(57)【要約】【課題】３００℃以上の高温での使用に耐え得る半導体チップと基板との接合方法を提供する。【解決手段】基板１の表面における銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成した配線層１３上に、スズ、亜鉛、インジウムのいずれかの低融点金属材よりなる低融点金属層３を設け、その上から半導体チップ５を積層する。そして、低融点金属材の融点以上の温度で低融点金属層３を液相状態とし、半導体チップと基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保持する。これによって、低融点金属層３の金属分子を配線層１３の内部に拡散させて液相を消滅させ、配線層１３の金属を主成分とする接合層を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと当該半導体チップが接合される表面を銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成した基板との間に、スズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかの低融点金属材を配置する段階と、
前記低融点金属材の融点以上の温度を与えて前記低融点金属材を液相状態にする段階と、
前記半導体チップと前記基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度に一定時間保つことにより両者を接合する段階と、を有することを特徴とする半導体チップと基板との接合方法。
【請求項２】
前記低融点金属材を配置する段階では、前記半導体チップの前記基板との接合面または前記基板の前記半導体チップとの接合面の少なくとも一方に、前記低融点金属材を用いた低融点金属層を設けることを特徴とする請求項１記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項３】
前記低融点金属材を配置する段階では、前記低融点金属材を用いた低融点金属箔を前記半導体チップと前記基板とで挟んで保持することを特徴とする請求項１記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項４】
前記低融点金属材の厚さは、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項５】
前記所定の温度は、４５０〜６５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項６】
前記所定の圧力は０．０１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項７】
不活性雰囲気中で前記拡散を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項８】
前記半導体チップは、炭化珪素製半導体素子を用いたものであり、前記基板は、窒化珪素または窒化アルミニウムを用いたものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項９】
前記基板の表面に、前記金属材による配線層を形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項１０】
前記基板は、前記金属材を用いて形成されたものであって、
前記基板の表面の材質を当該金属材としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【請求項１１】
前記基板は、銅又は銅合金を用いて形成されたものであって、
前記基板の表面を銀で被覆したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体チップと基板との接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップと基板との接合方法に関し、特に、半導体チップ接合後の基板を搭載した半導体装置が高温で動作する、または高温環境下で使用されることを想定した半導体チップと基板の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置においては、従来、半導体チップとこの半導体チップを取り付ける基板との接合を鉛（Ｐｂ）系またはスズ−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）系のはんだ材料を用いて行っている。
【０００３】
例えばディスクリート型の半導体装置では、半導体チップが銅（Ｃｕ）などを用いた基板の上にこれらのはんだ材料により直接実装されることが一般的である。また、シリコン（Ｓｉ）半導体チップの表面に金（Ａｕ）メッキを反応させて低融点の液相を生じさせ、この液相により半導体チップを基板に接合するいわゆる共晶接合も行われている。
【０００４】
また、モジュール型の半導体装置では、半導体チップと絶縁基板を３００℃付近の融点を有するＰｂ系はんだ材料を用いて接合し、半導体チップと絶縁基板とを一体化した部材を、１８３℃付近の融点を有するＳｎ−Ｐｂ共晶はんだなどの比較的低融点のはんだを用いて放熱板などの他の部材と接合する方法が多く用いられている。
【０００５】
また、近年の鉛フリー化の傾向から、Ｓｎ系のはんだも多用されるようになっている。
【０００６】
一方で半導体装置は、搭載される機器のコンパクト化の要求から、発熱密度が上昇する傾向にある。また、その使用環境も多様化し、高温環境下における使用も行われている。
【０００７】
