[发明专利]半导体装置的制造方法

说明书

本申请是申请日为2006年8月8目、申请号为200610115401.7、发明名称为“半导体装置及半导体装置的制造方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于半导体装置的钎料、使用该钎料制得的半导体装置及其制造方法，具体而言，涉及用于将交流发电机的交流输出转换为直流输出的车载交流发电机(交流发电机)的半导体装置。

背景技术

用于车载交流发电机的半导体装置，如专利文献1(特开平07-221235号公报)所示，为了耐受严格的温度循环而具有减小由半导体元件与电极的热膨胀率之差产生的热应力的结构。另外，由于设置在发动机附近，所以要求半导体装置具有200℃的耐热温度。因此使用例如固相线为300℃左右的高Pb钎料(如含有95重量％的Pb和5重量％的Sn、固相线为300℃、液相线为314℃的Pb-Sn合金)连接半导体元件。

但是，从环保观点看，要求开发出使用排除了环境负荷大的Pb的连接材料的半导体装置。作为不含有Pb、熔点与高Pb钎料相接近的无Pb钎料，有Au-20Sn(共晶、280℃)、Au-12Ge(共晶、356℃)、Au-3.15Si(共晶、363℃)等Au类材料，但其成本极高。另外，如果使用了Au含量较低的Au-20Sn，因其是硬钎料，所以存在着大面积连接时无法充分缓和应力、半导体元件易破损的缺点。

作为其他无Pb钎料，有熔点为200℃或200℃以上的Sn-3Ag-0.5Cu等Sn类中温系钎料，广泛用于将零件组装到基板上，在150℃或150℃以下具有良好的连接可靠性。但是，长时间保持在200℃或200℃以上的使用环境中时，由于在连接界面处界面反应加剧，导致空隙形成及金属间化合物层成长等，由此引起连接可靠性降低。

针对上述问题，作为抑制Sn类钎料的界面反应的方法，如专利文献2(专利第3152945号公报)已报导，通过使用组成为Cu：0.1～2重量％、Ni：0.002～1重量％、其余为Sn的Sn类钎料，可以在通过添加Cu来抑制被连接材料的铜腐蚀的同时，通过添加Ni来抑制连接界面上Cu6Sn5、Cu3Sn等金属间化合物的成长。另外，专利文献3(特开2002-280417号公报)报导，钎料凸点形成中，在被连接材料表面上设置2种能与Sn类钎料反应生成金属间化合物的金属层，通过将Sn类钎料球与该金属层连接，在连接界面上形成由包括Sn在内的2～3种元素构成的金属间化合物薄层，从而能够抑制界面反应。

发明内容

但是，现有的技术中存在着以下问题，即，对界面反应的抑制不充分，连接可靠性低。特别是用于在高温下使用的车载交流发电机(交流发电机)的半导体装置，利用现有的技术来抑制界面反应是很困难的。

即，虽然在上述专利文献2的情况下，可以多少期待通过添加Ni来抑制界面反应，但因Cu6Sn5、Cu3Sn化合物常与Cu及Sn类钎料相接触，所以在200℃或200℃以上的高温下界面反应加剧。使Cu-Sn化合物继续生长，在界面上形成空隙等，结果导致连接可靠性降低。

另一方面，在上述专利文献3的情况下，可以认为是由于在最接近钎料处形成的金属间化合物在Sn类钎料与金属层之间形成隔离层，从而强化了抑制界面反应的效果，但是，由于必须预先在被连接材料上设置2层金属层，即，第1金属层和第2金属层，因此，存在以下问题：增加镀敷工序、选择性的局部镀敷导致高成本；采用不能设置电极的结构时难以形成金属层等。另外，由于连接时必须使在连接面最表面处形成的金属层与Sn类钎料反应，形成隔离层，所以有可能存在以下问题：如果最表面上形成的金属层较厚，则连接时残留有未反应的最表面金属层，不能充分发挥隔离层的效果；为了使最表面金属层完全反应而必须进行延长连接时间等工序的调整。如果最表面金属层较薄，则用于抑制界面反应的隔离层变薄，在200℃或200℃以上的高温下可能无法充分抑制界面反应。而且，如图2所示，在与Sn类钎料的反应中，连接面最表层上形成的层(如Cu层)15的未反应部分残留·露出时，会出现该露出部分发生氧化、腐蚀的问题。另一方面，如果如图3所示，为避免连接面最表面层的残留而进行局部镀敷等，在局部设置连接面最表面层，则Sn类钎料可能会润湿扩展到其下层的金属层(如Ni层)11。此时，有可能在上述层之间形成金属间化合物(如Ni-Sn化合物)16，在该部分发生界面反应，并伴随体积变化而生成空隙。

本发明提供半导体元件的连接材料，所述连接材料环境负荷小，成本低，即使在200℃或200℃以上的高温下长时间使用也可保持连接可靠性，同时，提供使用上述连接材料的半导体装置及车载交流发电机。