TWI734115B

TWI734115B - 背晶薄膜結構、包含其之功率模組封裝體、及背晶薄膜結構的製造方法

Info

Publication number: TWI734115B
Application number: TW108116995A
Authority: TW
Inventors: 蔡幸樺; 莊安琪; 周眾信
Original assignee: 樂鑫材料科技股份有限公司
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2021-07-21
Also published as: TW202044535A

Abstract

本揭露內容的實施例提供一種背晶薄膜結構、包含其之功率模組封裝體、及背晶薄膜結構的製造方法。背晶薄膜結構包含含鈦金屬層、擴散阻障層、反應金屬層、以及金屬接合結構。含鈦金屬層形成於晶片上。擴散阻障層形成於含鈦金屬層上，且擴散阻障層包含第一金屬。反應金屬層形成於擴散阻障層之上，且反應金屬層包含第二金屬。金屬接合結構形成於反應金屬層與擴散阻障層之間。金屬接合結構包含第一金屬與銅的合金、第二金屬與銅的合金、或上述的組合。

Description

背晶薄膜結構、包含其之功率模組封裝體、及背晶薄膜結構的製造方法

本揭露內容是有關於薄膜結構及其製造方法，且特別是有關於背晶薄膜結構、包含其之功率模組封裝體、及背晶薄膜結構的製造方法。

在電子裝置中，影響電能轉換效率最重要的元件之一即是功率模組。電子裝置對於功率模組的可靠性要求極高，因而功率模組的封裝技術及其材料的選用也具有相當高的難度。一般而言，功率模組封裝體包含將功率積體電路晶片進行背晶金屬化(backside metallization)之後，固定在陶瓷基板上，然後才進行晶片上銲墊與基板上銲墊的連線。

然而，習知的封裝技術具有許多缺點，例如功率積體電路晶片與陶瓷基板的接合性不佳，導致功率模組封裝體的可靠性不足以及良率不佳的種種問題。因此，功率模組的封裝技術仍面臨許多新的挑戰。

本揭露內容的一些實施例提供背晶薄膜結構，背晶薄膜結構包含含鈦金屬層、擴散阻障層、反應金屬層、以及金屬接合結構。含鈦金屬層形成於晶片上。擴散阻障層形成於含鈦金屬層上，且擴散阻障層包含第一金屬。反應金屬層形成於擴散阻障層之上，且反應金屬層包含第二金屬。金屬接合結構形成於反應金屬層與擴散阻障層之間。金屬接合結構包含第一金屬與銅的合金、第二金屬與銅的合金、或上述的組合。

本揭露內容的一些實施例提供功率模組封裝體，功率模組封裝體包含功率晶片、背晶薄膜結構、載板、載板反應金屬層、以及封裝接合結構。背晶薄膜結構包含含鈦金屬層、擴散阻障層、反應金屬層、以及金屬接合結構。含鈦金屬層形成於功率晶片上，擴散阻障層形成於含鈦金屬層上，反應金屬層形成於擴散阻障層之上。金屬接合結構形成於反應金屬層與擴散阻障層之間。金屬接合結構包含鎳銅合金、銀銅合金、金銅合金、鎳銅銀三元合金、鎳銅金三元合金、或上述的任意組合。載板反應金屬層形成於載板上。封裝接合結構直接接觸並接合反應金屬層與載板反應金屬層，以將功率晶片組裝於載板上。

本揭露內容的一些實施例提供功率模組封裝體，功率模組封裝體包含功率晶片、含鈦金屬層、擴散阻障層、載板、載板反應金屬層、封裝接合結構、以及含銅界面層。含鈦金屬層形成於功率晶片上，擴散阻障層形成於含鈦金屬層上。載板反應金屬層形成於載板上。含銅界面層形成於擴散阻障層與封裝接合結構之間，且直接接觸擴散阻障層與封裝接合結構。封裝接合結構接合含銅界面層與載板反應金屬層，以將功率晶片組裝於載板上。

本揭露內容的一些實施例提供背晶薄膜結構的製造方法，此方法包含在晶片上形成含鈦金屬層；在含鈦金屬層上形成擴散阻障層；在擴散阻障層上形成含銅金屬材料層；在含銅金屬材料層上形成反應金屬層；以及對擴散阻障層、含銅金屬材料層及反應金屬層進行接合步驟，以形成金屬接合結構於反應金屬層與擴散阻障層之間，金屬接合結構接合反應金屬層與擴散阻障層。

