JP6383208B2 - 半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法に関する。

従来、絶縁基板に設けられた回路パターン上に半導体チップを接合したパッケージ構造の半導体装置が公知である。回路パターンを構成する金属材を半導体チップの裏面電極に接合させる方法として、はんだ合金などの接合材による接合方法がある。具体的には、まず、平面部を有する２つの金属材の平面部間に、例えば板状またはペースト状のはんだ合金からなる接合材を挟む。そして、はんだ合金の固相線温度以上の温度の熱処理によって接合材の周囲または全体を加熱して接合材を溶融した後に室温まで冷却することで、接合材を介して２つの金属材同士が接合される。

金属材の接合箇所が複数箇所あることで２回以上の接合工程を行う必要がある場合、例えば、１回目の接合工程において最も固相線温度の高い接合材を用い、２回目以降の接合工程では、１つ前の接合工程よりも固相線温度の低い接合材を用いる。このように各接合工程で用いる接合材を選択することにより、１つ前の接合工程によって形成された接合層を溶融させることなく、２回以上の接合工程を行うことができる。

金属材同士の接合に用いる接合材として、Ａｕ−Ｇｅ（金−ゲルマニウム）共晶合金に、Ｐｄ（パラジウム）およびＰｔ（白金）の一種もしくは二種を５０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ添加した低融点Ａｕ−Ｇｅ系ろう材が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

特許第３１５０７４３号公報

しかしながら、はんだ合金などの接合材の固相線温度は材料として用いる金属ごとに決まっており、実装される半導体チップやパッケージ構造に応じて所望の固相線温度をもつ接合材を選択することは難しい。所望の固相線温度をもつ接合材とは、例えば、上述したように２回以上の接合工程を行う際に、各接合工程に最適な熱処理温度を固相線温度とする接合材である。また、所望の固相線温度をもつ接合材とは、例えば、半導体チップに形成される半導体素子の定格温度（ジャンクション（接合）温度）に応じて信頼性確保の観点から必要となる耐熱温度を固相線温度とする接合材である。従来技術には、このような所望の固相線温度をもつ接合材については開示されていない。このため、例えば２回以上の接合工程を行う際にすでに形成されている接合層が溶融し、金属材の位置ずれや端子脱落などが生じ、信頼性が低下する虞がある。また、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）半導体からなる高温環境下で使用可能な高耐熱半導体素子を作製するための高温熱処理に耐え得る接合技術の開発が求められている。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、所望の固相線温度をもつ接合材を用いて金属材同士を接合することができる半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、第１金属材と、接合層を介して前記第１金属材に接合された第２金属材とを備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、第１金属からなる多孔質層を、前記第１金属材の表面に形成する第１工程を行う。次に、前記第１金属と全率固溶系合金をなす第２金属と、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなす第３金属と、からなる、前記第１共晶点よりも低い第２共晶点をもつ第２共晶系合金の金属薄板を、前記多孔質層の表面に載せる第２工程を行う。次に、前記金属薄板の上に、前記第２金属材を載せる第３工程を行う。次に、前記第２共晶点よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第１温度の熱処理により前記金属薄板を溶融させ、前記金属薄板の溶融物を前記多孔質層に浸透させる第４工程を行う。次に、前記第１温度よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第２温度の熱処理により前記多孔質層を溶融させ、前記金属薄板の溶融物に前記第１金属を拡散させることにより、前記第１金属材と前記第２金属材との間に、固相線温度が前記第２温度となる前記接合層を形成する第５工程を行う。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程では、前記接合層の中に前記第５工程の前の状態で前記多孔質層の一部が残存するように、前記多孔質層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程では、まず、前記第１金属材の表面に前記第１金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層を形成する塗布工程を行う。次に、前記ペースト層を焼結させて前記多孔質層に変化させる焼結工程を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程では、前記塗布工程の後、前記焼結工程の前に、前記第１金属材を振動させて、前記ペースト層の表面を平坦化させる工程をさらに行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程では、前記多孔質層として、前記第１金属の金属繊維を絡みあわせてなるシート状の金属繊維層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１金属は、銀または銅であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第２金属は、金であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第３金属は、ゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる接合材の形成方法は、次の特徴を有する。まず、第１金属からなる多孔質層を作業板の表面に形成する第１工程を行う。次に、前記第１金属と全率固溶系合金をなす第２金属と、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなす第３金属と、からなる、前記第１共晶点よりも低い第２共晶点をもつ第２共晶系合金の金属薄板を、前記多孔質層の表面に載せる第２工程を行う。次に、前記第２共晶点よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第１温度の熱処理により前記金属薄板を溶融させ、前記金属薄板の溶融物を前記多孔質層に浸透させることにより、前記第１金属、前記第２金属および前記第３金属からなる板状接合材を形成する第３工程を行う。次に、前記板状接合材を前記作業板の表面から剥がす第４工程を行う。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第１金属、前記第２金属および前記第３金属との反応を抑制可能な材料からなる前記作業板を用いることを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第１工程では、前記第１温度よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第２温度の熱処理後に前記板状接合材の中に前記第２温度の熱処理前の状態で前記多孔質層の一部が残存するように、前記多孔質層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第１工程では、まず、前記作業板の表面に前記第１金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層を形成する塗布工程を行う。次に、前記ペースト層を焼結させて前記多孔質層に変化させる焼結工程を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第１工程では、前記多孔質層として、前記第１金属の金属繊維を絡みあわせてなるシート状の金属繊維層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第４工程の後、前記板状接合材の表面に、前記第１金属、前記第２金属または前記第３金属の薄膜を形成する第５工程をさらに含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第１金属が銀または銅であることを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第２金属が金であることを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材の形成方法は、上述した発明において、前記第３金属がゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる接合材は、第１金属の粒子、第２金属の粒子および第３金属の粒子を含むことを特徴とする。前記第２金属の粒子は、前記第１金属と全率固溶系合金をなす。前記第３金属の粒子は、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなし、かつ前記第２金属と前記第１共晶点よりも低い第２共晶点で共晶反応し第２共晶系合金をなす。

