特許 6116857 Ａｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6116857

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】Ａｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20170410BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/52 B

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-235304(P2012-235304)

(22)【出願日】2012年10月25日

(65)【公開番号】特開2014-86607(P2014-86607A)

(43)【公開日】2014年5月12日

【審査請求日】2015年9月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構からの委託研究「次世代パワーエレクトロニクス技術開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】390036364

【氏名又は名称】清川メッキ工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】谷本 智

(72)【発明者】

【氏名】清川 肇

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 伸二

(72)【発明者】

【氏名】松井 康平

【審査官】 工藤 一光

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０７７２８２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子チップと、Ｃｕを主原料としたＣｕ基板との間に、Ａｕ系はんだ層を挟持したダイアタッチメント構造を有するＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置において、
前記Ｃｕ基板と前記Ａｕ系はんだ層との間に、微細なスリットが形成された金属膜を配設すると共に、
前記Ｃｕ基板から、前記スリットを通して前記Ａｕ系はんだ層に達するように、ＡｕとＣｕを主元素とする微小亜鈴断面構造体を埋設したことを特徴とするＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置。

【請求項2】

前記金属膜は、Ｎｉ、またはＣｏ、またはＮｉとＣｏの双方を主材料とすること
を特徴とする請求項１に記載のＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置。

【請求項3】

前記金属膜は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂから選ばれた１つ以上の元素を含有すること
を特徴とする請求項２に記載のＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置。

【請求項4】

前記金属膜は、めっき法で形成されたＮｉ、またはＣｏ、またはＮｉとＣｏの双方を主材料とする金属めっき膜であり、めっき中に取り込まれたＷ、及びＭｏの少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項３に記載のＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置。

【請求項5】

前記Ａｕ系はんだ層は、前記Ｃｕ基板由来のＣｕを有効成分として含有することを特徴とする請求項１に記載のＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置。

【請求項6】

前記微小亜鈴断面構造体に含まれるＣｕ及びＡｕは、前記Ｃｕ基板と前記Ａｕ系はんだ層からの漏出によるものであることを特徴とする請求項１に記載のＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置。

【請求項7】

加熱台の上に、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂから選ばれた１つ以上の元素を含有させた金属膜を表面に被膜したＣｕ基板、液相線温度が４２０℃以下であるＡｕ系はんだ材、及び半導体素子チップを順に重ね置きする重ね置き工程と、
加熱台の上に重ね置きした前記Ｃｕ基板、前記Ａｕ系はんだ材、及び前記半導体素子チップを加熱して昇温し、前記Ａｕ系はんだ材を融解させて、前記Ｃｕ基板と前記半導体素子チップとの間に挟持された融液層とする昇温工程と、
前記Ｃｕ基板、前記半導体素子チップ、及び前記融液層を冷却して、該融液層を固化させ、前記Ｃｕ基板と前記半導体素子チップとを接合させる冷却工程と、
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記Ｃｕ基板の表面に前記金属膜を被膜する処理は、めっき法を用い、めっき浴にＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂから選ばれた１つ以上の元素を含有するイオンを添加することによって、前記金属膜に、Ｗ、またはＭｏ、またはＷとＭｏの双方を含有させること
を特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記昇温工程は、５ミリバール以下の減圧下で実行されること
を特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記昇温工程と、前記冷却工程との間に、
前記Ａｕ系はんだ材のＡｕ系はんだ融液と前記金属膜とを反応させ、前記金属膜に、Ｃｕ基板に貫通するスリットを形成する処理と、
前記スリットを前記Ａｕ系はんだ融液で満たす処理と、
スリット底部においてＡｕ系はんだ融液とＣｕ基板とを反応させる処理と、
からなる微小亜鈴断面構造体の形成工程を実施すること
を特徴とする請求項７に記載の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、半導体素子と、Ｃｕを主原料とする導電性基板（以下「Ｃｕ基板」と略す）と、を金（Ａｕ）を主成分とするはんだ材で接合してなるＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炭化珪素（ＳｉＣ）やチッ化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置は、高い半導体接合温度（Ｔｊ）であっても、従来のシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いたパワー半導体装置に比べてオン抵抗が低く、高速スイッチイングさせることが可能である。このため、半導体装置の小チップ化と同時に、システムを構成する受動部品や冷却器の小型化を達成することが可能となり、小型、軽量で低価格なパワーエレクトロニクスシステムが実現できると期待されている。

