JP2022029328A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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正三 越智
Shozo Ochi
秀敏 北浦
Hidetoshi Kitaura
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

【課題】金属ナノ粒子を用いる焼結接合技術において、接合層の信頼性が良好な半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】絶縁基板（２）と、絶縁基板（２）上に設けられた電極（３）と、電極（３）上に設けられ、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる接合層（５）と、接合層（５）を介して電極（３）に接合された半導体素子（６）と、を備え、接合層（５）の層厚が、２２０μｍ以上７００μｍ以下である、半導体装置（１）である。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。
車載充電器のインバータ制御などに用いられる電力変換用半導体装置には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－ｏｘｃｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、ダイオードなどの縦型半導体素子が搭載されている。これらの半導体素子の表面および裏面には金属メタライズによる電極が形成されており、一般的な半導体装置の場合、半導体素子の裏面側の裏面電極と回路基板とがはんだ接合部を介して接続される。
電力変換用半導体装置に用いられる接合材料には、半導体素子の発熱量が増大する傾向にあるため、高耐熱性能が望まれている。しかしながら、現状では鉛フリーで且つ高耐熱性能を有するはんだ材料は見出されていない。そのため、はんだ接合に代わる材料接合技術として、金属粒子の焼結現象を利用した焼結接合技術を、電力変換用半導体装置に適用することが検討されている。焼結接合技術に用いられる焼結接合材料は、金属粒子と有機成分から構成されている。焼結接合技術では、焼結接合材料に含まれる金属粒子の焼結現象によって形成される多孔質形状の接合層により、被接合部材との接合を行う。
一般に、金属粒子の粒径がナノメートルサイズまで小さくなり、粒子あたりの構成原子数が少なくなると、粒子の体積に対する表面積の影響が急激に増大し、バルク状態に比較して融点や焼結温度が大幅に低下することが知られている。このような金属ナノ粒子の低温焼結性を利用した焼結接合技術が種々報告されている。
例えば、特許文献１には、金属超微粒子よりなる粒子層を基材の表面に設けた接合材において、基材を金属で構成したときに、金属結合を確保するのに適した接合材構造が開示されている。特許文献２には、電子部材同士が接合層を介して電気的に接続されている半導体装置であって、接合層は、１００ｎｍよりも小さな結晶粒を含むＡｇマトリックスと、Ａｇマトリックス中に分散しＡｇよりも硬度が高い金属Ｘからなる分散相とを含む半導体装置が開示されている。特許文献３には、絶縁板と、絶縁板上に設けられ、凹部を有する電極と、電極上に設けられた平均粒径が１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の金属粒の焼結体からなる接合層と、接合層を介して電極に接合された半導体素子と、を備え、凹部は、電極と接合層との接合面の端部に至らない半導体装置が開示されている。
特開２００７－２１４３４０号公報 特開２０１２－１２４４９７号公報 特許第６６３２６８６号公報
上記特許文献１および特許文献２に開示された従来の半導体装置では、例えば１７５℃～３００℃などの高温と、低温との繰り返しによって生じる回路基板の電極と接合層との熱応力によって、接合層にクラックが生じて良好な接合信頼性が得られない場合があった。
特許文献３に開示された従来の半導体装置では、クラックを局所的な位置に意図的に発生させることにより、接合層全体にかかる応力を緩和している。しかしクラックが存在することで亀裂進展が生じ、良好な接合信頼性が得られない場合があった。
本開示は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、金属ナノ粒子を用いる焼結接合技術において、接合層の信頼性が良好な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示の実施形態に係る半導体装置は、
絶縁基板と、
前記絶縁基板上に設けられた電極と、
前記電極上に設けられ、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる接合層と、
前記接合層を介して前記電極に接合された半導体素子と、を備え、
前記接合層の層厚が、２２０μｍ以上７００μｍ以下である。
本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、
