CN105304511B - 一种新型大直径半导体芯片与钼片键合式欧姆接触加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型大直径半导体芯片与钼片键合式欧姆接触技术加工方法，包括半导体芯片、钼片、半导体芯片与钼片之间的接触层分别有AL电极层、Ti/Pt/Au金属过渡层、Ag层焊料层，本发明引入多层金属过渡层和焊料层，通过金属原子微扩散键合的原理，利用Au、Ag电导率低，低温下易与其它金属键合的特性，使半导体芯片Si与Mo片牢固地粘润在一起，形成优良的欧姆接触技术。使大功率半导体芯片与钼片形成无形变的大面积的欧姆接触，因此该发明明显降低了器件的通态压降、提高了通流能力和反向阻断特性、改善了器件的散热效果，因此提高了器件参数的一致性及成品率，将产生巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件制造技术领域，尤其涉及大功率晶闸管、整流管半导体芯片与钼片键合式欧姆接触技术加工方法。
背景技术
众所周知，大功率晶闸管、整流管是电力半导体分立器件，其发展方向是高电压大电流功率化，芯片面积较大。运行时承受高电压通过大电流发出大量的热需要经金属电极传导带走。金属电极与半导体芯片接触的紧密程度、界面的平整度决定器件的电热阻抗和通流能力。
现有的大功率分立器件芯片与钼片(电极)间的接触技术有高温烧结和全压接。高温烧结的工艺是在芯片与钼片之间加一层一定厚度的铝箔，升温到700℃以上，利用Si和AL在高温下互熔，形成Si和AL共熔合金熔液，冷却后与Mo牢固地粘润在一起。形成紧密、不相对移动的欧姆接触。这种型式的接触优点是瞬态热阻抗小，浪涌电流大。缺点有：
1)由于工艺温度高达700℃，Si与Mo的热膨胀系数不一致，冷却后产生较大的形变，芯片内部产生应力，轻则导致压降增大、电热回路接触不良、散热不畅，重则在芯片受电热或机械冲击时破碎，使器件永久失效。
2)利用高温下Si和AL互熔，形成合金层会消耗表面一定深度的硅，不均匀改变原有PN结结深及表面浓度分布，劣化电特性参数。
3)高温过程中AL首先变成液体，容易流失，导致边缘空洞及其它局部粘润不良，没有形成优良的欧姆接触，致使阻断电压下降、通态压降增大、通流能力下降、散热效果差。
以上三条缺陷，严重劣化大功率分立半导体器件的性能、降低生产成品率。这种情况随分立半导体器件面积增大而越发严重，致使这种技术不适应制造直径大于4英寸以上器件。
4英寸以上器件目前多采用全压接技术。全压接技术的工艺只需将管芯与钼片依次放入管壳加压封装即可。其优点是工艺简洁，无附加形变，成品率高。其缺点是接触瞬态热阻抗大，浪涌电流小。
发明内容
为了克服以往技术的缺点、保留其优点并使6英寸特高压晶闸管性能优化、生产成品率提高，本发明提供了一种新型大直径半导体芯片与钼片键合式欧姆接触技术加工方法，引入多层金属作为过渡层、焊料层，利用高压下过渡层间金属原子微扩散并形成键合的机制，将半导体芯片与钼片牢固地连接在一起，形成低形变、低电阻、低热阻紧密牢固的接触。
本发明的技术解决方案是：一种新型大直径半导体芯片与钼片键合式欧姆接触加工方法，包括半导体芯片(1)、钼片(2)、半导体芯片(1)与钼片(2)之间的接触层分别有AL电极层(3)、Ti/Pt/Au金属过渡层(4、5、6)、Ag层焊料层(7)，将阳极蒸有10±1μm AL电极层(3)的半导体芯片(1)浸入体积比为1±0.5％的稀氢氟酸和成分为氨水：双氧水：纯水体积比为1：2：5的1#号清洗液中清洗干净，然后放在洁净烘箱100±2℃烘干，依次经过下列步骤：
首先，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Ti源，使Ti源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸完阳极AL电极层(3)的半导体芯片(1)，均匀沉积在半导体芯片(1)的表面上，膜的厚度为完成了制作衬膜Ti金属过渡层(4)，它的目的是为改善电极层的粘附性；
