JP7310482B2 - 接合構造及び液相拡散接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合構造及び液相拡散接合方法に関するものである。

基板のＣｕ配線と電子部品との間にＳｎ層を配置して液相拡散接合によりＣｕＳｎによる接合層で基板と電子部品とを接合する技術がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１３－２２９４７４号公報

ところで、例えば、図１９に示すように、Ｃｕ配線１００と半導体チップ１０１との間に接合層１０２が形成された接合構造として、接合層１０２は、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層１０３と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４との２層構造をなすようにすることが考えられる。そのために、図２０に示すように、Ｃｕ配線１００と半導体チップ１０１とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線１００と半導体チップ１０１との間にＳｎ薄膜１０５を挟んだ状態において、例えば３５０℃程度の温度雰囲気下でＣｕ配線１００と半導体チップ１０１とを接合する。つまり、液相拡散接合は、Ｃｕは融点が１０８０℃程度と高く、Ｓｎは２３０℃程度と低く、ＣｕとＳｎが接する状態から温度を上昇させた時に融点の低いＳｎが溶けて液相になることによりＣｕが拡散して接合される。この接合の際に金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５が形成され、Ｃｕ配線側のＣｕ６Ｓｎ５に対しＣｕが更に拡散すると、金属間化合物であるＣｎ３Ｓｎに置き換わる。その結果、Ｃｕ配線側にＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層１０３が形成されるとともに半導体チップ側にＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４が形成される。

ここで、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層１０３と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４のうち、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４にのみ、一定温度を境に相変態が生じる。即ち、Ｃｕ６Ｓｎ５は１８６℃以上の高温域では六方晶に、１８６℃未満では単斜晶に結晶構造が変態する性質がある。接合時には１８６℃以上に加熱されるため、その時点で六方晶となる。その後、冷却されるが、接合炉での冷却速度は速いため、上記の相変態を生じるために必要な時間を満たすことができずに、低温時安定相である単斜晶には変態せずに六方晶のまま存在する。しかし、六方晶は低温時には安定した結晶構造ではないため、不安定な状態であり、徐々に少しずつ単斜晶に相変態を生じる。また、温度上昇によりその相変態の進行は速まることになる。この相変態の際、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４はその体積が２％程度増加する。これにより、歪が生じてクラック発生の一因となり、信頼性が低下する虞がある。

本発明の目的は、接合層においてクラックの発生を抑制することができる接合構造及び液相拡散接合方法を提供することにある。

上記問題を解決する接合構造は、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、前記Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、前記半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすことを要旨とする。

これによれば、接合層は、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

上記問題を解決する接合構造は、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層からなる１層構造であることを要旨とする。

これによれば、接合層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層からなる１層構造であるので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

上記問題を解決する接合構造は、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、前記接合層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とＣｕ６Ｓｎ５とが混在した金属間化合物層からなる１層構造であることを要旨とする。

これによれば、接合層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とＣｕ６Ｓｎ５とが混在した金属間化合物層からなる１層構造であるので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

上記問題を解決する液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｎｉ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。

これによれば、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｎｉ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

上記問題を解決する液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。

これによれば、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

上記問題を解決する液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｎｉ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。

これによれば、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｎｉ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

上記問題を解決する液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。

これによれば、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線と前記半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

ここで、前記Ｃｕ配線上にＳｎ薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にＮｉ薄膜、Ｃｕ薄膜が成膜されており、前記Ｓｎ薄膜の上に前記Ｃｕ薄膜が配置されることにより前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態にするとよい。

上記問題を解決する液相拡散接合方法は、Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを要旨とする。

これによれば、Ｃｕ配線と半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線と半導体チップとが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

ここで、前記Ｃｕ配線上に順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にＮｉ薄膜、Ｃｕ薄膜が成膜されており、前記Ｓｎ薄膜の上に前記Ｃｕ薄膜が配置されることにより前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態にするとよい。

本発明によれば、接合層においてクラックの発生を抑制することができる。

実施形態における接合構造を示す模式図。 接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。 接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＣｕの元素マッピング像を示す図。 接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＳｎの元素マッピング像を示す図。 接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＮｉの元素マッピング像を示す図。 接合部の断面でのＳＥＭ像を示す図。 接合部の断面での反射電子像を示す図。 従来構造における接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＣｕの元素マッピング像を示す図。 従来構造における接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＳｎの元素マッピング像を示す図。 従来構造における接合部の断面でのＳＥＭ像を示す図。 従来構造における接合部の断面での反射電子像を示す図。 別例の接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。 別例の接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。 別例の接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。 別例の接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。 別例における接合構造を示す模式図。 別例における接合構造を示す模式図。 別例における接合構造を示す模式図。 課題を説明するための接合構造を示す模式図。 課題を説明するための接合前の半導体チップと配線基板との関係を示す模式図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、接合構造１０は、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に接合層４０が形成されている。接合層４０は、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなしている。つまり、２層構造をなす金属間化合物（ＩＭＣ）層のうちのＣｕ配線２２側の層４１はＣｕリッチな金属間化合物層であり、半導体チップ３０側の層４２はＳｎリッチな金属間化合物層である。

