特許 6991885 半導体装置およびその製造方法

(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】

(24)【登録日】2021-12-10

(45)【発行日】2022-01-13

(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20220105BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20220105BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20220105BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20220105BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/36 C

H01L23/40 F

H01L23/12 J

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018029224

(22)【出願日】2018-02-21

(65)【公開番号】P2019145691

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2020-10-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100113664

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 正往

(74)【代理人】

【識別番号】110001324

【氏名又は名称】特許業務法人ＳＡＮＳＵＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 敏一

(72)【発明者】

【氏名】桑原 誠

(72)【発明者】

【氏名】臼井 正則

(72)【発明者】

【氏名】庄司 智幸

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 宏文

(72)【発明者】

【氏名】淺井 林太郎

【審査官】正山 旭

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０２５５７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１０－０４１４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００５０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２９４８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０８６３２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１２９８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２４０７６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０７７７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０１９６９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対向する第１電極面と第２電極面を有する半導体素子と、
該第１電極面に接合される第１配線体と、
該第１電極面と該第１配線体を接合する第１接合層と、
該第２電極面に接合される第２配線体と、
該第２電極面と該第２配線体を接合する第２接合層と、
少なくとも該第１配線体側に設けられる冷却体とを備え、
前記第２配線体は、少なくとも前記第２電極面に対応する領域に、該第２電極面側から順に、前記第２接合層に接合される第１金属層と、該第１金属層に積層される第２金属層と該第２金属層に積層される第３金属層とを有し、
該第１金属層は、該第２金属層および該第３金属層よりも熱膨張係数が小さくなる低膨張金属からなり、
該第２金属層は、該第１金属層および該第３金属層よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなり、
該第３金属層は、該第１金属層および該第２金属層よりも電気伝導率が高い高導電金属からなり、
前記第１接合層は、金属間化合物からなり、
前記第２接合層は、金属焼結体からなからなると共に該第１接合層よりも厚い半導体装置。

【請求項2】

前記第１接合層の厚さは２～２０μｍであり、
前記第２接合層の厚さは３０～３００μｍである請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第３金属層は、前記第１金属層および前記第２金属層よりも厚い請求項１または２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記低膨張金属は、前記半導体素子を構成する半導体材料との熱膨張係数差が０．５～７ｐｐｍ／Ｋである請求項１～３のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項5】

前記低膨張金属は、モリブデン、ハフニウム、タングステン、タンタルまたはジルコニウムのいずれかの純金属または合金であり、
前記軟質金属は、アルミニウムの純金属または合金であり、
前記高導電金属は、銅の純金属または合金である請求項１～４のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１金属層、前記第２金属層および前記第３金属層は、前記低膨張金属、前記軟質金属および前記高導電金属のクラッド材からなる請求項１～５のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第１金属層および前記第２金属層は、前記第３金属層に埋設されている請求項１～６のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項8】

前記第１接合層は、固液相互拡散により形成され、
前記第２接合層は、金属粒子を含むペーストの加熱により形成される請求項１～７のいずれかに記載の半導体装置。

【請求項9】

対向する第１電極面と第２電極面を有する半導体素子と、該第１電極面に接合される第１配線体と、該第１電極面と該第１配線体を接合する第１接合層と、該第２電極面に接合される第２配線体と、該第２電極面と該第２配線体を接合する第２接合層と、少なくとも該第１配線体側に設けられた冷却体とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記第２配線体は、少なくとも前記第２電極面に対応する領域に、該第２電極面側から順に、前記第２接合層に接合される第１金属層と、該第１金属層に積層される第２金属層と該第２金属層に積層される第３金属層とを有し、
該第１金属層は、該第２金属層および該第３金属層よりも熱膨張係数が小さくなる低膨張金属からなり、
該第２金属層は、該第１金属層および該第３金属層よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなり、
該第３金属層は、該第１金属層および該第２金属層よりも電気伝導率が高い高導電金属からなり、
前記第１接合層は、金属間化合物からなり、
前記第２接合層は、金属焼結体からなると共に該第１接合層よりも厚く、
該第１接合層を固液相互拡散により形成した後に、金属粒子を含むペーストの加熱により該第２接合層を形成する接合工程を備える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、信頼性の向上を図れる半導体装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＦＷＤ（ Free Wheeling Diode／還流ダイオード）等のパワーデバイス（半導体素子）を実装したパワーモジュール（半導体装置）が用いられる。

【0003】

大電流を制御するパワーモジュールの信頼性を確保するため、デバイスの作動中に生じる発熱を効率的に放熱させると共に、熱膨張係数（ＣＴＥ：coefficient of thermal expansion）の不整合（単に「ＣＴＥ不整合」という。）に起因してデバイスや接合部に生じる熱応力を低減または緩和することが重要となる。これに関連する記載が下記の特許文献にある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－１９６９４号公報

