[發明專利]半導體裝置的制造方法

有效

• 申請號: 201110265728.3
• 申請日: 2006-08-08
• 公開（公告）號: CN102324405A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 池田靖;中村真人;松吉聰;佐佐木康二;平光真二
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: H01L23/00
• 分類號: H01L23/00;H01L23/488;B23K35/26;H05K3/34;H01L21/60
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 楊宏軍

本申請是申請日為2006年8月8目、申請號為200610115401.7、發明名稱為“半導體裝置及半導體裝置的制造方法”的申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及用于半導體裝置的釬料、使用該釬料制得的半導體裝置及其制造方法，具體而言，涉及用于將交流發電機的交流輸出轉換為直流輸出的車載交流發電機(交流發電機)的半導體裝置。

背景技術

用于車載交流發電機的半導體裝置，如專利文獻1(特開平07-221235號公報)所示，為了耐受嚴格的溫度循環而具有減小由半導體元件與電極的熱膨脹率之差產生的熱應力的結構。另外，由于設置在發動機附近，所以要求半導體裝置具有200℃的耐熱溫度。因此使用例如固相線為300℃左右的高Pb釬料(如含有95重量％的Pb和5重量％的Sn、固相線為300℃、液相線為314℃的Pb-Sn合金)連接半導體元件。

但是，從環保觀點看，要求開發出使用排除了環境負荷大的Pb的連接材料的半導體裝置。作為不含有Pb、熔點與高Pb釬料相接近的無Pb釬料，有Au-20Sn(共晶、280℃)、Au-12Ge(共晶、356℃)、Au-3.15Si(共晶、363℃)等Au類材料，但其成本極高。另外，如果使用了Au含量較低的Au-20Sn，因其是硬釬料，所以存在著大面積連接時無法充分緩和應力、半導體元件易破損的缺點。

作為其他無Pb釬料，有熔點為200℃或200℃以上的Sn-3Ag-0.5Cu等Sn類中溫系釬料，廣泛用于將零件組裝到基板上，在150℃或150℃以下具有良好的連接可靠性。但是，長時間保持在200℃或200℃以上的使用環境中時，由于在連接界面處界面反應加劇，導致空隙形成及金屬間化合物層成長等，由此引起連接可靠性降低。

針對上述問題，作為抑制Sn類釬料的界面反應的方法，如專利文獻2(專利第3152945號公報)已報導，通過使用組成為Cu：0.1～2重量％、Ni：0.002～1重量％、其余為Sn的Sn類釬料，可以在通過添加Cu來抑制被連接材料的銅腐蝕的同時，通過添加Ni來抑制連接界面上Cu6Sn5、Cu3Sn等金屬間化合物的成長。另外，專利文獻3(特開2002-280417號公報)報導，釬料凸點形成中，在被連接材料表面上設置2種能與Sn類釬料反應生成金屬間化合物的金屬層，通過將Sn類釬料球與該金屬層連接，在連接界面上形成由包括Sn在內的2～3種元素構成的金屬間化合物薄層，從而能夠抑制界面反應。

發明內容

但是，現有的技術中存在著以下問題，即，對界面反應的抑制不充分，連接可靠性低。特別是用于在高溫下使用的車載交流發電機(交流發電機)的半導體裝置，利用現有的技術來抑制界面反應是很困難的。

即，雖然在上述專利文獻2的情況下，可以多少期待通過添加Ni來抑制界面反應，但因Cu6Sn5、Cu3Sn化合物常與Cu及Sn類釬料相接觸，所以在200℃或200℃以上的高溫下界面反應加劇。使Cu-Sn化合物繼續生長，在界面上形成空隙等，結果導致連接可靠性降低。

另一方面，在上述專利文獻3的情況下，可以認為是由于在最接近釬料處形成的金屬間化合物在Sn類釬料與金屬層之間形成隔離層，從而強化了抑制界面反應的效果，但是，由于必須預先在被連接材料上設置2層金屬層，即，第1金屬層和第2金屬層，因此，存在以下問題：增加鍍敷工序、選擇性的局部鍍敷導致高成本；采用不能設置電極的結構時難以形成金屬層等。另外，由于連接時必須使在連接面最表面處形成的金屬層與Sn類釬料反應，形成隔離層，所以有可能存在以下問題：如果最表面上形成的金屬層較厚，則連接時殘留有未反應的最表面金屬層，不能充分發揮隔離層的效果；為了使最表面金屬層完全反應而必須進行延長連接時間等工序的調整。如果最表面金屬層較薄，則用于抑制界面反應的隔離層變薄，在200℃或200℃以上的高溫下可能無法充分抑制界面反應。而且，如圖2所示，在與Sn類釬料的反應中，連接面最表層上形成的層(如Cu層)15的未反應部分殘留·露出時，會出現該露出部分發生氧化、腐蝕的問題。另一方面，如果如圖3所示，為避免連接面最表面層的殘留而進行局部鍍敷等，在局部設置連接面最表面層，則Sn類釬料可能會潤濕擴展到其下層的金屬層(如Ni層)11。此時，有可能在上述層之間形成金屬間化合物(如Ni-Sn化合物)16，在該部分發生界面反應，并伴隨體積變化而生成空隙。

本發明提供半導體元件的連接材料，所述連接材料環境負荷小，成本低，即使在200℃或200℃以上的高溫下長時間使用也可保持連接可靠性，同時，提供使用上述連接材料的半導體裝置及車載交流發電機。