JP2014192209A - 半導体装置及び放熱機構 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板または半導体パッケージ上に取り付けるヒートスプレッダの密着性、熱伝導性およびコスト性を改善すること。
【解決手段】この半導体装置１０において、半導体基板１２は、集積回路あるいは配線類が作り込まれている発熱性の半導体チップまたは半導体中継基板である。この半導体基板１２の表層部１２ａの上に、焼結銀被覆膜１４がシリコン酸化膜１５を介して密着している。焼結銀被覆膜１４の上には接着層１６を介してたとえば銅またはアルミニウムからなる放熱フィン（ヒートシンク）１８が結合される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板または半導体パッケージから出る熱をヒートスプレッダを介して放散させる放熱機構および半導体装置に関する。

一般に、発熱量の大きい集積回路（特にＣＰＵ）やパワートランジスタを搭載する半導体チップは、空冷式又は水冷式のヒートシンクを装着する。また、発熱量の大きい半導体チップを搭載する半導体中継基板（たとえばシリコンインターポーザ）も、同様のヒートシンクを装着する。

このような発熱量の大きい半導体基板とヒートシンクとの間で密着性および熱伝導性を高めて効率的な放熱を行うために、半導体基板の放熱面にヒートスプレッダと称される部材（通常は金属プレートまたは金属膜）を接合して、このヒートスプレッダにヒートシンクを直接または接合層を介して接続する構成が採られている。ヒートスプレッダの素材には、銅、銅合金、アルミニウムが多く用いられている。半導体基板とヒートスプレッダとの接合には、金属ペースト、熱伝導性接着剤、半田、熱伝導性グリース等が使用されている。

特開２００６−２１０６１１号公報

発熱量の大きい半導体素子を搭載する電子機器の動作を良好に保つためには、半導体素子が発生する熱を効率よく放熱させて、許容温度の上限を超えないようにすることが重要である。

しかしながら、半導体基板に金属ペースト、熱伝導性接着剤、半田あるいは熱伝導性グリース等からなる接合層を介して金属プレートのヒートスプレッダを接合している従来の放熱機構は、接合層にボイドの発生やストレス、疲労等に起因する熱伝導性劣化の要因があり、冷却機能の性能および信頼性が十分ではない。

また、放熱量の大きい半導体パッケージにもヒートスプレッダを介してヒートシンクを装着することがよく行われており、この場合にもヒートスプレッダ回りで上記と同様のことが問題となっている。

一方で、金属プレートの代わりに、金属蒸着膜または金属スパッタ膜をヒートスプレッダとして半導体基板上に形成する場合は、高価な真空成膜装置を必要とする。

そこで、半導体チップ、半導体中継基板、半導体パッケージ等に用いるヒートスプレッダとして、素材に熱伝導率の最も高い銀を使用する形態と、半田等の接合材を使わず、かつ成膜装置の簡便化を図る観点から塗布法によって形成される銀被覆膜の形態が有利と考えられる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、上記着眼点からなされたものであり、発熱性の半導体基板または放熱性の半導体パッケージに取り付けるヒートスプレッダの密着性、熱伝導性およびコスト性を改善する放熱機構および半導体装置を提供する。

本発明の第１の観点における半導体装置は、集積回路または配線類が作り込まれている発熱性の半導体基板と、前記半導体基板の一面に塗布法により密着して形成されているナノ銀粒子より製造される銀薄膜と、前記半導体基板と前記銀薄膜との密着界面に形成されている１ｎｍ（ナノメートル）以上の膜厚を有するシリコン酸化膜とを有する。

本発明の第２の観点における半導体装置は、集積回路または配線類が作り込まれている発熱性の半導体基板を収容する放熱性の半導体パッケージと、前記半導体パッケージの一面に塗布法により密着して形成されているナノ銀粒子より製造される銀薄膜と、前記半導体パッケージと前記銀薄膜との密着界面に形成されている１ｎｍ（ナノメートル）以上の膜厚を有するシリコン酸化膜とを有する。

本発明における放熱機構は、発熱性の半導体基板または放熱性の半導体パッケージから出る熱を逃がすための放熱機構であって、前記半導体基板または半導体パッケージの一面に塗布法により密着して形成されているナノ銀粒子より製造される銀薄膜と、前記半導体基板と前記銀薄膜との密着界面に形成されている１ｎｍ（ナノメートル）以上の膜厚を有するシリコン酸化膜とを有する。

本発明における半導体装置または放熱機構によれば、上記のような構成により、発熱性の半導体基板または放熱性の半導体パッケージに取り付けるヒートスプレッダの密着性、熱伝導性およびコスト性を改善することができる。

