JPH01301575A - 半導体用窒化アルミニウム基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、窒化アルミニウム質焼結体に金属層を形成し
た半導体素子用基板に関するもである。

〔従来技術及び発明が解決しようとする課題〕従来絶縁
性基体部品、例えば半導体用基板、ＩＣ基板、各絶縁部
品などには、−船釣にアルミナ磁器が用いられてきた。

しかし、アルミナ基板は熱伝導性が十分でなく、近年、
さらに高い熱伝導性のセラミック基板が求められた結果
、窒化アルミニウム質焼結体基板が注目されてきた。

窒化アルミニラ去は、その熱伝導率がアルミナの約３〜
４倍以上で、熱膨張率がアルミナの約半分であり、強度
はアルミナ、ベリリアと大差ないことなどの優良な特性
を有するものである。

一般に半導体用基板、ＩＣ基板等はその一部表面を金属
化する必要があり、多くのメタライズ方法が提案されて
いる。

従来、アルミナセラミック基板にメタライズする方法は
、モリブデン−マンガン法をはじめ多くの優れた方法が
開発されてきたが、非酸化物系セラミックのメタライズ
法は余り開発されていない。

特に、窒化アルミニウム焼結体は濡れ性が悪く、これに
対する強固なメタライズ層の形成は困難であり、現在種
々の研究、技術開発が１住められている。最近公知のも
のとして、例えばｒｂ又はＳｉの少なくとも一種を含有
する厚膜ペーストにより回路を形成した窒化アルミニウ
ム基板が、特開昭６１−８４０８９号公報に提示されて
いるが、■密着強度が２Ｋｇ７ｍｍ”以下と低く、■２
、クリーン印刷による回路形成のため、ファインパター
ン化ができにくいなどの問題がある。

また、蒸着法又はＲＦスパッタ法により窒化アルミニウ
ム表面をメタライズしてなる半導体装置が特開昭６１−
１１９０５１号公報に開示されているが、この場合は半
導体素子ペレフトとヒートシンク間の接着力は２．５　
Ｋｇ／ｍｍ２程度で、充分に高いものではない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は上記事情に鑑み更に研究の結果、薄膜メタ
ライズ層の密着強度を更に向上させた半導体用窒化アル
ミニウム基板を開発した。

本発明は即ち、ＡＩＮを主体とし、カルシウム及びイツ
トリウム化合物をＣａｂ、　Ｙ２Ｏ，換算でＣａＯ：４
重量％以下、ＹｚＯ３：１２重量％以下の範囲で含み、
かつ焼結体中の全酸素量が０．Ｏ１〜ＩＯ重景％の重量
にある窒化アルミニウム質焼結体の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ
。

Ｎｉ−Ｃｒ＋Ｔａ：Ｎ（窒化タンタル）＋Ａｌ１Ｍｏ、
−のうちの１種以上からなる金属薄膜層が形成されたも
ので、かつ窒化アルミニうム質焼結体と金属薄膜層間の
密着強度が２．５にＢ７ｍｍ２以上であることを特徴と
する半導体用窒化アルミニウム基板である。

本発明によれば、窒化アルミニウム質焼結体表面のメタ
ライズ金属の密着強度は２．５にｇ／ｍｍ２以上であっ
て非常に強固であるため、メタライズ回路ファインパタ
ーンの形成が可能となる。

本発明は特に窒化アルミニウム質焼結体基板の組成に特
徴があり、イツトリウム、カルシウム及び酸素の含有量
に特徴がある。

即ち、窒化アルミニウムを主体とし、カルシウム及びイ
ツトリウム化合物、をＣａＯ、ＹｚＯｉ換算でＣａＯ：
４重■％以下、Ｙ２Ｏ３：１２重量％以下の範囲で含み
、より好ましくは０．０１≦ｖ２０，５１２重量％、０
．０１≦ＣａＯ≦４重量％の範囲で含み、かつ焼結体中
の全酸素量か０．０１−１０重量％、より好ましくは０
．０１〜７゜０重量％を含む窒化アルミニウム質焼結体
基板を用いることが重要で、そして、該基板上に通常の
スパッタリング法、イオンプレティング法、真空蒸着法
等により、薄膜メタライズを施すことにより、本発明は
達成される。

