(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品同士が金属ナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置であって、前記金属ナノ粒子焼結層の内部に、前記電子部品の表面に設けられたメタライズ層を構成する金属が拡散してＴＥＭ−ＥＤＳ分析で前記金属が１０質量％以上１００質量％未満存在する金属拡散領域が形成されており、前記金属拡散領域の厚みが前記メタライズ層の厚みよりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属拡散領域の厚みが、１ｎｍ以上１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属ナノ粒子焼結層が、Ａｇ又はＡｇ合金で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記メタライズ層が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ又はそれらの合金で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
電子部品同士を金属ナノ粒子焼結層を介して電気的に接合する半導体装置の製造方法であって、前記電子部品の表面に設けられたメタライズ層に酸素プラズマ処理又は窒素プラズマ処理を施した後に、加熱加圧による前記接合を行うことにより、前記メタライズ層を構成する金属を前記金属ナノ粒子焼結層の内部に拡散させて前記メタライズ層の厚みよりも小さい厚みを有する金属拡散領域を形成する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
電子部品同士を金属ナノ粒子焼結層を介して電気的に接合する半導体装置の製造方法であって、８０℃以上３５０℃以下の沸点を有する炭化水素系溶剤又はアルコール系溶剤を焼結前の金属ナノ粒子層に塗布した後に、加熱加圧による前記接合を行うことにより、前記電子部品の表面に設けられたメタライズ層を構成する金属を前記金属ナノ粒子焼結層の内部に拡散させて前記メタライズ層の厚みよりも小さい厚みを有する金属拡散領域を形成する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【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】
近年、窒化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の高温動作が可能な半導体素子を用いた半導体装置の開発が行われている。このような半導体装置では、電子部品同士、例えば半導体素子と回路基板とが高い接合強度で接合されることが必要となる。接合強度の優れた接合部を形成する技術として、電子部品同士を金属ナノ粒子接合材を用いて加熱加圧により接合する方法が知られている。【０００３】
例えば、特許文献１には、基材の表面に導体層を有する配線基板の該導体層表面に、粒度分布に２つのピークを持つ銀系金属粉と溶剤とからなるペーストを塗布してペースト層を形成する工程と、該ペースト層の溶剤を乾燥させ配線基板に銀系金属粉の保持層を形成する工程と、該保持層を有する配線基板を加熱し、保持層を構成する銀系金属粉同士を接合させ、連続気泡が分散した銀多孔体層を形成する工程と、有機銀錯体溶液を該銀多孔体層に含浸し、銀多孔体の有機銀錯体含浸層を形成する工程と、該銀多孔体の有機銀錯体含浸層に半導体素子を載置した後、該銀多孔体の有機銀錯体含浸層を有する配線基板を加熱し、該有機銀錯体溶液を還元し接合層を形成する工程を含む半導体モジュールの製造方法が開示されている。【０００４】
特許文献２には、純金又は金合金で形成された電極の表面に、酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含む接合材を、接合する部位に塗布し、加熱することにより該銅塩の水和物を熱分解し、該酸化第二銅を還元する工程を含む、２個の電極間を電気的に接続した接合層を有する電子部品の製造方法が開示されている。【０００５】
特許文献３には、個々の粒子表面が有機物で被覆されたＡｇナノ粒子と個々の粒子表面が有機物で被覆されＡｇよりも硬度が高い金属Ｘナノ粒子とを含む接合材を、接合する電子部品間に配置し加熱処理することによりＡｇナノ粒子と金属Ｘナノ粒子とを焼結させ、Ａｇマトリックス中に金属Ｘが分散した接合層を形成することを含む、半導体装置の製造方法が開示されている。【０００６】
