半導體晶片及其製造方法和焊接半導體晶片與載體的方法

2023-05-11 10:09:46

半導體晶片及其製造方法和焊接半導體晶片與載體的方法
【專利摘要】本發明涉及半導體晶片及其製造方法和焊接半導體晶片與載體的方法。公開了一種半導體晶片，具有半導體本體和施加到半導體本體上的晶片金屬化，該晶片金屬化具有背離半導體本體的下側。具有數目為N1≥1或者N1≥2的第一子層以及數目為N2≥2的第二子層的層堆疊被施加到下側上。第一子層和第二子層交替地相繼地被布置，使得在能夠由第一子層構成的每一個第一對的第一子層之間布置有至少一個第二子層，並且在能夠由第二子層構成的每一個第二對的第二子層之間布置有至少一個第一子層。每一個第一子層都具有合金金屬或者由合金金屬組成，每一個第二子層都具有焊料或者由焊料組成，該焊料能夠與鄰接有關的第二子層的第一子層的合金金屬一起構成金屬間相。
【專利說明】半導體晶片及其製造方法和焊接半導體晶片與載體的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體晶片和半導體晶片與載體的金屬化的焊接。一些時間以來為焊接半導體晶片與載體的金屬化使用擴散釺焊連接。在此，通過使用焊料來焊接半導體晶片的金屬化與載體的金屬化。在釺焊過程期間金屬從半導體晶片和載體的金屬化擴散到液態焊料中並且與該液態焊料一起在凝固後構成一種或者多種高強度的和在溫度變化下穩定的金屬間相。
【背景技術】
[0002]因為金屬從半導體晶片和載體的金屬化擴散到液態焊料中的擴散過程為達到為構成金屬間相所需的混勻需要不可忽略的時間，所以與製造這樣的釺焊連接關聯的處理時間非常長。此外擴散進入的金屬的濃度隨離開半導體晶片和載體的各自的金屬化的距離增加而降低。由此在熔液的不同的區域內出現不同的化學計算的成分。這導致，熔液在凝固後不僅僅由金屬間相組成，而且由很大部分的簡單的合金組成，這些合金不具有晶格結構，因此不是金屬間相。因為傳統的合金相較於金屬間相具有較小的強度和較小的溫度變化下穩定性(Tempemturwechselstabilitat),所以需要一種改進的解決方案。

