(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
配線と、
前記半導体素子と前記配線とを接合する金属膜と、
前記半導体素子と前記金属膜との間、および、前記配線と前記金属膜との間のうちの少なくとも一方に設けられた接着層と
を備える接合構造体であって、
前記金属膜を構成する金属はストレスマイグレーションによって拡散している、接合構造体。
【請求項２】
前記半導体素子を構成する材質及び／又は前記配線を構成する材質の熱膨張率は、前記金属膜を構成する金属の熱膨張率よりも低い、請求項１に記載の接合構造体。
【請求項３】
金属部材または絶縁部材を含む第１部材と、
金属部材または絶縁部材を含む第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とを接合する金属膜と、
前記第１部材と前記金属膜との間、および、前記第２部材と前記金属膜との間のうちの少なくとも一方に設けられた接着層と
を備える接合構造体であって、
前記金属膜を構成する金属はストレスマイグレーションによって拡散しており、
前記第１部材および前記第２部材の組み合わせは、基板および半導体素子の組み合わせであることを除く、接合構造体。
【請求項４】
前記第１部材を構成する材質及び／又は前記第２部材を構成する材質の熱膨張率が、前記金属膜を構成する金属の熱膨張率よりも低い、請求項３に記載の接合構造体。
【請求項５】
前記金属膜は、複数の金属層の積層された積層構造を有しており、
前記複数の金属層は、同一の金属から構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の接合構造体。
【請求項６】
前記金属膜を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶である、請求項１から５のいずれかに記載の接合構造体。
【請求項７】
金属部材または絶縁部材を含む第１部材と、
熱応力吸収材と、
金属部材または絶縁部材を含む第２部材と、
前記第１部材と前記熱応力吸収材とを接着する第１金属膜と、
前記熱応力吸収材と前記第２部材とを接着する第２金属膜と
を備える接合構造体であって、
前記第１金属膜を構成する金属及び前記第２金属膜を構成する金属の少なくとも一方はストレスマイグレーションによって拡散しており、
前記第１部材および前記第２部材の組み合わせは、基板および半導体素子の組み合わせであることを除く、接合構造体。
【請求項８】
前記熱応力吸収材を構成する材質の熱膨張率が、前記第１金属膜を構成する金属の熱膨張率及び前記第２金属膜を構成する金属の熱膨張率よりも低い、請求項７に記載の接合構造体。
【請求項９】
前記第１金属膜及び前記第２金属膜のうちの少なくとも一方は、複数の金属層の積層された積層構造を有しており、
前記複数の金属層は、同一の金属から構成されている、請求項７または８に記載の接合構造体。
【請求項１０】
前記第１金属膜を構成する金属及び／又は前記第２金属膜を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶である、請求項７から９のいずれかに記載の接合構造体。
【請求項１１】
前記熱応力吸収材に、貫通孔又は窪みが設けられている、請求項７から１０のいずれかに記載の接合構造体。
【請求項１２】
金属膜を介して半導体素子と配線とを積層させた積層体を用意する工程と、
前記積層体を加熱し、前記金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散させ、前記半導体素子と前記配線とを接合する接合工程と
を包含し、
前記積層体を用意する工程において、前記積層体には、前記半導体素子と前記金属膜との間、および、前記配線と前記金属膜との間のうちの少なくとも一方に接着層が設けられている、接合構造体の製造方法。
【請求項１３】
金属膜を介して、金属部材または絶縁部材を含む第１部材と、金属部材または絶縁部材を含む第２部材とを積層させた積層体を用意する工程と、
前記積層体を加熱し、前記金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散させ、前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合工程と
を包含し、
前記積層体を用意する工程において、前記積層体には、前記第１部材と前記金属膜との間、および、前記第２部材と前記金属膜との間のうちの少なくとも一方に接着層が設けられており、
前記第１部材および前記第２部材の組み合わせは、基板および半導体素子の組み合わせであることを除く、接合構造体の製造方法。
【請求項１４】
金属部材または絶縁部材を含む第１部材と、熱応力吸収材と、金属部材または絶縁部材を含む第２部材と、前記第１部材と前記熱応力吸収材との間に位置する第１金属膜と、前記熱応力吸収材と前記第２部材との間に位置する第２金属膜とが積層された積層体を用意する工程と、
前記第１金属膜および前記第２金属膜のうちの少なくとも一方を加熱し、前記第１金属膜及び／又は前記第２金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散させ、前記第１部材及び／又は前記第２部材と前記熱応力吸収材とを接合する接合工程と
を包含し、
前記第１部材および前記第２部材の組み合わせは、基板および半導体素子の組み合わせであることを除く、接合構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記接合工程は、１００℃以上４００℃以下の温度に加熱する工程を含む、請求項１２から１４のいずれかに記載の接合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合構造体、及び、接合構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の部材を互いに接触させて溶接することにより、複数の部材を一体化させて接合することが知られている。一般的に、溶接として融接またはろう付けが知られている。
【０００３】
融接は、接触させた部材の境界を高温に加熱して局所的に溶解させることによって行われる。しかしながら、融接を行う場合、接合領域およびその近傍に腐食または疲労劣化が生じることがある。
【０００４】
ろう付けは、接合部材の間に接合部材よりも融点の低いろうを充填した状態で溶解させた後、固化させることにより、接合部材を接合する。ろう付けにより、接合部材自体を溶解させることなく接合を行うことができる。ろう付けに用いるろうとして、硬ろう（例えば、銀ろう、および、アルミろう等）を用いることで、機械的強度の比較的高い接合を実現できる（特許文献１）。特許文献１には、セラミックスと金属管との間隙に硬ろうを充填してセラミックスと金属管を接合させた接合体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９３０９４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、硬ろうを用いてろう付けする場合、５００℃を超える高温に加熱することが必要となる。また、硬ろうとしてアルミろうを用いる場合、さらに真空雰囲気中でろう付けを行うことが必要であり、低温下で簡便に接合を行うことができなかった。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温環境下であっても良好かつ容易に接合可能な接合構造体、及び、接合構造体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による接合構造体は、半導体素子と、配線と、金属膜とを備える。前記金属膜は、前記半導体素子と前記配線とを接合する。前記金属膜を構成する金属はストレスマイグレーションによって拡散している。
【０００９】
ある実施形態において、前記半導体素子を構成する材質及び／又は前記配線を構成する材質の熱膨張率は、前記金属膜を構成する金属の熱膨張率よりも低い。
【００１０】
本発明による接合構造体は、第１部材と、第２部材と、金属膜とを備える。前記第１部材は、金属部材または絶縁部材を含む。前記第２部材は、金属部材または絶縁部材を含む。前記金属膜は、前記第１部材と前記第２部材とを接合する。前記金属膜を構成する金属はストレスマイグレーションによって拡散している。
【００１１】
ある実施形態において、前記第１部材を構成する材質及び／又は前記第２部材を構成する材質の熱膨張率が、前記金属膜を構成する金属の熱膨張率よりも低い。
【００１２】
ある実施形態において、前記金属膜は、複数の金属層の積層された積層構造を有しており、前記複数の金属層は、同一の金属から構成されている。
【００１３】
ある実施形態において、前記金属膜を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶である。
【００１４】
本発明による接合構造体は、第１部材と、熱応力吸収材と、第２部材と、第１金属膜と、第２金属膜とを備える。前記第１部材は、金属部材または絶縁部材を含む。前記第２部材は、金属部材または絶縁部材を含む。前記第１金属膜は、前記第１部材と前記熱応力吸収材とを接着する。前記第２金属膜は、前記熱応力吸収材と前記第２部材とを接着する。前記第１金属膜を構成する金属及び前記第２金属膜を構成する金属の少なくとも一方はストレスマイグレーションによって拡散している。
【００１５】
ある実施形態において、前記熱応力吸収材を構成する材質の熱膨張率が、前記第１金属膜を構成する金属の熱膨張率及び前記第２金属膜を構成する金属の熱膨張率よりも低い。
【００１６】
ある実施形態において、前記第１金属膜及び前記第２金属膜のうちの少なくとも一方は、複数の金属層の積層された積層構造を有しており、前記複数の金属層は、同一の金属から構成されている。
