JP2015032706A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時における加熱／冷却過程で半導体チップに対して加えられる応力を抑制しながらも、駆動時に半導体チップから生じる熱を効率的に排熱する機能を十分に発揮できる半導体装置を提供する。【解決手段】 半導体装置は、サブマウントと、サブマウントよりも線熱膨張係数の低い材料で構成され、サブマウントの一部上面に搭載された、サブマウントよりも厚みの薄い半導体チップを有する。サブマウントは、一部の箇所において主平面に対して突出した突出部を有し、半導体チップは、一部箇所に主平面に対して鉛直方向に貫通する溝部を有する。突出部が溝部に嵌合して半導体チップよりも突出し、半導体チップの溝部の内側面と突出部が当接している。【選択図】 図３

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、半導体チップを搭載するサブマウントを備えた半導体装置に関する。また、本発明は、このような半導体装置の製造方法に関する。

半導体レーザ素子等の光半導体素子を含む半導体チップが搭載された半導体装置においては、駆動時に大きな熱が発生する。この発熱による温度変化によって、光半導体素子の発振波長や発光強度が変化する。半導体装置からの発熱量は、出力に比例して増大するため、特に光半導体素子が複数配列されてなるような半導体装置においては、この駆動時に生じる熱をいかに効率的に排熱するかが重要である。

このような観点から、従来、光半導体素子で発生する熱を効率的に排出するために、熱伝導性の高い材料を用いてサブマウントを形成し、このサブマウント上に半導体チップを搭載する技術が提案されている。サブマウント上に半導体チップを搭載するに際しては、サブマウント上の所定の箇所に接合材を介して半導体チップを載置した後、加熱をしてサブマウントと半導体チップを接合する。その後、接合された両者が常温程度に冷却される。

なお、サブマウントとして利用される熱伝導率の高い材料としては、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金があり、これらはいずれも熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋを超える値を示す（特許文献１参照）。また、特許文献２に示されている異方性熱伝導素子はグラフェンシート面内の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋと非常に大きく、半導体チップからの排熱性に優れた素子であるといえる。

特許第３５０９８０９号明細書 特開２０１１−２３６７０号公報

しかし、これらのサブマウント基板材料の線熱膨張係数は、半導体チップの構成材料の線熱膨張係数と整合しないという問題点がある。例えば、光半導体素子を搭載する半導体チップとして一般的に用いられるＧａＡｓ基板の線熱膨張係数は５．６×１０^−６／Ｋ〜６．０×１０^−６／Ｋ程度である。これに対し、サブマウントの材料として前述したＣｕ、Ｃｕ−Ｗ合金（Ｃｕ２０％）の線熱膨張係数は、それぞれ１７×１０^−６／Ｋ程度、８．３×１０^−６／Ｋ程度であり、いずれもＧａＡｓの線熱膨張係数と比べてその値は大きい。

また、特許文献２に示されている高配向性熱分解グラファイトを積層した構造体を用いた異方性熱伝導素子も、グラファイト積層方向の線熱膨張係数は２５×１０^−６／Ｋ程度であり、ＧａＡｓの線熱膨張係数と比べてその値は極めて大きい。

このため、上記のような線熱膨張係数の大きい材料で形成されたサブマウント上に、Ａｕ−Ｓｎハンダ等の硬ハンダ材料を用いて、サブマウント材料よりも線熱膨張係数の小さい材料で形成された半導体チップを接合すると、この接合プロセス中における加熱／冷却過程を経て、半導体チップに大きな圧縮応力が発生し、半導体チップを損傷してしまう。また、残留応力のために半導体チップに搭載された光半導体素子の特性を損なってしまう。

一方、接合材料としてインジウムハンダなどの軟ハンダを用いれば、接合時の熱応力を一定程度低減することはできるが、繰り返し応力によって塑性変形が進行しやすいため、接合箇所に対する信頼性が低下してしまうという課題がある。かかる観点から、半導体チップとサブマウントを接合させるための材料として、軟ハンダは適していないとされている。

また、別の方法として、サブマウントと半導体チップの間に、線熱膨張係数の値が両者の間の値を示す他の材料で構成された層を複数層形成することで、半導体チップに対して加えられる熱応力を緩和する方法が考えられる。しかし、これらの層を形成する材料は、サブマウントよりも熱伝導率が低い材料となってしまうため、結果的に駆動時の排熱性を阻害することになり、高い排熱効果が得られない。加えて、サブマウントの上層に異なる材料からなる多層構造を形成する必要があるため、製造が極めて煩雑化するという別の課題も生じる。

本発明は、上記の課題に鑑み、製造時における加熱／冷却過程で半導体チップに対して加えられる応力を抑制しながらも、駆動時に半導体チップから生じる熱を効率的に排熱する機能を十分に発揮できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、
サブマウントと、
前記サブマウントよりも線熱膨張係数の低い材料で構成され、前記サブマウントの一部上面に搭載された、前記サブマウントよりも厚みの薄い半導体チップを有し、
前記サブマウントは、一部の箇所において主平面に対して突出した突出部を有し、
前記半導体チップは、一部箇所に主平面に対して鉛直方向に貫通する溝部を有し、
前記突出部が前記溝部に嵌合して前記半導体チップよりも突出し、前記半導体チップの前記溝部の内側面と前記突出部が当接していることを特徴とする。

