成膜付半導体素子、及びその製造方法
【課題】半導体素子を破壊することを防止しつつ半導体素子の金属膜に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる成膜付半導体素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】シリコン層１１に重ねてアルミ膜１２を有する半導体素子１０に対しコールドスプレー装置３０によって成膜する成膜付半導体素子の製造方法は、第１工程と、第２工程とを有する。第１工程では、コールドスプレー装置３０が、アルミ膜１２の厚さＶ１より小さい粒径Ｒ１の第１銅粉末４１を噴射することにより、アルミ膜１２の表面に下地層２１を形成する。第２工程では、コールドスプレー装置３０が、第１銅粉末の粒径Ｒ１より大きく且つ下地層２１の表面からアルミ膜１２とシリコン層１１との境界面までの寸法Ｖ２より小さい粒径Ｒ２の第２銅粉末４２を噴射することにより下地層２１に重ねて厚膜層２２を形成する。
【解決手段】シリコン層１１に重ねてアルミ膜１２を有する半導体素子１０に対しコールドスプレー装置３０によって成膜する成膜付半導体素子の製造方法は、第１工程と、第２工程とを有する。第１工程では、コールドスプレー装置３０が、アルミ膜１２の厚さＶ１より小さい粒径Ｒ１の第１銅粉末４１を噴射することにより、アルミ膜１２の表面に下地層２１を形成する。第２工程では、コールドスプレー装置３０が、第１銅粉末の粒径Ｒ１より大きく且つ下地層２１の表面からアルミ膜１２とシリコン層１１との境界面までの寸法Ｖ２より小さい粒径Ｒ２の第２銅粉末４２を噴射することにより下地層２１に重ねて厚膜層２２を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子と前記金属膜にコールドスプレー装置によって成膜したスプレー膜とを備えた成膜付半導体素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子では、小型化及び出力の増大化が求められていて、発熱量が増加している。このため、例えば、下記特許文献１に記載されているように、半導体素子の表面側にヒートマスが接合されたヒートマス付半導体素子が提案されている。図１０は、そのような構成のヒートマス付半導体素子１００を示した概略図である。このヒートマス付半導体素子１００では、過負荷等によって半導体素子１１０の発熱量が通常時より大きくなったとき、半導体素子１１０に近いヒートマス１２０が発生した熱の一部を一時的に放熱させて、半導体素子１１０が過熱状態になることを抑制している。
【０００３】
上述したヒートマス付半導体素子１００の製造工程において、例えばＩＧＢＴ等の半導体素子１１０に銅で構成されたヒートマス１２０を接合するためには、図１１に示したように、各層を形成する必要がある。即ち、ＩＧＢＴ１１０には、一般的にシリコン層１１１の外側にアルミニウムで構成されたアルミ膜１１２（金属膜）が形成されていて、このアルミ膜１１２の表面に直接半田付けをすることができない。これは、半田材にはスズが主に配合されていて、アルミニウムとスズとが合金層を形成し難いためである。このため、先ずアルミ膜１１２の表面にメッキ法等によってニッケル膜１３０を形成し、その後に半田付けを行っていた。このようにして、ニッケル膜１３０とヒートマス１２０の間に半田層１４０が形成され、ヒートマス１２０をＩＧＢＴ１１０に接合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したように、ＩＧＢＴ（半導体素子）１１０のアルミ膜（金属膜）１１２に、メッキ法等によってニッケル膜１３０を形成する場合には、成膜速度が遅く且つ膜の歩留まりが悪いため、時間及びコストがかかっていた。このため、製造されたニッケル膜付半導体素子が高価なものになっていた。そこで、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いコールドスプレー法によって、半導体素子の金属膜に成膜することが望まれている。
しかし、コールドスプレー法によって成膜する場合には、金属粉末を音速又は超音速で噴射するため、金属粉末が半導体素子の金属膜を貫通してシリコン層に到達し、半導体素子を破壊するおそれがあった。また、金属膜に形成する膜の厚膜化が難しかった。
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決すべく、安価に構成された成膜付半導体素子を提供すること、及び、半導体素子を破壊することを防止しつつ半導体素子の金属膜に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる成膜付半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る成膜付半導体素子は、シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子と、前記金属膜にコールドスプレー装置によって成膜したスプレー膜とを備えたものであって、前記スプレー膜は、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末により前記金属膜の表面に直接形成された下地層と、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末により前記下地層に重ねて形成された厚膜層と、を有するものであることに特徴がある。
この場合において、前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法は、シリコン層の外側に重ねて金属膜を有する半導体素子に対しコールドスプレー装置によって成膜するものであって、前記コールドスプレー装置が、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末を噴射することにより前記金属膜の表面に下地層を形成する第１工程と、前記コールドスプレー装置が、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末を噴射することにより前記下地層に重ねて厚膜層を形成する第２工程と、を有することに特徴がある。
この場合において、前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることが好ましい。
ここで、上記した成膜付半導体素子及びその製造方法において、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末とは、様々な粒径の第１金属粉末のうち、第１金属粉末の粒径の最大値が金属膜の厚さより小さいことを意味する。また、前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末とは、様々な粒径の第２金属粉末のうち、第２金属粉末の粒径の最大値が下地層の表面から金属膜とシリコン層との境界面までの寸法より小さいことを意味する。
【０００９】
また、本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法において、前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、前記金属膜の厚さの三分の二以下であることが好ましい。
また、本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法において、前記第２工程により噴射される前記第２金属粉末の粒径は、前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法の三分の二以下であることが好ましい。
また、本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法において、前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、５μｍ以上且つ３０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
よって、本発明の成膜付半導体素子の製造方法によれば、第１工程では、噴射される第１金属粉末の粒径が金属膜の厚さより小さいため、第１金属粉末がシリコン層に到達し難い条件で下地層を形成できる。ここで、下地層は、第２工程で厚膜層が形成されるときに第２金属粉末がシリコン層に到達するのを防止できるように、形成されるものである。
そして、第２工程では、噴射される第２金属粉末の粒径が下地層の表面から金属膜とシリコン層との境界面までの寸法より小さいため、第２金属粉末がシリコン層に到達し難い条件で厚膜層を形成できる。更に、第２金属粉末の粒径は第１金属粉末の粒径より大きいため、第２金属粉末は第１金属粉末に比して安価且つ厚膜化が容易なものである。
従って、本発明の成膜付半導体素子の製造方法は、第１及び第２工程により、半導体素子を破壊することを防止しつつ半導体素子の金属膜に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる。
【００１１】
また、本発明の成膜付半導体素子によれば、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いコールドスプレー装置によって、下地層及び厚膜層が形成されている。従って、本発明の成膜付半導体素子は、成膜速度が遅く且つ膜の歩留まりが悪いメッキ法等によって成膜された成膜付半導体素子に比して、安価に構成されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】半導体素子の表面に銅膜が形成された成膜付半導体素子の正面図である。
