CN103985743A - 双极型功率晶体管基片及其制作方法 - Google Patents

双极型功率晶体管基片及其制作方法 Download PDF

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董军平
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Abstract

本发明公开了一种双极型功率晶体管基片及其制作方法，涉及晶体管的制作方法技术领域。所述基片包括晶圆片，所述晶圆片的下表面从上到下依次设有钛金属层、镍金属层和金金属层。所述方法提高了双极型功率晶体管的背面金属与晶圆片背面的粘附性能，又保证了管芯在与管座烧结在一起时的牢固可靠，同时又避免了烧结时容易在大功率芯片背面烧结处出现空洞造成功率晶体管热斑对晶体管可靠性形成威胁的被动局面，主要适合于金金属化系统，即管座烧结处是镀金的，芯片背面金属也是以金为主要参与烧结的金属体系。

Description

双极型功率晶体管基片及其制作方法
技术领域
本发明涉及晶体管的制作方法技术领域。
背景技术
晶体管在芯片制造过程中，为保证晶片在加工过程中能顺利完成各工序，避免晶片在加工过程中出现碎裂报废，晶片都要求具有一定的厚度。在完成晶片的正面工艺后，常常要对晶片背面进行减薄，主要目的是降低晶体管的热阻，提高晶体管的散热能力。减薄后的晶片通常只有100-250微米厚，特殊要求的有时厚度要低于100微米，这对晶体管的热阻降低有很大的益处。由于晶片厚度较薄，且机械减薄后晶片受到较大的应力会发生形变，在后续的工艺操作中很容易碎片。以往的晶片减薄后，晶片直接划片或裂片，分离成一个个独立的芯片，然后将芯片烧结在管壳上，随后键合引线，就形成了晶体管或集成电路。
随着不同的半导体工艺和芯片贴装工艺的发展，部分芯片在烧结或贴装前要求对芯片的背面进行金属化，而为保证背面金属层能与芯片背面形成良好的低欧姆接触，要求背面金属层不但要与芯片背面粘附好，还要求产生的损耗要尽量低。从目前的技术来看，采用单层金属难以满足要求，采用多层金属化系统来满足要求的报道不断出现，但大都是采用银为主体的金属化系统，对镀金管壳的烧结常常不适用。
功率晶体管管芯的背面金属化对晶体管的性能和可靠性起着非常关键的作用，对于双极型功率晶体管，从电性能上要求背面金属与半导体材料要形成良好的欧姆接触；从可靠性上要求背面金属与半导体材料要接触紧密，无空洞，实现良好的散热。从测试参数看，要求BC结正向压降要低、饱和压降要小，晶体管的输出特性曲线在正常电流下无明显双线。若双极型晶体管的BC结正向压降和饱和压降大，晶体管的性能不能很好的发挥，集电极效率会降低，还会增加晶体管的损耗，对晶体管性能的长期稳定工作不利；若背面金属与半导体材料之间有空洞，会造成晶体管管芯散热不好，容易在芯片上形成热斑，对晶体管的可靠性形成严重威胁，甚至造成晶体管的烧毁或过早失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双极型功率晶体管基片及其制作方法，所述方法提高了双极型功率晶体管的背面金属与晶圆片背面的粘附性能，又保证了管芯在与管座烧结在一起时的牢固可靠，同时又避免了烧结时容易在大功率芯片背面烧结处出现空洞造成功率晶体管热斑对晶体管可靠性形成威胁的被动局面，主要适合于金金属化系统（即管座烧结处是镀金的，芯片背面金属也是以金为主要参与烧结的金属体系）。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种双极型功率晶体管基片，其特征在于：包括晶圆片，所述晶圆片的下表面从上到下依次设有钛金属层、镍金属层和金金属层。
进一步优选的技术方案在于：所述钛金属层的厚度为                                                。
进一步优选的技术方案在于：所述镍金属层的厚度为。
进一步优选的技术方案在于：所述金金属层的厚度为。
本发明还提供了一种双极型功率晶体管基片的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在晶圆片的下表面形成一层钛金属；
（2）在钛金属层的下表面形成一层镍金属；
（3）在镍金属层的下表面形成一层金金属，形成双极型功率晶体管基片。
进一步优选的技术方案在于：首先需要对晶圆片进行减薄处理，然后采用冲稀50倍到100倍的氢氟酸溶液腐蚀其表面10-30秒钟后，用去离子水冲洗10-20分钟，最后用高纯氮气烘干，形成步骤（1）中使用的晶圆片。
进一步优选的技术方案在于：将烘干后干净的晶圆片下表面朝向金属蒸发源，快速放入蒸发台内，快速抽真空，当真空度大于5×10-5Pa时，开始进行金属蒸发，依次形成钛金属层、镍金属层和金金属层。
进一步优选的技术方案在于：待蒸发台的真空室温度低于50℃后，给真空室放气，将蒸发完成的基片取出。