なお、本明細書において、ある部材が他の部材に対して「当接する」とは、両部材が完全に接触している場合の他、極めて微小な距離を隔てて対向し、実質的に接触している場合を含む概念である。

上記構成によれば、サブマウントと半導体チップを加熱して接合する際、線熱膨張係数がサブマウントよりも半導体チップの方が小さいため、半導体チップよりもサブマウントの方が大きく熱膨張しようとする。しかし、サブマウントが熱膨張し、サブマウントに設けられた突出部が半導体チップの溝部の内側面に接触すると、この時点で半導体チップとサブマウントが実質的に一体化される。すると、これ以後は、半導体チップよりも厚みが大きいサブマウントの線熱膨張係数に依存して、半導体チップはサブマウントと同等に膨張する。つまり、半導体チップはサブマウントの伸びに引っ張られる形で従来よりも大きく伸びる。

そして、サブマウントと半導体チップが接合された後、常温程度にまで冷却される過程において、サブマウントと半導体チップは一体化されているため、やはりサブマウントの線熱膨張係数に依存して収縮する。

つまり、サブマウントの突出部が存在しない従来の構成の場合、半導体チップは加熱によってサブマウントよりも伸びが小さい一方で、冷却時にサブマウントと同程度に大きく収縮する結果、冷却後の半導体装置においては半導体チップに対して圧縮応力が発生することになる。この圧縮応力の存在が、半導体チップの損傷や破損、ひいては半導体チップに搭載された光半導体素子の特性劣化につながる。

これに対し、本発明の構成によれば、サブマウントの突出部が存在することで、上述したように半導体チップの溝部内の内側面が突出部に接触した後は、半導体チップの伸びはサブマウントと同程度に大きくなる。そして、冷却過程における収縮量もサブマウントと同程度となる。この結果、半導体チップは、従来よりも圧縮応力が大幅に軽減され、搭載された光半導体素子の特性に影響が及ばない。

更に、この構成によれば、サブマウントの突出部によって熱応力の問題が解消できているため、サブマウントと半導体チップの間に、熱応力を緩和するための別材料を多層構造で形成する必要はない。このため、半導体チップに搭載された光半導体素子の駆動時に生じる熱を、サブマウントを通じて効率的に排熱することができる。

更に上記構成において、
前記半導体チップは直方体形状を有し、少なくとも短手方向の一対の外縁に沿って、当該一対の外縁の内側の箇所に溝部を有しているものとしても構わない。

上記構成によれば、加熱工程の際、サブマウントの突出部によって、少なくとも半導体チップの対向する短手方向の一対の外縁を構成する外側面をそれぞれ外側に伸ばす力が働くため、半導体チップに対する圧縮応力を大きく低減させることができる。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
前記突出部を有する前記サブマウントを準備する工程（ａ）と、
前記サブマウントの上面に前記半導体チップを載置して、前記溝部に前記突出部を嵌合させ、前記サブマウント及び前記半導体チップを加熱して接合する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に冷却する工程（ｃ）を有し、
前記工程（ｂ）の実行時において、前記半導体チップの前記溝部の内側面と前記サブマウントの前記突出部が接触することを特徴とする。

本方法によれば、上述したように接合の際の加熱時に半導体チップの溝部の内側面とサブマウントの突出部が接触するため、これ以後、半導体チップはサブマウントの熱膨張に応じて熱膨張する。この結果、従来よりも加熱工程中の半導体チップの伸び量が増大するため、冷却後における半導体チップの圧縮応力が低減される。

本発明によれば、製造時における半導体チップへの応力の抑制機能と、駆動時における半導体チップからの発熱の効率的な排熱機能の両者を従来よりも高めた半導体装置が実現できる。

本発明の半導体装置の構造を示す模式的な斜視図である。 異方性熱伝導素子によって形成されたサブマウント上に半導体チップを載置した状態を示す模式的な斜視図である。 本発明の半導体装置の構造を示す模式的な斜視図である。 図３における一部分を拡大した図である。 図３の状態の半導体装置に関して、各部材を分解して図示した模式的な斜視図である。 本発明の半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。 図６におけるＡ−Ａ線の模式的な断面図である。 図６におけるＢ−Ｂ線の模式的な断面図である。 比較例（１，２）の半導体装置の構造を示す模式的な斜視図である。 実施例１及び比較例１における半導体チップに発生したＺ方向垂直応力の分布状態を示す画像である。 実施例２及び比較例２における半導体チップに発生したＺ方向垂直応力の分布状態を示す画像である。 半導体チップに発生するＺ方向垂直応力分布を求めた方向を説明するための図である。 実施例１及び比較例１において、半導体チップの基準位置７１から経路７２に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力の分布を示すグラフである。 実施例１及び比較例１において、半導体チップの基準位置７３から経路７４に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力の分布を示すグラフである。 実施例２及び比較例２において、半導体チップの基準位置７１から経路７２に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力の分布を示すグラフである。 実施例２及び比較例２において、半導体チップの基準位置７３から経路７４に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力の分布を示すグラフである。 実施例及び比較例における半導体チップとサブマウントの変形の様子を模式的に示す図である。 溝部８の形状に関する別構成を説明するための概念図である。