其次，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Pt源，使Pt源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸发完Ti源的半导体芯片(1)，均匀沉积在半导体芯片(1)的表面上，膜的厚度为完成了蒸发制作阻档膜Pt金属过渡层(5)，它是为防止高温、大电流情况下后续的导电膜Au通过AL电极层与半导体Si形成合金；
最后，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Au源，使Au源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸发完Pt源的半导体芯片(1)，均匀沉积在半导体芯片(1)的表面上，膜的厚度为完成了蒸发制作导电膜Au金属过渡层(6)，它一方面形成优良的导电膜；另一方面形成易键合表面；
将微粒直径小于0.1μm的Ag粉倒入异丙醇中,形成体积比为10±1％饱和溶液,通过喷涂的方法,喷涂在清洗干净的钼片(2)上，放入100±2℃的烘箱内,烘焙5±2分钟,使有机溶剂异丙醇挥发,形成厚度为网孔状Ag层焊料层(7)。
将喷涂有Ag层钼片(2)和半导体芯片(1)放入模具中，加压到200±10KN/CM2，在温度230±2℃的条件下，保持10±2分钟，进行键合；
冷却卸压后，将焊接在一起的半导体元件从模具中取出，管芯至于50±2℃的热板上放置10±2分钟，至此完成了半导体芯片(1)与钼片(2)键合式欧姆接触技术的加工方法。
本发明的有益效果：在半导体芯片和钼片之间引入多层金属(Au/Pt/Ti)作为过渡层和焊料层(Ag粉)，利用Au、Ag电导率低，低温下易与其它金属键合的特性，使半导体芯片Si与Mo片牢固地粘润在一起，形成优良的欧姆接触技术。
由于引入多层金属过渡层和焊料层，使半导体芯片与钼片在低温下键合，克服了由于高温工艺过程不同材料热膨胀系数不一致造成的形变、空洞、流铝和不规则改变PN结结深及表面浓度等不良现象，并且改善了它们接触的粘润性。可见，本发明从根本上解决了大功率半导体芯片与电极钼片欧姆接触的关键技术问题。使大功率半导体芯片与钼片形成无形变的大面积的欧姆接触，管芯剖面如图1所示。用SSJ-100A超声扫描仪扫出硅-钼界面状况如图2，可见硅-钼界面粘润良好、平坦、无空洞及流铝现象。本发明可将硅-钼焊接式分立半导体器件突破4英寸，目前已增大到6英寸、显著提高了通流能力、提高了散热效果，改善了反向阻断特性、提高了器件参数的一致性及成品率。实践还证明，4英寸以下本发明与传统高温烧结相比成品率至少提高20％。
附图说明：
图1为本发明管芯无形变剖面示意图。
图2为本发明管芯硅-钼界面SSJ-100A超声扫描图像。
图3为芯片阳极蒸发多层金属示意图。
图4为钼片待键合面上喷涂Ag特殊焊料层。
图5为键合模具中的芯片-金属焊料层-钼片。
图6为键合工艺条件示意图。
图7为完成高压低温键合欧姆接触技术器件剖面图。
图8为本发明管芯剖面示意图。
图9为图8中A处局部放大图。
具体实施方式
一种新型大直径半导体芯片与钼片键合式欧姆接触加工方法，包括半导体芯片1、钼片2、半导体芯片1与钼片2之间的接触层分别有AL电极层3、Ti/Pt/Au金属过渡层4、5、6、Ag层焊料层7，将阳极蒸有10μm AL层3的半导体芯片1浸入体积比1±0.5％的稀氢氟酸和成分为氨水：双氧水：纯水体积比为1：2：5的1#号清洗液中清洗干净，清洗液中清洗干净，然后放在洁净烘箱100±2℃烘干。依次经过下列步骤：
首先，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Ti源，使Ti源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸完阳极AL电极层3的半导体芯片1，均匀沉积在半导体芯片1的表面上，膜的厚度为完成了制作衬膜Ti金属过渡层4，金属Ti具有高电导率，具有与AL电极层3较强的粘附性。它的目的是为改善电极层的粘附性；
其次，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Pt源，使Pt源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸发完Ti源的半导体芯片1，均匀沉积在半导体芯片1的表面上，膜的厚度为完成了蒸发制作阻档膜Pt金属过渡层5，金属Pt具有高电导率，具有高熔点金属特性，它为防止高温、大电流情况下后续的导电膜金属Au通过AL电极层3与半导体芯片Si形成合金。