配線基板２０は、絶縁基板２１の上面にＣｕ配線２２がパターニングされており、絶縁基板２１上にＣｕ配線２２が延びている。半導体チップ３０はシリコン（Ｓｉ）よりなり、縦型のパワートランジスタ等が作り込まれている。そして、縦型のパワートランジスタの裏面電極が配線基板２０のＣｕ配線２２と電気的に接続される。

次に、接合方法について説明する。
図２に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合（ＴＬＰ）方法である。

半導体チップ３０の裏面には裏面電極３１が形成され、裏面電極３１は、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｇ層を順に積層して構成されている。つまり、半導体チップ３０の裏面電極３１は、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇ構造を有する。裏面電極３１の厚さは０．６μｍ程度ある。

Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜５０、Ｓｎ薄膜５１、Ｎｉ薄膜５３、Ｃｕ薄膜５２を挟む。詳しくは、Ｃｕ配線２２上にはＮｉ薄膜５０を介してＳｎ薄膜５１が形成されている。また、半導体チップ３０の裏面電極３１には、Ｃｕ薄膜５２を介してＮｉ薄膜５３が形成されるとともにＮｉ薄膜５３の表面には、濡れ性を確保するためのＡｕ薄膜５４が形成されている。

Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１は、０．５～１．５μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２は、５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３は、０．５～１．０μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４は、０．５～１．０μｍ、Ａｕ薄膜５４の厚さｔ５は、０．１μｍである。

具体的には、例えば、Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１＝０．５μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２＝５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３＝０．５μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４＝１．０μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１＝１．０μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２＝５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３＝０．５μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４＝１．０μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１＝１．５μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２＝５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３＝０．５μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４＝１．０μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１＝０．５μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２＝５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３＝１．０μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４＝０．５μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１＝１．０μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２＝５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３＝１．０μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４＝０．５μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜５０の厚さｔ１＝１．５μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ２＝５μｍ、Ｃｕ薄膜５２の厚さｔ３＝１．０μｍ、Ｎｉ薄膜５３の厚さｔ４＝０．５μｍである。

なお、Ｃｕ薄膜５２はスパッタリングにより形成しており、あまり厚く形成することはできない。
このように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間にＣｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜５０、Ｓｎ薄膜５１、Ｎｉ薄膜５３、Ｃｕ薄膜５２を挟んだ状態において、接合炉に入れる。そして、Ｈ２還元雰囲気で、３００℃以上、例えば３５０℃の温度雰囲気下で、例えば５分間、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。

液相拡散接合は、融点の高いＣｕと融点の低いＳｎがＮｉ薄膜５０を介して接する状態から接合炉において温度が上昇してＳｎが溶けて液相になりＣｕが拡散することによりＣｕ６Ｓｎ５が形成され、その後にＣｕ配線側のＣｕ６Ｓｎ５に対しＣｕ配線２２のＣｕが拡散してＣｎ３Ｓｎに置き換わってＣｕ配線側にＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層が形成されるとともに半導体チップ側にＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層が形成される。

さらに、Ｎｉ薄膜５０及びＮｉ薄膜５３から接合層にＮｉが拡散してＣｕ６Ｓｎ５が（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に変化する。また、Ｃｕ薄膜５２から接合層にＣｕが拡散してＣｕ６Ｓｎ５をＣｕ３Ｓｎに変化させる。

このようにして、図１に示すようなＣｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなす接合層４０が得られる。即ち、接合層としてＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層とＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層による積層構造に対し、Ｃｕ６Ｓｎ５にＮｉを拡散させて（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５にする。また、接合層へのＣｕの拡散量を増加させてＣｕ６Ｓｎ５の割合をできるだけ減らしてやる。

次に、作用について説明する。
接合層にＮｉを拡散させ、クラックの発生原因と推定される温度変化時に相変態を生じるＣｕ６Ｓｎ５を、相変態が生じずに安定した（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に変化させる。

また、接合層へのＣｕ拡散量を増加させ、接合層に生じる２つのＩＭＣ（金属間化合物）のうち、クラックが発生する一方のＩＭＣであるＣｕ６Ｓｎ５を、クラックの発生し難い他方のＩＭＣであるＣｕ３Ｓｎに変化させる。

図８は、図１９に示した従来構造での接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＣｕの元素マッピング像である。一方、本実施形態では、図３に示すように、接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＣｕの元素マッピング像において、２層構造をなす金属間化合物（ＩＭＣ）層のうちのＣｕ配線２２側の層４１はＣｕリッチな金属間化合物層であり、Ｃｕ３Ｓｎになる。半導体チップ３０側の層４２はＳｎリッチな金属間化合物層であり、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５になっていることが分かる。特に、図２のごとく上にＣｕ薄膜５２があるので、Ｃｕの量が多くなっている。即ち、上のＣｕ薄膜５２により（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５になりつつＣｕ３Ｓｎの割合が多くなっている。