【0003】

このような高い半導体接合温度（Ｔｊ）で作動するパワー半導体装置を構成する半導体素子チップと金属基板との接合部分、即ち、ダイアタッチメントには、当然、高い耐熱性が要求される。一般に金属基板には導電性、熱伝導性、価格の点から銅（Ｃｕ）を主原料とした板材が用いられ、多くは、セラミック絶縁基板に貼り付けた態様で使用されている。以下、セラミック絶縁基板に貼り付けたものも含めて「Ｃｕ基板」と略称することにする。

【0004】

一方、接合材として広く使用されているのが高融点Ａｕ系はんだである（非特許文献１、２、３参照）。ここで言うＡｕ系はんだとは、共晶ＡｕＧｅはんだ（融点３５６℃）、共晶ＡｕＳｉはんだ（融点３６３℃）、共晶ＡｕＳｎはんだ（融点２８０℃）等である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】P. Alexandrov, W. Wright, M. Pan, M. Weiner, L. Jiao, J.H. Zhao, Solid-State Electron., 47 (2003) p. 263.

【非特許文献2】R.W. Johnson and L. Williams, Mater. Sci. Forum 483-485 (2005) p. 785

【非特許文献3】S. Tanimoto, K. Matsui, Y. Murakami, H. Yamaguchi, and H. Okumura, Proceedings of IMAPS HiTEC 2010 (May 11-13, 2010, Albuquerque, New Mexico, USA), pp. 32-39.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来における半導体装置のＡｕ系はんだダイアタッチメントでは、Ｃｕ基板にバリヤメタルとして機能する緻密なＮｉ等のめっきを施して、半導体素子（ＳｉＣ）チップを接合したＡｕ系はんだ層をＣｕ基板と遮断する構成としている。しかしながら、このような半導体装置を高温で長期に使用し続けると、時間経過に伴ってはんだ接合層の接合強度が低下し、遂には半導体チップがめっき層付近から剥離するという問題が発生することがある。この劣化現象は高温であればあるほど激しく、且つ、短時間に現れる。

【0007】

例えば、上述した非特許文献３では、ＮｉめっきＣｕ板の上にＡｕＧｅはんだでＳｉＣチップを接合させたダイアタッチメントを、３００℃の大気中で放置したとき、その接合強度が約３０００時間後にはＩＥＣ６０７４９−１９規格で規定された下限近くまで低下することが報告されている。

【0008】

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、半導体装置の加熱による接合強度の劣化を遅延させ、剥離モード寿命を延ばすことが可能なＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、本願発明は、Ｃｕ基板とＡｕ系はんだ層との間に、微細なスリットが形成された金属膜を配設し、Ｃｕ基板からスリットを通してＡｕ系はんだ層に達するように、ＡｕとＣｕを主元素とする微小亜鈴断面構造体を埋設することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、Ｎｉめっき層のスリットに配設したＡｕとＣｕを主元素とする微小亜鈴断面構造体が、Ａｕ系はんだ層とＣｕ基板とを強固に結合させるので、高温下に放置した場合でも長期に渡って高い接合強度を維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。

【図2】図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。

【図3】本発明に係る半導体装置の製造方法にて作製した半導体装置断面を、走査電子顕微鏡で撮影した写真である。

【図4】図３に示す断面図の点線で囲まれた部分である微小亜鈴断面構造体の拡大走査電子顕微鏡写真である。

【図5】本発明に係る半導体装置及び従来の半導体装置を、３００℃、大気中に放置した際の、時間経過に伴う半導体素子チップの接合（シェア）強度の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。なお、以下に示す各断面図は、本発明の理解を促進するために、厚さ方向（図中、上下方向）の寸法を誇張して記載している。

