特許 6819385 半導体装置の製造方法

(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】6819385

(24)【登録日】2021年1月6日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20210114BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20210114BHJP

   H01L 23/13 20060101ALI20210114BHJP

   B23K 20/00 20060101ALI20210114BHJP

   B23K 1/00 20060101ALN20210114BHJP

   B23K 101/40 20060101ALN20210114BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/40 F

   H01L23/36 C

   H01L23/12 C

   B23K20/00 310L

   B23K20/00 310M

   !B23K1/00 330E

   B23K101:40

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-53083(P2017-53083)

(22)【出願日】2017年3月17日

(65)【公開番号】特開2018-157080(P2018-157080A)

(43)【公開日】2018年10月4日

【審査請求日】2019年9月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 航

(72)【発明者】

【氏名】駒崎 雅人

【審査官】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０７６４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８５６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１６９８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０８６２１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１７５４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１５５１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０３６１０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １／００、２０／００、１０１／４０、

Ｈ０１Ｌ ２３／１２−２３／２９、２３／３４−２３／４７３、

２５／００−２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板と、前記回路層上に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記回路層の前記半導体素子との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記半導体素子は、素子本体と、アルミニウムと相互拡散する金属を含有するメタライズ層と、を備えており、
前記メタライズ層が前記回路層に接触するように、前記半導体素子を前記回路層に積層する積層工程と、
前記半導体素子及び前記絶縁回路基板を、積層方向に加圧するとともに加熱して、前記半導体素子の前記メタライズ層と前記回路層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
を有し、
前記固相拡散接合工程における加熱温度が３８０℃以上、前記メタライズ層を構成する金属とアルミニウムとの共晶温度未満とされており、
前記固相拡散接合工程において、前記メタライズ層を構成する金属を拡散させることにより、前記メタライズ層を消失させることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記メタライズ層は、アルミニウムと相互拡散する金属として、銅、銀、金から選択されるいずれか一種または二種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記メタライズ層と前記素子本体との間に、ニッケル、チタン又はクロムのいずれか一種または二種以上からなるバリア層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項4】

前記バリア層に、前記回路層のアルミニウムを拡散させることを特徴とする請求項３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】

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の回路層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

パワーモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板または銅板からなる回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板が開示されている。
そして、絶縁回路基板の他方の面側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。

【0004】

上述の半導体装置においては、例えば特許文献２に記載されているように、上述の絶縁回路基板の回路層と半導体素子とは、はんだ材を介して接合されている。ここで、特許文献２においては、回路層がアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されていることから、回路層の表面に電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合している。
また、特許文献３においては、実装基板と半導体デバイスのドレインパッド電極とを固相拡散接合した半導体装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３１７１２３４号公報

【特許文献2】特開２００４−１７２３７８号公報

【特許文献3】特開２０１３−１７５６９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献２に開示されているように、回路層と半導体素子とをはんだ材を介して接合した場合には、回路層と半導体素子との間に形成されたはんだ層の熱伝導率が回路層等に比べて低いため、このはんだ層が熱抵抗となり、半導体素子において発生した熱を絶縁回路基板側へと効率良く伝達することができず、半導体装置の放熱特性が低下するといった問題があった。

【0007】

一方、特許文献３においては、半導体デバイスと実装基板とを固相拡散接合によって直接接合していることから、熱抵抗となるはんだ層等が形成されていない。しかしながら、特許文献３においては、固相拡散接合時の加熱温度が２００℃以上３５０℃以下と比較的低温条件とされており、半導体デバイスと実装基板との間の拡散が不十分であって、半導体デバイスと実装基板とを十分に接合することができず、接合界面が熱抵抗となり、半導体デバイスで発生した熱を実装基板側へと効率良く伝達することができないおそれがあった。

【0008】

特に、最近では、半導体装置の使用環境も高温条件となり、かつ、半導体素子自体の発熱量も大きくなる傾向にあるため、従来にも増して放熱特性に優れた半導体装置が要求されている。

