(57)【要約】【課題】半導体素子を金属基板に良好に接合できる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】対向する少なくとも一方の主面に、第一の金属からなる第一の金属層１１を有する半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第二の金属からなる金属基板２とを、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合する半導体装置の製造方法において、前記第一、第二および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層４を介在させて、第一の金属層１１と金属基板２とを接合する。【選択図】    図１
2006202938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの対向する主面のうち少なくとも一方の主面に、第一の金属からなる第一の金属層を有する面実装タイプの半導体素子と、
前記半導体素子を面実装する第二の金属からなる金属基板とを、
平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて接合する半導体装置の製造方法において、
前記第一、第二および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、
加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、前記第一の金属層と前記金属基板とを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】
二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層を有する面実装タイプの半導体素子と、
第四の金属からなる第四の金属層を少なくとも最表面に有している前記半導体素子を面実装する第二の金属からなる金属基板とを、
平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて接合する半導体装置の製造方法において、
前記第一、第四および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、
加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、前記第一の金属層と前記第四の金属層とを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３】
二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層を有する面実装タイプの半導体素子と、
第四の金属からなる第四の金属層を少なくとも最表面に有している前記半導体素子を面実装する第二の金属からなる金属基板とが、
平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて接合されてなる半導体装置であって、
前記第一および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、
前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、前記第一の金属層と前記第四の金属層とが接合されており、
前記第二の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、
前記第四の金属が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種の金属を含む合金であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記金属基板と前記第四の金属層との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第一の介在層が介在されていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に、第一の金属からなる第一の金属層を有する面実装タイプの半導体素子と、
前記半導体素子を面実装する第二の金属からなる金属基板とが、
平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて接合されてなる半導体装置であって、
前記第二および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、
前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、前記第一の金属層と前記金属基板とが接合されており、
前記半導体素子は第五の金属からなる電極を有し、
前記第五の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、
前記電極の最表面となる主面に存在する第一の金属層が、金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層を有する面実装タイプの半導体素子と、
前記半導体素子を面実装する第四の金属からなる第四の金属層を少なくとも最表面に有し、第二の金属からなる金属基板とが、
平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて接合されてなる半導体装置であって、
前記第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、
前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、前記第一の金属層と前記第四の金属層とが接合されており、
前記第二の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、
前記第四の金属が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、または少なくとも一種の金属を含む合金であり、
前記金属基板と前記第四の金属層との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第一の介在層が介在され、