【文献】特開２０１５－１４２０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の特許文献はいずれも、発熱源である半導体素子（チップ）をはんだ接合したパワーモジュールを提案している。しかし、このようなパワーモジュールでは、半導体素子の小型化や薄型化、印加電流量の増加等により電流密度を増加させたとき、その耐熱性が不十分となり、信頼性の向上を図れない。

【0006】

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、信頼性の向上を図れる半導体装置等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】

【0007】

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、半導体素子の両面を耐熱性に優れた接合層で配線すると共に、その一方の配線を三層構造とすることにより、半導体素子や接合物に作用する熱応力を緩和することを着想した。これを具現化すると共に、それを発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

【0008】

《半導体装置》
本発明は、対向する第１電極面と第２電極面を有する半導体素子と、該第１電極面に接合される第１配線体と、該第１電極面と該第１配線体を接合する第１接合層と、該第２電極面に接合される第２配線体と、該第２電極面と該第２配線体を接合する第２接合層と、少なくとも該第１配線体側に設けられる冷却体とを備え、前記第２配線体は、少なくとも前記第２電極面に対応する領域に、該第２電極面側から順に、前記第２接合層に接合される第１金属層と、該第１金属層に積層される第２金属層と該第２金属層に積層される第３金属層とを有し、該第１金属層は、該第２金属層および該第３金属層よりも熱膨張係数が小さくなる低膨張金属からなり、該第２金属層は、該第１金属層および該第３金属層よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなり、該第３金属層は、該第１金属層および該第２金属層よりも電気伝導率が高い高導電金属からなり、前記第１接合層および前記第２接合層は、金属間化合物または金属焼結体からなると共に該第２接合層は該第１接合層よりも厚い半導体装置である。

【0009】

本発明によれば、半導体素子の薄型化や小型化、電流密度の増加等を行う場合でも、信頼性に優れた半導体装置を提供できる。このような優れた効果が得られる理由は次のように考えられる。

【0010】

本発明の場合、先ず、発熱源となる半導体素子の第１電極面側が、第１接合層を介して第１配線体に接合されている。第１接合層は、耐熱温度が従来のはんだよりも遙かに高い金属間化合物または金属焼結体からなると共に、比較的薄く形成されている。このため、半導体装置の稼働中に半導体素子が高温となっても、第１接合層は安定した接合状態を維持すると共に、半導体素子の発熱は、第１接合層、第１配線体等を通じて冷却体へ効率的に放熱される。

【0011】

ところで、金属間化合物または金属焼結体からなる第１接合層は、第１配線体上に半導体素子を配置して高温加熱することにより形成される。この際、薄い半導体素子の第２電極面側には、僅かながら、反りや歪み等の変形が生じ得る。ここで本発明に係る第２接合層は、比較的厚く形成されるため、その半導体素子に生じた変形を吸収しつつ、半導体素子と第２配線体を良好に接合できる。このような厚い第２接合層は、例えば、金属（ナノ）粒子のペーストを第２電極面または第２配線体に比較的厚く塗布することにより実現される。

【0012】

通常、そのような厚い接合層近傍には、半導体素子と配線体のＣＴＥ不整合に伴い、大きな熱応力が作用し易い。しかし本発明では、その第２接合層により接合される第２配線体は、先ず、低膨張金属からなる第１金属層を備える。第１金属層は、半導体素子とＣＴＥ差が少なく、半導体素子と第２配線体（特に第３金属層）とのＣＴＥ不整合に伴う熱応力の発生を抑制する。さらに本発明に係る第２配線体は、軟質金属からなる第２金属層を第１金属層と第３金属層の間に有する。第２金属層は、低剛性・低強度で、弾・塑性変形し易い。このため第２金属層は、半導体素子や第１金属層と第３金属層との間に生じる熱応力を自らの変形により緩和する。また第２金属層は高延性な軟質金属からなるため、低強度な第２金属層内に生じ得るクラック等の進展も遅く、半導体装置の耐熱疲特性（耐久性）の向上に寄与する。

【0013】

このように、本発明に係る第２配線体は、高導電金属からなる第３金属層に加えて第２金属層および第１金属層を備え、それらが相乗的に作用することにより、第２接合層を比較的厚くしても、半導体素子の第２電極面と第２配線体の間の接合状態は安定的に維持され得る。なお、本発明に係る各配線体は層状（箔状、板状）であるため、ボンディングワイヤー等とは異なり、半導体装置に通電する電流量の増加等にも十分に対応可能となる。

