JPH07176547A - 半導体チップとその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ダイボンディング部の欠陥を排除して均一かつ
強固なはんだ付けを可能にする半導体チップを提供する
にある。 【構成】半導体基体１のダイボンディングされる面に、
最表面部にＡｇ，Ａｕの群から選択された少なくとも１
種を主成分とする第１金属７と、第１金属と半導体基体
の中間に在ってＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｗ，Ｃｏ，Ｆ
ｅ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群か
ら選択された少なくとも１種を主成分とする少なくとも
１層の第２金属５とで構成される積層金属層８を設け、
上記第１金属の表面における上記第２金属の濃度が５ｗ
ｔ％以下であることを特徴とする半導体チップ。 【効果】多層金属層の相互作用を抑制して半導体チップ
の均一なはんだ付けを可能にし、強固な接着性と優れた
信頼性を付与できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップとその製
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子基体は、半導体装置の一電極
を兼ねる金属載置部材上に融点の比較的低いろう材によ
り接着される。例えば、（１）特開平4−49630号には、
Ｓｂ−Ｓｎ系合金ろう材であって、Ｎｉ，Ｃｕ及びＰを
共に含有した半導体装置組立て用合金ろう材が開示され
ている。この場合、ＳｎにＳｂを添加することによって
ろう材自身の機械的強度を高め、はんだ層と被接着部材
の表面との界面にＮｉ−ＳｎあるいはＣｕ−Ｓｎの金属
間化合物が生成されるのを抑えて、半導体装置の信頼性
の向上が可能と言う。

【０００３】（２)“ベアチップ実装”と題する文献(技
術情報協会，技術情報社，１９９０年１月３１日）の１
５４頁に、シリコンＩＣチップをガラス基板にはんだバ
ンプを用いて接続した半導体基体の接着構造が開示され
ている。この中で、チップの接着面に設けられたＡｌ層
の上にＴｉ(０.１５μｍ)−Ｃｕ(１.５μｍ)−Ｎｉ(５
μｍ)積層金属層を設け、この部分にはんだ(Ｐｂ−５ｗ
ｔ％Ｓｎ)バンプを形成して、これによる融着によりガ
ラス基板にＩＣチップを固定，接続している。 （３）特開平2−12841号には、半導体チップの裏面にＴ
ｉ−Ａｇ−Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ積層金属層をスパッタリン
グし、ＡｕＳｎソルダーを用いてＣｕステム上にマウン
トした半導体装置を開示している。この積層金属層のＴ
ｉに、ソルダーのＳｎがＡｇ層へ拡散して熱伝導性を阻
害する合金が生成されるのを抑制するため、拡散のスト
ッパーとしての役割を与えている。

【０００４】（４）特開昭58−182839号には、半導体基
板の電極として、Ｃｒ，Ｃｒ−Ｎｉ合金、Ｎｉ，Ｓｎを
順次被着し、Ｓｎ−３〜５％Ａｇはんだで半導体基板を
銅板にはんだ付けした半導体装置を開示している。これ
により、はんだぬれの向上，はんだ中の気泡の低減、及
びはんだの熱疲労特性の向上を図っている。

【０００５】（５）特開昭62−185330号には、半導体基
体の裏面電極をＮｉＣｒ−Ａｕ，ＮｉＣｒ−Ａｇ−Ａ
ｕ，ＮｉＣｒ−Ｓｎ−Ａｇのいずれかの積層構成をとる
ことにより、密着性とはんだ付け性を良くし、半導体装
置の信頼性向上を図っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】半導体装置における発
熱量が少なく、要求される信頼性がさほど高くない場合
には、半導体基体を金属載置部材上にどのようなろう材
を用いて接着してもあまり問題はない。しかし、発熱量
が大きく高い信頼性が要求される場合には、適用される
べきろう材とともに、半導体基体のダイボンディング面
に設けられる多層金属層の金属の組み合わせやその品質
が選択されねばならない。このような観点から、一般的
に比較的軟らかく塑性変形しやすいＰｂ−５ｗｔ％Ｓｎ
系はんだ材や、逆に剛性や破壊強度が高いＳｎ−５ｗｔ
％Ｓｂ系はんだ材を代表とする合金材が、ダイボンディ
ング用ろう材として選択される。また、半導体基体のダ
イボンディング面には、ろう材及び半導体基体との接着
性が付与された、例えばＣｒ−Ｎｉ−ＡｇやＴｉ−Ｃｕ
−Ａｇのような多層金属層が設けられる。接着が完了し
た状態では、Ａｇのような最表層金属はろう材の中に溶
け込んで、接着界面から消失するが、ＮｉやＣｕのよう
な中間層金属はろう材に溶け込まずに界面に残留し、ろ
う材とＣｒやＴｉのような最下層金属との反応を抑制す
る障壁としての役割を担う。しかし、用いるろう材の材
質によっては中間層金属はろう材中に溶解し、最下層金
属とろう材とが接触する場合もある。