【0009】

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層と半導体素子とを固相拡散接合によって確実に接合することができ、半導体素子において発生した熱を効率良く絶縁回路基板側へと伝達でき、放熱特性に優れた半導体装置を得ることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板と、前記回路層上に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記回路層の前記半導体素子との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記半導体素子は、素子本体と、アルミニウムと相互拡散する金属を含有するメタライズ層と、を備えており、前記メタライズ層が前記回路層に接触するように、前記半導体素子を前記回路層に積層する積層工程と、前記半導体素子及び前記絶縁回路基板を、積層方向に加圧するとともに加熱して、前記半導体素子の前記メタライズ層と前記回路層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、を有し、前記固相拡散接合工程における加熱温度が３８０℃以上、前記メタライズ層を構成する金属とアルミニウムとの共晶温度未満とされており、前記固相拡散接合工程において、前記メタライズ層を構成する金属を拡散させることにより、前記メタライズ層を消失させることを特徴としている。

【0011】

この構成の半導体装置の製造方法によれば、前記回路層の前記半導体素子との接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記半導体素子がアルミニウムと相互拡散する金属を含有するメタライズ層を備えており、前記半導体素子及び前記絶縁回路基板を積層方向に加圧するとともに加熱して前記半導体素子の前記メタライズ層と前記回路層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程における加熱温度が３８０℃以上、前記メタライズ層を構成する金属とアルミニウムとの共晶温度未満の範囲内とされているので、前記回路層のアルミニウムと前記メタライズ層の金属とを十分に相互拡散させることができ、半導体素子と回路層とを確実に固相拡散接合することができる。また、接合時に液相が生じることを抑制でき、回路層の形状を維持することができる。
そして、半導体素子と回路層とが固相拡散接合によって直接接合されるとともに、半導体素子と回路層とが確実に接合されているので、半導体素子において発生した熱を効率良く絶縁回路基板側へと伝達でき、放熱特性に優れた半導体装置を得ることができる。
また、前記固相拡散接合工程において、前記メタライズ層を構成する金属を拡散させることにより、前記メタライズ層を消失させているので、メタライズ層の金属が十分に拡散することになり、前記回路層のアルミニウムと前記メタライズ層の金属とを十分に相互拡散させることができ、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。

【0012】

ここで、本発明の半導体装置の製造方法においては、前記メタライズ層は、アルミニウムと相互拡散する金属として、銅、銀、金から選択されるいずれか一種または二種以上を含むことが好ましい。
銅、銀、金から選択されるいずれか一種または二種以上の金属は、アルミニウムと相互拡散する金属であるため、固相拡散接合工程における加熱温度を３８０℃以上、前記メタライズ層を構成する銅、銀、金とアルミニウムとの共晶温度未満の範囲内とした場合であっても、前記回路層のアルミニウムと前記メタライズ層の金属とを十分に相互拡散させることができ、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。

【0014】

さらに、本発明の半導体装置の製造方法においては、前記メタライズ層と前記素子本体との間に、ニッケル、チタン又はクロムのいずれか一種または二種以上からなるバリア層が形成されていることが好ましい。
この場合、回路層のアルミニウムやメタライズ層の金属が、素子本体にまで拡散されることを抑制することができ、半導体素子の特性が変化することを抑制できる。

【0015】

また、本発明の半導体装置の製造方法においては、前記バリア層に、前記回路層のアルミニウムを拡散させることが好ましい。
この場合、前記回路層のアルミニウムがバリア層にまで達するように拡散されているので、前記回路層のアルミニウムと前記メタライズ層の金属とが十分に相互拡散しており、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、回路層と半導体素子とを固相拡散接合によって確実に接合することができ、半導体素子において発生した熱を効率良く絶縁回路基板側へと伝達でき、放熱特性に優れた半導体装置を得ることができる半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態である半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置（パワーモジュール）の概略説明図である。

【図2】図１に示す半導体装置（パワーモジュール）における半導体素子と回路層の接合界面の拡大説明図である。

【図3】本発明の実施形態である半導体装置の製造方法によって用いられる半導体素子の接合前のメタライズ層近傍の拡大説明図である。

【図4】本発明の実施形態である半導体装置の製造方法を示すフロー図である。

【図5】本発明の実施形態である半導体装置の製造方法を示す説明図である。

【図6】本発明の他の実施形態である半導体装置の製造方法における半導体素子と回路層の接合界面の拡大説明図である。

【図7】本発明の他の実施形態である半導体装置の製造方法における半導体素子と回路層の接合界面の拡大説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態である半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を示す。本実施形態における半導体装置は、絶縁回路基板に搭載される半導体素子として、パワー半導体素子が用いられたパワーモジュールとされている。