本発明の一実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 別の実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 上記半導体装置における要部（半導体基板のＳi表層部と焼結銀被覆膜との界面付近）の断面構造を模式的に示す図である。 上記半導体装置における要部（半導体基板のＳiＮ表層部と焼結銀被覆膜との界面付近）の断面構造を模式的に示す図である。 実施形態における成膜工程を示す斜視図である。 上記成膜工程により半導体基板上に焼結銀被覆膜が形成された状態を示す断面図である。 実施形態における焼成工程に使用可能な焼成装置の一構成例を示す断面図である。 上記焼成工程に使用可能な焼成装置の別の構成例を示す断面図である。 実施例の焼結工程における温度条件を説明する図である。 実施例における焼結銀被覆膜の密着性評価試験（ピールテスト）を示す斜視図である。 実施例の焼結工程における焼成処理時の湿度をパラメータにしたときの各サンプルにおける焼結銀被覆膜の密着性の評価結果を示す図である。 良好な密着性が得られた実施例のサンプル（Ｓｉベアチップ）におけるチップ表層部と焼結銀被覆膜との密着界面付近の断面構造（ＴＥＭ断面写真）を示す図である。 上記サンプル（Ｓｉベアチップ）におけるＥＤＳ分析の結果を示す図である。 良好な密着性が得られた実施例のサンプル（ＳｉＮ被覆チップ）におけるチップ表層部と焼結銀被覆膜との密着界面付近の断面構造（ＴＥＭ断面写真）を示す図である。 上記サンプル（ＳｉＮ被覆チップ）におけるＥＤＳ分析結果を示す図である。 Wiedemann-Franzの法則に基づく電気抵抗率と熱伝導率との関係を示すグラフ図である。

本発明において、上記シリコン酸化膜は、好ましくは１〜２００ｎｍの膜厚を有しており、これによって半導体基板と銀薄膜との間に優れた密着性および熱伝導性を与えることができる。

また、本発明の好ましい一形態において、銀薄膜は、半導体基板の一面に、アルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子を含む銀インクまたは銀ペーストを塗布し、その塗布膜を焼成して得られた焼結銀被覆膜である。この構成によれば、銀インクまたは銀ペーストの塗布膜の低温焼成によって、密着性と熱伝導性に優れた焼結銀被覆膜を得ることができる。

また、別の好ましい一形態においては、半導体基板のベアな状態で露出しているシリコンが、シリコン酸化膜を介して焼結銀被覆膜と密着している。この焼結銀被覆膜は、塗布膜を換気型のオーブンにより湿度１２．１ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃〜２５０℃に加熱して得られる。この構成により、半導体基板表層部のベアなシリコンと焼結銀被覆膜との密着界面に確実に１ｎｍ以上の膜厚を有するシリコン酸化膜を得ることができる。

また、別の好ましい一形態においては、半導体基板の少なくとも一面が窒化シリコン膜で覆われ、その窒化シリコン膜がシリコン酸化膜を介して焼結銀被覆膜と密着している。この焼結銀被覆膜は、塗布膜を換気型のオーブンにより湿度１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃〜２５０℃に加熱して得られる。この構成により、半導体基板表層部の窒化シリコン膜と焼結銀被覆膜との密着界面に確実に１ｎｍ以上の膜厚を有するシリコン酸化膜を得ることができる。

本発明における半導体基板は、たとえば、半導体チップ、半導体ウエハ、半導体中継基板（たとえばシリコンインターポーザ）である。半導体基板の材質は、典型的にはシリコンである。シリコン基板のベアな状態で露出している面に、銀薄膜（特に焼結銀被覆膜）を作製することができる。また、半導体基板の表面が、シリコンを含む無機膜たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層あるいは窒化シリコン（ＳｉＮ）層で覆われていてもよく、そのようなシリコン系無機膜の上に銀薄膜（特に焼結銀被覆膜）を好適に作製することができる。

本発明における半導体パッケージは、たとえば、セラッミクスパッケージまたは樹脂パッケージである。セラッミクスパッケージは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト等のセラミックス材料からなる枠体および上部の蓋体により構成され、内部に半導体素子または半導体基板（半導体チップ）を配置して封止している。樹脂パッケージは、半導体チップが中に配置される樹脂ケースとこれを覆う樹脂カバーとを有し、内部に半導体チップを密封して収める。樹脂パッケージの材料となる樹脂として、電気絶縁性が良好で熱伝導率が高いフィラー、たとえば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、シリカ（酸化珪素）等のフィラーを充填した樹脂が好適に用いられる。半導体パッケージの銀薄膜が形成される表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層、窒化シリコン（ＳｉＮ）層等のシリコンを含む無機層が形成されていてよい。