【図２】半導体素子の表面側の断面図である。
【図３】コールドスプレー装置の構成を示した概略図である。
【図４】図２に示したアルミ膜の表面に第１銅粉末の下地層が形成された状態を示した概略図である。
【図５】図４に示した下地層に第２銅粉末の厚膜層が重ねて形成された状態を示した概略図である。
【図６】コールドスプレー装置によりアルミ基板に銅粉末を噴射した場合に、噴射される銅粉末の粒径と、銅粉末の食い込み率との関係を示した図である。
【図７】第２実施形態における半導体素子の表面側の断面図である。
【図８】図７に示したニッケル膜の表面に第１銅粉末の下地層が形成された状態を示した概略図である。
【図９】図８に示した下地層に第２銅粉末の厚膜層が重ねて形成された状態を示した概略図である。
【図１０】半導体素子の一端側にヒートマスが接合されている従来のヒートマス付半導体素子を示した概略図である。
【図１１】図１０に示した半導体素子とヒートマスとの間に形成された各層を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る成膜付半導体素子及びその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、半導体素子１０の表面に銅膜２０が形成された成膜付半導体素子１の正面図である。図２は、半導体素子１０の表面側の断面図である。この半導体素子１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、インバータのスイッチング素子等に用いられるものである。なお、半導体素子１０は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、ダイオード等であっても良い。
【００１４】
半導体素子１０の大きさは、例えば、平面視で５ｍｍ〜１５ｍｍ角であり、厚さは１５０μｍ〜３００μｍ程度である。この半導体素子１０は、図２に示したように、内部にシリコン層１１を有し、このシリコン層１１の外側にアルミニウムで構成されたアルミ膜（金属膜）１２を有している。アルミ膜１２は、真空蒸着法又はスパッタ法によってシリコン層１１に重ねて形成された電極膜であり、アルミ膜１２の厚さＶ１は、８μｍに設定されている。そして、半導体素子１０の表面（アルミ膜１２の表面）には、コールドスプレー法によって銅膜２０（スプレー膜）が形成されている。
【００１５】
銅膜２０は、アルミ膜１２の表面に直接形成されるものである。これは、例えば半導体素子１０に対して半田付けをする場合に、半田付けのための下地処理として銅膜２０を形成する必要があるためである。即ち、半田材にはスズが主に配合されていて、アルミニウムとスズとは合金層を形成し難くて、アルミ膜１２の表面に対して直接半田付けができないためである。なお、銅とスズとは合金層を形成し易いものである。
【００１６】
また、銅膜２０は、厚さが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度である場合には、ヒートマスとして機能することができる。即ち、半導体素子１０の発熱量が通常時より大きくなったとき、半導体素子１０に近い銅膜２０が発生した熱の一部を一時的に放熱させて、半導体素子１０が過熱状態になることを抑制できる。更に、銅膜２０は、ワイヤボンドをアルミ膜１２の表面に接合する場合に、半導体素子１０の保護膜として機能することができる。
【００１７】
ここで、銅膜２０は、コールドスプレー法以外のメッキ法、真空蒸着法、スパッタ法によっても形成することができる。しかし、メッキ法によって成膜する場合には、成膜速度が遅く且つ膜の歩留まりが悪いため、時間及びコストがかかっていた。また、真空蒸着法やスパッタ法によって成膜する場合にも、高価な真空設備が必要で、真空排気等の時間が必要であるため、時間及びコストがかかっていた。そこで、部分成膜が容易にできて、コストや成膜速度、設備費用の点でコールドスプレー法を用いることが有効である。即ち、コールドスプレー法によって成膜する場合には、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いため、メッキ法等によって成膜する場合に比して、時間及びコストの点で有利である。
【００１８】
図３は、コールドスプレー装置３０の構成を示した概略図である。コールドスプレー装置３０は、銅粉末を半導体素子１０に噴射して銅膜２０を形成するものであり、図２に示したように、圧縮ガスを供給するコンプレッサ３１と、コンプレッサ３１から供給される圧縮ガスを加熱する加熱手段３２と、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁３３と、銅粉末を噴射するスプレーノズル３４とを有している。
【００１９】
スプレーノズル３４は、粉末タンク３５，３６に接続されていて、粉末タンク３５に充填された第１銅粉末４１又は粉末タンク３６に充填された第２銅粉末４２が送り込まれるようになっている。また、スプレーノズル３４は、送り込まれた第１銅粉末４１又は第２銅粉末４２を加熱するヒータ３７を有している。これにより、コールドスプレー装置３０は、第１銅粉末４１及び第２銅粉末４２のうち一方の銅粉末を加熱した状態でスプレーノズル３４から噴出するようになっている。また、コールドスプレー装置３０は、銅粉末４１，４２を特定の領域に噴射するために、スプレーノズル３４を平行移動させる駆動手段３８を有し、成膜する領域を限定するために、半導体素子１０の上に配置されるマスキング治具３９を有している。
【００２０】
次に、上記したコールドスプレー装置３０の作用について説明する。先ず、マスキング治具３９が半導体素子１０の上に配置され、マスキング治具３９の開口３９ａの位置が調整される。そして、スプレーノズル３４には、粉末タンク３５又は粉末タンク３６から銅粉末４１，４２が送り込まれ、その銅粉末４１，４２がヒータ３７によって加熱される。また、スプレーノズル３４には、コンプレッサ３１，加熱手段３２，圧力調整弁３３を通って加熱された圧縮ガスが送り込まれる。
【００２１】
こうして、加熱された固相状態の銅粉末４１，４２が、圧縮ガスとともにスプレーノズル３４から半導体素子１０の表面に向けて勢いよく噴射される。噴射された銅粉末４１，４２は、音速又は超音速で半導体素子１０の表面に衝突して食い込み、塑性変形しながら付着することによって銅膜２０を形成する。ここで、銅粉末４１，４２が衝突したとき、銅粉末が噴射される速度、銅粉末が加熱される温度、銅粉末の粒径等によって、銅粉末４１，４２の接合具合が変化する。そして、スプレーノズル３４が駆動手段３８により半導体素子１０に対して平行移動を繰り返して、半導体素子１０の表面に所定厚さの銅膜２０が形成される。
【００２２】
ところで、上述したようにコールドスプレー装置３０によって成膜する場合には、銅粉末４１，４２が音速又は超音速で噴射されるため、銅粉末４１，４２がアルミ膜１２を貫通してシリコン層１１に到達し、半導体素子１０を破壊するおそれがあった。そこで、この実施形態では、半導体素子１０を破壊することを防止しつつ半導体素子１０に成膜できるようになっている。以下、成膜付半導体素子の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。
【００２３】
図４は、第１工程により、アルミ膜１２の表面に第１銅粉末４１の下地層２１が形成された状態を示した概略図である。第１工程では、粉末タンク３５に充填されている第１銅粉末４１がスプレーノズル３４から噴出される。これにより、噴射された第１銅粉末４１はアルミ膜１２の表面に衝突して食い込み、下地層２１が形成される。ここで、噴射される第１銅粉末４１には様々な粒径の銅粉末が含まれているが、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値は７μｍであって、アルミ膜１２の厚さＶ１（８μｍ）より小さくなっている。この理由について図６を用いて説明する。
【００２４】
図６は、コールドスプレー装置によりアルミ基板に銅粉末を噴射した場合に、噴射される銅粉末の粒径Ｒと、銅粉末の食い込み率Ｘとの関係を示した実験結果である。ここで、食い込み率Ｘとは、噴射される銅粉末の粒径Ｒがアルミ基板の表面に対してどのくらい突き刺さったかを示すものであり、例えば食い込み率Ｘが１００％であるとは、噴射される銅粉末の粒径Ｒの１００％がアルミ基板の表面に突き刺さったことを意味する。なお、アルミ基板は、その厚さが数ｍｍ程度の板材であり、噴射された銅粉末が貫通することがないものである。
【００２５】
ここで、図６（ａ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐが０．８ＭＰａであり、銅粉末が加熱される温度Ｔが５４０℃であるときの実験結果である。また、図６（ｂ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐが５ＭＰａであり、銅粉末が加熱される温度Ｔが２００℃であるときの実験結果である。図６（ｃ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐが５ＭＰａであり、銅粉末が加熱される温度Ｔが５４０℃であるときの実験結果である。なお、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐは、銅粉末が噴射される速度Ｖに対応していて、圧力Ｐと速度Ｖには比例関係がある。
【００２６】
