JP2018029143A - 半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップ状部品と被着体との接続の信頼性を向上することができる半導体デバイスを提供すること。【解決手段】チップ状部品と被着体との間に接合層を有する半導体デバイスにおいて、チップ状部品と接合層との界面を基準として被着体に向かう所定の厚さを含む範囲内における接合層のナノインデンター硬度Ｄ１が、被着体と接合層との界面を基準としてチップ状部品に向かう所定の厚さを含む範囲内における前記接合層のナノインデンター硬度Ｄ２よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、半導体チップ或は半導体チップを含む半導体パッケージ等のチップ状部品を、金属微粒子の分散溶液を用いて基板或は電極等の被着体と接合した、半導体デバイス及びその製造方法に関する。

金属微粒子の分散溶液が焼結して形成される焼結体においては、チップ状部品の直下が熱膨張差によってもっとも応力が集中する。このため、チップ状部品の直下領域の硬さがチップ状部品から離れた領域に比べて柔らかいと、このチップ状部品の直下領域が優先的に変形を起こしてしまい破断してしまう虞があった。

これに対して、先行特許文献１には、鉛フリー半田にＳｂなどの添加元素を加えて、表面部分のみ半田を硬くする記載がある。しかしながら、この特許文献１に開示の技術は、半田フィレットの表面を硬くすることでクラックの進行を抑制することを目的とするものであり、チップ状部品と被着体との接合性の向上を目的としたものではない。

特開２０１４−１３８０６５号公報

しかしながら、金属微粒子の分散溶液を用いてチップ状部品と被着体とを接合する場合、チップ状部品の直下の熱膨張差によってチップ状部品の直下領域に破断が生じてしまうという課題があった。特にパワー半導体等発熱の大きい半導体チップにおいては、熱膨張係数の違いから、半導体チップと接合材との界面に大きな応力が発生する。そのため、半導体チップと接合材との界面に破壊が発生することが多く、信頼性を損なう原因になっていた。

そこで、本発明は、チップ状部品と被着体との接続の信頼性を向上することができる半導体デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の半導体デバイスは、チップ状部品と被着体との間に接合層を有する半導体デバイスにおいて、チップ状部品と接合層との界面を基準として被着体に向かう厚さ３０μｍを含む範囲内における接合層の硬度Ｄ１が、被着体と接合層との界面を基準としてチップ状部品に向かう厚さ３０μｍを含む範囲内における接合層の硬度Ｄ２よりも大きい、ものである。

すなわち、チップ状部品と被着体との間の接合層の強度が深さ方向で一定であると、応力に対する変形度合いは同じであるから、熱膨張係数の差から発生する応力による変形度合いは界面部分が一番大きくなる。一方、応力を被着体側に伝搬させて界面から離れた部分も変形させることができれば、応力を接合層全体で受けることができるため、応力集中度合いを減らすことができる。そのため、接合材のチップ界面付近の強度を上げて、応力で変形し難くし、界面から離れた部分に応力を伝搬させると共に、界面から離れた部分の強度を下げることによりその部分を変形させるようにする。このような接合材の強度分布とすることにより接合層全体として、応力を受けることができるのでチップ界面の応力集中が減り、チップ状部品と被着体との接合の信頼生を向上させることができる。

銅ナノ粒子を使った接合材では、銅ナノ粒子と活性剤との混合体を加熱し焼結させている。したがって、銅ナノ粒子と活性剤との混合比率により焼結体の状態を変えることができる。この際、活性剤の量が多くなるほど焼結が進み易く、機械強度が増す。逆に、活性剤の量が少くなるほど焼結が進み難く、機械強度も比較的大きくなり難い。この性質を利用し、接合層内で活性剤の多い部分と少ない部分とを作れば、接合層内で強度の分布を作ることができる。そこで、チップ状部品と接合層との界面付近の活性剤を多くし、逆の接合層と被着体との界面付近の活性剤を少なくすれば所望の構造を作ることができる。

