JPH04315457A - ＡｌＮ回路基板 - 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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子実装などに
用いられるＡｌＮ回路基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の高集積化、高密度化
、高速化に伴い、半導体素子の消費電力が増大している
。そのため、半導体素子の高発熱化が問題となっている
。その問題を解決する方法の一つとして、ＬＳＩのパッ
ケージとして高熱伝導性のセラミックスを用いる方法が
開発されている。中でも熱伝導率が大きいセラミックス
であるＡｌＮを半導体素子実装用の回路基板として用い
ることが注目されており、現在、ＡｌＮ回路基板は大電
力パワーモジュール基板や、スーパーコンピュータ用の
パッケージとして実用化されている。

【０００３】ＡｌＮを半導体素子実装用の回路基板とし
て用いる際には、ＡｌＮ基板をメタライズする必要があ
る。セラミックスの基板をメタライズする方法としては
、大きく分けて、厚膜印刷法と薄膜法などが一般に用い
られている。しかし、厚膜印刷法では厚さ１００μｍ　
以下の配線をつくるることが困難であるので、高密度な
配線をする必要がある場合には薄膜法が適している。

【０００４】従来、薄膜法でメタライズされたＡｌＮ基
板の場合、ＡｌＮ基板上に異種の金属薄膜を多層にして
形成し、その後配線パターンを形成する方法が用いられ
ていた。

【０００５】従来のＡｌＮ回路基板は以下のようにして
メタライズされていた。研磨されたＡｌＮ基板上にスパ
ッタ法または蒸着法などを用いて、まず基板と金属との
接合層としてＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒなどをつけ、つぎに拡散
バリア層としてＮｉ，Ｐｔなどを積層する。さらにその
上に導電層としてＡｕ，Ｃｕなどを積層する。その後フ
ォトリソグラフィープロセスを行うことにより微細な配
線パターンを形成して、回路基板を得る方法である。

【０００６】図３に、従来用いられていたＡｌＮ回路基
板の一例の断面図を示す。１０はＡｕ層、１１はＮｉ層
、１２はＴｉ層、１３はＡｌＮ基板である。それぞれＡ
ｕ層１０は導電層、Ｎｉ層１１は拡散バリア層、Ｔｉ層
１２は接合層として積層されている。

【０００７】上記のようなＡｌＮ回路基板における多層
薄膜構造において、接合層として使われるＴｉ，Ｃｒ，
Ｚｒなどは、活性度が高く、ＡｌＮへの密着は良好であ
るが、導電性は良くないという性質がある。また導体層
として使われているＡｕ，Ｃｕ，などは導電性は良いが
、活性度が低いためＡｌＮへの接合性が悪い。そこで接
合層と導体層を重ね、さらに接合層と導体層の間に拡散
バリア層としてＮｉ，Ｐｔなどを積層する多層構造を用
いている。拡散バリア層は、接合層、および導体層の金
属が相互で拡散して、接合層、および導体層の密着性の
低下や抵抗の増加を防止する役割を果たす。以上のよう
な多層薄膜構造もつＡｌＮ回路基板を半導体実装用の回
路基板として用いていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のＡｌＮ回路基板
上には上記に示すような多層薄膜構造であり、接合層、
拡散バリア層、導体層と異なった金属の薄膜を基板上に
形成しなければならなかった。そのためスパッタリング
、蒸着などの成膜プロセスが多くなり、また、パターン
作成の際のエッチング工程も長いので、製造プロセスが
長く、コスト高になっていた。また、異種の金属薄膜を
多層化しなければならないため、後の高温工程により金
属相互が拡散が起こり、密着性の低下や抵抗の増加等が
起こり、回路基板としての信頼性の低下の原因となって
いた。

【０００９】本発明は上記の問題に鑑み、ＡｌＮ基板上
に微細な配線パターンを形成できる薄膜法を用いて、従
来のような、導電層と異なる金属の接合層を必要としな
いメタライズを可能にし、短いプロセスでの製造が可能
で、かつ高信頼性のＡｌＮ回０００路基板を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】本発明者らは
ＡｌＮ基板と導電性膜とを接合するときに、非晶質層を
間に介在させることにより、Ｔｉ，Ｃｒなどの活性な金
属でなくともＡｌＮ基板に対して良好な密着性が得られ
、接合層として異種の金属膜を介在しないでメタライズ
できることを見出した。

【００１１】すなわち本発明は、ＡｌＮ基板上に導電性
膜が形成されているＡｌＮ回路基板において、前記Ａｌ
Ｎ基板と導電性膜との間に前記導電性膜を構成する元素
と、Ａｌと、Ｎとを含む非晶質層を介在することを特徴
とするＡｌＮ回路基板である。

