(57)【要約】【課題】半導体素子と金属多孔質体との間の接合部において、ヒートサイクルによる接合部の密着特性の低下を抑制した半導体装置を得るものである。【解決手段】半導体素子と、この半導体素子に拡散層を介して一方の面が接合された金属多孔質体と、この金属多孔質体の他方の面にろう材を介して接合された基板とを備えたもので、半導体素子と金属多孔質体とを拡散層介して直接接合することにより、接合部にクラックが発生することもなく、ヒートサイクルによる接合部の密着特性の低下を抑制することができる。【選択図】図３
2009094385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
この半導体素子に拡散層を介して一方の面が接合された金属多孔質体と、
この金属多孔質体の他方の面にろう材を介して接合された基板と
を備えた半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、
この半導体素子に第一の拡散層を介して一方の面が接合された金属多孔質体と、
この金属多孔質体の他方の面に、前記金属多孔質体と同種の金属層を含む金属膜とを介して接合された基板とを備えた半導体装置。
【請求項３】
半導体素子の接合される面に金属多孔質体と同種の金属層を含む金属膜が形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
金属多孔質体が、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄、クロム、バナジウム、モリブデン、タングステンおよび白金からなる群より選ばれた少なくとも１つの材質であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子が、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウムまたはダイアモンドの材質であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項６】
金属多孔質体の内部の空隙に導電性粒子が充填されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項７】
導電性粒子が、銀、金、白金、パラジウム、銅、アルミニウムおよび炭素からなる群より選ばれた少なくとも１つの粒子であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体素子と金属多孔質体の一方の面とを加圧接触させて真空雰囲気または還元雰囲気中で加熱して前記半導体素子と前記金属多孔質体の一方の面との接触面に拡散層を形成して前記半導体素子と前記金属多孔質体とを接合する工程と、
前記半導体素子と接合された前記金属多孔質体の他方の面と基板とろう材を介して接合させて加熱して前記半導体素子と金属多孔質体と前記基板とを接合する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体素子と金属多孔質体の一方の面とを加圧接触させて真空雰囲気または還元雰囲気中で加熱して前記半導体素子と前記金属多孔質体の一方の面との接触面に第一の拡散層を形成して前記半導体素子と前記金属多孔質体とを接合する工程と、
前記半導体素子と接合された前記金属多孔質体の他方の面と基板とを加圧接触させて真空雰囲気または還元雰囲気中で加熱して前記半金属多孔質体の他方の面と前記基板との接触面に、前記金属多孔質体と同種の金属層を含む金属膜とを介して前記半導体素子と金属多孔質体と前記基板とを接合する工程と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】
この発明は、金属多孔質体を介して半導体素子が基板に接合された半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置に対する信頼性の要求はますます高まり、特に熱膨張係数差の大きい半導体素子と基板との接合部に対する耐ヒートサイクル特性向上が強く求められている。
【０００３】
