(57)【要約】【課題】半導体装置におけるガラス組成物と電極との接着性を向上する。【解決手段】半導体装置は、セラミック基板と、セラミック基板の表面に形成された電極部であって、第１の金属により形成された電極と、第１の金属とは異なる第２の金属の酸化物により形成され電極の表面の少なくとも一部を覆うカバー部と、を有する電極部と、電極と電気的に接続された半導体素子と、ガラス組成物を含有し、セラミック基板の表面のうちの電極が形成された部分を除く少なくとも一部とカバー部の表面の少なくとも一部と半導体素子の表面の少なくとも一部とにそれぞれ接着され、セラミック基板の表面から半導体素子の表面までに亘って配置されているガラス封着層と、を備え、第２の金属の酸素解離圧は、第１の金属の酸素解離圧よりも小さい。【選択図】図１
2017011213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と、
前記セラミック基板の表面に形成された電極部であって、第１の金属により形成された電極と、前記第１の金属とは異なる第２の金属の酸化物により形成され、前記電極の表面の少なくとも一部を覆うカバー部と、を有する電極部と、
前記電極と電気的に接続された半導体素子と、
ガラス組成物を含有し、前記セラミック基板の表面のうちの前記電極が形成された部分を除く少なくとも一部と、前記カバー部の表面の少なくとも一部と、前記半導体素子の表面の少なくとも一部と、にそれぞれ接着され、前記セラミック基板の表面から前記半導体素子の表面までに亘って配置されているガラス封着層と、
を備える半導体装置であって、
前記第２の金属の酸素解離圧は、前記第１の金属の酸素解離圧よりも小さい、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の金属は、銅（Ｃｕ）であり、
前記第２の金属は、クロム（Ｃｒ）と、チタニウム（Ｔｉ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
前記カバー部には、前記電極から前記半導体素子に向かう方向に沿って貫通孔が形成されており、
前記貫通孔に収容され、前記半導体素子と前記電極とにそれぞれ接して前記半導体素子と前記電極とを導通させる導電接続部を、更に備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
（ａ）セラミック基板の表面に、第１の金属により形成された電極を形成する工程と、
（ｂ）前記電極の表面の少なくとも一部を、前記第１の金属とは異なる第２の金属により形成された金属部によって覆う工程と、
（ｃ）前記電極と半導体素子とを電気的に接続する工程と、
（ｄ）ガラス組成物を、前記セラミック基板上に配置する工程と、
を備える半導体装置の製造方法であって、
（ｅ）前記工程（ｄ）後の前記ガラス組成物と前記金属部とを加熱することにより、
前記金属部の表面をなす前記第２の金属を酸化させ、且つ、
前記セラミック基板の表面のうちの前記電極が形成された部分を除く少なくとも一部と、前記第２の金属の酸化により形成されるカバー部の表面の少なくとも一部と、前記半導体素子の表面の少なくとも一部と、にそれぞれ前記ガラス組成物を接着させて、前記セラミック基板の表面から前記半導体素子の表面までに亘って配置されるガラス封着層を形成する、工程をさらに備え、
前記第２の金属の酸素解離圧は、前記第１の金属の酸素解離圧よりも小さい、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｅ）は、前記第１の金属の酸素解離圧よりも小さく且つ前記第２の金属の酸素解離圧以上の雰囲気において、前記工程（ｄ）後の前記ガラス組成物と前記金属部とを加熱する工程を含む、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、セラミック基板を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御に用いられるパワーモジュール等の半導体装置として、セラミックス基板上に形成された薄膜状の電極と半導体素子とをフリップチップ接合し、かかる接合部分を除いたセラミックス基板から半導体素子までの間を、ガラス組成物で封着した構成を有する半導体装置が提案されている（特許文献１，２）。近年、このような半導体装置において、電流増大化に伴う発熱量の増加を抑制するため、電極の線幅や膜厚を増大させて電極の電気抵抗を低減させる手法が用いられることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−３３８０３号公報
【特許文献２】特開２０１３−５１３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セラミックス基板上に形成される電極は、一般に、銅（Ｃｕ）等の金属により形成されており、ガラス組成物との接着性は低い。このため、電極の線幅や膜厚が増大して電極の表面積が増大すると、ガラス組成物と電極との接触面積が増大して接着性が大きく低下するという問題があった。このような問題は、電力制御用の半導体装置に限らず任意の用途で用いられる半導体装置に共通する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は：セラミック基板と；前記セラミック基板の表面に形成された電極部であって、第１の金属により形成された電極と、前記第１の金属とは異なる第２の金属の酸化物により形成され、前記電極の表面の少なくとも一部を覆うカバー部と、を有する電極部と；前記電極と電気的に接続された半導体素子と；ガラス組成物を含有し、前記セラミック基板の表面のうちの前記電極が形成された部分を除く少なくとも一部と、前記カバー部の表面の少なくとも一部と、前記半導体素子の表面の少なくとも一部と、にそれぞれ接着され、前記セラミック基板の表面から前記半導体素子の表面までに亘って配置されているガラス封着層と；を備え、前記第２の金属の酸素解離圧は、前記第１の金属の酸素解離圧よりも小さい、ことを特徴とする。
