CN110504160A - 半导体器件的制造方法和半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体器件的制造方法和半导体器件，其中，制造方法包括以下步骤：准备具有相互对立的第一表面和第二表面的硅基板；准备具有相互对立的第一表面和第二表面的金刚石基板；通过表面活性化接合法将硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面进行直接接合后进行热处理，得到碳化硅层，将散热器与金刚石基板的第二表面通过表面活性化接合法进行直接接合，在所述硅基板的第一表面上形成半导体元件，最终形成半导体器件，其具有更好的散热和耐热性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体器件的制造方法和半导体器件。
背景技术
现有技术中已经提出了，使用焊锡结合包含半导体元件的集成电路封装和氮化铝（ALN）作为基体材料的铝基板，再通过焊接直接结合铝基板和散热器组成的模块结构；此外，还已经提出了，通过由金属薄膜制成的中间层结合功率元件的碳化硅基板和单晶金刚石，再通过焊接结合单晶金刚石和散热器组成的模块结构。由于金刚石的导热系数相对较高, 通过将金刚石加入半导体元件,可以提高半导体器件的散热性能。然而,现有技术中如上所述半导体器件的模块结构, 有如下问题：即在传统的模块结构中,在半导体元件与金刚石之间,并在金刚石与散热器之间,分别设置了由焊锡、焊剂、金属薄膜等类似物形成的中间层，这些材料与金刚石相比,由于导热系数非常低,设置在半导体元件与金刚石之间的中间层容易形成一个隔热屏障，导致该中间层阻碍热扩散，并且存在不能恰当改善半导体器件散热性能的可能性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种半导体器件的制造方法和半导体器件。本发明制造的半导体器件具有更好的散热性能。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
本发明提供了一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤：
准备具有相互对立的第一表面和第二表面的硅基板；
准备具有相互对立的第一表面和第二表面的金刚石基板；
通过表面活性化接合法将硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面直接进行接合。
上述方法可以使硅基板的第二表面和金刚石的第一表面通过表面活性化接合法直接接合；也可以在硅基板的第一表面上制作半导体器件。因此,根据上述制造方法,可以在不设置可能成为热屏障的中间层（如：成膜、粘接剂，焊料等）的情况下就可将半导体元件和金刚石接合。因此, 本方法可以相应地提高半导体器件的散热性能。
此外, 硅基板是由硅形成的基板，此基板上的硅，可以使用由直拉法（Czochralski法）和浮区法 (Floating Zone法)等方法制造的硅。金刚石基板是由金刚石形成的基板。该基板的金刚石可以用单晶金刚石，多晶金刚石等。单晶金刚石可以通过高温高压合成法和微波等离子体化学气相法来制造。多晶金刚石可以通过热灯丝，微波等离子体，等离子体化学气相沉积法等方法来生长。
进一步的，还包括：通过所述表面活性化接合法将散热器直接接合至金刚石基板的第二表面。该制造方法是通过表面活性化接合法将散热器直接结合到金刚石基板的第二表面。因此，根据该制造方法，可以在不设置可成为隔热层中间层（如：成膜、粘接剂，焊料等）的情况下，将金刚石基板和散热器接合，而得到散热性能进一步提高的半导体器件。
进一步的，所述散热器由铝或铜制成。根据该制造方法，可以得到散热性能进一步提高的半导体装置。
进一步的，还包括：在所述硅基板的第二表面与所述金刚石基板的第一表面接合后，在所述硅基板的第一表面上形成半导体元件。根据该制造方法，可以得到散热性能进一步提高的半导体器件。
