(57)【要約】  半導体チップ３の接合面に備えたアルミニウム系金属３ｃと、アルミニウム系金属製の配線金属２の間に、Ａｌと共晶反応を生じる金属を含むインサート材４を介在させると共に、配線金属２の接合面に微細凹凸２ｒを設け、半導体チップ３と配線金属２を相対的に加圧しつつ加熱し、アルミニウム系金属表面の酸化皮膜３ｆ、２ｆを微細凹凸２ｒにより破壊させて、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、半導体チップ３と配線金属２のアルミニウム系金属同士を直接接合する。
2013129229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌと共晶反応を生じる金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつ加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記インサート材がＺｎを主成分とする金属であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
上記インサート材がＺｎと、Ｚｎと共晶反応を生じる金属との合金であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
上記インサート材がＺｎ及びＡｌ、Ｚｎ及びＭｇ、Ｚｎ及びＣｕ、Ｚｎ及びＳｎ、Ｚｎ及びＡｇ、Ｚｎ及びＭｇ及びＡｌ、Ｚｎ及びＣｕ及びＡｌ、Ｚｎ及びＳｎ及びＡｌ、又はＺｎ及びＡｇ及びＡｌを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
配線金属が絶縁性セラミックス基板上に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の製造方法。
【請求項６】
上記絶縁性セラミックス基板の反半導体チップ側に備えた配線金属をベースプレート上に接合するに際して、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備えた上記配線金属とベースプレートの間に、Ａｌと共晶反応を生じる金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記配線金属とベースプレートを相対的に加圧しつつ加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して接合することを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
上記配線金属とベースプレート双方の接合面に微細凹凸を設けることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項８】
配線金属がアルミニウム系金属、又は銅系金属から成る基材の表面にアルミニウム系金属を配置して成るものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の製造方法。
【請求項９】
半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌと共晶反応を生じる金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつ加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合して成ることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
半導体チップと配線金属とが接合されて成る半導体装置であって、
上記半導体チップはアルミニウム系金属を接合面に備え、
上記配線金属は、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備え、
上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合され、当該直接接合部の周囲にＡｌの共晶組成物と、Ａｌの酸化物を含む排出物が介在し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、特に表面にアルミニウム系金属を備えた半導体チップと、少なくとも表面がアルミニウム系金属である配線金属とを接合して成る半導体装置の製造方法と、このような方法により製造された半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置、特に、大電流密度の所謂ハイパワーモジュールと称する半導体装置においては、高温環境下でも使用可能であることが要求されている。
そのため、半導体装置の実装構造においては、高温に保持されたり、高温熱サイクルを受けたりした場合の高温耐久性に優れた接合部が強く望まれている。また、環境保全の観点からすると、Ｐｂ（鉛）フリーの接合技術が必須となっている。【０００３】
このような半導体装置の実装のための接合には、現状では、Ｓｎ（錫）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）系のはんだが広く使われているが、使用温度がはんだの融点（例えば２００℃程度）以下に制限される。また、例えば、電極がＣｕである接合部においては、界面にＣｕ−Ｓｎ系の脆い金属間化合物層が生成し、高温耐久性に乏しいものとなる。
そのため、接合部の高温耐久性を確保するために、いろいろな試みがなされている。【０００４】