従来のＳｉ半導体は、その使用可能温度が高々２００℃程度であることから、これを超える温度で使用することは不可能であった。これに対し、近年開発されつつある化合物半導体は、高温においても使用が可能な特性を有するものが多い（たとえば特許文献１参照）。このような半導体は、機器のコンパクト化、高温環境への半導体機器の用途拡大に大きく貢献するものと期待されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２６０４５１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの化合物半導体を３００℃以上の高温で使用した場合には、半導体チップと基板との接合層の耐熱性および熱サイクル特性が許容範囲を超えてしまうという問題がある。この点について、例えば３００℃以上で使用可能な接合材としては、Ａｕ基のはんだ材が存在するが高価であるため、半導体チップの実装というような量産を前提とする場合には適用することができない。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体チップと基板の接合層が３００℃以上の高温での使用に耐え得る半導体チップと基板との接合方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体チップと基板との接合方法は、半導体チップと当該半導体チップが接合される表面を銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材を用いて形成した基板との間に、スズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかの低融点金属材を配置する段階と、前記低融点金属材の融点以上の温度を与えて前記低融点金属材を液相状態にする段階と、前記低融点金属材を挟んだ状態で前記半導体チップと前記基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保つことにより両者を接合する段階と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、半導体チップと基板との間に、低融点金属材を配置し、低融点金属材の融点以上の温度を与えて低融点金属材を液相状態にし、低融点金属材を挟んだ状態で半導体チップと基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保つことで、基板の表面における金属材の内部に低融点金属材の金属分子を十分に拡散させて低融点金属材の液相を消滅させることにより、半導体チップと基板との間に、基板表面の金属材と低融点金属材による脆い金属間化合物が形成されることを抑制し、基板表面の金属を主成分とする金属固溶体をマトリックスとする接合層を形成する。これにより、融点が高いことから高い耐熱性を有し、かつ脆い金属間化合物が存在しないことから熱サイクル特性に優れた接合層を形成することができる。
【００１３】
ここで、低融点金属材にはスズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかを用いるものとし、基板の表面は、低融点金属材との液相拡散接合が可能な銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成するものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本接合方法は、基板と半導体チップとの間に低融点金属材を配置し、低融点金属材を液相状態にし、基板表面の金属材の内部に低融点金属材の金属分子を拡散させて、基板と半導体チップとを接合する方法である。低融点金属材は、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）のうちのいずれかの金属であり、基板表面の金属材は、低融点金属材との液相拡散接合が可能な銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材である。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面においては、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付すものとする。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施の形態では、基板１は、絶縁基板１１の表面に配線層１３を備え、裏面に配線層１５を備える。配線層１３，１５は、銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成される。
【００１７】
本接合方法では、まず、半導体チップ５の基板１との接合面または基板１の半導体チップ５との接合面の少なくとも一方に低融点金属層３を設け、低融点金属層３を挟んだ状態で半導体チップ５と基板１を積層する。図１では、低融点金属層３が基板１の接合面に設けられた状態を示している。低融点金属層３は、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）のうちのいずれかの低融点金属材で形成されるものとする。
【００１８】
次に、低融点金属材の融点以上の所定温度に保つことにより低融点金属層３を液相状態とする。この液相状態の低融点金属層３によって半導体チップ５および基板１の両方を濡らした後、半導体チップ５と基板１とに所定の圧力を与えつつ、所定の温度で３時間保つことで、配線層１３の内部に低融点金属層３の金属分子が入り込むように配線層１３と低融点金属層３を相互に拡散させて低融点金属層３の液相を消滅させ、基板１と半導体チップ５との間に、配線層１３と低融点金属層３による脆い金属間化合物が形成されることを抑制し、配線層１３の金属を主成分とする金属固溶体をマトリックスとする接合層を形成する。
