基板
１１ａ・・・絶縁基板
１１ｂ、１１ｃ・・・配線層
１２・・・半導体チップ
１３、１３´、２１、３２、３２´、４３、４３´、６３、６３´、７２、８２、９２・・・接合層
１３ａ・・・イータ相の金属間化合物
１３ｂ・・・イプシロン相の金属間化合物
１４、２２、５２、７３、８３、９３・・・応力緩和層
１４ａ、２２ｂ、５２ｂ・・・拡散バリア層
１４ｂ、２２ｃ、５２ｃ・・・軟質金属層
１５、３１、４１、６１・・・溶融層
１５´、３１´、４１´、６１´・・・液相状態の溶融層
１６、２２ａ、４２、５２ａ、６２・・・接合支持層
５１・・・接合層
５１ａ・・・合金層
５１ｂ・・・接合支持層
７１、９１・・・銅基板
８１・・・実装基板
８１ａ、９１ａ・・・絶縁基板
８１ｂ、８１ｃ・・・配線層
８１ｄ、９１ｂ・・・めっき層
【図１】
2014060341.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2014060341.tif 000017
【図１６】
2014060341.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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