この形態の半導体装置によれば、セラミック基板の表面上に形成された電極部が有する電極は、第２の金属の酸化物により形成されたカバー部によって少なくとも一部が覆われるので、電極がカバー部により覆われていない構成に比べて、電極部とガラス封着層との接着性を向上できる。また、第２の金属の酸素解離圧は、第１の金属の酸素解離圧よりも小さいので、第２の金属は第１の金属よりも酸化し易い。したがって、電極は酸化せずに第２の金属が酸化する状態を容易に作り出せると共に、かかる状態を容易に維持できる。このため、電極も酸化する構成に比べて電極の電気抵抗が増大することを抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の半導体装置において、前記第１の金属は、銅（Ｃｕ）であり、前記第２の金属は、クロム（Ｃｒ）と、チタニウム（Ｔｉ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、のうちの少なくとも１つを含むことを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、銅（Ｃｕ）により電極を形成した構成において、銅（Ｃｕ）よりも酸素解離圧が小さなクロム（Ｃｒ）と、チタニウム（Ｔｉ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、のうちの少なくとも１つを含む金属の酸化物により電極の少なくとも一部が覆われるので、電極部とガラス封着層との接着性を向上できる。
【０００８】
（３）上記形態の半導体装置において、前記カバー部には、前記電極から前記半導体素子に向かう方向に沿って貫通孔が形成されており、前記貫通孔に収容され、前記半導体素子と前記電極とにそれぞれ接して前記半導体素子と前記電極とを導通させる導電接続部を、更に備えることを特徴としてもよい。この形態の半導体装置によれば、導電接続部は、カバー部に形成されている貫通孔に収容され、半導体素子と電極とにそれぞれ直接接しているので、カバー部を介して半導体素子と電極とを導通させる構成に比べて、半導体素子と電極との間の電気抵抗を低減できる。
【０００９】
（４）本発明の他の形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、（ａ）セラミック基板の表面に、第１の金属により形成された電極を形成する工程と；（ｂ）前記電極の表面の少なくとも一部を、前記第１の金属とは異なる第２の金属により形成された金属部によって覆う工程と；（ｃ）前記電極と半導体素子とを電気的に接続する工程と；（ｄ）ガラス組成物を、前記セラミック基板上に配置する工程と；を備え、（ｅ）前記工程（ｄ）後の前記ガラス組成物と前記金属部とを加熱することにより、前記金属部の表面をなす前記第２の金属を酸化させ、且つ、前記セラミック基板の表面のうちの前記電極が形成された部分を除く少なくとも一部と、前記第２の金属の酸化により形成されるカバー部の表面の少なくとも一部と、前記半導体素子の表面の少なくとも一部と、にそれぞれ前記ガラス組成物を接着させて、前記セラミック基板の表面から前記半導体素子の表面までに亘って配置されるガラス封着層を形成する、工程をさらに備え、前記第２の金属の酸素解離圧は、前記第１の金属の酸素解離圧よりも小さい、ことを特徴とする。
この形態の半導体装置の製造方法によれば、電極を形成する第１の金属の酸素解離圧よりも小さな酸素解離圧の第２の金属によって形成された金属部によって電極の表面の少なくとも一部を覆い、その後、金属部を加熱するので、第２の金属の酸化によりカバー部を形成しつつ第１の金属で形成されている電極の酸化を抑制できる。このため、カバー部とガラス封着層との接着性を向上できると共に、第１の金属の酸化に伴う電極の電気抵抗の増大を抑制できる。加えて、工程（ｅ）において、ガラス組成物と金属部とを加熱することにより、カバー部の形成とガラス封着層の形成とを同時に行なうことができ、半導体装置の製造時間を短縮できる。
【００１０】
（５）上記半導体装置の製造方法において、前記工程（ｅ）は、前記第１の金属の酸素解離圧よりも小さく且つ前記第２の金属の酸素解離圧以上の雰囲気において、前記工程（ｄ）後の前記ガラス組成物と前記金属部とを加熱する工程を含んでもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、第１の金属の酸素解離圧よりも小さく且つ第２の金属の酸素解離圧以上の雰囲気において金属部を加熱するので、カバー部を形成しつつ電極（第１の金属）の酸化をより確実に抑制できる。
【００１１】
本発明は、半導体装置、および半導体装置の製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、パワーモジュールや、半導体装置を搭載した電気自動車，電車，および工作機械等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】半導体装置１００の製造手順を示す工程表である。
【図３】図２に示す工程Ｓ３０の詳細手順を示す工程表である。
【図４】半導体装置１００の製造手順を、中間生成物を用いて模式的に表す説明図である。
【図５】変形例１における半導体装置１００ａの構成を示す断面図である。
【図６】変形例２における半導体装置１００ｂの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ａ．実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を示す断面図である。半導体装置１００は、半導体素子５０と、２つの半導体基板（第１のセラミック基板１１０および第２のセラミック基板１２０）と、２つの電極部（第１の電極部１０および第２の電極部２０）と、複数の第１の導電接続部４１と、複数の第２の導電接続部４２と、ガラス封着層１３０とを備えている。なお、半導体装置１００は、複数の半導体素子５０を有しており、各半導体素子５０を中心とした半導体装置１００の構成は、互いに同様である。図１では、図示の便宜上、これら複数の半導体素子５０のうちの１つの半導体素子５０に注目して、かかる半導体素子５０を中心とした半導体装置１００の構成を表している。半導体装置１００は、いわゆるパワー半導体装置であり、電気自動車や電車や工作機械等における電力制御等に用いられる。図１に示す各機能部の厚さ（Ｚ軸と平行な方向の長さ）の相対的な大きさはあくまでも一例であり、任意に変更可能である。なお、電力制御用に限らず任意の用途に用いられる半導体装置に、本発明を適用してもよい。