【００１９】
この方法により、接合層は、融点が高くなり高い耐熱性を有するようになる。また、この接合層には、脆い金属間化合物が存在しないので、熱サイクル特性にも優れたものとなる。
【００２０】
低融点金属層３は、基板１の半導体チップ５との接合面、すなわちここでは、配線層１３の表面にメッキ法などにより形成するとよい。なお、メッキ法に代えて、たとえば、真空蒸着法やスパッタ法、また塗布など、その他の薄膜形成技術を用いて形成してもよい。
【００２１】
低融点金属層３の厚さは、１０μｍ以下であることが好ましい。これは、低融点金属層３を１０μｍ以下に薄くすることにより、実工程として許容できる３時間以内の熱処理で上記の接合層の形成を完了するためである。
【００２２】
また、低融点金属層３と配線層１３を相互拡散させて低融点金属層３の液相を消滅させる際の所定温度は、４５０〜６５０℃の範囲とすることが好ましい。このような温度範囲とすることは、実工程として許容できる３時間以内の熱処理で上記の接合層を形成するには重要だからである。
【００２３】
また、半導体チップ５と基板１の接合の際に両者に与える所定の圧力は、０．０１ＭＰａ以上とすることが好ましい。このように接合時に加圧することは、低融点金属層３と基板表面との密着性を高め、接合層中に欠陥が形成されることを抑制できるからである。特に、低融点金属が薄くなる程、その効果は顕著である。なお、加圧の際の上限値は、半導体チップ５や基板１などが加圧により損傷しない程度であればよい。
【００２４】
また、接合処理中は、半導体チップ５と基板１とを不活性雰囲気中に置いて、低融点金属層３と配線層１３を相互に拡散させることが好ましい。これは、低融点金属、特にＳｎおよびＩｎは酸化しやすいため、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気、あるいは真空雰囲気中など、不活性な雰囲気下で行うことにより、接合処理中における酸化を防止することとしたものである。
【００２５】
半導体チップ５としては、Ｓｉ半導体素子、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体素子、またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体素子などの化合物半導体素子を用いる。特に、ＳｉＣ半導体素子は、化合物半導体の中でも高温における耐熱性が最も高く、一般に市販されているものでも６５０℃までは動作上問題がないことから、３００℃以上の高温環境下での使用に耐えることができる。
【００２６】
絶縁基板１１は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなることが好ましい。これは、絶縁基板１１と半導体チップ５との熱膨張差が熱応力の発生要因となることから、絶縁基板１１にＳｉ３Ｎ４やＡｌＮを使用することにより、絶縁基板１１とＳｉＣ製半導体素子を用いた半導体チップ５との熱膨張差を低減し、熱サイクル特性を改善することとしたものである。
【００２７】
したがって、本実施の形態によれば、表面が銅、銅合金、銀のうちのいずれかの金属材で形成された基板１と半導体チップ５との間に、スズ、亜鉛、インジウムのうちのいずれかの低融点金属材を配置し、低融点金属材の融点以上の温度を与えて低融点金属材を液相状態にし、低融点金属材を挟んだ状態で半導体チップと基板とに所定の圧力を印加しつつ所定の温度で一定時間保つことで、基板の表面における金属材の内部に低融点金属材の金属分子を十分に拡散させ、低融点金属材の液相を消滅させることにより、半導体チップと基板との間に、基板表面の金属材と低融点金属材による脆い金属間化合物が形成されることを抑制し、基板表面の金属を主成分とする金属固溶体をマトリックスとする接合層を形成する。これにより、融点が高いことから高い耐熱性を有し、かつ脆い金属間化合物が存在しないことから熱サイクル特性に優れた接合層を形成でき、３００℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【００２８】
特に、本実施の形態では、基板１の配線層１３の上に低融点金属層３を設けることで、液相状態の低融点金属層３によって半導体チップ５および基板１の両方を濡らした後に拡散結合することにより、上記接合層を形成できるようにしている。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図２は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、図１の低融点金属層３に代えて低融点金属箔２１を用いる。低融点金属箔２１は、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはインジウム（Ｉｎ）のいずれかの低融点金属材からなる箔である。図２では、その他図１と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【００３０】
本接合方法は、まず、低融点金属箔２１を半導体チップ５と基板１とで挟むように積層する。ここで、低融点金属箔２１の厚さは、１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍを超えて厚くすると、実工程として許容できる３時間以内の熱処理で上記の接合を完了することができなくなるからである。
【００３１】
