(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体装置用部材が接合して成る半導体装置の製造方法であって、
上記半導体装置用部材が金属接合部を有し、接合される金属接合部がその接合面の両方又は一方に凹凸を有すると共に、両方の表面又は内部に拡散防止層が形成されたものであり、
上記金属接合部間にインサート材を介在させ、加圧加熱し上記拡散防止層を破って、一方の半導体装置用部材の金属接合部を構成する母材金属Ａと他方の半導体装置用部材の金属接合部を構成する母材金属Ｂとを、接合界面の少なくとも一部で直接接合するものであり、
上記金属接合部を構成する母材金属Ａ、母材金属Ｂが、それぞれ独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）から成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであり、
上記インサート材が、上記母材金属Ａ及び母材金属Ｂに含まれるそれぞれ１種以上の金属と共晶反応するものであ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、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属と、Ｚｎとの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とＡｌとの合計含有量が８０質量％以上の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と、Ａｌと、Ｍｇとの合計含有量が８０質量％以上の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】
上記インサート材が、Ｚｎと、Ａｌと、Ｃｕとの合計含有量が８０質量％以上の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７】
上記拡散防止層がニッケル（Ｎｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタンタングステン（ＴｉＷＮ）、白金イリジウム（ＰｔＩｒ）から選択される１種以上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】
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１〜７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】
上記母材金属Ａと母材金属Ｂとが同種材であることを特徴とする請求項１〜８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１０】
上記半導体装置用部材が、半導体チップと配線金属であることを特徴とする請求項１〜９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１１】
上記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１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
上記半導体装置用部材が、配線金属が配置された絶縁性セラミックス基板と冷却体であることを特徴とする請求項１〜１１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１３】
複数の半導体装置用部材が接合して成る半導体装置であって、  
上記半導体装置用部材が金属接合部を有し、接合される金属接合部がその接合面の両方又は一方に凹凸を有すると共に、両方の表面又は内部に拡散防止層が形成されたものであり、
上記金属接合部間にインサート材を介在させて加圧加熱し、上記拡散防止層が破られて、一方の半導体装置用部材の金属接合部を構成する母材金属Ａと他方の半導体装置用部材の金属接合部を構成する母材金属Ｂとが、接合界面の少なくとも一部で直接接合されたものであり、
上記金属接合部を構成する母材金属Ａ、母材金属Ｂが、それぞれ独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）から成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであり、
上記インサート材が、上記母材金属Ａ及び母材金属Ｂに含まれるそれぞれ１種以上の金属と共晶反応するものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
複数の半導体装置用部材が接合して成る半導体装置であって、
一方の半導体装置用部材の金属接合部の母材金属Ａと、他方の半導体装置用部材の金属接合部の母材金属Ｂとが、接合界面の少なくとも一部において直接接合し、該直接接合部の周囲に、拡散防止層に囲まれた共晶反応物を有するものであり、
上記母材金属Ａと母材金属Ｂとが、それぞれ独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）から成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであり、