図６（ａ）に示したように、圧力Ｐが比較的低く温度Ｔが比較的高い場合には、食い込み率Ｘは全て１００％以下になっている。また、図６（ｂ）に示したように、圧力Ｐが比較的高く温度Ｔが比較的低い場合にも、食い込み率Ｘは全て１００％以下になっている。また、図６（ｃ）に示したように、圧力Ｐが比較的高く温度Ｔが比較的高い場合には、矢印で示したＡ部分を除いて、大部分で食い込み率Ｘが１００％以下になっている。ここで、矢印で示したＡ部分で食い込み率Ｘが１００％より大きいのは、圧力Ｐ又は温度Ｔを高く設定したためであり、圧力Ｐ又は温度Ｔを少し低く調整することにより、食い込み率Ｘを全て１００％以下にすることができる。
【００２７】
このため、圧力Ｐ及び温度Ｔの一部分の条件を除いて、銅粉末の粒径Ｒに拘わらず、食い込み率Ｘが１００％以下になる、即ち銅粉末がアルミ基板に対してその粒径Ｒより大きく食い込まないことになる。言い換えると、圧力Ｐ及び温度Ｔの大部分の条件において、アルミ基板の厚さより銅粉末の粒径Ｒが小さければ、銅粉末はアルミ基板を貫通しないことになる。従って、噴射される第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値がアルミ膜１２の厚さＶ１より小さいことは、第１銅粉末４１がアルミ膜１２を貫通してシリコン層１１に到達し難く、即ち半導体素子１０を破壊し難い条件といえる。よって、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値をアルミ膜１２の厚さＶ１より小さく設定し、且つ圧力Ｐ及び温度Ｔを適切に調整することで、第１銅粉末４１がアルミ膜１２を貫通することを防止できる。
【００２８】
また、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、粒径Ｒが５μｍより小さい場合には、圧力Ｐ及び温度Ｔの条件に拘わらず、銅粉末がアルミ基板に接合しない。これは、噴射される銅粉末が小さいことにより、銅粉末の運動エネルギーが小さくて、運動エネルギーから接合するための熱エネルギーに変わる量が少ないためである。また、図６（ａ）に示したように、粒径Ｒが３０μｍより大きい場合には、銅粉末がアルミ基板に接合せず、図６（ｂ）（ｃ）に示したように、粒径Ｒが３０μｍより大きい場合には、銅粉末がアルミ基板に接合しても食い込み率Ｘが小さい。これは、噴射される銅粉末が大きいことにより、銅粉末がアルミ基板に衝突する際のアンカー効果が小さくて、銅粉末とアルミ基板との面接合が難しくなるためである。従って、食い込み率Ｘを１００％以下の範囲で、できるだけ大きくするためには、銅粉末の粒径Ｒを５μｍ以上であって３０μｍ以下に設定することが好ましい。
【００２９】
ここで、粉末タンク３５に充填されている第１銅粉末４１について説明する。第１銅粉末４１は、通常コールドスプレー装置によって噴射される銅粉末（以下、「通常の銅粉末」と呼ぶ）を粉砕機によって細かく粉砕したものであり、ふるい分け法によって７μｍの網目を通過したものである。このため、第１銅粉末４１は、その粒径Ｒが５〜７μｍ程度のものであって、第１銅粉末４１の粒径Ｒの最大値が７μｍになっている。
【００３０】
ところで、通常の銅粉末の粒径は２０〜６０μｍ程度である。このため、第１銅粉末４１は、細かく粉砕して小さな網目を用いてふるい分けているため、分級精度が高いものであり、通常の銅粉末に比して高価なものである。従って、仮に噴射される第１銅粉末４１のみによって銅膜２０を形成しようとすると、コストがかかってしまう。そこで、この実施形態では、第１工程で、分級精度が高くて高価な第１銅粉末４１が噴射され、後述する第２工程で、分級精度が低くて安価な第２銅粉末４２が噴射されるようになっている。なお、第１銅粉末４１を分級した残りの粒径の大きな粉末を、第２銅粉末４２の一部に使用することで、材料粉末の歩留まりを上げることができる。
【００３１】
上述した考えに基づいて、第１工程では、第１銅粉末４１がコールドスプレー装置３０によってアルミ膜１２に向けて噴射され、図４に示したように、アルミ膜１２の表面に第１銅粉末４１の下地層２１が形成される。そして、この下地層２１は、その表面から金属膜１２とシリコン層１１の境界面までの寸法Ｖ２が５０μｍになるまで、形成される。この下地層２１は、後述する第２工程で噴射される第２銅粉末４２がシリコン層１１に到達するのを防止するためのものである。次に、第２工程について、図５を用いて説明する。
【００３２】
図５は、第２工程により、下地層２１に第２銅粉末４２の厚膜層２２が重ねて形成された状態を示した概略図である。第２工程では、粉末タンク３６に充填されている第２銅粉末４２がスプレーノズル３４から噴出される。これにより、噴射された第２銅粉末４２は下地層２１の表面に衝突して食い込み、厚膜層２２が形成される。ここで、噴射される第２銅粉末４２には様々な粒径の銅粉末が含まれているが、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値は４０μｍであって、上記した寸法Ｖ２（５０μｍ）より小さくなっている。これは、上述した考えに基づいて、噴射された第２銅粉末４２が下地層２１を貫通してシリコン層１１に到達し難い条件で、厚膜層２２を形成するためである。
【００３３】
よって、第２銅粉末４２が噴射されるときの圧力Ｐ及び第２銅粉末４２が加熱される温度Ｔを適切に設定することで、半導体素子１０を破壊することを防止しつつ、厚膜層２２を形成することができる。この厚膜層２２は、その厚さが１ｍｍ程度になるまで、即ちヒートマスとして機能するようになるまで形成される。このようにして、半導体素子１０のアルミ膜１２に銅膜２０が形成された成膜付半導体素子１が製造される。
【００３４】
ここで、粉末タンク３６に充填されている第２銅粉末４２について説明する。第２銅粉末４２は、通常の銅粉末がふるい分け法によって４０μｍの網目を通過したものである。このため、第２銅粉末４２は、その粒径Ｒ２が２０〜４０μｍ程度のものであって、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値が４０μｍになっている。そして、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２は第１銅粉末４１の粒径Ｒ１（５〜７μｍ）より大きいため、第２銅粉末４２は、第１銅粉末４１より分級精度が低いものであって、第１銅粉末４１より安価なものである。なお、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２が第１銅粉末４１の粒径Ｒ１より大きいとは、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値（４０μｍ）が第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値（７μｍ）より大きいという意味であり、第２銅粉末４２には第１銅粉末４１より大きい粒径の銅粉末が混じっているという意味である。
【００３５】
ところで、第２銅粉末４２は、第１銅粉末４１と同じ種類の金属粉末（銅粉末）である。このため、第２銅粉末４２の厚膜層２２と第１銅粉末４１の下地層２１との相性を考慮する必要がない。即ち、厚膜層２２と下地層２１との間において、通電性で問題が生じることがなく、熱膨張率の差に基づく内部応力で問題が生じることもない。
なお、第１工程で、アルミ膜１２に接合しなかった第１銅粉末４１は、第１粉末タンク３５に再度充填されて、再利用される。また、第２工程で、下地層２１に接合しなかった第２銅粉末４２は、第２粉末タンク３６に再度充填されて、再利用される。
【００３６】
よって、この実施形態の成膜付半導体素子の製造方法によれば、先ず第１工程では、噴射される第１銅粉末４１の粒径Ｒ１がアルミ膜１２の厚さＶ１より小さくて、第１銅粉末４１が噴射されるときの圧力Ｐ及び銅粉末が加熱される温度Ｔを適切に調整することで、第１銅粉末４１がシリコン層１１に到達して半導体素子１０を破壊することを防止できる。ここで、第１工程では、第２工程で厚膜層２２が形成されるときに第２銅粉末４２がシリコン層１１に到達するのを防止できるように、下地層２１が形成される。
【００３７】
そして、次の第２工程では、噴射される第２銅粉末４２の粒径Ｒ２が下地層２１の表面からアルミ膜１２とシリコン層１１との境界面までの寸法Ｖ２より小さく、第２銅粉末４２が噴射されるときの圧力Ｐ及び第２銅粉末４２が加熱される温度Ｔを適切に調整することで、第２銅粉末４２がシリコン層１１に到達して半導体素子１０を破壊することを防止できる。更に、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２は第１銅粉末４１の粒径Ｒ１より大きいため、第２銅粉末４２は第１銅粉末４１に比して安価であり、厚膜化が容易なものである。
従って、この実施形態の成膜付半導体素子の製造方法は、第１及び第２工程により、半導体素子１０を破壊することを防止しつつ半導体素子１０のアルミ膜１２に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる。
【００３８】
そして、この実施形態の成膜付半導体素子１によれば、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いコールドスプレー装置３０によって、下地層２１及び厚膜層２２（銅膜２０）が形成されている。従って、成膜付半導体素子１は、メッキ法等によって成膜された成膜付半導体素子に比して安価に構成されたものである。加えて、銅膜２０は、ヒートマスとして機能することができる。なお、銅膜２０は、半田付けの下地処理として機能させることもでき、ワイヤボンドを接合する場合の保護膜として機能させることもできる。
【００３９】