进一步的，还包括：在所述硅基板的第二表面与所述金刚石基板的第一表面接合后，对所述硅基板和金刚石基板进行热处理。如后面将要描述的那样，在用表面活性化接合法对硅基板和金刚石基板接合之后，当对包括两个基板的物体进行热处理时，会在两基板之间的接合界面处形成碳化硅层。由于有该碳化硅层，即使在比较高的温度条件下，也能够使硅基板和金刚石基板之间不产生裂痕，维持两基板的接合。因此，根据该制造方法，可以获得具有优异耐热性的半导体器件。
进一步的，所述金刚石基板是由单晶金刚石形成。根据该制造方法，可以得到散热性能相应提高的半导体器件。
进一步的，所述表面活性化接合法包括：用束或等离子体照射两个待接合物体的每一个的表面，以清洁和活化每个表面后，然后施加压力从而将两个表面接合。
进一步的，所述压力为1.0×102-2.0×103MPa。
在本发明的另一方面，还提供了一种半导体器件，包括：具有相互对立的第一表面和第二表面的金刚石基板；具有相互对立的第一表面和第二表面的碳化硅层，所述碳化硅层的第二表面与金刚石基板的第一表面直接结合，具有相互对立的第一表面和第二表面的硅基板，所述硅基板的第二表面与碳化硅层的第一表面直接结合，在所述硅基板的第一表面上具有半导体元件，其中，所述碳化硅层由硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面通过表面活性化接合法和热处理直接生成。根据该构造，由于不需要设置作为热障的中间层，碳化硅层和金刚石基板可直接进行接合，因此，可提供相应提高散热性能的半导体器件。
进一步的，还包括通过所述表面活性化接合法直接接合至所述金刚石基板的第二表面的散热器。根据该结构，由于金刚石基板和散热器直接接合，可不设置作为隔热层的中间层，因此能够提供散热性能进一步提高的半导体器件。
进一步的，所述金刚石基板由单晶金刚石形成。根据该构成，能够提供散热性能进一步提高的半导体器件。
进一步的，所述表面活性化接合法包括：用束或等离子体照射两个待接合物体的每一个的表面，以清洁和活化每个表面后，然后施加压力从而将两个表面接合。
本发明的有益效果至少包括：本发明制造的半导体器件通过表面活性化接合法和热处理方法，将硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面直接结合生成碳化硅层（该碳化硅层为生成的，并非外添加物），并且将散热器与金刚石基板的第二表面直接结合，中间均没有任何隔热屏障的中间层（如：成膜、粘接剂，焊料等），具有更好的散热性和耐热性能。
附图说明
图1为本发明半导体器件的结构示意图。
图2为本发明半导体器件制造方法的流程示意图。
图3为本发明半导体器件制造过程的第一形态实施例。
图4为本发明半导体器件制造过程的第二形态实施例。
图5为本发明半导体器件制造过程的第三形态实施例。
图6为本发明半导体器件制造过程的第四形态实施例。
图7为通过观察由表面活性化接合法接合硅基板和金刚石基板得到的热处理前结构体的接合界面的截面，而得到的TEM(透射电子显微镜）图像。
图8为通过观察由表面活性化接合方法接合硅基板和散热器获得的结构接合界面的横截面，而得到的TEM图像。
图9为通过热处理由表面活性化接合方法接合硅基板和金刚石基板而获得的结构，然后观察该结构的接合界面的横截面，而获得的TEM图像。
图10为通过表面活性化接合方法接合硅基板和金刚石基板而获得的结构体，在进行热处理后，用XPS（X射线光电子能谱分析）对在该结构体的接合界面处形成的层面进行Si2p测试的结果。
图11为通过表面活性化接合方法接合硅基板和金刚石基板而获得的结构体，在进行热处理后，用XPS（X射线光电子能谱分析）对在该结构体的接合界面处形成的层面进行C1s测试的结果。
其中，1、半导体器件，10、金刚石基板，101、金刚石基板的第一表面，102、金刚石基板的第二表面，105、非晶金刚石层，11、硅基板，111、硅基板的第一表面，112、硅基板的第二表面，115、非晶硅层，12、碳化硅层，121、碳化硅层的第一表面，122、碳化硅层的第二表面，2、半导体元件，21、氮化铝（AlN）层，22 、氮化镓（GaN）层，3、散热器，4、接合界面。