【０００７】一方、ダイボンディング部のはんだ付けの
欠陥は、半導体装置の製造段階あるいは稼働段階におい
て、製造歩留及び信頼性の低下の点で致命的な悪影響を
及ぼす。はんだ付けの欠陥の種類やその導入原因は種々
あるが、なかんずく多層金属層が相互に反応している場
合には、ダイボンディング部の強固なはんだ付けが困難
となり、併せて半導体装置を稼働させた場合の熱ストレ
スの印加によるダイボンディング部の機械的破壊が促進
されやすい。これは、多層金属層の表面に相互反応によ
って中間層金属や最下層金属が現われそして酸化物が形
成されるため、多層金属層とはんだ材との冶金的結合が
ダイボンディング面の全面にわたって行われず、局所的
にのみ行われるためである。局所的にはんだ付けされた
場合は、熱応力の大半が正常に接着された領域にだけ作
用し、その応力の絶対値は全面にわたり均一にはんだ付
けされた場合より大きくなる。このことが、破壊が促進
される主な理由である。また、不均一はんだ付けを生じ
た場合は、半導体基体から放熱路としての金属載置部材
に至る熱抵抗の増大を招く。このことは、半導体装置の
可制御出力範囲を狭めるだけでなく、信頼性確保の観点
からも好ましいことではない。

【０００８】先行技術例（１）乃至（５）では、要求さ
れる信頼性が高い半導体装置に好適なろう材と積層金属
層の接着構造は開示しているが、前記の多層金属層の酸
化に付随して発生する不均一はんだ付けや、これによっ
て生ずる信頼性低下の防止策については配慮されていな
い。

【０００９】したがって本発明の目的は、上述の問題点
を解決し、半導体装置におけるダイボンディング部の欠
陥を排除し、均一かつ強固なはんだ付けを可能にする半
導体チップとその製法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体チップ
は、半導体基体の支持体にダイボンディングされる面
に、最表面部にＡｇ，Ａｕの群から選択された少なくと
も１種を主成分とする第１金属と、第１金属と半導体基
体の中間に在ってＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｗ，Ｃｏ，
Ｆｅ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群
から選択された少なくとも１種を主成分とする少なくと
も１層の第２金属とで構成される積層金属層を設け、上
記第１金属の表面における上記第２金属の濃度が５ｗｔ
％以下であることを特徴とする。

【００１１】本発明の半導体チップの製法は、半導体基
体のダイボンディングされる面の最表面部にＡｇ，Ａｕ
の群から選択された少なくとも１種を主成分とする第１
金属と、第１金属と半導体基体の中間に在ってＮｉ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｗ，
Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群から選択された少なくとも
１種を主成分とする第２金属とからなる積層金属層を被
着し、上記第１金属の表面における上記第２金属の濃度
が５ｗｔ％以下になる温度で熱処理することを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】本発明は、多層金属層の反応を抑制することに
よって、均一なはんだ付けを実現することに基づくもの
である。ここで言う反応とは、多層金属層の相互作用に
より第１金属の最表面に第２金属が露出することを言
う。

【００１３】このような反応を生ずるメカニズムを、図
１に示すように、Ｓｉ基体１上に厚さ３.５μｍのＡｌ
層２，０.１８μｍのＣｒ層３，０.６μｍ のＮｉ層
４、そして１.３μｍ のＡｇ層６を順次蒸着して形成し
た多層金属層８を有する半導体チップ１０の場合を用い
て説明する。図２に、半導体チップ１０を熱処理した場
合の、２次イオン質量分析による多層金属層のデプスプ
ロファイルの変化を示す。横軸はスパッタリング時間
(多層金属層の深さ方向の距離に対応する尺度)、そし
て、縦軸は各物質の相対イオン強度(各物質の濃度に対
応する尺度)でそれぞれ表わしている。初期試料（ａ）
では、表面側から順次Ａｇ６，Ｎｉ４，Ｃｒ３及びＡｌ
２が観測され、積層形態が保たれていることが確認され
る。４５０℃（ｂ）までは、初期試料とほぼ同様のプロ
ファイルが維持されている。４７５℃（ｃ）に至ると、
Ａｌ２がＣｒ３及びＮｉ層４側へ拡散し始めている。し
かし、Ａｌ２はＡｇ層６の表面までには達していない。
５００℃（ｄ）では各金属の拡散が進行し、特にＡｌ２
がＡｇ層６の表面にまで達している。また、５２５℃
（ｅ）に達すると、Ａｇ層６の表面のＡｌ２やＮｉ４の
濃度が増えるとともに、Ｃｒ３も表面に現われている。
以上より、多層金属層８を５００℃以上の温度のもとで
熱処理した場合は、Ａｌ２がＣｒ３及びＮｉ４がＡｇ層
６の表面に露出する。