次に、第２実施形態について、図７〜図９を用いて説明する。図７は、半導体素子５０の表面側の断面図である。この半導体素子５０は、図７に示したように、内部にシリコン層５１を有し、このシリコン層５１の外側にアルミニウムで構成されたアルミ膜５２を有するとともに、このアルミ膜５２の外側にニッケルで構成されたニッケル膜５３を有する。アルミ膜５２は、真空蒸着法又はスパッタ法によってシリコン層５１に形成された電極膜であり、アルミ膜５２の厚さは、５μｍに設定されている。ニッケル膜５３は、メッキ法によってアルミ膜５２に形成された電極膜であり、ニッケル膜５３の厚さは、１０μｍに設定されている。このニッケル膜５３とアルミ膜５２とが、シリコン層５１に重ねて形成された金属膜であり、この金属膜の厚さＷ１は１５μｍになっている。このような半導体素子５０の表面（ニッケル膜５３の表面）に、コールドスプレー法によって銅膜６０（図９参照）が形成される。
【００４０】
図８は、第１工程により、ニッケル膜５３の表面に第１銅粉末７１の下地層６１が形成された状態を示した概略図である。第１工程では、コールドスプレー装置によって噴射される第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値は、１０μｍであって、金属膜の厚さＷ１（１５μｍ）の三分の二以下である。これは、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐ及び銅粉末が加熱される温度Ｔに拘わらず、食い込み率Ｘは全て１５０％より小さいためである。言い換えると、銅粉末の粒径Ｒがアルミ基板の厚さの三分の二以下であれば、銅粉末はアルミ基板を貫通しないことになる。
【００４１】
従って、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二以下に設定することで、第１銅粉末７１が金属膜を貫通してシリコン層５１に到達することを防止できる。こうして、第１工程では、図８に示したように、ニッケル膜５３の表面に第１銅粉末７１の下地層６１が形成される。そして、この下地層６１は、その表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２が６０μｍになるまで、形成される。次に、第２工程について、図９を用いて説明する。
【００４２】
図９は、第２工程により、下地層６１の表面に第２銅粉末７２の厚膜層６２が形成された状態を示した概略図である。第２工程では、コールドスプレー装置によって噴射される第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値は、４０μｍであって、下地層６１の表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２（６０μｍ）の三分の二以下である。これは、上述した考察に基づいている。従って、第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を上記した寸法Ｗ２の三分の二以下に設定することで、第２銅粉末７２がシリコン層５１に到達して半導体素子５０を破壊することを防止できる。このようにして、半導体素子５０のニッケル膜５３に銅膜６０が形成された成膜付半導体素子が製造される。
【００４３】
以上、本発明に係る成膜付半導体素子及びその製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第１実施形態において、金属膜（アルミ膜１２）の厚さＶ１（８μｍ）、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値（７μｍ）、下地層２１の表面からアルミ膜１２とシリコン層１１との境界面までの寸法Ｖ２（５０μｍ）、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値（４０μｍ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐ、銅粉末が加熱される温度Ｔ、その他の条件に応じて、適宜変更可能である。ここで、第１実施形態において、金属膜の厚さＶ１は５〜８μｍであり、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値は５〜８μｍであり、上記した寸法Ｖ２は３０〜１００μｍであり、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値は、２０〜６０μｍであることが好ましい。
【００４４】
また、第２実施形態において、金属膜（アルミ膜５２及びニッケル膜５３）の厚さＷ１（１５μｍ）、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値（１０μｍ）、下地層６１の表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２（６０μｍ）、第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値（４０μｍ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐ、銅粉末が加熱される温度Ｔ、その他の条件に応じて、適宜変更可能である。ここで、第２実施形態において、金属膜の厚さＷ１は１０〜３０μｍであり、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値は５〜２０μｍであり、上記した寸法Ｗ２は３０〜１００μｍであり、第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値は、２０〜６０μｍであることが好ましい。
【００４５】
また、第２実施形態においては、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二以下に設定し、且つ第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を下地層６１の表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２の三分の二以下に設定した。しかし、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二以下に設定し、且つ第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を上記した寸法Ｗ２の三分の二より大きく設定しても良い。また、第１銅粉末の粒径Ｒ２の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二より大きく設定し、且つ第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を上記した寸法Ｗ２の三分の二以下に設定しても良い。
【００４６】
また、第１実施形態において、シリコン層１１の外側に形成される金属膜をアルミ膜１２とし、第２実施形態において、シリコン層５１の外側に形成される金属膜をアルミ膜５２及びニッケル膜５３とした。しかし、金属膜の構成は上記した構成に限定されるものではなく、例えば金属膜を、銅膜としても良く、銅膜及びニッケル膜としても良い。
【００４７】
また、各実施形態において、コールドスプレー装置によって噴射される第１，第２金属粉末を銅粉末とした。しかし、第１，第２金属粉末は銅粉末に限定されるものではなく、例えば第１，第２金属粉末をアルミ粉末としても良い。
また、各実施形態において、第１金属粉末と第２金属粉末は、同じ種類の金属粉末である銅粉末とした。しかし、第１金属粉末と第２金属粉末は、同じ種類の金属粉末に限定されるものではなく、例えば、第１金属粉末を銅粉末とし、第２金属粉末を銅粉末より硬い金属粉末としても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１ 成膜付半導体素子
１０ 半導体素子
１１ シリコン層
１２ アルミ膜
２０ 銅膜
２１ 下地層
２２ 厚膜層
３０ コールドスプレー装置
４１ 第１銅粉末
４２ 第２銅粉末
【技術分野】
【０００１】
シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子と前記金属膜にコールドスプレー装置によって成膜したスプレー膜とを備えた成膜付半導体素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子では、小型化及び出力の増大化が求められていて、発熱量が増加している。このため、例えば、下記特許文献１に記載されているように、半導体素子の表面側にヒートマスが接合されたヒートマス付半導体素子が提案されている。図１０は、そのような構成のヒートマス付半導体素子１００を示した概略図である。このヒートマス付半導体素子１００では、過負荷等によって半導体素子１１０の発熱量が通常時より大きくなったとき、半導体素子１１０に近いヒートマス１２０が発生した熱の一部を一時的に放熱させて、半導体素子１１０が過熱状態になることを抑制している。
【０００３】
上述したヒートマス付半導体素子１００の製造工程において、例えばＩＧＢＴ等の半導体素子１１０に銅で構成されたヒートマス１２０を接合するためには、図１１に示したように、各層を形成する必要がある。即ち、ＩＧＢＴ１１０には、一般的にシリコン層１１１の外側にアルミニウムで構成されたアルミ膜１１２（金属膜）が形成されていて、このアルミ膜１１２の表面に直接半田付けをすることができない。これは、半田材にはスズが主に配合されていて、アルミニウムとスズとが合金層を形成し難いためである。このため、先ずアルミ膜１１２の表面にメッキ法等によってニッケル膜１３０を形成し、その後に半田付けを行っていた。このようにして、ニッケル膜１３０とヒートマス１２０の間に半田層１４０が形成され、ヒートマス１２０をＩＧＢＴ１１０に接合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したように、ＩＧＢＴ（半導体素子）１１０のアルミ膜（金属膜）１１２に、メッキ法等によってニッケル膜１３０を形成する場合には、成膜速度が遅く且つ膜の歩留まりが悪いため、時間及びコストがかかっていた。このため、製造されたニッケル膜付半導体素子が高価なものになっていた。そこで、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いコールドスプレー法によって、半導体素子の金属膜に成膜することが望まれている。