銅ナノを用いた接合層は、銅ナノ粒子と活性剤とを混合したペーストにより供給することができる。ただし、ペーストにおいては流動性を確保するために焼結時に必要な量よりも多い量の活性剤を含んでいる。したがって、印刷後の乾燥処理によって余分な溶媒を蒸発させる必要がある。これにより、乾燥処理後は、表面の溶媒量が少なく、内部に行く程に溶媒量が多くなる。このような条件を考慮して、被着体に接合する部分がペーストの表面となるように、つまりチップ状部品に印刷を行えばチップ状部品側に表面より多く活性剤が残ることになり、チップ状部品側の強度が高く、被着体側の強度が低い、接合層を作成することができる。

本発明の半導体デバイス及びその製造方法によれば、チップ状部品と被着体との接続の信頼性を向上することができる。

半導体デバイスの要部の断面図である。

次に、本発明の一実施形態に係る半導体デバイス及びその製造方法について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の半導体デバイス及びその製造方法における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組み合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

次に、本発明の実施形態について以下で詳細に説明する。図１は、半導体デバイスの一例を示す。図1に示すように、半導体デバイス１は、チップ状部品としての半導体チップ２と、被着体としての基板３の間に接合層４を有する。なお、チップ状部品としては半導体チップ２のほか、半導体チップ２を含半導体パッケージ等でもよい。また、被着体としては基板３のほか、電極等の他でもよい。

接合層４は、半導体チップ２との界面を基準として基板３に向かう厚さＨ１＝３０μｍを含む範囲内における上部接合層４ａの硬度Ｄ１が、基板３と接合層４との界面を基準として半導体チップ２に向かう厚さＨ２＝３０μｍを含む範囲内における接合層４の硬度Ｄ２よりも大きい（Ｄ１＞Ｄ２）ものである。

硬度Ｄ１と硬度Ｄ２とは、ナノインデンター硬度であり、０．５０≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８８の範囲内にあるのが望ましい。なお、この数値限定に関する詳細は後述する。

接合層４は、平均一次粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの銅ナノ粒子（Ｐ１）を含む金属粒子（Ｐ）と、３価のアルコール（Ａ１ａ）含む有機分散媒（Ｓ）を含む金属粒子の分散溶液を加熱焼結して形成した金属多孔質体と、を含むのが望ましい。この際、金属粒子（Ｐ）は金属微粒子（Ｐ２）を含み、該金属微粒子（Ｐ２）は銅微粒子を含むのが好ましい。また、接合層４は、半導体チップ２と接合層４との界面を基準として基板３に向かう厚さＨ１＝３０μｍを含む範囲内における上部接合層４ａの銅ナノ粒子（Ｐ１）の濃度Ｃ１が、基板３と接合層４との界面を基準として半導体チップ２に向かう厚さＨ２＝３０μｍを含む範囲内における下部接合層４ｂの銅ナノ粒子（Ｐ１）の濃度Ｃ２よりも低く、かつ、０．６７≦Ｃ１／Ｃ２≦０．８８の範囲内にあるのが望ましい。なお、この材料限定に関する詳細は後述する。

このような半導体デバイス１の基本構成において、半導体デバイス１の発熱する側（通常は半導体チップ側）の上部接合層４ａの硬度を上げて高強度にし、その反対側である下部接合層４ｂは硬度を下げて熱歪から発生する応力を伝搬させることで、半導体デバイス１の接続に対する信頼性を向上することができる。

特に、金属微粒子の分散溶液を発熱する側に印刷して、予備乾燥、加圧加熱焼結することにより信頼性の高い半導体デバイス１とすることができることが判明した。この際、硬度の高い上部接合層４ａの硬度Ｄ１を基準としたときに、硬度の低い下部接合層４ｂの硬度Ｄ２が０．５〜０．８８倍になることが好ましい。なお、硬度Ｄ２が０．８８倍を超えると熱歪の伝搬が起こらずに信頼性が低くなる虞がある。また、硬度Ｄ２が０．５倍未満では下部接合層４ｂの強度が低すぎて信頼性の高い接合を行うことができない虞がある。