本発明の半導体装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

〈構造〉
図１は、半導体装置の模式的な斜視図である。半導体装置１０は、ヒートシンク３上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダなどで構成された第１接合層５を介して固着されたサブマウント１と、このサブマウント１上に、第２接合層２５（図１では不図示）を介して固着された半導体チップ７を備える。半導体チップ７は、サブマウント１よりも線熱膨張係数の低い材料で構成されている。一例として、サブマウント１は、シート状グラファイトの積層体で構成され、半導体チップ７はＧａＡｓで構成される。ヒートシンク３は例えばＣｕ等の熱伝導率が高い材料で構成される。なお、ヒートシンク３の半導体チップ７の搭載面と反対側の面には、必要に応じて排熱のための冷却手段（不図示）が設けられる。

以下では、図１に示すように、半導体チップ７の長手方向をＺ方向、短手方向をＸ方向、厚み方向をＹ方向と定義する。

シート状グラファイトでサブマウント１を構成するに際しては、図２に示すように、シート状グラファイトの積層方向ｄが半導体チップ７の長手方向、すなわちＺ方向となるように配置する。シート状グラファイトは、シート平面内方向（ＸＹ平面に平行な方向）に対する物性値とシート積層方向（Ｚ方向）に対する物性値が異なる。このようなサブマウント１としては、例えば、上記特許文献２に開示されているような異方性熱伝導素子を用いることができる。

なお、特許文献２に示されている異方性熱伝導素子においては、シート平面内方向（ＸＹ平面に平行な方向）の熱伝導率がシート積層方向（Ｚ方向）の熱伝導率の２００倍以上である。従って、図２に示すように半導体チップ７の厚み方向をシート平面内方向に一致させることにより、高い熱伝導率を示すシート平面内方向を通じて半導体チップ７で発生した熱を効率的にヒートシンク３へと排熱することができる。

また、シート状グラファイトで構成されるサブマウント１のシート積層方向の線熱膨張率は２５×１０^−６／Ｋであり、ＧａＡｓで構成される半導体チップ７の線熱膨張係数（約６×１０^−６／Ｋよりもかなり大きい値を示す。

図３は、図１からヒートシンク３と第１接合層５の図示を省略し、サブマウント１及び半導体チップ７の領域を拡大して図示した図面である。図３に示すように、サブマウント１は突出部１１Ａを有する構成である。図４は、この突出部１１Ａの周辺箇所３３を拡大した図面である。

図３に示すように、半導体チップ７には複数の光取り出し部４２がアレイ状に配置されており、半導体チップ７の層内に形成された光半導体素子４１（図３では不図示）からの光が光取り出し部４２を介して上方向に取り出される。

また、サブマウント１には、半導体チップ７の短手方向（Ｘ方向）の辺を構成する外縁よりも内側の位置に突出部１１Ａが形成されている。より詳細には、半導体チップ７は、短手方向の辺を構成する外縁よりも内側において、当該短手方向の辺に沿って、主平面に対して鉛直方向に貫通する溝部８を有する構造であり、サブマウント１は同箇所に鉛直方向に突出した突出部１１Ａを有しており、この突出部１１Ａが溝部８に嵌合することで、半導体チップ７よりも上面に突出している。これにより、半導体チップ７の溝部８の内側面が、サブマウント１の突出部１１Ａの外側面に当接している。

なお、この溝部８は、半導体装置７上において、光取り出し部４２及び光半導体素子４１よりも外側の位置に形成されている。

サブマウント１は、上述したシート状グラファイト等の熱伝導率が高い材料で形成されたサブマウント基材１１と、サブマウント基材１１の一部上面に形成された第１導電層２１、及び第１導電層２１と分離した位置においてサブマウント基材１１の一部上面に形成された第２導電層２３を有する。本実施形態では、サブマウント基材１１の一部箇所が主平面に対して突出することで突出部１１Ａを形成しているものとして説明する。ただし、突出部１１Ａは、半導体チップ７よりも線熱膨張係数が高い材料であれば、サブマウント基材１１と全く同じ材料で構成されていなくても構わない。

図５は、図３の斜視図を分解して図示した模式的な斜視図である。図５（ｄ）が突出部１１Ａを含むサブマウント基材１１に対応する。この突出部１１Ａを含む箇所９に、図５（ａ）の半導体チップ７が搭載される。

図６は、半導体装置１０の模式的な平面図である。また、図７は図６におけるＡ−Ａ線の断面図であり、図８は図６におけるＢ−Ｂ線の断面図である。Ａ−Ａ線は、光取り出し部４２を通るＸ方向に平行な線であり、Ｂ−Ｂ線は、光取り出し部４２及びワイヤ４３が形成されていない半導体チップ７上の位置を通るＺ方向に平行な線である。なお、図７及び図８では、ヒートシンク３についても図示している。また、説明の都合上、突出部１１Ａの高さを誇張して図示しており、一部の導電層（電極層）の図示を省略している。

サブマウント基材１１の上面に、図５（ｃ）に示すような第１導電層２１及び第２導電層２３を形成する。これらの導電層（２１，２３）は、Ａｕ等で形成される。ここで、図５（ｃ）によれば、第１導電層２１は、サブマウント基材１１の上面のうち、半導体チップ７を搭載する箇所９の外側に配置される。一方、第２導電層２３は、サブマウント基材１１の上面のうち、半導体チップ７が搭載される箇所９と、その外側の箇所に連絡されるように配置される。また、第１導電層２１と第２導電層２３とは分離され、両者の絶縁が確保されている。