上記共晶反応物が、上記母材金属Ａ及び母材金属Ｂに含まれる、それぞれ１種以上の金属と共晶反応したものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
上記半導体装置用部材が、半導体チップと配線金属であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
上記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１５に記載の半導体装置。
【請求項１７】
上記半導体装置用部材が、配線金属が配置された絶縁性セラミックス基板と冷却体であることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１つの項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体装置用部材を接合して成る半導体装置の製造方法及び半導体製造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にも、高温耐久性に優れる接合部を有すること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を実装するため、現状では、Ｓｎ（錫）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）系のはんだが、接合に広く使われている。しかし、このようなはんだで接合すると、半導体装置の使用温度が、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である場合の接合部においては、接合界面に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、金属ナノ粒子を低温にて凝集させて接合する低温接合工法が提案されている。この接合工法を用いれば、金属ナノ粒子が凝集した後の接合界面は、バルク金属となるため、優れた高温耐久性を有する。
しかし、金属ナノ粒子としてはＡｕ（金）のような貴金属が用いられ、コストが高くなるのに加えて、金属ナノ粒子は表面エネルギーが高く、表面に有機物が修飾したような構造をとるため、金属ナノ粒子が凝集した構造となっても接合プロセス時に有機物がガス化して残存することから、接合部にボイドが生じてしまうため、継手強度のバラツキが大きくなる。
【０００５】
また、高温耐久性を有するはんだとしては、この他にＡｕ−Ｇｅ（ゲルマニウム）系等のはんだがある。しかし、これらのはんだも、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が生成したり、相互拡散の不均衡により発生した原子空孔が集積し、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。
【０００６】
一方、接合面に形成された酸化皮膜による障害を排除し、健全な接合部を形成する観点から、母材金属と共晶を生ずる金属、例えば、亜鉛（Ｚｎ）を含むインサート材を用いることが知られている。これは、接合面間にインサート材を介在させた状態で加圧、加熱することにより、共晶反応させて接合するものである。すなわち、母材金属とインサート材との間で共晶反応させることによって、酸化皮膜を母材表面から除去し、生じた共晶反応溶融物と共に接合面から排出して接合するものである。
【０００７】
このとき、母材金属とインサート材との直接的な接触を促進し、共晶反応の起点を早期に形成して、上記接合プロセスをより円滑なものとするべく、接合面に酸化皮膜を破壊するための凹凸構造を形成することが提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−７８７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１は、本願出願人の出願に係るものであり、接合時の加圧による被接合材のダメージがなく、被接合材同士を直接接合できるものである。
しかし、上記接合方法を高温下に保持される半導体装置に適用した場合、初期には良好である電気伝導性や熱伝導性が、時間の経過と共に低下することがその後判明した。
この電気伝導性や熱伝導性の低下の原因について調べた結果、上記接合面の凹凸構造の形状によっては、インサート材に由来する共晶反応物が上記接合部の上記凹部に相当する箇所に残留することがある。そして、半導体装置の使用環境や使用状態によっては、この共晶反応物中の金属が母材金属内部に拡散する。すると、共晶反応物中の金属部に微細な空隙が生じ、電気伝導性や熱伝導性の低下の原因となっていることがわかった。
【００１０】
したがって、本発明は、上記特許文献１に記載される接合方法を改良し、高温下に保持される半導体装置に適用しても、拡散に起因する電気伝導性や熱伝導性の低下を防止できる半導体装置の製造方法及び半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、半導体装置用部材の両接合面に拡散防止層を形成することで、インサート材由来の金属が母材金属中に拡散することを防止でき、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