〔１〕金属粒子の分散溶液
（１）金属粒子（Ｐ）
金属粒子（Ｐ）は、焼結性を有していることが必要である。また、金属粒子（Ｐ）は、平均一次粒子径が２〜５００ｎｍの銅ナノ粒子（Ｐ１）のみで構成する場合のほか、銅ナノ粒子（Ｐ１）に加えて、さらに平均一次粒径０．５μｍ超え５０μｍ以下の金属微粒子（Ｐ２）を混合した混合粒子として構成してもよい。

（イ）銅ナノ粒子（Ｐ１）
銅ナノ粒子（Ｐ１）は、一次粒子の平均粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの銅微粒子であれば特に制限されるものではない。銅ナノ粒子（Ｐ１）の一次粒子の平均粒子径が２ｎｍ未満のものは製造上の困難性を伴い、一方、一次粒子の平均粒子径が５００ｎｍ以上では、焼結時に融点が下がらなくなり、焼結性が悪化するからである。銅ナノ粒子には不可避的不純物として、ホウ素（Ｂ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、クロム（Ｃｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）が、各３０ｐｐｍ以下程度含まれてもよい。

ここで「一次粒子径」とは、二次粒子を構成する個々の金属粒子の一次粒子の直径の意味である。この一次粒子径は、電子顕微鏡（ＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ））を用いて測定することができる。本発明では、ＳＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製、装置名「ＳＵ８０２０」）を用いて、加速電圧３ｋＶ、倍率２０万倍で観察しＳＥＭ画像を取得した。そして、その画像の中から任意の２０個の粒子を選び、粒子径を測定すると共に、その平均を計算して平均粒径とした。また、「平均一次粒子径」とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。

（ロ）金属微粒子（Ｐ２）
金属微粒子（Ｐ２）は、一次粒子の平均粒子径０．５μｍ〜５０μｍをもち、金属粒子（Ｐ）を、銅ナノ粒子（Ｐ１）との混合粒子として構成する場合に用いられる。金属微粒子（Ｐ２）としては、特に制限はないが金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される１種もしくは２種以上の微粒子を使うことができ、特に銅が好ましい。

平均一次粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの銅ナノ粒子（Ｐ１）と、平均一次粒子径が０．５μｍ超え５０μｍ以下の金属微粒子（Ｐ２）を共存させると、金属微粒子（Ｐ２）間に銅ナノ粒子（Ｐ１）が適度な分散状態で介在し、加熱処理する際に銅ナノ粒子（Ｐ１）の自由な移動を効果的に抑制することができ、前述の銅ナノ粒子（Ｐ１）の分散性と安定性を向上することができ、その結果、加熱焼成（焼結）でより均質な粒子径と空孔を有する多孔質体を形成することが可能になる。

金属微粒子（Ｐ２）の平均一次粒子径は、０．５μｍ超え５０μｍ以下が好ましい。金属微粒子（Ｐ２）の平均一次粒子径が０．５μｍ以下では、金属微粒子（Ｐ２）の添加効果が発現せず、５０μｍを超えると焼成が困難になるおそれがある。なお「平均一次粒子径」は、レーザー回折式粒度分布計で測定し、累積頻度が５０％の粒径と定義する。

（２）有機分散媒（Ｓ）
本発明の金属粒子（Ｐ）の分散溶液は、金属粒子（Ｐ）を有機分散媒（Ｓ）に分散させて形成したものである。有機分散媒（Ｓ）は、活性剤である３価のアルコールが含まれている。そのほか、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコール（Ａ１）が含まれることが好ましく、また、他の有機溶媒として、アミド基を有する化合物（Ａ２）、アミン化合物（Ａ３）、低沸点有機化合物（Ａ４）等を含有させてもよい。

（イ）３価のアルコール
３価のアルコールとしては、グリセリン（グリセロール）、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタン、１，２，６−ヘキサントリオール、１，２，３−ヘキサントリオール、１，２，４−ブタントリオールの中から選択される１種又は２種以上を含むことができ、中でもグリセリンが特に好ましい。