そして、低融点金属材の融点以上の温度に保持して低融点金属箔２１を液相状態とする。液相状態の低融点金属箔２１により半導体チップ５および基板１の両方を濡らした後、半導体チップ５と基板１とに所定の圧力を与えつつ、所定の温度で一定時間保つことで、低融点金属箔２１と配線層１３のそれぞれの金属分子を相互拡散させて低融点金属箔２１の液相を消滅させ、半導体チップ５と基板１の間に連続性のある金属間化合物の相を含まない固相の接合層を形成する。
【００３２】
本接合方法は、低融点金属箔２１を用いている点が第１実施形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属箔２１の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ５に用いる半導体素子の種類、絶縁基板１１の材質、配線層１３および１５の材質等については、第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
この方法により、接合層は、融点が高くなり、高い耐熱性を有するようになる。また、この接合層には、脆い金属間化合物が存在しないので、熱サイクル特性に優れたものとなる。
【００３４】
したがって、本実施の形態によれば、第１実施形態のように低融点金属層３を基板１の表面に設けるのではなく、基板１と半導体チップ５とで低融点金属箔２１を挟むようにして積層する方法においても、３００℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【００３５】
（第３の実施の形態）
図３は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、基板１として、配線層を含めて銅により形成したＣｕ基板７を用いる。すなわち、このＣｕ基板７の表面は銅で形成されている。図３では、その他、図１と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【００３６】
本接合方法は、Ｃｕ基板７の半導体チップ５との接合面または半導体チップ５のＣｕ基板７との接合面の少なくとも一方に低融点金属層３を設けた後、この低融点金属層３を介してＣｕ基板１と半導体チップ５を液相拡散接合する方法である。図３では、Ｃｕ基板７の接合面に低融点金属層３を設けた状態を示している。
【００３７】
本接合方法は、Ｃｕ基板７を用いている点が第１実施形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属層３の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ５に用いる半導体素子の種類等については、第１の実施の形態と同様である。
【００３８】
したがって、本実施の形態によれば、このようなＣｕ基板７に半導体チップ５を接合する場合においても、Ｃｕ基板７と半導体チップ５との間に低融点金属層３を配置し液相拡散接合をすることで、３００℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【００３９】
なお、Ｃｕ基板７は、必ずしも純Ｃｕに限らず、他の金属を含むＣｕ合金（たとえばＣｕ−１％Ｃｒ合金など）を用いた基板であってもよいし、また、絶縁基板１１の表面にＣｕ板やＣｕ合金板を貼り付けた構造の基板であってもよい。
【００４０】
（第４の実施の形態）
図４は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、基板１として、Ｃｕ基板７の表面をＡｇ層９で被覆した金属基板を用いる。図４では、その他、図１と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。
【００４１】
本接合方法は、Ａｇ層９の半導体チップ５との接合面または半導体チップ５の基板との接合面の少なくとも一方に低融点金属層３を設けた後、この低融点金属層３を介して基板に半導体チップ５を液相拡散接合する方法である。図４では、Ａｇ層９の接合面に低融点金属層３を設けた状態を示している。
【００４２】
本接合方法は、基板１としてＣｕ基板７にＡｇ層９を設けた金属基板を用いている点が第１の実施の形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属層３の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ５に用いる半導体素子の種類、絶縁基板１１の材質、配線層１３および１５の材質等については、第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
したがって、本実施の形態によれば、このようなＣｕ基板７の表面をＡｇで被覆した金属基板に半導体チップ５を接合する場合でも、Ｃｕ基板７と半導体チップ５との間に低融点金属層３を配置し液相拡散接合をすることで、３００℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【００４４】
なお、Ｃｕ基板７の表面を被覆したＡｇ層９は、通常メッキにより形成されるが、他の方法によって規制されたものであってもよい。また、Ｃｕ基板７も、純Ｃｕに限らず、Ｃｕ合金を用いた基板であってもよいし、また、絶縁基板１１の表面にＣｕ板を貼り付けた構造の基板であってもよい。
【００４５】
（第５の実施の形態）
図５は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態では、第３実施形態の低融点金属層３に代えて低融点金属箔２１を用いる。その他、図３と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【００４６】