本揭露內容的背晶薄膜結構可應用於多種類型的電子裝置，為讓本揭露內容之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出應用於功率模組封裝體之實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下的揭露內容提供了許多的實施例或範例，用於實施所提供的半導體結構之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下，以簡化本揭露內容之實施例之說明。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本揭露內容之實施例。舉例而言，敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上，可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例，也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間，使得它們不直接接觸的實施例。此外，同樣或相似的元件標號可能會在本揭露內容實施例之不同的範例中重複使用。如此重複是為了簡明和清楚，而非用以表示所討論的不同實施例之間的關係。

以下描述實施例的一些變化。在不同圖式和說明的實施例中，相似的元件符號被用來標示相似的元件。可以理解的是，在方法的前、中、後可以提供額外的步驟，且一些所敘述的步驟可在所述方法的其他實施例被取代或刪除。

此外，其中可能用到與空間相關用詞，例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「上方」、「較高的」及類似的用詞，這些空間相關用詞是為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵部件與另一個(些)元件或特徵部件之間的關係，這些空間相關用詞包含使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，則其中所使用的空間相關形容詞也將依轉向後的方位來解釋。

除非另外定義，在此使用的全部用語(包含技術及科學用語)具有與本揭露內容所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是，除非在本揭露內容的實施例有特別定義，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露內容的背景或上下文一致的意思，而不應以理想化或過度正式的方式解讀。

本揭露內容的全文關於「純金屬」 (例如：純銅、純銀、純鎳)的敘述，係指在設計上期望為不含其他元素、化合物等雜質，但在實際冶煉、精煉、鍍膜等過程中卻難以完全除去上述雜質而達成數學上或理論上100%的純金屬，而當上述雜質含量的範圍落於對應的標準或規格所訂定的允許範圍內，就可視為「純金屬」。本揭露內容所屬技術領域中具有通常知識者應當瞭解依據不同的性質、條件、需求等等，上述對應的標準或規格會有所不同，故下文中並未列出特定的標準或規格。

以下所揭露之不同實施例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複是為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。

第1A至1E圖是根據本揭露內容的一些實施例，說明形成背晶薄膜結構10在各個不同階段的剖面示意圖。

請參照第1A圖，在晶片100上形成含鈦金屬層110。

在一些實施例中，晶片100可以是任意一種半導體晶片，例如可以是功率模組中的金氧半導體電晶體(MOSFET)晶片或絕緣閘雙及電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)晶片。在一些實施例中，晶片100具有含矽的基底(未繪示)，含鈦金屬層110形成於晶片100的含矽的表面上。

在一些實施例中，含鈦金屬層110可包含鈦(Ti)層、鈦鎢(TiW)合金層、或具有三層結構的鈦-鈦鎢-鈦複合層(未繪示於第1A圖)。含鈦金屬層110可以用於增進後續金屬膜層與矽表面的接合性。在一些實施例中，含鈦金屬層110的厚度例如是0.001微米至1微米。在一些實施例中，含鈦金屬層110的厚度例如是0. 1微米至0.8微米。但此厚度可依照實際應用而適應性調整，本揭露內容並不限於此。

在一些實施例中，可以藉由蒸鍍、濺鍍、電鍍、或沉積(例如，化學氣相沉積)的方式將含鈦金屬層110形成在晶片100的含矽表面上。舉例而言，如第1A圖所示，在一些實施例中，可以藉由蒸鍍或濺鍍的方式在晶片100上形成鈦層或鈦鎢(TiW)合金層，而形成具有單層結構的含鈦金屬層110。在一些其他實施例中，可以藉由蒸鍍或濺鍍的方式在晶片上依次形成鈦層、鈦鎢層、及鈦層，而形成具有三層結構的鈦-鈦鎢-鈦複合層(未繪示於第1A圖)。

接著，請參照第1B圖，在含鈦金屬層110上形成擴散阻障層120。在一些實施例中，擴散阻障層120可包含鎳。擴散阻障層120可以用來避免後續形成的金屬層朝晶片100方向擴散，或者用來避免含鈦金屬層110朝向後續形成的金屬層擴散。在一些實施例中，擴散阻障層120的厚度例如是0.1微米至10微米。在一些實施例中，擴散阻障層120的厚度例如是0.1微米至1微米。但此厚度可依照實際應用而適應性調整，本揭露內容並不限於此。

在一些實施例中，可以藉由蒸鍍、濺鍍、電鍍、或沉積(例如，化學氣相沉積)的方式將擴散阻障層120形成在含鈦金屬層110上。舉例而言，如第1A圖所示，在一些實施例中，可以藉由蒸鍍或濺鍍的方式在含鈦金屬層110上形成鎳層(例如是單層的純鎳層)，而形成具有單層結構的擴散阻障層120。