（イ）多価アルコール（Ａ１）
３価のアルコール以外の多価アルコール（Ａ１）としては、分子中に２以上の水酸基を有する、エチレングリコ−ル、ジエチレングリコ−ル、１，２−プロパンジオ−ル、１，３−プロパンジオ−ル、１，２−ブタンジオ−ル、１，３−ブタンジオ−ル、１，４−ブタンジオ−ル、２−ブテン−１，４−ジオール、２，３−ブタンジオ−ル、ペンタンジオ−ル、ヘキサンジオ−ル、オクタンジオ−ル、トレイトール、エリトリト−ル、ペンタエリスリト−ル、ペンチト−ル、１−プロパノール、２−プロパノール、２−ブタノール、２−メチル２−プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシト−ル、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコ−ス、フルクト−ス、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクト−ス、イソマルト−ス、グルコヘプト−ス、ヘプト−ス、マルトトリオース、ラクツロース、及びトレハロースの中から選択される１種又は２種以上を挙げることができる。

有機分散媒（Ｓ）中に前記多価アルコール（Ａ１）を含有させることで、還元性を有するので金属微粒子（Ｐ）表面が還元され、更に加熱処理を行うことで多価アルコール（Ａ１）が連続的に蒸発し、その液体および蒸気が存在する雰囲気で還元・焼成されると、金属粒子（Ｐ）の焼結を促進することができる。尚、金属粒子（Ｐ）の分散溶液を用いて形成され、接合層の加熱・焼結前の状態である加熱接合材料（Ｍ）の焼結性を考慮すると、多価アルコール（Ａ１）が有機分散媒（Ｓ）中に４０質量％以上含有されていることが好ましい。

（ロ）アミド基を有する化合物（Ａ２）
アミド基を有する化合物（Ａ２）としては、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−メチルプロパンアミド、ホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、１−メチル−２−ピロリドン、ヘキサメチルホスホリックトリアミド、２−ピロリドン、アルキル−２−ピロリドン、ε−カプロラクタム、及びアセトアミド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、及びＮ−ビニル−２−ピロリドンの中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。アミド基を有する化合物（Ａ２）は金属粒子表面を覆う有機修飾物として用いられる。アミド基を有する化合物（Ａ２）は、有機分散媒（Ｓ）中で１０〜８０質量％となるように配合することが好ましい。

（ハ）アミン化合物（Ａ３）
アミン化合物（Ａ３）としては、脂肪族第一アミン、脂肪族第二アミン、脂肪族第三アミン、脂肪族不飽和アミン、脂環式アミン、芳香族アミン、及びアルカノールアミンの中から選択される１種又は２種以上のアミン化合物が挙げられ、その具体例としてはメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ｎ−プロピルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン、トリ−ｎ−プロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ジ−ｎ−ブチルアミン、トリ−ｎ−ブチルアミン、ｔ−プロピルアミン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、テトラメチレンジアミン、テトラメチルプロピレンジアミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、モノ−ｎ−オクチルアミン、モノ−２エチルヘキシルアミン、ジ−ｎ−オクチルアミン、ジ−２エチルヘキシルアミン、トリ−ｎ−オクチルアミン、トリ−２エチルヘキシルアミン、トリイソブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソノニルアミン、トリフェニルアミン、ジメチルココナットアミン、ジメチルオクチルアミン、ジメチルデシルアミン、ジメチルラウリルアミン、ジメチルミリスチルアミン、ジメチルパルミチルアミン、ジメチルステアリルアミン、ジメチルベヘニルアミン、ジラウリルモノメチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、メタノールアミン、ジメタノールアミン、トリメタノールアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ブタノールアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノールアミン、Ｎ−エチルエタノールアミン、Ｎ−エチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン、Ｎ−ｎ−ブチルエタノールアミン、Ｎ−ｎ−ブチルジエタノールアミン、及び２−（２−アミノエトキシ）エタノールの中から選択される１種又は２種以上を挙げることができる。アミン化合物（Ａ３）は有機分散媒（Ｓ）中で０．３〜３０質量％となるように配合することが好ましい。