【００１４】
半導体素子５０は、いわゆるパワーデバイスであり、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)や、ダイオード（ショットキーバリアダイオード等）等により構成される。半導体素子５０は、ガラス封着層１３０の略中央部に形成されたキャビティ内に配置されている。
【００１５】
第１のセラミック基板１１０および第２のセラミック基板１２０は、いずれもセラミックス材料により薄板状に形成されている。セラミック材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などが用いられる。
【００１６】
第１のセラミック基板１１０の面Ｓｆ１には、第１の電極部１０が形成されている。また、かかる面Ｓｆ１のうち、第１の電極部１０が形成されている部分を除く他の部分は、ガラス封着層１３０と接着している。第１のセラミック基板１１０において面Ｓｆ１とは反対側の面Ｓｆ２には、第１の電極部１０と同様な図示しない電極部が形成され、かかる電極部に制御回路やコンデンサ等の図示しない電子部品が電気的に接続される。第１のセラミック基板１１０の中央には、厚さ方向（Ｚ軸と平行な方向）に貫通して、２つの面Ｓｆ１，Ｓｆ２間を導通する貫通電極１１２を備えている。面Ｓｆ２に形成された図示しない電極部は、貫通電極１１２を介して第１の電極部１０と電気的に接続される。第１のセラミック基板１１０、第１の電極部１０および面Ｓｆ２に形成された図示しない電極部により、半導体素子５０との間での電力や信号のやりとりを行なうための配線基板が構成される。
【００１７】
第２のセラミック基板１２０の一方の面Ｓｆ３には、第２の電極部２０が形成されている。また、かかる面Ｓｆ３のうち、第２の電極部２０が形成されている部分を除く他の部分は、ガラス封着層１３０と接着している。第２のセラミック基板１２０において面Ｓｆ３とは反対側の面Ｓｆ４には、第２の電極部２０と同様な図示しない電極部が形成されている。第２のセラミック基板１２０、第２の電極部２０および面Ｓｆ４に形成された図示しない電極部により、半導体素子５０の熱を外部に放熱するための放熱基板が構成される。
【００１８】
第１の電極部１０は、薄膜状の外観形状を有し、第１のセラミック基板１１０の表面（面Ｓｆ１）に形成されている。第１の電極部１０の厚さ（Ｚ軸と平行な方向の長さ）は、１００〜１５０μｍである。第１の電極部１０は、第１の電極１１と第１のカバー部１２とを備えている。第１の電極１１は、第１の金属により形成された薄膜状の外観形状を有する。本実施形態では、第１の金属は、銅（Ｃｕ）である。第１の電極１１は、第１のセラミック基板１１０の面Ｓｆ１に接している。
【００１９】
第１のカバー部１２は、第１の電極１１の表面のうち、面Ｓｆ１と接する面を除く他の面を覆っている。第１のカバー部１２は、第２の金属の酸化物により形成されている。第２の金属は、第１の金属である銅（Ｃｕ）の酸素解離圧よりも小さな酸素解離圧を有する金属であり、本実施形態では、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）のうちのいずれかの金属である。したがって、本実施形態において、第１のカバー部は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化チタニウム（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかにより形成されている。
【００２０】
下記表１は、半導体装置１００において電極１１，２１またはカバー部１２，２２として用いられる可能性がある金属を含む複数の金属について、その酸化物と、６５０℃における酸素解離圧とを示す。
【００２１】
【表１】
2017011213.tif 000003
【００２２】
例えば、クロム（Ｃｒ）の酸素解離圧は、６５０℃の温度環境下（後述する焼成温度環境下）において３．７８６５×１０−２９Ｐａ（パスカル）であり、銅（Ｃｕ）の６５０℃の温度環境下における酸素解離圧である５．６７２１×１０−４Ｐａよりも小さい。酸素解離圧は、酸素が対象となる元素（クロムや銅等）と結合・分離する反応が平衡状態となるための雰囲気中における酸素分圧を意味する。したがって、酸素解離圧が小さい対象元素ほど、酸素と結合し易く、すなわち、酸化し易い。ガラス封着層１３０を形成するガラス組成物は、金属よりも金属酸化物とより接着し易いため、本実施形態では、金属酸化物で形成された第１のカバー部１２により第１の電極１１を覆うことにより、第１の電極部１０とのガラス封着層１３０との接着性を向上させている。上述のように、第２の金属として、第１の金属の酸素解離圧よりも小さな酸素解離圧を有する金属を用いている理由については、後述する。なお、上記表１に示す６種の金属元素の酸素解離圧の大小関係は、６５０℃に限らず、後述する焼成温度環境として設定され得る温度範囲である６００℃以上且つ６５０℃以下の温度範囲の任意の温度において当てはまる。
【００２３】
第２の電極部２０は、第２のセラミック基板１２０の表面（面Ｓｆ３）に形成され、第１の電極部１０と同様な構成を有する。すなわち、第２の電極部２０は、第２の電極２１と第２のカバー部２２とを備えている。第２の電極２１は、第１の電極１１と同じ金属で形成され、同様な外観形状を有する。第２の電極２１は、第２のセラミック基板１２０の面Ｓｆ３に接している。第２のカバー部２２は、第２の電極２１の表面のうち、面Ｓｆ３と接する面を除く他の面を覆っている。第２のカバー部２２は、第１のカバー部１２と同じ金属酸化物により形成され、同様の外観形状を有する。