然後，請參照第1C圖，在擴散阻障層120上形成含銅金屬材料層130。在一些實施例中，含銅金屬材料層130可以是單層的銅層。在一些實施例中，含銅金屬材料層130的厚度為0.01微米至3微米。在一些實施例中，含銅金屬材料層130的厚度為0.1微米至1.5微米。

在一些實施例中，可以藉由蒸鍍、濺鍍、電鍍、或沉積(例如，化學氣相沉積)的方式將含銅金屬材料層130形成在擴散阻障層120上。在一些實施例中，在擴散阻障層120上形成含銅金屬材料層130的步驟可包含在擴散阻障層120上形成單層的純銅層。

根據本揭露內容的一些實施例，利用蒸鍍的方式形成含銅金屬材料層130，可以具有沉積速率快、且低成本的優點。

接著，請參照第1D圖，在含銅金屬材料層130上形成反應金屬層140。反應金屬層140的材料可包含銀、鎳、金、或上述的任意組合。反應金屬層140可以是用來在後續與其他基板進行固晶接合的反應層，也可以保護下方的金屬膜層(例如擴散阻障層120)不受到氧化。

在一些實施例中，可以藉由蒸鍍、濺鍍、電鍍、或沉積(例如，化學氣相沉積)的方式將反應金屬層140形成在含銅金屬材料層130上。

在一些實施例中，反應金屬層140的厚度大於含銅金屬材料層130的厚度。在一些實施例中，反應金屬層140的厚度例如可以大於兩倍的含銅金屬材料層130的厚度。在一些實施例中，反應金屬層140的厚度為0.01微米至10微米。在一些實施例中，反應金屬層140的厚度為例如是1微米至3微米。在一些實施例中，反應金屬層140的厚度為0.5微米至1微米。但此厚度可依照實際應用而適應性調整，本揭露內容並不限於此。

在一些實施例中，含銅金屬材料層130例如是由純銅製成，反應金屬層140例如是由純銀製成，則銀製的反應金屬層140的厚度大於銅製的含銅金屬材料層130的厚度，例如可以是大於兩倍的含銅金屬材料層130的厚度，有助於避免過多的銀與銅反應而被消耗，而能夠保有足夠的反應金屬層140可以在後續與其他基板進行固晶接合，且銀比銅具有較佳的抗氧化效果，因此銀製的反應金屬層140作為背晶薄膜結構10的最外層可以減緩背晶薄膜結構10的氧化劣化。

然後，請參照第1E圖，對擴散阻障層120、含銅金屬材料層130及反應金屬層140進行接合步驟180，以形成金屬接合結構230於反應金屬層240與擴散阻障層220之間，金屬接合結構230接合反應金屬層240與擴散阻障層220。

在一些實施例中，接合步驟180可包含在室溫靜置擴散阻障層120、含銅金屬材料層130及反應金屬層140。在一些實施例中，接合步驟180的靜置時間例如是1小時以上。在一些實施例中，接合步驟180的靜置時間例如是1天至360天。

在一些實施例中，接合步驟180可更包含在真空或惰性氣體氛圍加熱擴散阻障層120、含銅金屬材料層130及反應金屬層140。在一些實施例中，加熱溫度例如是150°C至300°C，加熱時間例如是3分鐘至60分鐘。

根據本揭露內容的一些實施例，進行接合步驟180時，含銅金屬材料層130會與接觸的擴散阻障層120和反應金屬層140進行反應，含銅金屬材料層130中的金屬原子以及擴散阻障層120和反應金屬層140中的金屬原子會經由擴散而發生固溶反應，而形成含有合金的金屬接合結構230。並且，因為部分的擴散阻障層120以及部分的反應金屬層140與含銅金屬材料層130反應而形成固溶合金，使得進行接合步驟180之後形成較薄的擴散阻障層220及較薄的反應金屬層240。

在一些實施例中，進行接合步驟180之後，形成如第1E圖所示的背晶薄膜結構10。

在一些實施例中，請參照第1E圖，背晶薄膜結構10包含含鈦金屬層110、擴散阻障層220、金屬接合結構230、以及反應金屬層240。含鈦金屬層110形成於晶片100上。擴散阻障層220形成於含鈦金屬層110上，且擴散阻障層220包含第一金屬(M1)。反應金屬層240形成於擴散阻障層220之上，且反應金屬層240包含第二金屬(M2)。金屬接合結構230形成於反應金屬層240與擴散阻障層220之間。金屬接合結構230可包含第一金屬與銅(Cu)的合金(M1XCu)、第二金屬與銅的合金 (M2XCu)、或上述的組合。