【0013】

図１では、Ｃｕ基板２と半導体素子１（半導体素子チップ）をＡｕ系はんだ層３により接合したダイアタッチ構造を有する半導体装置の例について示している。半導体素子１としてＳｉＣパワー素子を使用し、Ａｕ系はんだ層３として共晶ＡｕＧｅはんだを使用し、Ｃｕ基板２としてＳｉＮセラミック基板の両面にＣｕを主原料とした金属Ｃｕ板を貼り付けた「Ｃｕ基板」を使用している。なお、これらは一例であり、半導体素子１としてはＧａＮ素子、ダイヤモンド素子、ＺｎＯ素子等の他のワイドバンドギャップ半導体素子や高温用途を目的としたＳｉ半導体素子（ＳＯＩ素子やセンサ素子）でも等しく適用できる。

【0014】

また、Ａｕ系はんだ層３に用いるＡｕ系はんだは、Ａｕを主原料とするはんだであって、典型的には共晶ＡｕＧｅはんだ、共晶ＡｕＳｉはんだ、共晶ＡｕＳｎはんだ等である。また、これらのはんだの混合物でも良く、また、これら共晶はんだにその他の元素を添加したものでも良い。更には、必ずしも共晶組成である必要はなく、液相線温度が概ね４２０℃以下である過共晶組成、亜共晶組成であっても良い。

【0015】

Ｃｕ基板２は、ＳｉＮセラミック基板に貼り付けたもの限らず、他の種類のセラミック基板に貼り付けたＣｕ基板でも良いし、リードフレームのようなＣｕを主材料とする単純な金属板でも良い。

【0016】

半導体素子１は、炭化珪素（ＳｉＣ）パワー半導体素子であり、裏面にはオーミックコンタクト１１が形成され、該オーミックコンタクト１１の表面には、はんだの濡れ性の改善、はんだの侵入の防止、付着力の向上などを目的として実装電極１２が被覆されている。実装電極１２は、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇ積層蒸着膜（Ｔｉがオーミックコンタクト１１に接触し、Ａｇが最表面となる層構造）を挙げることができる。

【0017】

Ｃｕ基板２は、ＳｉＮセラミック基板２１の少なくとも片面にＣｕを主原料とする金属Ｃｕ板２２をロウ付け等で貼り付けた構造を成している。

【0018】

金属Ｃｕ板２２の表面には、ＷやＭｏ等の、周期律表第５周期以上の高融点金属を微量だけ（１mol％以下）含有したＮｉ膜、またはＣｏ膜、またはＮｉＣｏ混合膜やＮｉ／Ｃｏ積層膜等の緻密金属膜２３（金属膜；ＮｉまたはＣｏまたはＮｉとＣｏの双方を主材料とする金属膜）がめっき法で被覆されている。即ち、緻密金属膜２３は、めっき法で形成されたＮｉ、またはＣｏ、またはＮｉとＣｏの双方を主材料とする金属めっき膜である。この緻密金属膜２３は、はんだ付け濡れ性の確保、及び、Ａｕ系はんだ層３と金属Ｃｕ板２２が全面的に接触することをを防ぐ役割を担っている。

【0019】

緻密金属膜２３は、無電解めっきで形成するのが最も容易でコスト安ではあるが、スパッタリングや電子ビーム法など、他の成膜手法を用いて形成しても良い。緻密金属膜２３が他の成膜手法により形成された場合には、微量に添加する高融点材料として、前述したＷ、Ｍｏ以外に、ＴａとＮｂ、Ｒｅ等を用いることができる。

【0020】

緻密金属膜２３には、垂直に開口した微細スリット２４が設けられている。この微細スリット２４は、紙面垂直方向に線条に延びているものとする。微細スリット２４の幅は、後述するＡｕ系はんだ層３の厚みを最大値として最小値０．１μｍまでの範囲に収めるのが望ましく、２０μｍ〜１μｍの範囲であることがより好ましい。

【0021】

また、本発明の半導体装置を半導体チップの側からＣｕ基板に向かって透視したとき、半導体チップの接合面全体に占めるスリットの積算面積の割合（総正射影面積の割合）は０．１％以上、１０％以下（０．１％〜１０％の範囲）であり、５％以下であることがより好ましい。