【0014】

《半導体装置の製造方法》
本発明は、上述したような半導体装置の製造方法としても把握できる。すなわち本発明は、対向する第１電極面と第２電極面を有する半導体素子と、該第１電極面に接合される第１配線体と、該第１電極面と該第１配線体を接合する第１接合層と、該第２電極面に接合される第２配線体と、該第２電極面と該第２配線体を接合する第２接合層と、少なくとも該第１配線体側に設けられる冷却体とを有する半導体装置の製造方法であって、前記第２配線体は、少なくとも前記第２電極面に対応する領域に、該第２電極面側から順に、前記第２接合層に接合される第１金属層と、該第１金属層に積層される第２金属層と該第２金属層に積層される第３金属層とを有し、該第１金属層は、該第２金属層および該第３金属層よりも熱膨張係数が小さくなる低膨張金属からなり、該第２金属層は、該第１金属層および該第３金属層よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなり、該第３金属層は、該第１金属層および該第２金属層よりも電気伝導率が高い高導電金属からなり、前記第１接合層の形成後に、金属粒子を含むペーストの加熱により前記第２接合層を形成する接合工程を備える半導体装置の製造方法でもよい。

【0015】

《その他》
（１）本明細書でいう各金属は、特に断らない限り、純度（主成分である金属元素の質量割合）が９８％以上さらには９９％以上の純金属であり、純金属以外を合金という。合金は、意図的な合金元素を含む場合の他、不純物だけを含む場合も包含される。合金は、主成分以外の成分が、合金全体に対する質量割合で５％以下さらには３％以下であると好ましい。

【0016】

（２）本明細書でいう各層の厚さは、各層を測定・観察して得られる厚さ方向の最大長とする。

【0017】

（３）接合界面近傍に薄い介在層（メタライズ層、被覆層、接合後の残存層等）が存在するとき、その介在層は、接合される層または面の一部と考える。例えば、ＮｉとＳｎのＳＬＩＤ反応により接合層（金属間化合物層）が形成される場合、その接合界面近傍に残存し得るＮｉ層は、接合層（金属間化合物層）の一部と考える。また、半導体素子の電極面に設けられるメタライズ層（Ｔｉ層等）等も、その電極面の一部と考える。

【0018】

（４）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1A】第１実施例の要部を模式的に示す断面図である。

【図1B】第１比較例の要部を模式的に示す断面図である。

【図1C】第２比較例の要部を模式的に示す断面図である。

【図2】第３実施例の要部を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の半導体装置のみならず、その製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。

【0021】

《半導体素子》
本発明に係る半導体素子は、ダイオードやトランジスタ等であり、特に、大電流の通電制御（スイッチング）を行うパワー半導体素子（パワーデバイス）が代表的である。

【0022】

トランジスタとして、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ・トランジスタ、サイリスタ等がある。代表的なＩＧＢＴを例にとると、本発明に係る第１電極と第２電極は、例えば、それぞれコレクタ電極（Ｃ）とエミッタ電極（Ｅ）に対応する。なお、詳細は省略するが、第３電極となるゲート電極（Ｇ）には、別途、ボンディングワイヤ等から制御信号が入力されればよい。

【0023】

半導体素子は種々の半導体材料から構成され得る。それらのＣＴＥは概ね２～５さらには３～６ｐｐｍ／Ｋ程度である。例えば、Ｓｉ：３ｐｐｍ／Ｋ、ＳｉＣ：３．７ｐｐｍ／Ｋ、ＧａＮ：５．５ｐｐｍ／Ｋである。

【0024】

なお、本明細書では、説明の便宜上、一つの半導体素子とその配線構造について主に説明しているが、半導体装置またはパワーモジュールは、通常、複数（種）の半導体素子の組み合わせからなる。

【0025】

《配線体》
配線体は、半導体素子の電極と外部との通電を可能にする。基板上に設けられた配線層の他、金属板等からなるリードでもよい。第１配線体は、例えば、半導体素子が第１接合層を介して実装される基板上にある配線層である。第２配線体は、例えば、半導体素子の第２電極面側から順に、第１金属層、第２金属層および第３金属層を有するリードの他、それら各層を有する配線層を備えた基板等でもよい。

【0026】

第１金属層は低膨張金属からなる。低膨張金属は半導体素子を構成する半導体材料との熱膨張係数差が０．５～７ｐｐｍ／Ｋ、１～６ｐｐｍ／Ｋさらには２～５ｐｐｍ／Ｋであると好ましい。ＣＴＥ差が過大になると、第２接合層の近傍における熱応力の抑制が不十分となる。低膨張金属のＣＴＥは、半導体材料と第２金属層を構成する軟質金属との中間値、例えば、４～１０ｐｐｍ／Ｋさらには４．５～７．５ｐｐｍ／Ｋであると好ましい。