根據本揭露內容的一些實施例，金屬接合結構230的成分包含銅與第一金屬的合金、及/或銅與第二金屬的合金，因此可以增強包含第一金屬的擴散阻障層220與包含第二金屬的反應金屬層240之間的結合力，進而提升背晶薄膜結構10的強度與可靠度。

如第1E圖所示，在一些實施例中，金屬接合結構130直接接觸擴散阻障層220和反應金屬層240，以接合擴散阻障層220和反應金屬層240。

在一些實施例中，擴散阻障層220的第一金屬與反應金屬層240的第二金屬實質上不互溶，也就是說，第一金屬與第二金屬之間實質上不發生固溶反應。如果反應金屬層240直接形成在擴散阻障層220上，則因為第一金屬與第二金屬實質上不互溶，包含第一金屬的擴散阻障層220與包含第二金屬的反應金屬層240在界面處的結合力會相當低，而不利於整體結構的可靠性，很可能會發生膜層結構的破裂。

根據本揭露內容的一些實施例，在擴散阻障層220與反應金屬層240之間形成金屬接合結構230，而金屬接合結構230的成分含有第一金屬與銅的固溶合金、第二金屬與銅的固溶合金、或上述兩者的組合，使得反應金屬層240可以藉由金屬接合結構230的含銅固溶合金而良好地接合至擴散阻障層220，強化擴散阻障層220與反應金屬層240的結合力，進而有效提升背晶薄膜結構10的強度與可靠度。

在一些實施例中，擴散阻障層220可包含鎳，例如，第一金屬可包含鎳。擴散阻障層220是由前述的擴散阻障層120所形成，可以用來避免後續形成的金屬層朝晶片100方向擴散，或者用來避免含鈦金屬層110朝向後續形成的金屬層擴散。在一些實施例中，擴散阻障層220的厚度例如是0.1微米至10微米。在一些實施例中，擴散阻障層220的厚度例如是0.1微米至1微米。但此厚度可依照實際應用而適應性調整，本揭露內容並不限於此。

在一些實施例中，反應金屬層240可包含銀、鎳、金、或上述的任意組合。舉例而言，反應金屬層240的第二金屬可包含銀、鎳、金、或上述的任意組合。反應金屬層240是由前述的反應金屬層140所形成，可以是用來在後續與其他基板進行固晶接合的反應層，也可以保護下方的金屬膜層(例如擴散阻障層120)不受到氧化。在一些實施例中，反應金屬層240的厚度例如是0.01微米至10微米。在一些實施例中，反應金屬層240的厚度例如是0.5微米至1微米。但此厚度可依照實際應用而適應性調整，本揭露內容並不限於此。

在一些實施例中，金屬接合結構230可包含鎳銅合金、銀銅合金、金銅合金、鎳銅銀三元合金、鎳銅金三元合金、或上述的任意組合。

在一些實施例中，如第1E圖所示，金屬接合結構230可包含第一合金層231、銅層233、及第二合金層235，第一合金層231形成於擴散阻障層220上，銅層233形成於第一合金層231和第二合金層235之間。實施例中，第一合金層231包含第一金屬和銅，第二合金層235包含第二金屬和銅。在一些實施例中，第一合金層231是第一金屬和銅的固溶合金層，第二合金層235是第二金屬和銅的固溶合金層。

根據本揭露內容的一些實施例，接合步驟180的條件影響了固溶合金的形成。舉例而言，當接合步驟180的時效處理時間較短、及/或接合溫度較低時，所形成的固溶合金的量則相對較少，使得第一合金層231的厚度和第二合金層235厚度相對較薄，並且可能殘留未反應完畢的含銅金屬材料層130。

在一些實施例中，如第1E圖所示，含銅金屬材料層130例如是由純銅所形成，而未反應完畢的含銅金屬材料層130形成銅層233。在一些實施例中，如第1E圖所示，銅層233的厚度例如是大於第一合金層231的厚度以及第二合金層235厚度。

在一些實施例中，第一合金層231例如是鎳銅合金層，第二合金層235例如是銀銅合金層或金銅合金層。

在一些實施例中，如第1E圖所示，金屬接合結構130的第一合金層231直接接觸擴散阻障層220，且金屬接合結構130的第二合金層235直接接觸反應金屬層240，以接合擴散阻障層220和反應金屬層240。