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる接合材は、第１金属の粒子を、第２金属および第３金属からなる第２共晶系合金の溶融物に混ぜて固化し、所定の形状に成形した、前記第１金属、前記第２金属および前記第３金属の混合物であることを特徴とする。前記第２金属は、前記第１金属と全率固溶系合金をなす。前記第３金属は、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなす。前記第２共晶系合金は、前記第１共晶点よりも低い第２共晶点をもつ。

また、この発明にかかる接合材は、上述した発明において、前記第２共晶系合金の溶融物は、前記第２共晶点よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い温度の熱処理によって溶融され液相をなすことを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材は、上述した発明において、前記第１金属が銀または銅であることを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材は、上述した発明において、前記第２金属が金であることを特徴とする。

また、この発明にかかる接合材は、上述した発明において、前記第３金属がゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする。

上述した発明によれば、接合材として固相線温度および共晶点の異なる第１〜３金属を用い、第１，２温度での２段階の熱処理によって金属材同士を接合する接合層を形成することにより、接合層の固相線温度（第２温度）を任意に設定することができる。

本発明にかかる半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法によれば、実装される半導体チップやパッケージ構造に応じた所望の固相線温度をもつ接合材を用いて金属材同士を接合することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態１にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 Ａｕ−Ｇｅ−Ａｇの３元合金の平衡状態の組成を示す状態図である。 実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法に用いる板状接合材の形成途中の状態を示す断面図である。 実施の形態５にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。 実施の形態５にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例について説明する。図１は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図１には、絶縁基板１に例えば１つの電力用の半導体チップ２を実装したパッケージ構造の完成形を示す。図１に示すように、絶縁基板１は、絶縁層１１のおもて面側に回路パターンを構成する例えば銅（Ｃｕ）箔からなるおもて面側金属層（第１金属材）１２が設けられ、裏面側に裏面側金属層１３が設けられている。絶縁層１１は、例えばセラミックなどの絶縁体からなる。

半導体チップ２は、おもて面におもて面金属電極（不図示）を有し、裏面に裏面金属電極（第２金属材）３を有する。半導体チップ２の裏面金属電極３は、接合層２１を介して絶縁基板１のおもて面側金属層１２と接合している。裏面金属電極３およびおもて面側金属層１２の表面（接合面）には、それぞれ必要に応じて、表面状態を接合層２１との接合を実現するための好適な条件に改質可能な図示しない金属めっきが形成されていてもよい。裏面金属電極３およびおもて面側金属層１２の表面に形成する金属めっきとして、例えばニッケル（Ｎｉ）めっきおよびフラッシュ金（Ａｕ）めっき（厚さの薄い金めっき）を順に積層してなる積層めっき膜を形成してもよい。