前記半導体素子は第五の金属からなる電極を有し、
前記第五の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、
前記電極の最表面となる主面に存在する前記第一の金属層が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記電極と前記第一の金属層との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第二の介在層が介在されていることを特徴とする請求項５または６記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属基板は、絶縁板に接合された金属付き絶縁基板であることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のはんだに代えて、金属ナノ粒子を加熱・焼成して２つの部材を接合する電極配設基体とその接合方法に関する技術が下記特許文献１に記載されている。この技術では、平均直径１００ｎｍ以下の金属超微粒子の周囲を有機化合物で被覆することによって生成された金属ナノ粒子を、２つの部材の接合部に介在させて加熱・焼成して接合させる。  
また、下記非特許文献１においては、有機溶媒でコーティングしたＡｇナノ粒子からなるＡｇナノペーストを用いてＣｕの試験片同士を面で接合し、その接合強度の測定と接合部の断面組織の観察を行っている。接合条件である温度と時間と加圧力を変化させて、接合部の強度を検討している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２８３５７号公報
【非特許文献１】Mate ２００４にて発表された論文集P.213「銀ナノ粒子を用いた接合プロセス」大阪大学大学院工学研究科
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子を金属基板に接合する方法としては、一般的に各種はんだが使われており、その他には導電ペーストやろう付け等も検討されている。はんだ、導電ペーストは耐熱性が低く、ろう付けは接合後の接合部の残留応力が高く、信頼性が低い。また、上記特許文献１と非特許文献１における金属ナノ粒子を用いた接合技術においては、詳細な検討がまだなされていない。このように半導体素子の金属基板への満足な接合方法はいまだ実現されていない。  
本発明の目的は、半導体素子を金属基板に良好に接合することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、第一の金属からなる第一の金属層を有する面実装タイプの半導体素子と、前記半導体素子を面実装する第二の金属からなる金属基板とを、第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペーストを用いて接合する半導体装置の製造方法において、前記第一、第二および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、前記第一の金属層と前記金属基板とを接合するという構成になっている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体素子を金属基板に良好に接合することができる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
《第一の実施の形態》
図１（ａ）は、本発明の第一の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図、図１（ｂ）は接合後の半導体素子及び金属基板の断面図である。  
図１（ａ）、（ｂ）において、１は面実装タイプの半導体素子（半導体チップ）、１１は半導体素子１の二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面、ここでは下面に形成された第一の金属からなる第一の金属層、２は第二の金属からなる金属基板、３は金属ナノペースト、図１（ｂ）において、４は金属ナノペースト３の接合後に形成された接合層である。  
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に、第一の金属からなる第一の金属層１１を有する面実装タイプの半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第二の金属からなる金属基板２とを、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合する半導体装置の製造方法において、前記第一、第二および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物（例えば金粒子と銀粒子の混合物、銀粒子と銅合金の粒子の混合物など。該混合物については以下同様）からなり、加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層４を介在させて、第一の金属層１１と金属基板２とを接合するという構成になっている。
【０００８】
〈部材の準備〉
まず、半導体素子１、金属ナノペースト３（ここでは銀ナノペースト）、及び金属基板２（ここではＣｕ金属基板）を準備する。  
〈半導体素子〉
シリコン（Ｓｉ）からなる半導体素子１の裏面にはオーミック接続を取るためのチタン（Ｔｉ）層（図示省略）が形成され、その上に異種金属の拡散を防止するためのニッケル（Ｎｉ）層（図示省略）が形成され、最後に、銀（Ａｇ）層（第一の金属層１１）を形成している。  
〈銀ナノペースト〉
銀ナノペーストとは、粒径が約１０ｎｍ前後の銀からなるＡｇナノ粒子（第三の金属からなる超微粒子）からなり、その粒子の周囲を、有機保護膜によってコーティングした状態で溶媒に分散されたペースト状のものである。これに熱を加えて、ある温度になると溶媒や有機保護膜が分解され揮発し、超微粒子である銀の表面が現れ、互いに焼結する原理を利用して接合材として機能させるものである。  
〈金属ナノ粒子の接合原理〉
その基本的な原理は、材料によって違いはあるが、ナノレベルの粒子になるとその表面のエネルギーによってバルクの融点より低温で凝集し、焼結することが一般的に知られており、関連の文献に詳細が記載されている。従って、銀ナノペーストは、通常、銀の超微粒子が互いに結合することはなく溶媒中で安定であり、熱処理によって有機物が揮発することによって銀が焼結することを利用した接着剤である。  