【００１４】ここで、多層金属層８におけるＡｇ層６の
役割は、最表層に在って、Ｓｉ基体１側に連なって形成
されるＮｉ４，Ｃｒ３及びＡｌ２の各層の酸化を抑制
し、以ってはんだ材と多層金属層８との間の冶金的結合
を促進させ、はんだ付け界面の欠陥を排除する点にあ
る。ここで言う欠陥とは、冶金的結合が行われない非は
んだ付け領域のことである。しかし、図３の不均一はん
だ付けのメカニズムを説明する図に示すように、熱処理
温度が５００℃以上になると、（ａ）に示す如くに積層
状を保っていた各金属層２，３，４及び６が相互に反応
して、(ｂ)に示す如くにこれらの金属が混合又は合金化
して変質領域８′を形成し、結果的にＮｉ４，Ｃｒ３及
びＡｌ２のような第２金属５がＡｇ層６の如き第１金属
７の表面に露出した状態になる。第２金属５は酸化しや
すく、第２金属５の酸化物は安定かつ生成されやすく、
そしてはんだ材に対するぬれ性も悪い。この結果、溶融
はんだ層９と多層金属層８とが接触した状態のもとで
も、第２金属５の酸化物が存在する領域では両者間の冶
金的結合が阻害されて非はんだ付け領域９′を形成す
る。また、相互作用を生じなかった領域あるいは相互作
用が軽微に留まった領域では冶金的結合が進み、Ｎｉ層
４やＡｇ層６がはんだ層９中に溶解して界面から消失し
たはんだ付け領域９″が形成される。はんだ付け領域
９″では、Ｃｒ層３とはんだ層９とが直接接触した状態
になる。以上のメカニズムにより、（ｃ）に示すように
不均一な界面を持つはんだ付けを生ずることとなる。

【００１５】不均一なはんだ付けが生じた場合は、熱応
力が正常にはんだ付けされた領域にのみ作用し、しかも
この領域に作用する応力が過大になって、破壊９９を生
ずる。この破壊９９は、全面で均一にはんだ付けされた
場合より著しく促進される。したがって、不均一はんだ
付けを生じさせないためには、第２金属酸化物の生成源
を断つ観点から、第１金属層７中への第２金属５の拡散
を抑制することが重要である。このためには、多層金属
層８は４８０℃を越えない温度のもとで熱処理されるの
が望ましい。

【００１６】

【表１】

【００１７】本発明において、第２金属５はＮｉ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｔ
ｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆの群から選択された少なくと
も１種を主成分とするものであるが、これらが酸素と接
触すると、表１に示す酸化物を生成する。これらの金属
酸化物はいずれも、はんだ材との冶金的結合を阻みやす
い。したがって、積層金属層８を構成する第２金属５
が、上記の単体金属又は上記金属の任意の組み合わせに
基づく混合体又は合金であるか否か、また単層であるか
多層であるか否かの如何にかかわらず、第１金属層７の
表面に露出することは避けなければならない。

【００１８】

【実施例】本発明を実施例により詳細に説明する。

【００１９】〔実施例 １〕本実施例では、半導体チッ
プとその製法について説明する。

【００２０】半導体チップ１０は、サイズ１３mm×１３
mm×０.５mm のＳｉからなるIGBT素子基体１のダイボン
ディングされるべき面に、蒸着により厚さ３.５μｍ の
Ａｌ層２，厚さ０.１８μｍのＣｒ層３，厚さ０.６μｍ
のＮｉ層４からなる第２金属５が積層され、そして、第
２金属５を覆うごとくに厚さ０.２μｍ のＡｇ層６から
なる第１金属７がそれぞれ形成されている。ここで、多
層金属層８は第１金属７と第２金属５から構成されてい
る。基体１に先ずＡｌ層２を蒸着され、引続き別装置に
よりＣｒ層３，Ｎｉ層４，Ａｇ層６を順次連続的に蒸着
されたチップ１０は、水素を５vol％ 含む窒素雰囲気中
で４７０℃の熱処理を施された。熱処理後のチップ１０
は、１１０℃まで上記窒素雰囲気中で冷却され、その後
空気中に取り出された。

【００２１】図４に多層金属層８の２次イオン質量分析
によるデプスプロファイルを示す。表面側から順次、Ａ
ｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌが観測され、各物質が積層状の形
態をなしていることが確認される。また、図２において
熱処理温度５００℃以上の場合に見られたような各金属
の相互作用や、第２金属のＡｇ層６の表面側への移動及
び露出は観測されていない。多層金属層８の表面を薄膜
Ｘ線装置により回折したが、回折ピークから同定された
成分はＡｇのみで、第２金属の酸化物は全く検出されな
かった。

【００２２】図５に熱処理温度と多層金属層８の表面の
Ｘ線回折による〔第２金属／Ａｇ〕Ｘ線強度比の関係を
示す。Ｘ線強度比は熱処理温度４８０℃までは極めて小
さく、それ以上の温度では大きい値を示している。この
結果は、温度４８０℃までは、熱処理によって第２金属
がＡｇ層６の表面に露出しないことを意味する。