【００１２】非晶質層は、共有結合性のＡｌＮ結晶との
界面において、格子の整合性を強制させずに、格子歪み
から出現する応力を緩和する作用がある。また、ＡｌＮ
結晶と非晶質層との界面の元素濃度勾配を連続的に変化
させ高自由エネルギー界面をなくすことができる。ゆえ
に非晶質層をＡｌＮ基板と導電性膜との間に介在させる
ことにより、活性度の高い金属の接合層を必要とせずメ
タライズすることができる。

【００１３】本発明において、非晶質層は、導電性膜を
構成する元素とＡｌとＮとを含んでいればよい。前記の
ような非晶質層であれば、上層の導電性膜とも下層のＡ
ｌＮ基板とも良好な密着性が保たれる。好ましくはＡｌ
Ｎ基板のＡｌＮ結晶界面付近ではＡｌ，とＮの濃度が高
く、ＡｌＮ基板から離れるにつれて徐々に導電性膜を構
成する元素の濃度が高くなるような濃度勾配を持たせる
ことにより、導電性膜とＡｌＮ基板との密着性はさらに
向上する。また、非晶質層には導電性膜を構成する元素
とＡｌとＮ以外の元素が含まれていても良い。

【００１４】本発明にかかるＡｌＮ基板は、ＣａＯやＹ
２　Ｏ３　を焼結助剤として用いたもの、あるいは不純
物などを無くして高純度化し、高熱伝導率を達成したも
のを用いても良い。

【００１５】ＡｌＮ基板上の導電性膜となる導電体の材
料としては、活性度に関係なくあらゆる金属を用いるこ
とが可能である。酸化しないＰｔ、Ａｕ、Ｐｄといった
貴金属のほか、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌなどの卑金属を用いる
ことができる。また、Ｎｉ−Ａｌ，Ｃｕ−Ｗなどのよう
な２種以上の金属の合金でもよい。また低抵抗の導体層
を必要とする場合や、表面の酸化を避けたい場合などは
、導電性膜をＮｉ−Ｃｕの積層や、Ｎｉ−Ａｕの積層な
ど２種以上の金属の複層構造としても良い。しかし、導
電性膜を複層構造にした場合は、非晶質層は非晶質層に
隣接する導電性膜を構成する元素と、Ａｌと、Ｎとを含
んでいれば良く、それ以外の導電性膜のを構成元素を含
まなくとも良い。

【００１６】非晶質層の厚さは、１０オングストローム
以上１μｍ　以下であれば、導電性膜との良好な密着性
が得られる。１０オングストローム未満では非晶質層が
形成が困難であり、１μｍ　を越えると非晶質層の応力
によりクラックが生じることがあり、好ましくない。さ
らには、５０オングストローム以上５００オングストロ
ーム以下がより望ましい。本発明のＡｌＮ回路基板の製
造方法を説明する。

【００１７】本発明のＡｌＮ回路基板を製造するには、
まず反応性スパッタリング法や、イオンミキシング法な
ど、非晶質層を形成可能な方法を用いてＡｌＮ基板上に
非晶質層を形成し、その上に導電性膜の形成を行う。Ａ
ｌＮ基板上に非晶質層と導電性膜を形成する方法として
、例えば反応性スパッタリング法と、イオンミキシング
法について下記に説明する。

【００１８】反応性スパッタリングを用いて、非晶質層
と導電性膜を形成するには、例えば次のようにして行う
。まず、表面を研磨したＡｌＮ基板を洗浄し、スパッタ
リング装置内に導入する。次に、Ａｌターゲットと、導
電性膜となる導電体のターゲットを用い、Ｎ２　ガスを
ＡｌＮ基板表面に吹き付けながら、両ターゲットをスパ
ッタリングする。それにより、ＡｌＮ基板上にＡｌと、
Ｎと、導電性膜を形成する元素とを含む非晶質層が形成
される。スパッタリングの際、初め、非晶質層中のＡｌ
の濃度を高くなるようにスパッタリングし、徐々に、導
電体の濃度を高くなるようにすることにより導電性膜へ
の密着性の良好な非晶質層を得ることができる。その後
、ＡｌターゲットのスパッタリングとＮ２　ガスの吹き
付けを止め、導電体のスパッタリングのみを行うことに
より、導電性膜を形成する。