接合層２１は、第１〜３金属の３元合金からなるはんだ層である。第２金属は、第１金属と全率固溶系合金をなす。第３金属は、第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなし、かつ第２金属と第２共晶点で共晶反応し第２共晶系合金をなす。第２共晶点は第１共晶点よりも低い。具体的には、第１金属は、例えば銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）であってもよい。第２金属は、例えば金（Ａｕ）であってもよい。第３金属は、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）またはシリコン（Ｓｉ）であってもよい。

接合層２１の形成には、第１金属の粒子、第２金属の粒子および第３金属の粒子を含む接合材を用いる。具体的には、接合層２１の形成には、後述するように、例えば、第１金属の粒子を含むペーストと、第２，３金属からなる第２共晶系合金の金属薄板と、を用いる。第１〜３金属をそれぞれ例えばＡｇ、ＡｕおよびＧｅとした場合、第１共晶系合金はＡｇ−Ｇｅの共晶合金であり、第２共晶系合金はＡｕ−Ｇｅの共晶合金である。第１共晶点は例えば６５２℃程度である。第２共晶点は例えば３５６℃程度である。接合層２１は、第１金属の粒子と第２共晶系合金とを接合して形成されたＡｕ−Ｇｅ−Ａｇの３元合金からなるはんだ層である。

図１には、絶縁基板１に１つの半導体チップ２を実装した構造を図示しているが、実装構造は設計条件に合わせて種々変更可能である。例えば、絶縁基板１に、２つ以上の半導体チップを実装してもよいし、さらに図示省略する抵抗器、コンデンサおよび金属塊などを含む電気装置を実装してもよい。半導体チップには、例えばトランジスタやダイオードなど一般的な素子構造が形成される。これら絶縁基板１に実装される各部の表面（平面部）は、上述した半導体チップ２と同様に、接合層２１を介して絶縁基板１のおもて面側金属層１２に接合される。

次に、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法として、半導体チップ２の実装方法を図２〜４を参照して説明する。図２，３は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図２に示すように、スクリーン印刷により、絶縁基板１のおもて面側金属層１２の表面に第１金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層２２ａを形成する。ペースト層２２ａは、第１金属の粒子と、フラックス(松やに)などの有機物とを主成分とする。ペースト層２２ａの形成後、ペースト層２２ａ全体に振動を与えることにより、スクリーン印刷時に絶縁基板１からスクリーン版（孔版）が離れることによって発生するペースト層２２ａの表面の凹凸（厚み分布）を平坦化させてもよい。

ペースト層２２ａの表面を平坦化させる工程により、ペースト層２２ａの最終的な固相状態である接合層２１の水平方向の第１金属の濃度分布を均一化させることができる。水平方向とは、絶縁基板１のおもて面に平行な方向である。さらに、ペースト層２２ａの表面を平坦化させる工程により、ペースト層２２ａの端部にフィレット（不図示）を形成することができる。フィレットとは、ペースト層２２ａのぬれ性に基づいて、ペースト層２２ａの、おもて面側金属層１２と半導体チップ２との間から外側にはみ出した部分からなり、半導体チップ２の側面の一部を覆う部分である。

ペースト層２２ａに振動を与える条件によって、ペースト層２２ａの端部のフィレット形状が決まる。フィレットは、ペースト層２２ａの最終的な固相状態である接合層２１の端部にも形成される。接合層２１の端部のフィレットの形状は、ペースト層２２ａの端部のフィレットの形状とほぼ同程度となる。接合層２１の端部にフィレットが形成されることにより、半導体チップ２（または半導体チップ２および絶縁基板１）と接合層２１との接触面積が増えるため、接合層２１の端部の応力集中を緩和することができる。

次に、図３に示すように、熱処理によりペースト層２２ａに含まれる有機物を揮発（気化）させ、ペースト層２２ａ中の第１金属の粒子を焼結させることにより、ペースト層２２ａを第１金属からなる多孔質層２２ｂに変化させる。多孔質層２２ｂの形成においては、後述する接合層２１を形成するための熱処理後に、多孔質層２２ｂの一部が溶融されずに接合層２１中に残存する程度の分量のペーストを用いて、多孔質層２２ｂを形成してもよい。接合層２１中に溶融されていない多孔質層２２ｂが残存することで、ペースト層２２ａの厚みならびに後述の金属薄板２３の厚みを変えずに、第２温度の高低のみで、接合層２１の固相線温度を制御できるからである。また、接合層２１中に溶融されていない多孔質層２２ｂが残存することで、十分に第１金属を供給することができて、固相線温度を熱処理温度まで引き上げることができるからである。