更に、特許文献２及び３に記載されているように、当該技術分野では、電子部品同士をより高い接合強度で接合するには、接合界面付近に金属拡散領域を積極的に形成することが望ましいと考えられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１４／００２９４９号
【特許文献２】特開２０１６−３２０５１号公報
【特許文献３】特開２０１２−１２４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、金属ナノ粒子を焼結させた接合層は、純金属に比べて脆いため、繰り返しの冷熱衝撃に耐えられず、電子部品間を繋ぐように垂直方向にクラックが発生する。垂直方向のクラックは、半導体装置の通電性及び放熱性に大きな影響を与えないが、接合界面に冷熱衝撃が更に加わると、接合界面付近の金属拡散領域において水平方向（平面方向）へのクラック進展を引き起こすことが分かった。この水平方向のクラックは電子部品間を断裂させるため、半導体装置の通電性及び放熱性の悪化を招くという課題があった。【０００９】
従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、繰り返しの冷熱衝撃が加えられても、水平方向のクラック進展を抑制することができる高い接合信頼性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
更に、本発明は、高い接合信頼性を有する半導体装置の製造方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、電子部品の表面に設けられたメタライズ層を構成する金属が金属ナノ粒子焼結層の内部に拡散して形成される金属拡散領域の厚みをメタライズ層の厚みよりも小さくすることで、水平方向のクラック進展を抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。【００１１】
即ち、本発明は、電子部品同士が金属ナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置であって、前記金属ナノ粒子焼結層の内部に、前記電子部品の表面に設けられたメタライズ層を構成する金属が拡散してＴＥＭ−ＥＤＳ分析で前記金属が１０質量％以上１００質量％未満存在する金属拡散領域が形成されており、前記金属拡散領域の厚みが前記メタライズ層の厚みよりも小さいことを特徴とする半導体装置である。なお、本明細書において、電子部品とは、半導体装置を構成する半導体素子、回路基板、リードフレーム、放熱部材等を指す。【００１２】
また、本発明は、電子部品同士を金属ナノ粒子焼結層を介して電気的に接合する半導体装置の製造方法であって、前記電子部品の表面に設けられたメタライズ層に酸素プラズマ処理又は窒素プラズマ処理を施した後に、加熱加圧による前記接合を行うことにより、前記メタライズ層を構成する金属を前記金属ナノ粒子焼結層の内部に拡散させて前記メタライズ層の厚みよりも小さい厚みを有する金属拡散領域を形成する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、繰り返しの冷熱衝撃が加えられても、水平方向のクラック進展を抑制することができる高い接合信頼性を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明によれば、高い接合信頼性を有する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１による半導体装置の模式断面図である。
【図２】実施の形態１による半導体装置における金属ナノ粒子焼結層近傍の部分拡大断面図である。
【図３】実施の形態１による半導体装置における金属ナノ粒子焼結層のＴＥＭ−ＥＤＳ分析結果である。
【図４】実施の形態２によるプラズマ処理後のメタライズ層を備えた半導体素子の模式断面図である。
【図５】実施の形態４による半導体装置における金属ナノ粒子焼結層のＴＥＭ−ＥＤＳ分析結果である。
【図６】冷熱衝撃試験後の実施例１の半導体装置におけるメタライズ層とＡｇナノ粒子焼結層との界面の超音波探傷像である。
【図７】冷熱衝撃試験後の金属ナノ粒子焼結層内でのクラックの発生状況を模式的に表した図である。
【図８】実施例及び比較例で作製した半導体装置（メタライズ層の厚み：１００ｎｍ）の金属拡散領域の厚みとクラック面積率との関係を表すグラフである。
【図９】実施例及び比較例で作製した半導体装置（メタライズ層の厚み：５０ｎｍ）の金属拡散領域の厚みとクラック面積率との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による半導体装置の模式断面図である。図１に示されるように、実施の形態１による半導体装置では、回路基板１の表面に設けられた金属電極２と、半導体素子３の表面に設けられたメタライズ層４とが、金属ナノ粒子焼結層５を介して電気的に接合されている。