しかし、コールドスプレー法によって成膜する場合には、金属粉末を音速又は超音速で噴射するため、金属粉末が半導体素子の金属膜を貫通してシリコン層に到達し、半導体素子を破壊するおそれがあった。また、金属膜に形成する膜の厚膜化が難しかった。
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決すべく、安価に構成された成膜付半導体素子を提供すること、及び、半導体素子を破壊することを防止しつつ半導体素子の金属膜に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる成膜付半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る成膜付半導体素子は、シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子と、前記金属膜にコールドスプレー装置によって成膜したスプレー膜とを備えたものであって、前記スプレー膜は、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末により前記金属膜の表面に直接形成された下地層と、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末により前記下地層に重ねて形成された厚膜層と、を有するものであることに特徴がある。
この場合において、前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法は、シリコン層の外側に重ねて金属膜を有する半導体素子に対しコールドスプレー装置によって成膜するものであって、前記コールドスプレー装置が、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末を噴射することにより前記金属膜の表面に下地層を形成する第１工程と、前記コールドスプレー装置が、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末を噴射することにより前記下地層に重ねて厚膜層を形成する第２工程と、を有することに特徴がある。
この場合において、前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることが好ましい。
ここで、上記した成膜付半導体素子及びその製造方法において、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末とは、様々な粒径の第１金属粉末のうち、第１金属粉末の粒径の最大値が金属膜の厚さより小さいことを意味する。また、前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末とは、様々な粒径の第２金属粉末のうち、第２金属粉末の粒径の最大値が下地層の表面から金属膜とシリコン層との境界面までの寸法より小さいことを意味する。
【０００９】
また、本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法において、前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、前記金属膜の厚さの三分の二以下であることが好ましい。
また、本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法において、前記第２工程により噴射される前記第２金属粉末の粒径は、前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法の三分の二以下であることが好ましい。
また、本発明に係る成膜付半導体素子の製造方法において、前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、５μｍ以上且つ３０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
よって、本発明の成膜付半導体素子の製造方法によれば、第１工程では、噴射される第１金属粉末の粒径が金属膜の厚さより小さいため、第１金属粉末がシリコン層に到達し難い条件で下地層を形成できる。ここで、下地層は、第２工程で厚膜層が形成されるときに第２金属粉末がシリコン層に到達するのを防止できるように、形成されるものである。
そして、第２工程では、噴射される第２金属粉末の粒径が下地層の表面から金属膜とシリコン層との境界面までの寸法より小さいため、第２金属粉末がシリコン層に到達し難い条件で厚膜層を形成できる。更に、第２金属粉末の粒径は第１金属粉末の粒径より大きいため、第２金属粉末は第１金属粉末に比して安価且つ厚膜化が容易なものである。
従って、本発明の成膜付半導体素子の製造方法は、第１及び第２工程により、半導体素子を破壊することを防止しつつ半導体素子の金属膜に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる。
【００１１】
また、本発明の成膜付半導体素子によれば、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いコールドスプレー装置によって、下地層及び厚膜層が形成されている。従って、本発明の成膜付半導体素子は、成膜速度が遅く且つ膜の歩留まりが悪いメッキ法等によって成膜された成膜付半導体素子に比して、安価に構成されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】半導体素子の表面に銅膜が形成された成膜付半導体素子の正面図である。
【図２】半導体素子の表面側の断面図である。
【図３】コールドスプレー装置の構成を示した概略図である。
【図４】図２に示したアルミ膜の表面に第１銅粉末の下地層が形成された状態を示した概略図である。
【図５】図４に示した下地層に第２銅粉末の厚膜層が重ねて形成された状態を示した概略図である。
【図６】コールドスプレー装置によりアルミ基板に銅粉末を噴射した場合に、噴射される銅粉末の粒径と、銅粉末の食い込み率との関係を示した図である。
【図７】第２実施形態における半導体素子の表面側の断面図である。
【図８】図７に示したニッケル膜の表面に第１銅粉末の下地層が形成された状態を示した概略図である。
【図９】図８に示した下地層に第２銅粉末の厚膜層が重ねて形成された状態を示した概略図である。
【図１０】半導体素子の一端側にヒートマスが接合されている従来のヒートマス付半導体素子を示した概略図である。
【図１１】図１０に示した半導体素子とヒートマスとの間に形成された各層を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る成膜付半導体素子及びその製造方法の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、半導体素子１０の表面に銅膜２０が形成された成膜付半導体素子１の正面図である。図２は、半導体素子１０の表面側の断面図である。この半導体素子１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、インバータのスイッチング素子等に用いられるものである。なお、半導体素子１０は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、ダイオード等であっても良い。
【００１４】
半導体素子１０の大きさは、例えば、平面視で５ｍｍ〜１５ｍｍ角であり、厚さは１５０μｍ〜３００μｍ程度である。この半導体素子１０は、図２に示したように、内部にシリコン層１１を有し、このシリコン層１１の外側にアルミニウムで構成されたアルミ膜（金属膜）１２を有している。アルミ膜１２は、真空蒸着法又はスパッタ法によってシリコン層１１に重ねて形成された電極膜であり、アルミ膜１２の厚さＶ１は、８μｍに設定されている。そして、半導体素子１０の表面（アルミ膜１２の表面）には、コールドスプレー法によって銅膜２０（スプレー膜）が形成されている。
【００１５】
銅膜２０は、アルミ膜１２の表面に直接形成されるものである。これは、例えば半導体素子１０に対して半田付けをする場合に、半田付けのための下地処理として銅膜２０を形成する必要があるためである。即ち、半田材にはスズが主に配合されていて、アルミニウムとスズとは合金層を形成し難くて、アルミ膜１２の表面に対して直接半田付けができないためである。なお、銅とスズとは合金層を形成し易いものである。
【００１６】
また、銅膜２０は、厚さが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度である場合には、ヒートマスとして機能することができる。即ち、半導体素子１０の発熱量が通常時より大きくなったとき、半導体素子１０に近い銅膜２０が発生した熱の一部を一時的に放熱させて、半導体素子１０が過熱状態になることを抑制できる。更に、銅膜２０は、ワイヤボンドをアルミ膜１２の表面に接合する場合に、半導体素子１０の保護膜として機能することができる。
【００１７】