次に、多孔質層２２ｂの上に、第２，３金属の第２共晶系合金（例えばＡｕ−Ｇｅの共晶合金）からなる金属薄板２３を載せる。次に、金属薄板２３の上に裏面金属電極３を下側（金属薄板２３側）にして半導体チップ２を載せて、半導体チップ２を載せた絶縁基板１全体を例えば真空雰囲気のリフロー炉内で熱処理する。すなわち、多孔質層２２ｂおよび金属薄板２３を接合材として用いて接合層２１を形成する。具体的には、まず、リフロー炉内の温度を第１温度にて一旦保持して金属薄板２３を溶融し、第２共晶系合金の溶融物を多孔質層２２ｂ全体に浸透させる。すなわち、第２共晶系合金の溶融物に第１金属が溶け出さないうちに、多孔質層２２ｂの毛細管現象により多孔質層２２ｂの隅々にまで第２共晶系合金の溶融物を浸透させる。

次に、リフロー炉内の温度を第２温度に昇温して保持し多孔質層２２ｂを溶融して、第１金属を金属薄板２３（第２共晶系合金）の溶融物中に拡散させる。これにより、第２共晶系合金の溶融物のほぼ全体が第１〜３金属の３元合金（例えばＡｕ−Ｇｅ−Ａｇ）の固相となり、第１〜３金属の３元合金からなる接合層２１が形成される。第２の温度での熱処理時に多孔質層２２ｂの一部が金属薄板２３の溶融物に溶け出さずに、溶融されていない第１金属が接合層２１中にいくらか残存していても構わない（不図示）。接合層２１（３元合金）の固相線温度は、接合層２１が形成されたときの熱処理温度である第２温度となる。第２温度は、第２共晶系合金の溶融物中に拡散した第１金属の濃度に比例して上昇する。このため、第２共晶系合金の溶融物中に拡散される第１金属の分量を適宜設定することにより、接合層２１の固相線温度を任意に制御することができる。

第１温度は、第２共晶点（例えば３５６℃）よりも高く、かつ第１共晶点（例えば６５２℃程度）よりも低い。具体的には、金属薄板２３がＡｕ−Ｇｅの共晶合金からなる場合、第１温度は、例えば、第２共晶点よりも０℃以上１０℃以下程度高い３６０℃程度であってもよい。第２温度は、第１温度よりも高く、かつ第１共晶点よりも低い。また、具体的には、第２温度は、例えば４５０℃程度であってもよい。その後、リフロー炉内を室温（例えば２５℃程度）まで冷却する。このように、ここまでの工程により、図１に示すように第１〜３金属の３元合金をなす接合層２１が形成され、接合層２１を介して半導体チップ２の裏面金属電極３と絶縁基板１のおもて面側金属層１２とが接合される。その後、一般的な方法により配線や封止（モールド）などを行うことで、パッケージ構造の半導体装置が完成する。

次に、第２共晶系合金（Ａｕ−Ｇｅの共晶合金）に第１金属（Ａｇ）を加えることで接合層２１の固相線温度が上昇する原理について、Ａｕ−Ｇｅ−Ａｇの３元合金からなる接合層２１が形成された場合を例に説明する。図４は、Ａｕ−Ｇｅ−Ａｇの３元合金の平衡状態の組成を示す状態図である。図４の各軸は、Ａｕ−Ｇｅ−Ａｇの３元合金の各成分のモル濃度（ｍｏｌ％）を示し、等高線は固相線温度を示す。第２共晶系合金の第２共晶点（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）は図中の黒点（●印）で示す箇所である。第２共晶点における第２共晶系合金の組成比は、Ａｕ：Ｇｅ＝７３ｍｏｌ％：２７ｍｏｌ％である。