図４に示すように、接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＳｎの元素マッピング像において、分析箇所での接合層全体厚に占めるＣｕ３Ｓｎの層厚の割合、即ち、接合層全体に対する比率は、平均約２３％程度である。

図９は、図１９に示した従来構造での接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＳｎの元素マッピング像である。図９に示すように、分析箇所での接合層全体厚に占めるＣｕ３Ｓｎの層厚の割合、即ち、接合層全体に対する比率は、平均約１１％程度である。

図４、図９から、本実施形態では、Ｃｕ３Ｓｎの層厚の割合が従来構造に対して、約２倍増加していることが分かる。
図５に示すように、接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＮｉの元素マッピング像において、２層構造をなす金属間化合物（ＩＭＣ）層のうちの半導体チップ３０側の層４２である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の所にはＮｉが取り込められているので、層４２はＮｉリッチな金属間化合物層であることが分かる。

図４に示すように、接合部の断面でのＦＥ－ＥＰＭＡによるＳｎの元素マッピング像において、図９の従来構造との対比において、図９の従来構造ではクラックが発生したが図４の本実施形態においてはクラックは発生していないことが分かる。

図１９に示した従来構造では、図１０及び図１１に示すように、接合部の断面でのＳＥＭ像及び反射電子像において、接合層にクラックが発生していることが分かる。これに対し本実施形態では、図６及び図７に示すように、接合部の断面でのＳＥＭ像及び反射電子像において、２層構造をなす金属間化合物（ＩＭＣ）層のうちの半導体チップ３０側の層４２にはクラックが発生していないことが分かる。よって、Ｎｉの供給によるクラック抑制効果が生じていることが分かる。

このようにして、Ｓｎ薄膜５１を用いてＳｎを層状配置してＣｕ／Ｓｎ液相拡散接合を行うことにより、鉛フリーで低コストに高温接合を得ることができる。
特に、接合層４０に、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２が生成され、Ｃｕ３Ｓｎと（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の融点は各々、６７６℃、４１５℃と高融点であり、高温接合を可能にする。また、通常のはんだの場合には接合時に溶融しなければならず融点以上に昇温する必要があるが、液相拡散接合（ＴＬＰ）の場合には接合時に融点以上の高温に昇温する必要は無く、Ｓｎの融点２３２～４００℃程度の低温で液相拡散が生じ接合が可能となる。

詳しくは、基板２０側において、基板２０のＣｕ配線２２表面には、Ｎｉ薄膜５０を下層として設け、その上層にＳｎ薄膜５１を設ける。また、半導体チップ３０側にもＮｉ薄膜５３を設ける。これにより、Ｎｉ拡散によってクラックの発生した図１９、図２０及び図８、図９、図１０、図１１でのＩＭＣであるＣｕ６Ｓｎ５を（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５へ変化させて相変態を防止し、体積変化によるクラックの抑制が図られる。

つまり、図１９、図２０、図８、図９、図１０、図１１において、接合層１０２を構成するＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層１０３とＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４のうちのＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４にのみ一定温度を境に相変態が生じる。Ｃｕ６Ｓｎ５は１８６℃以上の高温域では六方晶に、１８６℃未満では単斜晶に結晶構造が変態する性質があり、接合時には１８６℃以上に加熱されるため、その時点で六方晶となり、その後、冷却されるが、自然冷却でなく接合炉でコントロールされながら強制冷却され、その時に接合炉での冷却速度は速いため、相変態を生じるために必要な時間を満たすことができない。そのため、１８６℃未満であっても低温時安定相である単斜晶には変態せずに、六方晶のままで存在する。その結果、六方晶は低温時には安定した結晶構造ではないため、不安定な状態であり、常温で放置しておいても徐々に少しずつ単斜晶に相変態を生じる。また、温度上昇によりその相変態の進行は速まることになる。この相変態の際、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層１０４はその体積が２％程度増加し、歪が生じてクラック発生の一因となる。

本実施形態においては、Ｃｕ配線２２の表面にＮｉ薄膜５０を介してＳｎ薄膜５１を設けるとともに半導体チップ３０側にＮｉ薄膜５３を設けることによりＮｉ拡散によってＣｕ６Ｓｎ５を（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５へ変化させて相変態を防止する。その結果、体積変化による接合層４０でのクラックの発生を抑制することができる。

また、半導体チップ３０側にはＣｕ薄膜５２を成膜する。これにより、Ｃｕ拡散を促進させてＣｕ６Ｓｎ５をＣｕ３Ｓｎに変化させることでＣｕ６Ｓｎ５の割合を低減して相変態を防止し、体積変化によるクラックの抑制が図られる。

このように、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を大幅に抑制し、信頼性が高く、低コストで、作業性が高く、高放熱性の鉛フリー高温接合材を提供することができる。

また、Ｃｕ６Ｓｎ５をＣｕ３Ｓｎに変化させるため、Ｐｂフリー低温はんだであるＳＡＣ３０５（Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだ）は融点が２１７～２２８℃であり、高温ＰｂはんだであるＰｂ５Ｓｎは融点が３０３（３０５）℃であるのに対し、Ｃｕ３Ｓｎは融点が６７６℃であり、Ｃｕ６Ｓｎ５は融点が４１５℃であり、より高融点の接続構造を得ることができる。