このような要求に対して、例えば、はんだより融点が高くかつはんだとの濡れ性がよい金属材料を用いて三次元網目状の金属多孔質体を形成し、この金属多孔質体の空隙部にはんだを含浸させて金属多孔質体の表面をはんだで被覆した接合体を介して、半導体素子と基板とを接合した半導体装置が開示されていた（例えば、特許文献１参照）。このように構成された接合体においては、はんだより機械的強度が高い金属多孔質体によって接合部の機械的強度を確保するとともに、高い熱伝導性が確保でき、さらに半導体素子と基板との熱膨張差に起因する応力を金属多孔質体の延性によって緩和することでヒートサイクル特性を伸ばすことができるとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９８９６２号公報（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような接合体を用いた半導体装置では、半導体素子と金属多孔質体との間をはんだ層で接合しているため、半導体素子の接合面に形成された多層金属層が動作時のヒートサイクルによって徐々にはんだ層内に拡散してしまうため、多層金属層が消失していき、最終的に密着強度が低下するという問題があった。このような現象を抑制するために、接合面となる多層金属層を厚くする方法も考えられるが、半導体素子に個片化する前のシリコンウェハの状態で多層金属膜を厚くすると、この多層金属層の引張応力によってシリコンウェハが反ってしまい、半導体素子のチップに個片化しても反りが修正しきれずに接合不良が生じるため、この方法は採用できない。
【０００６】
また、はんだが軟らかいために、動作時のヒートサイクルによる応力が最も集中する位置である半導体素子と金属多孔質体とを接合するはんだ層内にクラックが生じ、これが進展していくことにより密着強度が低下するという問題があった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子と金属多孔質体との間の接合部において、ヒートサイクルによる接合部の密着特性の低下を抑制した半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る半導体装置においては、半導体素子と、この半導体素子に拡散層を介して一方の面が接合された金属多孔質体と、この金属多孔質体の他方の面にろう材を介して接合された基板とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、半導体素子と金属多孔質体とを拡散層介して直接接合することにより、接合部にクラックが発生することもなく、ヒートサイクルによる接合部の密着特性の低下を抑制した半導体装置を得るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における接合体の断面模式図である。接合体１は、半導体素子である例えばシリコンチップ２に金属多孔質体３が直接接合されている。この接合体１の製造方法を説明する。
【００１１】
例えば厚さ０．２５ｍｍで５ｍｍ角のシリコンチップ２と、厚さ０．５ｍｍで６ｍｍ角の金属多孔質体３とを用意する。金属多孔質体３として、呼び孔径φ１５０μｍ、気孔率８５％のＮｉ発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用いた。これらのシリコンチップ２と金属多孔質体３とをアルゴンで密閉されたチャンバー内に配置し、約６０分間のアルゴンプラズマ処理を施して、表面の酸化膜の除去を行った。これらの表面酸化膜が除去されたシリコンチップ２と金属多孔質体３とはチャンバー外へ取り出すと、すぐに表面に酸化膜形成が始まるが、室温で短時間であればその成長速度は著しく遅い。次にチャンバー内で加圧機能を備えた真空加熱および水素加熱ができる装置を用意し、チャンバー内の加熱ステージ上に表面酸化膜が除去されたシリコンチップ２と金属多孔質体３とをプラズマ処理された面同士を接触させた状態で配置してチャンバーを閉じ、シリコンチップ２と金属多孔質体３との間に約０．５ＭＰａの圧力で加圧を開始する。さらに真空排気を開始し、真空度が１０−５Ｐａ以上の高真空になったことを確認した後に１２００℃で約４０分間加熱する。
【００１２】
図２は、本実施の形態における、接合体１のシリコンチップ２と金属多孔質体３との接合面を拡大した断面模式図である。シリコンチップ２と金属多孔質体３とは、接触点４で接合されているが、接触点４以外の接合界面には空隙が存在している。この空隙から真空雰囲気まで熱処理するときにシリコンチップ２および金属多孔質体３から発生する不純物は外部へ蒸発することができる。また、接触点４の近傍には、拡散層５が形成されており、この拡散層５によってシリコンチップ２と金属多孔質体３とが接合されている。この拡散層５の厚さは、熱処理条件によって変化するが、数十〜数百ｎｍの範囲であり非常に薄く、透過型電子顕微鏡による観察などの分析によって、その有無は確認することができる。