例えば、金属ナノ粒子の活性な表面エネルギーを利用して、低温にて凝集、接合する低温接合工法が提案されている（特許文献１参照）。この接合工法を用いれば、凝集した後の接合界面はバルク金属となるため、高い、高温耐久性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２８３５７号公報
【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、金属ナノ粒子として、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）といった貴金属を用い、このような金属ナノ粒子の表面に有機物を修飾したような構造をとるため、非常に高コストなものとなり、実際に量産適用するには現実的ではない。また、粒子が凝集した構造となり、しかも有機物が接合プロセス時にガス化して、残存することから接合部にはボイドが存在するため、継手強度のバラツキの大きいものとなるという問題がある。【０００７】
なお、高温はんだとしてはこの他に、Ａｕ系の組成を有するものとして、Ａｕ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系はんだや、Ａｕ−Ｓｎ系はんだがあるが、これらも、貴金属であるＡｕを用いているため、非常に高コストなものとなり、上記同様、現実的ではない。【０００８】
本発明は、半導体装置の実装構造に適用される従来の接合技術における上記したような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高温耐久性に優れ、しかも貴金属やＰｂを用いることなく、低コストな接合を可能にする半導体装置の製造方法を提供することにある。また、このような接合方法を適用した低コストで高温耐久性に優れた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】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、半導体チップと配線金属の接合面をアルミニウム系金属とすると共に、これらの間にインサート材を介在させ、接合面に微細凹凸を形成し、接合界面にＡｌとインサート材との共晶反応を生じさせることによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌと共晶反応を生じる金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつ加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合するようにしたことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと配線金属とが接合されて成る半導体装置であって、上記方法によって製造することができ、上記半導体チップはアルミニウム系金属を表面に備え、上記配線金属は少なくとも表面にアルミニウム系金属を備え、上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合され、この直接接合部の周囲にＡｌの共晶組成物と、Ａｌの酸化物を含む排出物が介在していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接合部に設けた微細凹凸によってアルミニウム系金属表面の酸化皮膜が破壊され、Ａｌとインサート材との間に共晶反応が生じ、低温、低加圧で酸化皮膜を除去して、半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を強固に接合することができ、低コストで高温耐久性に優れた接合が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の半導体装置の製造方法による半導体チップと配線金属との接合過程を概略的に示す工程図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の半導体装置の製造方法において接合部に形成する微細凹凸の形状例を示す斜視図である。
【図３】本発明の製造方法による半導体装置の一方を構成する半導体チップの構造を示す概略断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の製造方法による半導体装置の他方を構成する配線金属の形態例を示すそれぞれ断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の製造方法による半導体装置の実施形態例を示すそれぞれ概略断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の製造方法による半導体装置の他の実施形態例を示すそれぞれ概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の半導体装置の製造方法について、さらに詳細、かつ具体的に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体チップを配線金属に接合するに際して、上記したように、半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌ（アルミニウム）と共晶反応を生じる金属を含むインサート材を介在させる。さらに、接合面やインサート材の表面に微細凹凸を設け、この状態で、半導体チップと配線金属を相対的に加圧すると共に加熱し、アルミニウム系金属表面に形成されている酸化皮膜を微細凹凸により破壊して、アルミニウム系金属とインサート材とを接触させ、接合界面にＡｌとインサート材に含まれる金属との共晶反応を生じさせる。そして、この共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合するようにしている。