（ニ）低沸点有機化合物（Ａ４）
低沸点有機化合物（Ａ４）は、常圧における沸点が６０〜１２０℃（沸点は常圧における沸点をいう。以下同じ）で、比較的沸点の低い有機化合物である。低沸点有機化合物（Ａ４）としては、分子中に１つのヒドロキシル基を有するアルコール、エーテル、及びケトンから選択される１種又は２種以上が好ましい。

前記分子中に１つのヒドロキシル基を有するアルコールとしては、メタノール（６４．７℃）、エタノール（７８．０℃）、１−プロパノール（９７．１５℃）、２−プロパノール（８２．４℃）、２−ブタノール（１００℃）、２−メチル２−プロパノール（８３℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。前記エーテルとしては、ジエチルエーテル（３５℃）、メチルプロピルエーテル（３１℃）、ジプロピルエーテル（８９℃）、ジイソプロピルエーテル（６８℃）、メチル−ｔ−ブチルエーテル（５５．３℃）、ｔ−アミルメチルエーテル（８５℃）、ジビニルエーテル（２８．５℃）、エチルビニルエーテル（３６℃）、アリルエーテル（９４℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。また、前記ケトンとしては、アセトン（５６．５℃）、メチルエチルケトン（７９．５℃）、ジエチルケトン（１００℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。

有機分散媒（Ｓ）中に低沸点有機化合物（Ａ４）が含まれることで、有機分散媒（Ｓ）の粘度を調整してパターン形成の精度を向上することができる。有機分散媒（Ｓ）中の低沸点有機化合物（Ａ４）の含有割合は１〜３０質量％の範囲で配合することが好ましい。

〔２〕接合構造体の製造方法
次に、本発明に従う金属粒子の分散溶液を用いて製造するのに好適な接合構造体について、その製造方法の例を以下で説明する。本発明に従う接合構造体の製造方法は、上記した金属粒子の分散溶液を用い、第１の被着体と第２の被着体の間に、金属粒子の分散溶液を配置する第１工程と、該分散溶液を１１０℃で乾燥させて加熱接合材料とする第２工程と、該加熱接合材料を焼結させる第３工程とを備える。本発明に従う接合構造体の製造方法は、例えば、加熱接合材料を半導体チップ２と基板３との間に配置し、その後この被処理体を真空中でプレス可能な装置に導入することによって行なうことができる。加熱接合材料がペースト状材料の場合には、接合される面の一方に塗布や印刷法を用いることにより、焼結後に接合層を形成することによって接合構造体を製造することができる。

（１）第１工程
第１工程は、半導体チップ２（或は半導体チップを含む半導体パッケージ等のチップ状部品）と、基板３（或は電極等の被着体）との間に、金属粒子の分散溶液を配置するための工程である。

加熱接合材料（Ｍ）を形成するのに用いられる金属粒子の分散溶液は、有機分散媒（Ｓ）／金属粒子（Ｐ）の割合（質量比）が、パターニングと焼結性を考慮し、安定した接合力を得るためには１０／９０〜７０／３０が望ましいが、シート形状の加熱接合成形体（Ｔ１）、又は加熱接合ペースト状物（Ｔ２）のいずれを選択するかによって、その割合が決定される。

なお、有機分散媒（Ｓ）／金属粒子（Ｐ）の割合が１０／９０よりも有機分散媒が少ないと、加熱接合材料（Ｍ）を形成したときに金属粒子（Ｐ）が粉状のままで存在する傾向があり、ペーストにすることは不可能である。また、７０／３０よりも有機分散媒が多いと、印刷後の形状安定性がなく、印刷が不可能になる傾向があるからである。この割合の好ましい範囲は印刷用では、ペーストは２０／８０〜６０／４０、シート状に加工する場合では１０／９０〜３０／７０である。