【００１７】
ある実施形態において、前記第１金属膜を構成する金属及び／又は前記第２金属膜を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶である。
【００１８】
ある実施形態において、前記熱応力吸収材に、貫通孔又は窪みが設けられている。
【００１９】
本発明による接合構造体の製造方法は、金属膜を介して半導体素子と配線とを積層させた積層体を用意する工程と、前記積層体を加熱し、前記金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散させ、前記半導体素子と前記配線とを接合する接合工程とを包含する。
【００２０】
本発明による接合構造体の製造方法は、金属膜を介して、金属部材または絶縁部材を含む第１部材と、金属部材または絶縁部材を含む第２部材とを積層させた積層体を用意する工程と、前記積層体を加熱し、前記金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散させ、前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合工程とを包含する。
【００２１】
本発明による接合構造体の製造方法は、金属部材または絶縁部材を含む第１部材と、熱応力吸収材と、金属部材または絶縁部材を含む第２部材と、前記第１部材と前記熱応力吸収材との間に位置する第１金属膜と、前記熱応力吸収材と前記第２部材との間に位置する第２金属膜とが積層された積層体を用意する工程と、前記第１金属膜および前記第２金属膜のうちの少なくとも一方を加熱し、前記第１金属膜及び／又は前記第２金属膜を構成する金属をストレスマイグレーションによって拡散させ、前記第１部材及び／又は前記第２部材と前記熱応力吸収材とを接合する接合工程とを包含する。
【００２２】
ある実施形態において、前記接合工程は、１００℃以上４００℃以下の温度に加熱する工程を含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低温環境下であっても、良好かつ容易に接合可能な接合構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による接合構造体の実施形態の模式図である。
【図２】（ａ）はシリコン基板上の加熱された銀膜表面のＳＥＭ写真を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図であり、（ｃ）は（ｂ）の断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図１に示した接合構造体の製造方法を説明するための模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の接合構造体の製造方法を説明するための模式図である。
【図５】本実施形態の接合構造体の模式図である。
【図６】本実施形態の接合構造体の模式図である。
【図７】本発明による接合構造体の実施形態の模式図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、図７に示した接合構造体の製造方法を説明するための模式図である。
【図９】図７に示した接合構造体における熱応力吸収材の一例を示す模式図である。
【図１０】図７に示した接合構造体における熱応力吸収材の別の例を示す模式図である。
【図１１】図７に示した接合構造体における熱応力吸収材のさらに別の例を示す模式図である。
【図１２】本発明による接合構造体の実施形態の模式図である。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、図１２に示した接合構造体の製造方法を説明するための模式図である。
【図１４】（ａ）はストレスマイグレーションの発生した銀膜の断面を示した図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図であり、（ｃ）は金属のストレスマイグレーションを説明するための模式図である。
【図１５】金属のストレスマイグレーションによる接合を説明するための模式図である。
【図１６】（ａ）は実施例１の接合構造体の模式的な断面図であり、（ｂ）は実施例１の接合構造体の斜視図である。
【図１７】（ａ）は実施例２の接合構造体の構成を説明するための模式図であり、（ｂ）は（ａ）の領域Ｂを拡大したＳＥＭ写真を示す図であり、（ｃ）は（ａ）の領域Ｃを拡大したＳＥＭ写真を示す図である。
【図１８】（ａ）は実施例３の接合構造体の模式図であり、（ｂ）は（ａ）の領域Ｂを拡大したＳＥＭ写真を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る接合構造体、及び、接合構造体の製造方法の実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、以下の実施形態を適宜変更してもよい。なお、冗長な説明を避けるために、重複する記載を適宜省略することがあるが、発明の要旨を限定するものではない。
【００２６】
図１を参照して、本発明に係る接合構造体の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の接合構造体１００の模式図を示す。接合構造体１００は、半導体素子１１０と、金属膜１２０と、配線１３０とを備える。接合構造体１００では、半導体素子１１０、金属膜１２０および配線１３０がこの順番に積層されており、金属膜１２０は、半導体素子１１０と配線１３０とを接合している。
【００２７】
本実施形態の接合構造体１００において、金属膜１２０を構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散することにより、半導体素子１１０および配線１３０が金属膜１２０を介して接合される。具体的には、金属膜１２０において応力勾配が発生した際に金属膜１２０を構成する金属が拡散し、その結果、接合状態が維持される。ストレスマイグレーションは、半導体素子１１０と金属膜１２０との界面、金属膜１２０と配線１３０との界面、および、金属膜１２０の内部のいずれかで発生する。
【００２８】
接合構造体１００における接合は、金属膜１２０において発生するストレスマイグレーションによって実現される。ストレスマイグレーションとは、異なる熱膨張率を有する材料を接触させた状態で温度が変化した場合に、温度変化に伴う熱膨張の違いから材料内部に応力勾配が生じた結果、熱膨張率の高い材料の元素が移動する現象である。ストレスマイグレーションは、欠陥（例えば、ボイド又はクラック）を生じさせることがあり、半導体デバイス等の故障原因になることが知られている。
【００２９】
本実施形態の接合構造体１００は、このようなストレスマイグレーションを敢えて利用することにより、良好な接合を実現している。具体的には、熱膨張率の差が大きい２種類の材料を接触させた状態で温度を変化させると、金属膜１２０に応力勾配が発生する。この勾配によりストレスマイグレーションが生じて、金属膜１２０の金属が表面から溢れ出すように拡散する。金属膜１２０の金属が拡散すると、金属は、半導体素子１１０と金属膜１２０との界面、金属膜１２０と配線１３０との界面、又は、金属膜１２０の内部の界面の凹凸の空隙を埋めて一体化し、金属膜１２０によって半導体素子１１０と配線１３０とが良好に接合される。なお、ストレスマイグレーションの発生は、接合断面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）などの装置を用いて撮影することで確認できる。また、接合部形成においては、接合雰囲気中の表面反応により、ナノ粒子やアモルファス状ナノ組織を形成させ、接合ネッキングの成長を促進させることもできる。
【００３０】
これまで、２つの部材を接合する場合、高温での熱処理（例えば、焼結）を行うことが一般的であった。これに対して、本実施形態では、上述したように、金属膜１２０を構成する金属のストレスマイグレーションを利用して半導体素子１１０と配線１３０とを接合している。ストレスマイグレーションは、一般的な焼結温度よりも低い温度で発生するため、本実施形態の接合構造体１００は、低温環境下であっても良好な接合を実現できる。また、半導体素子１１０及び配線１３０のいずれかの耐熱性が低い場合でも、半導体素子１１０及び配線１３０を良好に接合できる。また、加熱炉などの大規模な装置を必要としないので、簡易なプロセスで低コストに接合を行うことができる。さらに、銅のような安価で汎用性のある金属を利用して接合を行うことができる。
【００３１】
以下、接合構造体１００を構成する半導体素子１１０、金属膜１２０、及び配線１３０について説明する。
【００３２】
（半導体素子１１０）
半導体素子１１０を構成する材質は、例えば、シリコン、炭素、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド、シリコン上に形成したガリウムナイトライド、シリコンナイトライド、または、アルミニウムナイトライドである。
【００３３】
（金属膜１２０）
金属膜１２０を構成する金属は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、又は鉄である。汎用性及びコストパフォーマンスに優れ、ストレスマイグレーションを容易に発生し得る熱膨張率を有するために、金属膜１２０を構成する金属は、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、コバルト、又はニッケルであることが好ましい。また、金属膜１２０の厚さは、接合強度に優れ、容易にストレスマイグレーションを発生するために、０．５μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
