(57)【要約】  半導体チップ３の接合面に金属Ａ（Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属）から成る金属層３ｃ形成する一方、配線金属２の少なくとも接合面を金属Ｂ（Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属、但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）とし、配線金属２の接合面に微細凹凸２ｒを設けると共に、両接合面間に金属Ａ及び金属Ｂに含まれるＡｕ以外の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させ、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、接合面の酸化皮膜３ｆ、２ｆを破壊して、接合界面に生じた共晶反応溶融物と共に排出して接合する。
2013129279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る半導体チップと、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る配線金属とを接合するに際して（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）、
上記両接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させると共に、上記接合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金属Ａと金属Ｂと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に記載の接合方法。
【請求項３】
上記インサート材がＺｎと、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項４】
上記インサート材がＺｎ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３に記載の接合方法。
【請求項５】
上記インサート材がＺｎ、Ａｌ及びＭｇを主成分とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
【請求項６】
上記金属Ａと金属Ｂとが同種材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の接合方法。
【請求項７】
上記インサート材の厚さが２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の接合方法。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１つの項に記載の製造方法。
【請求項９】
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Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａを備えた上記ベースプレートと、少なくとも接合面にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂ（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）を備えた上記配線金属との間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎ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８に記載の製造方法。
【請求項１０】
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９に記載の製造方法。
【請求項１１】
配線金属がＡｌを主成分とする金属、又は銅系金属から成る基材の表面にＡｌを主成分とする金属を配置して成るものであって、半導体チップがＡｌを主成分とする金属から成る接合面を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の製造方法。
【請求項１２】
接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る半導体チップと、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る配線金属とを接合した半導体装置であって（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）、
上記両接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させると共に、上記接合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金属Ａと金属Ｂと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１３】
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Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａを接合面に備え、
上記配線金属は、少なくとも接合面にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂを備え（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）、
上記半導体チップの金属Ａと配線金属の金属Ｂとが、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Ｚｎの共晶組成物と、上記金属Ａ及び金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属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、半導体チップと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】日本国特開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）のような貴金属を用い、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、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）系などのはんだがあるが、これらも、貴金属であるＡｕを用いているため、コスト的な問題ばかりでなく、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、長期的な信頼性に問題がある。