【００１６】
すなわち、微細凹凸の先端に応力が集中するため、比較的低い加圧力によって、チップへのダメージを与えることなく酸化皮膜を破壊することができる。そして、この破壊部を介してアルミニウム系金属とインサート材とが接触し、この接触部を起点として生じた共晶反応が接合面全体に拡大することによって、接合面の酸化皮膜が低温度（共晶温度）で除去されるので、アルミニウム系金属同士のダイレクトな接合が可能となる。
したがって、貴金属やＰｂが含まれないアルミニウム系金属同士の直接接合によって強度が確保されることから、高温保持した場合にも脆い金属間化合物層やカーケンダルボイドを生成せず、優れた高温耐久性を備えたＰｂフリーの接合部を備えた半導体装置を低コストに製造することができる。
【００１７】
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明による半導体装置の製造方法における半導体チップと配線金属の接合プロセスを順を追って説明する工程図である。
【００１８】
まず、図１（ａ）に示すように、配線金属２と半導体チップ３の間に、インサート材４を配置する。
このとき、配線金属２は、この例ではアルミニウム系金属から成るものであって、その接合面には、予め微細凹凸２ｒが形成してあると共に、半導体チップ３の接合面には、アルミニウム系金属から成るアルミニウム層３ｃが形成されている。なお、これらアルミニウム系金属から成る配線金属２やアルミニウム層３ｃの表面には、それぞれＡｌ２Ｏ３を主成分とする強固な酸化皮膜２ｆ、３ｆが生成している。
【００１９】
ここで、上記した配線金属２や、半導体チップ３のアルミニウム層３ｃの素材であるアルミニウム系金属としては、純アルミニウム材（工業用純アルミニウム）やＡｌを主成分として８０％以上含有する合金材を用いることができる。すなわち、本発明において「アルミニウム系金属」とは、このようなアルミニウム又はアルミニウム合金を意味する。
【００２０】
上記配線金属２の接合面に形成する微細凹凸２ｒの形状としては、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、その形状や数に制限はなく、例えば、図２（ａ）〜（ｃ）に示すようなものを採用することができる。
すなわち、図２（ａ）に示すように、台形状断面の凹凸構造として、凸部先端を略平面とすれば、応力集中度は若干低下するとしても、応力集中手段の形成が容易となり、加工費を削減することができる。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示すように、三角柱を並列させたような凹凸構造を採用することも可能であり、これによって、凹凸構造の凸部先端が線状のものとなり、応力集中度を高めて、酸化皮膜の破断効果を向上させることができる。
さらに、図２（ｃ）に示すように、四角錐を縦横方向に並列させた凹凸構造を採用することもでき、凹凸構造の凸部先端が点状となることから、さらに応力集中度を高めて、酸化皮膜の破断性能を向上させることができる。
【００２２】
微細凹凸２ｒの形状としては、上記したように、応力を集中させて、酸化皮膜の破壊を促進させる機能さえあれば、特に限定されることはなく、上記の他には、波形やかまぼこ形、半球状など凸部先端を曲面とすることも可能である。なお、当該曲面の曲率半径は、小さいほど応力集中が顕著なものとなって、酸化皮膜が破壊し易くなることは言うまでもない。
【００２３】
このような微細凹凸２ｒは、例えば、切削加工、研削加工、塑性加工（ローラ加工）、レーザ加工、放電加工、エッチング加工、リソグラフィーなどによって形成することができ、その形成方法としては、特に限定されるものではない。これら加工方法のうち、塑性加工によれば、非常に低コストで形成が可能である。
なお、微細凹凸の寸法、形状としては、アスペクト比（高さ／幅）：０．００１以上、ピッチ：１μｍ以上で、望ましくはアスペクト比０．１以上、ピッチ：１０μｍ以上である。
【００２４】
一方、半導体チップ３は、上記したように接合面側に、上記アルミニウム系金属から成るアルミニウム層３ｃを備えているが、図３に示すように、ＳｉＣやＳｉ、ＧａＮなどから成る半導体チップ本体３とアルミニウム層３ｃの間に、密着層３ａ及びバリヤ層３ｂを介在させることができる。
【００２５】
バリヤ層３ｂは、Ａｌがアルミニウム層３ｃからチップ本体内に拡散するのを防止する機能を有し、Ｎｉ（ニッケル）やＲｔ−Ｉｒ（白金−イリジウム）などを適用することができる。
一方、密着層３ａは、上記バリヤ層３ｂとチップ本体３との密着性を向上させる機能を有し、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）などを用いることができる。
【００２６】
インサート材４は、Ａｌと共晶反応を生じる金属を含むものであって、具体的には、Ｚｎ（亜鉛）を主成分とする金属（純亜鉛、亜鉛合金）や、Ｚｎと共晶反応を生じる金属とＺｎとの合金、例えばＺｎとＡｌを主成分とする合金、ＺｎとＭｇ（マグネシウム）を主成分とする合金、ＺｎとＣｕ（銅）を主成分とする合金、ＺｎとＳｎ（錫）を主成分とする合金、ＺｎとＡｇ（銀）を主成分とする合金、ＺｎとＭｇとＡｌを主成分とする合金、ＺｎとＣｕ（銅）とＡｌを主成分とする合金、ＺｎとＳｎ（錫）とＡｌを主成分とする合金、ＺｎとＡｇ（銀）とＡｌを主成分とする合金の薄板や箔を用いることができる。
なお、本発明において、「主成分」とは、上記金属の含有量の合計が８０％以上であることを意味するものとする。
【００２７】
