CN1017950B - 硅器件芯片背面银系溅射金属化 - Google Patents

Abstract

本发明采用先进的磁控溅射技术，以成本较低的金属银作为硅器件背面金属化层主要材料，采用先进的快速热退火工艺，成功地解决了硅器件背面金属化结构的可靠性问题。溅射方法制备的背面金属化结构，层间热应力匹配好，欧姆接触性能优良，具有良好的浸锡沾润性能和很强的附着能力。实验表明，本方法显著地改善了晶体管的电学性能，热疲劳试验达3万次，达到高可靠质量要求，溅射银系工艺成本低，便于推广。

Description

本发明属于半导体器件和集成电路工艺技术。

目前中小功率晶体管背面电极多采用蒸金技术，耗费贵金属材料，成本高可靠性差;而大功率晶体管多采用化学镀镍、铅锡烧结工艺。该工艺缺点是烧结后沾润面积小，晶体管热阻大，饱和压降大，大电流特性差以及间歇工作寿命低。To-3不带钼片封装，间歇寿命一般为800-2000次，To-222封装一般在5000次左右。此外，由于烧结粘润面积小，设计功率容量不能得到充分发挥，因此对于同样功率的晶体管，管芯面积一般都比较大。

近年来，有人使用双层（或多层）金属蒸发工艺解决背面电极金属化问题，取得了一定效果。但由于蒸发工艺本身的限制，该方案不能根本解决电极金属化问题。且工艺条件要求较苛刻，实际推广应用后，质量问题仍时有发生，不带钼片To-3封装功率晶体管的间歇工作寿命可达8000次，G型带钼片封装功率晶体管的间歇工作寿命达到2万次。虽然可靠性得到了明显提高，但从技术角度来说，因为采用蒸发方法，而且又全都是采用金系多层结构，耗费贵重金属多，成本高，推广应用受到限制。

本发明对硅器件背面的金属化采用芯片背面研磨、芯片清洁处理、芯片背面银系溅射、芯片快速热退火和氢气烧结等工艺，可使晶体管间歇工作寿命达3万次。本发明目的在于改善金属化层之间的热应力匹配及欧姆接触性能，增加浸锡沾润性能及附着力，提高晶体管可靠性及改善电学特性，并可降低成本。

背面金属化系统是功率晶体管的一个重要组成部份。它有二方面功能：一方面是较大的电流通路，另一方面它又是晶体管集电极 所产生的大量热量传递散热的通路。因此背面金属化系统对功率晶体管的性能和可靠性会有很大的影响。

关于背面金属化层要求：

一个良好的背面金属化系统要求具有欧姆接触电阻小，接触热阻低和可靠性好。从要有良好的电学性能出发，为了与硅衬底形成良好的欧姆接触，通常要求选用：

①肖特基势垒高度较低的金属材料;

②接触电阻低的金属;

③高掺杂浓度衬底材料;

④高复合中心的衬底。

为了使功率晶体管背面金属化层具有良好的导热性能和可靠性，要尽量减小硅芯片和背面金属化层间的热应力。我们知道，当功率晶体管处于间歇工作状态时，器件经历周期性的高温和低温过程，形成了热循环。由于晶体管内部的硅芯片、焊料以及底座各层材料间的线膨胀系数不同，在热循环中，系统内部产生了热应力、热阻增大，使得晶体管局部过热而失效。为了提高功率晶体管的抗热疲劳性能，应尽量减小系统内的热应力，由于金属化系统的应力与硅衬底以及各金属层材料间的线膨胀系数之差成正比，为此我们选择合适的金属材料，使硅-金属以及相邻两层金属的线膨胀系数差减小，并使层间线膨胀系数差大致匹配，有利于减小应力。

关于背面金属化层结构：

用于实际器件的背面金属化系统，其结构一般由三个部份组成：欧姆接触层，扩散阻挡层和导电层（此层又可分为可焊层和防氧化层）。表1列出了几种常用金属性能比较。目前国内不少单位多采用NiCr合金蒸发形成欧姆接触层。由于NiCr合金本身是一种电阻性材料，电阻大，因此用于背面金属化显然不是一种理想的材料。 我们选用了一种低势垒而且接触电阻小的金属材料钛（Ti）或铬（Cr），十分有利于形成良好的欧姆接触。扩散阻挡层的作用是防止导电层金属扩散、渗透与硅形成化合物，并且还要防止上层金属与下层金属产生有害的高阻化合物，因此扩散阻挡层必须具有一定的厚度。导电层位于金属化结构最外层，要求其性能稳定，导电导热性能好且易于焊接，我们选用银基材料作为导电层，是因为银比金成本低，导热性好，而且银与PbInAg焊料层具有更好的浸润性能。