【0027】

低膨張金属として、例えば、モリブデン（ＣＴＥ：４．８ｐｐｍ／Ｋ）、ハフニウム（ＣＴＥ：５．９ｐｐｍ／Ｋ）、タングステン（ＣＴＥ：４．５ｐｐｍ／Ｋ）、タンタル（ＣＴＥ：６．３ｐｐｍ／Ｋ）またはジルコニウム（ＣＴＥ：５．７ｐｐｍ／Ｋ）のいずれかの純金属または合金を用いるとよい。なお、これらの金属は、ＣＴＥが半導体材料に近いだけでなく、通常、熱伝導性や導電性にも優れる。

【0028】

第１金属層は、例えば、厚さが２５μｍ～１ｍｍ、５０μｍ～０．５ｍｍさらには７５μｍ～０．３ｍｍであると好ましい。その厚さが過小では熱応力の抑制効果が不十分とあり、その厚さが過大では熱抵抗や電気抵抗の増加要因となる。なお、第１金属層は、少なくとも第２電極面に対応する領域にあればよく、第２金属層や第３金属層の一部にだけ存在しても良い。勿論、各層の存在領域（面積）が実質的に同じでもよい。

【0029】

第２金属層は軟質金属からなる。そのヤング率（縦弾性係数）は、例えば、１００ＧＰａ以下さらには８５ＧＰａ以下であると好ましい。その（０．２％）耐力は、例えば、２００ＭＰａ以下、１５０ＭＰａ以下さらには１００ＭＰａ以下であると好ましい。このような軟質金属として、例えば、アルミニウムの純金属または合金がある。このような金属は、通常、変形し易く高延性であるだけではなく、熱伝導性や導電性にも優れる。ちなみに、純アルミニウム（ＪＩＳ Ａ１０５０）は、ヤング率：７０ＧＰａ、０．２％耐力：９０ＭＰａ、ＣＴＥ：２３．１ｐｐｍ／Ｋ、電気伝導率：３７．４×１０^６ Ｓ／ｍ（２０℃）である。

【0030】

第２金属層は、弾・塑性変形して、第１金属層と第３金属層のＣＴＥ不整合に起因する熱応力を緩和する。その厚さは、例えば、１０μｍ～１ｍｍさらには５０μｍ～０．５ｍｍであると好ましい。厚さが過小では熱応力の緩和効果が不十分とあり、厚さが過大では熱抵抗や電気抵抗の増加要因となる。なお、第２金属層も、少なくとも第２電極面に対応する領域にあればよく、第３金属層の一部にだけ存在しても良い。

【0031】

第３金属層は高導電金属からなる。その電気伝導率は、例えば、４０～６５（×１０^６ Ｓ／ｍ）さらには５０～６２（×１０^６ Ｓ／ｍ）であると好ましい。このような高導電金属として、例えば、銀、銅またはそれらの合金がある。通常、銅の純金属または合金が工業的に用いられる。ちなみに、銀の電気伝導率：６１．４×１０^６ Ｓ／ｍ（２０℃）、銅の電気伝導率：５９．０×１０^６ Ｓ／ｍ（２０℃）である。さらに無酸素銅（ＪＩＳ Ｃ１０２０）は、ヤング率：１２０ＧＰａ、０．２％耐力：２５０ＭＰａである。

【0032】

第３金属層の厚さは、例えば、７５μｍ～３ｍｍ、１００μｍ～１ｍｍさらには１５０μｍ～０．５ｍｍであると好ましい。その厚さが過小では、電気抵抗が増加して、大電流化に対応し難くなる。その厚さが過大では、熱応力の増加要因となる。なお、第３金属層は、第１金属層や第２金属層とは異なり、通常、第２配線体の表面全域に設けられている。また、大電流の通電確保のため、第３金属層は、第１金属層や第２金属層よりも厚いと好ましい。

【0033】

第１金属層、第２金属層および第３金属層からなる積層体は、例えば、第１金属層や第２金属層となる金属を第３金属層となる金属箔（板）に対して、（物理）蒸着したり、接合して得ることができる。積層体は、各層を構成する金属を接合材で接合してもよいが、積層した各金属（箔）のクラッドにより製作してもよい。例えば、低膨張金属、軟質金属および高導電金属の積層金属体を熱間圧延等して製造したクラッド材を用いると、第２配線体または半導体装置の製造コスト低減を図れる。

【0034】

既述したように、第１金属層と第２金属層は、第２電極面近傍に作用する熱応力を低減または緩和できる範囲内に存在すればよい。このような第１金属層や第２金属層は、第３金属層に対する単なる上積み層でもよいが、第３金属層の一部（例えば凹部）に埋設された状態でもよい。