そして、図１（ａ）に示した状態で、半導体チップ３と配線金属２を相対的に加圧して、これらをインサート材４を介して密着させ、さらに加圧しながら加熱を開始する。
すると、図１（ｂ）に示すように、微細凹凸２ｒの凸部先端が接触した部位の応力が局所的に急激に上昇し、加圧力をさほど増すことなく、アルミニウム層３ｃの酸化被膜３ｆが機械的に破壊され、新生面が露出する。また、酸化被膜３ｆと共に、微細凹凸２ｒ先端の酸化皮膜２ｆも破壊され、配線金属２の新生面が露出する。
【００２８】
アルミニウム層３ｃ及び配線金属２とインサート材４の間で拡散が生じ、共晶反応が発生する温度に到達すると、アルミニウム層３ｃ及び配線金属２中のＡｌとの間に共晶反応を起こし、共晶溶融相が発生する。
そして、この共晶溶融範囲が接合界面全体に拡がっていくことにより、アルミニウム層３ｃ及び配線金属２の酸化被膜３ｆ、２ｆが表面から除去され、図１（ｃ）に示すように、酸化皮膜３ｆ、２ｆの欠片が共晶溶融相中に分散する。
【００２９】
続く加圧によって、図１（ｄ）に示すように、共晶反応溶融物が接合界面から排出され、この液相中に分散されていた酸化皮膜３ｆ、２ｆの欠片もその大部分が共晶溶融物と共に接合界面から押し出され、アルミニウム系金属の新生面が露出し、接合界面にＡｌの拡散反応が生じる。
これによって、図１（ｅ）に示すように、配線金属２と半導体チップ３のアルミニウム層３ｃとの接合、すなわちアルミニウム系金属同士の直接的な接合が達成される。このとき、共晶反応生成物や酸化皮膜、インサート材に由来する金属などを含む微量の混合物が接合界面に残存することがあり得るが、アルミニウム系金属同士の直接接合部が形成されている限り、強度上の問題となることはない。また、このような残存物は、電気伝導や熱伝導に寄与することになる。
【００３０】
なお、図１においては、微細凹凸２ｒを配線金属２の側に形成した例を示したが、これに限定されることはなく、微細凹凸の形成位置については、接合部位の少なくとも１箇所に形成すればよく、上記のように配線金属２と半導体チップ３の接合面の一方に形成するほか、接合面の両方に設けることができる。両面に形成することによって、酸化皮膜の破壊起点をより多くすることができる。
さらに、微細凹凸は、インサート材４の片面あるいは両面に形成することもでき、こうすることによって、配線金属２や半導体チップ３の微細凹凸の形成工程を加える必要がなくなるので、低コストの接合が可能になる。
【００３１】
また、上記では、薄板上のインサート材４を配線金属２の上に載置しただけの例を示したが、組成や形状（厚さ）などに関する選択の自由度が高いことから、箔の形態で両材料の間に挟み込むことが望ましい。
この他に、めっきやパウダーデポジション法によって、インサート材金属を配線金属２や半導体チップ３の一方あるいは両方の接合面に予め被覆しておくことも可能であり、この場合には、被覆によって酸化皮膜の生成を防止できる。
【００３２】
そして、図１においては、配線金属２として、アルミニウム系金属から成るものを用いたが、後述するように、他の金属から成る基材、例えば銅製基材の表面に上記アルミニウム系金属から成る層を形成したものを用いることもできる。
このようなアルミニウム層を基材上に形成するには、めっきやスパッタリング、溶射などの方法を適用することができる。なお、これらの方法は、半導体チップ３に対するアルミニウム層２ｃの形成にも適用されることは言うまでもない。
【００３３】
本発明の製造方法における配線金属２と半導体チップ３の上記接合は、不活性ガス雰囲気で行うこともできるが、大気中でも何ら支障はなく行うことができる。
もちろん、真空中で行うことも可能であるが、真空設備が必要となるばかりでなく、インサート材の溶融により真空計やゲートバルブを損傷する可能性があるので、大気中で行うことが設備面からもコスト的にも有利である。
【００３４】
本発明における上記接合において、接合部を所定の温度範囲に加熱したり、維持したりするための手段としては、特に限定されることはなく、例えば、高周波加熱や赤外線加熱、ヒータ加熱あるいはこれらを組み合わせた方法を採用することができる。また、治具によって加圧状態に固定し、治具と共にろう付け炉内に保持するといった方法を用いることも可能である。
【００３５】
上記接合温度への昇温速度については、遅い場合には、界面が酸化されて溶融物の排出性が低下して、強度が低下する原因となることがあるため、速い方が望ましい。特に大気中の接合の場合には、この傾向がある。
【００３６】
一方、本発明の製造方法においては、微細凹凸２ｒの形成によって、接合時の加圧力を低減することができることから、接合時の加圧力については、１ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以下とすることが望ましい。
すなわち、１ＭＰａに満たない場合は、酸化皮膜の破壊や、共晶反応物や酸化皮膜欠片の接合面からの排出が十分にできず、３０ＭＰａを超えると半導体チップ２が損傷する可能性があることによる。
【００３７】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法における接合面、特に配線金属の形態例を示すそれぞれ断面図であって、図４（ａ）に示す形態例においては、半導体チップ３がその接合最表面にアルミニウム層３ｃを備える一方、配線金属２は、図１と同様に、全体がアルミニウム系金属から成り、接合面に微細凹凸２ｒを備えている。
【００３８】
また、配線金属２は、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、例えば銅製の基板２ｂの接合面に、上記アルミニウム系金属から成るアルミニウム層２ｃを備えたものを用いることもできる。