【0019】

図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に接合された半導体素子４０と、絶縁回路基板１０の他方の面側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。なお、本実施形態においては、ヒートシンク３１が接合された絶縁回路基板１０が、ヒートシンク付き絶縁回路基板３０とされている。

【0020】

絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層となるセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。

【0021】

セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等で構成されている。本実施形態では、窒化アルミニウムで構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

【0022】

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態では、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されることによって回路層１２が形成されている。具体的には、回路層１２を構成するアルミニウム板として、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子４０が搭載される搭載面されている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。

【0023】

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、純アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されることによって形成されている。本実施形態では、金属層１３を構成するアルミニウム板として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
ここで、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。

【0024】

ヒートシンク３１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、図１に示すように、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。本実施形態におけるヒートシンク３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされており、具体的にはＡ６０６３合金で構成されている。
このヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０の金属層１３と、ろう材を用いて接合されている。

【0025】

半導体素子４０は、図１に示すように、ＳｉやＳｉＣ等の半導体材料で構成された素子本体４１と、この素子本体４１の回路層１２との接合面側に形成されたメタライズ層４２と、を備えている。メタライズ層４２は、アルミニウムと相互拡散する金属（例えば、銅、銀、金から選択されるいずれか一種または二種以上）を含んでおり、本実施形態では、銅で構成されている。
ここで、図２に、回路層１２と半導体素子４０との接合界面の拡大図を、図３に、回路層１２に接合前の半導体素子４０のメタライズ層４２近傍の拡大図を示す。

【0026】

半導体素子４０においては、図２及び図３に示すように、メタライズ層４２と素子本体４１との間に、バリア層４３が形成されている。このバリア層４３は、ニッケル、チタン又はクロムのいずれか一種または二種以上からなり、本実施形態においては、チタン層４３ａとニッケル層４３ｂとが積層された構造とされている。なお、本実施形態においては、図２及び図３に示すように、チタン層４３ａが素子本体４１側に配設され、ニッケル層４３ｂがメタライズ層４２側に配設されている。

【0027】

ここで、接合前の半導体素子４０においては、図３に示すように、銅からなるメタライズ層４２の厚さｔ_Ｃ０が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。また、バリア層４３の厚さｔ_Ｂが５ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の範囲内とされており、チタン層４３ａの厚さｔ_Ｔが５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内、ニッケル層４３ｂの厚さｔ_Ｎが５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の範囲内とされている。

【0028】

そして、半導体素子４０と回路層１２とは、固相拡散接合によって接合されている。具体的には、回路層１２のアルミニウムとメタライズ層４２の金属（本実施形態では銅）とが相互に拡散することによって、接合されている。このため、図２及び図３に示すように、接合後のメタライズ層４２の厚さｔ_ｃ１は、接合前のメタライズ層４２の厚さｔ_Ｃ０よりも薄くなっている。

【0029】

ここで、回路層１２のアルミニウムは、バリア層４３にまで拡散している。また、メタライズ層４２の銅もバリア層４３へ拡散している。このため、接合後のバリア層４３には、アルミニウム及び銅を含む化合物相（図示なし）が形成されている。
また、このバリア層４３は、回路層１２のアルミニウム及びメタライズ層４２の銅が、素子本体４１にまで拡散することを抑制している。

【0030】

次に、本実施形態である半導体装置（パワーモジュール１）の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。

【0031】

（回路層及び金属層形成工程Ｓ１１）
まず、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、ろう材を介して、それぞれアルミニウム板を積層する。そして、真空条件下において、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とアルミニウム板を接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。

【0032】

ここで、回路層及び金属層形成工程Ｓ１１における接合条件は、真空度を１０^−３Ｐａ以下、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を６００℃以上６４５℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材等を用いることが好ましい。
このようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。

【0033】

（ヒートシンク接合工程Ｓ１２）
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側に、ろう材を介して、ヒートシンク３１を積層する。そして、真空条件下において、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とヒートシンクとを接合する。

【0034】

ここで、ヒートシンク接合工程Ｓ１２における接合条件は、真空度を１０^−３Ｐａ以下、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を５８０℃以上６１０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材等を用いることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板３０が製造される。

【0035】

（バリア層形成工程Ｓ２１）
また、素子本体４１の一方の端面に、バリア層４３となるチタン層４３ａ及びニッケル層４３ｂを形成する。このバリア層４３（チタン層４３ａ及びニッケル層４３ｂ）は、スパッタ法等の公知の成膜技術によって形成することができる。