【００２３】本実施例では、第２金属５がＡｌ−Ｃｒ−
Ｎｉからなる多層金属層、そして、第１金属７がＡｇ層
である場合について示した。第２金属５の代替物とし
て、Ｔｉ−Ｎｉ，Ｔｉ−Ｐｔ，Ｃｒ−Ｃｕ，Ｍｏ−Ｐｔ
を代表とする多層金属層が挙げられる。また、この多層
金属層はＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｗ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐ
ｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群から選択
された金属を任意に組み合わせて形成されていても良
く、各金属が３層以上に積層されていても良い。さら
に、第２金属５はＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｗ，Ｃｏ，
Ｆｅ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群
から選択された金属を任意に組み合わせた合金層又は混
合物層の形態で設けられても良い。第１金属７の該当物
質としてＡｇ及びＡｕが挙げられる。これらの金属は、
２種以上の任意の組み合わせで合金層又は混合物層の形
態で形成されても良い。以上のいずれの形態で多層金属
層８が形成された場合でも、第２金属５の第１金属７の
表面における露出と酸化は、均一なはんだ付けを実現す
る観点から避けられなけれねばならない。このために
は、多層金属層８は４８０℃を越える温度のもとで熱処
理することは避ける必要がある。なお、多層金属層８の
熱処理は、酸化防止の観点から、水素，窒素，不活性ガ
ス（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒ，Ｒｎ），炭酸ガ
ス，一酸化炭素ガス等の気相雰囲気、又はこれらの気層
を任意に組み合わせた雰囲気中で行うことが必要であ
る。

【００２４】〔実施例 ２〕本実施例では、実施例１で
作製した半導体チップ１０を用いた半導体装置について
説明する。

【００２５】図６に半導体装置５０の断面を示す。半導
体基体１はＡｌ層２とＣｒ層３との積層体からなる第２
金属５を介して、組成Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ ｗｔ
％Ｎｉ−０.０５ ｗｔ％Ｐ、厚さ１００μｍのはんだ層
９により、ＮｉめっきしたＣｕ支持体１１に固着されて
いる。この半導体装置５０は、チップ１０（図１）と支
持体１１の間にシート状はんだ材を介装し、水素雰囲気
中で２８０℃に加熱して得た。ここで注意すべき点は、
Ｃｒ層３とはんだ層９とが直接接触し、両者が冶金的に
結合されていることである。はんだ付け以前に積層され
ていたＮｉ層２は金属を溶解しやすいＳｎを多量に含む
上記はんだ層９の材質によって侵食され、接着界面から
消失した。同様に、はんだ付け以前に積層されていたＡ
ｇ層６も界面から消失している。このことは、Ａｇ層６
の表面に第２金属あるいは280℃までの熱処理によって
も分解しない第２金属酸化物を含んでいないため、はん
だ層９と多層金属層８との間の溶解反応が促進されたこ
とを意味する。この場合のＣｒ層３には、はんだ層９が
ぼ全面にわたりぬれていた。また、半導体基体１と支持
体１１の間に剪断力を印加したところ、はんだ層で破壊
を生じた。この時の破壊強度は約４.５kg／mm²で、後述
する比較例半導体装置より強固であることが確認され
た。さらに、半導体装置５０に間欠通電して、支持体１
１の温度を３０〜１００℃の間で繰返し変化させた。こ
の場合、支持体１１は装置５０のコレクタ電極と、基体
１から発生された熱の放熱体を兼ねている。この間欠通
電を３００００回繰返した後の基体１と支持体１１の間
熱抵抗は、初期値の１.２ 倍で、ほとんど変化していな
かった。このことは、熱ストレスの印加が繰返えされて
も、ダイボンディング部は強固な接着性と良好な放熱性
が維持されていたことを意味する。

【００２６】一方、温度５５０℃で熱処理した比較用半
導体チップを同様の手順により支持体１１にはんだ付け
して、比較用構造体を作製した。図７に比較用構造体の
断面を示す。半導体基体１がＡｌ層２とＣｒ層３との積
層体からなる第２金属５を介してはんだ層９により支持
体１１に固着されている点は実施例半導体装置(図６)と
同様である。しかし、多層金属層８の局所領域には第１
及び第２金属が反応して変質領域８′が形成され、この
部分ではんだ層９と冶金的結合をしていない点が実施例
半導体装置５０の場合と異なる。また、半導体基体１と
支持体１１の間に剪断力を印加したところ、はんだ層領
域９で破壊９９を生じた。この時の破壊強度は約１.５k
g／mm²で、ダイボンディング部の接着性は前述した実施
例半導体装置５０の場合よりより劣ることが確認され
た。チップ側の破壊面９９をEPMA分析したところ、領域
８′からはＡｇ，Ｎｉ，ＣｒそしてＡｌが検出された。
また、領域８′からははんだ層９の主成分であるＳｎは
検出されなかった。これは上述したように、領域８′の
表面に第２金属の酸化物が形成されていたため、はんだ
層９による多層金属層８の溶解反応が阻止されたためで
ある。剪断破壊強度が低かったのは、このような非接着
領域が存在したためである。さらに、比較用構造体に間
欠通電して、支持体１１の温度を３０〜１００℃の間で
繰返し変化させた。この場合も、支持体１１はコレクタ
電極と、基体１から発生された熱の放熱体を兼ねてい
る。この間欠通電を３００００回繰返した後の基体１と
支持体１１の間熱抵抗は、初期値の２.５ 倍と大幅に変
化した。このことは、熱ストレスの印加が繰返えされる
と、ダイボンディング部は強固な接着性と良好な放熱性
を維持できなくなることを意味する。間欠通電試験によ
る破壊部は、剪断強度試験の場合とほぼ同じはんだ領域
で生じていた。