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は、接合する半導体装置用部材の接合面の少なくともいずれか一方の面に凹凸を形成すると共に、両接合部に拡散防止層を形成し、該半導体装置用部材同士間に、インサート材を介在させて加圧加熱し、上記拡散防止層を破って、接合界面の少なくとも一部で半導体装置用部材の両接合部中の母材金属Ａと母材金属Ｂとを直接接合するものであり、
一方の半導体装置用部材の金属接合部を構成する母材金属Ａと他方の半導体装置用部材の金属接合部を構成する母材金属Ｂが、それぞれ独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）から成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであり、
上記インサート材が、上記母材金属Ａ及び母材金属Ｂに含まれる、それぞれ１種以上の金属と共晶反応するものであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、上記接合方法で接合された半導体装置であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の半導体装置は、一方の半導体装置用部材の金属接合部の母材金属Ａと、他方の半導体装置用部材の金属接合部の母材金属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、該直接接合部の周囲に拡散防止層に囲まれた共晶反応物を有するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、接合する半導体装置用部材の両接合部に拡散防止層を形成し、接合後には、共晶反応物を拡散防止層で囲むこととしたため、電気伝導性や熱伝導性の低下を防止できる。
即ち、共晶反応物が接合部に残留しても、残留する共晶反応物が拡散防止層で囲まれるため、上記共晶反応物中の金属が母材金属中に拡散することが防止され、該拡散に伴って生じる空隙による電気伝導性や熱伝導性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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凹凸構造の形状例を示す斜視図である。
【図２】本発明で用いる半導体チップの一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法による半導体装置用部材の接合方法の一例を概略的に示す工程図である。
【図４】本発明の半導体装置の製造方法によって接合された接合部の一例を示す断面図である。
【図５】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概略断面図である。
【図６】本発明の実施例に用いた半導体装置の構成を説明する概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、接合される半導体装置用部材の接合面の両方又は一方に凹凸を形成すると共に、両接合部の表面又は内部に拡散防止層を形成し、この接合部間にインサート材を介在させて加圧加熱するものである。そして、接合界面の少なくとも一部で両接合部の母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接合される。
【００１９】
＜半導体装置用部材＞
本発明における半導体装置用部材は、母材金属上に拡散防止層が形成された金属接合部を有し、一方の半導体装置用部材の母材金属が母材金属Ａで構成され、他方の半導体装置用部材の母材金属が母材金属Ｂで構成される。
また、接合される半導体用形成部材は、金属接合部表面の両方又は一方に凹凸を有するものである。
【００２０】
上記金属接合部を形成する母材金属Ａ及び母材金属Ｂは、電気伝導性に優れるものを使用することができ、それぞれ独立して、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）から成る群より選ばれた少なくとも１種を主成分とするものであり、これらは同一でも異なってもよい。上記母材金属Ａ及び母材金属Ｂとしては、上記金属の純金属や、これらの金属を含む合金等、種々の組合せを採用することができる。
【００２１】
上記母材金属Ａと母材金属Ｂとは、同種材で形成されることが好ましい。同種材同士の接合とすることで、界面の劣化反応の起点がなくなるため、さらに耐久信頼性が高い接合が可能となる。
ここで、「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。
【００２２】
また、上記母材金属には、後述するインサート材を構成する金属の少なくとも１種含むことが好ましく、亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。
インサート材を構成する金属を含有することで、母材金属中のインサート材を構成する金属量が飽和量に近くなり、共晶反応残留物中の金属が母材金属中に拡散することを抑制できる。
【００２３】
上記拡散防止層としては、上記母材金属Ａ、母材金属Ｂ及び後述するインサート材と相互拡散しないもの又は相互拡散し難いものを使用することができ、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタンタングステン（ＴｉＷＮ）、白金イリジウム（ＰｔＩｒ）が挙げられ、これは一種以上を混合して用いてもよい。