【0022】

Ａｕ系はんだ層３は、Ｃｕを有効成分として含有しており、例えば、共晶ＡｕＧｅはんだにＣｕを含有した層である。このＡｕ系はんだ層３に含有するＣｕは、Ｃｕ基板２の金属Ｃｕ板２２に由来する。即ち、Ａｕ系はんだ層３は、Ｃｕ基板由来のＣｕを有効成分として含有している。Ａｕ系はんだ層３にＣｕが含まれていることと、このＣｕの起源が金属Ｃｕ板２２にあることが本発明の構成上の際立った特徴の一つである。

【0023】

図１に示すＣｕ基板２に設けられる符号４は、ＡｕとＣｕを主元素とする微小亜鈴断面構造体であり、本発明構造のもう一つの際立った特徴である。ここで、微小亜鈴断面構造体４とは、図１に点線で描いた亜鈴形状の断面を有する微小構造体を指している。微小亜鈴断面構造体４の亜鈴は、前述した微細スリット２４を介して、緻密金属膜２３上部のＡｕ系はんだ層３の内部と金属Ｃｕ板２２の内部に埋設されている。また、該微小亜鈴断面構造体４の主元素であるＣｕ及びＡｕは、Ｃｕ基板２とＡｕ系はんだ層３をそれぞれ起源としている。

【0024】

次に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す工程図を参照して、図１に示した半導体装置を製造する手順について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、前駆材料Ａ１、Ｂ２、Ｃ３を準備する。前駆材料Ａ１は、上述した図１に示す炭化珪素（ＳｉＣ）製のパワー半導体素子１である。市販されている炭化珪素（ＳｉＣ）パワー半導体素子１の裏面の実装電極構造は、事実上ほとんど前述した実装電極１２の構造と一致しているので、これらを用いる限り、本発明を実施するために特段の改変を必要としない。

【0025】

前駆材料Ｂ２は、図１に示したＣｕ基板２である。この前駆材料Ｂ２は、以下に示す手順で製作する。

【0026】

初めに、セラミック基板２１の表面に金属Ｃｕ板２２を貼り付けたＣｕ基板２を、Ｗイオン（またはＭｏイオンまたは両イオン）を僅かに含有する無電解Ｎｉめっき浴（またはＣｏめっき浴）に浸漬して、金属Ｃｕ板２２の表面にＮｉ：Ｗ（またはＮｉ：Ｍｏ、Ｃｏ：Ｗ、Ｃｏ：Ｍｏ等）緻密金属膜２３を被膜する。即ち、Ｃｕ基板３の表面に緻密金属膜２３を被膜する処理は、めっき法を用い、めっき浴に周期律表第５周期以上の高融点金属を含有するイオンを添加することにより、緻密金属に高融点金属を微量だけ含有させる。

【0027】

緻密金属膜２３の典型的な厚みは、５μｍである。なお、「：Ｗ」や「：Ｍｏ」の表記は、ＷやＭｏが極微量（１mol％以下）含まれることを意味している。また、この時点では緻密金属膜２３に微細スリット２４が開口していない点に注意する必要がある。

【0028】

なお、必須ではないが、緻密金属膜２３の上に、フラッシングめっき法で薄いＡｕ膜、または薄いＡｇ膜を被覆すると、後続のリフロー工程においてはんだ濡れ性が更に改善され、歩留まりを向上させることができる。

【0029】

図２（ａ）に示す前駆材料Ｃ３は、Ａｕ系はんだ材３ａである。該Ａｕ系はんだ材３ａは、Ａｕを主原料とするはんだであって、典型的には共晶ＡｕＧｅはんだ、共晶ＡｕＳｉはんだ、共晶ＡｕＳｎはんだ等である。また、これらはんだの混合物を用いることもできる。更には、必ずしも共晶組成である必要はなく、液相線温度が概ね４２０℃以下である過共晶組成、亜共晶組成であっても良い。また、改質改善の不純物として、第３の元素を含んでいても良い。形態はプリフォーム（チップ状の固体）でも良いし、ペーストでも良い。注意すべき点として、Ａｕ系はんだ材３ａと半導体装置を構成した後のＡｕ系はんだ層３（図１参照）とは、構成元素が一致していないことである。図１に示すＡｕ系はんだ層３には、図２（ａ）に示すＡｕ系はんだ材３ａに含まれていないＣｕが有効成分として含まれている。