金属粒子の分散溶液は、公知の混合機、捏和機等を使用して、金属粒子（Ｐ）を有機分散媒（Ｓ）に分散させることにより得ることができる。

（２）第２工程
第２工程は、第１工程の後、分散溶液を（予備）乾燥させて加熱接合材料を形成する工程である。

加熱接合材料（Ｍ）は、金属粒子（Ｐ）が有機分散媒（Ｓ）中に分散している、加熱接合用ペースト状物（Ｔ２）とすることができる。また、加熱接合材料（Ｍ）は、被接合面（例えば、半導体チップの表面）に、加熱接合材料（Ｍ）からなるパターン化物を配置することができる。この場合、このパターン化物上に基板３を配置して、焼結する温度の範囲に金属粒子（Ｐ）を加熱すると、３価のアルコール（Ａ１ａ）が銅ナノ粒子（Ｐ１）表面を還元して活性化し、金属粒子（Ｐ）同士の焼結が促進される。その結果、ナノサイズの金属微粒子を含むペースト状物を用いた場合と同様に、電極と基板３とを電気的、機械的に接合することが可能になる。尚、加熱接合材料（Ｍ）を加熱焼結する際に、有機分散媒（Ｓ）は、分解、蒸発等により除去される。

なお、本発明では、乾燥温度は１１０℃とした。なお、乾燥時間は、乾燥後に形成される加熱接合材料（Ｍ）中の銅濃度が、６５〜９５質量％になるように調整できる時間であればよく、特に限定するものではないが、例えば５〜６０分間程度とすることが好ましい。

（３）第３工程
第３工程は、乾燥した加熱接合用ペースト状物（Ｔ２）からなる加熱接合材料を焼結して、被着体同士を接合する接合層を有する接合構造体を形成する工程である。

焼結方法としては、例えば、ヒータを内蔵したプレス板で被処理体を挟み、その後、真空引きを行って十分に減圧にする。このとき、絶対圧には大気圧分の圧力が加えられているので、それを考慮したゲージ圧にて油圧や空圧により圧力を加える。加熱（焼結）温度は、１９０〜４００℃程度とすることが好ましく、加熱保持時間は、１分間〜１２０分間程度とすることが好ましい。

その後、必要に応じて、大気ないしは不活性雰囲気、水素等の還元雰囲気下で１９０〜４００℃の温度で１時間〜３０時間程度のアニール処理を施してもよい。このアニール処理により、接合層における歪みや残留応力が除去され、更に信頼性が向上する。

上記の接合構造体の製造方法により、加熱接合材料が焼結されて金属粒子の分散溶液の焼結体からなる接合層４が形成され、基板３と半導体チップ２とが接合層４によって接合された半導体デバイス（接合構造体）１を得ることができる。このように、基板３と加熱接合材料、及び加熱接合材料と半導体チップ２とをそれぞれ接触させた状態で、これらを、無加圧または加圧下で加熱することにより、加熱接合材料（Ｍ）中の金属粒子（Ｐ）が焼結されて、多孔質状の接合層が形成され、基板３及び半導体チップ２が互いに接合される。

本方法により形成される接合層（Ｌ）の厚みは、５〜５００μｍの範囲であることが好ましい。この厚みが５μｍ未満では、半導体チップ（Ｋ）の凹凸よりペースト厚が薄くなり、一部ペーストで覆われない部分が発生し、接合信頼性が低下する傾向があるからである。一方、前記厚みが５００μｍを超えると、熱抵抗が大きくなりすぎるため好ましくない。したがって、本実施形態における接合層（Ｌ）の厚みは、５〜５００μｍの範囲内の数値とすることが好ましい。