図４に示すように、第２共晶系合金（すなわちＡｕ：Ｇｅ：Ａｇ＝７３ｍｏｌ％：２７ｍｏｌ％：０ｍｏｌ％）の固相線温度は３５６℃である。この第２共晶系合金に第１金属が溶ける、すなわち図中に示す矢印に沿って第１金属のモル濃度を上昇させて、合金の成分をＡｕ−Ｇｅ−Ａｇの３元合金に変化させた場合、第１金属のモル濃度の上昇に伴って固相線温度が上昇することがわかる。したがって、多孔質層２２ｂを形成するための第１金属からなるペーストの分量を適宜調整する（すなわち接合層２１中の第１金属の濃度を変える）ことで、第１金属からなる多孔質層２２ｂと第２共晶系合金からなる金属薄板２３とを用いて、所望の固相線温度をもつ接合層２１を形成可能であることがわかる。また、第１金属からなるペーストの分量を調整する方法の他、第１金属を十分に供給し、熱処理温度を調整することで、所望の固相線温度を持つ接合層２１を形成することも可能である。

以上、説明したように、実施の形態１によれば、接合材として固相線温度および共晶点の異なる第１〜３金属を用い、第１，２温度の熱処理を順に行って第１〜３金属の３元合金からなる接合層を形成することにより、接合層中に含まれる第１金属の濃度に基づいて接合層の固相線温度（第２温度）を任意に設定することができる。このため、本発明を適用し、所望の耐熱性を有する半導体装置を作製することができる。具体的には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）半導体からなる半導体素子など高温環境下に耐え得る高耐熱半導体装置を作製可能である。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図５は、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図５には、１つの半導体チップ２を実装した絶縁基板１の裏面側金属層１３を金属ベース（例えばＣｕベース）または金属フィン（以下、金属ベース４とする）に接合した半導体モジュールの完成形の要部を示す。実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法は、接合層を介して金属材同士を接合する接合工程を２回以上行うにあたって、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を適用した変形例である。

図５に示すように、実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置において、半導体チップ２の裏面金属電極３は、実施の形態１と同様に、接合層（実施の形態２において、以下、第１接合層とする）２１を介して絶縁基板１のおもて面側金属層１２と接合している。絶縁基板１の裏面側金属層１３は、第２接合層２４を介して金属ベース４のおもて面と接合している。第２接合層２４の固相線温度は、第１接合層２１の固相線温度よりも低い。

具体的には、まず、実施の形態１と同様に、第１温度（例えば３６０℃程度）および第２温度（４５０℃程度）の熱処理により第１〜３金属の３元合金からなる第１接合層２１を形成する。すなわち、実施の形態１と同様に、第１接合層２１を介して半導体チップ２の裏面金属電極３と絶縁基板１のおもて面側金属層１２とを接合する。次に、第１温度よりも高く、かつ第２温度よりも低い第３の温度（例えば４００℃）の熱処理により第２接合層２４を形成し、第２接合層２４を介して絶縁基板１の裏面側金属層１３と金属ベース４とを接合する。その後、一般的な方法により配線や封止（モールド）などを行うことで、半導体モジュールが完成する。

このように、第２接合層２４は、１回目の接合工程によって形成される第１接合層２１の固相線温度よりも低い温度の熱処理によって形成される。このため、１回目の接合工程によって形成された第１接合層２１は、第２接合層２４を形成するための２回目の接合工程において溶融されない。３回以上の接合工程を行う場合においても、１つ前の接合工程によって形成された接合層の固相線温度よりも低い温度の熱処理で接合工程を行えばよい。したがって、１つの半導体モジュールを製造（作製）するにあたって、２回以上の接合工程を行う必要がある場合においても本発明を適用可能である。

以上、説明したように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２によれば、例えば高耐熱パワーモジュールの組み立てなど接合工程を２回以上行う必要がある場合などに、まず、本発明を適用して１回目の接合工程を比較的高温で行い、次に、同じ接合材を用いて２回目以降の接合工程を１つ前の接合工程よりも低温で行うことが可能となる。これにより、すでに形成されている接合層を再溶融させることなく、２回以上の接合工程を行うことができる。したがって、信頼性が低下することを防止することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法について、図３を参照しながら説明する。実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、第１金属の粒子を含むペーストに代えて、第１金属からなる金属繊維を接合材として用いる点である。