进一步优选的技术方案在于：所述钛金属层的厚度为，所述镍金属层的厚度为，所述金金属层的厚度为。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 由于在晶圆片的背面采用了多层金属化结构，避免了单纯的金与硅形成不稳定的金硅合金或与硅粘附不牢等问题，故背面金属化的稳定性得到了提升，表现在双极型晶体管的饱和压降和晶体管的BC极正向压降不但降低而且一致性提高。多层金属化还保证了背面金属热应力匹配要好于单层金属，这也提高了背面金属化的稳定性。采用此方法，烧结后的管芯做剪切力试验，均满足相应的规范要求的剪切力强度，通过超声波检测未发现烧结处存在空洞现象，降低了晶体管的功耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明双极型晶体管基片的结构示意图；
其中：1、晶圆片 2、钛金属层 3、镍金属层 4、金金属层。
具体实施方式
当金与半导体硅材料直接接触时，不容易实现很好的粘附，常常会出现金从硅表面大面积掀起、掉皮的现象，此外，金又容易与硅在低温下形成合金，该合金不是很稳定，导电性能也不好。本发明为解决此问题，采用与半导体硅接触粘附性比较好的金属钛与其接触，同时为避免金穿透钛与硅反应形成导电性能不好的合金现象出现，在金属钛与背面金属金之间插入一层金属镍，利用比较厚又能与钛和金都粘附比较好的镍作为阻挡层，防止金与硅和钛反应形成不稳定的合金物质。另外由于硅的热膨胀系数为2.5×10-6/℃，金的热膨胀系数为14.2×10-6/℃，若直接接触也很容易造成热应力不匹配，对晶体管的可靠性形成威胁。而金属钛热膨胀系数为8.5×10-6/℃，与硅比较接近，不会产生过大的热应力失配，金属镍的热膨胀系数为13×10-6/℃，又很好地起到了金属钛与金之间的应力过渡，故本发明采用的背面金属化层实际为钛-镍-金体系。
根据硅双极型晶体管背面减薄后的背面情况（如粗糙度等），来决定背面金属钛的厚度，一般情况下控制在，若表面很光滑，金属钛层可以薄些，若比较粗糙或有许多可见的条纹，可适当增加钛的厚度，但也不能太厚，否则因热膨胀系数并不完全一致，也容易引起金属起皮，若太薄，再加之表面不光亮，金属钛可能不会完整地覆盖在硅表面，后续的金属会直接与硅接触，形成应力不匹配，也容易产生金属起皮，并对晶体管的可靠性不利。
镍金属层主要是形成应力过渡和阻挡金与硅或钛形成不稳定的合金，其厚度要保证这两个作用的实现，故厚度一般控制在，太薄起不到阻挡的作用，太厚容易造成浪费，也会引起接触不良。
金金属层是为保证烧结时提供充足的金，并保证金金属层下面的金属不被氧化，为保证器件的可靠性和烧结质量，一般控制在，金层太薄，无法得到良好烧结质量和阻止金层下的金属不被氧化，金层太厚的话，不但浪费贵重金属还容易造成金与其它金属粘附不牢固的问题。
为保证背面金属化的质量，本发明的背面金属化在高真空的金属蒸发台内完成，采用金属溅射工艺也能实现此功能。为保证蒸发时金属不被氧化，金属蒸发时的真空度应控制在优于5×10-4Pa的条件下，并在正式蒸发金属前要对金属进行预蒸，以充分排除金属氧化的可能。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
如图1所示，本发明公开了一种双极型功率晶体管基片，包括晶圆片，所述晶圆片1的下表面从上到下依次设有钛金属层2、镍金属层3和金金属层4，所述钛金属层的厚度一般情况下为，所述镍金属层的厚度一般情况下为，所述金金属层的厚度一般情况下为。显而易见的本领域的技术人员还可以根据实际情况对上述层的厚度进行适当调整，以满足不同器件的需求。
实施例二
本发明还公开了一种双极型功率晶体管基片的制作方法，包括以下步骤：
（1）将被面减薄后的晶圆片处理干净，为避免其表面自然氧化层的存在，在清洗干净后，要采用冲稀50倍到100倍的氢氟酸溶液再腐蚀表面10-30秒钟，然后用去离子水冲洗10-20分钟，最后用高纯氮气进行烘干。
（2）将烘干后的晶圆片背面朝向金属蒸发源，快速放入蒸发台内，快速抽真空，当真空度优于5×10-5Pa时，开始进行金属蒸发，在蒸发过程中由于金属放气等原因，真空度会降低，但为保证蒸发质量，不建议在真空度劣于5×10-4Pa时进行正式的金属蒸发。按设定的各层金属化厚度和蒸发速率，计算各层金属的蒸发时间，蒸发过程包括蒸发不同金属之间的转换，蒸发台应一直保持比较高的真空度，一定要避免金属氧化情况的发生，依次在其背面形成钛金属层、镍金属层和金金属层。
（3）待蒸发台的真空室温度低于50℃后，给真空室放气，将蒸发完成的晶圆片取出，至此，本发明涉及到的背面金属化工艺完成，基片的结构如图1所示。
综上，由于在晶圆片的背面采用了多层金属化结构，避免了单纯的金与硅形成不稳定的金硅合金或与硅粘附不牢等问题，故背面金属化的稳定性得到了提升，表现在双极型晶体管的饱和压降和晶体管的BC极正向压降不但降低而且一致性提高。多层金属化还保证了背面金属热应力匹配要好于单层金属，这也提高了背面金属化的稳定性。采用此方法，烧结后的管芯做剪切力试验，均满足相应的规范要求的剪切力强度，通过超声波检测未发现烧结处存在空洞现象，降低了晶体管的功耗。 