以下、添付図を参照して本発明の実施形態をより詳しく説明する。

［実施形態における半導体装置］

図１に、本発明の一実施形態における半導体装置の構成例を示す。図示の半導体装置１０において、半導体基板１２は、集積回路あるいは配線類（図示せず）が作り込まれている発熱性の半導体チップまたは半導体中継基板である。この半導体基板１２の一方の面つまり放熱面１２ａの上には、後述する焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置により焼結銀被覆膜１４が作製されている。さらに、この焼結銀被覆膜１４の上には、接着層１６を介してたとえば銅またはアルミニウムからなる放熱フィン（ヒートシンク）１８が結合される。接着層１６には、たとえば、金属ペースト、熱伝導性接着剤、半田または熱伝導性グリースが用いられる。放熱部の別の構成例として、接着層１６を省く構成、つまり焼結銀被覆膜１４の上に放熱フィン１８を直接載置する構成も可能である。

あるいは、別の実施形態として、図２に示すように、焼結銀被覆膜１４の上に金属等の構造部材たとえばサーマル・インターフェース・マテリアル（ＴＩＭ）１５を設けることも可能であり、このＴＩＭ１５の上に接着層１６を介して放熱フィン（ヒートシンク）１８を接合または接続する構成も可能である。

この半導体装置１０においては、半導体基板１２の少なくとも放熱面１２ａが、図３Ａに示すように基板のシリコン（Ｓi）がベアな状態で露出しているか、または図３Ｂに示すように窒化シリコン（ＳiＮ）膜で覆われている。このような半導体基板１２のＳi表層部またはＳiＮ表層部１２ａの上に、焼結銀被覆膜１４が酸化シリコン（ＳiＯ₂）膜またはシリコン酸化膜１３を介して密着している。ここで、シリコン酸化膜１３は、少なくとも半導体基板１２のＳｉ表層部またはＳiＮ表層部１２ａと焼結銀被覆膜１４との密着界面に一定値つまり１ｎｍ以上の厚みで存在していればよく、必ずしも基板上一面に１ｎｍ以上の厚みで存在している必要はない。

この半導体装置１０においては、半導体基板１２の放熱面１２ａに対する焼結銀被覆膜１４の密着性および熱伝導性が非常に優れており、半導体基板１２より発生される熱が焼結銀被覆膜１４を介して効率よく放熱フィン１８に伝わって、放熱フィン１８から放散される。これによって、半導体基板１２に搭載されている集積回路が許容温度の範囲内で安定に動作できるようになっている。

なお、後述する本実施形態の焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置の適用を受けるワークピースとしての半導体基板１２は、上記のような最終製品形態の半導体チップまたは半導体中継基板であってもよいが、半導体デバイスが完成する前の半導体ウエハであってもよい。

［実施形態における焼結銀被覆膜作製方法及び焼成装置］

本実施形態の焼結銀被覆膜作製方法は、次の第１の工程つまり塗布工程（１）および第２の工程つまり焼結工程（２）を含む。
（１）先ず、半導体基板１２の放熱面または被処理面（表層部）１２ａにナノ銀粒子（アルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子）を含むインクまたはペーストの塗布膜を形成する。
（２）次に、上記塗布膜を換気型のオーブンにより所定の湿度条件および温度条件で加熱して焼結させる。

図４に、スピンコート法による塗布工程（１）を示す。図示のように、被処理面１２ａを上に向けた半導体基板１２を回転円板２０上に載置して固定し、回転円板２０と一体的に半導体基板１２をスピン回転させながら、滴下装置２２の滴下口から銀インク（または銀ペースト）Ｋを半導体基板１２の中心部に滴下する。そうすると、スピン回転の遠心力により銀インクＫの液滴が中心部から周辺部に拡がり、図５に示すように半導体基板１２の被処理面１２ａ上に膜厚の均一な塗布膜ＫＭが形成される。ここで、銀インクＫは、ナノ銀粒子（アルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子）を含んでいる。

より具体的には、銀インクＫは、平均粒径が１０〜２００ｎｍであり、粒子径分布における小粒径側からの積算分布２０％の粒径が５ｎｍ以上であるナノ銀粒子を含んでいる。あるいは、銀インクＫは、１５０℃で２時間加熱して焼結した後の体積抵抗値が１００μΩ・ｃｍ以下で、且つ、２００℃で２時間加熱して焼結した後の体積抵抗値が１０μΩ・ｃｍ以下になるナノ銀粒子を含んでいる。

さらに、銀インクＫは、カーボン数が４〜１８の１３５℃における蒸気圧が７ｍｍＨｇ以上であるアルキルアミン類のいずれかもしくは２種類以上を含んでいる。あるいは、銀インクＫは、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、オレイルアミンのいずれかもしくは２種以上を含んでいる。

半導体基板１２上に形成される塗布膜ＫＭも、銀インクＫと同じナノ銀粒子（アルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子）を含んでいる。

この塗布工程（１）において、半導体基板１２の被処理面１２ａには、予め任意の厚さでシリコン酸化膜１３が形成され、または存在していてもよいが、そうでなくてもよい。すなわち、塗布時に半導体基板１２の被処理面１２ａ上にシリコン酸化膜１３が全くまたは殆ど存在していなくても構わない。