具体的には、まず、微細な直径（例えば１０μｍ程度）を有する金属繊維を絡み合わせて例えばプレス等により金属繊維の直径よりも厚くなるよう（例えば３０μｍ程度）圧延して予めシート状に成形し、このシート状の金属繊維を、絶縁基板１のおもて面側金属層１２の上に載せて金属繊維層を形成する。そして、金属繊維層の上に、第２共晶系合金からなる金属薄板２３をのせ、かつ金属薄板２３の上に裏面金属電極３を下側にして半導体チップ２を載せる。すなわち、実施の形態１における多孔質層（図３の符号２２ｂで示す層）の位置に金属繊維層を形成する。金属薄板２３の構成は、実施の形態１と同様である。その後、実施の形態１と同様に、半導体チップ２を載せた絶縁基板１全体をリフロー炉内で熱処理する工程以降を順に行うことで、パッケージ構造の半導体装置が完成する。

以上、説明したように、実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態３によれば、金属材の接合面に、スクリーン印刷および熱処理による多孔質層では対応することができない程度の大きい起伏がある場合に有用である。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図６は、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法に用いる板状接合材の形成途中の状態を示す断面図である。実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を適用して、作業板５などの上において予め第１〜３金属の３元合金からなる板状接合材を形成する変形例である。板状接合材は、第２，３金属の第２共晶系合金を浸透させた、第１金属からなる多孔質体である。

実施の形態４においては、例えば、２つの金属材間に板状接合材を挟み込んだ後、第２温度の熱処理により板状接合材を構成する多孔質層を溶融すればよい。これによって、板状接合材が実施の形態１と同様に第１〜３金属の３元合金からなる接合層となり、この接合層を介して金属材同士が接合される。その後、一般的な方法により配線や封止（モールド）などを行うことで、パッケージ構造の半導体装置が完成する。

次に、板状接合材の形成方法について説明する。まず、作業板５の上に、第１金属からなる多孔質層（不図示）を形成し、多孔質層の上に第２共晶系合金の金属薄板を載せる。次に、第１温度で金属薄板を溶融し第２共晶系合金の溶融物を多孔質層全体に浸透させた後、室温まで冷却する。これにより、第１金属からなる多孔質体に、第２，３金属の第２共晶系合金を浸透させた３元合金の前駆体２５が形成される。すなわち、作業板５の上において、実施の形態１と同様に、第１金属の粒子を含むペースト層の形成から第１温度の熱処理までの工程を行うことで、板状接合材となる３元合金の前駆体２５を形成する。作業板５には、３元合金の前駆体２５を容易に剥離可能であり、かつ、３元合金の前駆体２５と反応しない材質で構成されたものを用いる。具体的には、作業板５として、例えば板ガラスを用いてもよいし、一般的な表面処理を施した金属板を用いてもよい。その後、前駆体２５を作業板５から剥離し、必要に応じて３元合金の前駆体２５を圧延し、所望の寸法に加工することで、板状接合材が完成する。

また、板状接合材の表面を、第１〜３金属のいずれかの薄膜で被覆することにより、接合対象となる金属材に対するぬれ性を向上させることも可能である。また、２つの板状接合材の平坦部同士を貼り合わせて用いてもよい。また、実施の形態４に実施の形態３を適用し、多孔質層に代えて、微細な金属繊維層を用いて３元合金の前駆体２５を形成してもよい。

以上、説明したように、実施の形態４によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態４によれば、２つの金属材間に板状接合材を挟み込んだ後、第１温度よりも高く、かつ第１共晶点よりも低い第２温度の熱処理を行うことで、金属材同士を接合することができる。このため、製造プロセスを簡略化することができる。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５にかかる半導体装置の構造について説明する。図７，８は、実施の形態５にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態５にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、第１金属の粒子を含むペースト、および、第２，３金属の第２共晶系合金からなる金属薄板に代えて、合金ペーストを接合材として用いる点である。具体的には、例えば、合金ペーストとして、第１金属の粒子と、第２，３金属の第２共晶系合金の粒子とを、好適な有機溶剤を用いて保護および混合した合金ペーストを接合材として用いる。