根據本揭露內容的一些實施例，金屬接合結構230的固溶合金包含銅，不僅可以增進擴散阻障層220與反應金屬層240之間的結合力，同時銅具有良好的導熱性與導電性，因此可以達到提高背晶薄膜結構10的強度與可靠性、並且仍保有良好的導熱與導電特性的效果。

具體而言，根據本揭露內容的一些實施例，金屬接合結構230的固溶合金包含銅，當包含金屬接合結構230的背晶薄膜結構應用於功率元件的背晶接合時，不僅背晶薄膜結構10本身具有良好的強度與可靠性，可以為功率元件提供良好的導電特性，並且針對具有高操作溫度(例如可能高於450°C)的功率元件，更可以提供優異的散熱效果，而可以避免因為過高操作溫度使得功率元件的效能降低的狀況，進而可以提高功率元件的效能與使用壽命。

第2圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構10A的剖面示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。

如第2圖所示，在一些實施例中，金屬接合結構230A可包含第一合金層231、銅層233、及第二合金層235，第一合金層231形成於擴散阻障層220上，銅層233形成於第一合金層231和第二合金層235之間。

根據本揭露內容的一些實施例，當接合步驟180的時效處理時間較長、及/或接合溫度較高時，所形成的固溶合金的量則相對較多，使得第一合金層231的厚度和第二合金層235厚度相對較厚。實施例中，如第2圖所示，銅層233(未反應完畢的含銅金屬材料層130)的厚度例如是小於第一合金層231的厚度以及第二合金層235厚度。

第3圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構10B的剖面示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。

如第3圖所示，在一些實施例中，金屬接合結構230B可包含第一合金層231及第二合金層235，且第一合金層231直接接觸第二合金層235。

根據本揭露內容的一些實施例，當接合步驟180的時效處理時間較長、及/或接合溫度較高時，所形成的固溶合金的量則相對較多，使得第一合金層231的厚度和第二合金層235厚度相對較厚，甚至會使得原本的含銅金屬材料層130實質上完全反應完畢，因此第一合金層231和第二合金層235之間不具有殘留的銅層。

第4圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構10C的剖面示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。

如第4圖所示，在一些實施例中，金屬接合結構230C可包含第一合金層231、三元合金層237、及第二合金層235，且三元合金層237直接接觸第一合金層231和第二合金層235。

根據本揭露內容的一些實施例，當接合步驟180的時效處理時間進一步增長、及/或接合溫度進一步增高時，可能使得第一合金層231的金屬原子與第二合金層235的金屬原子會進一步彼此擴散而發生固溶反應，而在第一合金層231與第二合金層235的接面形成三元合金層237。並且，因為部分的第一合金層231以及部分的第二合金層235發生固溶反應而形成三元合金層237，可能形成較薄的第一合金層231及較薄的第二合金層235。

根據本揭露內容的一些實施例，接合步驟180的條件也影響了三元合金層237的形成。舉例而言，隨著接合步驟180的時效處理時間拉長、及/或接合溫度增高時，所形成的三元合金層237的量則相對提高，而影響了第一合金層231、三元合金層237及第二合金層235的厚度。

在一些實施例中，如第4圖所示，三元合金層237的厚度例如是小於第一合金層231的厚度以及第二合金層235厚度。在一些其他實施例中，三元合金層237的厚度也可以大於第一合金層231的厚度以及第二合金層235厚度(未繪示)。

在一些實施例中，三元合金層237例如是鎳銅銀三元合金層或鎳銅金三元合金層。

第5圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構10D的剖面示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。

如第5圖所示，在一些實施例中，金屬接合結構230D是三元合金層237，且三元合金層237直接接觸擴散阻障層220和反應金屬層240。

根據本揭露內容的一些實施例，含銅金屬材料層130的厚度也影響了固溶合金的形成。舉例而言，進行接合步驟180之後，含銅金屬材料層130中的金屬原子以及擴散阻障層120和反應金屬層140中的金屬原子經由擴散而發生固溶反應，當含銅金屬材料層130的厚度較薄，也就是純銅的含量較少時，含銅金屬材料層130的金屬原子直接與擴散阻障層120的金屬原子和反應金屬層140的金屬原子發生固溶而形成三元合金層237，原本的含銅金屬材料層130則實質上完全反應完畢。