【0035】

《接合層》
発熱源である半導体素子に接する第１接合層や第２接合層は、稼働中に半導体素子が到達し得る最高温度でも溶融等しない高融点材からなることが求められる。一方、そのような接合層が形成されるときの温度（接合温度）は、少なくとも半導体素子の耐熱温度よりも小さいことが求められる。このような接合層は、例えば、固液相互拡散接合（単に「ＳＬＩＤ（Solid Liquid Interdiffusion ）接合」という。）や金属（ナノ）粒子のペーストを加熱することにより得られる。ＳＬＩＤ接合で得られる接合層は金属間化合物からなり、ペーストの加熱で得られる接合層は金属焼結体、金属間化合物またはそれらの混在物からなる。

【0036】

（１）ＳＬＩＤ接合の場合、被接合面間にある低融点金属と高融点金属が反応して、その低融点金属よりも高融点な金属間化合物（ＩＭＣ）が生成し（ＳＬＩＤ反応）、その金属間化合物（層）を介して接合がなされる。

【0037】

低融点金属と高融点金属の組合わせ（ひいては金属間化合物の組成）は、半導体装置の耐熱温度、接合工程中の加熱温度、熱膨張係数等を考慮して選択される。低融点金属として、例えば、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ等やそれらの合金がある。高融点金属として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、等やそれらの合金がある。

【0038】

一例として、Ｓｎ（融点：約２３０℃）と、Ｎｉ（融点：約１４５０℃）またはＣｕ（融点：約１０８５℃）とを組み合わせるとよい。例えば、Ｓｎ層とＮｉ層を接触させて約３５０℃で５～３０分間程度加熱すると、ニッケルスズ（ＮｉＳｎ／融点：約７９５℃）からなる金属間化合物層が得られる。これにより接合温度を抑制しつつも、高融点な接合層が得られる。勿論、高融点金属／低融点金属の組合わせは、Ｃｕ／Ｓｎ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｓｎ／、Ａｕ／Ｓｎ等でもよい。

【0039】

（２）ペーストの加熱による接合は、例えば、被接合面間に介在させた微細な金属粒子が焼結してできた金属焼結体（層）によりなされる。微細な金属粒子（特に金属ナノ粒子）は、表面活性が非常に高いため低温でも焼結が可能であり、焼結後はその金属本来の高融点を発揮する。従って、微細な金属粒子を用いることにより、接合温度を抑制しつつ、高融点な接合層の形成が可能となる。

【0040】

金属粒子は、例えば、Ａｇ、Ｃｕからなる。微細な金属粒子（特に金属ナノ粒子）は、通常、凝集し易いため、接合時の加熱温度で分解、消失する有機物、酸化物等からなる保護層で被覆された被覆粒子を用いると好ましい。例えば、特許第５３１１１４７号公報に詳述されている表面被覆金属ナノ粒子やそのペーストを用いるとよい。

【0041】

なお、本明細書でいう金属ナノ粒子は、平均粒径が１μｍ未満であり、さらには５０～５００ｎｍであると好ましい。その平均粒径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したときに、無作為に抽出した２００個の金属粒子の直径（最大長）を測定した相加平均値として求まる。

【0042】

（３）金属間化合物層または金属焼結層は、さらに、特開２０１７－１０１３１３号公報に記載されているように、微細な被覆粒子と低融点な金属粒子とが混在した接合材を用いても得られる。低融点な金属粒子は、例えば、共晶組成のＢｉ－Ｓｎ合金（液相生成温度：１３９℃、平均粒子径：１０～５０μｍ等）等のスズ合金からなる。

【0043】

金属粒子のペーストを加熱して接合層を形成する場合、接合層の厚さ調整が比較的容易である。そこで、第１接合層の後に第２接合層を形成する場合、第２接合層は金属粒子を含むペーストの加熱により生成されると好ましい。一方、第１接合層は、ＳＬＩＤ接合により生成されても、金属粒子を含むペーストの加熱により生成されてもよい。ＳＬＩＤ接合により形成される第１接合層は薄い金属間化合物層からなり、耐熱性と伝熱性（放熱性）に優れる。

【0044】

第１接合層は、厚さが２～２０μｍさらには４～１０μｍであると好ましい。その厚さが過小であると接合が不十分となり、その厚さが過大になると熱抵抗や電気抵抗の増加要因となる。一方、第１接合層の後に形成される第２接合層は、厚さが３０～３００μｍさらには５０～１５０μｍであると好ましい。その厚さが過小であると半導体素子の変形を十分に吸収できず接合が不十分となり、その厚さが過大になると熱抵抗や電気抵抗の増加要因となる。