サブマウント基材１１の上面に、第１導電層２１及び第２導電層２３が上記のように形成された状態で、半導体チップ７を搭載する箇所９のうち、突出部１１Ａに挟まれた領域にＡｕ−Ｓｎハンダ等で構成された第２接合層２５が形成される。その後、この第２接合層２５の上面に半導体チップ７が載置される。この半導体チップ７は、一部箇所に主平面に対して鉛直方向に貫通する溝部８を有しており、この溝部８に突出部１１Ａを嵌合させるように半導体チップ７を載置する。その後、例えば３２０℃程度にまで加熱されることにより、第２接合層２５を介してサブマウント１と半導体チップ７が接合される。その後、加熱を停止すると室温によって冷却され始め、約２８０℃程度を下回った時点で第２接合層２５が固化してサブマウント１と半導体チップ７が一体化される。その後、室温程度にまで冷却される。

半導体チップ７は、半導体チップ基材４５、半導体チップ基材４５の層内に形成された光半導体素子４１、表面に形成された第１電極層２７、及び裏面に形成された第２電極層（不図示）を有する（図７参照）。第１電極層２７と第２電極層の間に電圧が印加されると、光半導体素子４１に電流が供給されて発光し、光取り出し部４２から光が取り出される構成である。

上記のようにサブマウント１と半導体チップ７が接合されると、サブマウント基材１１の上面に形成されていた第２導電層２３と半導体チップ７の裏面側に形成されている第２電極層（不図示）が、第２接合層２５を介して電気的に接続される。そして、サブマウント１と半導体チップ７の接合後、半導体チップ７の表面に形成された第１電極層２７と第１導電層２１がＡｕ等で形成されたワイヤ４３によって接続される。これにより、図３に示す構成が実現される。図示していないが、第１導電層２１に対しては例えば電源の負極が接続され、第２導電層２３に対しては例えば電源の正極が接続される。そして、この電源を通じて第１導電層２１と第２導電層２３の間に電圧が印加されることで、半導体チップ７が備える光半導体素子４１に対して電流が供給され、発光する。

図８に示すように、突出部１１Ａが、半導体チップ７に設けられた溝部８に嵌合することによって半導体チップ７より突出する構成であるため、半導体チップ７の溝部８の内側面と、サブマウント１の突出部１１Ａが当接している。

なお、このような突出部１１Ａを有するサブマウント１は、種々の方法によって製造することが可能である。一例としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法によってシート状グラファイトを成長させて平坦なサブマウント基材１１を製造した後、更にＣＶＤ法によって所定の箇所に対してのみシート状グラファイトを再び成長させることで、突出部１１Ａを形成することができる。

なお、突出部１１Ａを形成するに際し、他の材料をＣＶＤ法によって成長させることで実現しても構わない。このとき、第１導電層２１及び第２導電層２３を形成した後に、突出部１１Ａ及び突出部１１Ｂを形成してもよい。

また、別の方法としては、シート状グラファイトをサブマウント基材１１よりも厚膜で成長させた後、突出部１１Ａの形成箇所以外の箇所をエッチング等によって削ることで、突出部１１Ａを有するサブマウント１を形成することができる。

そして、半導体チップ７に関しては、例えば半導体チップ７に対してドライエッチングを施すことで、ビアホール形成技術を利用して鉛直方向に貫通する溝部８を所定箇所に設けることで実現できる。

〈性能検証〉
次に、本実施形態の半導体装置１０が備える半導体チップ７の性能につき、比較例との比較結果を参照して説明する。

（実施例１）
図１〜図８を参照して説明した構造を有する半導体装置１０を実施例１として作製した。なお、各構成の材質と寸法を以下の通りとした。

半導体チップ７の構成について説明する。半導体チップ基材４５をＧａＡｓで構成し、その外形寸法を、Ｚ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して、７．２ｍｍ×１ｍｍ×０．０６ｍｍとした。また、光エミッタを構成する光半導体素子４１は、ＧａＡｓ系化合物で構成し、その大きさは直径２５０μｍ程度の円形状とした。また、光取り出し部４２の直径を２００μｍの円形状とした。

第１電極層２７及び第２電極層は、いずれもＡｕで構成し、厚みを２μｍとした。

次に、サブマウント１の構成について説明する。サブマウント基材１１をシート状グラファイトで構成し、その外形寸法を、Ｚ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して１０．７ｍｍ×３．５ｍｍ×１．０ｍｍとした。ただしこのＹ方向の寸法には突出部１１Ａの高さは含まれていない。また、突出部１１Ａの高さを１０７μｍとした。

第１導電層２１及び第２導電層２３は、いずれもＡｕで構成し、厚みを３μｍとした。

ヒートシンク３とサブマウント１を接合するための第１接合層５は、ＳｎとＡｇとＣｕとの質量比が９６．５：３：０．５のＳｎＡｇＣｕ共晶ハンダで構成し、その寸法をＺ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して１１．４ｍｍ×４．５ｍｍ×２０μｍとした。

サブマウント１と半導体チップ７を接合するための第２接合層２５は、ＡｕとＳｎとの質量比が８０：２０のＡｕＳｎ共晶ハンダで構成し、その寸法をＺ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して６．６ｍｍ×１ｍｍ×１０μｍとした。