具体实施方式
具体实施方式如下，将参考附图描述的有关本发明之一的实施例（在下文中也称为“本发明的实施例”）。然而，下面描述的本实施例在任何方面仅仅是本发明的示例。不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种改进和修改。换言之，当实施本发明时，可以适当采用根据本实施例的特定配置。在以下的描述中，为了便于解释，将参照附图中的方向进行描述。
根据本发明的实施例，图1为本发明半导体器件的结构示意图，用图1显示的半导体器件1的构成作为一例进行说明。参照图1所示，关于本实施形态半导体器件1，从下至上依次包括散热器3，金刚石基板10，碳化硅层12，硅基板11和半导体元件2。
参照图1所示，金刚石基板10是由金刚石构成的基板，具有相互对立的第一表面101和第二表面102。作为金刚石基板10的材料，可以使用单晶金刚石，多晶金刚石等。单晶金刚石可以通过高温高压合成法和微波等离子体化学气相法来制造。多晶金刚石也可以通过热灯丝，微波等离子体，等离子体化学气相沉积等来制造。由于单晶金刚石在固体材料中具有最高的导热率，因此，从提高散热性能的观点出发，本发明金刚石基板10优选为由单晶金刚石形成。金刚石基板10的大小和形状没有特别限制，可以根据实施方式适当确定。
参照图1所示，碳化硅（SiC）层12由碳化硅形成，并具有相互对立的第一表面121和第二表面122。碳化硅层12的第二表面122直接结合到金刚石基板10的第一表面101。碳化硅层12的尺寸和形状没有特别限制，并且可以根据实施例适当地确定。所述碳化硅层由硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面通过表面活性化接合法和热处理直接生成，并非外添加物。
参照图1所示，硅（Si）基板11是由硅形成的基板，并且具有相互对立的第一表面111和第二表面112。对于硅基板11的材料，可以使用由直拉法和浮区法等方法制造的硅。硅基板11的第二表面112直接与碳化硅层12的第一表面121接合。硅基板11的尺寸和形状不受特别限制，并且可以根据实施状态适当地确定。
参照图1所示，半导体元件2在硅基板11的第一表面111上形成。半导体元件2的构造，尺寸和形状没有特别限制，并且可以根据实施状态适当地确定。在本实施例中，半导体元件2叠加在硅基板11的第一表面111上，以此往下依次包括氮化铝（AlN）层21和氮化镓（GaN）层22 。
参照图1所示，散热器3与金刚石基板10的第二表面102通过所述表面活性化接合法接合。只要散热或吸热是可能的，散热器3的尺寸，形状和材料可根据实施形状适当地确定，散热器3可以由铝或铜制造。
下面就本实施例用参照图2-6来对半导体器件1的制造方法进行说明。图2显示了有关实例半导体器件1的制造方法的流程图，图3至图6显示了有关本实施例半导体器件1的制造过程的形态实施例，具体的，分别为：图2为本发明半导体器件制造方法的流程示意图，图3为本发明半导体器件制造过程的第一形态实施例，图4为本发明半导体器件制造过程的第二形态实施例，图5为本发明半导体器件制造过程的第三形态实施例，图6为本发明半导体器件制造过程的第四形态实施例。
此外，下面描述的制造方法是本发明的“半导体器件的制造方法”的示例。然而，下面描述的方法仅仅是举例，并且可以尽可能地更改每个步骤。另外，以下说明的方法，根据实施例可适当的对步骤进行省略，替换和追加。
根据本发明的实施例，本发明半导体器件的制造步骤S101和S102：
在步骤S101中，准备好有第一表面111和第二表面112的硅基板11。另外，在步骤S102中，准备好有第一表面101和第二表面102的金刚石基板10。步骤S101和S102的顺序可不限于这样的例子，并且可以互换。步骤S101和S102可以同时实施。在完成金刚石基板10和硅基板11的准备后，操作进入下一步骤S103。