〈金属基板〉
第二の金属からなる金属基板はここでは銅（Ｃｕ）からなる。
【０００９】
〈半導体装置の製造方法〉
次に、それぞれの部材を用いて接合を行う。  
まず、Ｃｕからなる金属基板２上の半導体素子１が面実装される所定の面に、銀ナノペースト（金属ナノペースト３）をスクリーン印刷法を用いて厚みを一定にして塗布する。  
その後、裏面にＡｇからなる第一の金属層１１を形成した半導体素子１を裏面が銀ナノペーストと接着するように設置し、面に対して垂直方向に加圧しながら加熱する。例えば数百ｋＰａから数ＭＰａ程度の加圧と３００℃程度の加熱が適当である。こうすることで、銀ナノペーストを構成する有機物に含まれる炭素によって、半導体素子１の裏面のＡｇからなる第一の金属層１１の最表面と、第三の金属であるＡｇナノ粒子の最表面と、第二の金属からなるＣｕ金属基板２の最表面は、酸化還元され、Ａｇナノ粒子の凝集によって互いに結合し始める。その結果、図１（ｂ）に示すような半導体素子１とＣｕ金属基板２がＡｇの接合層４によって接合された半導体装置が完成する。
【００１０】
〈金属元素の限定理由〉
金属ナノペースト３を構成する有機物に含まれる炭素によって酸化還元が可能な材料は、酸化物の安定性によって説明が可能であり、それぞれの物質における酸化物の標準生成自由エネルギーによって導くことができる。すなわち、ある温度で数値的により大きな生成エネルギーをもつ物質は、酸素に対してより高い親和力を有しており、より安定な酸化物を形成する。従って、二つの酸化される物質が存在するとき、数値的により大きな生成エネルギーをもつ物質は、もう一方の物質が酸化しているときに、還元剤として働くと考えられる。  
実際には、金属工学として一般的に知られる、酸化物の標準生成自由エネルギー−温度図（改訂３版 金属データブックＰ．９６、編者：社団法人日本金属学会）や、酸化還元平衡図（金属の高温酸化Ｐ．１０、著者：斎藤安俊他、発行：内田老鶴圃）から、炭素（Ｃ）は、約３００℃で銅の酸化物（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）、クロムの酸化物（ＣｒＯ３）などに対して還元剤となり得る。また、約５００℃付近ではニッケルの酸化物（ＮｉＯ）などに対しても還元剤となり得ることが分かる。金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）については、そもそも酸化し難い材料とされている。  
〈金属元素の限定〉
従って、本発明では、酸化し難い金属として金（Ａｕ）と銀（Ａｇ）と白金（Ｐｔ）、有機物によって酸化還元が可能であり、かつ、使用上または環境上特に大きな問題がなく、一般な金属として銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）を用いることができる。
【００１１】
上述のように半導体素子を金属基板に接合する方法としては、一般的に各種はんだが使われており、その他には導電性ペーストやろう付け等も検討されてきた。ところが、従来の共晶はんだ（６０％Ｓｎ−４０％Ｐｂ）は融点が１８３℃程度、高温はんだ（５％Ｓｎ−９５％Ｐｂ）は融点が３００℃程度であり、これらのはんだを用いた接合工程を経た半導体装置は、使用温度が１８３℃程度以下と制限されていた。また、使用温度を上げるために高温はんだのみを使用した場合でも、一回の工程で全ての接合を完了させなくてはならず、その難易度は高く、歩留りへの悪影響や製品のコストアップという懸念も残っていた。例え何れかの方策によってそれを解決したとしても、はんだは高温で使用することによって結晶粒の粗大化が起こり、クラックが発生しやすくなるという信頼性上の問題が残る。鉛フリーはんだについても同様なことが言える。  
導電性ペーストにおいては、低融点接合・高温使用が可能な接合材料であり、接合部の残留応力を低減させることも可能である。しかしながら、その最高使用温度は接合材として機能している樹脂に依存しているのが一般的であり、例えば３００℃、数時間といった限界がある。また、はんだに比べ接合部の強度が低く、接着力が弱い点も問題とされている。加えて、接合性が不安定であり、電気的・熱的特性にもばらつきが発生しやすいといった課題があった。  
ろう付けにおいては、融点が高いため（ＡｇＣｕろう材の融点は７８０℃程度、ＡｌＳｉろう材の融点は５８０℃程度）接合部の残留応力が高くなり、接合後の冷却過程で接合部にまたは素子自体にクラックが生じていた。また、例え接合自体が問題なく行われたとしても、その高い残留応力から長期信頼性への悪影響は避けられない。  
これに対し、上記特許文献１の従来技術において謳われている有機保護膜で被覆された超微粒子をペースト状にして部材の接合部に介在させ加熱・焼成する、金属ナノ粒子による接合方法は、低融点接合・高温使用が可能であり、かつ、はんだと同等またはそれ以上の高い接合強度が得られ、電気的・熱的特性にも優れた接合方法であると言われている。  
しかしながら、その被接合材と金属ナノ粒子との接合性に関する詳細な検討は未だ実施されておらず、実用化への目処は立っていないのが現状である。例えば、半導体ベアチップのアルミニウム金属基板への金属ナノ粒子による接合では、その金属ナノ粒子との接合性を考慮した金属層をチップに形成しておく必要があると同時に、アルミニウムの最表面は強固な酸化膜が存在するため、アルミニウム金属基板へも何らかの表面処理が必要である。従来はこの点について検討されていなかった。
【００１２】
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体素子１と金属基板２との接合部は、半導体素子１の表面の第一の金属層１１を構成する第一の金属、金属基板２を構成する第二の金属、金属ナノペースト３の超微粒子を構成する第三の金属による結合構造であり、それらの金属は酸化し難い金、銀、白金、または有機系の溶媒に含まれる炭素によって酸化還元され易い銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなるので、金属最表面の酸化物は有機物の揮発によって還元され、それぞれの金属は純粋な表面で結合することができる。従って、高強度でかつ電気的・熱的にも最も良好な面接合を達成することができる。（酸化物の標準生成自由エネルギー−温度図(改訂３版 金属データブックＰ．９６、編者：社団法人日本金属学会)、酸化還元平衡図(金属の高温酸化Ｐ．１０、著者：斎藤安俊他、発行：内田老鶴圃)参照）  