また、Ｐｂフリー低温はんだであるＳＡＣ３０５（Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだ）は熱伝導率が２２～５５Ｗ／ｍｋ、層厚が５０～１５０μｍ程度であり、高温ＰｂはんだであるＰｂ５Ｓｎは熱伝導率が３５．２Ｗ／ｍｋ、層厚が５０～１５０μｍ程度であるのに対し、Ｃｕ３Ｓｎは熱伝導率が７０Ｗ／ｍｋであり、Ｃｕ６Ｓｎ５は熱伝導率が３４Ｗ／ｍｋであり、層厚が５～２０μｍ程度であることから、より高放熱の接続構造を得ることができる。

また、Ｐｂフリー低温はんだであるＳＡＣ３０５（Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだ）は電気抵抗率が１１～１５μΩｃｍ、層厚が５０～１５０μｍ程度であり、高温ＰｂはんだであるＰｂ５Ｓｎは電気抵抗率が２０．５μΩｃｍ、層厚が５０～１５０μｍ程度であるのに対し、Ｃｕ３Ｓｎは電気抵抗率が８．９μΩｃｍであり、Ｃｕ６Ｓｎ５は電気抵抗率が１７．５μΩｃｍであり、層厚が５～２０μｍ程度であることから、低抵抗の接続構造を得ることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に接合層４０が形成された接合構造１０として、接合層４０は、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなす。よって、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

（２）Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜５０、Ｓｎ薄膜５１、Ｎｉ薄膜５３、Ｃｕ薄膜５２を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。よって、接合層４０が、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図１２に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜６０、Ｓｎ薄膜６１、Ｃｕ薄膜６２を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するようにしてもよい。

詳しくは、Ｃｕ配線２２上にはＮｉ薄膜６０を介してＳｎ薄膜６１が形成されている。また、半導体チップ３０の裏面電極３１にはＣｕ薄膜６２が形成されるとともにＣｕ薄膜６２の表面にはＡｕ薄膜６３が形成されている。

Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０は、０．５～１．５μｍ、Ｓｎ薄膜５１の厚さｔ１１は、５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２は、０．５～１．０μｍ、Ａｕ薄膜６３の厚さｔ１３は、０．１μｍである。

具体的には、例えば、Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０＝０．５μｍ、Ｓｎ薄膜６１の厚さｔ１１＝５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２＝０．５μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０＝１．０μｍ、Ｓｎ薄膜６１の厚さｔ１１＝５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２＝０．５μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０＝１．５μｍ、Ｓｎ薄膜６１の厚さｔ１１＝５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２＝０．５μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０＝０．５μｍ、Ｓｎ薄膜６１の厚さｔ１１＝５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２＝１．０μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０＝１．０μｍ、Ｓｎ薄膜６１の厚さｔ１１＝５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２＝１．０μｍである。他にも、例えば、Ｎｉ薄膜６０の厚さｔ１０＝１．５μｍ、Ｓｎ薄膜６１の厚さｔ１１＝５μｍ、Ｃｕ薄膜６２の厚さｔ１２＝１．０μｍである。

これによれば、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜６０、Ｓｎ薄膜６１、Ｃｕ薄膜６２を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

図１２において半導体チップ３０側にＣｕ薄膜６２を設けた場合にＣｕ薄膜６２を厚く形成することが困難であるためＣｕ配線２２のＣｕに比べてＳｎ内に拡散供給できる量が少ない。そのため、Ｃｕ６Ｓｎ５の全てをＣｕ３Ｓｎに置き換えるのが困難でどうしてもＣｕ６Ｓｎ５が残存しやすいので、図１２のように、残存したＣｕ６Ｓｎ５にＮｉ薄膜６０のＮｉを取り込ませることで、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とし、クラックの要因となる相変態を抑制することができる。

換言すると、ＮｉのＳｎ内への拡散はＣｕの場合ほどに容易ではなく、その拡散量は限定されるので、Ｃｕ６Ｓｎ５へのＮｉの取り込みは十分ではなく、全てのＣｕ６Ｓｎ５を（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に置き換えにくい。Ｎｉ薄膜６０の厚さを大きくしてＮｉ供給量を増やすことで改善を図ることも考えられるが、その場合でも完全にＣｕ６Ｓｎ５を無くすのは困難である上、Ｎｉ薄膜６０の厚さを大きくするとバリヤ層となり下層のＣｕ配線２２からのＣｕ拡散を阻害してしまいかねない。図２と図１２の対比において、図２では、Ｎｉの供給をＣｕ配線２２側と半導体チップ３０側の上下両方から行うことができる。即ち、上述のようにＮｉのＳｎへの拡散はＣｕに比べて少なく、拡散できたＮｉもＳｎ薄膜内全体に満遍なく広がることが困難である。よって、図１２のＣｕ配線２２側のＮｉ薄膜６０のみでは、Ｓｎ内に拡散する範囲はＣｕ配線２２側に偏りがちで半導体チップ３０側の拡散量は少なく成らざるを得ない。一方、Ｎｉを取り込ませたいＣｕ６Ｓｎ５は半導体チップ３０側に存在する。よって、図１２のＣｕ配線２２側のＮｉ薄膜６０のみでは、半導体チップ３０側に存在するＣｕ６Ｓｎ５を十分に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に置き換えにくい。図２においては、半導体チップ３０側のＮｉ供給量が増えるため、半導体チップ３０側に生じるＩＭＣであるＣｕ６Ｓｎ５の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５への置き換わりが増え、大部分（若しくは全て）が（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５となり、僅かにＣｕ６Ｓｎ５が点在するような層とすることができる。また、図２ではＮｉの拡散量を増やすのに加え、Ｃｕ配線２２側のみのＮｉ供給の場合の半導体チップ３０側界面に存在するＣｕ６Ｓｎ５に届きやすくすべく、半導体チップ３０側から直近でより効果的にＮｉを拡散供給することができる。