本发明半导体器件的制造步骤S103：如图3所示，在步骤S103中，硅基板11的第二表面112和金刚石基板10的第一表面101通过表面活性化接合方法接合。表面活性化接合法是用束（例如氩束）或等离子体照射两个待接合物体的每个表面，在清洁和活化每个表面后，施加压力从而将两个表面彼此接合的接合方法。对于该表面活性化接合方法，可以使用已知的接合设备。
例如，在真空状态下，把快速氩原子束（Ar）照射到金刚石基板10的第一表面101和硅基板11的第二表面112。之后，在室温-200℃的状态下，施加1.0×102-2.0×103MPa的压力进行接合。由此，硅基板11的第二表面112和金刚石基板10的第一表面101可以结合。有关金刚石基板10和硅基板11能够通过表面活性化接合法接合的认知可以从后述的实施例中获得。在该接合工序中，如图4所示，通过照射快速氩原子束，在金刚石基板10第一表面101的一个区域形成非晶金刚石层105。同样，在硅基板11的第二表面112的区域中形成非晶硅层115。在进行热处理之前，金刚石基板10和硅基板11经由非晶金刚石层105和非晶硅层115进行接合。当通过表面活性化接合方法的接合完成时，操作进入下一步骤S104。
本发明半导体器件的制造步骤S104：在接合硅基板11的第二表面112和金刚石基板10的第一表面101之后，在步骤S104中，对硅基板11和金刚石基板10进行热处理。例如，在氮气环境中，相互接合的硅基板11和金刚石基板10可以在400℃至1000℃下热处理3分钟至120分钟。并且公知的装置可以用于热处理。
如图5所示，当进行热处理时，非晶金刚石层105和非晶硅层115通过再结晶变成碳化硅层12。通过对非晶金刚石层105和非晶硅层115进行热处理后变为碳化硅层12的认知，可以从后述的实施例中获得。由此可见，金刚石基板10，碳化硅层12和硅基板11以此顺序叠成的结构体，是通过由金刚石基板10的第一表面101和碳化硅层12的第二表面122相互接合，再由碳化硅层12的第一表面121和硅基板11的第二表面112的相互接合而获得的结构体，一旦热处理完成后，可以进入下一个制造步骤S105。
根据本发明的实施例，碳化硅层12是通过对金刚石基板10和硅基板11进行加热产生再结晶而形成的。因此，即使不进行热处理，把金刚石基板10和硅基板11放置在比较高温的条件下，产生再结晶也会形成碳化硅层12。因此，该步骤S104可以被省略掉。
本发明半导体器件的制造步骤S105：如图6所示，在将硅基板11的第二表面112和金刚石基板10的第一表面101接合之后，在步骤S105中，在硅基板11的第一表面111上形成半导体元件2。半导体元件2的形成是在已知的晶体生长和蚀刻等半导体制造工艺中产生的。另外，在该半导体制造工艺中，可以使用已知的制造装置。例如，通过在硅基板11的第一表面111上进行晶体成长，可依次形成氮化铝（AlN）层21和氮化镓（GaN）层22。由此，能够在硅基板11的第一表面111上形成由氮化铝层21和氮化镓层22构成的半导体元件2。在形成半导体元件2之后，进行下一个步骤S106的处理。
此外，形成半导体元件2的时机不限于举的例子，并且可以根据实施例相应地决定。例如，在步骤S103中，可以在接合硅基板11和金刚石基板10之前形成半导体元件2。在这种情况下，在步骤S101中，可以准备好在第一表面111上形成的半导体元件2的硅基板11。即步骤S105可以在步骤S101之前实施。此外，在步骤S101中，准备在硅基板11上形成半导体元件2之后，在步骤S103中，可以对硅基板11和金刚石基板10进行接合。
本发明半导体器件的制造步骤S106：在步骤S105中，散热器3通过表面活性化接合法与金刚石基板10的第二表面102进行直接接合。 该表面活性化接合方法的条件可以与上述步骤S103相同。关于金刚石基板10和散热器3能够通过表面活性化接合法接合的认知，可从后述的实施例中获得。因此，根据有关本实施例完成的制造作业，可以获得图1所示的配置半导体器件1。同时实施步骤S106的时机不限于例举的例子，而且可以根据实施形态相应地决定。