在一些實施例中，如第5圖所示的三元合金層237例如是鎳銅銀三元合金層或鎳銅金三元合金層。

第6圖是根據本揭露內容的一些實施例，顯示使用第1E圖的背晶薄膜結構10所形成的功率模組封裝體20的剖面示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。需注意的是，本實施例是以第1E圖的背晶薄膜結構10作為範例說明，但並非限定於此，本揭露內容之實施例的功率模組封裝體也可包含前述如第2圖所示的背晶薄膜結構10A、如第3圖所示的背晶薄膜結構10B、如第4圖所示的背晶薄膜結構10C、及/或如第5圖所示的背晶薄膜結構10D。

如第6圖所示，功率模組封裝體20包含晶片100、載板200、載板反應金屬層210、背晶薄膜結構10及封裝接合結構170，載板反應金屬層210形成於載板200上，背晶薄膜結構10包含含鈦金屬層110、擴散阻障層220、金屬接合結構230(或金屬接合結構230A、230B、230C或230D)、以及反應金屬層240。金屬接合結構230包含鎳銅合金、銀銅合金、金銅合金、鎳銅銀三元合金、鎳銅金三元合金、或上述的任意組合。實施例中，封裝接合結構170直接接觸並接合反應金屬層240與載板反應金屬層210，而將背晶薄膜結構10上的晶片100組裝在載板200上，而製成如第6圖所示的功率模組封裝體20。

在一些實施例中，晶片100例如是功率晶片。舉例而言，晶片100可以是金氧半導體電晶體(MOSFET)或絕緣閘雙及電晶體(IGBT)晶片。在一些實施例中，載板200可以是適於與晶片100接合的任意基板，例如是陶瓷基板、印刷電路板、銅基板、矽中介層(interposer)、導線架(lead frame)、或另一個晶片。載板反應金屬層210可包含高熔點金屬，例如鎳、銅或銀。可經由焊接方式將背晶薄膜結構10的反應金屬層240與載板反應金屬層210接合。

在一些實施例中，封裝接合結構170可包含錫以及一或多種添加金屬，添加金屬可包含銅、銀、鉍、銦、鋅、銻、或上述的任意組合。在一些實施例中，封裝接合結構170例如是無鉛銲錫。

根據本揭露內容的一些實施例，金屬接合結構230(或金屬接合結構230A、230B、230C或230D)的固溶合金包含銅，因此具有相當高的熔點。由於功率模組的操作溫度較高，例如可能高於450°C，因此本揭露內容之實施例的金屬接合結構的高熔點可以大於功率模組的操作溫度，使得功率模組封裝體20具有良好的耐高溫性及可靠性。

再者，如前所述，金屬接合結構的固溶合金包含銅，不僅可以為功率模組提供良好的導電特性，並且針對具有高操作溫度的功率模組，更可以提供優異的散熱效果，進而可以提高功率元件的效能與使用壽命。

第7圖是根據本揭露內容的一些其他實施例，顯示使用第1E圖的背晶薄膜結構所形成的功率模組封裝體30的剖面示意圖。本實施例中與前述實施例相同或相似的元件係沿用同樣或相似的元件標號，且相同或相似元件的相關說明請參考前述，在此不再贅述。需注意的是，本實施例的功率模組封裝體30是採用如第1E圖的背晶薄膜結構10製作而成，但並非限定於此，本揭露內容之實施例的功率模組封裝體30也可採用前述如第2圖所示的背晶薄膜結構10A、如第3圖所示的背晶薄膜結構10B、如第4圖所示的背晶薄膜結構10C、及/或如第5圖所示的背晶薄膜結構10D而製作。

如第7圖所示，功率模組封裝體30包含晶片100、載板200、載板反應金屬層210、含鈦金屬層110、擴散阻障層220、封裝接合結構270、以及含銅界面層280。含鈦金屬層110形成於晶片100上，擴散阻障層220形成於含鈦金屬層110上。載板反應金屬層210形成於載板200上。含銅界面層280形成於擴散阻障層220與封裝接合結構270之間，且直接接觸擴散阻障層220與封裝接合結構270。封裝接合結構270接合含銅界面層280與載板反應金屬層210，以將晶片100組裝於載板200上。

在一些實施例中，當背晶薄膜結構10的反應金屬層240的厚度較薄、金屬接合結構230(或金屬接合結構230A、230B、230C或230D)的厚度較薄、及/或封裝接合的製程溫度較高時，背晶薄膜結構10的反應金屬層240與金屬接合結構230(或金屬接合結構230A、230B、230C或230D)可能會在接合反應金屬層240及載板反應金屬層210的過程中熔化，而溶入用於接合的銲錫材料中，形成如第7圖所示的封裝接合結構270，並且金屬接合結構230的金屬材料與封裝接合結構270中的金屬材料會在擴散阻障層220與封裝接合結構270的界面處形成含銅界面層280。如此一來，根據本揭露內容的一些實施例，封裝接合結構270包含原始金屬接合結構230(或金屬接合結構230A、230B、230C或230D)的組成及原始反應金屬層240的組成。