【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、Ｐｂを用いることなく、高温耐久性に優れた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のそれぞれを特定の金属から成るものとし、これらの間にＺｎを含むインサート材を介在させると共に、接合面に微細凹凸を形成し、接合界面にＺｎと接合面に含まれる金属元素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、接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る半導体チップと、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る配線金属とを接合するに際して（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）、両接合面間に、金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させると共に、上記接合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金属Ａと金属Ｂと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Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａを接合面に備え、上記配線金属は、少なくとも接合面にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂ（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）を備え、上記半導体チップの金属Ａと配線金属の金属Ｂとが、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Ｚｎの共晶組成物と、上記金属Ａ及び金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属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、半導体チップ及び配線金属の表面の金属Ａ及び金属Ｂに生成している酸化皮膜が接合部に設けた微細凹凸によって破壊され、これら金属Ａ及び金属Ｂのそれぞれに含まれる金属とインサート材に含まれるＺｎとの間に共晶反応が生じ、低温、低加圧で酸化皮膜を除去することができる。したがって、半導体チップと配線金属のそれぞれ最表面に位置する金属Ａと金属Ｂとを強固に直接接合することができ、高温耐久性に優れた半導体装置が得られる。
【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金属Ａ（Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属）と、配線金属の少なくとも接合面に備えた金属Ｂ（Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属、但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）との間に、金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させる。
【００１６】
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、金属Ａ及び金属Ｂの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、金属Ａ及び金属Ｂとインサート材とをそれぞれ接触させ、接合界面に金属Ａ及び金属Ｂにそれぞれ含まれる金属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金属Ａと金属Ｂとを直接接合し、半導体チップと配線金属が強固に接合される。
【００１７】
共晶反応による溶融は、２種以上の金属が相互拡散して生じた相互拡散域の組成が共晶組成となった場合に生じ、保持温度が共晶温度以上であれば共晶反応により液相が形成される。例えば、Ｚｎ−Ａｌ系合金の場合、Ａｌの融点は６６０℃、Ｚｎの融点は４１９．５℃であり、この共晶金属はそれぞれの融点より低い３８２℃にて溶融する。
したがって、両金属の清浄面を接触させ、３８２℃以上に加熱保持すると反応（共晶溶融）が生じ、Ａｌ−９５％Ｚｎが共晶組成となるが、共晶反応自体は合金成分に無関係な一定の変化であり、インサート材の組成は共晶反応の量を増減するに過ぎない。
【００１８】
一方、Ａｕを除き一般的な金属材料の表面には酸化皮膜が存在するが、接合過程における加圧によって、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金属Ａ及び金属Ｂのそれぞれとインサート材とが接触し、これらの間に共晶反応が生じる。
【００１９】
共晶反応による液相の生成によって近傍の酸化皮膜が破砕、分解され、さらに共晶溶融が全面に拡がっていくことによって、酸化皮膜破壊が拡大し、促進され、接合面の酸化皮膜が低温度（共晶温度）で除去されるので、ろう材層を介することなく、金属Ａと金属Ｂとのダイレクトな接合が可能となる。
したがって、Ｐｂが含まれない金属Ａと金属Ｂと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製造することができる。
【００２０】
共晶組成は相互拡散によって自発的達成されるため、組成のコントロールは必要なく、必須条件は母材（金属Ａ、Ｂ）とインサート材に含まれる金属の間に、低融点の共晶反応が生成することである。
このとき、接合面には、金属Ａに含まれる金属と金属Ｂに含まれる金属と、インサート材に含まれる金属との共晶反応をそれぞれ生じさせることが必要であり、そのためには、両共晶温度の高い方の温度に加熱する必要がある。
【００２１】
但し、金属Ａ及び金属Ｂの一方がＡｕを主成分とする金属の場合には、その接合面に酸化皮膜は生成していないことから、他方の金属とインサート材の間に共晶反応を生じさせるだけで接合が可能となる。また、金属Ａ及び金属Ｂが共にＡｕを主成分とする金属である場合には、上記のように、その表面には酸化皮膜が生成していないので、微細凹凸を形成したり、インサート材を介在させたりするまでもなく、接合が可能である。
【００２２】
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。
【００２３】
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、金属Ｂとして、例えばアルミニウムあるいは銅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、金属Ａとして、例えばＡｌ、ＣｕあるいはＡｇを主成分とする金属層３ｃがめっきやスパッタリングなどによって形成されている。なお、これら配線金属２や金属層３ｃの表面には、酸化皮膜２ｆ、３ｆが生成している。
【００２４】
ここで、金属Ａ及び金属Ｂの組合せとしては、金系材料同士の場合を除いて、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群から選ばれる純金属や、これら金属間の合金を含む種々の組合せを採用することができるが、同種材同士の接合とした方が界面の劣化反応の起点がなくなるため、耐久信頼性のより高い接合が可能となる。なお、ここで言う「同種材」とは、金属組織や成分系が同じであることを意味し、必ずしも合金成分の含有量が一致する必要はない。
また、配線金属２を全体がＡｌを主成分とする金属から成るもの、あるいは銅系金属から成る基材の表面にＡｌを主成分とする金属（金属Ｂ）を配置して成るものとする一方、半導体チップ３の接合面の金属層（金属Ａ）２ｃをＡｌを主成分とする金属から成るものとすることも望ましい。これにより、低コストの半導体装置を実現することができる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