本発明の実施形態を以下の実施例に基づき、さらに詳細に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（１）銅ナノ粒子
銅ナノ粒子（Ｐ１）として、有機保護膜付き銅ナノ粒子を使用した。
有機保護膜付き銅ナノ粒子は、特開２０１１−０７４４７６号公報の実施例に記載されている方法に倣い、以下の手順で作製した。まず、高分子分散剤であり、有機保護膜の原料となるポリビニルピロリドン（ＰＶＰ、数平均分子量約３５００）１０ｇを蒸留水１９７９．３ｍｌに溶解させた水溶液に、銅ナノ粒子（Ｐ１）の原料として粒度範囲が０．１〜１００μｍである水酸化第二銅（Ｃｕ（ＯＨ）２）２９．２６８ｇを添加した。次に、液温を２０℃に調整し、窒素ガス雰囲気中で攪拌しながら水素化ホウ素ナトリウム１５０ｍｍｏｌと水酸化ナトリウム４８０ｍｍｏｌを含む水溶液２０．７３ｍｌを滴下した後、４５分間よく攪拌しながら還元反応を行った。尚、還元反応の終了は、反応系からの水素ガスの発生が終了した時点とした。上記還元反応により、有機保護膜（高分子分散剤）で少なくとも一部が覆われた銅ナノ粒子（Ｐ１）が水溶液中に分散している銅ナノ粒子（Ｐ１）の水溶液が得られた。その後、この水溶液に、抽出剤としてクロロホルム６６ｍｌを加えて、銅ナノ粒子（Ｐ１）を沈降させてから、遠心分離により固液分離を行い、メタノールを投入して攪拌後、さらに遠心分離により固液分離を行い粒子の洗浄を行った。そして、洗浄を数回行ったのち、有機保護膜付きの銅ナノ粒子（Ｐ１）を得た。有機保護膜（Ｆ１）の厚さを、銅ナノ粒子（Ｐ１）全体に占める質量比率として炭素・硫黄濃度分析装置を使用して測定したところ、０．６質量％であった。また銅ナノ粒子（Ｐ１）の平均一次粒子径は５０ｎｍであった。なお、ＳＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製、装置名「ＳＵ８０２０」）を用いて、加速電圧３ｋＶ、倍率２０万倍で観察しＳＥＭ画像を取得した。そして、その画像の中から任意の２０個の一次粒子を選んで粒径を測定すると共に、それらの粒径の測定値から算出した平均値を平均一次粒子径とした。

（２）金属粒子（Ｐ）の分散溶液の調製
金属粒子（Ｐ）の分散溶液は、銅ナノ粒子（Ｐ１）と金属微粒子（Ｐ２）とグリセリンを配合した。また、銅濃度が６０重量％になるように配合した。

（３）評価方法
半導体チップ側にペースト厚４００ｕｍで印刷を行い、１１０℃の乾燥雰囲気下で銅濃度が６５〜９５％以上になるように乾燥した。その後、銅基板３の上に半導体チップ２を搭載し、真空下３００℃で２０分、１０ＭＰａで加圧加熱焼結を行った。さらにその後、−５５〜２００℃の冷熱衝撃試験（メーカ：エスペック 型番：ＴＳＥ−１１−Ａ）を行い、１００回毎に取り出し、界面をＳＡＴ観察し、剥離面積が１０％を超えた時点で故障とした。下記の表１に示す今回の評価では、７００回未満で故障が発生していた場合、例えば、半導体デバイスの適用例として自動車用インバータ等を考えた場合、信頼性が不十分である。したがって、信頼性判断の基準として、上記の条件を満たす７００回以上を○、より信頼性が高い基準として１０００回以上を◎として評価した。また、断面の硬度測定は焼結サンプルの中心が観察できるように断面出しを行い、界面から３０ｕｍ以内の場所をナノインデンターで２０箇所の硬度測定を行い、最も低い硬度から３点と最も高い硬度２点を削除した１５点の平均値を求めた。なお、Ｐ２粒子はナノ粒子由来の物質ではないので、ナノ粒子からなる部分を選んで測定した。

なお、断面出しは下記の手法により行った。
（１）サンプルを樹脂包埋し、チップの中心部が現れるように切断し、研磨する。
（２）ｃｐ（ケミカルボリッシャ：Ａｒプラズマで断面を出す装置 メーカ：日本電子 型番：ＳＭ−０９０１０）に入るおおきさに断面サンプルを切断したのち、ｃｐで断面を出す。
（３）ナノインデンターに入るようにサンプルの大きさを調節する。
（４）ナノインデンター（メーカ：ＨＡＬＣＹＯＮＩＣＳ ＭＯＤ−１ＭＰ Ｐｌｕｓ）で測定する。
（５）圧子はバーコビッチ圧子（三角錐圧子）を用いた。
この手法を取ることにより、研磨時にできる表面変質層の影響を受けることなく、断面の硬度測定が可能になる。