絶縁基板に接合された電極上に、金属ナノ粒子が含まれる第１の焼結接合材料を印刷する工程と、
前記第１の焼結接合材料の上に、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる第２の接合層を載置する工程と、
前記第２の接合層の上に、金属ナノ粒子が含まれる第３の焼結接合材料を印刷する工程と、
前記第３の焼結接合材料の上に半導体素子を載置する工程と、
前記前記半導体素子を載置後に加圧しながら加熱して、前記第１の焼結接合材料と前記第３の焼結接合材料とを焼結させて、前記第２の接合層を含む焼結接合層を形成し、前記焼結接合層を介して前記電極と前記半導体素子とを接合する工程と、
を含む。
本開示の実施形態によれば、金属ナノ粒子を用いる焼結接合技術において、接合層の信頼性が良好な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
図１は、本開示の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図２は、本開示の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 図３は、本開示の実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 図４（ａ）～（ｆ）は、本開示の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 図５（ａ）～（ｆ）は、本開示の実施形態に係る第２の接合層の製造方法を示す図である。
本開示の実施形態に係る半導体装置は、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる接合層の層厚が従来よりも厚いため、高温環境下での使用であっても、接合層に生じ得るクラックを抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
特許文献１～３に開示されている従来の技術のように、金属ナノ粒子を含む焼結接合材料を単純に電極上に印刷して加熱しただけでは、層厚の厚い接合層を得ることは困難であった。これは、焼結接合材料が金属ナノ粒子を含む場合には、後述するように電極上にメタルマスクを配置し焼結接合材料を厚く印刷しても、加熱後にメタルマスクを除外した際に、形成された接合層が外側にだれてしまうためである。
本発明者らは上記事情に鑑みて鋭意検討を行い、金属ナノ粒子を用いる焼結接合技術において、接合層の層厚が従来よりも厚い半導体装置を完成させた。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。しかし、本開示の半導体装置は、この図面の形態に限定されず、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々の形態を採用し得る。なお、同じ構成要素については、同じ符号を付しており説明を省略する場合がある。
図１および図２は、本開示の実施形態に係る半導体装置１の断面図である。図３は、本開示の実施形態に係る半導体装置１の平面図である。
＜1.構成＞
本開示の実施形態に係る半導体装置１は、図１～図３に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２上に設けられた電極３および電極４と、電極３上に設けられ、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる接合層（焼結接合層）５と、接合層５を介して電極３に接合された半導体素子６と、を備える。
＜１－１．絶縁基板＞
絶縁基板２は、電極３と電極４と接合層５と半導体素子６とを支持する。絶縁基板２は、特に限定されないが、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどのセラミック基板を使用することができる。
＜１－２．電極＞
電極３は、パターニングされた配線電極である。電極４は、ヒートスプレッダのような放熱部材（図示省略）が下部に設けられる電極である。電極３および電極４の材料は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）であることが好ましい。導電性に優れた銅、アルミニウムなどの材料を用いることで、半導体装置１の電気特性が向上する。また、電極３には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉおよびＮｉのいずれかのめっき処理もしくはスパッタ処理が施されてもよい。すなわち、電極３の金属材料とは異なる金属層（図示省略）が、電極３上に設けられ、この金属層の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉおよびＮｉのいずれかであってもよい。これにより、電極３と接合層５との接合性が良好になり、高温環境下においても優れた接合信頼性を有する半導体装置１を得ることができる。なお、電極は、図１および図２の通り、絶縁基板２の両面、または絶縁基板２のいずれか一方の表面に設けられていればよい。よって例えば、電極４を省略し、放熱部材（図示省略）が絶縁基板２に直接接合されていてもよい。