次に、ヒートシンク３の構成について説明する。ヒートシンク３はＣｕで構成し、その外形の寸法をＺ方向×Ｘ方向×Ｙ方向に関して３２．８ｍｍ×１８ｍｍ×５．８ｍｍとした。

また、半導体チップ７とサブマウント１を接合する前の時点において、溝部８に嵌合させたサブマウント１の突出部１１Ａの外側面と、溝部８の内側面の間隔ｓを１μｍとした。この間隔ｓについては、図１１を参照して後述される。

（比較例１）
図９は、比較例１の半導体装置６０の構造を模式的に示す斜視図である。なお、図９では説明の都合上、ヒートシンク３、第１接合層５、及びワイヤ４３の図示を省略している。

比較例１の半導体装置６０は、実施例１のサブマウント１に代えて突出部１１Ａを有しないサブマウント６１を備え、実施例１の半導体チップ７に代えて溝部８を有しない半導体チップ６２を備えている点が異なる。他の構成及び材料は実施例１と共通とした。

（実施例２）
実施例２の半導体装置１０は、サブマウント１の材料としてＷの重量％が８０％のＣｕ−Ｗ合金を用い、溝部８に嵌合させたサブマウント１の突出部１１Ａの外側面と、溝部８の内側面の間隔ｓを０．１μｍとした点を除いて、実施例１と共通とした。

（比較例２）
比較例２の半導体装置６０は、サブマウント６１の材料をＣｕ−Ｗ合金とした点を除いて、比較例１と共通とした。

（検証方法）
上記の各実施例及び各比較例に関し、それぞれサブマウント（１，６１）の上面に形成された第２接合層２５（Ａｕ−Ｓｎハンダ）上に半導体チップ（７，６２）を載置した状態で温度２８０℃まで加熱して半導体チップ（７，６２）とサブマウント（１，６１）を固着させ、その状態から２２℃（室温）まで温度を低下させた。このときの、半導体チップ（７，６２）に対して加えられる応力に関し、有限要素法による構造解析によって算出した。

なお、計算に用いた各材料の物性値は以下の通りである。

ＧａＡｓの０℃時における線熱膨張係数は５．６×１０^−６／Ｋであり、１００℃時における線熱膨張係数が６．０×１０^−６／Ｋである。ＧａＡｓの縦弾性係数は８５ＧＰａであり、ポアソン比は０．３１である。

シート状グラファイトは、シート平面内方向（ＸＹ平面に平行な方向）について、線熱膨張係数は−０．６×１０^−６／Ｋであり、縦弾性係数は５０ＧＰａであり、ポアソン比は０．３である。また、シート状グラファイトは、シート積層方向（Ｚ方向）について、線熱膨張係数は２５×１０^−６／Ｋであり、縦弾性係数は３．４ＧＰａであり、ポアソン比は０．００２である。

Ａｕの線熱膨張係数は１．４×１０^−６／Ｋである。Ａｕの２５℃時における縦弾性係数は７８ＧＰａであり、５０℃時における縦弾性係数は７５ＧＰａであり、１００℃時における縦弾性係数は５９ＧＰａであり、ポアソン比は０．４２である。

Ａｕ−Ｓｎハンダ（Ｓｎ２０ｗｔ％）の線熱膨張係数は１６×１０^−６／Ｋである。また、同ハンダの２５℃時における縦弾性係数は５９ＧＰａであり、５０℃時における縦弾性係数は５７ＧＰａであり、１００℃時における縦弾性係数は４５ＧＰａであり、ポアソン比は０．４である。

Ｃｕ−Ｗ合金の線熱膨張係数は８．３×１０^−６／Ｋである。また、Ｃｕ−Ｗ合金の縦弾性係数は２９０ＧＰａであり、ポアソン比は０．３である。

（検証結果）
図１０Ａ〜図１０Ｇを参照して、検証結果について説明する。図１０Ａは、実施例１及び比較例１における半導体チップ（７，６２）に発生したＺ方向垂直応力の分布状態を、応力の大小に応じて濃淡を付けた二次元画像として表示したものであり、第２電極層側、すなわち裏面側から半導体チップ（７，６２）を見たときの応力分布である。また、図１０Ｂは、同様に、実施例２及び比較例２における半導体チップ（７，６２）に発生したＺ方向垂直応力の分布状態を、応力の大小に応じて濃淡を付けた二次元画像として表示したものである。なお、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、Ｚ方向垂直応力（圧縮応力）が大きい箇所ほど濃い色に表示され、小さい箇所ほど薄い色に表示されている。

図１０Ｄは、半導体チップ（７，６２）の長手方向（Ｚ方向）の中心箇所を通る、短手方向に平行な線を基準位置７１とし、この基準位置７１から、長手方向（Ｚ方向）に平行な経路７２に沿って離れた位置における最大主応力（図１０Ｃ参照）を、実施例１及び比較例１のそれぞれで求めて同一のグラフ上に表示したものである。なお、グラフの横軸はＺ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の垂直応力の大きさを示している。縦軸の値に関し、正の符号が引張り応力を、負の符号が圧縮応力を示しており、絶対値の大きさが大きいほど強い応力が生じていることを表している。