表1    几种常用金属主要性能

与硅欧姆接触电阻系数

线膨胀系数 热导率 电阻率 （×10^-4Ωcm²）

金属 （×10^-6/℃） （w/cm℃） （μΩcm） N-Si P-Si

10^-3Ωcm 2×10^-3Ωcm

Al    24    2.37    2.65    0.09    0.03

Mo    5    1.4    5.2    0.08    0.06

Ni    13.7    0.899    6.84    0.02    0.02

Cr    8.1    0.91    12.9    0.03    0.04

Ti    8.4    0.2    42    0.01    0.01

金属+P_tS_i0.01 0.01

Au    14.2    3.15    2.24    -    -

Ag    18.9    4.27    1.59    -    -

从表1中可以看出，钛（Ti）与硅（硅的线膨胀系数为2.5×10^-6/℃）、铬（Cr）与硅（Si）、镍（Ni）与钛、镍与铬、银（Ag）与镍之间的膨胀系数差均为（5-6）×10^-6/℃，匹配适当，一致性好。而铬既是较好的欧姆接触材料，而且也是较好的阻挡层材料。

溅射方法的分析：

以溅射技术和真空蒸发技术相比，溅射薄膜的附着力和薄膜复盖性能都明显优于蒸发薄膜，这是我们采用溅射技术的原因所在。对于大多数金属，溅射原子能量大约为10ev，而蒸发原子的能量仅为0.2ev左右。很明显，溅射原子要比蒸发原子的能量高得多，因而能穿透或去除表面沾污，使得溅射原子更易与衬底结合，具有良好的附着性能。在实际欧姆接触形成过程中，硅衬底表面总是存在着自然氧化层，会影响硅衬底与背面金属化层的浸润和接触，用蒸发方法是难以避免的。而选用磁控溅射方法，可以“清洁”硅衬底表面，改善沾润性，并且使得硅片处理工艺简单。此外，在溅射过程中会对硅衬底产生一定损伤，相当于产生了大量复合中心，从这个意义上讲，使用溅射方法亦有利于形成欧姆接触。

基于上述分析，我们采用了溅射方法淀积背面金属化层。主要工作是在国产三靶直流溅射设备上完成的。实验结果表明，国产设备能较好满足工艺要求。

本发明技术方案：

①研磨芯片背面（详见说明书第9页的（7））。

②清洁处理：

本方法对硅芯片的清洁处理与其他方法的清洁处理一样，用稀HF酸（HF与水的比例一般为1∶10）漂洗硅芯片约1分钟左右，吹干后立即装入溅射台真空室内。

③溅射背面金属层：

本方法采用的是依次分层将各种金属溅射到硅器件的背面，共有三种方案。第一种方案称为银系1号，溅射的金属分别为钛（第一层）、镍（第二层）、银（第三层），钛层溅射厚度为600埃至1000埃，镍层溅射厚度为1500埃至5000埃，银层的溅射厚度为5000埃至15000埃。第二种方案称为银系2号，溅射 的金属分别为铬、银铜合金（合金中银的比例大于94%，铜的比例小于6%），铬层溅射厚度为800埃至1500埃，银铜合金层的溅射厚度为5000至15000埃。第三种方案为银系3号，溅射的金属分别为铬、镍、银、铬层的溅射厚度为600埃至800埃，镍层的溅射厚度为1500埃至5000埃，银层溅射厚度为5000埃至15000埃，溅射前器件予热温度为70℃至100℃，最佳温度为75℃至85℃。

④快速热退火：

对溅射结束后的芯片进行快速热退火处理，退火装置可采用卤素灯瞬态退火装置，氮气保护，退火温度为400℃至500℃，最佳温度为445℃至455℃，退火时间为10秒至20秒。快速热退火处理的作用有三个：第一，消除溅射所造成的表面损伤;第二，增加各金属层之间的渗透;第三，改善表面层的锡浸润性能。

⑤氢气烧结工艺

热退火后的硅芯片，采用Pb-In-Ag（92.5∶5∶2.5）焊料进行氢气烧结。烧结温度为320±5℃，恒温保持时间为5分钟，管芯和管座用钼夹子固定，氢气采用经分子筛（三级）和105催化剂催化纯化的普通氢气。