Claims (9)

1.一种双极型功率晶体管基片，其特征在于：包括晶圆片（1），所述晶圆片（1）的下表面从上到下依次设有钛金属层（2）、镍金属层（3）和金金属层（4）。
2.根据权利要求1所述的双极型功率晶体管基片，其特征在于：所述钛金属层的厚度为                                                。
3.根据权利要求1所述的双极型功率晶体管基片，其特征在于：所述镍金属层的厚度为。
4.根据权利要求1所述的双极型功率晶体管基片，其特征在于：所述金金属层的厚度为。
5.一种双极型功率晶体管基片的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在晶圆片（1）的下表面形成一层钛金属；
（2）在钛金属层（2）的下表面形成一层镍金属；
（3）在镍金属层（3）的下表面形成一层金金属，形成双极型功率晶体管基片。
6.根据权利要求1所述的双极型功率晶体管基片的制作方法，其特征在于：首先需要对晶圆片进行减薄处理，然后采用冲稀50倍到100倍的氢氟酸溶液腐蚀其表面10-30秒钟后，用去离子水冲洗10-20分钟，最后用高纯氮气烘干，形成步骤（1）中使用的晶圆片。
7.根据权利要求6所述的双极型功率晶体管基片的制作方法，其特征在于：将烘干后干净的晶圆片下表面朝向金属蒸发源，快速放入蒸发台内，快速抽真空，当真空度大于5×10-5Pa时，开始进行金属蒸发，依次形成钛金属层、镍金属层和金金属层。
8.根据权利要求7所述的双极型功率晶体管基片的制作方法，其特征在于：待蒸发台的真空室温度低于50℃后，给真空室放气，将蒸发完成的基片取出。
9.根据权利要求5所述的双极型功率晶体管基片的制作方法，其特征在于：所述钛金属层的厚度为，所述镍金属层的厚度为，所述金金属层的厚度为。
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