JP5642317B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半導体素子と基材の接合時に有機試薬を用いる半導体装置の製造方法に関わる。
半導体素子と基材をＳｎ基はんだや金属ナノペーストを用いて接合する半導体装置構造が多く提案されている。Ｓｎ基はんだには、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系などがあり、主に半導体の低温接合用に使用されている。微小チップ部品電極の表面層には純Ｓｎが使用されることが多い。基本的にＳｎ基はんだはＰｂフリーはんだとして期待されている。
高温動作する半導体素子の接合部には長時間にわたる安定性が要求される。半導体装置の動作温度が２５０℃以上になると、融点の観点から、Ｓｎ基はんだを接合材料に適用することは難しい。金属ナノペーストを利用する接合方法は、基材を３００℃以下の温度で焼結するうえに、焼結後の接合部は高融点となる。金属ナノペーストと電極との接合性の観点から、電極材料にはＣｕ合金を含む銅が選定される。
先行技術に関わる接合方法は、銅で構成される接合膜が形成された被接合部材同士を、接触させた状態で加熱加圧し、接合膜同士の化学結合により、被接合部材同士を結着させる（例えば、特許文献１参照）。被接合部材には銅などが適用されている。金属錯体等の有機金属からなる接合膜を用い、膜表面同士を大気中又は、不活性ガス雰囲気下で加熱加圧（接合温度:７５℃〜２００℃、加圧力:５ＭＰａ〜５０ＭＰａ）し、接合後の接合部に接合膜同士が結着した層を有することを特徴としている。
特開２０１０−１２００８８号公報
先行技術の接合構造で得られる結着層（接合部）は、化学的に結合している。結着層には有機物が一部残存しているため、結着層はポーラス構造になりやすい。結着層の内部は、酸素が共存する大気中では、酸化されやすく経時変化を引き起こしやすいため、接合部の信頼性の低下が懸念される。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子が高温（特に１７５℃以上）で動作した場合にも、接合部に長時間にわたる安定性を確保できる半導体装置を提供することにある。
本願に関わる半導体装置の製造方法は、還元性官能基を有する高分子試薬が有機溶媒に溶解している溶液を準備する工程と、両面に金属層が形成されている絶縁基板を溶液に浸漬する工程と、片面に金属層が形成されている半導体チップを溶液に浸漬する工程と、浸漬する工程を経た絶縁基板と浸漬する工程を経た半導体チップを、接触させ、加圧しながら加熱し、絶縁基板と半導体チップとの接合体を作成する工程とを備えている。
本発明により、酸化しやすい金属部材が、大気中で、接合可能になる。半導体装置の接合部は、高温動作時に長時間安定した密着強度を実現する。
本発明の半導体装置の完成品の全体図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。 ＳＡＭ形成を行った半導体装置とＳＡＭ形成を行っていない半導体装置について、試験サイクルと密着強度の関係を説明するための図である。
以下に本発明にかかる半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
実施の形態１．
図1は、本発明に関わる半導体装置の全体図を示している。半導体装置１００は、ベース板８、半導体素子９、電極付絶縁基板１０などから構成されている。ベース板８の上には電極付絶縁基板１０が、電極付絶縁基板１０の上には半導体素子９が、それぞれ直接接合されている。半導体素子９は、半導体チップ１、金属シリサイド層２、第1金属層（Ｎｉ）３及び、第２金属層（Ｃｕ）４から構成されている。電極付絶縁基板１０は、電極５ａ、ろう材６、絶縁基板７、電極５ｂから構成されている。第1金属層３と第２金属層４は所定の回路パターンが形成されていてもよい。半導体素子９と電極付絶縁基板１０はエポキシ樹脂などによって封止されている。