ここで、銅膜２０は、コールドスプレー法以外のメッキ法、真空蒸着法、スパッタ法によっても形成することができる。しかし、メッキ法によって成膜する場合には、成膜速度が遅く且つ膜の歩留まりが悪いため、時間及びコストがかかっていた。また、真空蒸着法やスパッタ法によって成膜する場合にも、高価な真空設備が必要で、真空排気等の時間が必要であるため、時間及びコストがかかっていた。そこで、部分成膜が容易にできて、コストや成膜速度、設備費用の点でコールドスプレー法を用いることが有効である。即ち、コールドスプレー法によって成膜する場合には、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いため、メッキ法等によって成膜する場合に比して、時間及びコストの点で有利である。
【００１８】
図３は、コールドスプレー装置３０の構成を示した概略図である。コールドスプレー装置３０は、銅粉末を半導体素子１０に噴射して銅膜２０を形成するものであり、図２に示したように、圧縮ガスを供給するコンプレッサ３１と、コンプレッサ３１から供給される圧縮ガスを加熱する加熱手段３２と、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁３３と、銅粉末を噴射するスプレーノズル３４とを有している。
【００１９】
スプレーノズル３４は、粉末タンク３５，３６に接続されていて、粉末タンク３５に充填された第１銅粉末４１又は粉末タンク３６に充填された第２銅粉末４２が送り込まれるようになっている。また、スプレーノズル３４は、送り込まれた第１銅粉末４１又は第２銅粉末４２を加熱するヒータ３７を有している。これにより、コールドスプレー装置３０は、第１銅粉末４１及び第２銅粉末４２のうち一方の銅粉末を加熱した状態でスプレーノズル３４から噴出するようになっている。また、コールドスプレー装置３０は、銅粉末４１，４２を特定の領域に噴射するために、スプレーノズル３４を平行移動させる駆動手段３８を有し、成膜する領域を限定するために、半導体素子１０の上に配置されるマスキング治具３９を有している。
【００２０】
次に、上記したコールドスプレー装置３０の作用について説明する。先ず、マスキング治具３９が半導体素子１０の上に配置され、マスキング治具３９の開口３９ａの位置が調整される。そして、スプレーノズル３４には、粉末タンク３５又は粉末タンク３６から銅粉末４１，４２が送り込まれ、その銅粉末４１，４２がヒータ３７によって加熱される。また、スプレーノズル３４には、コンプレッサ３１，加熱手段３２，圧力調整弁３３を通って加熱された圧縮ガスが送り込まれる。
【００２１】
こうして、加熱された固相状態の銅粉末４１，４２が、圧縮ガスとともにスプレーノズル３４から半導体素子１０の表面に向けて勢いよく噴射される。噴射された銅粉末４１，４２は、音速又は超音速で半導体素子１０の表面に衝突して食い込み、塑性変形しながら付着することによって銅膜２０を形成する。ここで、銅粉末４１，４２が衝突したとき、銅粉末が噴射される速度、銅粉末が加熱される温度、銅粉末の粒径等によって、銅粉末４１，４２の接合具合が変化する。そして、スプレーノズル３４が駆動手段３８により半導体素子１０に対して平行移動を繰り返して、半導体素子１０の表面に所定厚さの銅膜２０が形成される。
【００２２】
ところで、上述したようにコールドスプレー装置３０によって成膜する場合には、銅粉末４１，４２が音速又は超音速で噴射されるため、銅粉末４１，４２がアルミ膜１２を貫通してシリコン層１１に到達し、半導体素子１０を破壊するおそれがあった。そこで、この実施形態では、半導体素子１０を破壊することを防止しつつ半導体素子１０に成膜できるようになっている。以下、成膜付半導体素子の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。
【００２３】
図４は、第１工程により、アルミ膜１２の表面に第１銅粉末４１の下地層２１が形成された状態を示した概略図である。第１工程では、粉末タンク３５に充填されている第１銅粉末４１がスプレーノズル３４から噴出される。これにより、噴射された第１銅粉末４１はアルミ膜１２の表面に衝突して食い込み、下地層２１が形成される。ここで、噴射される第１銅粉末４１には様々な粒径の銅粉末が含まれているが、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値は７μｍであって、アルミ膜１２の厚さＶ１（８μｍ）より小さくなっている。この理由について図６を用いて説明する。
【００２４】
図６は、コールドスプレー装置によりアルミ基板に銅粉末を噴射した場合に、噴射される銅粉末の粒径Ｒと、銅粉末の食い込み率Ｘとの関係を示した実験結果である。ここで、食い込み率Ｘとは、噴射される銅粉末の粒径Ｒがアルミ基板の表面に対してどのくらい突き刺さったかを示すものであり、例えば食い込み率Ｘが１００％であるとは、噴射される銅粉末の粒径Ｒの１００％がアルミ基板の表面に突き刺さったことを意味する。なお、アルミ基板は、その厚さが数ｍｍ程度の板材であり、噴射された銅粉末が貫通することがないものである。
【００２５】
ここで、図６（ａ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐが０．８ＭＰａであり、銅粉末が加熱される温度Ｔが５４０℃であるときの実験結果である。また、図６（ｂ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐが５ＭＰａであり、銅粉末が加熱される温度Ｔが２００℃であるときの実験結果である。図６（ｃ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐが５ＭＰａであり、銅粉末が加熱される温度Ｔが５４０℃であるときの実験結果である。なお、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐは、銅粉末が噴射される速度Ｖに対応していて、圧力Ｐと速度Ｖには比例関係がある。
【００２６】
図６（ａ）に示したように、圧力Ｐが比較的低く温度Ｔが比較的高い場合には、食い込み率Ｘは全て１００％以下になっている。また、図６（ｂ）に示したように、圧力Ｐが比較的高く温度Ｔが比較的低い場合にも、食い込み率Ｘは全て１００％以下になっている。また、図６（ｃ）に示したように、圧力Ｐが比較的高く温度Ｔが比較的高い場合には、矢印で示したＡ部分を除いて、大部分で食い込み率Ｘが１００％以下になっている。ここで、矢印で示したＡ部分で食い込み率Ｘが１００％より大きいのは、圧力Ｐ又は温度Ｔを高く設定したためであり、圧力Ｐ又は温度Ｔを少し低く調整することにより、食い込み率Ｘを全て１００％以下にすることができる。
【００２７】
このため、圧力Ｐ及び温度Ｔの一部分の条件を除いて、銅粉末の粒径Ｒに拘わらず、食い込み率Ｘが１００％以下になる、即ち銅粉末がアルミ基板に対してその粒径Ｒより大きく食い込まないことになる。言い換えると、圧力Ｐ及び温度Ｔの大部分の条件において、アルミ基板の厚さより銅粉末の粒径Ｒが小さければ、銅粉末はアルミ基板を貫通しないことになる。従って、噴射される第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値がアルミ膜１２の厚さＶ１より小さいことは、第１銅粉末４１がアルミ膜１２を貫通してシリコン層１１に到達し難く、即ち半導体素子１０を破壊し難い条件といえる。よって、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値をアルミ膜１２の厚さＶ１より小さく設定し、且つ圧力Ｐ及び温度Ｔを適切に調整することで、第１銅粉末４１がアルミ膜１２を貫通することを防止できる。
【００２８】
また、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、粒径Ｒが５μｍより小さい場合には、圧力Ｐ及び温度Ｔの条件に拘わらず、銅粉末がアルミ基板に接合しない。これは、噴射される銅粉末が小さいことにより、銅粉末の運動エネルギーが小さくて、運動エネルギーから接合するための熱エネルギーに変わる量が少ないためである。また、図６（ａ）に示したように、粒径Ｒが３０μｍより大きい場合には、銅粉末がアルミ基板に接合せず、図６（ｂ）（ｃ）に示したように、粒径Ｒが３０μｍより大きい場合には、銅粉末がアルミ基板に接合しても食い込み率Ｘが小さい。これは、噴射される銅粉末が大きいことにより、銅粉末がアルミ基板に衝突する際のアンカー効果が小さくて、銅粉末とアルミ基板との面接合が難しくなるためである。従って、食い込み率Ｘを１００％以下の範囲で、できるだけ大きくするためには、銅粉末の粒径Ｒを５μｍ以上であって３０μｍ以下に設定することが好ましい。
【００２９】
ここで、粉末タンク３５に充填されている第１銅粉末４１について説明する。第１銅粉末４１は、通常コールドスプレー装置によって噴射される銅粉末（以下、「通常の銅粉末」と呼ぶ）を粉砕機によって細かく粉砕したものであり、ふるい分け法によって７μｍの網目を通過したものである。このため、第１銅粉末４１は、その粒径Ｒが５〜７μｍ程度のものであって、第１銅粉末４１の粒径Ｒの最大値が７μｍになっている。
【００３０】
ところで、通常の銅粉末の粒径は２０〜６０μｍ程度である。このため、第１銅粉末４１は、細かく粉砕して小さな網目を用いてふるい分けているため、分級精度が高いものであり、通常の銅粉末に比して高価なものである。従って、仮に噴射される第１銅粉末４１のみによって銅膜２０を形成しようとすると、コストがかかってしまう。そこで、この実施形態では、第１工程で、分級精度が高くて高価な第１銅粉末４１が噴射され、後述する第２工程で、分級精度が低くて安価な第２銅粉末４２が噴射されるようになっている。なお、第１銅粉末４１を分級した残りの粒径の大きな粉末を、第２銅粉末４２の一部に使用することで、材料粉末の歩留まりを上げることができる。
【００３１】