【0045】

ちなみに、本明細書では、適宜、第１接合層の形成工程を第１接合工程、第２接合層の形成工程を第２接合工程という。また、接合性等を確保するために、金、銀、銅、ニッケル、チタン等からなる金属層を被接合面に設ける下地処理が各接合工程に応じてなされると好ましい。

【0046】

《冷却体》
冷却体は、半導体素子の発熱を、伝熱、放熱等により冷却できるものであればよい。冷却体は、例えば、高熱伝導材からなる基板、ヒートスプレッダー、ヒートシンク等である。高熱伝導材には、金属材、複合材、セラミックス材、炭素材等がある。金属材には、例えば、Ｃｕまたはその合金（Ｃｕ－Ｍｏ合金、Ｃｕ―Ｗ合金等）があり、複合材には、例えば、ＣｕやＣｕ合金等からなるマトリックス中に、ダイヤモンド粒子、Ｓｉ粒子、Ｃ粒子等からなる粒子を分散させたものがある。セラミックス材には、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等がある。冷却体の形態は、半導体装置の仕様に沿ったものであれば板状、ブロック状等のいずれでもよい。

【0047】

《その他》
配線体の他面側（半導体素子の電極面に接合されない側）で絶縁を確保する場合、上述したセラミックス材の他、ポリイミドやポリエチルテレフタレート等を主骨格とする高分子を絶縁材として用いてもよい。絶縁材の厚さは、１０μｍ～３ｍｍさらには３０μｍ～１ｍｍであると、絶縁性を確保しつつ、放熱性や取扱性も確保し易い。

【実施例】

【0048】

片面冷却構造型のパワーモジュール（半導体装置）を想定した複数種の試料（積層接合体）を製作し、それらの信頼性を冷熱サイクル試験により評価した。以下、これらの具体例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。

【0049】

《第１実施例》
（１）全体構成
試料１を模式的に示した断面図を図１Ａに示した。試料１は、ＦＷＤやＩＧＢＴとなるチップ１０（半導体素子）と、チップ１０の第１電極面１０１に接合される実装基板１１と、チップ１０の第２電極面１０２に接合されるリード１２（第２配線体）とを積層してなる。

【0050】

チップ１０の第１電極面１０１と実装基板１１の配線層１１１（第１配線体）とは、ＳＬＩＤ接合により生成された金属間化合物からなる第１接合層１３１で接合されている（第１接合工程）。チップ１０の第２電極面１０２とリード１２の低膨張層１２１（第１金属層）とは、被接合面間に塗布したペーストを加熱して生成された第２接合層１３２で接合されている（第２接合工程）。なお、第２接合層１３２は、金属焼結体、金属間化合物またはそれらの混合物のいずれかからなる。

【0051】

（２）各部構成
試料１の詳細は次の通りである。チップ１０には、単結晶（４Ｈ）のＳｉＣ（０００１）からなる薄板（５ｍｍ×５ｍｍ×０．３５ｍｍ）を用いた。チップ１０の第１電極面１０１（５ｍｍ×５ｍｍ）には、高周波（ｒｆ）スパッタ法により、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）およびＮｉ（厚さ３μｍ）を順にメタライズしておいた。

【0052】

実装基板１１は、配線層１１１と絶縁層１１３と放熱板１１５（冷却体）がその順に積層されてなり、各層は接合層１１２、１１４を介して接合されている。配線層１１１には無酸素銅箔（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．２ｍｍ／ＪＩＳ Ｃ１０２０）を、絶縁層１１３にはＳｉ_３Ｎ_４板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．３２ｍｍ／京セラ製）を、放熱板１１５にはＣｕとダイヤモンドの複合板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ／アライドマテリアル製DC-60)をそれぞれ用いた。接合層１１２、１１４は、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ系活性金属ろう材(田中貴金属製TKC-651)を８５０℃で加熱して形成した。なお、配線層１１１の表面には、ｒｆ－スパッタ法により、Ｎｉ（厚さ３μｍ）とＳｎ（厚さ５μｍ）をその順に被覆（成膜）しておいた。

【0053】

リード１２は、低膨張層１２１（第１金属層）と緩衝層１２２（第２金属層）と配線層１２３（第３金属層）と絶縁層１２５がその順に積層されてなる。低膨張層１２１、緩衝層１２２および配線層１２３は一体化したクラッド箔からなり、絶縁層１２５は接合層１２４を介して配線層１２３に接合されている。