【００２７】図８に、熱処理を施した多層金属層８の表
面における、第２金属の濃度又は第２金属酸化物の濃度
と熱抵抗比の関係を示す。ここで熱抵抗比は、第２金属
の濃度又は第２金属酸化物の濃度が０.０１ ｗｔ％の半
導体チップ１０を用いて製作した半導体装置５０の熱抵
抗値を基準にして示す。第２金属の濃度（曲線Ａ）が５
ｗｔ％又は第２金属酸化物の濃度（曲線Ｂ）が１ｗｔ％
までは、熱抵抗比は１を示している。しかし、第２金属
の濃度が５ｗｔ％又は第２金属酸化物の濃度が１ｗｔ％
を越えると、熱抵抗比は増大している。熱抵抗比の増大
は多層金属層８とはんだ層９の間の非接着領域が増大し
ていることを意味し、これにともなって熱伝導が阻害さ
れることを意味する。半導体装置５０の放熱性を確保す
る観点から選択される、多層金属層８の表面における好
ましい第２金属の濃度は５ｗｔ％以下であり、そして好
ましい第２金属酸化物の濃度は１ｗｔ％以下である。

【００２８】〔実施例 ３〕本実施例では、実施例２に
おいて、はんだ層９としてＰｂ−５ｗｔ％Ｓｎを用いた
半導体装置５０について説明する。

【００２９】図９は半導体装置５０の断面図を示す。基
体１がＡｌ層２，Ｃｒ層３を介して支持板１１にはんだ
付けされていることは前記実施例２と同様であが、はん
だ層９はＣｒ層３とは直接には接触しておらず、Ｎｉ層
４を介している。これは、はんだ層９に金属を溶解しや
すいＳｎを５ｗｔ％しか含んでいないため、はんだによ
るＮｉの溶解が進まなかったためである。半導体基体１
と支持体１１の間に剪断力を印加したところ、はんだ層
９の領域で破壊を生じた。この時の破壊強度は約２.５k
g／mm²であった。この値は実施例２における約４.５kg
／mm²より劣っているが、これはＰｂ−５ｗｔ％Ｓｎは
んだ層９の破壊強度が実施例２で用いたはんだ材より低
いためである。しかし、実施例２における比較用構造体
の約１.５kg／mm² より優れている。この試験によるチ
ップ側破壊面をＥＰＭＡ分析したところ、その表面から
検出されたのははんだ層９のみであった。このことは、
Ｎｉ層４とはんだ層９は冶金的に結合されていたことを
意味する。また、半導体装置５０に実施例２と同様の間
欠通電試験を施したが、３００００回後の熱抵抗は初期
値の１.４ 倍を示した。

【００３０】一方、実施例２において示した比較用半導
体チップを同様の手順により支持体１１にはんだ付けし
て、比較用構造体を作製した。この構造体の半導体基体
１と支持体１１の間に剪断力を印加したところはんだ層
領域で破壊を生じたが、この時の破壊強度は約１.５kg
／mm²で本実施例半導体装置５０より劣っていた。チッ
プ側の破壊面をＥＰＭＡ分析したところ、Ｎｉ層４とは
んだ層９は冶金的にはほとんど結合されていないことが
確認された。これは上述したように、多層金属層８の表
面に第２金属や第２金属酸化物が露出していたため、多
層金属層８とはんだ層９の冶金的結合が阻止されたため
である。剪断破壊強度が低かったのは、このような非接
着領域が存在したためである。さらに、比較用構造体に
間欠通電して、支持体１１の温度を３０〜１００℃の間
で繰返し変化させた。この場合も、支持体１１はコレク
タ電極と、基体１から発生された熱の放熱体を兼ねてい
る。この間欠通電を３００００回繰返した後の基体１と
支持体１１の間熱抵抗は、初期値の３.５ 倍と大幅に変
化した。このことは、熱ストレスの印加が繰返えされる
と、ダイボンディング部は強固な接着性と良好な放熱性
を維持できなくなることを意味する。間欠通電試験によ
る破壊部は剪断強度試験の場合とほぼ同じはんだ領域で
生じていた。