【００１９】イオンミキシング法は例えば、次のように
して行う。まず、表面を研磨したＡｌＮ基板を洗浄し、
スパッタリング装置内に導入する。そして導電性膜とな
る導電体をターゲットとしたスパッタリング装置を用い
てＡｌＮ基板上に導電体をスパッタリングすると同時に
、アシストとしてＡｒイオンを、イオンガンを用いて高
エネルギーで打ち込むことにより、ＡｌＮ基板上にＡｌ
と、Ｎと、導電性膜を構成する元素を含む非晶質層が形
成される。その後、Ａｒイオンの打ち込みを止め、導電
体のスパッタリングのみを行うことにより、導電性膜を
形成する。

【００２０】また非晶質層は、あらかじめ、導電体を蒸
着またはスパッタリングなどによりＡｌＮ基板上に所望
の非晶質層の厚さに成膜し、その上からＡｒイオンを高
エネルギーで打ち込むことによっても得られる。

【００２１】アシストとしてのイオンは、Ａｒイオンだ
けでなくＮイオンを用いても良い。非晶質層の形成は、
非晶質層の結晶化温度以下の条件で行うのが好ましい。 それは、非晶質層は不安定なため、加熱してエネルギー
を与えると結晶化してしまうためである。

【００２２】以上のようにして非晶質層と導電性膜の形
成後、従来のようにフォトリソグラフィーを行い、導電
性膜と非晶質層をエッチングし配線パターンを形成して
本発明の回路基板を得る。非晶質層のエッチングは配線
間の絶縁が保たれる程度に行う。

【００２３】以上の方法により、ＡｌＮ基板とメタライ
ズする導電体との間に非晶質層の介在したＡｌＮ回路基
板を得ることができ、従来のように、接合層として、異
種の金属を積層する必要がない。また、上記の方法であ
れば、非晶質層の形成と、導電性膜の形成を同一装置内
で行うことができ、製造プロセスも短縮できる。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）イオンミキシング法によりＡｌＮ基板にＣ
ｕをメタライズする方法について述べる。

【００２５】本実施例では、あらかじめＣｕをターゲッ
トとしたイオンビームスパッタ装置を用いて、ＡｌＮ基
板上にＣｕをスパッタリングをすると同時に、Ａｒイオ
ンを高エネルギーで打ち込み、非晶質層を形成した。

【００２６】本実施例に用いたイオンビームスパッタリ
ング装置には、Ｃｕターゲットをスパッタリングする通
常のイオンガンの他に、成膜時のアシストとして、最高
４０ｋｅＶ　の高エネルギーのイオンを発生することの
できる第二のイオンガンを備えている。以下、工程にそ
って説明する。

【００２７】まず、ＣａＯを焼結助剤に用いて焼成した
１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍのＡｌＮ基板を表面粗
さが平均で５００オングストロームとなるように研磨し
た。成膜前に、中性洗剤、純水、およびイソプロピルア
ルコールで十分超音波洗浄した。次に、Ｃｕターゲット
とＡｌＮ基板とを対向させてスパッタ装置内に設置し、
スパッタ前に、Ａｒイオンにより逆スパッタクリーニン
グを実施した。

【００２８】次にイオンビームスパッタ装置内をクライ
オポンプで１０−５Ｐａ間で真空に引いた。その後イオ
ンガンにＡｒガスを導入し、放電を起こしてプラズマを
発生させた。このイオンガンに加圧電圧　１ｋＶ、イオ
ン電流５０ｍＡを印加しＡｒイオンを引き出した。ニュ
ートラライザーを付属させ、イオンを中性化させた。こ
のＡｒを、Ｃｕターゲットに衝突させ、ＡｌＮ基板へＣ
ｕ粒子をスパッタリングした。

【００２９】一方、Ｃｕのスパッタリングと同時に、基
板と対する位置に、イオンガンを設けておき、上記と同
様に放電を起こさせ、電圧４０ｋｅＶ　、イオン電流１
００ｍＡ　で、Ａｒイオンビームを基板へと照射した。 上記条件により、Ｃｕのスパッタリングおよび、Ａｒイ
オンアシストを５分〜１０分実施した後に、Ｃｕ成膜の
みを行った。

【００３０】上記のように作成して得られた試料をＴＥ
Ｍ観察、及び組成分析を行ったところ、ＡｌＮ基板上に
Ｃｕ、Ａｌ、Ｎからなる非晶質層が２００オングストロ
ームの厚さで形成されており、その上に約１μｍ　の厚
さのＣｕの薄膜がメタライズされていた。図１に本実施
例で得られたＡｌＮ基板上の薄膜構造を示す。図１で１
はＣｕ膜、２は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎからなる非晶質層、３
がＡｌＮ基板である。