【００３９】
この場合、図４（ｂ）に示したように、基板２ｂの接合面に微細凹凸２ｒを形成した後に、アルミニウム層２ｃをめっきやスパッタリング、蒸着などによって形成することができる。これによれば、比較的自由な形状に形成された微細凹凸２ｒの全面にアルミニウム層２ｃを配置することができる。
一方、図４（ｃ）に示したように、基板２ｂの上にアルミニウム層２ｃを配置した後に微細凹凸２ｒの加工を行うこともでき、この場合には、アルミニウム層が予め基材上に配置された材料、例えばクラッド材などを用いることができ、適用可能な材料の選択範囲が拡がることになる。
【００４０】
本発明の製造方法により製造された半導体装置の構造は、半導体チップと配線金属とが接合されて成るものであって、半導体チップは接合面にアルミニウム系金属を備える一方、配線金属は、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備え、上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合されたものとなる。そして、このような直接接合部の周囲、すなわち微細凹凸２ｒの底部（谷部）や微細凹凸２ｒの最外周部にＡｌの共晶組成物と、Ａｌの酸化物を含む排出物が介在することになる（図２（ｅ）参照）。
【００４１】
なお、ここで、「Ａｌの共晶組成物」とは、Ａｌとインサート材に含まれる少なくとも１種の金属との共晶反応による組成物、「Ａｌの酸化物」については、アルミニウム系金属表面、インサート材表面に生成していた酸化皮膜の欠片ということになる。
また、接合条件、すなわち、加圧力、接合温度、微細凹凸形状、インサート材の成分、量などの調整により、微細凹凸底部の残存を可及的に減らすことができ、断続的な接合を全面的な直接接合に近づけることができる。
【００４２】
図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の製造方法による半導体装置の実施形態の数例を示す概略断面図である。
第1の実施形態として、図５（ａ）に示す半導体装置１は、冷却体（ヒートシンク）１１上に、絶縁性セラミックス基板１２の片面側にアルミニウム系金属製の配線金属２を配置したバスバーが固定され、その配線金属２に半導体チップ３が接合された構造を備えている。そして、上記半導体チップ３は、その接合面にアルミニウム系金属から成るアルミニウム層３ｃを備えており、アルミニウム系金属同士が上記した方法により直接接合された構造となっている。
【００４３】
図５（ｂ）に示す半導体装置１は、絶縁性セラミックス基板１２の両面にアルミニウム系金属から成る配線金属２を備えたセラミックス基板の一方の面に冷却体１１を備え、他方の面上の配線金属２と、同様に接合面にアルミニウム層３ｃを備えた半導体チップ３が接合された構造となっている。
【００４４】
図５（ｃ）に示す半導体装置１は、図５（ａ）及び（ｂ）が片側実装であったのに対し、両面実装タイプの半導体装置の例を示すものであって、両面にアルミニウム層３ｃを備えた半導体チップ３の上下に、絶縁性セラミックス基板１２の片面側に配線金属２を備えたバスバーが冷却体１１と共に配置されている。半導体チップ３の上下両面に備えたアルミニウム層３ｃとバスバーのアルミニウム系金属製配線金属２が上記した方法により直接接合された構造となっている。
【００４５】
第４の実施形態として、図５（ｄ）に示す半導体装置１は、絶縁性セラミックス基板１２の両面にアルミニウム系金属製の配線金属２を備えたセラミックス基板を用いた両面実装タイプのものであって、セラミックス基板を用いたことを除いて、図５（ｃ）に示した形態と実質的に同様の構造となっている。
【００４６】
図６（ａ）は、絶縁性セラミックス基板１２の両面に備えた配線金属２の上面側に半導体チップ３を備えた素子をベースプレート１３の上に接合した構造を有する半導体装置の形態例を示すものであって、絶縁性セラミックス基板１２の下面側の配線金属２とベースプレート１３の接合に際しても、同様の接合方法を採用することができる。
すなわち、ベースプレート１３としては、アルミニウム系金属製あるいは少なくとも接合面をアルミニウム系金属とし、これらの間にインサート材を介在させ、配線金属及びベースプレートの接合面、インサート材表面の少なくとも一部に微細凹凸を設け、共晶溶融を生じさせることによって接合することができる。
【００４７】
このとき、図６（ｂ）に示すように、配線金属とベースプレートの双方に微細凹凸を設けることが望ましく、これによって接合性が向上して、加圧力が低くても接合が可能になり、絶縁性セラミックス基板１２の両面の配線金属２をベースプレート１３及び半導体チップ３に同時に接合する場合に好適な方法と言える。なお、配線金属２と半導体チップ３及びベースプレート１３の間には、インサート材が介在するが、図中には、省略されている。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。【００４９】
（実施例１）
純度９９．９９％の高純度アルミニウムから成る配線金属２を備えたバスバーを使用し、これに半導体チップ３として、厚さ１７０μｍのＳｉから成るＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を片側実装した半導体装置を作製した（図５（ａ）参照）。【００５０】
このとき、上記ＩＧＢＴ（半導体チップ）３の接合面側には、予め、チタンから成る厚さ０．５μｍの密着層３ａと、ニッケルから成る厚さ１μｍのバリヤ層３ｂを介して、最表層にアルミニウム層３ｃを６μｍの厚さに蒸着した。
また、配線金属２の接合面には、高さ１００μｍ、アスペクト比１．０、ピッチ１００μｍの三角形溝の周期構造を有する微細凹凸２ｒ（図２（ｂ）参照）を切削加工によって形成した。【００５１】