上述した考えに基づいて、第１工程では、第１銅粉末４１がコールドスプレー装置３０によってアルミ膜１２に向けて噴射され、図４に示したように、アルミ膜１２の表面に第１銅粉末４１の下地層２１が形成される。そして、この下地層２１は、その表面から金属膜１２とシリコン層１１の境界面までの寸法Ｖ２が５０μｍになるまで、形成される。この下地層２１は、後述する第２工程で噴射される第２銅粉末４２がシリコン層１１に到達するのを防止するためのものである。次に、第２工程について、図５を用いて説明する。
【００３２】
図５は、第２工程により、下地層２１に第２銅粉末４２の厚膜層２２が重ねて形成された状態を示した概略図である。第２工程では、粉末タンク３６に充填されている第２銅粉末４２がスプレーノズル３４から噴出される。これにより、噴射された第２銅粉末４２は下地層２１の表面に衝突して食い込み、厚膜層２２が形成される。ここで、噴射される第２銅粉末４２には様々な粒径の銅粉末が含まれているが、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値は４０μｍであって、上記した寸法Ｖ２（５０μｍ）より小さくなっている。これは、上述した考えに基づいて、噴射された第２銅粉末４２が下地層２１を貫通してシリコン層１１に到達し難い条件で、厚膜層２２を形成するためである。
【００３３】
よって、第２銅粉末４２が噴射されるときの圧力Ｐ及び第２銅粉末４２が加熱される温度Ｔを適切に設定することで、半導体素子１０を破壊することを防止しつつ、厚膜層２２を形成することができる。この厚膜層２２は、その厚さが１ｍｍ程度になるまで、即ちヒートマスとして機能するようになるまで形成される。このようにして、半導体素子１０のアルミ膜１２に銅膜２０が形成された成膜付半導体素子１が製造される。
【００３４】
ここで、粉末タンク３６に充填されている第２銅粉末４２について説明する。第２銅粉末４２は、通常の銅粉末がふるい分け法によって４０μｍの網目を通過したものである。このため、第２銅粉末４２は、その粒径Ｒ２が２０〜４０μｍ程度のものであって、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値が４０μｍになっている。そして、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２は第１銅粉末４１の粒径Ｒ１（５〜７μｍ）より大きいため、第２銅粉末４２は、第１銅粉末４１より分級精度が低いものであって、第１銅粉末４１より安価なものである。なお、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２が第１銅粉末４１の粒径Ｒ１より大きいとは、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値（４０μｍ）が第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値（７μｍ）より大きいという意味であり、第２銅粉末４２には第１銅粉末４１より大きい粒径の銅粉末が混じっているという意味である。
【００３５】
ところで、第２銅粉末４２は、第１銅粉末４１と同じ種類の金属粉末（銅粉末）である。このため、第２銅粉末４２の厚膜層２２と第１銅粉末４１の下地層２１との相性を考慮する必要がない。即ち、厚膜層２２と下地層２１との間において、通電性で問題が生じることがなく、熱膨張率の差に基づく内部応力で問題が生じることもない。
なお、第１工程で、アルミ膜１２に接合しなかった第１銅粉末４１は、第１粉末タンク３５に再度充填されて、再利用される。また、第２工程で、下地層２１に接合しなかった第２銅粉末４２は、第２粉末タンク３６に再度充填されて、再利用される。
【００３６】
よって、この実施形態の成膜付半導体素子の製造方法によれば、先ず第１工程では、噴射される第１銅粉末４１の粒径Ｒ１がアルミ膜１２の厚さＶ１より小さくて、第１銅粉末４１が噴射されるときの圧力Ｐ及び銅粉末が加熱される温度Ｔを適切に調整することで、第１銅粉末４１がシリコン層１１に到達して半導体素子１０を破壊することを防止できる。ここで、第１工程では、第２工程で厚膜層２２が形成されるときに第２銅粉末４２がシリコン層１１に到達するのを防止できるように、下地層２１が形成される。
【００３７】
そして、次の第２工程では、噴射される第２銅粉末４２の粒径Ｒ２が下地層２１の表面からアルミ膜１２とシリコン層１１との境界面までの寸法Ｖ２より小さく、第２銅粉末４２が噴射されるときの圧力Ｐ及び第２銅粉末４２が加熱される温度Ｔを適切に調整することで、第２銅粉末４２がシリコン層１１に到達して半導体素子１０を破壊することを防止できる。更に、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２は第１銅粉末４１の粒径Ｒ１より大きいため、第２銅粉末４２は第１銅粉末４１に比して安価であり、厚膜化が容易なものである。
従って、この実施形態の成膜付半導体素子の製造方法は、第１及び第２工程により、半導体素子１０を破壊することを防止しつつ半導体素子１０のアルミ膜１２に対し安価に成膜できるとともに容易に厚膜化できる。
【００３８】
そして、この実施形態の成膜付半導体素子１によれば、成膜速度が速く且つ膜の歩留まりが良いコールドスプレー装置３０によって、下地層２１及び厚膜層２２（銅膜２０）が形成されている。従って、成膜付半導体素子１は、メッキ法等によって成膜された成膜付半導体素子に比して安価に構成されたものである。加えて、銅膜２０は、ヒートマスとして機能することができる。なお、銅膜２０は、半田付けの下地処理として機能させることもでき、ワイヤボンドを接合する場合の保護膜として機能させることもできる。
【００３９】
次に、第２実施形態について、図７〜図９を用いて説明する。図７は、半導体素子５０の表面側の断面図である。この半導体素子５０は、図７に示したように、内部にシリコン層５１を有し、このシリコン層５１の外側にアルミニウムで構成されたアルミ膜５２を有するとともに、このアルミ膜５２の外側にニッケルで構成されたニッケル膜５３を有する。アルミ膜５２は、真空蒸着法又はスパッタ法によってシリコン層５１に形成された電極膜であり、アルミ膜５２の厚さは、５μｍに設定されている。ニッケル膜５３は、メッキ法によってアルミ膜５２に形成された電極膜であり、ニッケル膜５３の厚さは、１０μｍに設定されている。このニッケル膜５３とアルミ膜５２とが、シリコン層５１に重ねて形成された金属膜であり、この金属膜の厚さＷ１は１５μｍになっている。このような半導体素子５０の表面（ニッケル膜５３の表面）に、コールドスプレー法によって銅膜６０（図９参照）が形成される。
【００４０】
図８は、第１工程により、ニッケル膜５３の表面に第１銅粉末７１の下地層６１が形成された状態を示した概略図である。第１工程では、コールドスプレー装置によって噴射される第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値は、１０μｍであって、金属膜の厚さＷ１（１５μｍ）の三分の二以下である。これは、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐ及び銅粉末が加熱される温度Ｔに拘わらず、食い込み率Ｘは全て１５０％より小さいためである。言い換えると、銅粉末の粒径Ｒがアルミ基板の厚さの三分の二以下であれば、銅粉末はアルミ基板を貫通しないことになる。
【００４１】
従って、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二以下に設定することで、第１銅粉末７１が金属膜を貫通してシリコン層５１に到達することを防止できる。こうして、第１工程では、図８に示したように、ニッケル膜５３の表面に第１銅粉末７１の下地層６１が形成される。そして、この下地層６１は、その表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２が６０μｍになるまで、形成される。次に、第２工程について、図９を用いて説明する。
【００４２】
図９は、第２工程により、下地層６１の表面に第２銅粉末７２の厚膜層６２が形成された状態を示した概略図である。第２工程では、コールドスプレー装置によって噴射される第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値は、４０μｍであって、下地層６１の表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２（６０μｍ）の三分の二以下である。これは、上述した考察に基づいている。従って、第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を上記した寸法Ｗ２の三分の二以下に設定することで、第２銅粉末７２がシリコン層５１に到達して半導体素子５０を破壊することを防止できる。このようにして、半導体素子５０のニッケル膜５３に銅膜６０が形成された成膜付半導体素子が製造される。
【００４３】
以上、本発明に係る成膜付半導体素子及びその製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第１実施形態において、金属膜（アルミ膜１２）の厚さＶ１（８μｍ）、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値（７μｍ）、下地層２１の表面からアルミ膜１２とシリコン層１１との境界面までの寸法Ｖ２（５０μｍ）、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値（４０μｍ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐ、銅粉末が加熱される温度Ｔ、その他の条件に応じて、適宜変更可能である。ここで、第１実施形態において、金属膜の厚さＶ１は５〜８μｍであり、第１銅粉末４１の粒径Ｒ１の最大値は５〜８μｍであり、上記した寸法Ｖ２は３０〜１００μｍであり、第２銅粉末４２の粒径Ｒ２の最大値は、２０〜６０μｍであることが好ましい。