図６に、上記焼結工程（２）に使用可能な本実施形態における焼成装置の一構成例を示す。この焼成装置３０は、室内の空気を外気と入れ替えながら焼成処理を行う換気型のオーブンとして構成されている。より詳しくは、この焼成装置３０は、ナノ銀粒子を含んでいるインク塗布膜ＫＭが上記塗布工程（１）により一面に形成されている半導体基板１２をワークピースＷ（ＫＭ／１２）として出し入れし、たとえば隔壁または整流板３１およびステージ３３が設けられている焼成室内に一度に複数のワークピースＷを収容できるチャンバ３２を有している。さらに、この焼成装置３０は、チャンバ３２に空気を導入しながらチャンバ３２からガスを排出する換気部３４と、チャンバ３２内の雰囲気を所定の焼成温度に調整する温度調整機構３６と、チャンバ３２内の湿度を一定範囲内の設定値に調整する湿度調整機構３８とを有している。

換気部３４は、チャンバ３２の壁の異なる箇所たとえば底壁および側壁にそれぞれ設けられる空気導入ポート４０および排気ポート４２と、チャンバ３２内で空気導入ポート４０から排気ポート４２へ空気を攪拌しながら移動させるためのファン４４とを有する。このファン４４は、制御部４６の制御の下でモータ４８により駆動される。空気導入ポート４０は、後述するように水分量を調節された加湿空気をチャンバ３２内に導入するようになっている。排気ポート４２は、チャンバ３２内のガスが排出される出口であり、排気管４３を介して大気に開放されるか、あるいは工場排気ダクト（図示せず）に接続される。

温度調整機構３６は、空気導入ポート４０よりチャンバ３２内に導入された空気を加熱するためのヒータ５０と、チャンバ３２内の雰囲気温度を測定するための温度センサ５２と、この温度センサ５２より得られる温度測定値が温度設定値に一致するようにヒータ５０の放熱量を制御する制御部４６とで構成されている。ヒータ５０は、熱を放射して周囲に空気を加熱する任意のヒータでよく、たとえば電熱ヒータやカーボンファイバーヒータ等を使用できる。

湿度調整機構３８は、チャンバ３２の外で乾燥した空気を生成する乾燥空気発生部５４と、この乾燥空気発生部５４より送出された乾燥空気をチャンバ３２の中に導入される前に混合器５６を介して加湿する加湿器５８と、混合器５６の出口からチャンバ３２の空気導入ポート４０までの気密な空気流路を形成するエアダクト６０内に設けられる水分量センサ６２および流量センサ６４と、上記制御部４６とで構成されている。水分量センサ６２および流量センサ６４は、ダクト６０内を流れる加湿された空気の水分量および流量をそれぞれ測定する。制御部４６は、水分量センサ６２および流量センサ６４からの測定値信号に基づいてチャンバ３２に導入される加湿空気の単位体積当たりの水分量（測定値）を演算し、その単位体積当たりの水分量（測定値）が設定値に一致するように、乾燥空気発生部５４および加湿器５８の少なくとも一方の出力を制御する。

なお、水分量センサ６２として、たとえば、電気抵抗式水分計、吸湿性物質の電気的変化を使用する電子式水分計、赤外線吸収を利用する赤外線（吸収）水分計等を使用することができる。

この焼成装置３０においては、湿度調整機構３８より単位体積当たりの水分が一定に調整された加湿空気が、エアダクト６０を通って、空気導入ポート４０からチャンバ３２の中に導入される。チャンバ３２内に導入された加湿空気は、焼成室に入る前にヒータ５０によって加熱され、ファン４４の推力によって、空気以外のガスを巻き込みながら焼成室の中を排気ポート４２の方に向かって通り抜け、排気ポート４２からチャンバ３２の外に出る。

焼成処理中は、制御部４６の制御の下で上記構成の換気部３４、温度調整機構３６および湿度調整機構３８がそれぞれの機能または作用を奏することにより、チャンバ３２の焼成室内の雰囲気が設定通りの恒温かつ恒温状態に管理される。すなわち、上記焼結工程（２）のために、焼成温度は、１００℃以上、好ましくは１００℃以上で２５０℃以下、より好ましくは１００℃以上で２００℃以下に制御される。また、焼成処理時の湿度は、半導体基板１２の被処理面または表層部１２ａの材質に応じて調整され、たとえば基板被処理面１２ａの材質がシリコン（Ｓｉ）である場合は１２．１ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の範囲に調整され、基板表層部１２ａの材質が窒化シリコン（ＳｉＮ）である場合は１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の範囲に調整される。