なお、金属膜１２０は、積層された複数の金属層から構成されてもよい。金属膜１２０が積層構造を有する場合、複数の金属層を構成する金属の各々は、同じ種類の金属であってもよいし、異なる種類の金属であってもよい。ストレスマイグレーションによって拡散する金属は、半導体素子１１０と金属膜１２０との界面、金属膜１２０内の層間の界面、又は、金属膜１２０と配線１３０の界面の凹凸を埋めるように移動する。
【００３５】
金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）は、半導体素子１１０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）よりも高いことが好ましい。例えば、金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率は１０．０×１０-6以上であり、半導体素子１１０を構成する材質の熱膨張率は０．１×１０-6以上１０．０×１０-6未満である。特に、半導体素子１１０を構成する材質の熱膨張率に対する金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率の比（金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率／半導体素子１１０を構成する材質の熱膨張率）が２．０以上であることが好ましい。
【００３６】
金属膜１２０を構成する金属の結晶状態は、微細結晶（サブミクロンを単位とする程度の微細結晶状態）、又は、柱状晶であることが好ましい。結晶状態が柱状晶であると、金属膜１２０を構成する金属が表面または結晶粒界に沿って拡散するため、結晶状態が粗大な等軸晶である金属と比較すると、より容易にストレスマイグレーションを発生させることができ、接合状態が良好となる。
【００３７】
接合構造体１００において、半導体素子１１０を構成する材質と金属膜１２０を構成する金属との好適な組み合わせ（半導体素子１１０／金属膜１２０）は、ストレスマイグレーションを効果的に発生させて接合状態を良好とするために、例えば、ガリウムナイトライド／銀、シリコンカーバイド／銀、ガリウムナイトライド／銅、又は、シリコンカーバイド／銅である。
【００３８】
（配線１３０）
配線１３０を構成する材質は、例えば、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニオブ、ニッケル、コバルト、モリブデン、タングステン、チタン、又は、鉄である。汎用性及びコストパフォーマンスに優れ、ストレスマイグレーションを容易に発生し得る熱膨張率を有するために、配線１３０を構成する金属は、銅、鉄、又は、銀であることが好ましい。
【００３９】
配線１３０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）は、ストレスマイグレーションによる接合を良好にするために、金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）よりも低いことが好ましい。例えば、配線１３０を構成する材質の熱膨張率は０．１×１０-6以上２０．０×１０-6未満である。特に、配線１３０を構成する材質の熱膨張率に対する金属膜１２０を構成する材質の熱膨張率の比（金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率／配線１３０を構成する材質の熱膨張率）は２．０以上であることが好ましい。
【００４０】
接合構造体１００において、金属膜１２０を構成する金属と配線１３０を構成する材質との好適な組み合わせ（金属膜１２０／配線１３０）は、ストレスマイグレーションを効果的に発生させて接合状態を良好とするために、例えば、銀／モリブデン、銀／タングステン、銀／ニオブ、銀／チタン、銅／モリブデン、銅／タングステン、銅／ニオブ、又は、銅／チタンである。
【００４１】
以下、半導体素子１１０を構成する材質の熱膨張率、及び、金属膜１２０および配線１３０を構成する材質の熱膨張率の一例を示す。なお、ここでは、熱膨張率は線膨張率であり、熱膨張率の単位は「１／Ｋ」である。
【００４２】
半導体素子１１０を構成する材質の熱膨張率の一例
シリコン：２．６×１０-6
シリコンカーバイド：３．７×１０-6
ガリウムナイトライド：３．０×１０-6
シリコンナイトライド：３．０×１０-6
アルミニウムナイトライド：５．０×１０-6
アルミナ：７．２×１０-6
【００４３】
金属膜１２０、配線１３０を構成する金属の熱膨張率の一例
アルミニウム：２３．０×１０-6
鉄：１２．０×１０-6
コバルト：１３．０×１０-6
ニッケル：１２．８×１０-6
金：１４．３×１０-6
銅：１６．８×１０-6
亜鉛：３０．２×１０-6
銀：１８．９×１０-6
パラジウム：１１．８×１０-6
タングステン：４．５×１０-6
モリブデン：４．８×１０-6
ニオブ：８．０×１０-6
チタン：１１×１０-6
【００４４】
なお、金属膜１２０を構成する金属は酸化しておらず、金属膜１２０の表面には酸化膜がほとんど存在しないことが好ましい。なぜなら、金属膜１２０において応力勾配を発生したとしても、酸化の生じた金属では拡散接合が充分には起こらず、接合不良の主要因となるからである。表面酸化を避けるために、接合のための加熱は還元雰囲気又は真空雰囲気で行ってもよい。あるいは、接合は、金属の表面における酸化還元反応を促進する条件（温度または雰囲気）で行うことが好ましい。
【００４５】
ここで、図２を参照して金属のストレスマイグレーションについて説明する。図２（ａ）は、シリコン表面上の銀膜を２５０℃で加熱した後のＳＥＭ写真を示す図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の一部拡大図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【００４６】
図２（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）から、加熱によって、銀のストレスマイグレーションが発現することにより、銀膜の表面に、内部から溢れ出すように粒状に盛り上がった隆起が形成されたことが確認できる。本実施形態では、このような金属のストレスマイグレーションを利用して、盛り上がった金属（例えば、銀）が表面から隆起するように拡散して、半導体素子１１０と金属膜１２０との界面、金属膜１２０の層間の界面、又は、金属膜１２０と配線１３０との界面に存在する凹凸を埋めることにより、良好な接合状態を実現している。
【００４７】
ここで、図３を参照して、本実施形態の接合構造体１００の製造方法を説明する。
【００４８】
まず、図３（ａ）に示すように、積層体Ｌを用意する。積層体Ｌは、半導体素子１１０および配線１３０が金属膜１２０を介して積層されている。例えば、半導体素子１１０上に金属膜１２０を形成した後に、金属膜１２０に配線１３０を接触させて積層体Ｌを作製してもよい。あるいは、配線１３０上に金属膜１２０を形成した後に、金属膜１２０に半導体素子１１０を接触させて積層体Ｌを作製してもよい。
【００４９】
金属膜１２０を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶であることが好ましい。また、この場合、配線１３０の表面の少なくとも一部において、金属の結晶状態が微細結晶又は柱状晶であることが好ましい。例えば、金属膜１２０は、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成する。
【００５０】
次に、図３（ｂ）に示すように、積層体Ｌを加熱すると、金属膜１２０を構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散し、半導体素子１１０と配線１３０とが接合される。積層体Ｌの加熱温度は、１００℃以上４００℃以下であることが好ましく、１５０℃以上３００℃以下であることがさらに好ましい。
【００５１】
加熱は、大気圧中で行われてもよいし、真空中で行われてもよい。又は、加熱は、不活性ガス若しくは還元（例えば、アルゴン、窒素、水素又はギ酸）雰囲気で行われてもよい。
【００５２】
なお、金属膜１２０が容易に酸化する金属から構成される場合、金属膜１２０の表面に酸化膜が形成されることがある。酸化膜が存在すると金属が良好に拡散されないことがあるため、加熱は、真空中で行われるか、又は、酸化膜を除去しながら行われることが好ましい。酸化膜を除去するために、例えば、水素又はギ酸（気体）の雰囲気中で加熱が行われてもよい。例えば、金属膜１２０を構成する金属が銀の場合、加熱は大気圧中で行われてもよい。あるいは、金属膜１２０を構成する金属が銅の場合、加熱は真空中で行われることが好ましい。
【００５３】
本実施形態によれば、ストレスマイグレーションによる金属の拡散を利用して半導体素子１１０および配線１３０を接合させるため、４００℃以下の比較的低い加熱温度でも、良好に接合することができる。したがって、加熱時の熱による半導体素子１１０又は配線１３０の破損、または、半導体素子１１０と配線１３０との接合部付近におけるボイドの発生を抑制できる。また、本実施形態の製造方法は、ストレスマイグレーションによる金属の拡散を利用するため、比較的低い圧力で接合を行うことができる。例えば、無加圧又は１ＭＰａ以下の圧力で接合を行うことができる。
【００５４】
次に、図４を参照して、本実施形態の接合構造体１００の製造方法を説明する。本実施形態の接合構造体の製造方法は、金属膜形成工程と、積層体作製工程と、接合工程とを包含する。
【００５５】