最后，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Au源，使Au源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸发完Pt源的半导体芯片1，均匀沉积在半导体芯片1的表面上，膜的厚度为完成了蒸发制作导电膜Au金属过渡层6，金属Au具有高电导率，它两方面作用：它一方面形成优良的导电膜；另一方面形成易键合表面，如图3所示。
将钼片2放入清洗液中清洗干净后，放入100±2℃洁净烘箱烘干。
将微粒直径小于0.1μm的Ag粉倒入异丙醇中,形成重量体积比为10±1％的饱和溶液,通过喷涂的方法,喷涂在清洗干净的钼片2的待键合面上，放入100±2℃的烘箱内,烘焙5±2分钟,使有机溶剂异丙醇挥发,形成厚度为网孔状Ag层焊料层7。Ag层焊料层7具有高电导率，而且具有网状结构分布，它也有三方面作用：1、形成导电膜；2、形成键合层；3、形成焊料层，如图4所示。
将喷涂有Ag层钼片2和半导体芯片1放入键合模具中，如图5所示，加压到200±10KN/CM2，在温度230±2℃的条件下，保持10±2分钟，进行键合，如图6所示。
冷却卸压后，将焊接在一起的半导体元件从模具中取出，管芯置于50±2℃的热板上放置10±2分钟，如图7所示，至此完成了半导体芯片1与钼片2键合式欧姆接触技术的加工方法。
Claims (1)
1.一种新型大直径半导体芯片与钼片键合式欧姆接触加工方法，包括半导体芯片(1)、钼片(2)、半导体芯片(1)与钼片(2)之间的接触层分别有AL电极层(3)、Ti/Pt/Au金属过渡层(4、5、6)、Ag层焊料层(7)，其特征在于：将阳极蒸有10±1μm AL电极层(3)的半导体芯片(1)浸入体积比为1±0.5％的稀氢氟酸和成分为氨水：双氧水：纯水体积比为1：2：5的1#号清洗液中清洗干净，然后放在洁净烘箱100±2℃烘干，依次经过下列步骤：
首先，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Ti源，使Ti源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸完阳极AL电极层(3)的半导体芯片(1)，均匀沉积在半导体芯片(1)的表面上，膜的厚度为完成了制作衬膜Ti金属过渡层(4)，它的目的是为改善电极层的粘附性；
其次，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Pt源，使Pt源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸发完Ti源的半导体芯片(1)，均匀沉积在半导体芯片(1)的表面上，膜的厚度为完成了蒸发制作阻档膜Pt金属过渡层(5)，它是为防止高温、大电流情况下后续的导电膜Au通过AL电极层与半导体Si形成合金；
最后，在真空度高于1×10-5Pa，温度在100±2℃，用10000EV(电子伏特)以上的电子束轰击坩锅中的Au源，使Au源激发成气态，以分子的形式均匀分布在蒸发腔内，遇到蒸发完Pt源的半导体芯片(1)，均匀沉积在半导体芯片(1)的表面上，膜的厚度为完成了蒸发制作导电膜Au金属过渡层(6)，它一方面形成优良的导电膜；另一方面形成易键合表面；
将微粒直径小于0.1μm的Ag粉倒入异丙醇中,形成重量体积比为10±1％饱和溶液,通过喷涂的方法,喷涂在清洗干净的钼片(2)上，放入100±2℃的烘箱内,烘焙5±2分钟,使有机溶剂异丙醇挥发,形成厚度为网孔状Ag层焊料层(7)；
将喷涂有Ag层钼片(2)和半导体芯片(1)放入模具中，加压到200±10KN/CM2，在温度230±2℃的条件下，保持10±2分钟，进行键合；
冷却卸压后，将焊接在一起的半导体元件从模具中取出，管芯置于50±2℃的热板上放置10±2分钟，至此完成了半导体芯片(1)与钼片(2)键合式欧姆接触技术的加工方法。
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