【0030】

前駆材料Ａ１、Ｂ２、Ｃ３の準備ができたら、アセトンやイソプロピルアルコール等の溶剤を用いて有機洗浄を行い、これら各前駆材料Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の表面に付着している汚染物を除去する。

【0031】

続いて、前駆材料Ａ１、Ｂ２、Ｃ３を減圧リフロー装置に設置する。減圧リフロー装置は５ミリバール程度まで減圧できる程度の排気能力を有し、純度９９．９９％以上の不活性ガス（窒素やアルゴンガス）が導入する仕様のものであるものとする。減圧リフロー装置の代わりに還元雰囲気や低露点雰囲気でリフローが実行できる常圧リフロー装置を用いることもできる。

【0032】

その後、減圧リフロー装置のリフロー台（加熱台）の上に前駆材料Ｂ２を置き、図２（ａ）に示すように、前駆材料Ｂ２（Ｃｕ基板２）の上の所望する部位に前駆材料Ｃ３（Ａｕ系はんだ材３ａ）を載置し（ペーストの場合は塗布し）、更にその上に前駆材料Ａ１（半導体素子１）を重ね合わせる。即ち、リフロー台（加熱台）の上に、周期律表第５周期以上の高融点金属を微量だけ含有させた緻密金属膜を表面に被膜したＣｕ基板、液相線温度が４２０℃以下であるＡｕ系はんだ材、及び半導体素子チップを順に重ね置きする。なお、図２ではリフロー台の描画を省略している。

【0033】

ここで、前駆材料Ｂ２上の所望する部位に前駆材料Ｃ３、及び前駆材料Ａ１を正確に載置し、リフロープロセス中の半導体素子１の位置ずれを防止するために、テンプレート式カーボン治具を使用することが望ましい。

【0034】

ここで、本発明の必須要件ではないが、Ａｕ系はんだ層３（図１参照）に発生するボイドを軽減するために、リフロープロセス中、特に、はんだ融解時に、半導体素子１に穏やかな圧力を加えると良い。必要な荷重は０．１ｇ／ｃｍ2以上、より好ましくは０．３ｇ／ｃｍ2以上である。例えば、４ｍｍ2の半導体素子１に対しては、好ましくは０．４ｇ以上、より好ましくは１．２ｇ以上の荷重を用いれば良い。

【0035】

上記準備が完了した場合には、その後リフロー工程を実行する。このリフロー工程では、初めに減圧リフロー装置の試料室の排気を行う。試料室内の圧力が５ミリバール以下となったら、該試料室内に不活性ガスを導入する。この操作を数回行い、試料室内の空気を不活性ガスで置換する。これにより、試料室内には不活性ガスが充満することになる。

【0036】

この状態で、リフロー台または試料室内全体を加熱して、前述した各前駆材料Ａ１、Ｂ２、Ｃ３の温度を概ね２００℃に昇温し、約２分間この温度を保持する。このとき、蟻酸蒸気を含む不活性ガスを導入して汚染有機物の除去を促進しても良い。

【0037】

次いで、不活性ガス導入を停止し、排気を再開して試料室内の圧力を５ミリバール以下に減圧すると共に、リフロー台（または試料室全体）を更に加熱して、各前駆材料Ａ１、Ｂ２、Ｃ３をＡｕ系はんだ材３ａ（前駆材料Ｃ３）の液相線温度以上まで昇温させ、この温度を保持する。保持時間は長くても５分で十分である。例えば、Ａｕ系はんだ材３ａ（前駆材料Ｃ３）が共晶ＡｕＧｅはんだの場合、典型的なリフロー条件は温度４１０℃、１分である。Ａｕ系はんだ材３ａの温度が液相線温度を超えると、該Ａｕ系はんだ材３ａが融解し、融液層となって緻密金属基板２３（ＷやＭｏ等の高融点金属を微量含有したＮｉ膜等）の表面と半導体素子１の裏面を濡らす。