次に、配線金属２と半導体チップ３の接合面間にＺｎ−３．５％Ａｌ−２．５％Ｍｇ合金から成る厚さ１００μｍのインサート材４を挟み、この状態で、接合面間に常時５ＭＰａの加圧力が掛かるように治具を用いて固定した。そして、ろう付け炉内に収納し、４００℃に１分間保持することによって、配線金属２と半導体チップ３を接合した。
その結果、配線金属２と半導体チップ３のアルミニウム系金属同士が脆弱な反応層を形成することなく、直接的に、強固に接合され、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度（３００℃以上）、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を得ることができた。【００５２】
（実施例２）
上記実施例１と同様の片側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金から成り、その接合面に上記同様に微細凹凸２ｒを形成した後、厚さ３μｍのアルミニウム層２ｃを蒸着した配線金属２を備えたバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、配線金属２と半導体チップ３のアルミニウム層２ｃ、３ｃを接合した。
その結果、同様に、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を得ることができた。【００５３】
（実施例３）
上記実施例１と同様の片側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金に厚さ５０μｍの純度９９．９９％の高純度アルミニウムがクラッドされ、この上に上記同様に微細凹凸２ｒを形成した板材から成る配線金属２を備えたバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返すことによって、配線金属２のアルミニウムクラッド層２ｃと半導体チップ３のアルミニウム層３ｃを接合した。
その結果、同様に、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を得ることができた。【００５４】
（実施例４）
厚さ６３５μｍのＡｌＮから成り、厚さ５００μｍの純度９９．９９％の高純度アルミニウム製の配線金属２を備えたセラミックス基板を使用し、この配線金属２ａに上記同様に微細凹凸２ｒを形成した。これ以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返して、配線金属２と半導体チップ３のアルミニウム層３ｃを接合し、セラミックス基板上に、同様の半導体チップ３を片側実装した半導体装置を作製した（図５（ｂ）参照）。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００５５】
（実施例５）
上記実施例４と同様の片側実装した半導体装置を作製するに際して、厚さ６３５μｍのＡｌＮから成り、厚さ５００μｍの銅合金製であって、その接合面に微細凹凸２ｒを上記同様に形成した後、厚さ３μｍのアルミニウム層２ｃを蒸着した配線金属２を備えたセラミックス基板を使用した。これ以外は、上記実施例１と同様の操作を繰り返して、配線金属２のアルミニウム層２ｃと半導体チップ３のアルミニウム層３ｃを接合した。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００５６】
（実施例６）
上記半導体チップ３に、上記実施例１で用いたバスバー、すなわち同様の微細凹凸２ｒを有するアルミニウム系金属製の配線金属２を備えたバスバーを両側実装した半導体装置を作製した（図５（ｃ）参照）。すなわち、半導体チップ３の両面それぞれに、密着層３ａ、バリヤ層３ｂを介して、最表層にアルミニウム層３ｃを同様の厚さに蒸着すると共に、その両面に、同様のインサート材４を介して上記バスバーをそれぞれ配置し、同様の操作を繰り返した。これによって、半導体チップ３の両面に備えたアルミニウム層３ｃをアルミニウム系金属製配線金属２にそれぞれ接合した。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００５７】
（実施例７）
上記実施例６と同様の両側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金から成り、その接合面に上記同様の微細凹凸２ｒを形成した後、厚さ３μｍのアルミニウム層２ｃを蒸着した配線金属２を備えた上記実施例２と同様のバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例６と同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ３の両面に備えたアルミニウム層３ｃを配線金属２のアルミニウム層２ｃにそれぞれ接合した。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００５８】
（実施例８）
上記実施例６と同様の両側実装した半導体装置を作製するに際し、銅合金に厚さ５０μｍのアルミニウム系金属がクラッドされ、この表面に微細凹凸２ｒを同様に形成した板材から成る配線金属２を備えた上記実施例３と同様のバスバーを用いた。これ以外は、上記実施例６と同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ３の両面に備えたアルミニウム層３ｃを配線金属２のアルミニウム層２ｃにそれぞれ接合した。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００５９】