具体的には、図７に示すように、まず、スクリーン印刷により、絶縁基板１のおもて面側金属層１２の表面に、合金ペースト層２６ａを形成する。合金ペースト層２６ａは、第１金属（例えばＡｇ）の粒子と、第２，３金属の第２共晶系合金（例えばＡｕ−Ｇｅの共晶合金）の粒子と、フラックス(松やに)などの有機物とを主成分とする。実施の形態１と同様に、合金ペースト層２６ａに振動を与えることにより、合金ペースト層２６ａの表面の凹凸を平坦化させてもよい。次に、合金ペースト層２６ａの上に裏面金属電極３を下側にして半導体チップ２を載せて、半導体チップ２を載せた絶縁基板１全体を例えば真空雰囲気のリフロー炉内で熱処理する。

具体的には、熱処理時、合金ペースト層２６ａに含まれる有機物を気化させながら、リフロー炉内の温度を第１温度で保持して、合金ペースト層２６ａに含まれる第２共晶系合金の粒子を溶融する。これにより、合金ペースト層２６ａは、第２共晶系合金の溶融物中に第１金属の粒子を分散させた状態となる。次に、リフロー炉内の温度を第１温度よりも高い第２温度に昇温して保持し、合金ペースト層２６ａに含まれる第１金属の粒子を溶融する。これにより、第２，３金属の第２共晶系合金の溶融物中に第１金属の溶融物が溶け出し、実施の形態１と同様に第１〜３金属の３元合金層からなる接合層２６ｂが形成され、図８に示すように接合層２６ｂを介して金属材同士が接合される。第１，２の温度は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様に、接合層２６ｂ中に、合金化されていない第１金属の粒子がいくらか残存していてもよい。その後、一般的な方法により配線や封止（モールド）などを行うことで、パッケージ構造の半導体装置が完成する。

また、実施の形態５を実施の形態２に適用して２回以上の接合工程を行ってもよい。また、実施の形態５を実施の形態４に適用して板状接合材を形成してもよい。

以上、説明したように、実施の形態５によれば、実施の形態１，４と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態６にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態５にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、ペースト状のはんだに代えて、板状はんだを接合材として用いる点である。板状はんだは、第２，３金属の第２共晶系合金中に第１金属の粒子を混合してなる。

実施の形態６においては、２つの金属材間に板状はんだを挟み込んだ後、第２温度の熱処理により板状はんだに含まれる第１金属の粒子を溶融すればよい。これによって、板状はんだが実施の形態５と同様に第１〜３金属の３元合金からなる接合層となり、この接合層を介して金属材同士が接合される。その後、一般的な方法により配線や封止（モールド）などを行うことで、パッケージ構造の半導体装置が完成する。

次に、板状はんだの形成方法について説明する。まず、第２共晶系合金のはんだを固相線温度（第２共晶点）より高い温度で調合する。次に、第２共晶系合金のはんだを固相線温度より僅かに高い第１温度で保持する。ここで、第２共晶系合金の溶融物内に第１金属の粒子を均一に混合した後、直ちに室温に冷却する。このようにして形成した、第１金属の粒子と、第２，３金属の第２共晶系合金との混合物を、必要に応じて圧延し、所望の寸法に加工して板状接合材が完成する。

また、実施の形態６を実施の形態２に適用して２回以上の接合工程を行ってもよい。

以上、説明したように、実施の形態６によれば、実施の形態１，４，５と同様の効果を得ることができる。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した実施の形態では、半導体チップの裏面金属電極と絶縁基板のおもて面側金属材とを接合する場合を例に説明しているが、ある程度の平坦部を有する金属材同士であれば本発明を適用して接合可能である。また、半導体チップの半導体材料として、例えば、シリコン（Ｓｉ）半導体を用いてもよいし、シリコン半導体よりもバンドギャップの広い例えば炭化珪素（ＳｉＣ）半導体など様々な半導体材料を用いてもよい。

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法は、高温環境下で使用される半導体装置を構成する金属材同士の接合に有用である。

１ 絶縁基板
２ 半導体チップ
３ 半導体チップの裏面金属電極
４ 半導体モジュールの金属ベースもしくは金属フィン
５ 作業板
１１ 絶縁基板の絶縁層
１２ 絶縁基板のおもて面側金属層
１３ 絶縁基板の裏面側金属層
２１，２６ｂ 第１〜３金属の３元合金からなる接合層（はんだ層）
２２ａ 第１金属の粒子を含むペースト層
２２ｂ 第１金属からなる多孔質層
２３ 第２共晶系合金の金属薄板
２４ 第２接合層
２５ 第１金属からなる多孔質体に、第２，３金属の第２共晶系合金を浸透させた３元合金層の前駆体
２６ａ 第１金属の粒子と、第２，３金属の第２共晶系合金の粒子とからなる合金ペースト層