本发明的优点及积极效果：

为了研究背面金属化结构及工艺对功率晶体管电学性能和可靠性影响，我们选择了北京半导体器件十一厂为彩电国产化配套需要量较大的20W帧输出管作为功率晶体管典型样品，对三种银系多层结构金属化系统在溅射前后，热处理前后以及烧结、封装后的功率晶体管主要性能作了一系列对比试验。其中测量了晶体管热阻、饱和压降和大电流特性，并对新的背面金属化技术对功率晶体管可靠性的提高做了抗热疲劳寿命试验。

（1）溅射前后功率晶体管性能对比

众所周知，溅射会对衬底表面产生一定损伤有可能引起晶体管结内复合中心的增加，导致小电流下β的下降。但是当溅射硅芯片背面时，会不会影响晶体管的小电流下β特性仍然是人们十分关心的问题。经过溅射前后多次器件性能对比测量，典型结果如图1所示。对于溅射损伤敏感的小电流放大系数没有什么变化，表明芯片背面溅射后晶体管电学性能没有受到影响。而背面溅射引起的复合中心有利于改善背面欧姆接触。

（2）热处理前后晶体管性能对比

一般在背面多层金属溅射后，经常需要进行一次热处理消除应力，并使层间金属互有一定渗透以增强粘附力。热处理温度和时间以达此目的而又不影响晶体管性能而选定。实验结果表明，经过热处理后的背面金属层浸锡试验空洞少，烧结粘润性能好。同时发现晶体管的电流特性保持不变或略有改善。图2给出了几种典型的热退火前后的晶体管特性曲线。可以看出，热退火后晶体管的小电流放大系数不变或有所增大;同时可以看出，经热处理后晶体管的饱和压降有所减小。

（3）浸锡试验

一个良好的背面金属化系统，需要金属化层与焊料有良好的浸润性能。我们对比进行了银系和金系浸锡试验，浸锡后发现，金系结构浸锡不均匀，空洞较多;而银系结构浸锡均匀，无空洞。结果如图3（a）所示，表明银系结构具有更为良好的浸润性能。同时，我们还对化学镀镍、CrNiAg蒸发以及溅射银系三种结构进行了浸锡对比试验。结果表明，溅射银系结构浸锡均匀，无空洞，其浸润性能最好;CrNiAg蒸发浸锡性能次之;而化学镀镍浸锡后空洞较多，其浸润性能最差，图3（b）给出了以上三种结构浸锡后的照片。此外我们还用推力计检测了芯片与底座焊接程度。对于市场上的小功率晶体管芯片， 当推力为0.8kg左右时芯片与底座分离。而对于溅射银系结构芯片，当横向推力大于2kg时，芯片与底座仍焊接良好。

（4）热阻测量

对于功率晶体管来说，热阻是与可靠性有关的一个重要参数。北京半导体器件十一厂在现在生产的功率晶体管工艺中，背面金属化主要采用硅片背面镀镍烧结或蒸发CrNi合金和银的方法。为了研究新的背面金属化结构的性能，我们在20W塑封功率晶体管3DA861上做了不同工艺、不同背面金属化结构的对比试验。试验结果如表2所示，可以清楚看出，采用背面镀镍烧结的方法，晶体管的热阻大，一致性不好。采用CrNiAg多层金属背面蒸发的方法，晶体管的热阻低，但一致性不好，而采用溅射淀积的银系多层金属化系统，特别是银系1号，不但晶体管热阻低，而且一致性好。

表2    3DA861功率晶体管热阻（20W）

NiAg    Ni-PbSn    CrNiAg

银系1号    银系2号

（化学镀镍）    （化学镀镍）    （蒸发）

θ_jc（℃/w） 3.50 3.84 6.25 5.47 3.67

θ_jcmax3.97 4.70 9.81 6.27 6.11

θ_jcmin2.67 2.48 5.31 4.73 2.58

△ θ_jc1.30 2.22 4.50 1.54 3.53

从对比中可以看出，银系I号平均热阻为化学镀镍晶体管平均热阻的60%左右，也就是说，可使功率晶体管平均热阻减小40%。从表2不难看出，采用溅射方法有一个明显的优点，就是晶体管热阻的分散性小，一致性好，这对于提高后步工序成品率十分有利。