半導体材料や金属層などの構造や材料はこれに限定されることはない。半導体素子９の大きさも、特に限定されることはなく、適宜調整すればよい。銅板製のベース板８と銅板製の電極５ｂとは、はんだ材や金属ナノペースト等の接合材を使わず、分子自己組織化（Molecular Self-Assembly）を利用して直接接合される。同様に半導体素子９の第２金属層４と銅板製の電極５ａとは、分子自己組織化（Molecular Self-Assembly）を利用して直接接合される。
分子自己組織化とは、外部からの誘導や支配によらない分子の組織化のことであり、基板を目的分子の溶液に浸すと自発的に組織化された膜が形成される。単分子膜の場合には自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Self-Assembled Monolayer）と呼ばれる。ＳＡＭを形成する分子は通常基板と結合する官能基を１つ持ち、それに続く鎖状構造がファンデルワース力によりタイトなパッキングを助長する。ヘッドグループには親水性、疎水性、化学反応性、生体特異性、生体適合性など様々な機能を持つ分子が使用される。
半導体チップ１は、珪素（Ｓｉ）によって形成したものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。
半導体素子９の製造方法について簡単に説明する。直径数インチの炭化珪素基板（厚さ５００μｍ）を用意する。炭化珪素基板の少なくとも片面に、スパッタリング法等の方法によって、Ｎｉ膜、Ａｕ膜などを形成する。形成する膜の厚さは、特に限定されることはなく、製造される半導体素子９の大きさに合わせて、適宜調整すればよいが、一般的に、１０ｎｍから２０００ｎｍである。炭化珪素基板の片方の表面に、金属シリサイド層２を形成するための金属層として、厚さ５０ｎｍのニッケル層を形成する。その後、真空雰囲気下で８００℃、１時間の熱処理を行うことにより、厚さ５０ｎｍ程度のニッケルシリサイド層を形成する。スパッタリング法を用いて、金属シリサイド層の表面に第1金属層３として厚さ２００ｎｍのＮｉ層を、Ｎｉ層の表面に第２金属層４として厚さ２００ｎｍのＣｕ層を順次形成する。この後、炭化珪素基板をダイシング装置で５．０ｍｍ角サイズに切断し、洗浄したものを、半導体素子９として用いる。
絶縁基板７の材料には窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどを用いることができる。絶縁基板７と電極５ａと電極５ｂはろう材６により接合される。半導体装置全体の放熱の観点から、電極付絶縁基板１０は熱伝導率２０Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料からなることが望ましく、熱伝導率７０Ｗ／ｍ・ｋ以上の材料からなることがさらに望ましい。
図２は、実施の形態１にかかわる半導体装置の製造方法を説明するための、断面外略図である。電極付絶縁基板１０は、６０ｍｍ角の絶縁基板（０．３２ｍｍｔ）を、５８ｍｍ角の銅板（０．４ｍｍｔ）で両側から挟んだ構造を有している。ベース板８には、１００ｍｍ角の銅板（３．０ｍｍｔ）を使用した。第２金属層４、電極５ａ、電極５ｂおよびベース板８の表面は、機械研磨により、±１０ｎｍ程度の平坦度、３ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒｚ）になるように仕上げた。