【００２４】
拡散防止層の膜厚は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満では、共晶反応物を十分囲むことができず、共晶反応物が母材金属中に拡散することがあり、１０μｍを超えると上記母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接合し難くなることがある。
【００２５】
上記拡散防止層は、ＣＶＤ，スパッタリング、パウダーデポジション、メッキ等、公知の成膜法により形成できる。
なお、金属は空気中に置いた瞬間に表面が酸化されるので、 接合面を純粋な金属にすることは困難であり、拡散防止層表面が酸化されたときは、接合部の内部に拡散防止層を有することになる。
【００２６】
上記接合面の表面凹凸は、金属接合部の母材金属とインサート材との直接的な接触を促進し、共晶反応の起点となると共に、拡散防止層表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、該酸化皮膜を破壊し、母材金属Ａ及び母材金属Ｂとインサート材との共晶反応を生じさせる。
そして、加圧加熱により、共晶反応物の溶融物と破壊された酸化皮膜とが、上記凹部に排斥され、接合界面の少なくとも一部において、金属接合部の母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接合されて、電気伝導性及び熱伝導性が向上する。
【００２７】
上記凹凸の形状としては、応力を集中させて、インサート材や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１（ａ）〜（ｃ）に示すようなものの他、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、インサート材や酸化皮膜が破壊し易くなることは言うまでもない。
【００２８】
図１（ａ）は、断面が台形状の凹凸構造のものであり、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。
【００２９】
また、図１（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。
【００３０】
さらに、図１（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、インサート材や酸化皮膜の破断性能を向上させることができる。
【００３１】
金属接合部の凹凸の寸法、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。
【００３２】
このような凹凸は、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。
【００３３】
上記半導体装置用部材としては、従来公知の半導体装置に用いられる部材を挙げることができ、例えば、半導体チップ、絶縁性セラミック基板、ベースプレート（冷却体）等が挙げられる。
【００３４】
なお、半導体装置用部材が半導体チップである場合には、上記したように接合面側に、母材金属３ｃ上に拡散防止層３ｆを有する金属接合部を有するが、図２に示すように、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等から成る半導体チップ３と母材金属３ｃの間に、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）等から成る密着層３ａ及びバリヤ層３ｂを設けることができる。
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と半導体チップ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。
【００３５】
＜インサート材＞
本発明の半導体装置の製造方法においては、半導体装置用部材の金属接合部間にインサート材を介在させる。
インサート材としては、上記母材金属Ａ及び母材金属Ｂと共晶反応するものを使用することができ、例えば、Ｚｎを主成分とする金属（純亜鉛、亜鉛合金）が好ましく用いられる。
Ｚｎを主成分とする金属の他、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｇ及びＳｎから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属と、Ｚｎとの合金を使用することができる。
【００３６】
Ｚｎを含む合金としては、例えば、ＺｎとＡｌとの合計含有量が８０質量％以上の合金、Ｚｎ、Ａｌ及びＭｇの合計含有量が８０質量％以上の合金、及び、Ｚｎ、Ａｌ及びＣｕの合計含有量が８０質量％以上の合金を好ましく使用できる。
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℃、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ系合金では３７９℃）、このような低い温度で接合することで、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。