また、金属ナノペースト３を用いた場合の基本的な効果は、従来例でも記述のあるとおり、有機系の溶媒に分散させた金属ナノペースト３が、有機系の溶媒や保護膜をある温度で揮発されると第三の金属からなるナノ粒子を含むそれぞれの金属は互いに直接接触してナノ粒子特有の低温での焼結が開始されることで、超微粒子を構成する第三の金属からなる接合層４を形成すると共に半導体素子１の表面の第一の金属と金属基板を構成する第二の金属とを接合することができるので、比較的低温で接合できる上に、それ以上の温度、例えば第三の金属のバルク状態での融点まで使用することができる。このことは、同一部品に対してこの接合材料は何度でも使用できることを意味しており、高温はんだと共晶はんだを２ステップで用いている従来の工程に対しても、同一の金属ナノペーストのみを使用することで代替可能である。
【００１３】
《第二の実施の形態》
図２は、本発明の第二の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。  
図２において、２１は半導体素子１を面実装する第四の金属からなる第四の金属層である。  
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層１１を有する面実装タイプの半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第四の金属からなる第四の金属層２１を少なくとも最表面に有し、第二の金属からなる金属基板２とを、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合する半導体装置の製造方法において、前記第一、第四および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、加熱、加圧、あるいはそれらの組合せにより前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層（図１（ｂ）の符号４参照）を介在させて、第一の金属層１１と第四の金属層２１とを接合するという構成になっている。
【００１４】
〈第一の実施の形態との違い〉
第一の実施の形態との違いは、金属基板２を構成する第二の金属が先に限定した金属でない場合、例えば純アルミニウムからなる場合、メッキや蒸着等を利用して先に限定した金属、例えばＡｇメッキからなる第四の金属層２１をＡｌ金属基板２に形成している点である。純アルミニウムは、変形抵抗が小さく、良く伸びる材料としての特性から、異種材料との膨張係数差によってその接合部に生じる応力を緩和する効果をもたらすことができる。しかしながら、もし第二の金属を純アルミニウムとしてその他を第一の実施の形態に沿って接合を試みた場合、アルミニウムの最表面には強固な酸化膜が安定して存在しているため、Ａｇナノ粒子を用いて素子と接合することは非常に困難である。従って、アルミニウムの表面にＡｇメッキを施しておくことでこの問題を解決することができ、第一の実施の形態と同等の効果を得ることが可能となる。加えて、純アルミニウムによる接合部の応力緩和も可能となる。  
このように本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体素子１と金属基板２（第四の金属層２１）との接合部は、半導体素子１の表面の第一の金属層１１を構成する第一の金属、金属基板２の表面に形成された第四の金属層２１を構成する第四の金属、金属ナノペースト３の超微粒子を構成する第三の金属による結合構造であり、第一の実施の形態と同様の効果が得られる。加えて、金属基板２を構成する第二の金属として低い応力で変形し易いアルミニウム等の金属を用いることができるので、第一、第四、第三の金属だけでは得られない異種材料間の熱膨張係数差によって生じる接合部の応力緩和が可能となる。
【００１５】
《第三の実施の形態》
図３は、本発明の第三の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。  
図３において、２２は金属基板２と半導体素子１を面実装する第四の金属層２１との間に介在させた第一の介在層である。  
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、金属基板２と第四の金属層２１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第一の介在層２２を介在させるという構成になっている。また、第二の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第四の金属が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種の金属を含む合金である。  
また、本実施の形態の半導体装置は、二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層１１を有する面実装タイプの半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第四の金属からなる第四の金属層２１を少なくとも最表面に有し、第二の金属からなる金属基板２とが、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合されてなる半導体装置であって、前記第一、第四および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層を介在させて、第一の金属層１１と第四の金属層２１とが接合されており、前記第二の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第四の金属が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、または少なくとも一種の金属を含む合金であり、金属基板２と第四の金属層２１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第一の介在層２２が介在されているという構成になっている。
【００１６】
〈第二の実施の形態との違い〉