【００４４】
また、第２実施形態において、金属膜（アルミ膜５２及びニッケル膜５３）の厚さＷ１（１５μｍ）、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値（１０μｍ）、下地層６１の表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２（６０μｍ）、第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値（４０μｍ）は、銅粉末が噴射されるときの圧力Ｐ、銅粉末が加熱される温度Ｔ、その他の条件に応じて、適宜変更可能である。ここで、第２実施形態において、金属膜の厚さＷ１は１０〜３０μｍであり、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値は５〜２０μｍであり、上記した寸法Ｗ２は３０〜１００μｍであり、第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値は、２０〜６０μｍであることが好ましい。
【００４５】
また、第２実施形態においては、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二以下に設定し、且つ第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を下地層６１の表面からアルミ膜５２とシリコン層５１との境界面までの寸法Ｗ２の三分の二以下に設定した。しかし、第１銅粉末７１の粒径Ｒ１の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二以下に設定し、且つ第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を上記した寸法Ｗ２の三分の二より大きく設定しても良い。また、第１銅粉末の粒径Ｒ２の最大値を金属膜の厚さＷ１の三分の二より大きく設定し、且つ第２銅粉末７２の粒径Ｒ２の最大値を上記した寸法Ｗ２の三分の二以下に設定しても良い。
【００４６】
また、第１実施形態において、シリコン層１１の外側に形成される金属膜をアルミ膜１２とし、第２実施形態において、シリコン層５１の外側に形成される金属膜をアルミ膜５２及びニッケル膜５３とした。しかし、金属膜の構成は上記した構成に限定されるものではなく、例えば金属膜を、銅膜としても良く、銅膜及びニッケル膜としても良い。
【００４７】
また、各実施形態において、コールドスプレー装置によって噴射される第１，第２金属粉末を銅粉末とした。しかし、第１，第２金属粉末は銅粉末に限定されるものではなく、例えば第１，第２金属粉末をアルミ粉末としても良い。
また、各実施形態において、第１金属粉末と第２金属粉末は、同じ種類の金属粉末である銅粉末とした。しかし、第１金属粉末と第２金属粉末は、同じ種類の金属粉末に限定されるものではなく、例えば、第１金属粉末を銅粉末とし、第２金属粉末を銅粉末より硬い金属粉末としても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１ 成膜付半導体素子
１０ 半導体素子
１１ シリコン層
１２ アルミ膜
２０ 銅膜
２１ 下地層
２２ 厚膜層
３０ コールドスプレー装置
４１ 第１銅粉末
４２ 第２銅粉末
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子と、前記金属膜にコールドスプレー装置によって成膜したスプレー膜とを備えた成膜付半導体素子において、
前記スプレー膜は、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末により前記金属膜の表面に直接形成された下地層と、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末により前記下地層に重ねて形成された厚膜層と、を有するものであることを特徴とする成膜付半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載する成膜付半導体素子において、
前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることを特徴とする成膜付半導体素子。
【請求項３】
シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子に対しコールドスプレー装置によって成膜する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記コールドスプレー装置が、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末を噴射することにより前記金属膜の表面に下地層を形成する第１工程と、
前記コールドスプレー装置が、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末を噴射することにより前記下地層に重ねて厚膜層を形成する第２工程と、を有することを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、前記金属膜の厚さの三分の二以下であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５の何れかに記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第２工程により噴射される前記第２金属粉末の粒径は、前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法の三分の二以下であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６の何れかに記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、５μｍ以上且つ３０μｍ以下であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項１】
シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子と、前記金属膜にコールドスプレー装置によって成膜したスプレー膜とを備えた成膜付半導体素子において、
前記スプレー膜は、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末により前記金属膜の表面に直接形成された下地層と、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末により前記下地層に重ねて形成された厚膜層と、を有するものであることを特徴とする成膜付半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載する成膜付半導体素子において、
前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることを特徴とする成膜付半導体素子。
【請求項３】
シリコン層に重ねて金属膜を有する半導体素子に対しコールドスプレー装置によって成膜する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記コールドスプレー装置が、前記金属膜の厚さより小さい粒径の第１金属粉末を噴射することにより前記金属膜の表面に下地層を形成する第１工程と、
前記コールドスプレー装置が、前記第１金属粉末の粒径より大きく且つ前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法より小さい粒径の第２金属粉末を噴射することにより前記下地層に重ねて厚膜層を形成する第２工程と、を有することを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第２金属粉末は、前記第１金属粉末と同じ種類の金属粉末であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、前記金属膜の厚さの三分の二以下であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５の何れかに記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第２工程により噴射される前記第２金属粉末の粒径は、前記下地層の表面から前記金属膜と前記シリコン層との境界面までの寸法の三分の二以下であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６の何れかに記載する成膜付半導体素子の製造方法において、
前記第１工程により噴射される前記第１金属粉末の粒径は、５μｍ以上且つ３０μｍ以下であることを特徴とする成膜付半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−４９４６９（Ｐ２０１２−４９４６９Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９２６８９（Ｐ２０１０−１９２６８９）
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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