図７に、本実施形態における焼成装置の一変形例を示す。図中、図６の焼成装置と同様の構成または機能を有する部分には、同じ符号を付している。

この焼成装置７０は、空気導入ポート４０を開放した状態で、チャンバ３２を密閉空間の空調室７２内に配置する。空調室７２内には、乾燥空気発生部５４より乾燥空気がエアダクト７４を介して送り込まれるとともに、空気導入ポート４０の近くに加湿器５８が配置される。これにより、乾燥空気発生部５４からの乾燥空気は、主として空気導入ポート４０付近で（チャンバ３２の外だけでなく中でも）加湿され、チャンバ３２内でヒータ５０により加熱されるようになっている。この焼成装置７０の湿度調整機構３８は、チャンバ３２の中に配置される湿度センサ７６を有している。制御部４６は、この湿度センサ７６より得られる湿度測定値が設定値に一致するように、乾燥空気発生部５４および加湿器５８の少なくとも一方の出力を制御する。

この焼成装置７０においても、焼成処理中は、制御部４６の制御の下で換気部３４、温度調整機構３６および湿度調整機構３８がそれぞれの機能または作用を奏することにより、チャンバ３２の焼成室内の雰囲気が設定通りの恒温かつ恒温状態に管理される。すなわち、上記焼結工程（２）のために、焼成温度は、１００℃以上、好ましくは１００℃以上で２５０℃以下、より好ましくは１００℃以上で２００℃以下に制御される。また、焼成処理時の湿度は、半導体基板１２の被処理面または表層部１２ａの材質に応じて調整され、たとえば基板表層部１２ａの材質がシリコン（Ｓｉ）である場合は１２．１ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の範囲に調整され、基板被表層部１２ａの材質が窒化シリコン（ＳｉＮ）である場合は１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の範囲に調整される。

［実施例］

以下、図８〜図１５を参照して本発明の実施例を説明する。特に、実施例の焼結銀被覆膜作製方法における焼成条件（サンプルの種類、焼成時の湿度、焼成温度）、作製された焼結銀被覆膜の密着性および熱伝導性の評価について説明する。

この実施例で使用した被覆銀超微粒子が分散する分散液は、田中貴金属工業（株）製の銀ナノインクである。この銀ナノインクは、本発明における上記銀インクＫの条件をすべて満たし、粒子径１０〜５０ｎｍの銀微粒子を含み、溶媒にオクタン−ブタノールを使用し、銀微粒子がアルキルアミン系の有機保護膜を有している。

一方で、この実施例におけるサンプル（半導体基板）１２として、シリコン基板からなる３０ｍｍ×３０ｍｍのベアな半導体チップつまりＳｉベアチップ［Ｓｉ］を３個（No.1〜No.3）準備し、チップ被処理面（表層部）１２ａに窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を形成した３０ｍｍ×３０ｍｍの半導体チップつまりＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］を３個（No.4〜No.6）準備した。

そして、この実施例では、塗布工程（１）の前に、全てのサンプル１２を１％のフッ酸に２分間漬けて、表面洗浄処理を行った。こうして全てのサンプル１２において、塗布処理時のチップ被処理面（表層部）１２ａには酸化膜が殆ど存在しないようにした。

塗布工程（１）には、上述したようなスピンコート法（図４）を用いた。このスピンコート法により、全てのサンプル１２のチップ被処理面（表層部）１２ａに上記銀ナノインクを同一の条件で塗布して、上記銀ナノインクの塗布膜ＫＭを形成した。

焼結工程（２）には、図７に示す構成の焼成装置７０を使用した。焼成処理の温度条件は、全てのサンプル１２について同一の条件とした。すなわち、図８に示すように、１００℃から２００℃まで約４０ｍｉｎで昇温し、２００℃を６０ｍｉｎ保持した後、約８０℃まで約８０ｍｉｎで降下させて、焼成装置７０の外へ取り出した。

ただし、焼結工程（２）においては、焼成処理時の湿度を、第１組のＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.1およびＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.4に対しては６．０ｇ／ｍ³以下に調整し、第２組のＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.2およびＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.5に対しては１２．１ｇ／ｍ³に調整し、第３組のＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.3およびＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.6に対しては１８．２ｇ／ｍ³に調整した。

そして、各サンプル１２のチップ被処理面（表層部）１２ａ上に得られた焼結銀被覆膜１４の密着性の評価を、ＪＩＳ−Ｋ５４００に準拠した碁盤目試験（クロスカットピール試験）に準ずるピールテスト（剥離試験）により行った。図９に、このピールテストの内容および手順を示す。

先ず、図９の（ａ）に示すように、カッターナイフ８２を用いて、カッターナイフ８２の刃先が焼結銀被覆膜１４を貫通して各サンプル１２のチップ被処理面（表層部）１２ａに達するように、焼結銀被覆膜１４に切り込み８４を入れる。この切り込み８４では、直交する２方向で１ｍｍ間隔の碁盤目状に入れ、焼結銀被覆膜１４に正方形の１００区画（マス）からなる格子パターンを形成した。