【００１３】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。基板となる銅ブロックの上に、両面にフラックスを塗布した厚さ１００μｍのＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｗｔ％）はんだペレットを載せ、その上に金属多孔質体が露出した面を下にして接合体を載せる。このように銅ブロックの上にはんだペレットと接合体を載せたものを、銅ブロックを下にして２８０℃に設定されたホットプレートの上に載せ、５分間加熱して本実施の形態の半導体装置を製造した。
【００１４】
図３は、本実施の形態における半導体装置の断面模式図である。接合体１は、シリコンチップと金属多孔質体との間に拡散層が形成されている。また、はんだペレットが溶融して形成されたはんだ層６と金属多孔質体３および銅ブロック７との間にはそれぞれ金属間化合物層８ａ、８ｂが形成されている。
【００１５】
このように構成された半導体装置においては、シリコンチップ２と金属多孔質体３との間に形成された拡散層５は、はんだのように軟らかくなく強固にできている。したがって、動作時のヒートサイクルにより、応力が最も集中する位置であるシリコンチップ２と金属多孔質体３との接合部を強固に接合しているので、はんだ層で接合したときのようなクラックも発生せず、そのためこのクラックが進展していくことによる密着強度の低下も起こらない。また、半導体素子と基板との熱膨張差に起因する応力を金属多孔質体の延性によって緩和することでヒートサイクル特性を伸ばすことができる。
【００１６】
上述の拡散層による接合部の接合強度が高い理由は、次のように考えられている。通常、シリコンチップ２の表面は、シリコンの酸化物（ＳｉＯ２）で覆われている。また、金属多孔質体３の表面にも酸化膜、例えば金属多孔質体３がニッケル（Ｎｉ）であればＮｉＯなど、銅（Ｃｕ）であればＣｕＯおよびＣｕ２Ｏなどで覆われている。これらの酸化膜を除去し、各々の表面の新生面同士を接触させた状態で加圧を加えて異種金属同士を原子間距離と同じオーダーの距離まで近づけると、金属結合や化学結合が生じて上述のような拡散層が形成され、強固な接合力が得られたと予想される。
【００１７】
なお、本実施の形態においては、拡散層の形成のための熱処理を真空雰囲気中で行ったが、水素雰囲気などの還元雰囲気中で行ってもよい。さらに、熱処理として、１２００℃で４０分間加熱したが、８００〜１３００℃の範囲が好ましい。ただし、表面酸化膜の除去された状態によって、さらに低温でも拡散層の形成が可能な場合がある。
【００１８】
また、本実施の形態においては、シリコンチップおよび金属多孔質体の表面酸化膜の除去をアルゴンプラズマ処理によって行ったが、別の方法として、ウェットエッチングなどで行ってもよい。また、シリコンチップと金属多孔質体との間に加える圧力を約０．５ＭＰａとしたが、圧力は０．１〜１．０Ｐａの範囲が好ましい。圧力が低いと異種金属同士を原子間距離と同じオーダーの距離まで近づけることができずに拡散層が形成されず、圧力が高すぎるとシリコンチップと金属多孔質体を破壊してしまう。
【００１９】
また、本実施の形態においては、金属多孔質体として、呼び孔径φ１５０μｍ、気孔率８５％のＮｉ発泡金属板を用いたが、呼び孔径や気孔率はこれに限るものではなく、さらに材質もＮｉ以外にＣｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔなどを主成分とするものを用いることもできる。また、発泡金属と呼ばれるもの以外の３次元網目状の金属などを用いることもできる。
【００２０】
実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１で得られた半導体装置（実施例）と従来技術で得られた半導体装置（比較例）との比較を行ったものである。
【００２１】