接合用材料として、同仁化学研究所から調達した６−ＨＹＤＲＯＸＹ−１−ＨＥＸＡＮＥＴＨＩＯＬ試薬（沸点２１６℃：ｎ＝６）を用いた。このＳＡＭ試薬を室温で揮発性を有するエタノールに溶解させ、濃度を１ｍＭになるように調整し、ＳＡＭ形成用溶液を得た。準備したＳＡＭ形成用溶液に、第２金属層４が形成された半導体素子９、ベース板８及び、電極５ａと電極５ｂが形成された電極付絶縁基板１０を、常温下、４８時間浸漬した。浸漬により、各部材の表面にＳＡＭ１１が形成される。膜状のＳＡＭ１１は、加熱されると、気体状のＳＡＭ１２に変化する。浸漬前の各部材のＣｕ表面には、自然酸化膜ＣｕＯがあったが、ＳＡＭ試薬を構成するチオール基によって酸化膜は還元され、かつＣｕ表面はＳＡＭ１１によって保護されていることをＸＰＳ等の表面分析によって確認した。
ＳＡＭ形成用溶液は、ＳＡＭ試薬を揮発性有機溶媒に溶解したものである。ＳＡＭ形成用溶液に少なくとも基材の被接合面を浸漬すると、被接合面に単分子膜が自発的に形成される。基材にＳＡＭ１１を形成後、溶液から基材を取り出し、室温で溶媒のアルコールを蒸散させる（乾燥：３〜５分程度）。大気保管する場合、形成されたＳＡＭ１１は、数日程度なら有効である。現状の接合プロセスでは、洗浄工程を入れていなくても接合できているので、アルコール洗浄の必要性は低いが、浸漬後に、アルコール洗浄等を行うこともできる。
ＳＡＭ１１を形成した電極付絶縁基板１０とベース板８とを重ね合わせ、所定の加熱加圧接合条件下で直接接合を実施する。接合には、アスリートＦＡ株式会社製造の加熱加圧ユニットを用いた。例えば、大気中下で電極付絶縁基板１０の電極５ａに５ＭＰａの加圧をしながら、常温から３００℃まで昇温し、３００℃に到達してから、５分間保持する。加熱時にＳＡＭ１１は飛散する。その後、空冷させることにより、電極付絶縁基板１０とベース板８との接合体を得る。次に、電極付絶縁基板１０とベース板８との接合体と半導体素子９とを直接接合する。第２金属層４と電極５ａとを接合するため、上記と同様の方法で各Ｃｕ表面にＳＡＭ１１を形成し、Ｃｕ表面同士を重ね合わせ、前記と同様の方法で加熱加圧接合する。電極５ｂとベース板８及び、電極５ａと第２金属層４は、固相拡散接合されるため、接合部がポーラス構造にならず、接合部内部が酸化されることがない。
酸化銅の還元はＳＡＭ形成用溶液に浸漬中に生じると考えられる。ＳＡＭ試薬のチオール基が酸素と反応して、酸化膜を除去していき、最終的にＣｕ表面が露出した時にＣｕ−Ｓ結合を生じるものと考えられる。ＸＰＳ等の表面分析では、ＳＡＭ形成後、ＣｕＯのピークが消失し、ＣｕＳの結合ピークが生じていた。金属とチオールが直接結合するという報告例はあるが、チオール基を含有する分子が酸化膜に付くという現象は現状知られていないことから、酸化銅が還元されてから、ＳＡＭが付くと考えられる。酸化膜にＳＡＭを形成するのに、チオール基の代わりにカルボン酸とホスホン酸を使用した例は知られている。
還元作用を示す官能基としては、チオール基（−ＳＨ）の外にアミン基（−ＮＨ２）が考えられる。ＳＡＭ試薬は直鎖状の分子構造を有していることが望ましい。また、ＳＡＭ試薬は、３００℃以下の沸点を有し、３５０℃以下で分解、昇華することが望ましい。そのためには分子構造中に含まれる炭素原子（Ｃ）の数（ｎ）が以下の範囲に収まるものを選定するとよい。この条件を満たすＳＡＭ試薬は、３５０℃以下の接合温度が望まれる用途に適している。
チオール系
（ＣＨ）ｎＳＨの分子；ｎ＝２〜１６
ＯＨ（ＣＨ）ｎＳＨの分子；ｎ＝２〜１１
ＨＳ（ＣＨ）ｎＳＨの分子；ｎ＝２〜１６
アミン系
（ＣＨ）ｎＮＨ２の分子；ｎ＝２〜１６
ＯＨ（ＣＨ）ｎＮＨ２の分子；ｎ＝２〜１１
ＮＨ２（ＣＨ）ｎＮＨ２の分子；ｎ＝２〜１６
チオール＋アミン系
ＳＨ（ＣＨ）ｎＮＨ２の分子；ｎ＝２〜１６
実施の形態２．
図３は、実施の形態２にかかわる半導体装置の製造方法を説明するための、断面外略図である。電極付絶縁基板１０は、６０ｍｍ角の絶縁基板（０．３２ｍｍｔ）を、５８ｍｍ角の銅板（０．４ｍｍｔ）で両側から挟んだ構造を有している。ベース板８には、１００ｍｍ角の銅板（３．０ｍｍｔ）を使用した。第２金属層４、電極５ａ、電極５ｂおよびベース板８の表面は、機械研磨により、±１０ｎｍ程度の平坦度、３ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒｚ）になるように仕上げた。