【００３１】上記のようにして得られたメタライズ基板
にさらにＣｕめっきすることによりＣｕを５μｍ　の厚
さとして、レジストとフォトリソグラフィー技術により
、２ｍｍ２　のパターンにパターンニングした。Ｃｕ膜
と非晶質層は過硫化アンモニウム溶液、続けてＫＯＨ溶
液でエッチングした。パターンにＣｕ線を半田付けし、
垂直引っ張り強度を測定したところ、いづれも４ｋｇ　
／ｍｍ２　以上と高強度を示し、密着性は良好であった
。

【００３２】また、本実施例で得られた試料を、不活性
雰囲気中で５００℃以上の温度で熱処理を行ったがＣｕ
膜の密着性は変化せず、４ｋｇ　／ｍｍ２　以上の強度
を示した。さらに半田付け性も良好であった。 （実施例２）次に、反応性スパッタリング法を用いて、
ＡｌＮ基板にＣｕをメタライズする方法について述べる
。

【００３３】まずＹ２　Ｏ３　を焼結助剤に用いて焼成
した１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍのＡｌＮ基板の表
面粗さが平均で５００オングストロームとなるように研
磨した。成膜前の前処理として基板を中性洗剤と純水と
イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。上記
のようにして得られた基板をイオンビーム多元スパッタ
リング装置内に設置し、Ａｌターゲットと、Ｃｕターゲ
ットを用い、Ｎ２　雰囲気中で同時にスパッタリングを
行った。温度は室温で、真空度は５×１０−２Ｐａであ
った。Ｎ２　ガスは、基板表面に吹き付けるようにし、
Ａｌターゲットと、Ｃｕターゲットは、初め、Ａｌター
ゲットのみをスパッタリングし、徐々にＣｕターゲット
のスパッタリングの割合を上げて行き、最終的にＣｕ単
体スパッタリングとした。各々の合計の成膜量は一定と
した。

【００３４】得られた試料は、ＡｌＮ基板上にＡｌ、Ｃ
ｕ、Ｎからなる非晶質層が２００オングストロームの厚
さで形成され、その上に約１μｍ　の厚さのＣｕの薄膜
が順に形成されていた。Ａｌ、Ｃｕ、Ｎからなる非晶質
層はＡｌＮ基板表面付近ではＡｌとＮの濃度が高く、Ａ
ｌＮ基板表面から離れるに従い、Ｃｕの濃度が高くなり
、最終的にはＣｕのみの薄膜が形成されていた。図２に
本実施例で得られたＡｌＮ基板上の薄膜構造を示す。図
１で４はＣｕ膜、５は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎからなる非晶質
層、６がＡｌＮ基板である。

【００３５】上記のようにして得られたメタライズ基板
にさらにＣｕめっきすることによりＣｕを５μｍ　の厚
さとして、レジストとフォトリソグラフィー技術により
、２ｍｍ２　のパターンにパターンニングした。過硫化
アンモニウム溶液にてエッチングした。パターンにＣｕ
線を半田付けし、引っ張り強度を測定したところ、いづ
れも２ｋｇ　／ｍｍ２　以上と高強度を示した。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によればＡｌＮ基板
上に接合層として異種の金属膜を形成することなく、活
性度の低い金属でも良好な密着性で基板上にメタライズ
することができる。そのため成膜プロセスも短く、コス
トの低減にも寄与する。また、異種の金属同志の相互拡
散が起こらず、半導体素子の信頼性も向上する。また、
用いる導電性膜の活性度に関係なく、自由に導電層を選
ぶことができ、それぞれの目的用途に応じて、多様な用
途の導電層の種類を選択できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　実施例１で得られたＡｌＮ回路基板の断面
図

【図２】　　実施例２で得られたＡｌＮ回路基板の断
面図

【図３】　　従来のＡｌＮ回路基板の一例を示す断
面図

【符号の説明】

１…Ｃｕ膜 ２…非晶質層 ３…ＡｌＮ基板 ４…Ｃｕ膜 ５…非晶質層 ６…ＡｌＮ基板 １０…Ａｕ層 １１…Ｎｉ層 １２…Ｔｉ層 １３…ＡｌＮ基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＡｌＮ基板上に導電性膜が形成されて
   いるＡｌＮ回路基板において、前記ＡｌＮ基板と導電性
   膜との間に前記導電性膜を構成する元素と、Ａｌと、Ｎ
   とを含む非晶質層を介在することを特徴とするＡｌＮ回
   路基板。