一方、半導体チップ３は、上記したように接合面側に、金属Ａから成る金属層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と金属層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。
【００３０】
バリヤ層３ｂは、金属層３ｃの成分が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Ｐｔ−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。
【００３１】
インサート材４は、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外、すなわちＡｌ、Ｃｕ及びＡｇのうちの少なくとも１種の金属元素と、上記金属Ｂに含まれる同様の金属元素のそれぞれと共晶反応を生じる金属であるＺｎを含むものであって、例えば、Ｚｎを主成分とする金属（純亜鉛、亜鉛合金）が用いられる。
【００３２】
また、Ｚｎと、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とする合金、例えばＺｎとＡｌを主成分とする合金、ＺｎとＡｌとＭｇを主成分とする合金を用いることもできる。
すなわち、ＺｎとＡｌを含む合金系の共晶温度は低く（Ｚｎ−Ａｌ系合金では３８２℃、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金では３３０℃）、このような低い温度で、母材の軟化や変形を惹起することなく、接合を阻害する酸化皮膜を接合界面から除去して、両部材を接合することができる。
【００３３】
さらに、インサート材４には、上記金属Ａもしくは金属Ｂ材の一方、または両方の成分を含有させることができ、インサート材と被接合部材との反応性の向上や、接合界面の親和性の向上のためから望ましい。
【００３４】
上記インサート材４の厚さとしては、２０μｍ以上、２００μｍ以下とすることが望ましい。
インサート材４の厚さが２０μｍに満たない場合、酸化皮膜の排出が不十分となったり、接合部のシール性が低下し、接合中に酸化が進み接合部の強度特性を低下させたりする。一方、２００μｍを超えると、余剰部分の排出のために高い加圧力が必要となったり、界面への残存が多くなり、継ぎ手性能を低下させたりすることがある。
【００３５】
なお、本発明において、金属Ａ、金属Ｂ、インサート材における「主成分」とは、それら金属成分の含有量が合計で８０％以上であることを意味するものとする。
【００３６】
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、金属層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。
【００３７】
金属層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、金属層３ｃ及び配線金属２中の金属元素との間にそれぞれ共晶反応が生じ、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、金属層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。
【００３８】
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、金属Ａ及び金属Ｂの新生面がそれぞれ露出し、接合界面にこれらに含まれる成分元素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の金属層３ｃとの接合、すなわち金属Ａと金属Ｂと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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
そして、図１においては、配線金属２として、ＡｌやＣｕを主成分とする金属（金属Ｂ）から成るものを用いると共に、半導体チップ３の接合面に、金属ＡとしてＡｌ、ＣｕあるいはＡｇを主成分とする金属層３ｃを形成した例について説明したが、本発明はこのような組合せに限定されるものではない。
【００４２】
例えば、後述するように、適当な金属から成る基材の表面に、金属Ｂから成る金属層２ｃを形成した配線金属２を用いることもできる。このような金属層２ｃ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に対する金属層２ｃの形成にも適用されることは言うまでもない。
また、材料コスト面では、若干不利となるものの、場合によっては、金属層２ｃ（金属Ａ）や金属層３ｃ（金属Ｂ）として、金や銀を含む金属を採用することも可能である。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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上記金属Ｂから成る金属層３ｃを備える一方、配線金属２は、図１と同様に、全体が上記金属Ａから成り、接合面に微細凹凸２ｒを備えている。
【００４８】
また、配線金属２は、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、導電性材料から成る基板２ｂの接合面に、金属Ａから成る金属層２ｃを備えたものを用いることもできる。
【００４９】
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、金属層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の全面に金属層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の上に金属層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、金属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。
【００５０】
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Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａを備える一方、配線金属は、少なくとも接合面にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂ（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）を備え、上記半導体チップの金属Ａと配線金属の金属Ｂとが、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、Ｚｎの共晶組成物と、上記金属Ａ及び金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属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）。
【００５１】
なお、ここで、「Ｚｎの共晶組成物」とは、インサート材に含まれるＺｎと、金属Ａ及び金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属との共晶反応による組成物、また「酸化物」については、上記金属Ａ及び金属Ｂの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。
【００５２】