【００２４】
複数の第１の導電接続部４１は、それぞれＺ軸と平行な方向に延設された針状の導電部材であり、ガラス封着層１３０の略中央部分においてＺ軸と平行な方向に沿って形成された微細な貫通孔に収容されている。複数の第１の導電接続部４１は、それぞれ、自身の一端が第１の電極部１０の第１のカバー部１２の表面と接し、他端が半導体素子５０と接し、第１の電極部１０と半導体素子５０とを導通させる。本実施形態において、複数の第１の導電接続部４１は、銀（Ａｇ）を主成分として形成されている。
【００２５】
複数の第２の導電接続部４２は、複数の第１の導電接続部４１と同様に、銀（Ａｇ）を主成分として形成され、同様な外観形状を有する。複数の第２の導電接続部４２は、それぞれ、自身の一端が第２の電極部２０の第２のカバー部２２の表面と接し、他端が半導体素子５０と接し、第２の電極部２０と半導体素子５０とを導通させる。なお、第１の導電接続部４１および第２の導電接続部４２は、銀（Ａｇ）に代えて銅（Ｃｕ）を主成分として形成してもよい。
【００２６】
ガラス封着層１３０は、絶縁性の無機系材料を主成分としたガラス組成物を含み、第１のセラミック基板１１０の面Ｓｆ１から第２のセラミック基板１２０の面Ｓｆ３までに亘って配置されている。ガラス封着層１３０は、第１のセラミック基板１１０と第２のセラミック基板１２０との間の絶縁性を確保すると共に、半導体素子５０の表面と裏面との間の絶縁性を確保する。ガラス封着層１３０に用いられる無機系材料としては、例えば、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化ホウ素、酸化鉛、酸化ビスマス、酸化ナトリウムおよびこれらの無機系材料を複数種含む複合体などを用いてもよい。
【００２７】
ガラス封着層１３０は、第１のセラミック基板１１０の面Ｓｆ１のうちの第１の電極部１０が形成された部分を除く部分と接着されている。また、ガラス封着層１３０は、第１のカバー部１２のうちの複数の第１の導電接続部４１と接触する部分を除いた部分と、半導体素子５０の表面のうちの複数の第１の導電接続部４１および複数の第２の導電接続部４２と接触する部分を除いた部分と、第２のカバー部２２のうちの複数の第２の導電接続部４２と接触する部分を除いた部分と、第２のセラミック基板１２０の面Ｓｆ３のうちの第２の電極部２０が形成された部分を除いた部分と、それぞれ接着されている。ガラス封着層１３０は、複数のガラスシート基材が積層されて焼成されることにより形成される。図１では、各ガラスシート基材（第１のガラスシート基材１３１、第２のガラスシート基材１３２、第３のガラスシート基材１３３、第４のガラスシート基材１３４、および第５のガラスシート基材１３５）を、説明の便宜のため破線にて表している。なお、ガラス封着層１３０の生成方法は、後ほど詳述する。ガラス封着層１３０の略中央部にはキャビティが形成されており、ガラス封着層１３０は、かかるキャビティにおいて半導体素子５０を収容する。また、ガラス封着層１３０には、かかるキャビティに一端が連通し、Ｚ軸方向と平行に延びる複数の微細な貫通孔が形成されている。ガラス封着層１３０は、かかる微細な貫通孔において、複数の第１の導電接続部４１および複数の第２の導電接続部４２を収容する。
【００２８】
Ａ２．半導体装置の製造：
図２は、半導体装置１００の製造手順を示す工程表である。図３は、図２に示す工程Ｓ３０の詳細手順を示す工程表である。図４は、半導体装置１００の製造手順を、中間生成物を用いて模式的に表す説明図である。図４では、図２，３において各工程を示す符号と、図２，３に現れない詳細な工程を示す符号とを、中間生成物と共に表わしている。また、図４では、半導体装置１００が４つの半導体素子５０を備えるものとして表わしている。図４に示すように、各半導体素子５０に対応して、電極１１，２１、複数の第１の導電接続部４１、および複数の第２の導電接続部４２が設けられている。
【００２９】
図２に示すように、先ず、第１のセラミック基板１１０の面Ｓｆ１に第１の電極１１を形成し、第２のセラミック基板１２０の面Ｓｆ３に第２の電極２１を形成する（工程Ｓ１０）。これら電極１１，２１の形成は、例えば、第１の金属である銅（Ｃｕ）を用いた、めっき法、印刷法、物理蒸着法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）、化学蒸着法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、ＤＢＣ法（ＤＢＣ：Direct Bond Copper）、ろう付け法等により実行できる。なお、図４右上において、第１のセラミック基板１１０における工程Ｓ１０を模式的に記載しているが、第２のセラミック基板１２０においても同様に行なわれる。
【００３０】
各電極１１，２１の表面を金属部１８により覆う（工程Ｓ２０）。金属部１８とは、第２の金属により各電極１１，２１を覆う機能部を意味する。換言すると、金属部１８は、酸化前の状態の２つのカバー部１２，２２を意味する。この工程Ｓ２０は、第２の金属を用いた、めっき法、印刷法、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）等により実行できる。
【００３１】
各電極１１，２１と半導体素子５０とを電気的に接続すると共に、ガラスシート基材をセラミック基板１１０，１２０上に配置して積層体を得る（工程Ｓ３０）。この工程Ｓ３０は、図３に示す工程Ｓ３０５〜Ｓ３３０により構成される。先ず、第１〜５のガラスシート基材１３１〜１３５を作製する（工程Ｓ３０５）。具体的には、例えば、酸化ケイ素や酸化亜鉛等の無機材料からなる粉末ガラスと、熱分解性の有機結着剤とを、有機溶媒や水などの媒体に混ぜ合わせてスラリーを作製し、かかるスラリーを用いてドクターブレード法によるシートキャスティングや押し出し成型等によりシート状の部材に成形し、かかるシート状の部材を乾燥させることにより、各ガラスシート基材を作製する。