（金属膜形成工程）
図４（ａ）に示すように、半導体素子１１０の表面に金属膜１２０ａを形成する。金属膜１２０ａは、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成される。スパッタリング処理の手法は特に限定されず、例えば、ＲＦ（高周波）スパッタリング、ＤＣ（直流）スパッタリングを採用することができる。また、めっき方法は特に限定されず、例えば、電解めっき、又は無電解めっきを採用することができる。あるいは、蒸着方法は、特に限定されず、例えば、抵抗加熱を用いた真空蒸着を採用することができる。なお、金属膜１２０ａは、複数の金属層から形成されてもよい。
【００５６】
また、図４（ｂ）に示すように、配線１３０の表面に金属膜１２０ｂを形成する。典型的には、金属膜１２０ｂを構成する金属は、金属膜１２０ａを構成する金属と同じであるが、金属膜１２０ｂを構成する金属は、金属膜１２０ａを構成する金属と異なってもよい。金属膜１２０ｂも、金属膜１２０ａと同様に、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成できる。なお、金属膜１２０ｂは、複数の金属層から形成されてもよい。
【００５７】
（積層体作製工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、半導体素子１１０上の金属膜１２０ａおよび配線１３０上の金属膜１２０ｂが互いに接触するように、半導体素子１１０および配線１３０を積層させて積層体Ｌを作製する。この場合、積層体Ｌは、半導体素子１１０、金属膜１２０ａ、１２０ｂおよび配線１３０の積層された構成を有する。
【００５８】
（接合工程）
次に、図４（ｄ）に示すように、積層体Ｌを加熱して半導体素子１１０および配線１３０を接合して接合構造体１００を作製する。加熱により、半導体素子１１０上の金属膜１２０ａを構成する金属、及び／又は、配線１３０上の金属膜１２０ｂを構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散すると、金属膜１２０ａと金属膜１２０ｂとの界面間の空間が埋められて、金属膜１２０ａおよび金属膜１２０ｂの一体化した金属膜１２０が形成され、その結果、金属膜１２０によって半導体素子１１０および配線１３０が接合される。
【００５９】
加熱後の金属膜１２０において、金属膜１２０ａおよび金属膜１２０ｂに由来する２つの層の界面は、明確に特定可能であってもよく、あるいは、特定可能でなくてもよい。積層体Ｌの加熱温度は、１００℃以上４００℃以下であることが好ましく、１５０℃以上３００℃以下であることがさらに好ましい。
【００６０】
なお、上述した説明では、金属膜１２０、１２０ａ、１２０ｂは半導体素子１１０又は配線１３０上に直接形成されたが、本発明はこれに限定されない。金属膜１２０、１２０ａ、１２０ｂは、接着層を介して半導体素子１１０または配線１３０上に形成されてもよい。
【００６１】
図５に、本実施形態の接合構造体１００の模式図を示す。接合構造体１００は、半導体素子１１０、金属膜１２０および配線１３０に加えて、接着層１４０ａ、１４０ｂを備えている。接着層１４０ａは、半導体素子１１０と金属膜１２０との間に位置しており、接着層１４０ｂは、金属膜１２０と配線１３０との間に位置している。接着層１４０ａ、１４０ｂにより、半導体素子１１０と金属膜１２０との間の接着、および、金属膜１２０と配線１３０との間の接着を強固にできる。
【００６２】
接着層１４０ａ、１４０ｂを構成する材質は、例えば、チタンまたはチタンナイトライドである。また、接着層１４０ａ、１４０ｂの厚さは、例えば、０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下である。
【００６３】
なお、図５に示した接合構造体１００では、金属膜１２０の両側に接着層１４０ａ、１４０ｂが設けられたが、金属膜１２０の一方の側に、接着層１４０ａまたは接着層１４０ｂの一方のみが設けられてもよい。このように、接合構造体１００において、半導体素子１１０と金属膜１２０との間、又は、金属膜１２０と配線１３０との間に接着層を形成してもよい。
【００６４】
なお、上述した説明では、金属膜１２０を介して半導体素子１１０の一方側と配線１３０とを接合する形態を説明したが、半導体素子１１０の他方側は基板に接合されてもよい。
【００６５】
図６に、本実施形態の接合構造体１００の模式図を示す。本実施形態の接合構造体１００は、半導体素子１１０、金属膜１２０および配線１３０に加えて、金属膜１５０および接続基板１６０を備えている。半導体素子１１０および接続基板１６０は金属膜１５０によって接合されている。
【００６６】
半導体素子１１０の一方の主面には、金属膜１２０が設けられているのに対して、半導体素子１１０の他方の主面には、金属膜１５０が設けられている。例えば、金属膜１５０は、上述した金属膜１２０を構成する金属のうちのいずれか金属から構成される。金属膜１５０を構成する金属は、金属膜１２０を構成する金属と同じであってよく、異なってもよい。
【００６７】
接続基板１６０は、絶縁基板１６０ａと、電極１６０ｂと、電極１６０ｃとを有する。電極１６０ｂは、絶縁基板１６０ａの一方の主面に設けられており、電極１６０ｃは、絶縁基板１６０ａの他方の主面に設けられている。
【００６８】
絶縁基板１６０ａを構成する材質は、例えば、ガラス、シリカガラス、シリコン、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド、シリコン上に形成したガリウムナイトライド、シリコンナイトライド又はアルミニウムナイトライドである。また、電極１６０ｂ、１６０ｃを構成する材質は、例えば、銅、鉄、又は、銀である。なお、絶縁基板１６０ａが窒化ケイ素から構成され、また、電極１６０ｂ、１６０ｃが銅から構成される場合、接続基板１６０は、ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板とも呼ばれる。この場合、金属膜１５０は、熱膨張率の比較的高い電極１６０ｂと直接接触しているが、電極１６０ｂを介して、熱膨張率の比較的低い絶縁基板１６０ａと接続されており、金属膜１５０と絶縁基板１６０ａとの熱膨張率の差に起因したストレスマイグレーションが発生する。
【００６９】
なお、上述した説明では、接合対象の２つの部材が同一の金属膜を介して接合されていたが、本発明はこれに限定されない。また、上述した説明では、能動素子である半導体素子と配線とが接合されたが、本発明はこれに限定されない。
【００７０】
以下に、図７を参照して、本発明の別の実施形態に係る接合構造体を説明する。図７は、本実施形態の接合構造体２００の模式図である。
【００７１】
接合構造体２００は、部材２１０と、金属膜２２０と、熱応力吸収材２３０と、金属膜２４０と、部材２５０とを備える。接合構造体２００において、部材２１０、金属膜２２０、熱応力吸収材２３０、金属膜２４０及び部材２５０はこの順番に積層されている。なお、本明細書の以下の説明において、部材２１０、部材２５０をそれぞれ、第１部材２１０、第２部材２５０と記載することがあり、また、金属膜２２０、金属膜２４０をそれぞれ、第１金属膜２２０、第２金属膜２４０と記載することがある。
【００７２】
第１部材２１０は、金属部材または導通部の設けられた絶縁部材を含む。第１部材２１０は、半導体等の能動素子の設けられていない受動素子である。第１金属膜２２０は、第１部材２１０と熱応力吸収材２３０と接着している。
【００７３】
第２部材２５０は、金属部材または導通部の設けられた絶縁部材を含む。第２部材２５０は、半導体等の能動素子の設けられていない受動素子である。第２金属膜２４０は、熱応力吸収材２３０と第２部材２５０と接着している。
【００７４】
接合構造体２００では、第１部材２１０および第２部材２５０が第１金属膜２２０、熱応力吸収材２３０、第２金属膜２４０を介して接合されている。本実施形態の接合構造体２００において、第１金属膜２２０を構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散しており、また、第２金属膜２４０を構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散している。
【００７５】
以下、接合構造体２００における第１部材２１０、第１金属膜２２０、熱応力吸収材２３０、第２金属膜２４０及び第２部材２５０について説明する。
【００７６】
（第１部材２１０）
第１部材２１０が絶縁部材を含む場合、第１部材２１０は主成分として絶縁材料を有することが好ましく、典型的には、第１部材２１０は絶縁部材から構成されることが好ましい。ただし、絶縁部材の導通部は、第１金属膜２２０と接触している。なお、第１部材２１０を構成する絶縁部材の材質は、例えば、ガラス、シリカガラス、シリコン、炭素、又は、セラミックスである。
【００７７】
また、第１部材２１０が金属部材を含む場合、第１部材２１０は主成分として金属材料を有していることが好ましく、典型的には、第１部材２１０は金属部材から構成されることが好ましい。第１部材２１０を構成する金属部材の材質は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、鉄、アルミナ、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、ステンレス鋼、イオンバー合金（鉄、ニッケル、マンガン及び炭素を構成成分とする合金）、又はコバール合金（鉄、ニッケル、コバルト、マンガン及びシリコンを構成成分とする合金）である。
【００７８】
（第１金属膜２２０）