次に、図９の（ｂ）に示すように、各サンプル１２上の焼結銀被覆膜１４に隙間無く密着するように、粘着テープ（３Ｍ社製のスコッチテープ：610-1PK，テープ強度３．７Ｎ／ｃｍ）８６を圧着して貼り付けた。次に、図９の（ｃ）に示すように、各サンプル１２上の焼結銀被覆膜１４に貼り付けた粘着テープ８６をその端を持って一方向に引き剥がし、焼結銀被覆膜１４の中で剥がれなかった区画（マス）の数ないし割合を目視観察で計数した。

各サンプル１２におけるチップ被処理面（表層部）１２ａと焼結銀被覆膜１４間の密着性を評価する基準として、半導体チップ１２からの焼結銀被覆膜１４の剥がれが１００区画（マス）の全てで無い場合を１００％とし、１００区画（マス）のうち少しでも剥がれが見られた場合は、剥れなかった区画（マス）の割合（％）を求めた。

図１０および表１に、全てのサンプル［Ｓｉ］No.1〜No.3，［ＳｉＮ］No.4〜No.6における焼結銀被覆膜１４の密着性の評価結果を示す。

図１０および表１に示すように、湿度６．０ｇ／ｍ³以下で上記焼成処理を受けたＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.1は、上記ピールテストにおいて、剥離が発生しない区画（マス）は０個（０％）であった。つまり、１００区画（マス）の全てで剥離が発生した。ところが、湿度１２．１ｇ／ｍ³で上記焼成処理を受けたＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.2は、上記ピールテストにおいて、剥離が発生しない区画（マス）は９６個（９６％）であった。さらに、湿度１８．２ｇ／ｍ³で上記焼成処理を受けたＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.3は、上記ピールテストにおいて、剥離が発生しない区画（マス）は９８個（９８％）であった。

このように、Ｓｉベアチップ［Ｓｉ］の場合は、上記のような換気型の焼成装置（３０，７０）を用いる焼結工程（２）において焼成処理の湿度を１２．１ｇ／ｍ³以上に調整することが好ましく、これによってチップ被処理面または表層部１２ａ上に確実に密着性に優れた焼結銀被覆膜１４を作成することができる。

もっとも、換気型のオーブンにおいて焼成処理の湿度が２４．２ｇ／ｍ³を超えると、焼成中の結露により密着性が著しく低下する可能性があり得るので、望ましくない。したがって、焼結工程（２）における焼成処理の湿度は、２４．２ｇ／ｍ³以下に調整されることが好ましい。

また、図１０および表１に示すように、湿度６．０ｇ／ｍ³以下で上記焼成処理を受けたＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.4は、上記ピールテストにおいて、剥離が発生しない区画（マス）は８１個（８１％）とまずまずであった。しかし、湿度１２．１ｇ／ｍ³で上記焼成処理を受けたＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.5は、上記ピールテストにおいて、剥離が発生しない区画（マス）がわずか３個（３％）であった。一方で、湿度１８．２ｇ／ｍ³で上記焼成処理を受けたＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.6は、上記ピールテストにおいて、剥離が発生しない区画（マス）は１００個（１００％）であった。

このように、ＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］の場合は、上記のような換気型の焼成装置（３０，７０）を用いる焼結工程（２）において焼成処理の湿度を１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の範囲に調整することが好ましく、これによってチップ被処理面または表層部１２ａ上に確実に密着性に優れた焼結銀被覆膜１４を作成することができる。

本発明者が、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析）装置を組み込んだＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）装置を用いて、上記実施例において密着性の特に良好なＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.3およびＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.6についてチップ表層部１２ａと焼結銀被覆膜１４との密着界面付近の構造を分析したところ、図１１および図１３に示すようなＴＥＭ断面写真と、図１２および図１４に示すようなＥＤＳ分析結果がそれぞれ得られた。

すなわち、Ｓｉベアチップ［Ｓｉ］No.3においては、図１１に示すように半導体チップ１２の被処理面または表層部１２ａ（Ｓｉ）と焼結銀被覆膜１４（Ａｇ）との密着界面にそれらと異種の材質の薄膜が存在していることが観察され、図１２に示すようにこの薄膜は酸化シリコン（ＳiＯ_x）膜であって、その膜厚は１ｎｍ以上であることが確認された。

このように、Ｓｉベアチップ［Ｓｉ］については、そのチップ被処理面または表層部１２ａ上にアルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子を含む銀インク（または銀ペースト）Ｋの塗布膜ＫＭを形成し、この塗布膜ＫＭを上記換気型の焼成装置により湿度１２．１ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃〜２５０℃に加熱することにより、チップ表層部１２ａ上に確実に密着性に優れた焼結銀被覆膜１４を作成することができる。この場合、焼結工程（２）において、チップ表層部１２ａと焼結銀被覆膜１４との密着界面に膜厚が確実に１ｎｍを超えるシリコン酸化膜１３を形成することができる。