従来技術で得られた半導体装置の製造方法を説明する。まず、厚さ０．２５ｍｍで５ｍｍ角のシリコンチップを、アルゴンで密閉されたチャンバー内に配置し、約３０分間のアルゴンプラズマ処理を施して、表面酸化膜の除去を行った。次に、金属多孔質体として、厚さ０．５ｍｍで６ｍｍ角の呼び孔径φ１５０μｍ、気孔率８０〜９０％のＮｉ発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用意し、この金属多孔質体をアルゴンで密閉されたチャンバー内に配置し、約８０分間のアルゴンプラズマ処理を施して、金属多孔質体の内部の表面酸化膜を除去した。アルゴンプラズマ処理の時間で、金属多孔質体であるＮｉ発泡金属板の表面酸化膜の深さ方向への除去領域を制御できる。厚さ０．５ｍｍのＮｉ発泡金属板の内部の表面酸化膜は、６０分以上のアルゴンプラズマ処理で除去できる。内部の表面酸化膜が除去された金属多孔質体の両面にはんだ材であるソルダーペーストをスクリーン印刷で印刷した。
【００２２】
次に、基板となる銅ブロックの上に、両面にソルダーペーストが印刷された金属多孔質体を載せ、その上にシリコンチップを載せる。銅ブロックを下にして２８０℃に設定されたホットプレートの上に載せ、５分間加熱して本実施の形態の比較例となる半導体装置を製造した。このとき、金属多孔質体は内部の表面酸化膜も除去されているので、溶融したはんだは速やかに金属多孔質体の内部の空隙に含浸して、内部の空隙がはんだで満たされた状態となる。また、シリコンチップと金属多孔質体とははんだ層を介して接合された状態となる。
【００２３】
実施例の半導体装置および比較例の半導体装置に対して、ヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験の条件は、−５０℃の気相に３０分間曝したのち２００℃の気相に切り替えて３０分間曝したのち、−５０℃の気相に再び切り替えて３０分間曝すという工程を３００回繰り返すものである。ヒートサイクル試験を行ったのち、これらの半導体装置を樹脂に埋め込み、シリコンチップの対角線方向に切断して断面を研磨したのち、電子顕微鏡でシリコンチップと金属多孔質体との接合面を観察してクラックの発生を比較した。クラックの発生の比較方法として、クラック率を算出した。クラック率とは、観察した接合面の全長に対するクラックの長さであり、０％はクラックの発生がないこと、１００％であれば、接合面全体に渡るクラックが発生したことになる。表１は、実施例と比較例とをそれぞれ１０個ずつのクラック率を評価比較した特性表である。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１から、ヒートサイクル試験によってもっとも熱応力がかかるシリコンチップと金属多孔質体との接合面を比較すると、拡散層で接合された実施例ではクラックがまったく発生しないが、はんだ層を介して接合された比較例では多くのクラックが発生し、接合強度が低下していることがわかる。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態１においては、半導体素子としてシリコンを用いたが、実施の形態３においては、半導体素子としてＳｉＣを用いたものである。
【００２７】
直径φ５インチで厚さが０．３ｍｍのＳｉＣ基板を用意し、金属多孔質体である直径φ５インチで厚さ０．５ｍｍのＮｉ発泡金属板（三菱マテリアル社製）とＳｉＣ基板を重ね合わせた。この重ね合わせたＳｉＣ基板と金属多孔質体とを水素炉の中に投入し、水素雰囲気中において１２００℃で２０分間の熱処理を行った。さらに、ＳｉＣ基板と金属多孔質体とが接合されたものを５ｍｍ角に切断して、ＳｉＣチップと金属多孔質体とが拡散層で接合された本実施の形態の接合体を得た。
【００２８】
次に、基板となる銅ブロックの上に、両面にフラックスを塗布した厚さ１００μｍのＳｎ−５Ｓｂ（ｗｔ％）を主成分とするはんだペレットを載せ、その上に金属多孔質体が露出した面を下にして接合体を載せる。このように銅ブロックの上にはんだペレットと接合体を載せたものを、銅ブロックを下にして２８０℃に設定されたホットプレートの上に載せ、５分間加熱して本実施の形態の半導体装置を製造した。
【００２９】
このようにして作製した半導体装置に対して、実施の形態２と同じヒートサイクル試験を行い、実施の形態２と同様なクラック観察を行った結果、ＳｉＣチップと金属多孔質体との接合面にはクラックが発生していないことを確認した。
【００３０】