＜１－３．接合層＞
接合層（焼結接合層）５は、電極３と半導体素子６とを接合する。接合層５は、有機溶剤中に金属ナノ粒子を分散させた焼結接合材料を電極３上に印刷し、加圧しながら加熱することにより、複数の金属ナノ粒子を焼結結合させて形成される。これにより、接合層５は、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる。
金属粒の材料は、Ａｇであることが好ましい。Ａｇナノ粒子を含む焼結接合材料を焼結して多孔質形状の接合層を形成することにより、例えば１７５～３００℃などの高温と、低温との繰り返しによって生じる電極３と接合層５との熱応力を緩和し、良好な接合信頼性を得ることができる。
金属粒の平均粒径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。焼結体の金属粒の平均粒径を小さくすることにより、接合層５の変形能が高くなり、高温環境下でも十分な伸び率が得られ、良好な接合信頼性を得ることができる。一方、焼結体の金属粒の平均粒径が過剰に小さいと、金属粒の焼結結合が不十分となり、接合強度不足となる。そのため、平均粒径は、１０ｎｍ以上が好ましい。金属粒の平均粒径を小さくするには、使用する焼結接合材料に含まれる焼結前の金属ナノ粒子の平均粒径が小さい必要がある。焼結前の金属ナノ粒子の平均粒径は、５０ｎｍ以下であることが特に望ましい。なお、金属粒の平均粒径は、例えばＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）のように、高倍率で分解能の高い装置を用いて測定することができる。具体的には、例えば、ＳＥＭ画像中またはＴＥＭ画像中に任意に直線を引き、この直線が横切る対象となる複数の金属粒の各面積を求め、その各面積から各円相当直径を求め、その総和を算出する。これを、任意の５視野について行い、合計で２００個以上の円相当直径を算出する。５視野中の円相当直径の総和を測定対象の金属粒の数で除した値を金属粒の平均粒径とすることが好ましい。または、金属粒の平均粒径は、例えば電子線後方散乱回析法（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によっても測定することができる。この場合、結晶粒界を結晶方位５°以上と定義し、個々の金属粒の面積を求め、その面積から円相当直径を求める。そして、求めた円相当直径の平均値を金属粒の平均粒径とすることが好ましい。
接合層５の層厚は、２２０μｍ以上７００μｍ以下である。接合層５の層厚が２２０μｍ以上であることにより、例えば１７５℃～３００℃などの高温と、低温との繰り返しによって生じる電極３と接合層５との熱応力を緩和し、良好な接合信頼性を得ることができる。接合層５の層厚が７００μｍ以下であることにより、焼結接合材料を印刷する際の気泡の発生、もしくは印刷直後の周辺部のダレを防ぎ、安定した形状を維持することで、良好な接合信頼性を得ることができる。上述の効果をより有効に発揮させるため、接合層５の層厚は、好ましくは２９０μｍ以上、より好ましくは３５０μｍ以上である。また、接合層５の層厚は、好ましくは５２０μｍ以下、より好ましくは４６０μｍ以下である。
接合層（焼結接合層）５の形態は、層厚が大きく、接合信頼性を向上させることができるのであれば、特に限定されない。例えば、断面視において、接合層５の側面がテーパー形状であってもよい。例えば、図１に示すように、断面視において、接合層５の側面が階段状の段差を有していてもよい。例えば、接合層５は、複数の接合層が積層されていてもよい。例えば、図２に示すように、接合層５は、複数の接合層が積層されている形態であると共に、接合層５の側面が階段状の段差を有していてもよい。図２では、接合層の一実施形態として、接合層５は、電極３上に設けられた第１の接合層７と、第１の接合層７の上に設けられた第２の接合層８と、第２の接合層８の上に設けられた第３の接合層９と、を備える。以下に、図２で示した半導体装置１について詳細に説明する。
第１の接合層７および第３の接合層９の層厚は、それぞれ１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。第１の接合層７および第３の接合層９の層厚がそれぞれ１０μｍ以上であることで、高温環境下での使用において、低温と高温の繰り返しによって生じる電極３と接合層５との熱応力を緩和し、良好な接合信頼性を得ることができる。第１の接合層７および第３の接合層９の層厚がそれぞれ１００μｍ以下であることにより、第１の接合層７および第３の接合層９の焼結前の第１の焼結接合材料および第３の焼結接合材料の焼結時に、焼結体の収縮量が緩和される。これにより、電極３と接合層５の間に発生する応力を緩和し、安定した形状を保持することができる。上述の効果をより有効に発揮させるため、第１の接合層７および第３の接合層９の層厚は、それぞれより好ましくは４０μｍ以上、更により好ましくは５０μｍ以上である。また、第１の接合層７および第３の接合層９の層厚は、それぞれより好ましくは７０μｍ以下、更により好ましくは６０μｍ以下である。