【0038】

即ち、Ｃｕ基板２、Ａｕ系はんだ材３ａ、及び半導体素子１（半導体チップ）を加熱して昇温し、Ａｕ系はんだ材３ａを融解させて、該Ａｕ系はんだ材３ａを、Ｃｕ基板２と半導体素子１との間に挟持された融液層とする昇温工程が実施される。

【0039】

このとき、緻密金属膜２３は、Ａｕ系はんだ材融液層と反応して収縮する。その結果として、図２（ｂ）に示すように、緻密金属膜２３に微細スリット２４が形成される。即ち、Ａｕ系はんだの融液と緻密金属膜２３とを反応させ、緻密金属膜２３にＣｕ基板２に向けて貫通する微細なスリット（微細スリット２４）を形成する処理が行われる。そして、微細スリット２４が形成されると、この微細スリット２４には、直ちにＡｕ系はんだ材３ａ（前駆材料Ｃ３）のＡｕ系はんだ融液３’（図２（ｃ）参照）が毛管効果等により流れ込み、微細スリット２４を充填させる。即ち、微細なスリットを融液で満たす処理が行われる。

【0040】

そして、図２（ｃ）に示すＡｕ系はんだ融液３’は、微細スリット２４の底部において金属Ｃｕ板２２の表面を融かしながら、融液／固体界面においてＡｕとＣｕの原子交換を極めて活発に行う。金属Ｃｕ板２２から放出されたＣｕは、Ａｕ系はんだ融液３ｂに融解し、たやすく移動し、速やかにＡｕ系はんだ融液層全体に分散する。即ち、スリット底部においてＡｕ系はんだ融液とＣｕ基板とを反応させる処理が行われる。その結果、図２（ｃ）に示すように、Ａｕ系はんだ融液３’の組成は、「Ａｕ＋Ｇｅ」から「Ａｕ＋Ｃｕ＋Ｇｅ」に変わる。

【0041】

一方、図２（ｂ）に示すＡｕ系はんだ融液３ｂから固体としての金属Ｃｕ板２２側に放出されたＡｕ原子は、金属Ｃｕ中を概ね等方的に拡散し、図２（ｃ）に示すように、拡散した領域の組成をＡｕ＋Ｃｕ合金４’に改変する。こうして、微小亜鈴断面構造体４の前駆構造体（Ａｕ＋Ｃｕ合金４’）が形成される。なお、この時点でＡｕ系はんだ融液３’は、未だ液相である。

【0042】

次いで、試料室に不活性ガスを導入し、所定の圧力まで上昇したら、直ちにリフロー台または試料室全体の降温を開始する。Ａｕ系はんだ融液３’の温度が固相線温度を下回ったところで、Ａｕ系はんだ融液３’が固化し、図１に記載したＡｕ系はんだ層３となって半導体装置が完成する。

【0043】

即ち、Ｃｕ基板、半導体素子チップ、及び融液層を冷却して、該融液層を固化させ、Ｃｕ基板と半導体素子チップとを接合させる冷却工程が実行される。

【0044】

その後、リフロー台または試料室の温度が十分低い温度まで下がったところで、完成した半導体装置をリフロー装置から取り出す。こうして、図１に示した半導体装置を製造することができる。

【0045】

図３は、このようにして作成した本発明に係る半導体装置の、ＡｕＧｅダイアタッチメント部の断面走査電子顕微鏡写真（反射電子像）である。また、図４は、図３の点線部分に示す領域の拡大電子顕微鏡写真である。同図には併せて、エネルギー分散型分光解析で同定した組成も写真上に記載している。図４に示す写真において、白いコントラストで見える領域は元素Ａｕを多く含んでいるＡｕ＋Ｃｕ相に対応する。

【0046】

図３、図４から、Ｎｉめっき層（＝緻密金属層）に開口した微細スリットを介して、図１に示した如くの、微小亜鈴断面構造体４が、本発明で意図した通り形成されていることが確認される。

【0047】

図５は、上述した半導体装置の製造方法を採用して製造したＡｕＧｅダイアタッチメント半導体装置を、周囲温度３００℃の大気に放置したときの、平均接合強度（シェア強度）の変遷を３０００時間に渡ってプロットしたグラフである。半導体チップのサイズは、前述した非特許文献３と同様の２×２ｍｍ^２である。また、該非特許文献３の実験結果についてもこの特性図に記載している。