【0054】

クラッド箔は、配線層１２３となる無酸素銅箔（厚さ０．２ｍｍ／ＪＩＳ Ｃ１０２０）と緩衝層１２２となる純アルミニウム箔（厚さ０．１ｍｍ／ＪＩＳ Ａ１１００）と低膨張層１２１となる純モリブデン箔（厚さ０．１ｍｍ／純度９９．９５％）とをその順に積層した積層体を、５００℃で熱間圧延してなる。このクラッド箔（厚さ０．３５ｍｍ）から切り取った正方形状のクラッド箔片（２０ｍｍ×２０ｍｍ）を用いて、上述した各層を形成した。なお、クラッド箔片の低膨張層１２１の表面には、ｒｆ－スパッタ法により、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）、Ｎｉ（厚さ１μｍ）およびＡｇ（厚さ１００ｎｍ）をその順で被覆（成膜）しておいた。

【0055】

絶縁層１２５には、ポリイミドシート(厚さ５０μｍ／東レ・デュポン製カプトン200H/V)を用いた。配線層１２３と絶縁層１２５の接合（接合層１２４の形成）には、エポキシ系接着剤（DIC製EPICLON HP-4710）を用いた。

【0056】

（３）接合
チップ１０と実装基板１１の接合（第１接合層１３１の生成）、およびチップ１０とリード１２の接合（第２接合層１３２の生成）は次のように行った。先ず、チップ１０の第１電極面１０１を実装基板１１の配線層１１１上に載せて、両者間に一軸荷重（１２．５Ｎ）を加え、水素雰囲気中で、３５０℃×１５分間加熱した。これにより、配線層１１１を被覆していたＳｎと第１電極面１０１を被覆していたＮｉ（さらには配線層１１１上のＮｉ）とがＳＬＩＤ反応する。こうして、チップ１０の第１電極面１０１と実装基板１１の配線層１１１とは、金属間化合物（Ｎｉ－Ｓｎ）からなる第１接合層１３１により接合される（第１接合工程）。第１接合層１３１の厚さは３μｍであった。

【0057】

次に、その接合後、チップ１０の第２電極面１０２（４ｍｍ×４ｍｍ）に、ｒｆ－スパッタ法により、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）、Ｎｉ（厚さ１μｍ）およびＡｇ（厚さ１００ｎｍ）をその順にメタライズした。

【0058】

その後、第２電極面１０２（Ａｇ膜）上に、金属粒子のペーストを塗布（厚さ１００μｍ）した。そのペーストの塗膜上に、リード１２の低膨張層１２１（Ａｇ膜上）を載せて、両者間に一軸荷重（２．５Ｎ）を加え、水素雰囲気中で、３５０℃×５分間加熱した。これにより、チップ１０の第２電極面１０２とリード１２の低膨張層１２１とは、第２接合層１３２により接合される（第２接合工程）。第２接合層１３２の厚さは２５μｍであった。こうして、実装基板１１、チップ１０およびリード１２の積層接合体である試料１が得られた。

【0059】

なお、上述のペーストは次のように調製した。有機被膜で表面被覆された銅ナノ粒子（平均粒子径２３０ｎｍ）と表面被覆されていないＳｎ－４３原子％Ｂｉ合金粒子（高純度化学研究所製アトマイズ粉末／粒子径３８μｍ未満）とを７：３（質量比）に混合した粉末に、１－デカノール（和光純薬製／特級）を滴下して混練した。その他、特開２０１７－１０１３１３号公報および特開２０１２－４６７７９号公報の記載に基づいて、ペーストの調製を行った。

【0060】

（４）評価
試料１を冷熱サイクル試験に供した。冷熱サイクル試験は、大気雰囲気中で、－４０℃×３０分間と１７５℃×３０分間の冷熱環境に試料を交互に曝すことを１００回繰り返し行った。この試験後の試料断面をＳＥＭで観察した。その結果、接合部等にクラックや剥離等の欠陥は無かった。

【0061】

［第２実施例］
（１）第１実施例で用いたクラッド箔に用いた純アルミニウム箔を、ｒｆ－スパッタ法により成膜したアルミニウム膜（厚さ１５μｍ）に変更して、試料１のリード１２の緩衝層１２２（第２金属層）を形成した試料２も製作した。つまり、無酸素銅箔上にアルミニウム膜を蒸着形成した後、その上に純モリブデン箔を積層して熱間圧延した。こうして得られた新たなクラッド箔を用いた以外は、試料１と同工程により、試料２を製作した。

【0062】

試料２を既述した冷熱サイクル試験に供した。試験後の試料断面をＳＥＭで観察したところ、接合部等にクラックや剥離等の欠陥は無かった。

【0063】

（２）第１実施例で用いたクラッド箔に用いた純アルミニウム箔を、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）で両面を被覆した純アルミニウム箔に変更して、試料１と同様な試料を製作した。その試料についても冷熱サイクル試験を行い、その断面を同様に観察した。この試料でも、接合部等にクラックや剥離等の欠陥は無かった。