舉例而言，在一些實施例中，封裝接合結構270可包含含銅錫合金。具體而言，在一些實施例中，封裝接合結構270可包含銅錫合金、鎳銅錫三元合金、銀銅錫三元合金、金銅錫三元合金、鎳銅銀錫四元合金、鎳銅金錫四元合金、或上述的任意組合。

在一些實施例中，含銅界面層280包含由金屬接合結構230中的金屬材料與封裝接合結構270中的金屬材料所形成的介金屬化合物。在一些實施例中，含銅界面層280包含由前述介金屬化合物所形成的介金屬化合物層。在一些實施例中，含銅界面層280包含Cu₃ Sn、Cu₆ Sn₅ 、或上述的組合。

在一些實施例中，含銅界面層280更可包含金屬接合結構230並未完全反應完畢的存留部分(未繪示於第7圖中)，此存留部分包含銅或含銅合金。含銅界面層280的此含銅存留部分位於擴散阻障層220與含銅界面層280的介金屬化合物層之間。

在一些實施例中，含銅界面層280更可包含由擴散阻障層220的金屬材料與封裝接合結構270中的金屬材料所形成的介金屬化合物，例如包含Ni₃ Sn₄ 、Ni₃ Sn₂ 、或上述的組合。

前述內文概述了許多實施例的特徵部件，使本技術領域中具有通常知識者可以從各個方面更佳地了解本揭露內容的實施例。本技術領域中具有通常知識者應可理解，且可輕易地以本揭露內容的實施例為基礎來設計或修飾其他製程及結構，並以此達到相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例相同之優點。本技術領域中具有通常知識者也應了解這些相等的結構並未背離本揭露內容的實施例的發明精神與範圍。在不背離本揭露內容的實施例的發明精神與範圍之前提下，可對本揭露內容的實施例進行各種改變、置換或修改，因此本揭露內容的保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，雖然本揭露內容已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露內容，且並非所有優點都已於此詳加說明。

本揭露內容的每一個請求項可為個別的實施例，且本揭露內容的範圍包含本揭露內容的每一個請求項及每一個實施例的彼此之任意結合。

10、10A、10B、10C、10D:背晶薄膜結構20、30:功率模組封裝體100:晶片110:含鈦金屬層120、220:擴散阻障層130:含銅金屬材料層140、240:反應金屬層180:接合步驟200:載板210:載板反應金屬層230、230A、230B、230C、230D:金屬接合結構231:第一合金層233:銅層235:第二合金層237:三元合金層270:封裝接合結構280:含銅界面層

為讓本揭露內容之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉不同實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下：第1A至1E圖是根據本揭露內容的一些實施例，說明形成背晶薄膜結構在各個不同階段的剖面示意圖。第2圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構的剖面示意圖。第3圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構的剖面示意圖。第4圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構的剖面示意圖。第5圖是根據本揭露內容的一些進一步的實施例的背晶薄膜結構的剖面示意圖。第6圖是根據本揭露內容的一些實施例，顯示使用第1E圖的背晶薄膜結構所形成的功率模組封裝體的剖面示意圖。第7圖是根據本揭露內容的一些其他實施例，顯示使用第1E圖的背晶薄膜結構所形成的功率模組封裝體的剖面示意圖。

