半导体装置及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体装置以及半导体装置的制造方法，特别涉及安装半导体元件的安装基板与半导体元件等的金属接合、半导体元件和引线端等的金属接合。
【背景技术】
[0002]近年来，针对半导体装置的可靠性的要求逐渐提高，特别强烈要求提高针对热膨胀系数差大的半导体元件和电路基板的接合部的可靠性。以往，在半导体元件中，大量使用以硅(Si)、砷化镓(GaAs)为基体材料的例子，其动作温度是100°C?125°C。作为将半导体元件接合到电子电路的电极的焊料材料，根据针对半导体元件与电路基板的热膨胀之差所引起的反复热应力的抗裂性、用于应对组装时的多阶段焊料接合的高熔点、进而器件的污染耐性等观点，在Si器件中使用了 95Pb-5Sn(质量％ )，在砷化镓器件中使用了 80Au-20Sn(质量％ )等。但是，根据降低环境负荷的观点，大量含有有害的铅(Pb)的95Pb-5Sn存在问题，并且根据贵金属的价格上涨、埋藏量等观点，关于80Au-20Sn，强烈期望替代材料。
[0003]另一方面，根据节能的观点，作为下一代器件，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为基体材料的器件的开发蓬勃发展。这些根据降低电力损失的观点，将其动作温度设为175°C以上，将来还可以说达到300 °C。
[0004]针对上述要求，需要熔点高而且耐热性优良的高温焊料材料(高温焊料合金)。这样的焊料合金此前是熔融温度为300°C前后的基于Pb的焊料合金。例如，有Pb-10Sn (质量％ )、Pb-5Sn (质量％ )、Pb-2Ag-8Sn (质量％ )、Pb_5Ag (质量％ )等，主要以Pb为主成分。Pb-10Sn的固相线温度是268°C，其液相线温度是302°C。Pb_5Sn的固相线温度是307°C，其液相线温度是313°C。Pb-2Ag-8Sn的固相线温度是275°C，其液相线温度是346°C。Pb_5Ag的固相线温度是304°C，其液相线温度是365°C。
[0005]但是，根据环境保护的观点，最近，在整个锡焊技术中，要求代替Pb系焊料合金，而使用无Pb焊料合金。当然，关于在以往的半导体装置中使用了的上述那样的Pb-Sn系高温焊料，也要求使用无Pb焊料合金。
[0006]但是，关于无Pb焊料合金，此前提出了多种，但Sn是主成分，没有固相线温度是260°C以上的高温焊料合金。例如，在固相线温度(共晶温度)是221°C的Sn-Ag系焊料合金中，如果增加Ag，则液相线温度提高，但固相线温度不提高。在固相线温度227°C的Sn-Sb系焊料合金中，在为了提高固相线温度，极端地增加了 Sb的情况下，液相线温度也极端地提高。另外，即使对它们添加其他元素，也无法改变这样的特性。因此，以往，在无Pb焊料合金中，认为没有即使在300°C下也不熔融的、可用作焊料的无Pb焊料合金。
[0007]因此，研究了未使用高温焊料合金的接合技术。被作为未使用该高温焊料合金的接合技术来研究的方法是指，使用熔融温度比Sn为主成分的无铅焊料更高的金属间化合物来接合的方法。在其中，也特别期望是使用向Sn的扩散快、且在比较低的温度下能够形成金属间化合物的Ag的通过Ag和Sn的金属间化合物(Ag3Sn)接合的方法。
[0008]例如，在专利文献1中，记载了无Pb且能够用于温度等级连接的高温侧的焊料连接的复合焊料。专利文献1的复合焊料通过由Cu构成的金属网被2张焊料箔夹持压接而得到的结构来构成，这样，将金属网和焊料箔重叠乳制，从而焊料箔的Sn进入到金属网的间隙，在加热之后，形成Cu和Sn的金属间化合物(Cu3Sn、Cu6Sn5)，实现高耐热化。另外，在专利文献1中，除了 Cu以外，Ag网也同样地是有力候补，在作为高熔点的金属间化合物的Ag3Sn化合物中，能够实现即使在280°C下也不熔融的连结连接。同样地，作为硬并且熔点低的合金系，Cu-Sn系(例如Cu6Sn5)也能够同样地应对。