また、ＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.6においても、図１３に示すように半導体チップ１２の表層部１２ａ（ＳｉＮ）と焼結銀被覆膜１４（Ａｇ）との密着界面にそれらと異種の材質の薄膜が存在していることが観察され、図１４に示すようにこの薄膜は酸化シリコン（ＳiＯ_x）膜であって、その膜厚は１ｎｍ以上であることが確認された。

このように、ＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］については、そのチップ被処理面または表層部１２ａ上にアルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子を含む銀インク（または銀ペースト）Ｋの塗布膜ＫＭを形成し、この塗布膜ＫＭを上記換気型の焼成装置により湿度１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃〜２５０℃に加熱することにより、チップ表層部１２ａ上に確実に密着性に優れた焼結銀被覆膜１４を作成することができる。この場合も、焼結工程（２）において、チップ表層部１２ａと焼結銀被覆膜１４との密着界面に膜厚が確実に１ｎｍを超えるシリコン酸化膜１３を形成することができる。

一方で、本発明者は、上記実施例の焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置を用いて得られた焼結銀被覆膜１４について、熱伝導性の評価を行った。すなわち、上記実施例において各サンプルのチップ被処理面（表層部）１２ａ上に作成された焼結銀被覆膜１４について、四探針シート抵抗測定器により表面抵抗率（Ω／sq）を測定するとともに、ＴＥＭ写真により膜厚（ｎｍ）を測定して、焼結銀被覆膜１４の電気抵抗率または体積抵抗率ρ（μΩ・ｃｍ）を求めた。その結果、全てのサンプル［Ｓｉ］No.1〜No.3，［ＳｉＮ］No.4〜No.6において、焼結銀被覆膜１４の電気抵抗率ρ（μΩ・ｃｍ）は２．５〜２．７であった。

ところで、焼結銀被覆膜の熱伝導率λ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、当該焼結銀被覆膜の電気抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）から推定することができる。すなわち、バルク銀の電気抵抗率ρ(μΩ・ｃｍ)、熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）をそれぞれ、＝１．４７、４３０とし、Wiedemann-Franzの法則（λ∝σ＝１／ρ）を用いると、図１５に示すように、実施例における焼結銀被覆膜１４においては、その電気抵抗率ρ(μΩ・ｃｍ)が２．５〜２．７であるとすると、その熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は２３４〜２５３（推定値）である。

実施例における焼結銀被覆膜１４の熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝２３４〜２５３は、市販の銀ペーストの熱伝導率約１０、市販の半田の熱伝導率約５０と比較すると非常に大きな値である。すなわち、この焼結銀被覆膜１４の熱伝導性は非常に良好なものであることがわかる。これにより、熱抵抗が小さくて放熱効果の大きいヒートスプレッダとして使用することができる。

なお、半導体基板１２と焼結銀被覆膜１４との密着性に関しては、上述したように、それらの密着界面に接着層として存在するシリコン酸化膜１３の膜厚は大きすぎて悪いことはない。しかしながら、熱伝導性に関しては、シリコン酸化膜１３の膜厚は小さいほど好ましい。一般の半導体チップまたは半導体中継基板に上述した実施形態の焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置を適用する場合は、密着性の観点からは上記実施例のようにシリコン酸化膜１３の膜厚を１ｎｍ以上とするのが好ましく、熱伝導性の観点からはシリコン酸化膜１３の膜厚を２００ｎｍ以下とするのが好ましい。

［他の実施形態または変形例］

上記実施例では塗布工程（１）に先立って各サンプル１２にフッ酸処理（表面洗浄処理）を施したが、そのようなフッ散処理を省くことも可能である。その場合、塗布処理を受ける前に、既に半導体基板１２の被処理面（表層部）１２ａに任意の膜厚でシリコン酸化膜が被着または形成されていてもよい。

本発明者が、被処理面（表層部）１２ａに１ｎｍ以上の膜厚を有するシリコン酸化膜が予め形成されている３個のＳｉベアチップ［Ｓｉ］No.1〜No.3および３個のＳｉＮ被覆チップ［ＳｉＮ］No.4〜No.6について、上記実施例と同じ条件で塗布工程（１）および焼結工程（２）を実施した結果、全てのサンプルにおいて、上記ピールテストで剥離が発生しない区画（マス）が１００個（１００％）であり、良好な密着性が得られた。

もっとも、Ｓｉ自然酸化膜の膜厚は、通常１０ｎｍ以下であるが、１ｎｍを超えない場合もある。したがって、被処理面に既にＳｉ自然酸化膜が形成されている半導体基板であっても、上記実施形態の焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置を適用する場合は、上記実施例に準じて、Ｓｉベアチップについては焼成処理時の湿度を１２．１ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³とするのが好ましく、ＳｉＮ被覆チップについては焼成処理時の湿度を１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³とするのが好ましい。