また、予備乾燥後の膜の銅濃度の測定は以下に示すとおりで行った。予備乾燥後の銅濃度の深さ方向分布は液体窒素で−１４０℃に冷却しながらＦＩＢ加工を行い、そのままＦＩＢ装置内に設置してあるＥＤＸにより炭素と銅の定量分析を行い、炭素と銅の比率を求め、そこから銅濃度を求めた。

なお、銅濃度は
銅濃度（％）＝ＥＤＸ測定での銅の重量（％）／（ＥＤＸ測定での銅の重量（％）＋ＥＤＸ測定での炭素の重量（％））
として求めた。なお、銅粒子の周りに修飾しているＰＶＰの量は別の測定（粒子状態で測定した全炭素量測定）により１重量％以下とわかっており、今回の測定には影響を与えないことは確認している。

結果を下記表１に示す。比較例では半導体チップ側の硬度が低く信頼性に乏しい。一方、実施例では半導体チップ側の硬度が高く信頼性が良好である結果となった。

このように、本発明の半導体デバイス及びその製造方法にあっては、チップ状部品と被着体との接続の信頼性を向上することができるという効果を備え、半導体チップ或は半導体チップを含む半導体パッケージ等のチップ状部品を、金属微粒子の分散溶液を用いて基板或は電極等の被着体と接合した、半導体デバイス及びその製造方法全般に適用することができる。

１…半導体デバイス
２…半導体チップ（チップ状部品）
３…基板（被着体）
４…接合層
４ａ…上部接合層（硬度Ｄ１）
４ｂ…下部接合層（硬度Ｄ２）

Claims (7)

1. チップ状部品と被着体との間に接合層を有する半導体デバイスにおいて、
   前記チップ状部品と前記接合層との界面を基準として前記被着体に向かう厚さ３０μｍを含む範囲内における前記接合層の硬度Ｄ１が、前記被着体と前記接合層との界面を基準として前記チップ状部品に向かう厚さ３０μｍを含む範囲内における前記接合層の硬度Ｄ２よりも大きい、半導体デバイス。
2. 前記硬度Ｄ１と前記硬度Ｄ２とは、ナノインデンター硬度であり、０．５０≦Ｄ２／Ｄ１≦０．８８の範囲内にある、ことを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス。
3. 前記接合層は、平均一次粒子径が２ｎｍ〜５００ｎｍの銅ナノ粒子（Ｐ１）を含む金属粒子（Ｐ）と、３価のアルコール含む有機分散媒（Ｓ）を含む金属粒子分散溶液を加熱焼結して形成した金属多孔質体と、を含む、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体デバイス。
4. 前記金属粒子（Ｐ）は金属微粒子（Ｐ２）を含み、該金属微粒子（Ｐ２）は銅微粒子を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイス。
5. 前記接合層は、前記チップ状部品と前記接合層との界面を基準として前記被着体に向かう厚さ３０μｍを含む範囲内における銅ナノ粒子（Ｐ１）の濃度Ｃ１が、前記被着体と前記接合層との界面を基準として前記チップ状部品に向かう厚さ３０μｍを含む範囲内における銅ナノ粒子（Ｐ１）の濃度Ｃ２よりも低く、かつ、０．６７≦Ｃ１／Ｃ２≦０．８８の範囲内にある、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体デバイス。
6. 前記チップ状部品が半導体チップである、請求項１〜請求項５のいずれか１の請求項に記載の半導体デバイス。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１の請求項に記載の半導体デバイスの製造方法であって、
   チップ状部品の片面に金属粒子分散溶液を塗布して予備乾燥させた後に、被着体と接触させて加熱接合する、半導体デバイスの製造方法。

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