【0036】

（メタライズ層形成工程Ｓ２２）
次に、バリア層４３に積層するように、メタライズ層４２を形成する。このメタライズ層４２は、バリア層４３と同様に、スパッタ法等の公知の成膜技術によって形成することができる。
このようにして、メタライズ層４２及びバリア層４３を備えた半導体素子４０が製造される。

【0037】

（積層工程Ｓ０１）
そして、図５に示すように、絶縁回路基板１０の回路層１２の上に半導体素子４０を積層する。本実施形態においては、メタライズ層４２が、回路層１２と接するように、半導体素子４０を積層する。

【0038】

（固相拡散接合工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、積層された絶縁回路基板１０と半導体素子４０とを、積層方向に加圧するとともに加熱して、半導体素子４０のメタライズ層４２と回路層１２とを固相拡散接合する。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ０２における加熱温度が３８０℃以上、メタライズ層４２を構成する金属とアルミニウムとの共晶温度未満の範囲内とされている。なお、例えば、メタライズ層４２が銅で構成されている場合、加熱温度は３８０℃以上５４８℃未満となり、銀で構成されている場合、加熱温度は３８０℃以上５６７℃未満となり、金で構成されている場合、加熱温度は３８０℃以上５２５℃未満となる。
また、加熱温度における保持時間が３０ｍｉｎ以上１２０ｍｉｎ以下の範囲内とされている。さらに、積層方向の加圧荷重が１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．１ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下）の範囲内とされている。

【0039】

以上のような工程により、絶縁回路基板１０の回路層１２と半導体素子４０とが固相拡散接合によって直接接合され、本実施形態である半導体装置（パワーモジュール１）が製造される。

【0040】

以上のような構成とされた本実施形態である半導体装置（パワーモジュール１）の製造方法によれば、絶縁回路基板１０の回路層１２がアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、半導体素子４０にメタライズ層４２が形成されており、半導体素子４０と絶縁回路基板１０とを積層する積層工程Ｓ０１と、これを積層方向に加圧するとともに加熱して半導体素子４０のメタライズ層４２と回路層１２とを固相拡散接合する固相拡散接合工程Ｓ０２と、を有し、固相拡散接合工程Ｓ０２における加熱温度が３８０℃以上、メタライズ層４２を構成する金属とアルミニウムとの共晶温度未満の範囲内とされているので、回路層１２のアルミニウムとメタライズ層４２の金属（本実施形態では銅）とを十分に相互拡散させることができ、半導体素子４０と回路層１２とを確実に接合することができる。また、接合時に液相が生じることを抑制でき、回路層１２の形状を維持することができる。

【0041】

そして、本実施形態においては、半導体素子４０と回路層１２とが固相拡散接合によって直接接合されるとともに、半導体素子４０と回路層１２とが確実に接合されているので、半導体素子４０において発生した熱を効率良く絶縁回路基板１０側へと伝達でき、放熱特性に優れた半導体装置（パワーモジュール１）を得ることができる。

【0042】

また、メタライズ層４２は、アルミニウムと相互拡散する金属として、銅、銀、金から選択されるいずれか一種または二種以上を含んでおり、本実施形態では、銅で構成されているので、固相拡散接合工程Ｓ０２における加熱温度を３８０℃以上、メタライズ層４２を構成する金属とアルミニウムとの共晶温度（銅の場合５４８℃）未満の範囲内とした場合であっても、回路層１２のアルミニウムとメタライズ層４２の金属（銅）とを十分に相互拡散させることができ、半導体素子４０と回路層１２とを確実に接合することができる。

【0043】

さらに、メタライズ層４２と素子本体４１との間に、ニッケル、チタン又はクロムのいずれか一種または二種以上からなるバリア層４３が形成されており、本実施形態では、チタン層４３ａとニッケル層４３ｂとの積層構造のバリア層４３が形成されているので、回路層１２のアルミニウム及びメタライズ層４２の金属（銅）が、素子本体４１にまで拡散されることを抑制することができ、半導体素子４０の特性変化を抑制することができる。

【0044】

また、本実施形態においては、回路層１２のアルミニウムがバリア層４３にまで達するように拡散されているので、回路層１２のアルミニウムとメタライズ層４２の金属（銅）を十分に相互拡散させることができ、半導体素子４０と回路層１２とを確実に接合することができる。