なお、Ｃｕ６Ｓｎ５を全て（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に完全に置き換わっているわけではなく、一部Ｃｕ６Ｓｎ５が残存している。ただし、完全にＣｕ６Ｓｎ５を排除できなくても、クラック抑制効果は十分得られる。即ち、Ｃｕ６Ｓｎ５の塊が小さくなれば、相変態によって生ずる体積変化に伴う応力も小さくなり、クラックの発生を抑えられる。また、例えクラックが発生したとしても、僅かな微細領域に留まり、信頼性上問題ないレベルに抑えられる。

○ 図１３に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＳｎ薄膜７０、Ｎｉ薄膜７２、Ｃｕ薄膜７１を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するようにしてもよい。

詳しくは、Ｃｕ配線２２上にはＳｎ薄膜７０が形成されている。また、半導体チップ３０の裏面電極３１には、Ｃｕ薄膜７１を介してＮｉ薄膜７２が形成されるとともにＮｉ薄膜７２の表面にはＡｕ薄膜７３が形成されている。

Ｓｎ薄膜７０の厚さｔ２０は、５μｍ、Ｃｕ薄膜７１の厚さｔ２１は、０．５～１．０μｍ、Ｎｉ薄膜７２の厚さｔ２２は、０．５～１．０μｍ、Ａｕ薄膜７３の厚さｔ２３は、０．１μｍである。

具体的には、例えば、Ｓｎ薄膜７０の厚さｔ２０＝５μｍ、Ｃｕ薄膜７１の厚さｔ２１＝０．５μｍ、Ｎｉ薄膜７２の厚さｔ２２＝１．０μｍである。他にも、例えば、Ｓｎ薄膜７０の厚さｔ２０＝５μｍ、Ｃｕ薄膜７１の厚さｔ２１＝１．０μｍ、Ｎｉ薄膜７２の厚さｔ２２＝０．５μｍである。

これによれば、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＳｎ薄膜７０、Ｎｉ薄膜７２、Ｃｕ薄膜７１を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とが接合されることにより、接合層が、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

○ 図１３に代わり図１４に示すようにしてもよい。図１４において、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＳｎ薄膜７０、Ｃｕ薄膜８２、Ｎｉ薄膜８１を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。これによれば、接合層が、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ３０側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

ここで、Ｃｕ配線２２上にＳｎ薄膜７０が成膜されるとともに、半導体チップ３０上に順にＮｉ薄膜８１、Ｃｕ薄膜８２が成膜されており、Ｓｎ薄膜７０の上にＣｕ薄膜８２が配置されることによりＣｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＳｎ薄膜７０、Ｃｕ薄膜８２、Ｎｉ薄膜８１を挟んだ状態にする。

薄膜の厚さについて、例えば、図１４におけるＮｉ薄膜８１の厚さｔ３１は、０．５μｍ、Ｃｕ薄膜８２の厚さｔ３２は、０．５μｍ、Ａｕ薄膜７３の厚さｔ３３は、０．１μｍ、Ｓｎ薄膜７０の厚さｔ３４は、５μｍである。

以下、図１３と図１４とを対比しつつ図１４の場合について詳しく説明する。
図１３において、半導体チップ３０の裏面電極３１の表面にＣｕ薄膜７１が形成されるとともにＣｕ薄膜７１の表面にＮｉ薄膜７２が形成されており、上層のＮｉ薄膜７２は拡散がしにくく薄膜状態で残存し易い。その結果、下層のＣｕ薄膜７１は残存した上層のＮｉ薄膜７２がバリア層となり、Ｃｕ薄膜７１からのＣｕの拡散が抑制されてしまう可能性がある。この場合には、Ｓｎ薄膜７０内のＣｕが不足し、ＩＭＣであるＣｕ６Ｓｎ５のＣｕ３Ｓｎへの変換が十分に進まず、多く残存してしまい、また、残ったＣｕ６Ｓｎ５についてＮｉの拡散によって（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５への変換がしきれずにクラック発生の原因となってしまう可能性がある。