図１０Ｅは、光取り出し部４２及びその下方に光半導体素子４１が形成されている位置において、半導体チップ（７，６２）の基準位置７３（ここでは半導体チップ７の長手方向に沿った外縁とした。）から半導体チップ７の短手方向（Ｘ方向）に平行な経路７４に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力（図１０Ｃ参照）を、実施例１及び比較例１のそれぞれで求めて同一のグラフ上に表示したものである。なお、グラフの横軸はＸ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の垂直応力の大きさを示している。

図１０Ｆは、半導体チップ（７，６２）の長手方向（Ｚ方向）の中心箇所を通る、短手方向に平行な線を基準位置７１とし、この基準位置７１から、長手方向（Ｚ方向）に平行な経路７２に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力（図１０Ｃ参照）を、実施例２及び比較例２のそれぞれで求めて、図１０Ｄにならって同一のグラフ上に表示したものである。

図１０Ｇは、光取り出し部４２及びその下方に光半導体素子４１が形成されている位置において、半導体チップ（７，６２）の基準位置７３（ここでは半導体チップ７の長手方向に沿った外縁とした。）から半導体チップ７の短手方向（Ｘ方向）に平行な経路７４に沿って離れた位置におけるＺ方向垂直応力（図１０Ｃ参照）を、実施例２及び比較例２のそれぞれで求めて図１０Ｅにならって同一のグラフ上に表示したものである。

（検証考察）
実施例１と比較例１の結果を比較する。図１０Ａによれば、実施例１の方が比較例１よりも色が薄い画像になっており、応力が緩和されていることが分かる。また、図１０Ｄ及び図１０Ｅによれば、長手方向（Ｚ方向）及び短手方向（Ｘ方向）のいずれの方向についても、比較例１より実施例１の方が半導体チップ（７，６２）への応力が緩和されていることが分かる。

次に、実施例２と比較例２の結果を比較する。図１０Ｂによれば、実施例２の方が比較例２よりも色が薄い画像になっており、応力が緩和されていることが分かる。また、図１０Ｆ及び図１０Ｇによれば、長手方向（Ｚ方向）及び短手方向（Ｘ方向）のいずれの方向についても、比較例２より実施例２の方が半導体チップ（７，６２）への応力が緩和されていることが分かる。

このように、実施例の構成によれば比較例よりも応力が緩和される理由について、以下に説明する。図１１は、実施例及び比較例における半導体チップ（７，６２）とサブマウント（１，６１）の変形の様子を模式的に示す図であり、（ａ）が比較例に対応し、（ｂ）が実施例に対応する。なお、説明の都合上、いずれの図面上においても、半導体チップ（７，６２）の＋Ｚ方向の先端部分のみを示している。

いずれの図面においても、（１）は、室温下においてサブマウント（１，６１）の上面に形成された第２接合層２５の上面に、半導体チップ（７，６２）を載置した状態に対応する。（２）は、（１）の状態から加熱された状態に対応する。（３）は、（２）の状態で固着された状態に対応する。（４）は、（３）の状態から室温程度にまで冷却された状態に対応する。

まず、（ａ）の比較例について説明する。説明の都合上、（１）の時点において半導体チップ６２の先端部分が位置するサブマウント６１上の箇所を「注目箇所７６」と呼ぶ。

（２）の状態においては、第２接合層２５はまだ溶融されていないため、サブマウント６１と半導体チップ６２は、それぞれの線熱膨張係数に依存して自由膨張する。（２）の状態においては、半導体チップ６２が距離ａだけ伸び、半導体チップ６２よりも線熱膨張係数の高い材料で構成されているサブマウント６１は、距離ａよりも長いｂだけ伸びている様子が示されている。

（３）の状態になると、サブマウント６１と半導体チップ６２が固着して一体化される。その後、冷却されて（４）の状態になると、半導体チップ６２よりも厚みが十分に大きく、構造体としての剛性が大きいサブマウント６１の線熱膨張係数に依存して、サブマウント６１及び半導体チップ６２の両者が収縮する。（４）の状態が（１）の状態とほぼ同等の室温であるとすれば、サブマウントの注目箇所７６は、（３）の状態から距離ｂだけ収縮してほぼ（１）の状態と同じ位置に戻る。そして、半導体チップ６２もサブマウント６１と同じくほぼ距離ｂだけ収縮する。

この結果、半導体チップ７は、（２）において距離ａだけ膨張した後、（４）において距離ａよりも長い距離ｂだけ収縮するため、（４）の状態では（１）の状態から（ｂ−ａ）だけ縮んだ状態となる。このため、半導体チップ６２に対して圧縮応力が発生する。

次に、（ｂ）の実施例について説明する。実施例の構成では、サブマウント１は、半導体チップ７に設けられた溝部８に嵌合して鉛直方向に突出した突出部１１を有する。なお、実施例では、（１）の状態において、サブマウント１の突出部１１Ａの外側面のうち、半導体チップ７の先端に最も近い位置を「注目箇所７６」としている。そして、図１１に示すように、溝部８の内径は突出部１１Ａの外形よりも少し大きい構成である。すなわち、（１）の状態において、突出部１１Ａの、半導体チップ７の先端に近い方向（図面上「＋Ｚ方向」）には、幅ｓに対応する間隙が形成されており、この箇所は突出部１１Ａと半導体チップ７が接触していない。