上記実施形態および実施例における半導体基板は、その放熱面または表層部がベアな状態で露出しているか、または窒化シリコン膜で覆われていた。しかし、本発明は、その放熱面または表層部がシリコン酸化膜で覆われている半導体基板にも適用可能である。

また、上記実施形態および実施例では、本発明の焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置により、半導体基板の一面に焼結銀被覆膜を作製する例について説明した。しかし、本発明の焼結銀被覆膜作製方法および焼成装置により、半導体パッケージの一面にも上記と同様の密着性および熱伝導性を有する焼結銀被覆膜を作製することができる。

また、本発明の塗布工程にはスピンコート法を有利に使用できるが、印刷法等の他の塗布法も使用することができる。

１０ 半導体装置
１２ 半導体基板
１３ シリコン酸化膜
１４ 焼結銀被覆膜（ヒートスプレッダ）
１５ サーマル・インターフェース・マテリアル（ＴＩＭ）
１６ 接着層
１８ 放熱フィン
３０，７０ 焼成装置
３２ チャンバ
３４ 換気部
３６ 温度調整機構
３８ 湿度調整機構製造
４６ 制御部
５２ 温度センサ
６２ 水分量センサ
７６ 湿度センサ

Claims (15)

1. 集積回路または配線類が作り込まれている発熱性の半導体基板と、
   前記半導体基板の一面に塗布法により密着して形成されるナノ銀粒子より製造される銀薄膜と、
   前記半導体基板と前記銀薄膜との密着界面に形成されている１ｎｍ以上の膜厚を有するシリコン酸化膜と
   を有する半導体装置。
2. 前記シリコン酸化膜は、１〜２００ｎｍの膜厚を有している、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ナノ銀粒子は、平均粒径が１０〜２００ｎｍであり、粒子径分布における小粒径側からの積算分布２０％の粒径が５ｎｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記ナノ銀粒子は、１５０℃で２時間加熱して焼結した後の体積抵抗値が１００μΩ・ｃｍ以下で、且つ２００℃で２時間加熱して焼結した後の体積抵抗値が１０μΩ・ｃｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記銀薄膜は、前記半導体基板の一面に、アルキルアミン系の保護分子により覆われた被覆銀超微粒子を含む銀インクまたは銀ペーストを塗布し、その塗布膜を焼成して得られた焼結銀被覆膜である、請求項１〜４のいすれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記銀インクまたは銀ペーストは、カーボン数が４〜１８の１３５℃における蒸気圧が７ｍｍＨｇ以上であるアルキルアミン類のいずれかもしくは２種類以上を含む、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記銀インクまたは銀ペーストは、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、オレイルアミンのいずれかもしくは２種以上を含む、請求項５に記載の半導体装置。
8. 前記半導体基板のベアな状態で露出しているシリコンが前記シリコン酸化膜を介して前記焼結銀被覆膜と密着しており、
   前記焼結銀被覆膜は、前記塗布膜を換気型のオーブンにより湿度１２．１ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃〜２５０℃に加熱して得られる、
   請求項５〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記半導体基板の少なくとも一面が窒化シリコン膜で覆われ、前記窒化シリコン膜が前記シリコン酸化膜を介して前記焼結銀被覆膜と密着しており、
   前記焼結銀被覆膜は、前記塗布膜を換気型のオーブンにより湿度１８．２ｇ／ｍ³〜２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃〜２５０℃に加熱して得られる、
   請求項５〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 集積回路または配線類が作り込まれている発熱性の半導体基板を収容する放熱性の半導体パッケージと、
    前記半導体パッケージの一面に塗布法により密着して形成されているナノ銀粒子より製造される銀薄膜と、
    前記半導体パッケージと前記銀薄膜との密着界面に形成されている１ｎｍ以上の膜厚を有するシリコン酸化膜と
    を有する半導体装置。
11. 前記銀薄膜に接合または接触しているサーマル・インターフェース・マテリアル（ＴＩＭ）を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
12. 前記銀薄膜に熱的に結合しているヒートシンクを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
13. 発熱性の半導体基板または放熱性の半導体パッケージから出る熱を逃がすための放熱機構であって、
    前記半導体基板または半導体パッケージの一面に塗布法により密着して形成されているナノ銀粒子より製造される銀薄膜と、
    前記半導体基板と前記銀薄膜との密着界面に形成されている１ｎｍ以上の膜厚を有するシリコン酸化膜と
    を有する放熱機構。
14. 前記銀薄膜に接合または接触しているサーマル・インターフェース・マテリアル（ＴＩＭ）を有する、請求項１３に記載の放熱機構。
15. 前記銀薄膜に熱的に結合しているヒートシンクを有する、請求項１４または請求項１５に記載の放熱機構。