図１４においては、半導体チップ３０の裏面電極３１の表面にＮｉ薄膜８１を形成するとともにＮｉ薄膜８１の表面にＣｕ薄膜８２を形成している。この構造によれば、基板側のＣｕ配線２２上のＳｎ薄膜７０上にダイボンドする時において、半導体チップ３０側のＣｕ薄膜８２及びＮｉ薄膜８１が基板側のＳｎ薄膜７０内に拡散する際に、Ｃｕ拡散が基板側のＣｕ配線２２に加え、半導体チップ３０側のＣｕ薄膜８２からも生じ、Ｓｎ薄膜７０内へのＣｕの絶対拡散量が増加する。

よって、従来構造で生じた２種のＩＭＣ（金属間化合物）であるＣｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５において、Ｃｕ６Ｓｎ５にＣｕが拡散することでＣｕ３Ｓｎに変化し、Ｃｕ６Ｓｎ５の存在比を大幅に減らすことができる。更に、半導体チップ３０側のＮｉ薄膜８１からＮｉがＳｎ薄膜７０内に拡散することで、僅かに残ったＣｕ６Ｓｎ５内にＮｉが取り込まれ、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に変化することでクラックの発生を抑制することができる。また、上層側のＣｕ薄膜８２はＳｎ薄膜７０に拡散して消えてしまい、下層側のＮｉ薄膜８１が拡散しづらいということもなくなる。つまり、Ｃｕ薄膜８２は拡散容易であるため、接合と同時に拡散消失し、下層のＮｉ薄膜８１からのＮｉ拡散を妨げることを回避できる。

クラックの発生は、上述したように主にＣｕ６Ｓｎ５から発生し、Ｃｕ３Ｓｎには発生しにくい。更に、Ｃｕ６Ｓｎ５のクラックの発生は相変態に伴う体積変化に起因するが、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５では相変態が生じないため、クラックは発生しない。

よって、基板側のＳｎ薄膜７０内へのＣｕ拡散の増量、及びＮｉ拡散させることにより、クラックの発生し易いＣｕ６Ｓｎ５を減らし、クラックの発生し難いＣｕ３Ｓｎ、及び残ってしまったＣｕ６Ｓｎ５に対しては（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５へ変化させることで、効果的にクラックの発生を抑制することができる。

このように、半導体チップ３０側に設けたＮｉ薄膜はＣｕ薄膜より拡散し難いため、図１３のようにＣｕ薄膜７１より上層にＮｉ薄膜７２を配置した場合には、Ｎｉ薄膜７２がバリア層として作用し、下層のＣｕ薄膜７１からのＣｕの拡散を損なう可能性があるが、図１４では、上層側にＣｕ薄膜８２を配置し下層側にＮｉ薄膜８１を配置することで、Ｃｕ薄膜８２からのＣｕの拡散をＮｉ薄膜８１が妨げることがなく、効率よくＳｎ薄膜７０内へ拡散供給することができる。

以上のごとく、Ｎｉ拡散とＣｕ拡散を両立し、互いに拡散を損なうことなく両者を効率よくＳｎ薄膜７０内へ拡散させることができる。その結果、Ｃｕ拡散によるＣｕ６Ｓｎ５の低減と、残ったＣｕ６Ｓｎ５にＮｉを取り込ませることにより相変態を起こしにくい（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に変化させることにより、各々単独では得られない効果を相乗して得ることができる。

なお、図１４において、成膜はスパッタ成膜、蒸着成膜、めっき成膜等、限定されない。スパッタ成膜では成膜厚の精度が高いが、１μｍ以上の厚さの成膜は困難である。一方、めっきでは膜厚の精度はスパッタよりも劣るが厚さを厚くすることができる。よって、これらの各成膜方法を適宜選択し、成膜厚を設定可能である。また、厚さも、Ｃｕ薄膜８２のＣｕは拡散容易であるので、Ｃｕ薄膜８２の厚さｔ３２は例えば２μｍ程度の厚さにしても、下層のＮｉ薄膜８１の拡散を妨げることがない。下層のＮｉ薄膜８１の厚さｔ３１も、成膜方法で可能な範囲で厚くすることが可能である。

○ 図１４の変形例として図１５に示すようにしてもよい。図１５において、Ｃｕ配線と半導体チップ３０とを接合するための液相拡散接合方法として、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜９１、Ｓｎ薄膜５１、Ｃｕ薄膜８２、Ｎｉ薄膜８１を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０とを接合する。これによれば、接合層が、Ｃｕ配線２２側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１と、半導体チップ３０側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２との２層構造をなすので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

ここで、Ｃｕ配線２２上に順にＮｉ薄膜９１、Ｓｎ薄膜５１が成膜されるとともに、半導体チップ３０上に順にＮｉ薄膜８１、Ｃｕ薄膜８２が成膜されており、Ｓｎ薄膜５１の上にＣｕ薄膜８２が配置されることによりＣｕ配線２２と半導体チップ３０との間に、Ｃｕ配線２２側から半導体チップ３０側に向かって順にＮｉ薄膜９１、Ｓｎ薄膜５１、Ｃｕ薄膜８２、Ｎｉ薄膜８１を挟んだ状態にする。