Claims (19)

1. 第１金属材と、接合層を介して前記第１金属材に接合された第２金属材とを備えた半導体装置の製造方法であって、
   第１金属からなる多孔質層を、前記第１金属材の表面に形成する第１工程と、
   前記第１金属と全率固溶系合金をなす第２金属と、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなす第３金属と、からなる、前記第１共晶点よりも低い第２共晶点をもつ第２共晶系合金の金属薄板を、前記多孔質層の表面に載せる第２工程と、
   前記金属薄板の上に、前記第２金属材を載せる第３工程と、
   前記第２共晶点よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第１温度の熱処理により前記金属薄板を溶融させ、前記金属薄板の溶融物を前記多孔質層に浸透させる第４工程と、
   前記第１温度よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第２温度の熱処理により前記多孔質層を溶融させ、前記金属薄板の溶融物に前記第１金属を拡散させることにより、前記第１金属材と前記第２金属材との間に、固相線温度が前記第２温度となる前記接合層を形成する第５工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１工程では、前記接合層の中に前記第５工程の前の状態で前記多孔質層の一部が残存するように、前記多孔質層を形成する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。
3. 前記第１工程は、
   前記第１金属材の表面に前記第１金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層を形成する塗布工程と、
   前記ペースト層を焼結させて前記多孔質層に変化させる焼結工程と、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１工程は、
   前記塗布工程の後、前記焼結工程の前に、前記第１金属材を振動させて、前記ペースト層の表面を平坦化させる工程をさらに含む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。
5. 前記第１工程では、前記多孔質層として、前記第１金属の金属繊維を絡みあわせてなるシート状の金属繊維層を形成する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。
6. 前記第１金属は、銀または銅であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第２金属は、金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第３金属は、ゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
9. 第１金属からなる多孔質層を作業板の表面に形成する第１工程と、
   前記第１金属と全率固溶系合金をなす第２金属と、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなす第３金属と、からなる、前記第１共晶点よりも低い第２共晶点をもつ第２共晶系合金の金属薄板を、前記多孔質層の表面に載せる第２工程と、
   前記第２共晶点よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第１温度の熱処理により前記金属薄板を溶融させ、前記金属薄板の溶融物を前記多孔質層に浸透させることにより、前記第１金属、前記第２金属および前記第３金属からなる板状接合材を形成する第３工程と、
   前記板状接合材を前記作業板の表面から剥がす第４工程と、
   を含むことを特徴とする接合材の形成方法。
10. 前記第１金属、前記第２金属および前記第３金属との反応を抑制可能な材料からなる前記作業板を用いることを特徴とする請求項９に記載の接合材の形成方法。
11. 前記第１工程では、前記第１温度よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い第２温度の熱処理後に前記板状接合材の中に前記第２温度の熱処理前の状態で前記多孔質層の一部が残存するように、前記多孔質層を形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の接合材の形成方法。
12. 前記第１工程は、
    前記作業板の表面に前記第１金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層を形成する塗布工程と、
    前記ペースト層を焼結させて前記多孔質層に変化させる焼結工程と、を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
13. 前記第１工程では、前記多孔質層として、前記第１金属の金属繊維を絡みあわせてなるシート状の金属繊維層を形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の接合材の形成方法。
14. 前記第４工程の後、前記板状接合材の表面に、前記第１金属、前記第２金属または前記第３金属の薄膜を形成する第５工程をさらに含むことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
15. 前記第１金属は、銀または銅であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
16. 前記第２金属は、金であることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
17. 前記第３金属は、ゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする請求項９〜１６のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
18. 第１金属の粒子を、前記第１金属と全率固溶系合金をなす第２金属と、前記第１金属と第１共晶点で共晶反応し第１共晶系合金をなす第３金属と、からなる、前記第１共晶点よりも低い第２共晶点をもつ第２共晶系合金の溶融物に混ぜて固化し、所定の形状に成形した、前記第１金属、前記第２金属および前記第３金属の混合物であることを特徴とする接合材。
19. 前記第２共晶系合金の溶融物は、前記第２共晶点よりも高く、かつ前記第１共晶点よりも低い温度の熱処理によって溶融され液相をなすことを特徴とする請求項１８に記載の接合材。

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