本接合方法は、基板１としてＣｕ基板７を用いるとともに、このＣｕ基板７と、半導体チップ５との間に低融点金属箔２１を挟んで積層した後、半導体チップ５とＣｕ基板７を液相拡散接合する方法である。本接合方法は、低融点金属箔２１を用いている点が第３の実施の形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属箔２１の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ５に用いる半導体素子の種類等については、第３の実施の形態と同様である。
【００４７】
したがって、本実施の形態によれば、このようなＣｕ基板７に半導体チップ５を接合する場合でも、Ｃｕ基板７と半導体チップ５との間に低融点金属箔２１を挟んで積層し液相拡散接合をすることで、３００℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【００４８】
（第６の実施の形態）
図６は、本実施形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。本実施形態は、第４実施の形態の低融点金属層３に代えて低融点金属箔２１を用いる。その他、図４と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。
【００４９】
本結合方法は、基板１として、Ｃｕ基板７にＡｇ層９を被覆した金属基板を用い、Ａｇ層９と半導体チップ５との間に低融点金属箔２１を挟んで積層した後、半導体チップ５と金属基板を液相拡散接合する方法である。本接合方法は、低融点金属箔２１を用いる点が第４の実施の形態と異なるのみであり、接合方法やその他の好ましい条件、すなわち、低融点金属箔２１の厚さ、接合処理の温度、圧力、接合処理を不活性雰囲気中で行うこと、半導体チップ５に用いる半導体素子の種類等については、第４の実施の形態と同様である。
【００５０】
したがって、本実施の形態によれば、このようなＣｕ基板７の表面をＡｇで被覆した金属基板と半導体チップ５とを接合する場合でも、金属基板と半導体チップ５との間に低融点金属箔２１を挟んで積層し液相拡散接合をすることで、３００℃以上の高温での使用に耐え得る高耐熱性と熱サイクル特性に優れた接合層を実現できる。
【００５１】
［実施例］
さらに、実施例により本発明を説明する。以下に示す構成を基本構成とし、図７の表に示す接合条件に基づいて構成要素を様々に変更した実施例および比較例となるサンプルを試作し、接合状態、チップの抵抗特性、熱サイクル特性のそれぞれについて評価を実施した。
【００５２】
（基本構成）
基板：基板の寸法は、３０ｍｍ角で厚さ０．６ｍｍとした。Ｃｕ配線層は、２７ｍｍ角で厚さ０．２ｍｍとし、基板にろう付けした。各実施例、各比較例の基板の種類は、図７の表に示す通りであり、実施例１〜１３、比較例１〜６では、絶縁基板の表面にＣｕ配線を備えたものを用い、実施例１４〜１７では金属基板を用いた。絶縁基板は、実施例１〜１２、比較例１〜５ではＳｉ３Ｎ４基板であり、実施例１３では窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、比較例６では酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板である。金属基板は、実施例１４ではＣｕ基板、実施例１５ではＣｕ−１％Ｃｒ基板、実施例１６〜１７ではＡｇメッキされたＣｕ基板である。
【００５３】
半導体チップ：１ｍｍ角で厚さ０．４ｍｍのＳｉＣ半導体チップを用いた。
【００５４】
低融点金属：各実施例、各比較例で用いた低融点金属の種類は図７の表に示す通りである。実施例１〜１１、実施例１３〜１６および比較例１〜６では、それぞれ図７の表に示す低融点金属をＣｕ配線層の半導体チップを接合する側の面にメッキまたは塗布して低融点金属層を形成した。実施例１２および１７では低融点金属箔としてＳｎ箔を用いた。
【００５５】
接合方法：各実施例および各比較例について、図７の表に示すそれぞれの加圧力、接合温度、接合雰囲気条件にて、３時間で液相拡散接合を実施した。
【００５６】
（評価方法）
接合処理の完了後に、接合状態、チップの抵抗特性、接合層の熱サイクル特性のそれぞれについて評価を実施した。図８はその評価結果を示す表である。
【００５７】
接合状態：目視および光学顕微鏡による観察で、接合層のクラックや空隙の有無を調べた。
【００５８】
チップの抵抗特性：所定の電圧における接合前後の抵抗値の変化量を調べ、その変化量が１０％以内であるものを合格とした。
【００５９】
熱サイクル特性：−４０℃と３００℃との間の熱サイクルを繰り返した場合の熱疲労寿命を評価し、実施例２の熱疲労寿命回数の５０％以上を満足した場合を合格とした。
【００６０】
以下、各実施例および比較例の評価結果について説明する。
【００６１】
（実施例１〜３および比較例１〜２）
接合温度を４００℃〜７００℃の範囲で変えて調べた。接合温度を４５０℃〜６５０℃の範囲で実施した実施例１〜３では、３時間の接合処理により、ＳｎがＣｕ配線層中に十分に拡散し、機械的強度に優れたＣｕのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。また、接合前後の抵抗特性の変化も極めて少なった。
【００６２】
一方、４００℃で接合処理を実施した比較例１では、３時間の処理ではＳｎの拡散が不十分なため、接合層中にＳｎ−ｒｉｃｈの脆い金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。また、７００℃で処理した比較例２は、接合温度が高すぎたため、チップの抵抗特性の変化が大きく、不合格であった。
【００６３】
（実施例４〜６および比較例３）