如上所述，在有关本实施例的制造方法中，在步骤S103中，通过表面活性化接合法将硅基板11的第二表面112和金刚石基板10的第一表面101相互接合。在上述步骤S106中，通过表面活性化接合法将散热器接合至金刚石基板10的第二表面102。由此，可以在半导体元件2与散热器3之间，不设置成为隔热层的中间层的条件下，将各部件直接接合起来。因此，可以获得散热性能得到进一步提高的半导体器件1。
尽管上面已经描述了本发明的实施例，但到目前为止的说明，在任何方面仅仅是本发明的示例。不言而喻，在不脱离本发明的条件范围内，可以进行各种改进和修改。例如，以下修改是可能的。同时，在以下的说明中，对与上述实施方式相同的构成要素，标注相同的附图标记，适当省略与上述实施方式相同的说明。以下修改示例是可以适当组合的。
在上述关于实施形态的半导体器件1中，半导体元件2由氮化铝层21和氮化镓层22构成。然而，半导体元件2的构造不限于这样的示例，可以根据其实施形态来相应的作决定。半导体元件2可以采用大功率（数W以上），高频（几十kHz以上）以及高集成度（1000以上的元件内置）的功率元件。
在上述实施例的半导体器件1中，散热器3可直接接合至金刚石基板10的第二表面102。但是，该散热器3可以省略。在这种情况下，可以省略上述步骤S106。另外，散热器3可以通过其他方法（例如，常规方法）接合到金刚石基板10的第二表面102上来。
以下，对本发明的示例进行说明。但是，本发明不限于下面的例子。
具体实施例：准备好硅基板和金刚石基板，在接合设备中，通过表面活性化接合法将硅基板与金刚石基板接合。此外，进一步准备好散热器，并且通过表面活性化接合法在接合装置中将金刚石基板和散热器彼此接合。根据该示例，可获得半导体器件。各成分的条件和表面活性化接合方法如下。
示例条件
硅基板：n-Si（100）（22mm×15mm×0.56mm）；
金刚石基板：单晶金刚石（4 mm×4 mm×0.57 mm）；
散热器：铝板（22 mm×15 mm×0.5 mm）；
接合设备：武藏野工程株式会社制造的室温接合装置；
硅基板和金刚石基板的接合条件：在真空条件下照射快速氩原子束，在室温-200℃的条件下，以1.0×102-2.0×103MPa的压力进行加压；
金刚石基板和散热器的接合条件：与上述硅基板和金刚石基板的接合条件相同。
在进行热处理之前，用电子显微镜（型号：JEM-2200FS，由JEOL Ltd.制造）对实施例的硅基板和金刚石基板之间的接合界面的横截面进行观察，并拍摄TEM图像。 同样，用电子显微镜观察本例的金刚石基板与散热器的接合界面的截面，并拍摄TEM图像。
图7显示了通过观察热处理之前得到的硅基板和金刚石基板之间的接合界面的横截面的TEM图像。图8显示了通过观察金刚石基板和散热器之间的接合界面的横截面，而获得的TEM图像。如图7和8所示，相应的接合界面相对稳定。因此，发现硅基板和金刚石基板以及金刚石基板和散热器可以通过表面活性化接合法稳定地接合。
由于硅的热膨胀系数和金刚石的热膨胀系数彼此差异很大，所以推测如果两个基板都放置在较高温度的条件下，则有可能使硅基板与金刚石基板分离。因此，为了确认硅基板与金刚石基板的接合界面的耐热性，在氮气条件下，对本实施例的半导体器件进行1000度的热处理（5分钟）。然后，用电子显微镜观察硅基板与金刚石基板的接合界面的截面，并拍摄TEM图像。
图9显示在观察热处理之后的硅基板和金刚石基板之间的接合界面的横截面，而获得的TEM图像。如图9所示，即使在热处理之后，也未发现接合界面发生裂纹等，并形成区域A的层面（碳化硅层），且硅基板和金刚石基板稳定地接合在一起。此外，为了确认此区域A层面的组成成分，将硅基板除去后，使用光电子分光仪器（型号：ESCA-3400HSE，岛津制作所制）进行X射线光电子能谱法（XPS）的分析。