【００３１】〔実施例 ４〕本実施例では、半導体基体
としてのＩＧＢＴ素子基体１を搭載した半導体装置、５
０を電子装置に用いた例について説明する。

【００３２】図１０にＩＧＢＴ素子基体１を搭載した１
２００Ｖ，７５Ａ級の絶縁型半導体装置９００の要部俯
瞰図を示す。図において、Ｃｕ支持板（Ｎｉめっき：３
μｍ、４０mm×９５mm×３mm）１２５上に、３１mm×６
０mm×０.６３mm の窒化アルミニウム絶縁基板１２２
が、Ｐｂ−５０ｗｔ％Ｓｎはんだ１２４（図示を省略、
厚さ：２００μｍ）により接着され、絶縁基板１２２上
には支持板１２５と同様のＮｉめっきを施したＣｕ熱拡
散板５５が２個並んでＰｂ−５０ｗｔ％Ｓｎはんだ１２
３（図示を省略、厚さ：２００μｍ）により接着され、
熱拡散板５５にはＩＧＢＴ素子（１３mm×１３mm×０.
５mm ）１がダイオード素子（１０mm×１０mm×０.５m
m)１′とともにＳｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ
−０.０５ｗｔ％Ｐはんだ層９（図示を省略、厚さ：２
００μｍ）により接着されている。各素子１，１′には
Ａｌ線（直径：５００μｍ）１１７によるワイヤボンデ
ィングが施され、エミッタ電極１３ｂ，ゲート電極１３
ｃに接続されている。銅条片からなるこれらの電極１３
ｂ，１３ｃは、３mm×２３mm×２mmのアルミナ条片１１
４にろう層（図示を省略、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６
ｗｔ％Ｎｉ−０.０５ｗｔ％Ｐ、厚さ：２００μｍ）１
３′により接着され、アルミナ条片１１４は同じろう材
（図示を省略）１４′により熱拡散板５５に接着されて
いる。ＩＧＢＴ素子基体１及びダイオード素子基体１′
がダイボンディングされるべき面には、前記実施例１と
同様にＡｌ層２，Ｃｒ層３，Ｎｉ層４及びＡｇ層６から
なる多層蒸着層８が形成されたものである。しかし、は
んだ層９によって接着された後は、Ｎｉ層４及びＡｇ層
６が接着界面部から消失している。

【００３３】熱拡散板５５は、コレクタ電極１３ａを担
う。コレクタ電極１３ａ，エミッタ電極１３ｂ，ゲート
電極１３ｃには、それぞれ外部端子１１６，１１６′や
中継端子１２６が設けられ、更に各素子１，１′、熱拡
散板５５等が外気から完全に遮断されるように、エポキ
シ系樹脂製ケース（図示を省略）を設けるとともに同ケ
ース内にシリコーンゲルやエポキシ樹脂を充填，硬化さ
せて半導体装置９００を得た。この半導体装置９００
は、図１１に示した回路を構成している。なお、本実施
例では特性を比較するため、実施例２における比較用半
導体チップを用いた試料も作製した。半導体装置９００
は最終的に、図１２に示す電動機の回転数制御用インバ
ータ装置に組み込まれた。

【００３４】半導体装置９００のＩＧＢＴ素子１−銅支
持板１２５間の熱抵抗は、０.３０Ｗ／℃と低い値が得
られた。低熱抵抗化が図られたのは、熱流路をＣｕ熱拡
散板５５や窒化アルミニウム１２２等の高熱伝導性部材
で構成したことによる。また、はんだ層９と半導体チッ
プ１０の間の冶金的結合が優れているため、熱の伝導性
が害されないことも低熱抵抗化に寄与している。

【００３５】また、半導体装置９００に間欠通電し、支
持板１２５の温度を３０〜１００℃間で繰返し変化させ
る試験を施した。この試験を３００００回施した後の熱
抵抗は０.３６Ｗ／℃ と若干増加したが、比較試料の同
試験３００００回における０.８４Ｗ／℃ より格段に安
定しており、優れた放熱性が維持されている。このよう
に、本実施例の半導体装置９００が優れた信頼性を示し
た最大の理由は、Ｃｕ熱拡散板５５と半導体基体１，
１′間のはんだ層９の熱疲労破壊が避けられたためであ
る。これは、比較試料の場合のようにはんだ層９とＣｒ
層３の間に冶金的に結合しない領域が形成されていない
ため、熱ストレスの印加によっても界面の接着性が強固
に維持されたためである。

【００３６】このように本実施例によれば、比較試料に
比べて、放熱性を実質上犠牲にせずに半導体装置の信頼
性を向上させることができた。

【００３７】本実施例の半導体装置９００を組み込ん
だ、図１２のインバータ装置を用いて、電動機の回転数
制御を試みた。図１３はスイッチング周波数とＩＧＢＴ
素子１の発熱温度の関係である。スイッチング損失は周
波数を増すにつれ増えるが、商用電源の５０Ｈｚから３
０ｋＨｚまでの間では、素子１が安定して動作する温度
の１２５℃を越えることはなかった。この間、電動機は
特別な異常を伴わずに作動した。

【００３８】また、インバータ装置及び電動機は、電気
自動車にその動力源として組み込まれた。この自動車に
おいては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化でき
たため、ギヤーの噛み込み比率の違いにより変速してい
た従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され
た。更に、この自動車は、０〜２５０ｋｍ／ｈの範囲で
スムーズな走行が可能であったほか、動力源を源とする
振動や騒音の面でも従来の気筒型エンジンを搭載した自
動車の約１／２に軽減することができた。

【００３９】〔実施例 ５〕本実施例では、大型のＣｕ
熱拡散板５５上に多数の半導体基体を搭載した半導体装
置、及びこの半導体装置を電子装置に用いた例について
説明する。