こうした基板組成は、密着用金属としＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉ
−Ｃｒ、Ｔａ：Ｎ（窒化タンタル）八ｌ、Ｍｏ、Ｗのう
ちの１種以上のメタライズ層との間に２．５　Ｋｇ／ｍ
ｍ”以上の強固な接着力を確保することができるもので
ある。

Ｔａ：Ｎ（窒化タンクル）としてはＴａ及びＴａとＮと
の化合物（例えばＴａＮ、ＴａｚＮ等）及びアモルファ
ス状のＴａ−Ｎ系薄膜がある。

上記組成範囲外の窒化アルミニウム質焼結体基板では、
上記金属との充分な密着性が得られない。

充分な密着性を確保するには、特に酸素の存在は重要で
あって、０．０１重量％未満では良好な密着性が得られ
ず、７．０重量％より多いと密着性の向上が見られない
ばかりか、基板の熱伝導率が低下して好ましくなくなる
。

カルシウム及び／又はイツトリウムの存在も密着性に大
きな影響を与える。これらカルシウム、イ・２トリウム
、酸素は焼結体中で主としてＡｌＮ結晶粒子間に第２相
を形成して存在してないるがこの第２相が金属との密着
性の向上に寄与すると推定できる。すなわち、本来純粋
なＡＩＮは金属との密着性に乏しいが、第２相中の酸素
（又は若干の＾ＩＮ中への固溶酸素）と金属との結合で
密着力の向上が図られているものと推定できる。

前記の薄膜メタライズ法としては、以下のような方法が
挙げられる。

■スパッタリング法 （条件）Ａｒガス：圧力　　０．２〜２．ＯＰａ流量　
　４０〜８０ｃｃ／ｍｉｎ パワーー　　　　　１〜３に一 基板温度：　　　　室温〜２５０℃ ■イオンブレーティング法 （条件）真空度：　　　　　２Ｘ１０−″”Ｐａ以下イ
オン化電圧：２０〜１００ν 基板印加電圧−５００〜２０００Ｖ 基板温度：　　室温〜２５０℃ ■真空蒸着法 （条件）真空度：・２　Ｘｌ０−’Ｐａ以下基板温度：
室温〜２５０℃ なお、メタライズ回路ファインパターンの形成において
は、従来法と同様に前記薄膜メタライズ層上に更に導体
層、例えばＮｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｃ、Ｐｄ、Ｐｔ
等が形成される。

〔実施例〕

つぎに本発明を実施例によって説明する。

実施例　１ 平均粒径１．４μｍのＡＩＮ粉末に、平均粒径０．８μ
ｍのＹ２Ｏ３粉末を５重量％添加し、ボールミルを用い
て粉砕、混合して原料調製した。

次にこの原料にパラフィンワックス６重量％をを窒素ガ
ス雰囲気中で、まず３００℃まで加熱して脱脂した。

その後、前記脱脂法み圧粉体をカーボン型中に収納し、
窒素ガス雰囲気中、１８００℃で０．５時間常圧焼結し
た。

得られた窒化アルミニウム質焼結体からなる基板は、そ
の組成が第１表、試料番号１に示す通り、ＣａＯ（換算
量）：０．０１重量％、Ｙ２Ｏ３（換算量）５．０重量
％、全酸素量＝２．８重量％のものであった。