ＳＡＭ形成用溶液に、第２金属層４が形成された半導体素子９、電極５ａと電極５ｂが形成された電極付絶縁基板１０を、常温下、４８時間浸漬した。浸漬により、各基材の表面にＳＡＭ１１が形成される。基材にＳＡＭを形成後、ＳＡＭ形成用溶液から基材を取り出し、室温でアルコールを蒸散させる（乾燥：３〜５分程度）。ＳＡＭ１１を形成した電極付絶縁基板１０と半導体素子９とを重ね合わせ、所定の加熱加圧接合条件下で直接接合を実施する。
例えば、大気中下で半導体素子９に５ＭＰａの加圧をしながら、常温から３００℃まで昇温し、３００℃に到達してから、５分間保持する。加熱時にＳＡＭ１１は飛散する。その後、空冷させることにより、電極付絶縁基板１０と半導体素子９との接合体を得る。次に、電極付絶縁基板１０と半導体素子９との接合体とベース板８とを直接接合する。ベース板８と電極５ｂとを接合するため、上記と同様の方法で各Ｃｕ表面にＳＡＭ１１を形成し、Ｃｕ表面同士を重ね合わせ、前記と同様の方法で加熱加圧接合する。電極５ｂとベース板８及び、電極５ａと第２金属層４は、固相拡散接合されるため、接合部がポーラス構造にならず、接合部内部が酸化されることがない。
接合に利用できる金属材料としてはＣｕの他にＮｉが考えられる。Ｃｕ−Ｎｉ構成で接合可能であることを確認した。半導体素子９、電極付絶縁基板１０、ベース板８を同時に接合することも可能である。ただし、基材の寸法が各々異なるため、同時接合すると、基材面積の一番小さい半導体素子に対して、加圧力を合わせこむため、電極付絶縁基板１０とベース板８との加圧力が小さくなる。全ての部材同士を１０ＭＰａで接合するには、実施の形態１および実施の形態２で例示したように、各々別個に接合するとよい。
密着強度の測定．
実施の形態１に基づいて作成された半導体装置と、ＳＡＭを形成しないで作成された半導体装置との密着強度を比較する実験を行った。比較サンプルの作製方法を説明する。半導体素子９と電極付絶縁基板１０は、前記した方法で作成した。ＳＡＭ形成を行っていない電極付絶縁基板１０、ベース板８及び半導体素子９を用いて、前記と同様の方法で加熱加圧接合した。各半導体装置は、３個ずつ作製した。接合装置は、アスリートＦＡ株式会社製造の加熱加圧ユニットを用いた。
作成した比較例のサンプルと本願に関わるサンプルを、エスペック社製冷熱衝撃試験機（ＴＳＡ−１０１Ｓ−Ｗ）に投入した。冷熱衝撃試験の処理条件は−４０〜２００℃（−４０℃：３０分保持/２００℃：３０分保持）で行った。２００サイクルごとにＤａｇｅ社製シェア測定器（ＨＳ４０００）による密着強度測定を行った。
図４に密着強度の測定結果と試験サイクルの関係を示す。サンプル１−１、１−２、１−３はどれも、ＳＡＭ形成を行っていない比較例のサンプルである。一方、サンプル２−１、２−２、２−３はどれも、ＳＡＭ形成を行った本実施の形態のサンプルである。密着強度が３０ｋｇｆ/チップ以上を密着性異常なしと判定し、密着強度が３０ｋｇｆ/チップ未満で強度低下有りと判定した。
ＳＡＭ形成を行ったサンプルは、１０００サイクル経過しても、密着強度の低下が見られなかったのに対し、ＳＡＭ形成を行っていないサンプルは、０サイクルの接合初期で、３サンプル中、２サンプルが３０ｋｇｆ/チップ未満の接合強度を示した。そこで、日本電子製の走査型電子顕微鏡ＪＸＡ−８５３０Ｆを用いて、１０００サイクル経過後の密着強度が３０ｋｇｆ/チップ以上あった、本実施の形態による半導体装置の０サイクル時点での接合初期断面観察を行った。電極５ｂとベース板８及び、電極５ａと第２金属層４における界面において、Ｃｕ電極同士は固相拡散接合されており、接合界面に中間相のようなものは見当たらなかった。