【００３２】
第１，５のガラスシート基材１３１，１３５に、電極収容部６１を形成する（工程Ｓ３１０）。図４右上において、第１のガラスシート基材１３１における工程Ｓ３１０を模式的に記載しているが、第５のガラスシート基材１３５においても同様に行なわれる。電極収容部６１とは、各ガラスシート基材１３１，１３５を厚さ方向（Ｚ軸と平行な方向）に貫通する貫通孔として形成され、後の工程において電極１１，２１が収容される。電極収容部６１の形成は、例えば、パンチングマシン等よる機械加工やレーザー加工によって実行できる。
【００３３】
第２，４のガラスシート基材１３２，１３４に、厚さ方向の複数の微細な貫通孔６２を形成する（工程Ｓ３１５）。図４左上において、第２のガラスシート基材１３２における工程Ｓ３１５を模式的に記載しているが、第４のガラスシート基材１３４において同様に行なわれる。各貫通孔６２の形成は、例えば、パンチングマシン等よる機械加工やレーザー加工により実行できる。
【００３４】
上記工程Ｓ３１５において形成された第２，４のガラスシート基材１３２，１３４の貫通孔６２に、複数の第１の導電接続部４１および複数の第２の導電接続部４２を形成する（工程Ｓ３２０）。具体的には、第２のガラスシート基材１３２に形成された各貫通孔６２に、スクリーン印刷法により、銀（Ａｇ）を含むペーストを充填することにより、第２のガラスシート基材１３２において複数の第１の導電接続部４１を形成する。同様に、第４のガラスシート基材１３４に形成された各貫通孔６２に、スクリーン印刷法により、銀（Ａｇ）を含むペーストを充填することにより、第４のガラスシート基材１３４において複数の第２の導電接続部４２を形成する。なお、スクリーン印刷法に代えて、ディスペンサーを用いて銀（Ａｇ）を含むペーストを各貫通孔６２に充填してもよい。なお、上述の銀（Ａｇ）を含むペーストは、例えば、銀（Ａｇ）と熱分解性の有機結着剤と有機溶媒や水などの溶媒とを混練することにより形成される。図４左下には、上記工程Ｓ３２０完了後の、第４のガラスシート基材１３４を示している。
【００３５】
第３のガラスシート基材１３３に、素子収容部６３を形成する（工程Ｓ３２５）。かかる素子収容部６３の形成は、上述した電極収容部６１の形成と同様に実行できる。第１，２のセラミック基板１１０，１２０と、第１〜５のガラスシート基材１３１〜１３５を互いに張り合わせ、半導体素子５０を収容して積層体を得る（工程Ｓ３３０）。この工程Ｓ３３０について、図４を用いて詳しく説明する。
【００３６】
図４の右側に示すように、工程Ｓ３１０により電極収容部６１が形成された第１のガラスシート基材１３１と、第１の電極１１および金属部１８が形成された第１のセラミック基板１１０とが重ね合わせて配置され、所定の焼成温度で焼成される（工程Ｓ５１）。上述の所定の焼成温度は、ガラス組成物が焼結反応を開始する温度以上の任意の温度、例えば、６００℃〜６５０℃の間の任意の温度に調整してもよい。かかる焼成により、第１のガラスシート基材１３１と第１のセラミック基板１１０とが接着する。このとき、第１のガラスシート基材１３１の電極収容部６１には、第１のセラミック基板１１０の表面に形成されている第１の電極１１および金属部１８が収容される。
【００３７】
上記工程Ｓ５１の完了後、第１のガラスシート基材１３１において第１のセラミック基板１１０と接着した面とは反対側の面が研磨され、平滑化される（工程Ｓ５２）。このとき、電極収容部６１に収容された第１の電極部１０のうち、露出された表面も研磨されるため、金属部１８の少なくとも一部が除去される。このため、研磨後の第１の電極部１０において露出した第１の電極１１に、再び第２の金属を用いて金属部１８が形成される（工程Ｓ５３）。上述の工程Ｓ５１〜Ｓ５３は、第２のセラミック基板１２０と第５のガラスシート基材１３５とについても行なわれる。図４左下には、工程Ｓ５３完了後の第２のセラミック基板１２０および第５のガラスシート基材１３５の積層体が記載されている。
【００３８】
上記工程Ｓ５３完了後の第１のセラミック基板１１０および第１のガラスシート基材１３１の積層体と、上記工程Ｓ３２０で複数の第１の導電接続部４１が形成された第２のガラスシート基材１３２とが重ね合わされる（工程Ｓ８１）。なお、かかる重ね合わせにより、第１のガラスシート基材１３１に含まれる結着剤の接着力と、第２のガラスシート基材１３２に含まれる結着剤の接着力とにより、第１のセラミック基板１１０および第１のガラスシート基材１３１の積層体と第２のガラスシート基材１３２とは仮接着される。
【００３９】
上記工程Ｓ８１により得られた積層体と、上記工程Ｓ３２５により素子収容部６３が形成された第３のガラスシート基材１３３とが重ね合わされる（工程Ｓ８２）。なお、かかる重ね合わせによっても、上記工程Ｓ８１と同様に、積層体の各層が仮接着される。
【００４０】
素子収容部６３に半導体素子５０が収容される（工程Ｓ８３）。第２のガラスシート基材１３２の上に、上記工程Ｓ３２０完了後の第４のガラスシート基材１３４が重ね合わされ、更にその上に、工程Ｓ５１完了後の第２のセラミック基板１２０および第５のガラスシート基材１３５の積層体が重ね合わされる（工程Ｓ８４）。こうして、第１，２のセラミック基板１１０，１２０と、第１〜５のガラスシート基材１３１〜１３５とが積層され、内部に素子収容部６３が収容された積層体が得られる。
【００４１】
図２に示すように、上述した工程Ｓ３０の完了後、工程Ｓ３３０で得られた積層体を加熱（焼成）して、各電極１１，２１を覆う金属部１８の表面をなす第２の金属を酸化させてカバー部１２，２２を形成すると共に、第１〜５ガラスシート基材１３１〜１３５を溶着させてガラス封着層１３０を形成する（工程Ｓ４０）。
【００４２】