【００１６】
回路基板１の材質としては、半導体装置において回路基板として一般的に用いられているものであれば特に限定されないが、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、銅モリブデン合金等が挙げられる。
【００１７】
金属電極２は、半導体装置において電極として一般的に用いられているものであれば特に限定されないが、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ又はこれらの金属を主体とする合金で形成することができる。また、金属電極２は、Ｃｕ及びＮｉ以外の金属表面にめっき、スパッタ等の手法を用いてＣｕ膜又はＮｉ膜を形成したものであってもよい。金属電極２は、金属ナノ粒子焼結層５の厚みに比べて十分に厚い厚み（具体的には金属ナノ粒子焼結層５の厚みの５倍以上の厚み）を有することが必要であり、０．３ｍｍ以上の厚みを有することが好ましい。金属電極２の厚みは、通常、１ｍｍ以下である。
【００１８】
半導体素子３としては、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、サイリスタ等が挙げられる。実施の形態１による半導体装置は、高温動作環境下でその性能を発揮することから、シリコン（Ｓｉ）と較べてバンドギャップが広い材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料及びダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体材料を用いた半導体素子に適している。
【００１９】
メタライズ層４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ又はこれらの金属を主体とする合金で形成することができる。メタライズ層４の厚みは、通常、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００２０】
金属ナノ粒子焼結層５は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はこれらの金属を主体とする合金のナノ粒子の表面を炭化水素系、アミン系、アルコール系等の有機保護材で被覆した有機被覆金属ナノ粒子と溶剤とを含有するペーストを、金属電極２又はメタライズ層４上に塗布して金属ナノ粒子層を形成した後、これを焼結させることにより形成される。具体的には、金属ナノ粒子焼結層５は、上記金属ナノ粒子層に０．１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下の圧力を加えながら２００℃以上３５０℃以下の温度に３０秒以上３０分以下加熱することで焼結させることができる。実際の量産を考えると、加熱時間は１０分以下とすることが望ましい。金属ナノ粒子焼結層５の厚みは、通常、０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。金属ナノ粒子としては、化学的に安定であり且つ扱い易いという点で、Ａｇナノ粒子及びＡｇ合金ナノ粒子が好ましい。ペースト化するのに用いる溶剤としては、プロパノールのようなアルコール、ベンゼン、アセトン、トルエン、キシレン、エーテル、石油エーテル等が挙げられる。上記ペーストを塗布する方法は、特に限定されるものではないが、スクリーン印刷、ディスペンサ塗布等が挙げられる。
【００２１】
図２は、実施の形態１による半導体装置における金属ナノ粒子焼結層５近傍の部分拡大断面図である。図２に示されるように、金属ナノ粒子焼結層５内のメタライズ層４と接する側には、メタライズ層４を構成する金属が焼結時の加熱により拡散した金属拡散領域１１が所定の厚みで形成されている。また、金属ナノ粒子焼結層５内の金属電極２と接する側には、金属電極２を構成する金属が焼結時の加熱により拡散した金属拡散領域１１’が形成されている。この金属拡散領域１１を、ＴＥＭ−ＥＤＳ分析でメタライズ層４を構成する金属が１０質量％以上１００質量％未満存在する領域と定義したときに、実施の形態１による半導体装置では、金属拡散領域１１の厚みがメタライズ層４の厚みより小さく設定されている。このように金属拡散領域１１の厚みをメタライズ層４の厚みより小さくすることで、繰り返しの冷熱衝撃が加えられても、水平方向のクラック進展を抑制することができ、高い接合信頼性を有する半導体装置とすることができる。