一方、０サイクル時点で、３０ｋｇｆ/チップ未満の接合強度であった比較サンプルの半導体装置の断面観察では、Ｃｕ電極同士で、固相拡散接合されておらず、Ｃｕ電極間における接合界面にＣｕＯ等のＣｕ酸化物層が形成されていた。また、１０００サイクル経過後の密着強度が良好であったサンプルは、０サイクル時点での接合状態と比較して、界面に変化が見られなかった。
半導体素子９にＳｉＣを用いた場合、半導体装置１００はその特徴を生かすべくＳｉの時と比較してより高温で動作させることになる。ＳｉＣデバイスを搭載する半導体装置においては、半導体装置としてより高い信頼性が求められるため、高信頼の半導体装置を実現するという本発明のメリットはより効果的なものとなる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 半導体チップ、２ 金属シリサイド層、３ 第１金属層、４ 第２金属層、５ 電極、６ ろう材、７ 絶縁基板、８ ベース板、９ 半導体素子、１０ 電極付絶縁基板、１１ ＳＡＭ、１２ ＳＡＭ。

Claims (9)

  1. 還元性官能基を有する高分子試薬が有機溶媒に溶解している溶液を準備する工程と、
    金属製のベース板を前記溶液に浸漬する工程と、
    両面に金属層が形成されている絶縁基板を前記溶液に浸漬する工程と、
    前記浸漬する工程を経たベース板と前記浸漬する工程を経た絶縁基板を、接触させ、加圧しながら加熱し、前記ベース板と前記絶縁基板との接合体を作成する工程と、
    前記接合体を前記溶液に浸漬する工程と、
    片面に金属層が形成されている半導体チップを前記溶液に浸漬する工程と、
    前記浸漬する工程を経た接合体と前記浸漬する工程を経た半導体チップを、接触させ、加圧しながら加熱し、接合する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 還元性官能基を有する高分子試薬が有機溶媒に溶解している溶液を準備する工程と、
    両面に金属層が形成されている絶縁基板を前記溶液に浸漬する工程と、
    片面に金属層が形成されている半導体チップを前記溶液に浸漬する工程と、
    前記浸漬する工程を経た絶縁基板と前記浸漬する工程を経た半導体チップを、接触させ、加圧しながら加熱し、前記絶縁基板と前記半導体チップとの接合体を作成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記接合体を前記溶液に浸漬する工程と、
    金属製のベース板を前記溶液に浸漬する工程と、
    前記浸漬する工程を経た接合体と前記浸漬する工程を経たベース板を接触させ、加圧しながら加熱し、接合する工程とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記金属層および前記ベース板は、銅またはニッケルを含むことを特徴とする請求項１または３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記高分子試薬は、還元性官能基としてチオール基を有することを特徴とする特徴とす
    る請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記高分子試薬は、直鎖状の分子構造を有することを特徴とする特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記高分子試薬の分子構造中の炭素原子の数は、１６以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記半導体チップの少なくとも一部がワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
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