なお、本発明において「主成分」とは、８０質量％以上含有する成分をいう。
【００３７】
インサート材４は、箔の形態で両材料の間に挟み込んだり、めっきやパウダーデポジション法によって、半導体装置用部材の金属接合部の拡散防止層を被覆したりして用いられる。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、箔の形態で用いることが好ましい。また、上記箔には半導体装置用部材と同様、表面凹凸を形成してもよい。
【００３８】
インサート材の厚さは、使用する接合する金属や接合部の表面凹凸にもよるが、２０μｍ〜２００μｍであることが好ましい。
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ことがある。また、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。
【００３９】
＜接合方法＞
次に半導体装置用部材の接合方法について説明する。
本発明においては、半導体装置用部材の金属接合部間にインサート材を介在させ、加圧加熱して接合する。
【００４０】
接合する半導体用形成部材同士は、金属接合部表面の両方又は一方には凹凸を有するものである。接合部に凹凸を有することで、金属接合部の母材金属とインサート材との直接的な接触を促進し、共晶反応の起点となると共に、拡散防止層表面に酸化皮膜が形成されていたとしても、該酸化皮膜が破壊され、母材金属Ａ及び母材金属Ｂとインサート材との共晶反応が生じる。
そして、この共晶反応物と破壊された酸化皮膜が上記凹部に排斥され、接合界面の少なくとも一部において、金属接合部の母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接合され、電気伝導性及び熱伝導性が向上する。
【００４１】
加えて、本発明においては、接合面の両方に拡散防止層が形成されているため、凹部に排斥された共晶反応物や酸化皮膜片等が接合部に残留したとしても、該残留物は拡散防止層で囲まれ、母材金属から隔離される。したがって、これらが母材金属Ａ及び母材金属Ｂ中に拡散することがなく、接合部に空隙が生じることによる電気伝導性の低下や熱伝導性の低下が防止される。
なお、拡散防止層は残留物の全方位を囲む必要はなく、残留物と母材金属との相互拡散を防止できればよい。
【００４２】
上記共晶反応は、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り、温度が共晶温度以上であるときに共晶反応により溶融して液相を形成する。
例えば、Ｚｎ−Ａｌ系合金の場合、Ａｌの融点は６６０℃であり、Ｚｎの融点は４１９．５℃であるが、これらの共晶金属は、それぞれの融点より低い３８２℃にて溶融する。
したがって、酸化物層等を排斥し両金属同士を接触させ、３８２℃以上に加熱保持することで共晶溶融が生じ、共晶組成が５％Ａｌ−９５％Ｚｎの合金となる。
【００４３】
なお、共晶反応自体は合金成分に無関係な変化であり、インサート材の組成は共晶反応物の量を増減するに過ぎない。すなわち、共晶組成は相互拡散によって自発的に達成されるため、組成のコントロールは必要なく、母材金属Ａ、Ｂと、インサート材に含まれる金属との間に、低融点の共晶反応が生じればよい。
したがって、母材金属Ａとインサート材との間、及び、母材金属Ｂとインサート材との間の両方に、共晶反応生じさせるため、両共晶温度の高い方の温度に加熱する必要がある。
【００４４】
また、一般的な金属材料の表面には酸化皮膜が存在する。しかし、本発明においては、接合面に凹凸が形成されているため、接合過程の加圧によって、凹凸の先端に応力が集中し、比較的低い加圧力によって、酸化皮膜を破壊すると共に、インサート材を突き破ることができる。したがって、半導体チップ等の半導体装置用部材へのダメージを与えることがない。
【００４５】
また、共晶反応による液相が生じると、酸化皮膜が近傍の液相に取り込まれ、さらに酸化皮膜の破壊・分解が促進される。そして、共晶溶融が拡がっていくことによって、酸化皮膜の破壊が拡大・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、母材金属Ａと母材金属Ｂとのダイレクトな接合が可能となる。
したがって、融点の低いＰｂを含むはんだを用いずに、母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接合され、強度が確保され、優れた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。
【００４６】
さらに、凹凸先端部の拡散防止層は、加圧力によって、インサート材中にめり込み、相手側の拡散防止層を破ると共に凹部に押しやられ、凹凸先端に母材金属が現れ、母材金属Ａ及び母材金属Ｂとインサート材とが接触する。そして、これらの金属が共晶反応する温度に加熱されることで、溶融し液相が生じる。また、凹凸底部の拡散防止層はそのまま残存し、相手側の残存する拡散防止層と共に、共晶反応生成物を囲んで母材金属中への拡散を防止する。
したがって、本発明の半導体装置の製造方法によれば、母材金属同士の直接接合部と、拡散防止層に囲まれた共晶反応物等を含む残留物から成る間接接合部とが、接合界面に断続的に存在している接合面が形成される。このような接合部を有する半導体装置は、高温下に保持した場合にも、脆い金属間化合物層やカーケンダルボイドを生成せず、高温耐久性を備える。