また、金属拡散領域１１’の厚みは、１ｎｍ以上１００ｎｍ未満である。金属拡散領域１１及び金属拡散領域１１’の厚みは、金属ナノ粒子層を焼結させる際の圧力、加熱温度及び加熱時間（接合時間）を変えることによって制御することができる。図３は、メタライズ層４を厚み２００ｎｍのＡｕとし、金属ナノ粒子層を焼結させる際の圧力を５ＭＰａ、加熱温度を３００℃、加熱時間を５分とし、Ａｇナノ粒子を用いて金属ナノ粒子焼結層５を厚み０．０５ｍｍで形成した場合の金属ナノ粒子焼結層５内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析した結果である。ここでの金属拡散領域１１の厚みはＴＥＭ−ＥＤＳ分析結果から１１０ｎｍと求めることができる。水平方向のクラック進展をより抑制するという点から、金属拡散領域１１の厚みは１ｎｍ以上１００ｎｍ未満であることが好ましい。
【００２２】
また、半導体素子３の表面に設けられるメタライズ層４の厚みが小さい場合、具体的には１００ｎｍ未満である場合、金属ナノ粒子層を焼結させる際の圧力、加熱温度及び加熱時間（接合時間）を変えるだけでなく、後述する実施の形態２〜４の構成を採用することで、金属拡散領域１１の厚みを制御することが好ましい。
【００２３】
なお、実施の形態１では、回路基板１の表面に設けられた金属電極２と半導体素子３の表面に設けられたメタライズ層４とが金属ナノ粒子焼結層５を介して電気的に接合された半導体装置を例に挙げて説明したが、電子部品同士が金属ナノ粒子焼結層５を介して電気的に接合された半導体装置であればこれに限定されるものではない。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２による半導体装置は、金属拡散領域１１の厚みを制御する方法が実施の形態１と異なる。つまり、実施の形態２では、実施の形態１で説明したペーストをメタライズ層４上に塗布する前に、メタライズ層４に酸素プラズマ処理又は窒素プラズマ処理を予め施しておくことで、金属拡散領域１１の厚みを制御する。
【００２５】
酸素プラズマ処理又は窒素プラズマ処理は、Ｏ2プラズマ雰囲気、Ｎ2プラズマ雰囲気又はそれらの混合ガスのプラズマ雰囲気下にメタライズ層４を曝すことにより実施することができる。Ｎ2プラズマは、最表面をエッチングして活性な面を露出させ、大気中の室温環境下で薄い金属酸化膜を形成する。また、Ｏ2プラズマは、最表面をエッチングして活性な面を露出させると同時に、最表面に薄い金属酸化膜を形成する。Ｎ2とＯ2との混合ガスのプラズマは、両方の性能が発現する。この時のプラズマ発生装置の周波数は１００ｋＨｚ以上２．４５ＧＨｚ以下であればよいが、半導体素子３へのダメージを抑制するには１３．５６ＭＨｚ以上の高周波数帯でプラズマ処理することが好ましい。最表面に形成される薄い金属酸化膜は１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚みを有する。図４は、プラズマ処理後のメタライズ層４を備えた半導体素子３の模式断面図である。プラズマ処理により薄い金属酸化膜１２が形成されると、金属ナノ粒子層を焼結させる際に、薄い金属酸化膜１２が除去されてから接合するというプロセスになるため、金属拡散領域１１を形成するまで（メタライズ層４を構成する金属が金属ナノ粒子焼結層５内部に拡散するまで）に長い加熱時間（焼結時間）が必要になる。そのため、金属拡散領域１１の成長（金属拡散領域１１の厚みの増大）が抑制される。更に、プラズマ処理後のメタライズ層４の表面には１μｍ以下の微細な凹凸が形成される。この微細な凹凸は、半導体素子３との界面において水平方向のクラック進展の障壁となるため、プラズマ処理を施していない平坦なメタライズ層４の場合に比べて水平方向のクラック進展が抑制される。
その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態３による半導体装置は、金属拡散領域１１の厚みを制御する方法が実施の形態１と異なる。つまり、実施の形態３では、実施の形態１で説明した焼結前の金属ナノ粒子層に、１００℃以上３５０以下の沸点を有する炭化水素系溶剤又はアルコール系溶剤を塗布しておくことで、金属拡散領域１１の厚みを制御する。
【００２７】
実施の形態１で説明したように、金属ナノ粒子層を形成する際に用いる金属ナノ粒子の表面は有機保護材で被覆されている。この有機被覆は、通常、１００℃以上の温度で燃焼するように設計されており、有機被覆の燃焼と同時に金属ナノ粒子の焼結反応が開始される。そのため、有機被覆の燃焼が開始される温度と同じか、又はそれ以上の沸点を有する有機溶剤を焼結前の金属ナノ粒子層に塗布（滴下）しておくことで、金属ナノ粒子の焼結が開始されると同時か、又はやや遅れて有機溶剤が気化し、その気化に伴ってメタライズ層４及び金属電極２の活性な面が金属ナノ粒子焼結層５との界面に提供されることとなる。この有機溶剤は、沸点に達するまで金属拡散領域１１の成長（金属拡散領域１１の厚みの増大）を抑制するので、金属拡散領域１１の厚みが制御される。