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の片面側に上記金属Ｂから成る配線金属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、その接合面に上記金属Ａから成る金属層３ｃを備えており、金属Ａと金属Ｂと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。
【００５３】
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の両面に金属Ｂ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、同様に接合面に金属Ａから成る金属層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。
【００５４】
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の対し、両面実装タイプの半導体装置の例を示すものであって、両面に金属Ａから成る金属層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金属Ａから成る金属層３ｃとバスバーの金属Ｂから成る配線金属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。
【００５５】
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の両面に金属Ｂから成る配線金属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。
【００５６】
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、同様の接合方法を適用することができる。
【００５７】
すなわち、ベースプレート１３としては、その全体あるいは少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成るものを用いる。そして、同様に全体あるいは少なくとも接合面が上記金属群から選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る配線金属２との間にインサート材を介在させると共に、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。
【００５８】
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なる。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、インサート材を介在させるが、上記図では、省略されている。
【実施例】
【００５９】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。【００６０】
（実施例１）
純度９９．９９％の高純度アルミニウム（金属Ｂ）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）。【００６１】
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Ａｌ（金属Ａ）から成る金属層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。【００６２】
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。【００６３】
（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。【００６４】
（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。【００６５】
（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）。【００６６】
（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。【００６７】
（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。【００６８】
（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。【００６９】
（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。【００７０】
（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。【００７１】
（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。【００７２】
（実施例１１）
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、Ａ６０６１アルミニウム合金（金属Ｂ）から成り、その接合面に同様の微細凹凸２ｒを形成して成る配線金属２を備えたバスバーと共に、接合面の最表層に純銅（金属Ａ）から成る金属層３ｃを３μｍの厚さに蒸着した半導体チップ３を用意した。
次に、配線金属２と半導体チップ３の接合面間にＺｎ−１０．８％Ａｌ（融点：３８５℃）から成る厚さ１００μｍのインサート材４を挟み、治具を用いて同様に固定し、ろう付け炉内で４２０℃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。【００７３】
（実施例１２）
上記インサート材４として、Ｚｎ−４．０％Ａｌ−２．０％Ｃｕ合金（融点：３８９℃）を用いたこと以外は、上記実施例１１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を接合した。【００７４】
（実施例１３）
加圧力を２ＭＰａに低下させたことを除いて、上記実施例１２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を接合した。【００７５】
（実施例１４）
加圧力を１０ＭＰａに高めたこと以外は、上記実施例１２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を接合した。【００７６】
（実施例１５）
上記インサート材４の厚さを３００μｍに増したこと以外は、上記実施例１２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を接合した。【００７７】
（実施例１６）
上記インサート材４の厚さを２０μｍに減じた以外は、上記実施例１２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を接合した。【００７８】
（実施例１７）
接合面の最表層に、金属層３ｃ（金属Ａ）として銀を厚さ３μｍに蒸着した半導体チップ３を使用し、これ以外は上記実施例１１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を接合した。【００７９】
（実施例１８）
上記インサート材４として、Ｚｎ−４．１９％Ａｌ−３．２８％Ａｇ合金（融点：３８９℃）を用いたこと以外は、上記実施例１７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を接合した。【００８０】
（実施例１９）
接合面の最表層に、金属層３ｃ（金属Ａ）として、金を厚さ３μｍに蒸着した半導体チップ３を使用したこと以外は上記実施例１１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を接合した。【００８１】