第１金属膜２２０を構成する金属は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、又は鉄である。汎用性及びコストパフォーマンスに優れ、ストレスマイグレーションを容易に発生し得る熱膨張率を有するために、第１金属膜２２０を構成する金属は、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、コバルト、又はニッケルであることが好ましい。
【００７９】
第１金属膜２２０は、積層された複数の金属層から構成されてもよい。第１金属膜２２０が積層構造を有する場合、複数の金属層を構成する金属の各々は、同じ種類の金属であってもよいし、異なる種類の金属であってもよい。ストレスマイグレーションによって拡散する金属は、第１部材２１０と第１金属膜２２０との界面、第１金属膜２２０と熱応力吸収材２３０との界面、又は、第１金属膜２２０内の層間の界面の凹凸を埋めるように移動する。
【００８０】
第１金属膜２２０の厚さは、接合強度に優れ、容易にストレスマイグレーションを発生するために、０．５μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。
【００８１】
第１金属膜２２０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）は、第１部材２１０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）よりも高いことが好ましい。例えば、第１金属膜２２０を構成する金属の熱膨張率は１０．０×１０-6以上であり、第１部材２１０を構成する材質の熱膨張率は０．１×１０-6以上１０．０×１０-6未満である。
【００８２】
特に、第１部材２１０を構成する材質の熱膨張率に対する第１金属膜２２０を構成する金属の熱膨張率の比（第１金属膜２２０を構成する金属の熱膨張率／第１部材２１０を構成する材質の熱膨張率）は２．０以上であることが好ましい。ただし、第１金属膜２２０を構成する金属の熱膨張率は、必ずしも、第１部材２１０を構成する材質の熱膨張率よりも高くなくてもよく、第１部材２１０は、熱膨張率の比較的高い材質から構成されてもよい。
【００８３】
第１金属膜２２０を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶であることが好ましい。結晶状態が柱状晶であると、第１金属膜２２０を構成する金属が表面または結晶粒界に沿って拡散するため、結晶状態が粗大な等軸晶である金属と比較すると、より容易にストレスマイグレーションを発生させることができるので、接合状態が良好となる。
【００８４】
接合構造体２００において、第１部材２１０を構成する材質と第１金属膜２２０を構成する金属との好適な組み合わせ（第１部材２１０／第１金属膜２２０）は、ストレスマイグレーションを効果的に発生させて接合状態を良好とするために、例えば、シリコン／銀、炭素／銀、モリブデン／銀、タングステン／銀、ステンレス鋼／銀、シリコン／銅、炭素／銅、モリブデン／銅、又は、タングステン／銅である。
【００８５】
（第２金属膜２４０）
第２金属膜２４０を構成する金属は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、又は鉄である。汎用性及びコストパフォーマンスに優れ、ストレスマイグレーションを容易に発生し得る熱膨張率を有するために、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、コバルト、又はニッケルが好ましい。
【００８６】
第２金属膜２４０は、積層された複数の金属層から構成されてもよい。第２金属膜２４０が積層構造を有する場合、複数の金属層を構成する金属の各々は、同じ種類の金属であってもよいし、異なる種類の金属であってもよい。ストレスマイグレーションによって拡散する金属は、熱応力吸収材２３０と第２金属膜２４０との界面、第２金属膜２４０と第２部材２５０との界面、又は、第２金属膜２４０内の層間の界面の凹凸を埋めるように移動する。
【００８７】
第２金属膜２４０の厚さは、接合強度に優れ、容易にストレスマイグレーションを発生するために、０．５μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。
【００８８】
また、第２金属膜２４０を構成する金属の結晶状態は、微細結晶又は柱状晶であることが好ましい。結晶状態が柱状晶であると、第２金属膜２４０を構成する金属が表面または結晶粒界に沿って拡散するため、結晶状態が粗大な等軸晶である金属と比較すると、より容易にストレスマイグレーションを発生させることができるので、接合状態が良好となる。
【００８９】
（第２部材２５０）
第２部材２５０を構成する材質としては、例えば、第１部材２１０を構成する材質として上記に例示されたものが挙げられる。
【００９０】
第２部材２５０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）は、ストレスマイグレーションによる接合を良好にするために、第２金属膜２４０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）よりも低いことが好ましい。例えば、第２部材２５０を構成する材質の熱膨張率は０．１×１０-6以上１０．０×１０-6未満であり、第２金属膜２４０を構成する金属の熱膨張率は１０．０×１０-6以上である。
【００９１】
特に、第２部材２５０を構成する材質の熱膨張率に対する第２金属膜２４０を構成する材質の熱膨張率の比（第２金属膜２４０を構成する金属の熱膨張率／第２部材２５０を構成する材質の熱膨張率）は２．０以上であることが好ましい。ただし、第２部材２５０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）は、必ずしも第２金属膜２４０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）よりも低くなくてもよい。第２部材２５０は、熱膨張率の比較的高い材質から構成されてもよい。
【００９２】
接合構造体２００において、第２金属膜２４０を構成する金属と第２部材２５０を構成する材質との好適な組み合わせ（第２金属膜２４０／第２部材２５０）は、ストレスマイグレーションを効果的に発生させて接合状態を良好とするために、例えば、銀／シリコン、銀／炭素、銀／モリブデン、銀／タングステン、銀／ステンレス鋼、銅／シリコン、銅／炭素、銅／モリブデン、又は、銅／タングステンである。
【００９３】
（熱応力吸収材２３０）
熱応力吸収材２３０を設けることにより、加熱時の熱衝撃を抑えることができ、良好なストレスマイグレーションを発現させることができる。熱応力吸収材２３０を構成する材質としては、例えば、上記の第１部材２１０を構成する材質又は第２部材２５０を構成する材質と同様のものが挙げられる。良好なストレスマイグレーションを発現させるために、熱応力吸収材２３０を構成する材質として、モリブデン、タングステン、ニオブ、チタン、シリコン、炭素、グラファイト、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、アルミニウムナイトライド、アルミナ、又はインバー合金を用いてもよい。
【００９４】
熱応力吸収材２３０を構成する材質の熱膨張率（線膨張率）は、ストレスマイグレーションによる接合を良好にするために、第１、第２金属膜２２０、２４０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）よりも低いことが好ましい。例えば、熱応力吸収材２３０を構成する材質の熱膨張率は０．１×１０-6以上１０．０×１０-6未満であり、第１、第２金属膜２２０、２４０を構成する金属の熱膨張率は１０．０×１０-6以上である。特に、熱応力吸収材２３０を構成する材質の熱膨張率に対する第１、第２金属膜２２０、２４０を構成する材質の熱膨張率の比（第１、第２金属膜２２０、２４０を構成する金属の熱膨張率／熱応力吸収材２３０を構成する材質の熱膨張率）は２．０以上であることが好ましい。
【００９５】
なお、熱応力吸収材２３０の表面の少なくとも一部が、金属膜で被覆されていることが好ましい。そうすることにより、ストレスマイグレーションをより効果的に発現させて、良好な接合を行うことができる。熱応力吸収材２３０の表面を被覆するための金属膜を構成する金属としては、例えば、第１金属膜２２０を構成する金属、又は第２金属膜２４０を構成する金属と同様のものが挙げられる。
【００９６】
本実施形態の接合構造体２００は、ストレスマイグレーションを敢えて利用することにより、良好な接合を実現している。具体的には、熱膨張率の差が大きい２種類の材料を接触させた状態で温度を変化させると、金属膜２２０に応力勾配が発生する。この勾配によりストレスマイグレーションが生じて、金属膜２２０、２４０の金属が表面から溢れ出すように拡散する。金属膜２２０の金属が拡散すると、金属は、第１部材２１０と金属膜２２０との界面、金属膜２２０と熱応力吸収材２３０との界面、又は、金属膜２２０の内部の界面の凹凸の空隙を埋めて一体化し、金属膜２２０によって第１部材２１０と熱応力吸収材２３０とが良好に接着する。また、金属膜２４０の金属が拡散すると、金属は、熱応力吸収材２３０と金属膜２４０との界面、金属膜２４０と第２部材２５０との界面、又は、金属膜２４０の内部の界面の凹凸の空隙を埋めて一体化し、金属膜２２０によって熱応力吸収材２３０と第２部材２５０とが良好に接合される。
【００９７】