第二の実施の形態との違いは、金属基板２を構成する第二の金属と、その表面の第四の金属層２１との間にバリア層として第一の介在層２２を設けている点である。例えば金属基板２がＡｌ金属であり、第四の金属がＡｇメッキであった場合、相互拡散する危険がある。それを防止するために拡散し難いＮｉやＴｉからなる第一の介在層２２をその間に介在させた構成である。これによって、より信頼性の高い接合を保障することができる。  
このように本実施の形態の半導体装置及びその製造方法によれば、金属基板２を構成する第二の金属と、金属基板２上に形成した第四の金属層２１との間にバリア層として第一の介在層２２が存在するので、それぞれの金属の拡散反応を防止することができ、信頼性の高い接合を保障することができる。
【００１７】
《第四の実施の形態》
図４は、本発明の第四の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。  
図４において、１２は半導体素子１の電極、１３は電極１２と半導体素子１の下面に形成された第一の金属層１１との間に介在させた第二の介在層である。  
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、半導体素子１の電極１２が第五の金属からなり、電極１２と第一の金属層１１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第二の介在層１３を介在させるという構成になっている。また、第五の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、金属基板２側の半導体素子１の最表面となる主面に存在する第一の金属層１１が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなっている。  
また、本実施の形態の半導体装置は、二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層１１を有する面実装タイプの半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第四の金属からなる第四の金属層２１を少なくとも最表面に有し、第二の金属からなる金属基板２とが、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合されてなる半導体装置であって、前記第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層（図１（ｂ）の符号４参照）を介在させて、第一の金属層１１と第四の金属層２１とが接合されており、前記第二の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第四の金属が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、または少なくとも一種の金属を含む合金であり、金属基板２と第四の金属層２１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第一の介在層２２が介在され、半導体素子１の電極１２が第五の金属からなり、前記第五の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、電極１２の最表面となる主面に存在する第一の金属層１１が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなり、電極１２と第一の金属層１１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第二の介在層１３が介在されているという構成になっている。  
〈第三の実施の形態との違い〉
第三の実施の形態との違いは、半導体素子１の裏面ではなく、半導体素子１の表面を銀ナノペーストを用いて接合している点である。一般的には半導体素子１の表面には第五の金属例えば純アルミニウムからなるＡｌ電極１２があり、第一の金属層１１がＡｇ膜であった場合、相互拡散する危険がある。それを防止するために拡散し難いＮｉやＴｉからなる第二の介在層１３をその間に介在させた構成である。これによって、より信頼性の高い接合を保障することができる。加えて、半導体素子１の表面も裏面もＡｇナノペーストを利用した接合が可能となる。すなわち、金属ナノ粒子を用いた接合の効果の一つである、同一部品における繰り返しの接合が可能であり、例えばトランジスタ素子などでは、半導体素子１の裏面のコレクタ電極をＡｇナノペーストを用いてコレクタ電位の金属（該金属が形成された金属基板）と接合した後に、半導体素子１の表面のエミッタ電極を同じＡｇナノペーストを用いてエミッタ電極の端子と接合するといったことも可能となる。  
なお、第一の実施の形態の図１、第二の実施の形態の図２、第三の実施の形態の図３においては、半導体素子１の電極は図示省略されている。また、図１、図２、図３に示した構造において、電極と第一の金属層１１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第二の介在層１３を介在させることも可能なことは言うまでもない。
【００１８】
すなわち、本実施の形態の半導体装置は、二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に第一の金属からなる第一の金属層１１を有する面実装タイプの半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第四の金属からなる第四の金属層２１を少なくとも最表面に有し、第二の金属からなる金属基板２とが、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合されてなる半導体装置であって、前記第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層４を介在させて、第一の金属層１１と第四の金属層２１とが接合されており、前記第二の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、前記第四の金属が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、または少なくとも一種の金属を含む合金であり、金属基板２と第四の金属層２１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第一の介在層２２が介在され、半導体素子１は第五の金属からなる電極１２を有し、前記第五の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、電極１２の最表面となる主面に存在する第一の金属層１１が金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなっている。