【0045】

さらに、本実施形態においては、固相拡散接合工程Ｓ０２における積層方向の加圧荷重が１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．１ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下）の範囲内とされているので、比較的薄く小型な半導体素子４０を確実に回路層１２に対して密着させることができ、半導体素子４０と回路層１２とを確実に固相拡散接合することができる。

【0046】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態においては、バリア層４３としてチタン層４３ａとニッケル層４３ｂとが積層された構造として説明したが、これに限定されることはなく、ニッケル、チタン又はクロムのいずれか一種または二種以上からなるものであればよく、例えば図６に示すように、バリア層１４３をクロムからなる一層で形成してもよい。

【0047】

また、本実施形態においては、接合後においてもメタライズ層４２が残存するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図７に示すように、メタライズ層４２の金属を完全に拡散させることで、固相拡散接合後にメタライズ層４２を消失させてもよい。この場合、メタライズ層４２を構成する金属が十分に拡散させられることになり、半導体素子４０と回路層１２とを確実に接合することができる。

【0048】

さらに、本実施形態では、回路層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層が銅層とアルミニウム層との積層構造とし、アルミニウム層に半導体素子を接合する構成としてもよい。
また、絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属層を形成しなくてもよいし、金属層を銅等の他の金属で構成してもよい。さらに、金属層を銅層とアルミニウム層との積層構造としてもよい。

【0049】

また、本実施形態では、絶縁層を構成するセラミックス基板１１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。また、絶縁層として絶縁樹脂等を用いてもよい。

【0050】

また、ヒートシンクとして放熱板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体が流通する流路を備えた冷却器等であってもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金、あるいは、炭素質多孔質体に金属を含浸させた炭素質複合材料で構成されたものであってもよい。

【0051】

さらに、本実施形態においては、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。

【0052】

また、半導体素子の構成についても、本実施形態に限定されることはなく、回路層との接合面側に形成されるとともにアルミニウムと相互拡散する金属を含有するメタライズ層が形成されていれば、その他の構成に特に限定はない。

【実施例】

【0053】

以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。

【0054】

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．３８ｍｍ）の一方の面に純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）からなる回路層（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍ）を形成するとともに、セラミックス基板の他方の面に純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる金属層（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍ）を形成し、絶縁回路基板を作製した。
なお、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板との接合は、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔（厚さ１２μｍ）を用いて、真空雰囲気（１０^−４Ｐａ）、加圧荷重０．３ＭＰａ、加熱温度６４２℃、保持時間３０ｍｉｎの条件で接合した。

【0055】

また、熱源となる半導体素子として、表１に示す材質からなるメタライズ層及びバリア層が形成された熱源チップ（１．０ｍｍ×１．０ｍｍ）を準備した。そして、表１記載の条件で、回路層上に熱源チップを固相拡散接合した。
従来例においては、Ｐｂフリーはんだ（組成：Ｓｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ）を用いて、熱源チップを回路層上に接合した。
得られた従来例及び本発明例の半導体装置の熱抵抗を以下のように測定した。

【0056】

（熱抵抗）
投入電力５Ｗとした際の熱源チップの温度と雰囲気温度（２５℃）から以下の式で熱抵抗を算出した。
（熱源チップ温度−雰囲気温度）／投入電力

【0057】

【表1】

【0058】

接合時の加熱温度が本発明よりも低い比較例１においては、半導体素子（熱源チップ）と回路層とを接合することができなかった。このため、熱抵抗の測定を実施しなかった。
接合時の加熱温度が本発明よりも高い比較例２−４においては、回路層が溶融してしまった。このため、熱抵抗の測定を実施しなかった。
半導体素子（熱源チップ）と回路層とをはんだ接合した従来例においては、熱抵抗が３３．０Ｋ／Ｗと比較的高くなった。

【0059】

これに対して、本発明例によれば、半導体素子（熱源チップ）と回路層とを良好に接合することができ、熱抵抗を従来例よりも低く抑えることができた。
以上のことから、本発明例によれば、回路層と半導体素子とを固相拡散接合によって確実に接合することができ、半導体素子において発生した熱を効率良く絶縁回路基板側へと伝達でき、放熱特性に優れた半導体装置を製造できることが確認された。

【符号の説明】

【0060】

１ パワーモジュール（半導体装置）
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層
１３ 金属層
４０ 半導体素子
４１ 素子本体
４２ メタライズ層
４３ バリア層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】