本実施形態では、金属膜２２０、２４０を構成する金属のストレスマイグレーションを利用して第１部材２１０と第２部材２５０とを接合している。ストレスマイグレーションは、一般的な焼結温度よりも低い温度で発生するため、本実施形態の接合構造体２００は、低温環境下であっても良好な接合を実現できる。また、第１部材２１０及び第２部材２５０のいずれかの耐熱性が低い場合でも、第１部材２１０及び第２部材２５０を良好に接合できる。また、加熱炉などの大規模な装置を必要としないので、簡易なプロセスで低コストに接合を行うことができる。さらに、銅のような安価で汎用性のある金属を利用して接合を行うことができる。さらに、第１部材２１０及び第２部材２５０の大きさに関わらず、第１部材２１０及び第２部材２５０を良好に接続できる。
【００９８】
また、図５を参照して上述したのと同様に、接合構造体２００においても、第１部材２１０と第１金属膜２２０との間、第１金属膜２２０と熱応力吸収材２３０との間、熱応力吸収材２３０と第２金属膜２４０との間、及び／又は、第２金属膜２４０と第２部材２５０との間に、接着層を形成してもよい。接着層により、第１部材２１０と第１金属膜２２０との間の接着、第１金属膜２２０と熱応力吸収材２３０との間の接着、熱応力吸収材２３０と第２金属膜２４０との間の接着、及び／又は、第２金属膜２４０と第２部材２５０との間の接着を強固にすることができる。接着層を構成する材質は、例えばチタンまたはチタンナイトライドである。接着層の厚さは、例えば、０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下である。
【００９９】
ここで、図８を参照して本実施形態の接合構造体２００の製造方法を説明する。本実施形態の接合構造体２００の製造方法は、金属膜形成工程と、積層体作製工程と、接合工程とを包含する。
【０１００】
（金属膜形成工程）
図８（ａ）に示すように、第１部材２１０の表面に金属膜２２０ａを形成する。例えば、金属膜２２０ａは、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成される。スパッタリング処理の手法は特に限定されず、例えば、ＲＦ（高周波）スパッタリング、ＤＣ（直流）スパッタリングを採用することができる。また、めっき方法は特に限定されず、例えば、電解めっき、又は無電解めっきを採用することができる。あるいは、蒸着方法は、特に限定されず、例えば、抵抗加熱を用いた真空蒸着を採用することができる。なお、金属膜２２０ａは、複数の金属層から形成されてもよい。
【０１０１】
図８（ｂ）に示すように、第２部材２５０の表面に金属膜２４０ａを形成する。金属膜２４０ａは、金属膜２２０ａと同様の手法で形成できる。なお、金属膜２４０ａは、複数の金属層から形成されてもよい。
【０１０２】
図８（ｃ）に示すように、熱応力吸収材２３０の両面に金属膜２２０ｂ、２４０ｂを形成する。金属膜２２０ｂ、２４０ｂは、金属膜２２０ａと同様の手法で形成できる。なお、金属膜２２０ｂ、２４０ｂは、複数の金属層から形成されてもよい。
【０１０３】
（積層体作製工程）
図８（ｄ）に示すように、第１部材２１０上の金属膜２２０ａが熱応力吸収材２３０上の金属膜２２０ｂと接触するように第１部材２１０に熱応力吸収材２３０を積層させ、また、熱応力吸収材２３０上の金属膜２４０ｂが第２部材２５０上の金属膜２４０ａと接触するように熱応力吸収材２３０に第１部材２１０を積層させる。以上のようにして、第１部材２１０、金属膜２２０ａ、２２０ｂ、熱応力吸収材２３０、金属膜２４０ｂ、２４０ａおよび第２部材２５０が積層した積層体Ｌを作製する。
【０１０４】
（接合工程）
次に、図８（ｅ）に示すように、積層体Ｌを加熱することによって、金属膜２２０、熱応力吸収材２３０および金属膜２４０によって第１部材２１０と第２部材２５０とを接合した接合構造体２００を作製する。積層体Ｌを加熱すると、第１部材２１０上の金属膜２２０ａを構成する金属、熱応力吸収材２３０上の金属膜２２０ｂ、２４０ｂ及び／又は第２部材２５０上の金属膜２４０ａを構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散する。これにより、金属膜２２０ａと金属膜２２０ｂとの界面間及び／又は金属膜２４０ａと金属膜２４０ｂとの界面間の空間が埋められて、金属膜２２０ａおよび金属膜２２０ｂの一体化された金属膜２２０及び／又は金属膜２４０ａおよび金属膜２４０ｂの一体化された金属膜２４０を形成し、第１部材２１０および第２部材２５０が接合される。
【０１０５】
なお、金属膜２２０において、金属膜２２０ａおよび金属膜２２０ｂに由来する２つの層の界面が明確に特定可能であってもよく、あるいは、特定可能でなくてもよい。同様に、金属膜２４０において、金属膜２４０ａおよび金属膜２４０ｂに由来する２つの層の界面が明確に特定可能であってもよく、あるいは、特定可能でなくてもよい。
【０１０６】
積層体Ｌの加熱温度は、１００℃以上４００℃以下であることが好ましく、１５０℃以上３００℃以下であることがさらに好ましい。加熱は、大気圧下で行われてもよいし、真空中で行われてもよい。又は、加熱は、不活性ガス若しくは還元（例えば、アルゴン、窒素、水素又はギ酸）雰囲気で行われてもよい。
【０１０７】
本実施形態の製造方法は、ストレスマイグレーションによる金属の拡散を利用するため、比較的低い圧力で接合を行うことができる。例えば、無加圧又は１ＭＰａ以下の圧力で接合を行うことができる。
【０１０８】
なお、図８（ｃ）を参照したように、熱応力吸収材２３０の両面に金属膜２２０ｂ、２４０ｂを形成する場合、金属膜２２０ｂ、２４０ｂは、熱応力吸収材２３０の両面に同時に形成することが好ましい。金属膜２２０ｂ、２４０ｂの形成は加熱条件下において行われることがあるが、金属膜２２０ｂ、２４０ｂを順番に形成する場合、先に形成された金属膜による接着強度が低下してしまうことがあるからである。
【０１０９】
また、図８を参照した上述の説明では、第１部材２１０上に金属膜２２０ａに形成し、熱応力吸収材２３０上に金属膜２２０ｂに形成した上で、金属膜２２０ａおよび金属膜２２０ｂから金属膜２２０を形成したが、本発明はこれに限定されない。金属膜２２０ａおよび金属膜２２０ｂの一方のみを形成し、形成した金属膜によって第１部材２１０および熱応力吸収材２３０を接着してもよい。
【０１１０】
同様に、図８を参照した上述の説明では、第２部材２５０上に金属膜２４０ａに形成し、熱応力吸収材２３０上に金属膜２４０ｂに形成した上で、金属膜２４０ａおよび金属膜２４０ｂから金属膜２４０を形成したが、本発明はこれに限定されない。金属膜２４０ａおよび金属膜２４０ｂの一方のみを形成し、形成した金属膜によって熱応力吸収材２３０および第２部材２５０を接着してもよい。
【０１１１】
なお、熱応力吸収材２３０に、貫通孔又は窪みが設けられていることが好ましい。この場合、熱応力吸収材２３０の貫通孔又は窪みに金属が導入され、金属と熱応力吸収材２３０との間の応力勾配をより顕著にできる。その結果、貫通孔又は窪みから溢れ出すように金属が拡散し、ストレスマイグレーションをより効果的に発現させて、良好な接合状態とすることができる。
【０１１２】
図９〜図１１は、それぞれ、熱応力吸収材２３０の模式図である。図９に、熱応力吸収材２３０の一形態を示す。図９に示した熱応力吸収材２３０は直方体の形状を有しており、熱応力吸収材２３０には、一方の平坦な主面から他方の平坦な主面にまで貫通する貫通孔２６０が等間隔に配置されている。例えば、直径０．２ｍｍ程度の貫通孔２６０が、５ｍｍ程度の等間隔で配置される。なお、ここでは図示していないが、貫通孔２６０は、熱応力吸収材２３０にランダムに設けられてもよい。
【０１１３】
図１０に、熱応力吸収材２３０の別の形態を示す。図１０に示した熱応力吸収材２３０には、２つの主面のそれぞれに、窪みとして、複数の溝２７０が等間隔で並列に配置されている。なお、ここでは、図示していないが、窪みは、円形に陥没した形状であってもよい。
【０１１４】
図１１に、熱応力吸収材２３０のさらに別の形態を示す。図１１に示した熱応力吸収材２３０は直方体の形状を有しており、貫通孔２６０は等間隔に配置された円環状部材２８０によって形成される。なお、ここでは図示していないが、円環状部材は、ランダムに配置されてもよい。
【０１１５】
なお、図７および図８を参照して上述した接合構造体２００では、第１部材２１０および第２部材２５０は金属膜２２０、熱応力吸収材２３０および金属膜２４０を介して接合されたが、本発明はこれに限定されない。第１部材および第２部材は熱応力吸収材を介することなく接合されてもよい。
【０１１６】
図１２を参照して、本発明に係る接合構造体の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態の接合構造体１００Ａの模式図を示す。接合構造体１００Ａは、部材１１０Ａと、金属膜１２０と、部材１３０Ａとを備える。部材１１０Ａは、金属部材または導通部の設けられた絶縁部材を含む。また、部材１３０Ａは、金属部材または導通部の設けられた絶縁部材を含む。本明細書の以下の説明において、部材１１０Ａ、部材１３０Ａをそれぞれ、第１部材１１０Ａ、第２部材１３０Ａと記載することがある。
【０１１７】
金属膜１２０は、第１部材１１０Ａと第２部材１３０Ａとを接合している。接合構造体１００Ａでは、第１部材１１０Ａ、金属膜１２０および第２部材１３０Ａがこの順番に積層されている。
【０１１８】
本実施形態の接合構造体１００Ａにおいて、金属膜１２０を構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散することにより、第１部材１１０Ａと第２部材１３０Ａとが金属膜１２０を介して接合されている。具体的には、金属膜１２０の内部では応力勾配が発生し、金属膜１２０を構成する金属が拡散して接合状態が維持されている。ストレスマイグレーションは、第１部材１１０Ａと金属膜１２０との界面、金属膜１２０と第２部材１３０Ａとの界面、および、金属膜１２０の内部のいずれかにおいて発生する。
【０１１９】