（5）晶体管电学性能改善

采用溅射淀积银系背面多层金属新技术还显著地改善了功率晶体 管电学性能：

①降低饱和压降Vces

饱和压降Vces是功率晶体管的一个重要参数。我们采用不同背面金属化技术对功率晶体管3DA861饱和压降做了对比测量，结果示于表3。晶体管饱和压降值是从每一种类型晶体管中任抽10支，取其测试结果的平均值。测试条件为Ic＝250mA，Ib＝25mA。

表3    3DA861晶体管饱和压降对比

银系1号    银系2号    化学镀Ni    CrNiAg（蒸发）

饱和压降平均值    0.06    0.07    0.08    0.07

（V）

由表3可以看出，采用银系I号技术，晶体管的饱和压降最低。与化学镀镍工艺相比，其饱和压降低了大约20%，与目前流行的CrNiAg蒸发工艺相比也要低14%左右。

②改善大电流特性

对于功率晶体管人们十分关心其大电流特性，因为它在实际应用中是十分重要的问题。所谓改善大电流特性，就是指如何使h_FE开始下降所对应的电流更大些，或者说如何增大收集极最大工作电流I_CM。实验发现，采用我们新的背面金属化技术，大电流特性得到了显著的改善。表4给出了不同背面金属化结构的晶体管大电流特性对比结果。该数据是从每一类晶体管中任取5支测量并取其h_FE的平均值。h_FE-I_C曲线示于图4。这里我们以I_C（h_FEmax）来描述晶体管的电流特性。从表4可以看出，银系1号的最大收集极电流可达1000mA，而CrNiAg蒸发和化学镀镍晶体管收集极电流均为500mA。可以看出，其I_C（h_FEmax）值比CrNiAg蒸发和化学镀镍晶体管的I_C（h_FEmax）值均增大了一 倍。表明采用银系1号结构显著地改善了晶体管的大电流特性，这种电性能改善直接与采用银系I号溅射技术有关，充分说明该技术增大了有效接触面积，减小了晶体管的接触电阻。

表4    晶体管大电流特性对比

银系1号    CrNiAg（蒸发）    化学镀Ni

I_c（hFEmax） 1000mA 500mA 500mA

（6）间歇工作寿命试验

间歇工作寿命试验是功率晶体管的一项重要参数，它标志着器件在一定工作条件下的使用寿命。我们对二种银系背面金属化系统进行了间歇工作寿命试验。试验条件为热循环温差△T＝60℃，t_on＝1分，t_off＝3分，下限室温25±5℃。失效判据为：当被测晶体管失去电性能，或电性能超过产品规范值，或晶体管△V_BE（N＝Nf）＞1.5倍△V_BE初始值时，即认为该晶体管失效。N_f为晶体管失效前的电热循环次数，试验结果表明，银系I号和银系2号两种金属化的功率晶体管3DA861的间歇工作寿命均超过3万次以上。

本工艺比起化学镀镍和CrNiAg蒸发工艺，晶体管间歇工作寿命有大幅度的提高，达到了高可靠质量水平。同时从图5可以发现，两种银系背面金属化结构晶体管的平均△V_BE在整个间歇工作寿命试验期间变化很小，说明这二种背面金属化结构性能良好。

（7）硅背面平整度的影响

为了保证功率晶体管的高可靠性，在采用新的背面金属化技术的同时，还必须注意芯片背面处理。一般在背面金属化层制备前，人们通常采用金刚砂机磨或手磨芯片背面，目的是为了减薄芯片厚度和希望增大芯片背面接触面积。因此，芯片背面的不同状态会不会对晶体 管电学性能和可靠性带来影响是个需要研究的问题。为此我们对二种不同背面状况的芯片作了对比研究。一种芯片背面经研磨后，有许多较深沟槽，如图6（a）所示，称为A类样品。另一种芯片背面经细金刚砂细磨没有沟槽，如图6（b）所示，称为B类样品。这二种芯片都同时采用溅射方法淀积了银系1号背面多层金属。退火后经中间测试发现，有沟槽的A类样品的晶体管饱和电阻大，而B类样品的晶体管电学特性较好。在芯片烧结、压焊和封装后仍可见到以上这种现象。表5给出了这二种芯片制备的功率晶体管的热阻和饱和压降对比测量数据。由表5可以看出，B类样品功率晶体管的平均热阻和饱和压降都比A类样品的功率晶体管的平均热阻和饱和压降低。此外，我们还对这二种功率晶体管进行了间歇工作寿命试验，试验结果见表6。由表6可以看出，A类样品晶体管的间歇工作寿命仅通过10000次试验，而B类样品晶体管的间歇工作寿命可达3万次以上，并正在继续试验中。为了分析这二种不同芯片背面对晶体管性能的影响，我们用α-step台阶仪分别检测了这二种样品背面，对应的两种表面分布见图7。由图可以看出，A类样品芯片背面存有许多沟槽，并且沟槽深而窄;而B类样品背面则没有这种深槽。我们认为，由于沟槽深而窄，烧结时焊料无法填满，结果导致A类样品晶体管的接触电阻大，热阻高。同时，由于焊料无法填满沟槽，或填满后焊层太薄出现空洞，造成了硅片与焊料或焊料与底座间粘润不良，会严重地影响功率晶体管可靠性。因此，为了保证器件的高可靠性能，在芯片背面磨片处理时，要细磨并尽力避免出现沟槽。