このように、基板側においてＮｉ薄膜９１をＣｕ配線２２とＳｎ薄膜５１との間に配置する。Ｎｉ薄膜９１の厚さｔ４１は厚すぎるとバリア層となり、Ｃｕ配線２２の拡散を妨げるので、０．１～０．５μｍ程度の厚さにするのが望ましい。好ましくは、Ｎｉ薄膜９１の厚さｔ４１は０．１～０．３μｍとするとよく、この場合、下のＣｕ配線２２の拡散を妨げることなく、Ｎｉ薄膜９１を配置することができる。

また、半導体チップ３０側のＮｉ薄膜８１のＳｎ薄膜５１内への拡散はＣｕほど容易ではない。そのため、Ｎｉ薄膜８１からＳｎ薄膜５１へＮｉを拡散する場合、図１５のようにＮｉ薄膜９１からＮｉの拡散を伴う場合がより効果的である。

詳しく説明すると、Ｎｉ薄膜８１及びＮｉ薄膜９１の両方を有する場合には、Ｓｎ薄膜５１内への拡散が比較的容易に行われる。つまり、Ｎｉ薄膜９１が無くＮｉ薄膜８１のみ配置した場合に比べ、Ｎｉ薄膜９１を配置することにより、拡散が相対的に容易な基板側のＮｉ薄膜９１からＳｎ薄膜５１内へのＮｉの拡散が先に行われ、それに誘導されて、拡散が相対的にし難い半導体チップ３０側のＮｉ薄膜８１からの拡散を誘引する結果としてＳｎ薄膜５１内への拡散が容易に行われるものと推定される。また、基板側のＮｉ薄膜９１からＳｎ薄膜５１内への拡散はＮｉ薄膜８１からＳｎ薄膜５１内への拡散より相対的に容易となるのは、Ｎｉ薄膜９１とＳｎ薄膜５１とは例えばめっきで積層され密着しているのに対し、半導体チップ３０側は、別体の半導体チップ３０がＳｎ薄膜５１上にダイマウントにて載置されるのみであり、載置面が密着することはなく、微細な隙間で隔たれていることが要因と思われる。更に、基板側のＮｉ薄膜９１はＣｕ配線２２の全面に広範囲で成膜されているので、半導体チップ３０が載置される領域外の周囲からもＮｉが拡散供給され易いのに対し、半導体チップ３０側のＮｉ薄膜８１は半導体チップ３０の載置領域のみにしか配置されていない。よって、半導体チップ３０の配置領域外にはＮｉ薄膜８１は存在しないので（Ｎｉが半導体チップ配置領域外から拡散供給されることがないので）、ＮｉがＳｎ薄膜５１に拡散されるには絶対量が少なく、これが、Ｎｉ薄膜９１からＳｎ薄膜５１内への拡散はＮｉ薄膜８１からＳｎ薄膜５１内への拡散より相対的に容易となる要因と思われる。

○ 図１に代わり図１６に示す構成としてもよい。図１６において、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、隙間にＳｎ単独相を伴う金属間化合物のネットワーク構造を有する。

Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１は、Ｓｎ単独相４１ｂ中に金属間化合物（ＩＭＣ）４１ａが分散しており、三次元的な網目状をなす金属間化合物４１ａを有する。つまり、隙間にＳｎ単独相４１ｂを伴う金属間化合物４１ａのネットワーク構造を有する。詳しくは、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１は、三次元的な網目状をなす金属間化合物４１ａと網目の隙間のＳｎ単独相４１ｂとが入り組んでいる。

また、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、Ｓｎ単独相４２ｂ中に金属間化合物（ＩＭＣ）４２ａが分散しており、三次元的な網目状をなす金属間化合物４２ａを有する。つまり、隙間にＳｎ単独相４２ｂを伴う金属間化合物４２ａのネットワーク構造を有する。詳しくは、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、三次元的な網目状をなす金属間化合物４２ａと網目の隙間のＳｎ単独相４２ｂとが入り組んでいる。

このように、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、三次元的な網目状をなす金属間化合物４１ａ，４２ａを有し、ネットワーク構造の接合層となっている。詳しくは、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、三次元的な網目状をなし相互に繋がった金属間化合物４１ａ，４２ａと網目の隙間のＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂとが入り組んでいる。より詳しくは、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、それぞれ、金属間化合物４１ａ，４２ａの網目の隙間にＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂが存在し、かつ、金属間化合物４１ａ，４２ａとＳｎ単独相４１ｂ，４２ｂとの境界の少なくとも一部が非直線状をなし、入り組んだ構造を有する。

なお、図１６中の金属間化合物４１ａ，４２ａは、塊が互いに離間しているかのように示されているが、当該図は一断面をわかり易く模式化したものであり、実際には三次元的に互いに接続したネットワーク状態となっている。