かかる工程Ｓ４０においては、焼成温度を、上述の工程Ｓ５１と同様に、６００℃〜６５０℃の間の任意の温度に調整してもよい。また、焼成時間を、例えば１時間としてもよい。また、かかる工程Ｓ４０を実行する際の雰囲気を、酸素分圧が、第１の金属（銅）の酸素解離圧よりも小さく且つ第２の金属の酸素解離圧よりも大きい雰囲気（以下、「低酸素雰囲気」とも呼ぶ）とする。これにより、工程Ｓ４０では、金属部１８をより確実に酸化させると共に電極１１，２１が酸化することをより確実に抑制できる。低酸素雰囲気は、例えば、焼成炉内に窒素と水蒸気と水素との混合気体を導入して実現できる。このとき、水蒸気量を調整することにより、雰囲気中の酸素分圧を調整できる。なお、工程Ｓ４０を実行する際の雰囲気として、酸素分圧が第１の金属の酸素解離圧よりも大きい雰囲気としてもよい。この場合であっても、工程Ｓ４０を実行する時間を調整することにより、金属部１８を酸化させると共に電極１１，２１が酸化することを抑制できる。これらのことからも理解できるように、本実施形態では、カバー部１２，２２を形成する金属酸化物の元となる第２の金属として、電極１１，２１を形成する第１の金属の酸素解離圧よりも小さな酸素解離圧を有する金属を用いることにより、カバー部１２，２２を金属酸化物で形成すると共に電極１１，２１を形成する金属を酸化させない構成を、容易に実現している。
【００４３】
上記工程Ｓ４０の加熱により、第１〜５ガラスシート基材１３１〜１３５が互いに溶着するだけでなく、形成されたガラス封着層１３０が、セラミック基板１１０，１２０、電極部１０，２０、半導体素子５０の各表面に接着される。このように、工程Ｓ４０によりカバー部１２，２２の形成と、ガラス封着層１３０の形成とが一緒に実現できるので、各形成をそれぞれ別工程として実行する構成に比べて、半導体装置１００の製造時間を短縮できる。
【００４４】
以上説明した実施形態の半導体装置１００では、セラミック基板１１０，１２０の表面上に形成された電極部１０，２０が有する電極１１，２１は、第２の金属の酸化物により形成されたカバー部１２，２２によって覆われるので、電極１１，２１がカバー部１２，２２により覆われていない構成に比べて、電極部１０，２０とガラス封着層１３０との接着性を向上できる。また、第２の金属の酸素解離圧は、少なくとも工程Ｓ５１における焼成温度が設定され得る温度範囲（６００℃〜６５０℃）において第１の金属の酸素解離圧よりも小さいので、第２の金属は第１の金属よりも酸化し易い。したがって、電極１１，２１は酸化せずに第２の金属が酸化する状態を容易に作り出せると共に、かかる状態を容易に維持できる。このため、電極１１，２１も酸化する構成に比べて電極１１，２１の電気抵抗が増大することを抑制できる。
【００４５】
また、実施形態における半導体装置１００の製造方法によれば、電極１１，２１を形成する第１の金属の酸素解離圧よりも小さな酸素解離圧の第２の金属によって形成された金属部１８によって電極１１，２１の表面を覆い、その後、金属部１８を加熱するので、第２の金属の酸化によりカバー部１２，２２を形成しつつ第１の金属で形成されている電極１１，２１の酸化を抑制できる。このため、カバー部１２，２２とガラス封着層１３０との接着性を向上できると共に、第１の金属の酸化に伴う電極１１，２１の電気抵抗の増大を抑制できる。
【００４６】
また、工程Ｓ４０における加熱時の雰囲気を、低酸素雰囲気、すなわち、酸素分圧が、第１の金属（銅）の酸素解離圧よりも小さく且つ第２の金属の酸素解離圧よりも大きい雰囲気に調整するので、金属部１８をより確実に酸化させると共に電極１１，２１が酸化することをより確実に抑制できる。
【００４７】
Ｂ．実施例：
上記実施形態に従って、３つの半導体装置１００（サンプル１〜３）を製造した。実施例１としてのサンプル１の第２の金属は、クロム（Ｃｒ）であった。実施例２としてのサンプル２の第２の金属は、チタニウム（Ｔｉ）であった。実施例３としてのサンプル３の第２の金属は、アルミニウム（Ａｌ）であった。なお、３つのサンプル１〜３における第１の金属は、いずれも銅（Ｃｕ）であった。工程Ｓ４０における焼成温度は６５０℃であり、焼成時間は１時間であった。焼成工程における焼成炉内の雰囲気を低酸素雰囲気に調整した。具体的には、焼成炉内の雰囲気における酸素分圧を、１×１０−９（Ｐａ）となるように調整した。
【００４８】
このようにして製造された３つのサンプル１〜３についてガラス封着層１３０と電極部１０，２０との接着性を評価した。具体的には、製造した各サンプル１〜３を電極部１０，２０を通りＺ軸と平行な方向の断面が得られるように切断し、断面を蛍光探傷液に含浸させた後に水洗いし、紫外線ライトにより紫外線を照射して目視観察した。蛍光探傷液として、マークテック株式会社のスーパーグロー液を用いた。ガラス封着層１３０と第１の電極部１０との接着性、およびガラス封着層１３０と第２の電極部２０との接着性が高い場合、ガラス封着層１３０と第１の電極部１０との界面、およびガラス封着層１３０と第２の電極部２０との界面には、蛍光探傷液が侵入せず、したがって、かかる部分に発光は視認されない。これに対して、接着性が低い場合、上述の界面において発光が視認される。
【００４９】
実施例１〜３のサンプル１〜３に加えて、比較例としての半導体装置を２種類製造した。比較例１としてのサンプル４において、電極１１，２１は、銅（Ｃｕ）により形成した。なお、サンプル４においては、カバー部１２，２２を形成しなかった。比較例２としてのサンプル５の第２の金属は、金（Ａｕ）であった。サンプル５における第１の金属は、銅（Ｃｕ）であった。なお、比較例１，２のサンプル４，５の製造時における、工程Ｓ４０の焼成温度、焼成時間、および雰囲気中の酸素分圧は、いずれも実施例１〜３のサンプル１〜３の製造時における各値と同じにした。
【００５０】