【0048】

図５に示すグラフから明らかなように、本実施形態に係る半導体装置の、ＡｕＧｅダイアタッチメントの接合強度は、時間と共に多少の増減はあるものの、いずれの放置時間においても、ＩＥＣ６０７４９−１９規格の１０倍以上の十分な値を維持していることが理解される。特に、３０００時間後の接合強度は１０２ＭＰａであって、これは試験直後の初期強度とほぼ同じであり、且つ、ＩＥＣ６０７４９−１９規格の１６倍強の値である。

【0049】

このように、本発明に係るＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置及びその製造方法では、Ａｕ系はんだでダイアタッチを構成した半導体装置においては、「高温で長期に使用し続けるとはんだ接合層の接合強度が時間の経過とともに低下し、ついには半導体チップがめっき層付近から剥離する」という従来技術の問題を解決することができることとなる。

【0050】

ここで、非特許文献３に記載されている従来のＡｕ系ダイアタッチメント半導体装置は、高温に放置すると時間の経過とともに接合強度が低下し、最終的に剥離に至る。本願発明者らは、この現象を実験で仔細に観察した結果、未だ仮説の部分はあるものの、その理由を下記のように解明するに至った。

【0051】

非特許文献３に記載されているＡｕＧｅダイアタッチの例で述べると、ダイアタッチを高温に放置し続けると、Ａｕと対をなす元素Ｇｅが緻密金属膜であるＮｉ−Ｐめっき膜と反応し、機械的に脆い金属間化合物（非特許文献３の例では、ＮｉＧｅ）を生成しながら、Ｎｉ−Ｐめっき膜を不均一に細らせる。Ｎｉ−Ｐめっき膜は、細る過程でＰが次第に濃化され、このＰが濃化されるに連れて、Ｎｉ−Ｐめっき膜も不均一な薄膜化の進行と相まって機械的脆弱性が高まってくる。何らかの原因により、ぬれ広がったはんだ層周縁部の濃化Ｎｉ−Ｐめっき膜に垂直に隙間のある亀裂が入ると（或いは、ＮｉＧｅ金属間化合物に入った亀裂が引き金となってＮｉ−Ｐめっき膜に垂直に隙間のある亀裂が入ると）、Ｎｉ−Ｐめっき膜下のＣｕが局所的に酸化され、体積の大きなＣｕ酸化物が形成される。この局所酸化物の形成によって、その後はＮｉ−Ｐめっき膜下のＣｕに隙間が形成され、この隙間を通して酸素が供給され続けるので、Ｃｕの酸化と隙間が半導体チップ下Ｎｉ−Ｐめっき膜下の内部へ伝播し行く。Ｃｕ酸化物とＮｉ−Ｐめっきの密着性は良好ではないので、接合強度が徐々に減少してゆく。

【0052】

これに対して、本発明に係る半導体装置では、まず第１に、緻密金属膜２３としてＷまたはＭｏを含有したＮｉめっき膜等を用いているため、ＷまたはＭｏの作用によりＡｕＧｅはんだとの反応が抑制され、これにより、めっき膜の細りも、Ｐの濃化も、その速度を低下させることができる。また、本発明の半導体装置の構成においては、亜鈴形状を有する微小亜鈴断面構造体４がアンカー効果を発揮し、ＡｕＧｅ（Ｃｕ）はんだ層を金属Ｃｕ板に強固に固定し、Ｎｉ−Ｐめっきと下の金属Ｃｕ板の間に隙間が形成されるのを強く抑止することができる。この際、微小亜鈴断面構造体４の周囲には、隙間が形成されないので、酸素の供給がなく、隙間の内部への伝播が抑制される。こうして、本発明においては、高温に放置しても、図５の実験データで示したように、適切な接合強度を長期にわたって維持することができる。