以下、接合構造体１００Ａを構成する第１部材１１０Ａ、金属膜１２０、及び第２部材１３０Ａについて説明する。
【０１２０】
（第１部材１１０Ａ）
第１部材１１０Ａが絶縁部材を含む場合、第１部材１１０Ａは主成分として絶縁材料を有することが好ましく、典型的には、第１部材１１０Ａは絶縁部材から構成されることが好ましい。ただし、この絶縁部材には、導通部が設けられており、第１金属膜２２０は導通部と接触する。なお、第１部材１１０Ａを構成する絶縁部材の材質は、例えば、ガラス、シリカガラス、シリコンまたはセラミックスである。
【０１２１】
また、第１部材１１０Ａが金属部材を含む場合、第１部材１１０Ａは主成分として金属材料を有していることが好ましく、典型的には、第１部材１１０Ａは金属部材から構成されることが好ましい。第１部材１１０Ａを構成する金属部材の材質は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、鉄、アルミナ、タングステン、ニオブ、モリブデン、チタン、ステンレス鋼、イオンバー合金（鉄、ニッケル、マンガン及び炭素を構成成分とする合金）、又はコバール合金（鉄、ニッケル、コバルト、マンガン及びシリコンを構成成分とする合金）である。
【０１２２】
（金属膜１２０）
金属膜１２０を構成する金属は、例えば、銅、銀、亜鉛、金、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、コバルト、又は鉄である。汎用性及びコストパフォーマンスに優れ、ストレスマイグレーションを容易に発生し得る熱膨張率を有するために、金属膜１２０を構成する金属は、銅、銀、亜鉛、アルミニウム、コバルト、又はニッケルが好ましい。
【０１２３】
金属膜１２０は、複数の金属層の積層された構成を有してもよい。金属膜１２０が積層構造を有する場合、複数の金属層を構成する金属の各々は、同じ種類の金属であってもよいし、異なる種類の金属であってもよい。また、この場合は、ストレスマイグレーションによって拡散する金属が、第１部材１１０Ａと金属膜１２０との界面、金属膜１２０の層間の界面、又は、金属膜１２０と第２部材１３０Ａとの界面の凹凸を埋めるように移動する。
【０１２４】
金属膜１２０の厚さは、接合強度に優れ、容易にストレスマイグレーションを発生するために、０．５μｍ以上３０．０μｍ以下であることが好ましい。
【０１２５】
金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率（線膨張率）は、第１部材１１０Ａを構成する材質の熱膨張率（線膨張率）よりも高いことが好ましい。特に、第１部材１１０Ａを構成する材質の熱膨張率に対する金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率の比（金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率／第１部材１１０Ａを構成する材質の熱膨張率）は２．０以上であることが好ましい。例えば、金属膜１２０を構成する金属の熱膨張率は、１０．０×１０-6以上であり、第１部材１１０Ａを構成する材質の熱膨張率は、例えば、０．１×１０-6以上１０．０×１０-6未満である。
【０１２６】
なお、図５を参照して接合構造体２００について上述したのと同様に、接合構造体１００Ａにおいても、第１部材１１０Ａと金属膜１２０との間、及び／又は、第２部材１３０Ａと金属膜１２０との間に、接着層を形成してもよい。接着層は、第１部材１１０Ａと金属膜１２０との間の接着、及び／又は、金属膜１２０と第２部材１３０Ａとの間の接着を強固とする目的で形成される。接着層を構成する材質は、例えばチタンまたはチタンナイトライドである。接着層の厚さは、例えば、０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下である。
【０１２７】
以下に、図１３を参照して、本実施形態の接合構造体１００Ａの製造方法を説明する。本実施形の接合構造体１００Ａの製造方法は、金属膜形成工程と、積層体作製工程と、接合工程とを包含する。
【０１２８】
（金属膜形成工程）
図１３（ａ）に示すように、第１部材１１０Ａの表面に金属膜１２０ａを形成する。金属膜１２０ａは、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着によって形成される。スパッタリング処理の手法は特に限定されず、例えば、ＲＦ（高周波）スパッタリング、ＤＣ（直流）スパッタリングを採用することができる。また、めっき方法は特に限定されず、例えば、電解めっき、又は無電解めっきを採用することができる。あるいは、蒸着方法は、特に限定されず、例えば、抵抗加熱を用いた真空蒸着を採用することができる。なお、金属膜１２０ａは、複数の金属層から形成されてもよい。
【０１２９】
また、図１３（ｂ）に示すように、第２部材１３０Ａの表面に金属膜１２０ｂを形成する。典型的には、金属膜１２０ｂを構成する金属は、金属膜１２０ａを構成する金属と同じであるが、金属膜１２０ｂを構成する金属は、金属膜１２０ａを構成する金属と異なってもよい。金属膜１２０ｂの形成も、金属膜１２０ａと同様に、例えば、スパッタリング処理、めっき、又は蒸着のような手法を用いることができる。なお、金属膜１２０ｂは、複数の金属層から形成されてもよい。
【０１３０】
（積層体作製工程）
次に、図１３（ｃ）に示すように、第１部材１１０Ａ上の金属膜１２０ａおよび第２部材１３０Ａ上の金属膜１２０ｂが互いに接触するように、第１部材１１０Ａおよび第２部材１３０Ａを積層させて積層体Ｌを作製する。この場合、積層体Ｌは、第１部材１１０Ａ、金属膜１２０ａ、１２０ｂおよび第２部材１３０Ａの積層された構成を有する。
【０１３１】
（接合工程）
次に、図１３（ｄ）に示すように、積層体Ｌを加熱することによって、金属膜１２０によって第１部材１１０Ａと第２部材１３０Ａとを接合した接合構造体１００Ａを作製する。積層体Ｌを加熱すると、第１部材１１０Ａ上の金属膜１２０ａを構成する金属及び／又は第２部材１３０Ａ上の金属膜１２０ｂを構成する金属がストレスマイグレーションによって拡散し、金属膜１２０ａと金属膜１２０ｂとの界面間の空間を金属で埋めて、第１部材１１０Ａおよび第２部材１３０Ａを接合する。
【０１３２】
なお、金属膜１２０において、金属膜１２０ａおよび金属膜１２０ｂに由来する２つの層の界面が明確に特定可能であってもよく、あるいは、特定可能でなくてもよい。積層体Ｌの加熱温度は、１００℃以上４００℃以下であることが好ましく、１５０℃以上３００℃以下であることがさらに好ましい。
【０１３３】
詳細は現在検討中であるが、ストレスマイグレーションによって金属膜の表面が隆起するとき、隆起部分の近傍に粒子間のネッキング形成を促進するようにナノ粒子が観察される。
【０１３４】
図１４（ａ）はストレスマイグレーションの発生した銀膜の断面を示した図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の領域Ｂを拡大した図であり、図１４（ｃ）は金属のストレスマイグレーションを説明するための模式図である。
【０１３５】
図１４（ａ）および図１４（ｂ）から明らかであるように、ストレスマイグレーションによって銀膜の表面が隆起した場合、隆起部分の近傍にナノ粒子が形成されている。なお、図１４（ｂ）において矢印Ｄで示された銀膜の最表面の層は酸化層であり、酸化層により、還元反応が進行して焼結を促進すると考えられる。
【０１３６】
現在のところ、図１４（ｃ）に示すように、ナノサイズの粒子が銀膜の内部から酸化層に沿って表面の法線方向に向かって移動してきており、このナノサイズの粒子がストレスマイグレーションに密接に関連していると考えられる。
【０１３７】
図１５は、金属のストレスマイグレーションによる接合を説明するための模式図である。図１５に示すように、接合の開始直後に、２つの金属膜のそれぞれの内部から溢れ出すように金属が粒状に盛り上がって互いに接触し、接合ネッキングが形成される。接触した領域のエネルギーは比較的高いため、２つの金属膜のそれぞれの内部から接触した領域に向かって金属のナノ粒子が移動して、接合ネッキングの窪みが埋められ、その結果、盛り上がった領域が横方向に拡大していき、最終的に２つの金属膜が接着すると考えられる。
【実施例】
【０１３８】
以下、実施例を用いて本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は実施例に何ら限定されるものではない。
【０１３９】
（実施例１）
以下に、図１６を参照して、実施例１の接合構造体１００を説明する。図１６（ａ）は実施例１の接合構造体１００の模式的な断面図である。また、図１６（ｂ）は実施例１の接合構造体１００を示す斜視図である。
【０１４０】
実施例１の接合構造体１００は、半導体素子１１０と、金属膜１２０と、配線１３０と、接着層１４０ａ〜１４０ｃと、金属膜１５０と、接続基板１６０とを備えていた。実施例１の接合構造体１００を以下のように作製した。
【０１４１】
（金属膜形成工程）
半導体素子１１０としてＳｉＣチップを準備した。ＳｉＣチップの一方の主面に、接着層１４０ａとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。チタン層の表面に、金属膜１２０ａとして、厚さ約１μｍの銀膜を形成した。
【０１４２】
また、ＳｉＣチップの他方の主面に、接着層１４０ｃとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。チタン層の表面に、金属膜１５０ａとして厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。
【０１４３】