また、本実施の形態で得られた接合体のＳｉＣチップと金属多孔質体との界面近傍を、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）で厚さ１μｍ以下になるように薄く切断した試験片を作製し、この試験片を透過型電子顕微鏡で観察を行った。その結果、ＳｉＣチップと金属多孔質体との界面に、ＳｉＣおよびＮｉとは異なる拡散層が形成されており、この拡散層エネルギー分散型Ｘ線分光法用いて定性分析を行ったところ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｏの存在が確認できた。この拡散層によって、ＳｉＣと金属多孔質体とが強固に接合されているものと思われる。また、この拡散層によって電気的導通も向上することが期待される。
【００３１】
なお、本実施の形態においては、半導体素子としてＳｉＣを用いたが、その他の半導体素子、例えばＧａＮ、ダイアモンドなどを用いても同様な効果が得られる。
【００３２】
実施の形態４．
実施の形態１においては、半導体素子と基板との熱膨張係数差による応力を金属多孔質体で緩和することができるが、金属多孔質体の内部の空隙のために電気伝導性および熱伝導性がはんだを含浸させたもの比べれば低くなる。実施の形態４においては、金属多孔質体の内部の空隙に導電性粒子を充填して金属多孔質体の電気伝導性および熱伝導性を向上させたものである。
【００３３】
本実施の形態における、金属多孔質体の内部の空隙に導電性粒子を充填する方法について述べる。金属多孔質体となる、厚さ３００μｍで呼び孔径φ１００μｍ、気孔率８０％のＮｉ発泡金属板を１５ｍｍ角に切断した。次に平均粒径φ４〜２０μｍの銀粒子の粉末を含有した印刷ペーストを、この金属多孔質体の両面にスクリーン印刷した。このとき使用した印刷ペーストは、銀粒子、テルピネオールおよび樹脂成分などを含んだもので、銀粒子以外の成分は、４５０℃の大気中焼成で分解除去できるものである。両面に印刷ペーストが印刷された金属多孔質体を、印刷ペーストが乾燥しないようにして密閉容器内に配置し、この密閉容器の内部を真空引きして、印刷ペーストを金属多孔質体である発泡金属板の内部の空隙に含浸させた。その後、密閉容器の内部を徐々に大気圧に戻して、印刷ペーストが内部の空隙に含浸した金属多孔質体を取り出した。この印刷ペーストが内部の空隙に含浸した金属多孔質体を、電気炉に投入し、大気中で約６℃／分の昇温速度で４５０℃まで昇温して４５０℃で３０分間保持して、印刷ペースト中の有機成分を分解除去した。図４は、本実施の形態における金属多孔質体内部を拡大した断面模式図である。金属多孔質体３の内部の空隙９は、導電性粒子である銀粒子１０で充填された状態である。
【００３４】
このようにして得られた銀粒子が充填された金属多孔質体と、同じ大きさの銀粒子が充填されていない金属多孔質体との熱伝導率を、レーザーフラッシュ法を用いて測定したところ、銀粒子が充填された金属多孔質体は２０Ｗ／ｍ・Ｋ、銀粒子が充填されていない金属多孔質体は９Ｗ／ｍ・Ｋとなり、銀粒子を充填することによって金属多孔質体の熱伝導性が向上したことを確認した。
【００３５】
次に、銀粒子を充填した金属多孔質体を６ｍｍ角に切断し、この切断した金属多孔質体をマグネトロンスパッタ装置に投入後、ガス圧１Ｐａ、流量３０ｓｃｃｍのアルゴンガスを流し、マグネット電力５００Ｗで１分間の逆スパッタを行った。このような処理を両面について行い、表面から深さ５μｍ程度の領域の金属多孔質体の表面酸化膜を除去した。また、同じマグネトロンスパッタ装置を用いて、金属多孔質体に行った逆スパッタと同じ条件で、厚さ０．２５ｍｍで縦横５ｍｍサイズのＳｉＣチップの片面の表面酸化膜を除去した。
【００３６】
次に、ＳｉＣチップの表面酸化膜が除去された面と金属多孔質体の一方の面とを対向して重ね合わせ、加圧冶具でＳｉＣチップと金属多孔質体とを狭持して約０．５ＭＰａの圧力で加圧して水素炉に投入し、１２００℃で１０分間の水素雰囲気熱処理を行い、ＳｉＣチップと金属多孔質体との接合面に拡散層を形成した。
【００３７】
次に、基板となる厚さ１ｍｍで１０ｍｍ角Ｃｕブロックを用意し、このＣｕブロックの表面にフラックスを塗布し、その上に厚さ０．１ｍｍで７ｍｍ角のＳｎ１Ａｇ０．５Ｃｕはんだペレットを載せ、このペレット表面にもフラックスを塗布し、ＳｉＣチップと接合された金属多孔質体を、ＳｉＣチップを上にしてはんだペレットに載せ、これらを２６０℃に温度設定されたホットプレートに載せて４０秒間加熱して本実施の形態の半導体装置を作製した。
【００３８】