表5    两种不同背面状况的功率晶体管热阻和饱和压降

A类样品    B类样品

（银系1号，溅射）    （银系1号，溅射）

θ_jc（℃/w） 3.64 3.50

θ_jcmax4.49 3.97

θ_jcmin3.36 2.67

△θ_jc1.13 1.30

V_ces（v） 0.104 0.064

表6    两种样品晶体管的间歇工作寿命试验

0    1000    5000    10000    15000    20000    25000    30000

B    合格数（只）    22    22    22    22    22    22    22    22

类

样    累计不合格数    0    0    0    0    0    0    0    0

品    累计不合格率    0    0    0    0    0    0    0    0

A    合格数（只）    22    22    22    22    13

类

样    累计不合格数    0    0    0    0    9

品    累计不合格率    0    0    0    0    40%

说明书附图说明

图1    3DA861功率晶体管芯片背面金属溅射前后小电流特性对比曲线

图2    3DA861功率晶体管芯片背面金属化热退火前后电流特性曲线

（a）热退火前后曲线特性基本不变

（b）热退火前后曲线特性变好

图3    浸锡照片

（a）Ag系和Au系背面金属化浸锡照片比较

（b）银系1号、蒸发CrNiAg、化学镀镍背面金属化浸锡照片比较

图4    银系I号、蒸发CrNiAg、化学镀镍三种背面金属化结构的3DA861晶体管放大倍数与集电极电流关系比较曲线

图5 银系I号、银系2号两种金属化结构的3DA861晶体管的平均△V_BE在整个间歇工作寿命期间的变化曲线

图6    硅芯片背面平整度形貌照片

（a）    A类样品（背面有沟槽）

（b）    B类样品（背面无深沟槽）

图7    用α-step台阶仪测试的样品表面分布图

（a）    A类样品

（b）    B类样品

Claims (7)

1、一种包括硅器件芯片背面研磨、硅器件芯片清洁处理、硅器件芯片背面溅射金属的硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于工艺过程还包括：

(1)将以下任何一组金属分层依次溅射到硅器件芯片的背面：

①第一组金属为钛、镍、银，溅射的层次是第一层为钛，第二层为镍，第三层为银，

②第二组金属为铬、银铜合金，溅射的层次是第一层为铬，第二层为银铜合金，

③第三组金属为铬、镍、银，溅射的层次是第一层为铬，第二层为镍，第三层为银；

(2)将溅射后的硅器件芯片进行用以消除溅射所造成表面损伤，增加各金属层之间的渗透及表面层的锡浸润性能的快速热退火处理，热退火采用氮气保护，退火的温度为400-500℃，退火的时间为10秒-20秒。

2、根据权利要求1所述硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于热退火最佳温度为445℃-455℃。

3、根据权利要求1所述硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于溅射前硅器件芯片预热温度为70-100℃。

4、根据权利要求1、2或3所述硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于溅射钛、镍、银的厚度分别为：

钛：600埃-1000埃

镍：1500埃-5000埃

银：5000埃-15000埃

5、根据权利要求1、2或3所述硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于溅射铬、银铜合金时，银铜合金中银的比例大于94%，铜的比例小于6%，铬及银铜合金的溅射厚度分别为：

铬：800埃-1500埃

银铜合金：5000埃-15000埃

6、根据权利要求1、2或3所述硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于溅射铬、镍、银的厚度分别为：

铬：600埃-800埃

镍：1500埃-5000埃

银：5000埃-15000埃

7、根据权利要求1所述硅器件芯片背面金属化方法，其特征在于对热退火后的硅器件芯片采用铅铟银合金焊料进行氢气烧结，铅铟银合金焊料的比例为92.5∶5∶2.5。

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