配線１３０としてのＣｕワイヤを準備した。Ｃｕワイヤの一端の表面に、接着層１４０ｂとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜１２０ｂとして、厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。
【０１４４】
接続基板１６０として表面に銅膜を形成した窒化ケイ素基板を準備した。絶縁基板１６０ａとしての窒化ケイ素基板の両面に、電極１６０ｂ、１６０ｃとしての厚さ約０．１μｍの銅膜をスパッタリング処理によって形成した。その後、銅膜の上に、金属膜１５０ｂとして厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。
【０１４５】
（積層体作製工程）
続いて、ＳｉＣチップの一方の銀膜を窒化ケイ素基板上の銀膜と接触するように配置し、Ｃｕワイヤの銀膜をＳｉＣチップの他方の銀膜と接触するように配置して積層体を作製した。その後、作製された積層体を動かないようにクリップで固定した。
【０１４６】
（接合工程）
積層体を大気圧雰囲気において、２５０℃で６０分間加熱した。加熱により、実施例１の接合構造体１００を製造した。接合構造体１００は良好に接合されていることが確認された。
【０１４７】
（実施例２）
以下に、図１７を参照して、実施例２の接合構造体２００を説明する。図１７（ａ）は実施例２の接合構造体２００の構成を説明するための模式図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）の領域Ｂを拡大したＳＥＭ写真を示す図であり、図１７（ｃ）は図１７（ａ）の領域Ｃを拡大したＳＥＭ写真を示す図である。
【０１４８】
実施例２の接合構造体２００は、部材２１０と、金属膜２２０と、熱応力吸収材２３０と、金属膜２４０と、接着層２４２ａ〜２４２ｄと、部材２５０とを備えていた。実施例２の接合構造体２００を以下のように作製した。
【０１４９】
（金属膜形成工程）
部材２１０としてステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）基板を準備した。ステンレス鋼の一方の主面に、接着層２４２ｃとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜２２０ａとして、厚さ約１μｍの銀膜をメッキ処理によって形成した。図１７（ｂ）はメッキ処理によって銀膜の形成されたステンレス鋼を示す。
【０１５０】
部材２５０として実装ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）を準備した。実装ステンレス鋼の一方の主面に、接着層２４２ｄとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜２４０ａとして、厚さ約１μｍの銀膜をメッキ処理によって形成した。
【０１５１】
熱応力吸収材２３０としてモリブデン材を準備した。モリブデン材の一方の主面に、接着層２４２ａとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜２２０ｂとして、厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。図１７（ｃ）はスパッタリング処理によって銀膜の形成されたモリブデン材を示す。
【０１５２】
また、モリブデン材の他方の主面に、接着層２４２ｂとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜２４０ｂとして、厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。
【０１５３】
（積層体作製工程）
続いて、ステンレス鋼基板上の銀膜がモリブデン材上の一方の銀膜と接触するようにステンレス鋼基板にモリブデン材を積層させ、また、モリブデン材上の他方の銀膜が実装ステンレス鋼上の銀膜と接触するようにモリブデン材上に実装ステンレス鋼を積層させた。このようにして積層した積層体が動かないように重さ２０ｋｇの重りを実装ステンレス鋼上に載置した。
【０１５４】
（接合工程）
重りを載置したまま、積層体を大気圧雰囲気において、３００℃で６０分間加熱した。加熱により、実施例２の接合構造体２００を製造した。接合構造体２００が良好に接合されていることが確認された。
【０１５５】
（実施例３）
以下に、図１８を参照して、実施例３の接合構造体２００を説明する。図１８（ａ）は実施例３の接合構造体２００の模式図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）の領域ＢのＳＥＭ写真を示す図であり、図１８（ｃ）は図１８（ｂ）の一部拡大図である。
【０１５６】
実施例３の接合構造体２００は、部材２１０と、金属膜２２０と、熱応力吸収材２３０と、金属膜２４０と、接着層２４２ｃ、２４２ｄと、部材２５０とを備えていた。実施例３の接合構造体２００を以下のように作製した。
【０１５７】
（金属膜形成工程）
部材２１０としてステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）基板を準備した。ステンレス鋼基板の一方の主面に、接着層２４２ｃとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜２２０ａとして、厚さ約１μｍの銀膜をメッキ処理によって形成した。
【０１５８】
部材２５０として実装ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）を準備した。実装ステンレス鋼の一方の主面に、接着層２４２ｄとして、スパッタリング処理によって厚さ約０．０４μｍのチタン層を形成した。このチタン層の表面に、金属膜２４０ａとして、厚さ約１μｍの銀膜をメッキ処理によって形成した。
【０１５９】
熱応力吸収材２３０としてチタン材を準備した。チタン材の一方の主面に、金属膜２２０ｂとして、厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。チタン材の他方の主面に、金属膜２４０ｂとして、厚さ約１μｍの銀膜をスパッタリング処理によって形成した。
【０１６０】
（積層体作製工程）
続いて、ステンレス鋼基板上の銀膜がチタン材上の一方の銀膜と接触するようにステンレス鋼基板にチタン材を積層させ、また、チタン材上の他方の銀膜が実装ステンレス鋼上の銀膜と接触するようにチタン材上に実装ステンレス鋼を積層させた。このようにして作製された積層体が動かないように重さ２０ｋｇの重りを実装ステンレス鋼上に載置した。
【０１６１】
（接合工程）
重りを載置したまま、積層体を大気圧雰囲気において、３００℃で６０分間加熱した。加熱により、実施例３の接合構造体２００を製造した。図１８（ｂ）に製造された接合構造体２００のＳＥＭ写真を示し、図１８（ｃ）に図１８（ｂ）の一部拡大図を示す。接合構造体２００が良好に接合されていることが確認された。
【０１６２】
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態および実施例を説明した。ただし、本発明は、上記の実施形態および実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。また、図面は、理解を容易にするために、必要に応じてそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚さ、長さ、個数等は、図面作成の観点から実際とは異なる場合がある。また、上記の実施形態および実施例で示す各構成要素の形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明に係る接合構造体は、複数の部材を一体化する構成を実現するために好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１６４】
１００      接合構造体
１１０      半導体素子
１２０      金属膜
１２０ａ    金属膜
１２０ｂ    金属膜
１３０      配線
１００Ａ    接合構造体
１１０      第１部材
１２０      金属膜
１３０      第２部材
１４０ａ    接着層
１４０ｂ    接着層
１５０      金属膜
１６０      接続基板
２００      接合構造体
２１０      第１部材
２２０      第１金属膜
２３０      熱応力吸収材
２４０      第２金属膜
２５０      第２部材
２６０      貫通孔
２７０      溝
２８０      円環状部材
【図１】
0006566634.tif 000002
【図２】
0006566634.tif 000003
【図３】
0006566634.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006566634.tif 000006
【図６】
0006566634.tif 000007
【図７】
0006566634.tif 000008
【図８】
0006566634.tif 000009
【図９】
0006566634.tif 000010
【図１０】
0006566634.tif 000011
【図１１】
0006566634.tif 000012
【図１２】
0006566634.tif 000013
【図１３】
0006566634.tif 000014
【図１４】
0006566634.tif 000015
【図１５】
0006566634.tif 000016
【図１６】
0006566634.tif 000017
【図１７】
0006566634.tif 000018
【図１８】
0006566634.tif 000019