このような方法で製造した半導体装置を１１個用意し、１個を樹脂に埋め込み、シリコンチップの対角線方向に切断して断面を研磨したのち、電子顕微鏡で金属多孔質体の内部の空隙の観察を行った。その結果、金属多孔質体の内部の空隙には銀粒子９が充填されており、この銀粒子は金属多孔質体のニッケルとは化合物を生成していないことを確認した。このことから、銀粒子の存在によって、金属多孔質体の延性は妨げられていないことが確認できた。
【００３９】
残りの１０個の本実施の形態の半導体装置に対して、実施の形態２と同じヒートサイクル試験を行い、実施の形態２と同様な接合面のクラックの観察を行ったところ、すべての半導体装置で接合面のクラックは観察されなかった。このことから、金属多孔質体の内部の空隙に銀粒子を充填させることで、良好な接合強度と高い熱伝導性とが得られることがわかった。
【００４０】
なお、本実施の形態として、導電性粒子として銀粒子を用いたが、金属多孔質体であるＮｉ発泡金属板と化合物を生成しないものであればよいので、金、白金、パラジウム、銅、アルミニウムおよび炭素などの粒子を用いることができる。これらの導電性粒子は、金属多孔質体の材質に応じて適宜選択すればよい。
【００４１】
実施の形態５．
実施の形態１においては、拡散層を介して半導体素子と金属多孔質体とを接合しており、金属多孔質体と基板との間ははんだで接合している。動作時のヒートサイクルによって最も応力が集中する位置は、半導体素子と金属多孔質体との接合部であるが、実施の形態５においては、さらに金属多孔質体と基板との接合部での応力を緩和させたものである。
【００４２】
実施の形態１と同様に、次のような方法で接合体を作製した。例えば厚さ０．２５ｍｍで５ｍｍ角のシリコンチップと、厚さ０．５ｍｍで６ｍｍ角の金属多孔質体とを用意する。金属多孔質体として、呼び孔径φ１５０μｍ、気孔率８５％のＮｉ発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用いた。これらのシリコンチップと金属多孔質体とをアルゴンで密閉されたチャンバー内に配置し、約６０分間のアルゴンプラズマ処理を施して、表面の酸化膜の除去を行った。これらの表面酸化膜が除去されたシリコンチップと金属多孔質体とはチャンバー外へ取り出す。次にチャンバー内で加圧機能を備えた真空加熱および水素加熱ができる装置を用意し、チャンバー内の加熱ステージ上に表面酸化膜が除去されたシリコンチップと金属多孔質体とをプラズマ処理された面同士を接触させた状態で配置してチャンバーを閉じ、シリコンチップと金属多孔質体との間に約０．５ＭＰａの圧力で加圧を開始する。さらに真空排気を開始し、真空度が１０−５Ｐａ以上の高真空になったことを確認した後に１２００℃で約４０分間加熱する。このような方法によって、実施の形態１と同様に、シリコンチップと金属多孔質体との接合界面に拡散層が形成される。
【００４３】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。基板となる銅ブロックの上に、厚さ５μｍのニッケル膜を、例えば電解めっき法を用いて成膜する。このニッケル膜の上に金属多孔質体が露出した面を下にして接合体を載せる。このように銅ブロックの上に接合体を載せたものを、チャンバー内の加熱ステージ上に載せ、接合体と銅ブロックとの間に約０．５ＭＰａの圧力で加圧を開始する。さらに真空排気を開始し、真空度が１０−５Ｐａ以上の高真空になったことを確認した後に１２００℃で約４０分間加熱して本実施の形態の半導体装置を製造した。
【００４４】
このように構成された半導体装置においては、シリコンチップと金属多孔質体との間に形成された拡散層は、はんだのように軟らかくなく強固にできている。したがって、動作時のヒートサイクルにより、応力が最も集中する位置であるシリコンチップと金属多孔質体との接合部を強固に接合しているので、はんだ層で接合したときのようなクラックも発生せず、そのためこのクラックが進展していくことによる密着強度の低下も起こらない。また、半導体素子と基板との熱膨張差に起因する応力を金属多孔質体の延性によって緩和することでヒートサイクル特性を伸ばすことができる。さらには、金属多孔質体と基板との間に、金属多孔質体と同種の金属膜が形成されているので、実施の形態１のようにはんだを用いることなく金属多孔質体と基板とを接合することができ、ヒートサイクル特性を向上させることができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、金属多孔質体と基板との間に金属多孔質体と同種の金属であるニッケル膜を形成したが、これに限るものではなく、金属多孔質体と同種の金属を含んだ膜であればよいので、例えばニッケル膜の表面に薄い金膜を形成しても同様の効果が得られる。