（１）の状態から加熱が開始されると、第２接合層２５はまだ溶融されていないため、サブマウント１と半導体チップ７は、それぞれの線熱膨張係数に依存して自由膨張する。しかし、サブマウント１がある程度膨張した時点で、半導体チップ７の先端に近い側に位置する突出部１１Ａの外側面、すなわち注目箇所７６に位置する突出部１１Ａの外側面が、溝部８内の半導体チップ７の内側面に接触する（状態（２）参照）。すると、これ以後は、加熱によりサブマウント１が膨張すると突出部１１Ａは＋Ｚ方向に伸び、この突出部１１Ａと接触している溝部８内の半導体チップ７の内側面も、この突出部１１Ａの＋Ｚ方向への伸びに押される形で＋Ｚ方向に伸びる。つまり、突出部１１Ａが溝部８内の半導体チップ７を外側（＋Ｚ方向）に押すように膨張する結果、実質的に半導体チップ７を自由膨張時よりも引き伸ばす作用が働く。

上述したように、サブマウント１は半導体チップ７よりも厚みが十分に大きく、構造体としての剛性が大きい。このため、半導体チップ７がサブマウント１の突出部１１Ａに接触した後は、サブマウント１の線熱膨張係数に依存してサブマウント１及び半導体チップ７の両者が膨張する。つまり、半導体チップ７がサブマウント１の突出部１１Ａに接触した後は、半導体チップ７はサブマウント１と同等程度の伸びを示すことになる。

この結果、（２）の時点における半導体チップ７の伸びは、比較例よりも大きくなる。なお、サブマウント１の伸びについても、比較例と異なる数値になる可能性があるため、ここではｂ’としているが、この伸びｂ’は比較例の伸びｂとほぼ同程度の値となる。

その後、（３）の状態になると、サブマウント１と半導体チップ７が固着して一体化される。その後、冷却されて（４）の状態になると、半導体チップ７よりも厚みが十分に大きく、構造体としての剛性が大きいサブマウント１の線熱膨張係数に依存してサブマウント１及び半導体チップ７の両者が収縮する。（４）の状態が（１）の状態とほぼ同等の室温であるとすれば、サブマウント１上の注目箇所７６は、（３）の状態から距離ｂ’だけ収縮してほぼ（１）の状態と同じ位置に戻る。そして、半導体チップ７もサブマウント１と同じくほぼ距離ｂ’だけ収縮する。

この結果、半導体チップ７は、（２）において距離ａ’だけ膨張した後、（４）において距離ｂ’だけ収縮することになる。しかし、これらの距離の差は、半導体チップ７の先端に最も近い位置における突出部１１Ａの外側面と、半導体チップ７に設けられた溝部８の内側面の間の間隙の幅ｓにほぼ相当する。つまり、製造時において、この幅ｓが小さくなるように、溝部８の内径と突出部１１Ａの外径を調整しておけば、（４）の状態における半導体チップ７には圧縮応力を極力小さくすることができる。ただし、溝部８の内径と突出部１１Ａの外径の差をあまりに小さくし過ぎると、突出部１１Ａを溝部８内に嵌合させる際に困難性を伴う可能性がある。このため、前記の嵌合作業に支障が生じない範囲内において、幅ｓが小さくなるように溝部８の内径と突出部１１Ａの外径を調整するものとしても構わない。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、サブマウント１が突出部１１Ａを備える構成としたことで、従来よりも加熱接合時に半導体チップ７を伸ばすことができるため、その後の冷却過程を経て形成される半導体装置１０において、半導体チップ７に対する圧縮応力が抑制される。よって、本発明の構成によれば、従来のように、半導体チップ７とサブマウント１の間に熱応力を緩和させることを目的とした他の層を介在させる必要がない。

従って、半導体装置１０の駆動時に生じる熱は、熱伝導率の高いサブマウント１を介して効率的に排熱することが可能となる。つまり、本実施形態の構成によれば、半導体装置１０の製造時における半導体チップ７への熱応力を抑制しながら、半導体装置１０の駆動時における半導体チップ７からの発熱を効率的に排熱することが可能となる。

なお、前記した説明では、半導体チップ７とサブマウント１が固着により一体化される結果、構造体としての剛性が大きいサブマウント１の線熱膨張係数に依存してサブマウント１及び半導体チップ７の両者が収縮するとした。しかし、実際には、サブマウント１の方が半導体チップ７よりも線熱膨張係数が大きいため、第２接合層２５（Ａｕ−Ｓｎハンダ）の塑性変形分だけサブマウント１の方が半導体チップ７よりも熱収縮量がわずかに大きくなる。この結果、冷却過程を経て製造された半導体装置１０において、半導体チップ７とサブマウント１の突出部１１Ａの間には、極めて微小の隙間が形成される場合がある。ただし、このような半導体装置１０においても、半導体チップ７とサブマウント１の突出部１１Ａは実質的に接触しているため、両者は「当接」しているといえる。本発明は、かかる構成を排除する趣旨ではない。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉半導体チップ７に設けられる溝部８の形状や配置位置については、適宜選択することが可能である。図１２は、この溝部８の形状及び配置位置に関する実施形態を説明するための図面である。なお、図１２では、半導体チップ７に設けられた溝部８のうち、短手方向（Ｘ方向）の構成する外縁のうちの一方の外縁（辺）５０の内側に位置する溝部８のみを表示している。