次いでこの基板の表面に、スパッタリング法により薄膜
Ｔｉ金属層を０．１　μｍの厚さで形成した。

試験の結果、この金属の密着強度は５．３にｇ／ｍｍ”
であって、非常に高い密着強度のものであることが判っ
た。

実施例　２〜１９ 実施例１と同様にしてＣａ源として平均粒径１．８μｍ
の粉体を使用することにより、第１表に示す試料番号２
〜９の窒化アルミニウム質焼結体からなる基板を作成し
、それらの上に同表に示す各種金属薄膜を各種方法で形
成した。それらの厚み、密着強度等は第１表に示す通り
であった。

比較例 実施例１と同様にして、第１表に示す試料番号２０〜２
５の窒化アルミニウム質焼結体からなる基板を作成し、
それらの上に同表に記した各種金属薄膜を各種方法で形
成した。それらの厚み、密着強度は同表記載のとおりで
あった。

〔以下余白〕

以上の結果からみて、ＣａＯｌ、Ｙ２Ｏ３量及び全酸素
量が前記本発明の規定範囲内にある実施例１〜１９の基
板は、その表面に形成された金属層の密着強度が２．９
　Ｋｇ／ｎｎ＋”ないし７．０　Ｋｇ／ｍｍ２であって
、従来公知の窒化アルミニウム質焼結体基板におけるも
のに比べて、非常に高い密着強度を有していることが判
る。

一方、本発明規定組成範囲外の比較例の試料番号２０〜
２５の基板の場合は、密着強度が１．７〜２．４Ｋｇ／
ｍｍ”であって、不充分な値のものであった。

なお、前記基板と薄膜金属間の密着強度の測定方法は、
基板上に１ｍｍ口のメタライズテストパターンを形成し
、これにハンダディッピングした後、ワイヤー付けし、
引張り試験により、密着力を判定することによって　行
った。

上記試験とは別に、試料番号５と同一の基板材料に対し
、蒸着法によってへ１金属膜を２２μｍの厚みで形成し
たところ、密着強度は２．３　Ｋｇ／ｍｍ”と低いもの
であったが、これは引張による破壊が接合面からではな
くＡＩ金属層自体が破壊するものと見受けられた。これ
に対して、膜厚２０μｍ以下のものにあっては、金属層
自体のみが破壊されることはなく、密着強度も２．５　
Ｋｇ／ｍｍ”を越えるものとなった。

従って、金属膜厚が余り厚いものはその金属自体の強度
が問題となるため、好ましくなく、メタライズ膜厚は２
０μｍ以下とすることが好ましい。

〔発明の効果〕

以上実施例等において述べた通り、本発明の半導体用窒
化アルミニウム基板は、各種金属との密着強度が２．５
　Ｋｇ／ｍｍ”以上であって非常に高く、よって基板上
に金属導体パターン間のピ・ノチが非常に狭いファイン
ピッチでかつ強固なメタライズ回路パターンを形成する
ことができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＡｌＮを主体とし、カルシウム及びイットリウム
   化合物をＣａＯ、Ｙ＿２Ｏ＿３換算でＣａＯ：４重量％
   以下、Ｙ＿２Ｏ＿３：１２重量％以下の範囲で含み、か
   つ焼結体中の全酸素量が０．０１〜１０重量％の範囲に
   ある窒化アルミニウム質焼結体の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、
   Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔａ：Ｎ（窒化タンタル）、Ａｌ、Ｍｏ、
   Ｗのうちの１種以上からなる金属薄膜層が形成されたも
   ので、かつ窒化アルミニウム質焼結体と金属薄膜層間の
   密着強度が２．５Ｋｇ／ｍｍ＾２以上であることを特徴
   とする半導体用窒化アルミニウム基板。
2. （２）半導体用窒化アルミニウム基板が、その金属薄膜
   層の上に導体層を有するものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の半導体用窒化アルミニウム基
   板。
3. （３）金属薄膜層の厚みが２０μｍ以下であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の半導
   体用窒化アルミニウム基板。
4. （４）導体層がＮｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、
   Ｐｔのうちの１種以上であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の半導体用窒
   化アルミニウム基板。