10:背晶薄膜結構

100:晶片

110:含鈦金屬層

180:接合步驟

220:擴散阻障層

230:金屬接合結構

231:第一合金層

233:銅層

235:第二合金層

240:反應金屬層

Claims

一種背晶薄膜結構，包括：一含鈦金屬層，形成於一晶片上；一擴散阻障層，形成於該含鈦金屬層上，其中該擴散阻障層包括一第一金屬；一反應金屬層，形成於該擴散阻障層之上，其中該反應金屬層包括一第二金屬；以及一金屬接合結構，形成於該反應金屬層與該擴散阻障層之間，其中該金屬接合結構包括該第一金屬與銅的合金、該第二金屬與銅的合金、或上述的組合，其中該金屬接合結構包括：一第一合金層，形成於該擴散阻障層上，其中該第一合金層包括該第一金屬和銅，以及一第二合金層，形成於該第一合金層之上，其中該第二合金層包括該第二金屬和銅。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該金屬接合結構包括鎳銅合金、銀銅合金、金銅合金、鎳銅銀三元合金、鎳銅金三元合金、或上述的任意組合。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該金屬接合結構更包括：一銅層，形成於該第一合金層與該第二合金層之間。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該金屬接合結構更包括：一鎳銅銀三元合金層或一鎳銅金三元合金層，形成於該第一合金層與該第二合金層之間。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該第一合金層係為一鎳銅合金層。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該第二合金層係為一銀銅合金層或一金銅合金層。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該金屬接合結構直接接觸該擴散阻障層和該反應金屬層，以接合該擴散阻障層和該反應金屬層。
如申請專利範圍第7項所述之背晶薄膜結構，其中該金屬接合結構係為一鎳銅銀三元合金層或一鎳銅金三元合金層。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該含鈦金屬層包括一鈦層、一鈦鎢(TiW)合金層、或一鈦-鈦鎢-鈦複合層。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該第一金屬包括鎳，該第二金屬包括銀、鎳、金、或上述的任意組合。
如申請專利範圍第1項所述之背晶薄膜結構，其中該第一金屬與該第二金屬實質上不互溶。
一種功率模組封裝體，包括：一功率晶片；一背晶薄膜結構，包括：一含鈦金屬層，形成於該功率晶片上；一擴散阻障層，形成於該含鈦金屬層上；一反應金屬層，形成於該擴散阻障層之上；及一金屬接合結構，形成於該反應金屬層與該擴散阻障層之間，其中該金屬接合結構包括鎳銅合金、銀銅合金、金銅合金、鎳銅銀三元合金、鎳銅金三元合金、或上述的任意組合，其中該金屬接合結構包括：一第一合金層，形成於該擴散阻障層上，其中該第一合金層包括該第一金屬和銅，以及一第二合金層，形成於該第一合金層之上，其中該第二合金層包括該第二金屬和銅；一載板；一載板反應金屬層，形成於該載板上；以及一封裝接合結構，直接接觸並接合該反應金屬層與該載板反應金屬層，以將該功率晶片組裝於該載板上。
一種功率模組封裝體，包括：一功率晶片；一含鈦金屬層，形成於該功率晶片上；一擴散阻障層，形成於該含鈦金屬層上；一載板；一載板反應金屬層，形成於該載板上；一封裝接合結構，包括請求項1的該金屬接合結構及該反應金屬層的組成；以及一含銅界面層，形成於該擴散阻障層與該封裝接合結構之間，該含銅界面層為單層結構且直接接觸該擴散阻障層與該封裝接合結構，該封裝接合結構接合該含銅界面層與該載板反應金屬層，以將該功率晶片組裝於該載板上。
如申請專利範圍第13項所述之功率模組封裝體，其中該封裝接合結構包括一含銅錫合金。
如申請專利範圍第13項所述之功率模組封裝體，其中該含銅界面層包括Cu₃Sn、Cu₆Sn₅、或上述的組合。
一種背晶薄膜結構的製造方法，包括：在一晶片上形成一含鈦金屬層；在該含鈦金屬層上形成一擴散阻障層；在該擴散阻障層上形成一含銅金屬材料層；在該含銅金屬材料層上形成一反應金屬層；以及對該擴散阻障層、該含銅金屬材料層及該反應金屬層進行一接合步驟，以形成一金屬接合結構於該反應金屬層與該擴散阻障層之間，該金屬接合結構接合該反應金屬層與該擴散阻障層，其中該金屬接合結構包括：一第一合金層，形成於該擴散阻障層上，其中該第一合金層包括該第一金屬和銅，以及一第二合金層，形成於該第一合金層之上，其中該第二合金層包括該第二金屬和銅。
如申請專利範圍第16項所述之背晶薄膜結構的製造方法，其中該含銅金屬材料層的厚度為0.01微米至3微米。
如申請專利範圍第16項所述之背晶薄膜結構的製造方法，其中在該擴散阻障層上形成該含銅金屬材料層包括：在該擴散阻障層上形成一銅層。
如申請專利範圍第16項所述之背晶薄膜結構的製造方法，其中該接合步驟包括在室溫靜置該擴散阻障層、該含銅金屬材料層及該反應金屬層。
如申請專利範圍第16項所述之背晶薄膜結構的製造方法，其中該金屬接合結構包括鎳銅合金、銀銅合金、金銅合金、鎳銅銀三元合金、鎳銅金三元合金、或上述的任意組合。