【００４７】
本発明の半導体装置の製造方法を半導体装置用部材が半導体チップと絶縁性セラミック基板である場合を例にさらに詳細に説明する。
まず、図３に示すように、絶縁性セラミック基板２の配線金属２ｃと、半導体チップ３の金属接合部３ｃとの間にインサート材４を配置する。
このとき、配線金属２ｃの表面には、予め微細な凹凸Ｒが形成してあり、配線金属２ｃと金属接合部３ｃの表面には、拡散防止層２ｆ、３ｆが形成されている。
【００４８】
そして、半導体チップ３と絶縁性セラミック基板２を相対的に加圧し、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、インサート材と接触した凹凸の先端部とに局所的な応力がかかり、加圧力をさほど増すことなく、絶縁性セラミック基板の拡散防止層２ｆの先端部や、該拡散防止層表面に生じた酸化皮膜が機械的に破壊され、金属接合部２ｃの母材金属Ｂの新生面が露出する。
【００４９】
さらに、加圧加熱すると、凹凸の先端部はインサート材を突き破り、半導体チップ３の拡散防止層３ｆに達し、半導体チップ３の拡散防止層３ｆや拡散防止層表面に生じた酸化皮膜が破壊され、母材金属Ａの新生面が露出する。
【００５０】
そして、凹凸の先端部近傍から、金属接合部３ｃの母材金属Ａとインサート材４との間、及び、金属接合部２ｃの母材金属Ｂとインサート材４との間で拡散が生じる。そして、共晶反応が発生する温度に到達することで、インサート材中の金属と、母材金属Ａ及び母材金属Ｂ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。
さらに、この共晶溶融範囲が接合界面に拡がっていくことにより、拡散防止層上に酸化皮膜が生じている場合は、酸化皮膜の欠片が共晶溶融相中に分散する。
【００５１】
続く加圧によって、接合面に形成された凹凸に沿って、共晶反応溶融物が接合界面から排斥され、この液相中に分散されていた酸化皮膜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、母材金属Ａ及び母材金属Ｂの新生面同士が接触して拡散反応が生じ、母材金属Ａと母材金属Ｂが直接接合される。
【００５２】
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等の残留物が、母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接合された周囲の接合界面に残存することがある。すなわち、図４に示すように、母材金属Ａと母材金属Ｂとが、接合界面の少なくとも一部において直接接合し、該直接接合部の周囲に、拡散防止層に囲まれた共晶反応物等を含む残留物を有する接合部が形成される。
しかし、本発明においては、上記残留物は拡散防止層によって囲まれるため、母材金属Ａ及び母材金属Ｂ中に拡散することが防止される。そして、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。
また、母材金属Ａと母材金属Ｂとが直接接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。
【００５３】
なお、図３においては、凹凸Ｒを絶縁性セラミック基板２の配線金属２ｃ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、凹凸の形成位置については、半導体チップ３の接合面に形成する他、接合面の両方に設けることもできる。両面に凹凸Ｒを形成することによって、母材金属の新生面が露出し易くなると共に、共晶溶融物等を含む残留物を拡散防止層で囲みやすくなる。
【００５４】
本発明の製造方法における半導体装置用部材の接合は、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。
【００５５】
また、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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、本発明の製造方法においては、接合部に凹凸Ｒが形成され、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以下とすることが好ましい。
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を、接合面から十分排出できないことがあり、３０ＭＰａを超えると半導体装置用部材が損傷する可能性がある。
【００５８】
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、凹凸構造の底部に残留する残存物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もできる。
【００５９】
＜半導体装置＞
本発明の半導体装置は、複数の半導体装置用部材が上記接合方法によって接合されたものであり、本発明の製造方法により製造された半導体装置の例の概略断面図を図５に示す。
【００６０】