图10为通过表面活性化接合方法接合硅基板和金刚石基板而获得的结构体，在进行热处理后，用XPS（X射线光电子能谱分析）对在该结构体的接合界面处形成的层面进行Si2p测试的结果。图11为通过表面活性化接合方法接合硅基板和金刚石基板而获得的结构体，在进行热处理后，用XPS（X射线光电子能谱分析）对在该结构体的接合界面处形成的层面进行C1s测试的结果。参照图10和11所示，图10和图11显示出了通过XPS观察，在硅基板和金刚石基板之间的接合界面处进行的热处理之后而获得的区域A的结果。如图10和图11所示，由XPS获得的光谱在对应于碳化硅的位置上具有峰值。因此，发现区域A中的层面是碳化硅层。由此发现，即使在通过表面活性化接合法接合硅基板和金刚石基板之后，同时将两个接合基板置于高温条件下，碳化硅层也会在接合界面形成，在接合界面未发现裂缝等，两个基板保持结合。因此，发现通过接合硅基板和金刚石基板而获得的结构，能够耐受半导体元件的高温制造工艺，并且可以制造出具有优异耐热性能的半导体器件。
发明人发现，根据本发明的制造方法得到的半导体器件具有优异的散热性和耐热性能。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。
Claims (12)
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备具有相互对立的第一表面和第二表面的硅基板；
准备具有相互对立的第一表面和第二表面的金刚石基板；
通过表面活性化接合法将硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面进行直接接合。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，还包括：通过所述表面活性化接合法将散热器直接接合至金刚石基板的第二表面。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述散热器由铝或铜制成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制造方法，其特征在于，还包括：在所述硅基板的第二表面与所述金刚石基板的第一表面接合后，在所述硅基板的第一表面上形成半导体元件。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制造方法，其特征在于，还包括：在所述硅基板的第二表面与所述金刚石基板的第一表面接合后，对所述硅基板和金刚石基板进行热处理。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述金刚石基板是由单晶金刚石形成。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述表面活性化接合法包括：用束或等离子体照射两个待接合物体的每一个的表面，以清洁和活化每个表面后，然后施加压力从而将两个表面接合。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述压力为1.0×102-2.0×103MPa。
9.一种半导体器件，其特征在于，包括：
具有相互对立的第一表面和第二表面的金刚石基板；具有相互对立的第一表面和第二表面的碳化硅层，所述碳化硅层的第二表面与金刚石基板的第一表面直接结合，具有相互对立的第一表面和第二表面的硅基板，所述硅基板的第二表面与碳化硅层的第一表面直接结合，在所述硅基板的第一表面上具有半导体元件，其中，所述碳化硅层由硅基板的第二表面和金刚石基板的第一表面通过表面活性化接合法和热处理直接生成。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，还包括通过所述表面活性化接合法直接接合至所述金刚石基板的第二表面的散热器。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述金刚石基板由单晶金刚石形成。
12.根据权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，所述表面活性化接合法包括：用束或等离子体照射两个待接合物体的每一个的表面，以清洁和活化每个表面后，然后施加压力从而将两个表面接合。
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