【００２８】
使用される有機溶剤としては、８０℃以上３５０℃以下の沸点を有する炭化水素系溶剤又はアルコール系溶剤が好ましい。このような有機溶剤の具体例としては、ヘプタン（Ｃ7Ｈ16、沸点９８℃）、オクタン（Ｃ8Ｈ18、沸点１２６℃）、ノナン（Ｃ9Ｈ20、沸点１５１℃）、デカン（Ｃ10Ｈ22、沸点１７４℃）、ウンデカン（Ｃ11Ｈ24、沸点１９６℃）、ドデカン（Ｃ12Ｈ26、沸点２１６℃）、トリデカン（Ｃ13Ｈ28、沸点２３０℃）、テトラデカン（Ｃ14Ｈ30、沸点２５１℃）、ペンタデカン（Ｃ15Ｈ32、沸点２６８℃）、ヘキサデカン（Ｃ16Ｈ34、沸点２８０℃）、ヘプタデカン（Ｃ17Ｈ36、沸点３０３℃）等のアルカン、これらのアルカンの１つの水素を１つのヒドロキシル基（−ＯＨ）で置換したアルコールが挙げられる。これらの有機溶剤は、単独で使用してもよいし、又は２種以上を混合して用いてもよい。なお、これらの有機溶剤が気化した際に回路基板１の周囲に付着することがあるが、それらは洗浄剤で容易に除去することができる。洗浄剤としては、酸性、中性及びアルカリ性のいずれであってもよいが、半導体素子３への影響を考慮すると中性（ｐＨ値が６〜９の間）の洗浄剤が好ましい。
その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００２９】
実施の形態４．
実施の形態４による半導体装置は、金属拡散領域１１の厚みを制御する方法が実施の形態１と異なる。つまり、実施の形態４では、金属ナノ粒子焼結層５の金属と相互拡散し難い金属でメタライズ層４を形成することで、金属拡散領域１１の厚みを制御する。
【００３０】
金属の種類が異なれば金属の原子半径も異なるため、母材金属に拡散し易い金属と拡散し難い金属が存在する。例えば、金属ナノ粒子としてＡｇナノ粒子又はＡｇ合金ナノ粒子を用いて金属ナノ粒子焼結層５を形成する場合、メタライズ層４は、Ａｇ又はＡｇ合金と相互拡散し難い金属であるＣｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ又はそれらの合金で形成することが好ましい。このような金属でメタライズ層４を形成することで、メタライズ層４を構成する金属が金属ナノ粒子焼結層５の内部に拡散し難くなるので、金属拡散領域１１の成長（金属拡散領域１１の厚みの増大）が抑制される。図５は、メタライズ層４を厚み２００ｎｍのＣｕとし、金属ナノ粒子層を焼結させる際の圧力を５ＭＰａ、加熱温度を３００℃、加熱時間を３０分とし、Ａｇナノ粒子を用いて金属ナノ粒子焼結層５を厚み０．０５ｍｍで形成した場合の金属ナノ粒子焼結層５内部におけるＣｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析した結果である。このようにＡｇとＣｕとは相互拡散し難い金属であるため、金属拡散領域１１の厚みを１００ｎｍ未満に制御することができる。
その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【実施例】
【００３１】
〔実施例１〕
回路基板の表面に設けられた厚み０．３ｍｍのＣｕからなる金属電極と、半導体素子の表面に設けられた厚み１００ｎｍのＡｕからなるメタライズ層との間に配置されたＡｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２５０℃で５分加熱することによって、金属電極とメタライズ層とが厚み０．０５ｍｍのＡｇナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは８０ｎｍであった。【００３２】
〔実施例２〕
Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２００℃で５分加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは４０ｎｍであった。【００３３】
〔実施例３〕
メタライズ層の厚みを５０ｎｍに変更し、Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２００℃で５分加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは４０ｎｍであった。【００３４】
〔実施例４〕
Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２００℃で２分加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは２０ｎｍであった。【００３５】
〔実施例５〕
Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２００℃で３０秒加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１０ｎｍであった。【００３６】
〔実施例６〕
Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら１８０℃で３０秒加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１ｎｍであった。【００３７】
〔実施例７〕
メタライズ層の厚みを５０ｎｍに変更し、Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２００℃で２分加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは２０ｎｍであった。【００３８】
〔実施例８〕
メタライズ層の厚みを５０ｎｍに変更し、Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら２００℃で３０秒加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１０ｎｍであった。【００３９】
〔実施例９〕
メタライズ層の厚みを５０ｎｍに変更し、Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら１８０℃で３０秒加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１ｎｍであった。【００４０】
〔比較例１〕
Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら３００℃で３０分加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１２０ｎｍであった。【００４１】
〔比較例２〕
メタライズ層の厚みを５０ｎｍに変更し、Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら３００℃で３０分加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１２０ｎｍであった。【００４２】
〔比較例３〕
Ａｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら３００℃で２０秒加熱したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１００ｎｍであった。【００４３】
〔比較例４〕
メタライズ層の厚みを５０ｎｍに変更したこと以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＡｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは５０ｎｍであった。【００４４】
上記で作製された半導体装置について、−５５℃〜１７５℃（１サイクル：−５５℃で１５分保持／１７５℃で１５分保持）の冷熱衝撃試験を実施した。図６は、６００サイクルの冷熱衝撃試験後の実施例１の半導体装置におけるメタライズ層とＡｇナノ粒子焼結層との界面を、半導体素子３の上面側から超音波探傷の非破壊検査で観察した結果である。図７は、冷熱衝撃試験後の金属ナノ粒子焼結層内でのクラックの発生状況を模式的に表したものである。超音波探傷像は、半導体素子の面内のクラック、つまり水平方向のクラックに対して感度が良好である。よって、図６の暗い部分は、接合している箇所を表しており、図６の白い部分は、図７に示されるような金属拡散領域１１において水平方向のクラック２０が生じている箇所を表していると特定することができる。この手法を用いると水平方向のクラック進展の状況を面積割合として非破壊で求めることが可能である。冷熱衝撃試験後の各半導体装置について、図６に示されるような白い部分が全体に占める面積割合をクラック面積率として算出した。また、冷熱衝撃試験後の各半導体装置の熱抵抗を測定し、温度上昇が認められないものを接合信頼性が良好（○）と評価し、温度上昇が認められるものを接合信頼性が不良（×）と評価した。これらの結果を表１に示す。また、表１に示した結果のうち、メタライズ層の厚みが１００ｎｍである半導体装置の金属拡散領域の厚みとクラック面積率との関係を図８に示し、メタライズ層の厚みが５０ｎｍである半導体装置の金属拡散領域の厚みとクラック面積率との関係を図９に示した。【００４５】