【００４０】本実施例の銅熱拡散板５５は、前記実施例
４と同様にＮｉめっきを施したもので、４７mm×７６mm
×３mmなるサイズを有している。同様のＮｉめっきを施
したＣｕ支持板（９５mm×１１０mm×５mm）１２５上に
Ｐｂ−６０ｗｔ％Ｓｎはんだ（厚さ：２００μｍ）１２
４によりアルミナ絶縁基板(６８mm×８６mm×０.６３m
m）１２２が接着され、更にアルミナ絶縁基板１２２上
にＰｂ−６０ｗｔ％Ｓｎはんだ（厚さ：２００μｍ）１
２３によりＣｕ熱拡散板５５が搭載された。この熱拡散
板５５には、Ｓｎ−５ｗｔ％Ｓｂ−０.６ｗｔ％Ｎｉ−
０.０５ｗｔ％Ｐはんだ（厚さ：２００μｍ）９によ
り、前記実施例４と同様のＩＧＢＴ素子基体（１３mm×
１３mm×０.５mm、６個)１と、ダイオード素子基体（１
３mm×１３mm×０.５mm、２個）１′が接着された。以
下実施例４と同様の部材搭載，配線，パッケージングを
施し、半導体装置９００を得た。装置９００は搭載され
た全ての素子が並列に接続され、等価的に図１４に示す
回路を構成している。

【００４１】以上により得られた半導体装置には、−５
５℃〜＋１５０℃の温度サイクルが３０００回印加され
た。これによる半導体基体１−支持板１２５間熱抵抗
（初期値：０.２８℃／Ｗ)の変化は観測されなかった。

【００４２】次いで、２４個の本実施例半導体装置９０
０が、図１２と同様のインバータ回路に組み込まれた。
ここでは、１相分として８個の半導体装置９００が割り
当てられている。これにより得られたインバータ装置
（電源電圧：１５００Ｖ，ピーク出力電流：６５０Ａ，
平均周波数：２ｋＨｚ）は、電車用の主電動機（１９０
ｋＷ）の速度制御に供された。この結果、走行開始（加
速）時に電動機が発する騒音は平均周波数１.５ｋＨｚ
の場合より１／３低く、そして、短い駅間距離（１.２
ｋｍ)を想定した走行試験でも表定速度４０ｋｍ／ｈと
優れた運行性能が得られた。これは、高周波化されて発
熱の著しい半導体基体１を効率的に冷却できるだけでな
く、同基体を固着しているはんだ層９がたび重なる熱ス
トレスの印加によっても疲労破壊せず、良好な放熱性を
維持できるためである。はんだ層９が疲労破壊しにくい
のは、はんだ層９と多層金属層８の間の冶金的結合が強
固になされたためである。

【００４３】以上に説明したように、本実施例の半導体
装置９００は、電動機の回転速度や移動装置の走行速度
を制御するのに有用である。本実施例と同様の半導体装
置がエレベータ，エスカレータ，ベルトコンベヤー等の
物体を運搬する装置やその装置に組み込まれた場合で
も、電車に組み込まれた場合と同様の効果が得られる。 〔実施例 ６〕本実施例では、一個の基体の中にＩＧＢ
Ｔ素子基体１を６個、ダイオード素子基体１′を６個内
蔵した半導体装置、及びこの半導体装置を電子装置に用
いた例について説明する。

【００４４】Ｃｕ支持板（Ｎｉめっき：３μｍ，５０mm
×６０mm×３mm）１２５上に、４０mm×４０mm×０.６
３mm の窒化アルミニウム絶縁基板１２２が接着され、
絶縁基板１２２上には前記実施例５と同質のＣｕ熱拡散
板（サイズ：３５mm×３５mm×１mmの）５５が１個接着
され、熱拡散板５５には上記半導体基体（１５mm×１５
mm×０.３mm)１，１′が接着されている。基体１，１′
にはＡｌ線（直径：300μｍ）１１７によるワイヤボン
ディングが施され、電極１３ｂ，１３ｃに接続されてい
る。銅条片からなるこれらの電極１３ｂ，１３ｃはアル
ミナ条片１１４にろう付けされ、アルミナ条片１１４は
熱拡散板５５にろう付けされている。以上の積層体を樹
脂封止して半導体装置９００を得た。この半導体装置９
００は、これのみで図１２と同様のインバータ回路を構
成している。

【００４５】半導体装置９００からなるインバータ装置
は、ブラシレス直流電動機とともに家庭用冷暖房機（暖
房時の消費電力：１５０〜１８６０Ｗ，冷房時の消費電
力：２００〜１３７５Ｗ，電源電圧：１００Ｖ）に組み
込まれた。図１５は本実施例のインバータ装置を用いた
電動機の効率（Ａ）を示すグラフで、従来の交流電動機
を用いた場合（Ｂ）と比較して示す。本実施例の場合
は、比較した全回転数範囲で、従来の場合より１０％以
上高い効率を示している。この点は、冷暖房機使用時の
電力消費を低減するのに役立つ。また、室内の温度が運
転開始から設定温度に到達するまでの時間は、本実施例
の場合は従来の交流電動機を用いた場合より約１／２に
短縮された。

【００４６】本実施例と同様の効果は、半導体装置９０
０が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯
機，流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受でき
る。また、同様の半導体装置９００は、電源の整流装置
や照明設備の光量を制御するインバータ装置に組み込ま
れてもよいものである。

【００４７】本発明において、半導体基体１はシリコン
に限られる必要はなく、例えばゲルマニウム，シリコン
とゲルマニウムの混晶、そして砒化ガリウムを代表とす
るIII−Ｖ 族化合物半導体ないしその混晶であっても、
本発明の効果を享受することが可能である。