（実施例９）
上記半導体チップ３に、上記実施例４で用いたセラミックス基板、すなわち表面に同様の微細凹凸２ｒを有する厚さ５００μｍのアルミニウム系金属製の配線金属２を備えた厚さ６３５μｍのＡｌＮから成るセラミックス基板を両側実装した半導体装置を作製した（図５（ｄ）参照）。すなわち、密着層３ａ、バリヤ層３ｂ、アルミニウム層３ｃを両面に備えた半導体チップ３の両側に、同様のインサート材４を介して上記セラミックス基板をそれぞれ配置し、同様の操作を繰り返すことによって、半導体チップ３の両面に備えたアルミニウム層３ｃをアルミニウム系金属製配線金属２にそれぞれ接合した。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００６０】
（実施例１０）
上記実施例９と同様の両側実装した半導体装置を作製するに際し、上記実施例５で用いたセラミックス基板、すなわち厚さ５００μｍの銅合金製であって、その接合面に微細凹凸２ｒを同様に形成した後、厚さ３μｍのアルミニウム層２ｃを蒸着した配線金属２を備えたセラミックス基板を使用した。これ以外は、上記実施例９と同様の操作を繰り返して、半導体チップ３の両面に備えたアルミニウム層３ｃを配線金属２のアルミニウム層２ｃにそれぞれ接合した。
その結果、Ｐｂフリー、低コスト、強度バラツキが少ない、高温強度、長期信頼性に優れた実装ダイボンド構造を同様に得ることができた。【００６１】
（比較例１）
銅合金から成る配線金属２を備えたバスバーを使用し、厚さ１７０μｍのＳｉから成るＩＧＢＴ（半導体チップ）３を片側実装した半導体装置を作製した（図５（ａ）参照）。  このとき、上記ＩＧＢＴ（半導体チップ）３の接合面側には、はんだの濡れ性向上のために、厚さ０．５μｍのチタン密着層３ａと、厚さ１μｍのニッケルバリヤ層３ｂを介して、最表層に銀を１μｍの厚さに成膜した。また、配線金属２の接合面にも、同様の目的で、厚さ５μｍのニッケル層を介して銀を１μｍの厚さに成膜した。【００６２】
そして、Ｐｂ−Ｓｎはんだを用いて、配線金属２と半導体チップ３とをろう付けした。
なお、接合後のはんだの厚さは２００μｍであった。
当該比較例１においては、Ｐｂ（鉛）を含有するはんだを使用しているため、環境保全を観点とする社会要請にそぐわない。また、はんだの融点が１８４℃であって高温耐久性に乏しい。さらに、接合界面に金属間化合物層やカーケンダルボイドの生成が認められ、長期信頼性にも乏しいことが判明した。【００６３】
（比較例２）
図５（ａ）に示すような片側実装した半導体装置を作製するに際し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いたこと以外は、上記比較例１と同様の操作を繰り返して、配線金属２と半導体チップ３とをろう付けした。
当該比較例２においては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだは、上記Ｐｂ−Ｓｎはんだに比べて融点が２１０〜２１７℃と高いものの、将来型パワーモジュールに適用するには、高温耐久信頼性にも乏しい。また、Ｐｂ−Ｓｎはんだ同様に、界面に金属間化合物層やカーケンダルボイドが生成することがあり、長期信頼性にも乏しい。【００６４】
（比較例３）
図５（ａ）に示すような片側実装した半導体装置を作製するに際し、有機分子が粒子の表面を修飾した銀ナノ粒子を用いたこと以外は、上記比較例１と同様の操作を繰り返して、配線金属２と半導体チップ３とを接合した。
銀ナノ粒子による接合は、ナノ粒子表面に修飾した有機分子が接合プロセスでガス化する際にボイドを発生させたり、粒子の凝集にバラツキが生じたりすることから、継手強度にバラツキが生じることが判明した。また、貴金属であるＡｇを使っていることや、有機分子を修飾させるという複雑な構造をとっているため、高コストであり、量産には不向きと言える。【００６５】
（比較例４）
図５（ａ）に示すような片側実装した半導体装置を作製するに際し、Ａｇ−Ｇｅはんだを使用したこと以外は、上記比較例１と同様の操作を繰り返して、配線金属２と半導体チップ３とをろう付けした。
Ａｇ−Ｇｅはんだは、貴金属であるＡｕを含んでいるため、高コストであり、量産を伴う産業上の用途には向かない。また、上記Ｐｂ−ＳｎはんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだと同様に、接合界面に金属間化合物層を生成したり、カーケンダルボイドを生成したりするため、長期信頼性も乏しい。【００６６】
以上の本実施例と比較例における材料や構造の組合せを表１に纏めて示す。【００６７】
【表１】
2013129229.tif 000003
【符号の説明】
【００６８】
１  半導体装置
２  配線金属
２ｒ  微細凹凸
２ｆ  酸化皮膜
３  半導体チップ
３ｃ  アルミニウム層（アルミニウム系金属）
３ｆ  酸化皮膜
４  インサート材
１２  絶縁性セラミックス基材
【図１】
2013129229.tif 000004
【図２】
2013129229.tif 000005
【図３】
2013129229.tif 000006
【図４】
2013129229.tif 000007
【図５】
2013129229.tif 000008
【図６】