【表１】
0006403930.tif 000002
【００４６】
表１から分かるように、比較例１〜比較例４の半導体装置は、金属拡散領域の厚みがメタライズ層の厚みよりも大きいか又は金属拡散領域の厚みがメタライズ層の厚みと同じであるため、クラック面積率は１８％以上となり、また、接合信頼性も不良であった。実施例１〜実施例９の半導体装置はいずれも金属拡散領域の厚みがメタライズ層の厚みよりも小さいため、クラック面積率は１０％未満となり、また、接合信頼性も良好であった。【００４７】
〔実施例１０〕
回路基板の表面に設けられた厚み０．３ｍｍのＣｕからなる金属電極と、半導体素子の表面に設けられた厚み２００ｎｍのＣｕからなるメタライズ層との間に配置されたＡｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら３００℃で５分加熱することによって、金属電極とメタライズ層とが厚み０．０５ｍｍのＡｇナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＣｕの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１０ｎｍであった。【００４８】
〔実施例１１〕
回路基板の表面に設けられた厚み０．３ｍｍのＣｕからなる金属電極と、半導体素子の表面に設けられた厚み２００ｎｍのＮｉからなるメタライズ層との間に配置されたＡｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら３００℃で５分加熱することによって、金属電極とメタライズ層とが厚み０．０５ｍｍのＡｇナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＮｉの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１０ｎｍであった。【００４９】
〔実施例１２〕
回路基板の表面に設けられた厚み０．３ｍｍのＣｕからなる金属電極と、半導体素子の表面に設けられた厚み２００ｎｍのＴｉからなるメタライズ層との間に配置されたＡｇナノ粒子層に５ＭＰａの圧力を加えながら３００℃で５分加熱することによって、金属電極とメタライズ層とが厚み０．０５ｍｍのＡｇナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置を作製した。Ａｇナノ粒子焼結層内部におけるＴｉの拡散状態をＴＥＭ−ＥＤＳで分析したところ、金属拡散領域の厚みは１０ｎｍであった。【００５０】
実施例１と同様に、冷熱衝撃試験後の各半導体装置についてクラック面積率を求めると共に、接合信頼性を評価した。結果を表２に示す。【００５１】
【表２】
0006403930.tif 000003
【００５２】
表２から分かるように、実施例４、実施例５及び実施例６の半導体装置ではいずれも金属拡散領域の厚みが３０ｎｍ未満であり、メタライズ層の厚みよりも小さいため、クラック面積率は１０％未満となり、また、接合信頼性も良好であった。【００５３】
なお、本国際出願は、２０１７年３月２４日に出願した日本国特許出願第２０１７−０５９４６４号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本国際出願に援用する。
【符号の説明】
【００５４】
１  回路基板、２  金属電極、３  半導体素子、４  メタライズ層、５  金属ナノ粒子焼結層、１１  金属拡散領域、１１’  金属拡散領域、１２  薄い金属酸化膜、２０  クラック。
【要約】
電子部品同士が金属ナノ粒子焼結層を介して電気的に接合された半導体装置において、前記金属ナノ粒子焼結層の内部に、前記電子部品の表面に設けられたメタライズ層を構成する金属が拡散してＴＥＭ−ＥＤＳ分析で前記金属が１０質量％以上１００質量％未満存在する金属拡散領域が形成されており、前記金属拡散領域の厚みを前記メタライズ層の厚みよりも小さくする。【図１】
0006403930.tif 000004
【図２】
0006403930.tif 000005
【図３】
0006403930.tif 000006
【図４】
0006403930.tif 000007
【図５】
0006403930.tif 000008
【図６】
0006403930.tif 000009
【図７】
0006403930.tif 000010
【図８】
0006403930.tif 000011
【図９】
0006403930.tif 000012