第２の接合層８の層厚は、２００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。第２の接合層の層厚が２００μｍ以上あることで、例えば１７５℃～３００℃などの高温と、低温との繰り返しによって生じる回路基板の電極と接合層との熱応力を緩和し、良好な接合信頼性を得ることができる。第２の接合層の層厚が５００μｍ以下であることにより、第２の接合層８の焼結前の第２の焼結接合材料の焼結時に、焼結体の収縮量を緩和し、安定した形状を保持することができる。上述の効果をより有効に発揮させるため、第２の接合層８の層厚は、より好ましくは２５０μｍ以上、更により好ましくは３００μｍ以上である。また、第２の接合層８の層厚は、より好ましくは４５０μｍ以下、更により好ましくは４００μｍ以下である。第２の接合層８の層厚は、第１の接合層７および第３の接合層９の各々の層厚よりも大きいことが好ましい。これにより、接合層５の層厚を大きくし、接合信頼性を向上させることができる。
図３に示すように、第１の接合層７、第２の接合層８および第３の接合層９の各々は、平面視で矩形状である。図２では、正方形である。第１の接合層７と第２の接合層８と第３の接合層９の平面視の面積は、下記式（１）を満たすことが好ましい。
第１の接合層≧第２の接合層≧第３の接合層 ・・・（１）
これにより、第１の接合層７の上に第２の接合層８を形成する際に、位置精度のバラツキや寸法バラツキによるはみ出しを抑制することができる。また、第２の接合層８の上に第３の接合層９を形成する際にも同様に、位置精度のバラツキや寸法バラツキによるはみ出しを抑制することができる。
また、上記式（１）を満たす場合に、図２に示すように、半導体装置１は、第１の接合層７、第２の接合層８および第３の接合層９の側面で構成される階段状の段差を有することが好ましい。これにより、上層が下層からはみ出すことがなく、より確実に積層させることができる。
なお、図２における接合層５の層間（すなわち、第１の接合層７と第２の接合層８との界面、および第２の接合層８と第３の接合層９との界面）が認識できない場合、図１に相当し得る。
＜１－４．半導体素子＞
半導体素子６の材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ガリウムヒ素およびダイヤモンドのいずれかであることが好ましい。これらのワイドバンドギャップ半導体材料で形成された半導体素子６は、ケイ素で形成された半導体素子よりも動作限界のジャンクション温度が高いため、高温環境での使用が可能となる。ケイ素で形成された半導体素子を用いた半導体装置は、概ね１５０℃以下となる状態でしか使用することができないが、これらのワイドバンドギャップ半導体材料で形成された半導体素子６を用いた半導体装置１は、２５０℃～３００℃といった高温でも使用が可能である。
＜１－５．寸法＞
上述した各部材のサイズは、特に限定されないが、好ましい一例として、絶縁基板２が２４ｍｍ×２４ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ、電極３および電極４が２２ｍｍ×２２ｍｍ×厚さ０．８ｍｍ、第１の接合層７が７ｍｍ×７ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍ、第２の接合層８が６ｍｍ×６ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍ、第３の接合層９が５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍ、半導体素子６が５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍであることが挙げられる。
＜１－６．作用効果＞
上述の構成によれば、接合層５の層厚が従来よりも厚いため、電極３と接合層５との熱膨張差により発生する応力を低減することが可能となり、接合層５に発生し得るクラックを抑制し、接合信頼性の高い半導体装置１を提供することが可能となる。具体的には、例えば１７５℃～３００℃などの高温と、低温との繰り返しによって生じる電極３と接合層５との熱応力を緩和し、良好な接合信頼性を得ることができる。より具体的な一例として、－４０℃～２００℃の間の低温および高温の繰り返しを１０００サイクル行っても、接合層に生じ得る熱応力を抑制し、クラックの発生を抑制して接合信頼性を向上させることができる。
＜２．製造方法＞
次に、本開示の実施形態に係る半導体装置１の製造方法について説明する。図４は本開示の実施形態に係る半導体装置１の製造方法を示す図である。
まず、図４（ａ）に示すように、絶縁基板２と、絶縁基板２に接合された電極３および電極４と、からなるＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）基板を準備する。そして、電極３上にメタルマスク３４を配置し、金属ナノ粒子が含まれる第１の焼結接合材料３１を印刷する。メタルマスク３４の厚みは、例えば０．１ｍｍである。
次に、図４（ｂ）に示すように、第１の焼結接合材料３１の溶剤成分を乾燥させた後、メタルマスク３４を除去する。