【0053】

本発明に係るＡｕ系ダイアタッチ半導体装置のダイアタッチは、従来における同半導体装置のダイアタッチと対比すると、一見構造が複雑であるが、製造方法の項で説明したように、実際には従来とほぼ同様の手順で製造することができる。製造にかかる負担が大きくならない。また、金属Ｃｕ板表面を被覆する緻密金属膜（Ｎｉめっき膜等）にＷやＭｏを含有する構成とする必要があるが、必要とするＷやＭｏの量はごく僅かであり、これら添加物が大きなコスト増の要因にはならない。

【0054】

このようにして、本実施形態に係るＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置では、Ｃｕ基板２、Ａｕ系はんだ層３、及び緻密金属膜２３に形成される微細スリット２４に、Ａｕ及びＣｕを主元素とする微小亜鈴断面構造体４を埋設しているので、Ａｕ系はんだ層３の接合強度を強固とすることができ、時間の経過とともに低下剥離が生じるという従来の問題を解決することができる。

【0055】

また、緻密金属膜２３を、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉとＣｏの双方、のうちのいずれかを主材料とし、周期律表第５周期以上の高融点金属（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ等）を微量だけ含有させるので、より強固な接合とすることが可能となる。

【0056】

更に、高融点金属として、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂから選ばれる１つ以上の元素を用いるので、これらの高融点金属の作用によりＡｕＧｅはんだとの反応が抑制され、めっき膜の細りの速度を低下させることができる。その結果、より強固な接合とすることができる。

【0057】

また、緻密金属膜２３は、めっき法で形成されたＮｉ、Ｃｏ、ＮｉとＣｏの双方、のうちのいずれかを主材料とし、高融点金属は、Ｗ、及びＭｏのうちの少なくとも一方とすることにより、より強固な接合とすることが可能となる。

【0058】

また、緻密金属膜２３に形成される微細スリット２４の幅を、２０μｍ〜１μｍの範囲とするので、微小亜鈴断面構造体４による強固な接合とすることができる。

【0059】

更に、接合面積全体に占めるスリットの総正射影面積の割合が、０．１％〜１０％の範囲とされるので、強固な接合とすることが可能となる。

【0060】

また、Ａｕ系はんだ層３は、Ｃｕ基板由来のＣｕが有効成分として含有するので、より強固な接合とすることが可能となる。

【0061】

更に、微小亜鈴断面構造体４の主元素となるＣｕ、及びＡｕは、Ｃｕ基板２、及びＡｕ系はんだ層３をそれぞれ起源とするので、微小亜鈴断面構造体４を強固とすることができ、ひいては強固な接合とすることが可能となる。

【0062】

また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、前駆材料Ａ１、Ｂ２、Ｃ３を重ね置きする重ね置き工程と、前駆材料Ｃ３（Ａｕ系はんだ層）を融解させて融液層とする昇温工程と、融液層を冷却して固化させる冷却工程により製造可能であり、従来とほぼ同程度の工程により、より強固な接合を有する半導体装置を製造することが可能となる。

【0063】

更に、Ｃｕ基板２の表面に緻密金属膜２３を被膜する処理として、めっき法を用いており、めっき浴に周期律表第５周期以上の高融点金属を含有するイオンを添加するので、簡単な処理により、緻密金属膜２３を被膜することが可能となる。

【0064】

また、試料室内の圧力を５ミリバール以下の減圧下で昇温工程を実行するので、Ａｕ系はんだ層を円滑にはんだ融液とすることができる。

【0065】

更に、昇温工程のと冷却工程との間に、微細スリット２４を形成する処理、微細スリット２４内を融液で満たす処理、及び微細スリット２４の底部にてＡｕはんだ融液とＣｕ基板を反応させる処理を行うので、微小亜鈴断面構造体４を効率良く形成することが可能となる。

【0066】

以上、本発明のＡｕ系はんだダイアタッチメント半導体装置、及びその製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

【産業上の利用可能性】

【0067】

本発明は、半導体チップがめっき層から剥離することを防止することに利用することができる。

【符号の説明】

【0068】

１ 半導体素子
２ Ｃｕ基板
３ Ａｕ系はんだ層
４ 微小亜鈴断面構造体
１１ オーミックコンタクト
１２ 実装電極
２１ セラミック基板
２２ 金属Ｃｕ板
２３ 緻密金属膜
２４ 微細スリット
１００ 半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】