[0009]另外，在专利文献2中，记载了用于接合芯片(半导体元件)和管芯的接合片。专利文献2的接合片是将有槽加工的Ag片、Ag导线纵横编织而得到的网格状片，针对该Ag片的表面实施厚度0.3?2.0 μ m的Sn镀层并进行加压、加热，从而在加热时，从Ag片的芯逐渐通过溶解、扩散而供给Ag。因此，专利文献2的接合片能够将最终地形成的Ag-Sn层的熔点提高到470°C以上，能够做成耐热性高的接合部，并且，有槽空间的Ag片柔软并且吸收热应变，提尚可靠性。
[0010]专利文献1:日本特开2004-174522号公报(第0024段?0053段、第0069段、图1、图 8)
[0011]专利文献2:日本特开2012-004594号公报(第0058段?0060段、图13、图14)
【发明内容】
[0012]但是，在专利文献1的复合焊料中，在使用Ag网的情况下，在Sn熔融了时，仅在有Ag网的部位，Ag与Sn扩散，形成高恪点的Ag3Sn，在空间上四方被该Ag3Sn包围，在Sn恪融了时，在一部分处卷入空气而熔融，所以在内部存在不少空隙。另外，在形成Ag3Sn时引起体积收缩，所以难以完全去除空隙。关于该熔融Sn中的空隙，如果四方被高熔点的Ag3Sn包围，则被壁包围而无法活动，所以即使在例如真空中接合电路基板和半导体元件等，也无法去除空隙，形成空隙多的接合部。关于专利文献2也是同样的，如果四方被高熔点的Ag3Sn包围，则无法确保去除空隙的路线，所以易于大量产生空隙。
[0013]另外，为了在电路基板和半导体元件等的接合部处形成高熔点的金属间化合物，还考虑不使用Ag网而使Ag粒微细地分散的方法等，但即使暂且Ag粒均匀地分布，在熔融时，不少Sn流动，所以Ag粒移动，接合部易于变得不均匀。由此，在接合部的一部分形成Ag3Sn，但在接合部的一部分处只有Sn的部位伸出，难以确保接合部的耐热性。
[0014]本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于在将接合对象物之间接合了的接合部处，形成空隙少的高熔点的金属间化合物。
[0015]本发明提供一种半导体装置，其特征在于，具备在形成于安装基板的第一 Ag层和形成于半导体元件的第二 Ag层之间挟持了的合金层，合金层具有由第一 Ag层以及第二 Ag层的Ag成分和Sn形成了的Ag3Sn的金属间化合物，包含Ag的多根导线从该合金层的外周侧延伸地配置。
[0016]根据本发明的半导体装置，具备对具有Ag3Sn的金属间化合物的合金层连接了包含Ag的多根导线的构造，所以在导线5之间确保能够去除在形成合金层13时不少产生的空隙的路线，能够在将接合对象物之间接合了的接合部处，形成空隙少的高熔点的金属间化合物。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的实施方式1的半导体装置的剖面图以及俯视图。
[0018]图2是说明本发明的合金层的图。
[0019]图3是示出金属间化合物Ag3Sn的基本特性的图。
[0020]图4是说明本发明的实施方式1的半导体装置的制造方法的图。
[0021]图5是说明本发明的实施方式1的半导体元件和导线的位置的图。
[0022]图6是说明本发明的实施方式1的半导体元件和导线的位置的图。
[0023]图7是说明比较例的半导体元件和导线的位置的图。
[0024]图8是说明比较例的半导体元件和导线的位置的图。
[0025]图9是示出本发明的实施例所示的代表性的接合部的剖面图像以及组成分析结果的图。
[0026]图10是示出本发明的实施例以及比较例的特性的图。
[0027]图11是示出本发明的实施例以及比较例的特性的图。
[0028]图12是示出本发明的金属间化合物Ag3Sn中的每个温度以及每个时间下的厚度的图。
[0029]图13是示出本发明的实施方式2的导线的配置的图。
[0030]图14是说明本发明的实施方式2的半导体元件和导线的位置的图。
[0031]图15是本发明的实施方式2的半导体装置的剖面图。
[0032]符号说明
[0033]4:Ag 层;5、5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g:导线；5al、5a2、5a3、5a4、5bl、5b2、5b3、5b4、5cl、5c2、5dl、5d2、5el、5e2:导线、8:Sn 层；9:半导体元件；10:Ag 层；11:弯曲部；12:电路基板；13:合金层；20:导线构造体；30:半导体装置。
【具体实施方式】
[0034