【００４６】
実施の形態６．
実施の形態３においては、拡散層を介してＳｉＣ基板と金属多孔質体とを直接接合しているが、実施の形態６においては、ニッケル膜を介してＳｉＣ基板と金属多孔質体とを接合したものである。
【００４７】
直径φ５インチで厚さが０．３ｍｍのＳｉＣ基板を用意し、その表面に厚さ０．５μｍのニッケル膜を、例えば真空蒸着法を用いて成膜する。次に、金属多孔質体である直径φ５インチで厚さ０．５ｍｍのＮｉ発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用意し、ニッケル膜を介して、ＳｉＣ基板とこのＮｉ発泡金属板を重ね合わせた。この重ね合わせたＳｉＣ基板と金属多孔質体とを水素炉の中に投入し、水素雰囲気中において１２００℃で２０分間の熱処理を行った。さらに、ＳｉＣ基板と金属多孔質体とが接合されたものを５ｍｍ角に切断して、ＳｉＣチップと金属多孔質体とが拡散層で接合された本実施の形態の接合体を得た。
【００４８】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。基板となる銅ブロックの上に、厚さ５μｍのニッケル膜を、例えば電解めっき法を用いて成膜する。このニッケル膜の上に金属多孔質体が露出した面を下にして接合体を載せる。このように銅ブロックの上に接合体を載せたものを、チャンバー内の加熱ステージ上に載せ、接合体と銅ブロックとの間に約０．５ＭＰａの圧力で加圧を開始する。さらに真空排気を開始し、真空度が１０−５Ｐａ以上の高真空になったことを確認した後に１２００℃で約４０分間加熱して本実施の形態の半導体装置を製造した。
【００４９】
このように構成された半導体装置においては、接合体のＳｉＣ基板とニッケル膜との界面にニッケルシリサイド層が形成されて、ＳｉＣ基板とニッケル膜とが強固に接合される。さらに、ニッケル膜と金属多孔質体であるＮｉ発泡金属板とは同種金属であるから、熱膨張係数に差がなく、動作時のヒートサイクルにより、応力が最も集中する位置であるＳｉＣ基板と金属多孔質体との接合部を強固に接合しているので、はんだ層で接合したときのようなクラックも発生せず、そのためこのクラックが進展していくことによる密着強度の低下も起こらない。さらには、実施の形態５と同様に、金属多孔質体と基板との間にも拡散層が形成されているので、実施の形態１のようにはんだを用いることなく金属多孔質体と基板とを接合することができ、ヒートサイクル特性を向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施の形態においては、ＳｉＣ基板にニッケル膜を成膜したが、ＳｉＣとシリサイド層を形成する金属を用いて金属膜を成膜し、その金属膜と同種の金属の発泡金属を金属多孔質体として用いれば、本実施の形態と同様な効果が得られる。そのような金属として、例えば、アルミニウム、銅、チタンなどがある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明の実施の形態１における接合体の断面模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における接合体の接合面を拡大した断面模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１における半導体装置の断面模式図である。
【図４】この発明の実施の形態４における接合体の接合面を拡大した断面模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  接合体
２  シリコンチップ
３  金属多孔質体
４  接触点
５  拡散層
６  はんだ層
７  銅ブロック
８ａ、８ｂ  金属間化合物
９  空隙
１０  銀粒子
【図１】
2009094385.tif 000004
【図２】
2009094385.tif 000005
【図３】
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【図４】
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