次に、図４（ｃ）に示すように、第１の焼結接合材料３１の上に、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる第２の接合層８を載置する。第２の接合層８の製造方法は、後述する。
次に、図４（ｄ）に示すように、第２の接合層８の上にメタルマスク３５を配置し、金属ナノ粒子が含まれる第３の焼結接合材料３３を印刷する。メタルマスク３５の厚みは、例えば０．１ｍｍである。
次に、図４（ｅ）に示すように、第３の焼結接合材料３３の溶剤成分を乾燥させた後、メタルマスク３５を除去する。
次に、図４（ｆ）に示すように、第３の焼結接合材料３３の上に半導体素子６を載置する。その後、加圧しながら加熱して、第１の焼結接合材料３１および第３の焼結接合材料３３を焼結させる。これにより、第２の接合層８を含む接合層（焼結接合層）５が形成される。図４（ｆ）では、第１の焼結接合材料３１および第３の焼結接合材料３３が焼結されて、それぞれ第１の接合層７および第３の接合層９が形成されている。これにより、第１の接合層７と第２の接合層８と第３の接合層９とが積層されて、接合層（焼結接合層）５が形成されている。この時、第１の焼結接合材料３１と第３の焼結接合材料３３は、焼結により平面方向に５％、厚み方向に５０％収縮し得る。加熱条件は、６０℃で３０分保持の予備加熱を行った後、２７０℃まで７０分で昇温し、２７０℃で６０分保持とすることが好ましい。
以上のようにして、接合層５（第１の接合層７と第２の接合層８と第３の接合層９）を介して電極３と半導体素子６が接合し、半導体装置１が製造される。なお、図４（ｆ）では、接合層５が複数の接合層により積層されている半導体装置１が示されているが、接合層５の層間が認識できない場合、図１に示したような半導体装置１が製造される。
次に、本開示の実施形態に係る第２の接合層８の製造方法について説明する。図５は、本開示の実施形態に係る第２の接合層８の製造方法を示す図である。
まず、図５（ａ）に示すように、支持基盤４１を準備する。支持基盤４１は、ガラス、銅、真鍮などで形成されていることが好ましい。
次に、図５（ｂ）に示すように、支持基盤４１の上に第１の離型剤４３ａをスプレー塗布し、１００℃、６０分で乾燥させる。第１の離型剤４３ａは、例えばボロンナイトライドなどを用いることが好ましい。第１の離型剤４３ａの厚さは、例えば１０μｍ～２０μｍである。
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の離型剤４３ａの上に第２の離型剤４３ｂをスプレー塗布し、１００℃、６０分で乾燥させる。第２の離型剤４３ｂも同様にボロンナイトライドなどを用いることが好ましい。第１の離型剤４３ａおよび第２の離型剤４３ｂの合計厚さは、例えば１５μｍ～３０μｍである。このように離型剤を２度塗りすることによって、ピンホールなどの隙間が塞がり、第２の接合層８の離型性が向上する。
次に、図５（ｄ）に示すように、第２の離型剤４３ｂの上にメタルマスク４４を配置し、金属ナノ粒子が含まれる第２の焼結接合材料４２を印刷する。メタルマスク４４の厚みは、例えば０．５ｍｍである。
次に、図５（ｅ）に示すように、第２の焼結接合材料４２の溶剤成分を乾燥させた後、メタルマスク４４を除去する。
次に、図５（ｆ）に示すように、第２の焼結接合材料４２を加熱し焼結させて、第２の接合層８を形成した後、第２の接合層８を支持基盤４１から離型する。この時、第２の焼結接合材料４２は、焼結により平面方向に５％、厚み方向に５０％収縮し得る。加熱条件は、６０℃で３０分保持の予備加熱を行った後、２７０℃まで７０分で昇温し、２７０℃で６０分保持とすることが好ましい。以上のようにして、第２の接合層８が製造される。
上記の半導体装置１の製造方法によれば、層厚の厚い第２の接合層８が予め準備される。そして、電極３上に第１の焼結接合材料３１を印刷し、その上にこの予め準備しておいた第２の接合層８を載置し、更にその上に第３の焼結接合材料３３を印刷することにより、加熱後に、層厚の厚い接合層（焼結接合層）５を得ることができる。
上述したように、従来の方法では、焼結接合材料を厚く印刷して、一度に膜厚の大きい接合層を得ることは困難であった。さらに、焼結接合材料を厚く印刷した場合、焼結時の寸法収縮が大きくなり、この時点で接合層に負荷される応力が大きくなってしまうことが予想される。上記の半導体装置１の製造方法によれば、第２の接合層８が第１の焼結接合材料３１上に載置される際には、既に第２の接合層８は寸法収縮しているため、第１の焼結接合材料３１および第３の焼結接合材料３３の焼結後の接合層５に負荷される応力は小さくなる。その結果、接合信頼性を向上させることができる。
上記の第２の接合層８の製造方法によれば、第２の焼結接合材料４２が焼結時に収縮するが、離型剤を用いて離型性を向上させることにより、収縮に対応し、割れることなく膜厚の大きい接合層を単体で形成することができる。
本開示の半導体装置は、基板上の電極と接合層との熱膨張差により発生する応力を低減することが可能となり、高温環境下で使用しても接合層の信頼性が良好となり、車載充電器などのインバータ制御に用いられる高性能なパワーモジュールなどに適用できる。