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）６上に、絶縁性セラミックス基板２の片面側に金属接合部（配線金属２ｃ）を配置したバスバーが固定され、その配線金属２ｃ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、その接合面に金属接合部３ｃを備えており、金属接合部３ｃの母材金属と配線金属２ｃの母材金属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。
【００６１】
図５（ｂ）に示す半導体装置１は、絶縁性セラミックス基板２の図中上側に半導体チップ３を有し、図中下面側に冷却体６を備える。
そして、絶縁性セラミックス基板２の上側では、絶縁性セラミックス基板２上に配置された金属接合部（配線金属２ｃ）の母材金属と、半導体チップ３の金属接合部３ｃの母材金属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。
また、絶縁性セラミックス基板２の下側では、絶縁性セラミックス基板２の裏面に配置された金属接合部（裏面金属５）の母材金属と、冷却体６の母材金属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。
【００６２】
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る。
両面に金属接合部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２の片面側に金属接合部（配線金属２）を備えたバスバーが冷却体６と共に配置されている。
そして半導体チップ３の上下両面に備える金属接合部３ｃの母材金属とバスバーから成る金属接合部（配線金属２）の母材金属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。
【００６３】
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２の両面に配線金属２と、裏面金属５を備えたセラミックス基板２を用いた両面実装タイプのものである。
すなわち、セラミックス基板２の裏面側に配置した金属接合部（裏面金属５）と冷却体６とが本発明の方法によって接合されていること以外は、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。
【００６４】
図６は、本発明の半導体装置の接合前の状態を示す概略断面図（但し、インサート材４は省略）であって、図に示す半導体チップ３は接合面に母材金属Ａから成る金属層３ｃを備えている。なお、上記金属接合部３ｃは、図２に示したように、密着層３ａやバリヤ層３ｂを介して形成することもできる。
一方、絶縁性セラミックス基板２は、図中上面側に母材金属Ｂから成る配線金属２ｃを備え、図中下面側に裏面金属５を備えており、これら配線金属２ｃ及び裏面金属５の表面（半導体チップ３及び後述するベースプレート６との接合面）には凹凸Ｒが形成されている。
【００６５】
ベースプレート（冷却体）６は、母材金属から成り、その裏面金属５との接合面には、同様に凹凸Ｒが形成されている。このとき、凹凸Ｒの形成は、裏面金属５及びベースプレート６のいずれか一方だけでもよい。
なお、上金属接合部記３ｃ、配線金属２ｃ、裏面金属５及びベースプレート６を構成する母材金属には、これらの間に介在させるインサート材４に含まれる金属の少なくとも１種、例えばＺｎが飽和するまで添加されることが好ましい。
【００６６】
そして、上記半導体チップ３と絶縁性セラミック基板２の配線金属２ｃの間と、絶縁性セラミック基板２の裏面金属５とベースプレート６の間に、Ｚｎを含有するインサート材（図示せず）を介在させた状態で、これらを加圧すると共に、加熱することによって、これらの間が接合される。
こうして接合された半導体装置は、接合面に共晶反応物等の残留物が残存したとしても、また、高温環境に曝されたとしても、上記残留物は拡散防止層によって囲まれているため、残留物中に含まれる金属が母材金属中に拡散し、空隙が生じることによって、電気伝導性や熱伝導性が損なわれるという不具合を回避することができる。
【実施例】
【００６７】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、文中の符号については、図に対応するものである。
【００６８】
［実施例１］
＜半導体チップ＞
１．６６×１．５２×０．３６ｍｍのサイズのＳｉＣダイオード（半導体チップ３）の裏面に、厚さ１００ｎｍのＴｉ（密着層）、厚さ６００ｎｍのＮｉ（バリア層）、厚さ４００ｎｍのＡｇ（密着層）を蒸着により成膜した後、この成膜面上にアルミニウム（Ａｌ）をスパッタリングし厚さ６μｍの金属接合部３ｃを形成した。
さらに、スパッタリングにより、厚さ５μｍのニッケル（Ｎｉ）層を製膜し、拡散防止層３ｆを形成した。
【００６９】
＜絶縁性セラミックス基板＞
ＡｌＮから成る厚さ０．６４ｍｍのセラミック基板２の両面に、純度９９．９９％の高純度アルミニウム（Ａｌ）から成る厚さ０．５ｍｍの金属接合部（配線金属２ｃ）と、
同じく高純度アルミニウム（Ａｌ）から成る厚さ０．５ｍｍの金属接合部（裏面金属５）をそれぞれ形成した。