【0064】

［第１比較例］
図１Ｂに示すように、試料１のリード１２をリード５２に変更した試料Ｃ１を製作した。リード５２は、リード１２から緩衝層１２２（第２金属層）を省いたものである。なお、試料１と同構成のものには同符号を付して、それらの説明を省略する。また、特に断らない限り、製造工程は試料１と同じにした。この点は、以下の実施例や比較例でも同様である。

【0065】

試料Ｃ１を既述した冷熱サイクル試験に供した。試験後の試料断面をＳＥＭで観察したところ、第２接合層１３２内にクラックの発生が確認された。

【0066】

［第２比較例］
図１Ｃに示すように、試料１のリード１２をリード６２に変更した試料Ｃ２を製作した。リード６２は、リード１２の低膨張層１２１上に、さらに、Ａｌ層６２０を追加したものである。第１実施例で用いたクラッド箔（３層構造）に替えて、そのクラッド箔片上に純アルミニウム箔（厚さ３００μｍ／ＪＩＳ Ａ１１００）をさらに追加して熱間圧延したクラッド箔（４層構造）を用いて、Ａｌ層６２０を形成した。なお、既述したｒｆ－スパッタ法による金属被覆は、低膨張層１２１上ではなく、そのＡｌ層６２０上に行った。

【0067】

試料Ｃ２を既述した冷熱サイクル試験に供した。試験後の試料断面をＳＥＭで観察したところ、第２接合層１３２内にクラックの発生が確認された。

【0068】

［第３比較例］
第１実施例で用いたペーストを用いずに、チップ１０の第２電極面１０２とリード１２の低膨張層１２１をＳＬＩＤ接合した試料Ｃ３も製作した。この際、第２電極面１０２には、ｒｆ－スパッタ法により、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）、Ｎｉ（厚さ３μｍ）およびＳｎ（厚さ５μｍ）をその順にメタライズした。また低膨張層１２１の表面には、ｒｆ－スパッタ法により、Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）およびＮｉ（厚さ３μｍ）をその順で被覆（成膜）した。

【0069】

第２電極面１０２と低膨張層１２１を接触させて、両者間に一軸荷重（２．５Ｎ）を加えて水素雰囲気中で３５０℃×１５分間加熱して、それらを接合した。試料Ｃ３の断面をＳＥＭで観察したところ、第２電極面１０２の周縁部に未接合部が存在していた。

【0070】

《第３実施例》
図２に示すように、試料１のリード１２をリード３２に変更した試料３を製作した。リード３２も、リード１２と同様に、低膨張層３２１（第１金属層）と緩衝層３２２（第２金属層）と配線層３２３（第３金属層）と絶縁層１２５がその順に積層されてなり、絶縁層１２５は接合層１２４を介して配線層３２３に接合されている。また、低膨張層３２１の表面も、ｒｆ－スパッタ法により、試料１と同様に金属被覆（成膜）されている。

【0071】

但し、リード３２は、低膨張層３２１と緩衝層３２２が配線層３２３に埋設された状態となっている。リード３２は、例えば、次のように製作される。既述した無酸素銅箔上に凹部（５ｍｍ×５ｍｍ×９０μｍ）を機械加工により形成する。凹部の内底面に、ｒｆ－スパッタ法によりアルミニウム膜（厚さ２０μｍ）を成膜する。凹部のアルミニウム膜上に、既述した純モリブデン箔（５ｍｍ×５ｍｍ×０．１ｍｍ）を配置する。これを５００℃に加熱しつつ、純モリブデン箔の表面に、厚さ方向の一軸荷重（１０ｋＮ）を加えて熱間圧延する。

【0072】

こうして得られたクラッド箔から、純モリブデン箔の部分を中央にして、正方形状のクラッド箔片（２０ｍｍ×２０ｍｍ）を切り取る。このクラッド箔片を用いて、試料１の場合と同様にして、リード３２を製作した。なお、予め所定サイズの金属箔を順に積層して熱間圧延等しても、同様なクラッド箔（片）やリードを得ることも可能である。

【0073】

試料３を、既述した冷熱サイクル試験に供した。試験後の試料断面をＳＥＭで観察したところ、接合部等にクラックや剥離等の欠陥は無かった。

【符号の説明】

【0074】

１０ チップ（半導体素子）
１１ 実装基板
１１１ 配線層（第１配線体）
１１５ 放熱板（冷却体）
１２ リード（第２配線体）
１２１ 低膨張層（第１金属層）
１２２ 緩衝層（第２金属層）
１２３ 配線層（第３金属層）

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】