（実施例２０）
上記インサート材４として、Ｚｎ−４．１％Ａｌ−２．５％Ｍｇ合金（融点：３５２℃）を用い、保持温度を４００℃に低下させたこと以外は、上記実施例１９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を接合した。【００８２】
（実施例２１）
無酸素銅（金属Ｂ）から成り、その接合面に同様の微細凹凸２ｒを形成して成る配線金属２を備えたバスバーを用いたこと以外は、上記実施例１１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を接合した。【００８３】
（実施例２２）
インサート材４として、Ｚｎ−４．０％Ａｌ−２．０％Ｃｕ合金を用いたこと以外は、上記実施例２１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を接合した。【００８４】
（実施例２３）
接合面の最表層に、金属層３ｃ（金属Ａ）として、銀を厚さ３μｍに蒸着した半導体チップ３を使用したこと以外は、上記実施例２１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を接合した。【００８５】
（実施例２４）
インサート材４として、Ｚｎ−４．０％Ａｌ−２．０％Ｃｕ合金を用いたこと以外は、上記実施例２３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を接合した。【００８６】
（実施例２５）
インサート材４として、Ｚｎ−４．１９％Ａｌ−３．２８％Ａｇ合金を用いたこと以外は、上記実施例２３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を接合した。【００８７】
（実施例２６）
接合面の最表層に、金属層３ｃ（金属Ａ）として、金を３μｍの厚さに蒸着した半導体チップ３を使用したこと以外は、上記実施例２１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を接合した。【００８８】
（実施例２７）
上記インサート材４として、Ｚｎ−４．１％Ａｌ−２．５％Ｍｇ合金（融点：３５２℃）を用い、保持温度を４００℃に低下させたこと以外は、上記実施例２６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を接合した。【００８９】
（実施例２８）
インサート材４として、Ｚｎ−４．０％Ａｌ−２．０％Ｃｕ合金を用いたこと以外は、上記実施例２６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を接合した。【００９０】
（実施例２９）
無酸素銅から成り、同様の微細凹凸２ｒを形成した基材の接合面に厚さ３μｍの銀めっき（金属Ｂ）を施して成る配線金属２を備えたバスバーを用いたこと以外は、上記実施例１７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を接合した。【００９１】
（実施例３０）
インサート材４として、Ｚｎ−４．１９％Ａｌ−３．２８％Ａｇ合金を用いたこと以外は、上記実施例２９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を接合した。【００９２】
（実施例３１）
接合面の最表層に、金属層３ｃ（金属Ａ）として、金を厚さ１μｍに蒸着した半導体チップ３を使用したこと以外は、上記実施例２９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を接合した。【００９３】
（実施例３２）
上記インサート材４として、Ｚｎ−４．１％Ａｌ−２．５％Ｍｇ合金を用い、保持温度を４００℃に低下させたこと以外は、上記実施例３１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を接合した。【００９４】
（実施例３３）
インサート材４として、Ｚｎ−４．１９％Ａｌ−３．２８％Ａｇ合金を用いたこと以外は、上記実施例３１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を接合した。【００９５】
（比較例１）
銅合金から成り、微細凹凸のない配線金属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。【００９６】
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。【００９７】
（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。【００９８】
（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。【００９９】
（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。【０１００】
（比較例５）
バスバーに備えたＡ６０６１アルミニウム合金から成る配線金属２に、接合面の最表層に純銅から成る金属層３ｃをめっきしてなる半導体チップ３を接合して、上記実施例１１と同様の片側実装半導体装置を作製するに際し、微細凹凸を形成することも、インサート材を介在させることもなく、同様の条件で接合した。【０１０１】
上記実施例及び比較例における配線金属や半導体チップ接合面の材料や構造の組合せを表１〜表３にまとめて示す。【０１０２】
【表１】
2013129279.tif 000003
【０１０３】
【表２】
2013129279.tif 000004
【０１０４】
【表３】
2013129279.tif 000005
【０１０５】
表１〜３に示す結果から明らかなように、配線金属に微細凹凸を形成すると共にＺｎを含有するインサート材を介在させて、金属Ａ及び金属Ｂのそれぞれとの間に共晶反応を生じさせるようにした本発明の実施例においては、配線金属２と半導体チップ３の金属Ｂと金属Ａとを直接的に接合することができた。すなわち、脆弱な反応層を生じさせることなく、Ｐｂフリーで、バラツキの少ない、高温強度（３００℃以上）、長期信頼性に優れた半導体装置の実装ダイボンド構造が得れらることが確認された。なお、上記実施例のうち、インサート材の厚さが過大な実施例１５においては、接合強度が若干低下する傾向が認められた。【０１０６】
これに対し、微細凹凸を形成したり、インサート材を介在させたりすることなく、Ｐｂ（鉛）を含有するはんだにより接合した比較例１においては、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℃であることから高温耐久性に乏しいことに加えて、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。
また、比較例２に用いたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだは、上記Ｐｂ−Ｓｎはんだに比べて融点が２１７〜２１０℃とやや高いものの、将来型パワーモジュールに適用するには、高温耐久信頼性に乏しい。また、比較例１と同様に、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。【０１０７】
銀ナノ粒子を用いた接合による比較例３においては、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、安定した継手強度が得難い傾向が確認された。また、Ａｇが含まれ、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、コスト面から量産には不向きと言える。