下記表２は、実施例のサンプル１〜３および比較例のサンプル４，５の接着性の評価結果を示す。表２では、各サンプル１〜５について、電極を形成する金属の種類と、カバー部を形成する金属の種類と、焼成雰囲気と、接着性とを示している。接着性が「○」とは、接着性が高いとの評価結果を意味する。これに対して、接着性が「×」とは、接着性が低いとの評価結果を意味する。本実施例では、ガラス封着層１３０と第１の電極部１０との界面、およびガラス封着層１３０と第２の電極部２０との界面のいずれにおいても、１箇所も発光が視認されなかった場合に、接着性が高い（○）と評価し、上記２つの界面のいずれかにおいて１箇所以上発光が視認された場合に、接着性が低い（×）と評価した。
【００５１】
【表２】
2017011213.tif 000004
【００５２】
表２に示すように、実施例１〜３のサンプル１〜３の接着性は高かった。これに対して、比較例１，２のサンプル４，５の接着性は低かった。上述のように、焼成工程における焼成炉内の雰囲気における酸素分圧を、１×１０−９Ｐａとなるように調整したため、実施例１〜３のサンプル１〜３においては、金属部１８を形成する第２の金属（Ｃｒ，Ｔｉ．Ａｌ）が、酸化したため、金属酸化物からなるカバー部１２，２２が形成されてガラス封着層１３０との接着性が向上し、接着性が高く評価されたものと推測される。これに対して、比較例１のサンプル４については、カバー部が無いため、従来技術と同様に、ガラス封着層１３０と電極との接着性が低かったものと推測される。また、比較例２のサンプル５については、金属部を形成する第２の金属（Ａｕ）の酸素解離圧は、上記表１に示すように、焼成炉内の雰囲気における酸素分圧である１×１０−９（Ｐａ）よりも大きい。したがって、工程Ｓ４０において金属部が酸化しなかったため、ガラス封着層１３０との接着性が低かったものと推測される。
【００５３】
なお、上記実施例から理解できるように、工程Ｓ４０の焼成温度、つまり、ガラス封着層１３０を形成するための焼成工程の温度における第２の金属の酸素解離圧は、かかる工程を実行する際の雰囲気における酸素分圧（１×１０−９Ｐａ）よりも、１０５Ｐａ以上小さいことが好ましい。また、ガラス封着層１３０を形成するための焼成工程の温度における第２の金属の酸素解離圧は、かかる温度における電極１１，２１を形成する第１の金属の酸素解離圧に比べて、１０１０Ｐａ以上小さいことが好ましい。
【００５４】
Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態および実施例において、各第１の導電接続部４１の一端は、第１の電極部１０の第１のカバー部１２と接しており、各第２の導電接続部４２の一端は、第２の電極部２０の第２のカバー部２２と接していたが、本発明はこれに限定されない。
【００５５】
図５は、変形例１における半導体装置１００ａの構成を示す断面図である。図５では、図１と同様に、図示の便宜上、複数の半導体素子５０のうちの１つの半導体素子５０に注目して、かかる半導体素子５０を中心とした半導体装置１００ａの構成を表している。
【００５６】
この半導体装置１００ａは、第１の電極部１０に代えて第１の電極部１０ａを備えている点と、第２の電極部２０に代えて第２の電極部２０ａを備えている点と、複数の第１の導電接続部４１に代えて複数の第１の導電接続部４１ａを備えている点と、複数の第２の導電接続部４２に代えて複数の第２の導電接続部４２ａを備えている点とにおいて、上記実施形態の半導体装置１００と異なる。半導体装置１００ａにおけるその他の構成は、上記実施形態の半導体装置１００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
第１の電極部１０ａは、第１のカバー部１２に代えて第１のカバー部１２ａを備えている点においてのみ、上記実施形態の第１の電極部１０と異なる。第１のカバー部１２ａは、半導体素子５０と対向する面の略中央部に貫通孔１３が形成されている。したがって、かかる貫通孔１３において、第１の電極１１は露出している。同様に、第２の電極部２０ａは、第２のカバー部２２に代えて第２のカバー部２２ａを備えている点においてのみ、上記実施形態の第２の電極部２０と異なる。第２のカバー部２２ａは、半導体素子５０と対向する面の略中央部に貫通孔２３が形成されている。したがって、かかる貫通孔２３において、第２の電極２１は露出している。
【００５８】
各第１の導電接続部４１ａは、第２のガラスシート基材１３２に形成されている貫通孔６２および第１のカバー部１２ａの貫通孔１３に収容されており、自身の一端が電極１１の表面と接触している。なお、各第１の導電接続部４１ａの他端は、上記実施形態の各第１の導電接続部４１と同様に、半導体素子５０に接している。同様に、各第２の導電接続部４２ａは、第４のガラスシート基材１３４に形成されている貫通孔６２および第２のカバー部２２ａの貫通孔２３に収容されており、自身の一端が電極２１の表面と接触している。なお、各第２の導電接続部４２ａの他端は、上記実施形態の各第２の導電接続部４２と同様に、半導体素子５０に接している。
【００５９】
以上の構成を有する変形例１の半導体装置１００ａは、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様な効果を有する。加えて、各第１の導電接続部４１ａの一端が第１の電極１１に直接接触し、また、各第２の導電接続部４２ａの一端が第２の電極２１に直接接触しているので、第１の電極１１と半導体素子５０との間の電気抵抗、および第２の電極２１と半導体素子５０との間の電気抵抗を低減できる。
【００６０】
Ｃ２．変形例２：
上記実施形態および実施例において、半導体素子５０と第２の電極部２０とは、針状の導電部材により構成された複数の第２の導電接続部４２により互いに接続されていたが、本発明はこれに限定されない。
【００６１】
図６は、変形例２における半導体装置１００ｂの構成を示す断面図である。図６では、図１と同様に、図示の便宜上、複数の半導体素子５０のうちの１つの半導体素子５０に注目して、かかる半導体素子５０を中心とした半導体装置１００ｂの構成を表している。
【００６２】