低融点金属層であるＳｎメッキ層の厚さを１〜１５μｍの範囲で変化させて調べた。Ｓｎメッキ層の厚さが１０μｍ以下の実施例４〜６では、３時間の接合処理により、ＳｎがＣｕ配線層中に十分に拡散し、機械的強度に優れたＣｕのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。
【００６４】
一方、Ｓｎメッキ層の厚さが１５μｍの比較例３では、３時間の処理でもＳｎの拡散が不十分なため、接合層中にＳｎ−ｒｉｃｈの脆い金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。
【００６５】
（実施例７〜８および比較例４）
半導体チップと基板に与える圧力を０．００５〜０．０２ＭＰａの範囲で変化させて調べた。圧力が０．１ＭＰａ以上の実施例７〜８では、３時間の接合処理によりＳｎがＣｕ配線層中に十分拡散し、機械的強度に優れたＣｕのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。
【００６６】
一方、加圧力が０．００５ＭＰａの比較例４では、Ｓｎメッキ層とＣｕ配線層との接合面積が十分確保されず、また、接合層にも金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。
【００６７】
（実施例９および比較例５）
接合処理の雰囲気を大気または窒素とした場合について調べた。不活性な窒素雰囲気下で接合を実施した実施例９では、真空雰囲気下で接合処理した場合と同様３時間の接合処理によりＳｎがＣｕ中に十分拡散し、機械的強度に優れたＣｕのα固溶体の接合層が形成され、熱サイクル特性を十分満足した。
【００６８】
一方、大気中で接合処理した比較例５では、接合初期段階におけるＳｎの酸化により、Ｓｎメッキ層とＣｕ配線層との界面に酸化膜が形成されて拡散を阻害するため接合面積が十分に確保されず、また、接合層にも金属間化合物が形成され、熱サイクル特性が不十分であった。
【００６９】
（実施例１０および１１）
低融点金属層としてＩｎを用いた実施例１０、およびＺｎを用いた実施例１１においても、Ｓｎを用いた他の実施例と同様、良好な接合層が得られた。
【００７０】
（実施例１２）
実施例１２では、厚さ５μｍのＳｎ箔を基板のＣｕ配線と半導体チップとの間に挟んだ状態で接合処理を行った。この場合も、他の実施例を同様に、接合状態、チップの抵抗特性、接合体の熱サイクル特性のいずれも良好であった。
【００７１】
（実施例１３および比較例６）
絶縁基板に窒化アルミニウムを用いた実施例１３でも、他の実施例と同様に良好な結果が得られた。
【００７２】
一方、絶縁基板に酸化アルミニウムを使用した比較例６では、半導体チップと絶縁基板との熱膨張差が大きく、熱サイクル特性が不良であった。
【００７３】
（実施例１４〜１７）
Ｃｕ基板にＳｎメッキした実施例１４、Ｃｕ−１％Ｃｒ基板にＳｎメッキした実施例１５、Ｃｕ基板に全面Ａｇメッキした後Ｓｎメッキを施した実施例１６、Ｃｕ基板とチップとの間にＳｎ箔を載置した実施例１７においても、いずれも良好な結果が得られた。この結果から、ＣｕまたはＡｇを表面とする基板に半導体チップ５を実装することも有効であることが確認された。
【００７４】
以上、本発明を適用した実施の形態および実施例について説明したが、本発明は、これらの実施の形態や実施例に限定されるものではない。
【００７５】
例えば、実施例１〜１１，１３〜１６では、低融点金属層を基板側に設けることとしたが、これに代えて、半導体チップ側に設けるようにしてもよい。この場合、半導体チップと基板との接合は、半導体チップの低融点金属層と基板表面の金属とが接するように半導体チップを基板上に積層して、前述したように液相拡散接合を行うようにする。これによって、各実施例と全く同様の効果を得ることができる。
【００７６】
あるいは、半導体チップの接合面と、基板の接合面の両方に低融点金属層を設けるようにしてもよい。この場合も同様の効果を得ることができる。
【００７７】
また、各実施例では、ＳｉＣ半導体チップを用いることとしたが、Ｓｉ半導体チップやその他の化合物半導体を用いるようにしてもよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の接合方法によれば、耐熱性および熱サイクル特性に優れ、３００℃以上の高温での使用に耐え得る半導体チップと基板間の接合層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図２】第２の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図３】第３の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図４】第４の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図５】第５の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図６】第６の実施の形態における半導体チップと基板との接合方法を説明するための断面図である。
【図７】各実施例および各比較例について半導体チップと基板の接合条件を示す表である。
【図８】各実施例および各比較例について接合状態、チップの抵抗特性、熱サイクル特性の評価結果を示す表である。
【符号の説明】
１…基板、３…低融点金属層、
５…半導体チップ、７…Ｃｕ基板、
９…Ａｇ層、１１…絶縁基板、
１３…表面配線層、１３，１５…配線層、
２１…低融点金属箔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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