比較例４に用いたＡｇ−Ｇｅはんだは、Ａｕを含んでいるため、コスト面で不利であるばかりでなく、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、長期信頼性にも乏しい。【０１０８】
そして、微細凹凸を形成したり、インサート材を介在させたりすることなく、アルミニウム合金製の配線金属に、接合面に純銅層を沿い萎えた半導体チップを直接接合するようにした比較例５においては、局所的な接合に留まり、実質的な接合ができないことが確認された。
【符号の説明】
【０１０９】
１  半導体装置
２  配線金属（金属Ｂ）
２ｃ  金属層（金属Ｂ）
２ｒ  微細凹凸
２ｆ  酸化皮膜
３  半導体チップ
３ｃ  金属層（金属Ａ）
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】
2013129279.tif 000006
【図２】
2013129279.tif 000007
【図３】
2013129279.tif 000008
【図４】
2013129279.tif 000009
【図５】
2013129279.tif 000010
【図６】
2013129279.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月9日(2015.1.9)
【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】
接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る半導体チップと、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る配線金属とを接合するに際して（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）、
上記両接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させると共に、上記接合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、上記微細凹凸によって上記酸化被膜を破壊して、金属Ａ及び金属Ｂにそれぞれ含まれる金属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、該共晶反応による液相によって酸化被膜の破壊を拡大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、接合界面の少なくとも一部において上記金属Ａと金属Ｂと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に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記インサート材がＺｎと、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とする合金であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記インサート材がＺｎ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３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記インサート材がＺｎ、Ａｌ及びＭｇを主成分とする合金であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記金属Ａと金属Ｂとが同種材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
上記インサート材の厚さが２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１つの項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
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Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａを備えた上記ベースプレートと、少なくとも接合面にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂ（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）を備えた上記配線金属との間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎ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、上記微細凹凸によって上記酸化被膜を破壊して、金属Ａ及び金属Ｂにそれぞれ含まれる金属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、該共晶反応による液相によって酸化被膜の破壊を拡大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接合することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
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９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
配線金属がＡｌを主成分とする金属、又は銅系金属から成る基材の表面にＡｌを主成分とする金属を配置して成るものであって、半導体チップがＡｌを主成分とする金属から成る接合面を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ａから成る半導体チップと、少なくとも接合面がＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ及びＡｕから成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とする金属Ｂから成る配線金属とを接合した半導体装置であって（但し、金属Ａ及びＢが共にＡｕを主成分とする金属である場合を除く）、
上記両接合面間に、上記金属Ａに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属と、上記金属Ｂに含まれるＡｕ以外の少なくとも１種の金属とそれぞれ共晶反応を生じる金属としてＺｎを含むインサート材を介在させると共に、上記接合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、上記微細凹凸によって上記酸化被膜を破壊して、金属Ａ及び金属Ｂにそれぞれ含まれる金属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、該共晶反応による液相によって酸化被膜の破壊を拡大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、接合界面の少なくとも一部において上記金属Ａと金属Ｂとを直接接合して成ることを特徴とする半導体装置。
【国際調査報告】
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