この半導体装置１００ｂは、複数の第２の導電接続部４２に代えて、単一の導電接続部４３を備えている点と、ガラス封着層１３０に代えてガラス封着層１３０ｂを備えている点とにおいて、上記実施形態の半導体装置１００と異なる。半導体装置１００ｂにおけるその他の構成は、上記実施形態の半導体装置１００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６３】
導電接続部４３は、薄膜状の導電部材により形成されている。変形例２において、かかる導電部材は、銀（Ａｇ）である。変形例２では、導電接続部４３の平面視の大きさは、半導体素子５０の平面視の大きさと略等しい。導電接続部４３は、第４のガラスシート基材１３４ｂの中央部に形成された貫通孔に配置されており、厚さ方向（Ｚ軸と平行な方向）の一方の端面は、半導体素子５０と接し、他方の端面は第２の電極部２０の表面（第２のカバー部２２）に接している。導電接続部４３は、上述の複数の第２の導電接続部４２と同様に、第２の電極部２０と半導体素子５０とを導通させる。
【００６４】
ガラス封着層１３０ｂは、第４のガラスシート基材１３４に代えて第４のガラスシート基材１３４ｂを備えている点において、上記実施形態のガラス封着層１３０と異なる。第４のガラスシート基材１３４ｂは、複数の微細な貫通孔に代えて、比較的大きな単一の貫通孔が形成されている点において、上記実施形態の第４のガラスシート基材１３４と異なる。第４のガラスシート基材１３４ｂにおける貫通孔の形成は、例えば、パンチングマシン等よる機械加工やレーザー加工によって実行できる。導電接続部４３の形成は、例えば、スクリーン印刷法により、銀（Ａｇ）を含むペーストを第４のガラスシート基材１３４ｂの貫通孔に充填することにより実現できる。なお、スクリーン印刷法に代えて、ディスペンサーを用いて銀（Ａｇ）を含むペーストを第４のガラスシート基材１３４ｂの貫通孔に充填してもよい。
【００６５】
以上の構成を有する変形例２の半導体装置１００ｂは、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様な効果を有する。なお、変形例２の構成において、上記変形例１と同様に、第２のカバー部２２のうち、導電接続部４３と接する部分を省略してもよい。このようにすることで、上記変形例１の半導体装置１００ａと同様な効果を有する。
【００６６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施形態および実施例では、半導体装置１００は、２つのセラミック基板１１０，１２０を備えていたが、一方のセラミック基板のみを備える構成としてもよい。例えば、２つのセラミック基板１１０，１２０のうち、第１のセラミック基板１１０のみを備える構成としてもよい。この構成においては、例えば、第２のセラミック基板１２０を省略すると共に、第３のガラスシート基材１３３、第４のガラスシート基材１３４、第５のガラスシート基材１３５、複数の第２の導電接続部４２、および第２の電極部２０を省略してもよい。
【００６７】
Ｃ４．変形例４：
上記実施形態および実施例では、ガラス封着層１３０は、複数のガラスシート基材を積層して形成していたが、本発明はこれに限定されない。ガラス組成物からなる単一部材に対して、レーザー加工やパンチング加工により適宜キャビティや貫通孔を形成してガラス封着層１３０を形成してもよい。
【００６８】
Ｃ５．変形例５：
上記実施形態における半導体装置１００の製造工程の少なくとも一部について、順序を変更してもよい。例えば、図３に示す工程Ｓ３１０と、工程Ｓ３１５およびＳ３２０と、工程Ｓ３２５とを、上記実施形態とは異なる任意の順序で実行してもよい。
【００６９】
Ｃ６．変形例６：
上記実施形態および実施例では、第２の金属は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）のうちのいずれかの金属であったが、これに代えて、これらの金属のうち少なくとも１種を含む合金であってもよい。この場合であっても、かかる合金の少なくとも１種の金属成分の焼成温度における酸素解離圧が、かかる温度における第１の金属の酸素解離圧よりも小さく構成することにより、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様な効果を有する。また、上記実施形態および実施例では、第１の金属は、銅（Ｃｕ）であったが、銅（Ｃｕ）に代えて、金（Ａｕ）としてもよい。この構成においても、金（Ａｕ）よりも焼成温度における酸素解離圧がより小さな金属を第２の金属とすることにより、上記実施形態および実施例の半導体装置１００と同様な効果を有する。
【００７０】
本発明は、上述の実施形態、実施例および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態、実施例、および変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
Ｓｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３，Ｓｆ４…面
１０，１０ａ…第１の電極部
１１…第１の電極
１２，１２ａ…第１のカバー部
１３…貫通孔
１８…金属部
２０，２０ａ…第２の電極部
２１…第２の電極
２２，２２ａ…第２のカバー部
２３…貫通孔
４１，４１ａ…第１の導電接続部
４２，４２ａ…第２の導電接続部
４３…導電接続部
５０…半導体素子
６１…電極収容部
６２…貫通孔
６３…素子収容部
１００，１００ａ，１００ｂ…半導体装置
１１０…第１のセラミック基板
１１２…貫通電極
１２０…第２のセラミック基板
１３０，１３０ｂ…ガラス封着層
１３１…第１のガラスシート基材
１３２…第２のガラスシート基材
１３３…第３のガラスシート基材
１３４，１３４ｂ…第４のガラスシート基材
１３５…第５のガラスシート基材
【図１】
2017011213.tif 000005
【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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