【００４８】本発明において、Ｃｕ熱拡散板５５はＭ
ｏ，Ｗ，銅−インバー−銅クラッド材，Ｃｕ−Ｍｏ系複
合焼結体，Ｃｕ−Ｃ複合焼結体，炭素焼結体等のように
熱膨張係数が小さく、熱伝導率が高い材料で代替されて
も良いものである。また、Ｃｕ支持板１２５は熱伝導性
が優れることを優先して選択されているが、これの代替
材料として上記熱拡散板と同様の材料を適用てきるだけ
でなく、熱伝導性が高く強度の大きい酸化ベリリウム添
加ＳｉＣ焼結体のようなセラミックスを用いることも可
能である。

【００４９】本発明において、熱拡散板５５に搭載され
る素子は半導体基体に限定されず、例えばコンデンサ，
抵抗体，コイル等が搭載されても良い。

【００５０】本発明において、絶縁型半導体装置の電気
回路は、図１１，図１２及び図１４に示したものに限定
されない。半導体装置の内部で種々の電気回路が設けら
れていることは、これを電子装置に用いる上で支障にな
るものではない。また、半導体装置の内部の電気回路に
受動素子が組み込まれていることも、好ましいことであ
る。

【００５１】本発明において、多層金属層８に施される
熱処理には、第１及び第２金属の被着過程、即ち蒸着や
スパッタリングにおいて必然的に加熱される熱工程も含
まれる。

【００５２】本発明において、絶縁型半導体装置の支持
板１２５は、絶縁基板１２２との間の熱膨張係数差を軽
減して、はんだ層１２４の熱疲労寿命を高めるため、銅
−インバー−銅クラッド材，インバー板に設けた多数の
貫通孔にＣｕを埋め込んだ複合材，Ｃｕ−Ｍｏ系複合焼
結体，Ｃｕ−Ｃ複合焼結体，Ｍｏ，Ｗ，炭素焼結体等の
ように熱膨張係数が絶縁基板１２２のそれに近似し、熱
伝導率が高い材料で代替されても良い。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、多層金属層の相互作用
を抑制することによって半導体チップの均一なはんだ付
けを可能にし、強固な接着性と優れた信頼性を付与でき
る、半導体チップとその製法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体チップの断面図である。

【図２】２次イオン質量分析による多層金属層のデプス
プロファイルを示す図である。

【図３】不均一はんだ付けのメカニズムを示す図であ
る。

【図４】多層金属層の２次イオン質量分析によるデプス
プロファイルを示す図である。

【図５】熱処理温度と多層金属層の表面のＸ線回折によ
る〔第２金属／Ａｇ〕Ｘ線強度比を示す図である。

【図６】半導体装置の断面図である。

【図７】比較用構造体の断面図である。

【図８】第２金属又は第２金属酸化物の濃度と熱抵抗比
の関係を示す図である。

【図９】半導体装置の断面図である。

【図１０】絶縁型半導体装置の要部俯瞰図である。

【図１１】半導体装置の回路を示す図である。

【図１２】半導体装置が組み込まれたインバータ装置の
回路を示す図である。

【図１３】スイッチング周波数と半導体素子の発熱温度
との関係を示す図である。

【図１４】一実施例の半導体装置の回路を示す図であ
る。

【図１５】電動機の効率を示す図である。

【符号の説明】

１，１′…半導体基体、５…第２金属、７…第１金属、
８…多層金属層、９，１１３，１２３，１２４…はんだ
層、５５…熱拡散板、１１４，１２２…アルミナ条片、
１１５…電極材、１１６，１１６′…端子、１２５…支
持板、１２６…中継端子。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基体と、この半導体基体が支持体に
   ダイボンディングされる面に設けられ、最表面部にＡ
   ｇ，Ａｕの群から選択された少なくとも１種を主成分と
   する第１金属と、この第１金属と上記半導体基体の中間
   に在ってＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，
   Ｐｄ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群から選択
   された少なくとも１種を主成分とする第２金属からなる
   積層金属層とを有し、上記第１金属の表面における上記
   第２金属の濃度が５ｗｔ％以下であることを特徴とする
   半導体チップ。
2. 【請求項２】請求項１において、上記第１金属の表面に
   おける上記第２金属の酸化物の濃度が１ｗｔ％以下であ
   ることを特徴とする半導体チップ。
3. 【請求項３】半導体基体のダイボンディングされる面の
   最表面部にＡｇ，Ａｕの群から選択された少なくとも１
   種を主成分とする第１金属と、第１金属と半導体基体の
   中間に在ってＮｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐ
   ｔ，Ｐｄ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｈｆの群から
   選択された少なくとも１種を主成分とする第２金属とか
   らなる積層金属層を被着し、上記第１金属の表面におけ
   る上記第２金属の濃度が５ｗｔ％以下になる温度で熱処
   理することを特徴とする半導体チップの製法。
4. 【請求項４】請求項３において、上記第１金属の表面に
   おける上記第２金属の酸化物の濃度が１ｗｔ％以下にな
   るように熱処理することを特徴とする半導体チップの製
   法。
5. 【請求項５】請求項３において、上記半導体基体がIV
   族、III−Ｖ 族元素からなる結晶体であることを特徴と
   する半導体チップの製法。