図１２（ａ）は、半導体チップ７が外縁５０に沿って矩形状の溝部８を有する構成を示しており、上述した実施形態の構成に対応する。

図１２（ｂ）に示すように、溝部８の角を丸めた構成としても構わない。このとき、サブマウント１の突出部１１Ａの形状も、溝部８の形状に合わせて角を丸めた構成とすることができる。このような構成とした場合、（ａ）の構成と比べて溝部８の角の付近に発生する応力の集中を緩和する効果が得られる。更に、図１２（ｅ）に示すように、溝部８の形状自体を円筒形状又は楕円筒形状にしても構わない。

また、図１２（ｃ）に示すように、半導体チップ７が、外縁５０に沿って不連続的に配置された複数の溝部８を備える構成としても構わない。このとき、図１２（ｄ）に示すように、溝部８が半導体チップ７の長手方向（Ｚ方向）の外縁５１側に突き抜けることで、ＸＺ平面視で切り込み形状を示す構成であっても構わない。

〈２〉半導体チップ７の長手方向の外縁の内側において、当該外縁に沿って溝部８を形成しても構わない。ただしこの場合、半導体チップ７上には、長手方向に沿って光取り出し部４２やワイヤ４３が形成されているため、これらの機能を害さないように溝部８を設ける必要がある。

〈３〉上記の実施形態では、半導体チップ７が長方体形状を有する場合を採り上げて説明したが、本発明は半導体チップ７が他の形状を有する場合を排除する趣旨ではない。半導体チップ７が直方体形状でない場合であっても、半導体チップ７の外縁の内側に溝部８を設けると共に、サブマウント１の突出部１１Ａを当該溝部８に嵌合させて、半導体チップ７の主表面から突出させることで、加熱／冷却工程を経た後の半導体チップ７に対する圧縮応力が緩和される。

〈４〉上記の実施形態においては、サブマウント（１：より詳細にはサブマウント基材１１）をシート状グラファイト又はＣｕ−Ｗ合金で構成し、半導体チップ（７：より詳細には半導体チップ基材４５）をＧａＡｓで構成する場合について説明した。しかし、本発明は、サブマウント１上に、サブマウント１よりも線熱膨張係数の低い材料で構成された半導体チップ７を搭載した半導体装置１０について一般的に適用可能である。例えば、半導体チップ７を構成する材料としてＧａＡｓを例示したが、これ以外に、ＧａＮ（線熱膨張係数３．４×１０^−６／Ｋ）やＳｉ（線熱膨張係数２．６×１０^−６／Ｋ）を主成分とした半導体装置にも適用できる。また、サブマウント１を構成する材料としては、実施例１及び２で用いた材料の他に、Ｃｕ−Ｍｏ合金が利用可能である。

〈５〉上記の実施形態では、半導体装置１０がサブマウント１の上面に半導体チップ７を搭載し、このサブマウント１がヒートシンク３の上面に搭載されている構造について説明した。しかし、サブマウント１通じた排熱効果が極めて高い場合には、半導体装置１０は必ずしもヒートシンク３を備えなくても構わない。

〈６〉本発明の半導体装置１０は、半導体レーザ装置の他、ＬＥＤやパワー半導体スイッチなどに適用が可能である。

１ ： サブマウント
３ ： ヒートシンク
５ ： 第１接合層
７ ： 半導体チップ
８ ： 半導体チップ７に設けられた溝部
９ ： サブマウント上の半導体チップ搭載箇所
１０ ： 半導体装置
１１ ： サブマウント基材
１１Ａ ： サブマウントの突出部
２１ ： 第１導電層
２３ ： 第２導電層
２５ ： 第２接合層
２７ ： 第１電極層
３３ ： 突出部１１Ａの周辺箇所
４１ ： 光半導体素子
４２ ： 光取り出し部
４３ ： ワイヤ
４５ ： 半導体チップ基材
５０ ： 半導体チップの短手方向の外縁
５１ ： 半導体チップの長手方向の外縁
６０ ： 比較例の半導体装置
６１ ： 比較例のサブマウント
６２ ： 比較例の半導体チップ
７１ ： 基準位置
７２ ： 長手方向に平行な経路
７３ ： 基準位置
７４ ： 短手方向に平行な経路
７６ ： サブマウント上の注目箇所

Claims (3)

1. サブマウントと、
   前記サブマウントよりも線熱膨張係数の低い材料で構成され、前記サブマウントの一部上面に搭載された、前記サブマウントよりも厚みの薄い半導体チップを有し、
   前記サブマウントは、一部の箇所において主平面に対して突出した突出部を有し、
   前記半導体チップは、一部箇所に主平面に対して鉛直方向に貫通する溝部を有し、
   前記突出部が前記溝部に嵌合して前記半導体チップよりも突出し、前記半導体チップの前記溝部の内側面と前記突出部が当接していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体チップは直方体形状を有し、少なくとも短手方向の一対の外縁に沿って、当該一対の外縁の内側の箇所に溝部を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記突出部を有する前記サブマウントを準備する工程（ａ）と、
   前記サブマウントの上面に前記半導体チップを載置して、前記溝部に前記突出部を嵌合させ、前記サブマウント及び前記半導体チップを加熱して接合する工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）の後に冷却する工程（ｃ）を有し、
   前記工程（ｂ）の実行時において、前記半導体チップの前記溝部の内側面と前記サブマウントの前記突出部が接触することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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