このようにして、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層４１及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層４２は、ミクロ的には単一層ではなく、各ＩＭＣとＳｎとが相互に入り組んだ構造を成し、ＩＭＣ同士がネットワーク状に繋がることで高温接合が得られる。この構造では、ＩＭＣのネットワークの隙間にＳｎが入り込んで存在し、又、ＩＭＣもネットワーク状態で繋がっていることで、一定の応力緩和効果が得られ、信頼性を確保することができる。

○ 図２、図１２、図１３でのＣｕの膜厚（ｔ３，ｔ１２，ｔ２１）、Ｎｉの膜厚（ｔ１，ｔ４，ｔ１０，ｔ２２）を例示したが、これに限定されない。
○ Ｓｎの膜厚を５μｍと例示したが、これに限定されない。例えば、３μｍ、４μｍ、或いは６μｍであってもよい。

○ 接合層内にＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層が必ず存在する必要はない。即ち、Ｃｕ拡散状態にばらつきがあり、Ｃｕ拡散量が少ない場合がある。その上、Ｃｕ配線の上層にＮｉ層を積層した場合、さらにＣｕ拡散量が減少することになる。その結果、Ｃｕ３Ｓｎ層が生じない場合がある。しかし、その場合であっても、Ｎｉを拡散させることにより、Ｃｕ６Ｓｎ５を十分に（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に置き換え、クラックを抑制することができる。

つまり、図１に代わり図１７に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に接合層４５が形成された接合構造であって、接合層４５は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層からなる１層構造であってもよい。これによれば、接合層４５は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層からなる１層構造であるので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

○ Ｃｕ６Ｓｎ５層の全てを（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５に置き換える構成に限定されない。即ち、Ｎｉの拡散状態にばらつきがあり、部分的には、Ｃｕ６Ｓｎ５が残存する可能性もある。この場合でも従来構造に比べてクラックの発生が低減され、クラック抑制効果を得ることができる。

つまり、図１に代わり図１８に示すように、Ｃｕ配線２２と半導体チップ３０との間に接合層４６が形成された接合構造であって、接合層４６は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とＣｕ６Ｓｎ５とが混在した金属間化合物層からなる１層構造であってもよい。これによれば、接合層４６は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とＣｕ６Ｓｎ５とが混在した金属間化合物層からなる１層構造であるので、接合層が、Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、半導体チップ側のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなす場合に比べて、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態に伴う体積変化に起因したクラックの発生を抑制することができる。

○ 接合温度は、３００℃に限定されない。少なくともＳｎの融点２３２℃以上であればよい。
○ 裏面電極（Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇ）３１は、少なくともＴｉ層を含むものとすることが望ましい。

１０…接合構造、２２…Ｃｕ配線、３０…半導体チップ、４０…接合層、４１…Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物層、４２…（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層、４５…接合層、４６…接合層、５０…Ｎｉ薄膜、５１…Ｓｎ薄膜、５２…Ｃｕ薄膜、５３…Ｎｉ薄膜、６０…Ｎｉ薄膜、６１…Ｓｎ薄膜、６２…Ｃｕ薄膜、７０…Ｓｎ薄膜、７１…Ｃｕ薄膜、７２…Ｎｉ薄膜、８１…Ｎｉ薄膜、８２…Ｃｕ薄膜、９１…Ｎｉ薄膜。

Claims (10)

1. Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
   前記接合層は、前記Ｃｕ配線側のＣｕ３Ｓｎの金属間化合物層と、前記半導体チップ側の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層との２層構造をなすことを特徴とする接合構造。
2. Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
   前記接合層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の金属間化合物層からなる１層構造であることを特徴とする接合構造。
3. Ｃｕ配線と半導体チップとの間に接合層が形成された接合構造であって、
   前記接合層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５とＣｕ６Ｓｎ５とが混在した金属間化合物層からなる１層構造であることを特徴とする接合構造。
4. Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、
   前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｎｉ薄膜、厚さ０．５μｍ～１．０μｍのＣｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
5. Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、
   前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、厚さ０．５μｍ～１．０μｍのＣｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
6. Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、
   前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｎｉ薄膜、Ｃｕ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
7. Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、
   前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
8. 請求項７に記載の液相拡散接合方法において、
   前記Ｃｕ配線上にＳｎ薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にＮｉ薄膜、Ｃｕ薄膜が成膜されており、前記Ｓｎ薄膜の上に前記Ｃｕ薄膜が配置されることにより前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＳｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態にすることを特徴とする液相拡散接合方法。
9. Ｃｕ配線と半導体チップとを接合するための液相拡散接合方法であって、
   前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態において、Ｓｎの融点以上の温度雰囲気下で、前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとを接合することを特徴とする液相拡散接合方法。
10. 請求項９に記載の液相拡散接合方法において、
    前記Ｃｕ配線上に順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜が成膜されるとともに、前記半導体チップ上に順にＮｉ薄膜、Ｃｕ薄膜が成膜されており、前記Ｓｎ薄膜の上に前記Ｃｕ薄膜が配置されることにより前記Ｃｕ配線と前記半導体チップとの間に、Ｃｕ配線側から半導体チップ側に向かって順にＮｉ薄膜、Ｓｎ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ｎｉ薄膜を挟んだ状態にすることを特徴とする液相拡散接合方法。