【００１９】
なお、本実施の形態では、次のような構成をとってもよい。すなわち、二つの対向する主面のうちの少なくとも一方の主面に、第一の金属からなる第一の金属層１１を有する面実装タイプの半導体素子１と、半導体素子１を面実装する第二の金属からなる金属基板２とが、平均直径が１００ｎｍ以下の第三の金属からなる超微粒子を有機系の溶媒中に分散させてなる金属ナノペースト３を用いて接合されてなる半導体装置であって、前記第二および第三の金属が、金、銀、白金、銅、ニッケル、クロム、鉄、鉛、コバルトのうちのいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金、またはこれら金属もしくは合金の混合物からなり、前記溶媒を揮発させることによって、前記超微粒子が凝集することで形成される接合層４を介在させて、第一の金属層１１と金属基板２とが接合されており、半導体素子１は第五の金属からなる電極１２を有し、前記第五の金属がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、電極１２の最表面となる主面に存在する第一の金属層１１が、金、銀、白金、銅のいずれかの金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなることとしてもよい。  
このような構成により、半導体素子１を金属基板２に良好に接合することができる。
【００２０】
また、上記２つの構成の半導体装置において、電極１２と第一の金属層１１との間に、ニッケル、ニッケル合金、チタン、またはチタン合金からなる第二の介在層１３が介在されている。
【００２１】
このように第五の金属からなる半導体素子１の電極１２と第一の金属層１１との間にバリア層として第二の介在層１３が存在させることにより、それぞれの金属の拡散反応を防止することができ、信頼性の高い接合を保障することができる。
【００２２】
《第五の実施の形態》
図５は、本発明の第五の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。  
図５において、２３は絶縁板である。  
本実施の形態の半導体装置及びその製造方法は、金属基板２は、絶縁板２３が接合された金属付き絶縁基板に形成されている。絶縁板２３は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化珪素（ＳｉＮ）等のセラミックスから構成される。
【００２３】
〈第四の実施の形態との違い〉
第四の実施の形態との違いは、第二の金属からなる金属基板２に絶縁板２３が予め接合されている点である。例えば、第二の金属が純アルミニウムであり、絶縁板２３が窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックスでそれぞれが予め接合されているセラミックス絶縁Ａｌ金属基板となる構成である。これによって、半導体素子１が接合される側の純アルミニウムからなる金属基板２とセラミックス絶縁板２３を挟んで反対側の純アルミニウムからなる金属基板２は、セラミックス絶縁板２３によって完全に絶縁されており、半導体装置としての絶縁性も確保することが可能となる。  
このように本実施の形態の半導体装置及びその製造方法によれば、第二の金属からなる金属基板２には絶縁板２３が接合されているので、これまでの効果に加え、半導体装置としての絶縁性も兼ね備えることが可能となる。
【００２４】
なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、以上の実施の形態では、金属としてＡｇやＣｕやＡｌ等を用いたが、本発明はこれに限定されることなく、クレームに基づく金属やそれらの合金であっても構わない。特に、第三の金属としてはＡｇナノ粒子を用いたが、クレームに基づく金属やそれらの合金、またはそれらの混合粒子であっても構わない。  
また、半導体素子１としては、Ｓｉを用いたが、その他のガリウム砒素（ＧａＡｓ）や炭化シリコン（ＳｉＣ）などであっても構わない。特に、本発明によって得られる効果である、Ａｇナノペーストを用いた低温接合による残留応力低減と、接合後の使用温度の高耐熱化と、アルミニウム金属基板による応力緩和を有効に活用できる用途として、高耐熱素子として有望なＳｉＣの高温使用に対する実装方法として最適であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は本発明の第一の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図、（ｂ）は接合後の半導体素子及び金属基板の断面図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。
【図３】本発明の第三の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。
【図４】本発明の第四の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。
【図５】本発明の第五の実施の形態を示す接合前における半導体素子及び金属基板の断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…半導体素子                    ２…金属基板
３…金属ナノペースト              ４…接合層
１１…第一の金属層                １２…電極
１３…第二の介在層                ２１…第四の金属層
２２…第二の介在層                ２３…絶縁板
【図１】
2006202938.tif 000003
【図２】
2006202938.tif 000004
【図３】
2006202938.tif 000005
【図４】
2006202938.tif 000006
【図５】
2006202938.tif 000007