１ 半導体装置
２ 絶縁基板
３、４ 電極
５ 接合層
６ 半導体素子
７ 第１の接合層
８ 第２の接合層
９ 第３の接合層
３１ 第１の焼結接合材料
３３ 第３の焼結接合材料
３４、３５、４４ メタルマスク
４１ 支持基盤
４２ 第２の焼結接合材料
４３ａ、４３ｂ 離型剤

Claims (14)

  1. 絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に設けられた電極と、
    前記電極上に設けられ、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる接合層と、
    前記接合層を介して前記電極に接合された半導体素子と、を備え、
    前記接合層の層厚が、２２０μｍ以上７００μｍ以下である、半導体装置。
  2. 断面視において、前記接合層の側面は、階段状の段差を有する、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記接合層は、
    前記電極上に設けられた第１の接合層と、
    前記第１の接合層の上に設けられた第２の接合層と、
    前記第２の接合層の上に設けられた第３の接合層と、を備え、
    前記第２の接合層の層厚が、前記第１の接合層および前記第３の接合層の各々の層厚よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記第２の接合層の層厚が、２００μｍ以上５００μｍ以下である、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記第１の接合層と前記第３の接合層の層厚が、それぞれ１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項３または請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記第１の接合層と前記第２の接合層と前記第３の接合層の平面視の面積が、下記式（１）を満たす、請求項３～５のいずれか１項に記載の半導体装置。
    第１の接合層の面積≧第２の接合層の面積≧第３の接合層の面積 ・・・（１）
  7. 断面視において、前記第１の接合層、前記第２の接合層および前記第３の接合層の側面で構成される階段状の段差を有する、請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記金属粒の平均粒径が、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記金属粒の材料は、Ａｇである、請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記電極の材料は、ＣｕあるいはＡｌである、請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記電極の金属材料とは異なる金属層が、前記電極上に設けられ、前記金属層の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉおよびＮｉのいずれかである、請求項１～１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体素子の材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ガリウムヒ素およびダイヤモンドのいずれかである、請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
  13. 絶縁基板に接合された電極上に、金属ナノ粒子が含まれる第１の焼結接合材料を印刷する工程と、
    前記第１の焼結接合材料の上に、平均粒径がナノオーダーの金属粒の焼結体からなる第２の接合層を載置する工程と、
    前記第２の接合層の上に、金属ナノ粒子が含まれる第３の焼結接合材料を印刷する工程と、
    前記第３の焼結接合材料の上に半導体素子を載置する工程と、
    前記半導体素子を載置後に加圧しながら加熱して、前記第１の焼結接合材料と前記第３の焼結接合材料とを焼結させて、前記第２の接合層を含む焼結接合層を形成し、前記焼結接合層を介して前記電極と前記半導体素子とを接合する工程と、
    を含む、半導体装置の製造方法。
  14. 前記第２の接合層は、
    支持基盤を準備する工程と、
    前記支持基盤の上に第１の離型剤を塗布して乾燥させる工程と、
    前記第１の離型剤の上に第２の離型剤を塗布して乾燥させる工程と、
    前記第２の離型剤の上に金属ナノ粒子が含まれる第２の焼結接合材料を印刷する工程と、
    前記第２の焼結接合材料を加熱し焼結させて、第２の接合層を形成する工程と、
    前記第２の接合層を前記支持基盤から離型する工程と、
    を含む方法により予め準備される、請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
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