2013129229.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月7日(2014.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌと共晶反応を生じるＺｎを主成分とする金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつＡｌと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記インサート材がＺｎと、Ｚｎと共晶反応を生じる金属との合金であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
上記インサート材がＺｎ及びＡｌ、Ｚｎ及びＭｇ、Ｚｎ及びＣｕ、Ｚｎ及びＳｎ、Ｚｎ及びＡｇ、Ｚｎ及びＭｇ及びＡｌ、Ｚｎ及びＣｕ及びＡｌ、Ｚｎ及びＳｎ及びＡｌ、又はＺｎ及びＡｇ及びＡｌを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
配線金属が絶縁性セラミックス基板上に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の製造方法。
【請求項５】
上記絶縁性セラミックス基板の反半導体チップ側に備えた配線金属をベースプレート上に接合するに際して、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備えた上記配線金属とベースプレートの間に、Ａｌと共晶反応を生じるＺｎを主成分とする金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記配線金属とベースプレートを相対的に加圧しつつＡｌと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して接合することを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
上記配線金属とベースプレート双方の接合面に微細凹凸を設けることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
【請求項７】
配線金属がアルミニウム系金属、又は銅系金属から成る基材の表面にアルミニウム系金属を配置して成るものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の製造方法。
【請求項８】
半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌと共晶反応を生じるＺｎを主成分とする金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつＡｌと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合して成ることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体チップと配線金属とが接合されて成る半導体装置であって、
上記半導体チップはアルミニウム系金属を接合面に備え、
上記配線金属は、少なくとも接合面にアルミニウム系金属を備え、
上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合され、当該直接接合部の周囲にＡｌとＺｎの共晶組成物と、Ａｌの酸化物を含む排出物が介在していることを特徴とする半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌと共晶反応を生じるＺｎを主成分とする金属を含むインサート材を介在させると共に、上記アルミニウム系金属表面の酸化皮膜を破壊するための微細凹凸を上記接合面及びインサート材表面の少なくとも一部に設け、上記半導体チップと配線金属を相対的に加圧しつつＡｌと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、接合界面に生じた共晶反応溶融物を上記酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明の半導体装置は、半導体チップと配線金属とが接合されて成る半導体装置であって、上記方法によって製造することができ、上記半導体チップはアルミニウム系金属を表面に備え、上記配線金属は少なくとも表面にアルミニウム系金属を備え、上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士が、接合界面の少なくとも一部において直接接合され、この直接接合部の周囲にＡｌとＺｎの共晶組成物と、Ａｌの酸化物を含む排出物が介在していることを特徴としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体チップを配線金属に接合するに際して、上記したように、半導体チップの接合面に備えたアルミニウム系金属と、配線金属の少なくとも接合面に備えたアルミニウム系金属との間に、Ａｌ（アルミニウム）と共晶反応を生じるＺｎを主成分とする金属を含むインサート材を介在させる。さらに、接合面やインサート材の表面に微細凹凸を設け、この状態で、半導体チップと配線金属を相対的に加圧すると共にＡｌと上記インサート材との共晶反応が生じる温度に加熱し、アルミニウム系金属表面に形成されている酸化皮膜を微細凹凸により破壊して、アルミニウム系金属とインサート材とを接触させ、接合界面にＡｌとインサート材に含まれる金属との共晶反応を生じさせる。そして、この共晶反応溶融物を酸化皮膜と共に排出して、接合界面の少なくとも一部において上記半導体チップと配線金属のアルミニウム系金属同士を直接接合するようにしている。
【国際調査報告】
2013129229.tif 000010
2013129229.tif 000011
2013129229.tif 000012
2013129229.tif 000013