ダイヤモンド工具を用い、配線金属及び裏面金属の表面に切削加工を行い、ピッチ０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの一方向溝を形成した。
さらに、スパッタリングにより、厚さ５μｍのニッケル（Ｎｉ）層を製膜し、配線金属と裏面金属の表面に拡散防止層を形成した。
【００７０】
＜ベースプレート＞
工業用純アルミニウム（Ａ１０７０）から成る板材（ベースプレート６）に、ダイヤモンド工具を用いて切削加工を行い、ピッチ０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの一方向溝を形成した。
さらに、スパッタリングにより、厚さ５μｍのニッケル（Ｎｉ）層を製膜し、拡散防止層を形成した。
【００７１】
＜接合＞
次に、半導体チップ３と絶縁性セラミックス基板２との接合面間、及び、絶縁性セラミックス基板２とベースプレート６との接合面間に、インサート材として、急冷単ロール法によって作製したＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金（Ｚｎ−Ａｌ（４．１％）−Ｍｇ（２．５％）、融点：３５２℃）から成る厚さ０．１ｍｍの箔帯を、それぞれ挟んだ。
そして、赤外線加熱方式の拡散接合装置により、５ＭＰａの加圧力の下で、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の金属接合部３ｃ及び裏面金属５とベースプレート６をそれぞれ接合して、実施例１の半導体装置を得た。
【００７２】
［実施例２］
絶縁性セラミック基板の配線金属を厚さ０．５ｍｍの無酸素銅（Ｃｕ）に替え、インサート材を急冷単ロール法によって作製したＺｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金（Ｚｎ−Ａｌ（４％）−Ｃｕ（２％）、融点：３８９℃）から成る厚さ０．１ｍｍの箔帯に替え、さらに、加熱温度を４２０℃にする他は実施例１と同様にして、実施例２の半導体装置を得た。
【００７３】
［実施例３］
絶縁性セラミック基板を以下のものに替え、加熱温度を４６０℃にする他は実施例１と同様にして、実施例３の半導体装置を得た。
【００７４】
＜絶縁性セラミックス基板＞
ＳｉＮから成る厚さ０．６４ｍｍのセラミック基板２の一方の面に、厚さ０．５ｍｍの無酸素銅（Ｃｕ）から成る配線金属２と、
同じく他方の面に厚さ０．５ｍｍの無酸素銅（Ｃｕ）厚さ０．５ｍｍの裏面金属５をそれぞれ形成した。
ダイヤモンド工具を用いて切削加工を行い、ピッチ０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの一方向溝を、配線金属及び裏面金属の表面に形成した。
【００７５】
［実施例４］
拡散防止層を窒化タングステン（ＷＮ）に替える他は実施例１と同様にして、実施例４の半導体装置を得た。
【００７６】
［比較例１］
拡散防止層を形成しない他は、実施例と同様にして、比較例１の半導体装置を得た。
【００７７】
〔評価試験〕    
上記実施例１〜４及び比較例１の半導体装置を、３００℃に保持した恒温槽中に、それぞれ３０００時間保持した後、下記方法によって、接合強度、電気抵抗率及び熱伝導率を測定し、高温保持特性を評価した。
【００７８】
＜接合強度＞
接合強度は、ダイシェア試験にて評価した。試験方法はＪＥＩＴＡ規格（ＥＩＡＪ  ＥＤ−４７０３）に準じた方法で行い、目標強度は、ＩＥＣ規格（ＩＥＣ  ６０７４９−１９）に基づき３０ＭＰａ以上を接合強度（１）とした。
【００７９】
＜電気抵抗率＞
接合界面から局所的に試験片を切り出し、接合界面上下間の電気抵抗率を４端子法にて測定した。測定針を一方はチップ側の接合金属に、他方は接合を行った配線金属側に落とし、その間の電気抵抗を測定した。
【００８０】
＜熱伝導率＞
接合界面から局所的に試験片を切り出し、レーザフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。
【００８１】
【表１】
0006344605.tif 000002
（ａ）電気抵抗率
比較例の場合、バリヤ層がないため恒温槽中での保持によりＺｎが配線金属のＡｌ中に拡散し、その結果、凹部に空隙が増加するため、電気抵抗率は大きく増加しているが、実施例の場合は拡散が防止されるため、初期状態が保たれ、高純度アルミの高い電気伝導率が維持された。
（ｂ）熱伝導率
比較例の場合、バリヤ層がないため恒温槽中での保持によりＺｎが配線金属のＡｌ中に拡散し、その結果、凹部に空隙が増加するため、熱伝導率は大幅に低下しているが、実施例の場合は拡散が抑制されるため、初期状態が保たれ、高純度アルミの高い熱伝導率が維持された。
【符号の説明】
【００８２】
１  半導体装置
２  絶縁性セラミックス基材
２ｃ  金属接合部（配線金属）
２ｆ  拡散防止層
Ｒ  凹凸
３  半導体チップ
３ａ  密着層
３ｂ  バリア層
３ｃ  金属接合部
３ｆ  拡散防止層
４  インサート材
５  裏面金属
６  ベースプレート（冷却体）
【図１】
0006344605.tif 000003
【図２】
0006344605.tif 000004
【図３】
0006344605.tif 000005
【図４】
0006344605.tif 000006
【図５】
0006344605.tif 000007
【図６】
0006344605.tif 000008