【發明內容】

[0003]為此本發明尤其提供一種根據權利要求1所述的半導體晶片、一種根據權利要求14所述的用於製造半導體晶片的方法以及一種根據權利要求15所述的用於製造釺焊連接的方法。本發明的擴展方案和改進方案是從屬權利要求的主題。
[0004]根據本發明的一個方面，半導體晶片包括半導體本體、被施加到該半導體本體上的晶片金屬化、以及層堆疊，該層堆疊被施加到晶片金屬化的背離半導體本體的下側上。層堆疊具有數目為NI > I或者NI >2的第一子層，以及數目為N2 3 2的第二子層。第一子層和第二子層交替地相繼地被布置，使得在能夠由第一子層構成的每一個第一對的第一子層之間布置有第二子層中的至少一個，並且在能夠由第二子層構成的每一個第二對的第二子層之間布置有第一子層中的至少一個。第一子層中的每一個都具有合金金屬或者由合金金屬組成。第二子層中的每一個都具有焊料或者由焊料組成，其中該焊料能夠與鄰接有關的第二子層的第一子層的合金金屬一起構成金屬間相。相應地，能夠與至少一個鄰接第一子層的第二子層一起構成金屬間相的金屬或者合金被理解為該第一子層的「合金金屬」。在此，第一子層中的每一個都由與鄰接該第一子層的第二子層不同的材料或者不同的材料成分組成。
[0005]為了製造這樣的半導體晶片，通過每次一個第一子層和每次一個第二子層交替地相繼地被施加，在配備有晶片金屬化的半導體本體上施加所述層堆疊。為此可以使用任意的塗層技術，例如濺射、蒸鍍、氣相沉積、電鍍、無電流沉積，也可以以任意的彼此組合使用這些塗層技術。
[0006]為了將預製的、具有如上所述的半導體晶片的構造的半導體晶片連接到載體上，通過低熔的第二子層的熔化和隨後的擴散釺焊過程來連接晶片金屬化與載體的金屬化的表面區段。第一子層的金屬原子和第二子層的金屬原子以及表面區段的金屬原子的相互擴散導致構成金屬間相，這些金屬間相具有與低熔的第二子層的一個或者多個熔點相比顯著提聞的溶點。
[0007]通過使用具有多個薄的焊料或者含焊料的低熔的第二子層的層堆疊，在理想情況下實現相互擴散，使得產生連接層，該連接層連接晶片金屬化與表面區段，並且該連接層以至少90體積％由一種或者多種金屬間相組成。替代地或者附加地，該相互擴散可以導致構成連接層，該連接層具有一條或者多條路徑，其中的每一條都連續地在晶片金屬化和金屬化的表面區段之間延伸並且完全由一種或者多種金屬間相組成。在多條路徑的情況下，這些路徑也可以彼此間隔開，使得連接層的不包含金屬間相的區段位於兩條任意的路徑之間。
[0008]與在現有技術的相應連接的情況下不同，不僅來自半導體晶片和載體的金屬化的金屬有助於構成一種(或多種)金屬間相，而且來自第一子層的一種或者多種金屬也有助於構成一種(或多種)金屬間相。所需要的擴散距離以及隨之而來所需要的釺焊時間由此
顯著縮短。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]下面藉助實施例參考附圖更詳細地說明本發明。只要不另外說明，在圖中相同的附圖標記表示相同的或者彼此對應的元件。
[0010]圖1示出通過電路載體和半導體晶片之間的複合結構(Verbund)的橫截面。
[0011]圖2示出根據圖1的視圖的放大的部分。
[0012]圖3示出在焊接半導體晶片與載體之前的根據圖2的部分。
[0013]圖4A-4F示出一種用於製造半導體晶片的方法的不同步驟，該半導體晶片具有施加在其晶片金屬化上的層堆疊。
[0014]圖5示出具有施加在其晶片金屬化上的層堆疊的半導體晶片，其中該層堆疊的最接近半導體本體設置的子層是第二子層。
【具體實施方式】
[0015]圖1示出電路載體2的橫截面，其中半導體晶片I被釺焊到該電路載體2上。電路載體2具有絕緣載體20、例如陶瓷,該絕緣載體配備有上金屬化21以及可選的下金屬化22。如所示的，上金屬化層21可以被結構化為印製導線和/或導線面。然而，替代於這樣的電路載體2，一般也可以將例如金屬的引線框架(「Leadframe」)用作電路載體2。
[0016]如藉助根據圖2的放大的部分可以識別的，半導體晶片I具有由半導本基材、例如矽、碳化矽、砷化鎵或者任意的其他的半導體材料構成的僅示意性示出的半導體本體10。該半導體本體10在其下側12配備有晶片金屬化11。晶片金屬化11涉及傳統的晶片金屬化，其可以由一個層或者多個子層組成，如其通常在半導體晶片技術中被用於製造負載連接金屬化那樣。這樣的負載連接金屬化例如可以涉及功率半導體器件的漏極金屬化、源極金屬化、集電極金屬化、發射極金屬化、陽極金屬化或者陰極金屬化。晶片金屬化可以與所描述的連接過程協調一致地被適配。特別是可以捨棄對於傳統的連接技術、如焊接來說所需的層。例如可以捨棄使用鎳層或者含鎳的層。另一方面，使用另外的或者附加的、避免第一焊接層與晶片金屬化反應的層可能是有利的。
[0017]晶片金屬化11在其背離半導體本體10的一側具有下側15，該下側的粗糙度顯著小於電路載體2的上金屬化層21的表面25的粗糙度。因此，當以材料決定的方式連接半導體晶片I與上金屬化層21所利用的連接材料5』的量被測定為使得在晶片金屬化11和上金屬化層21之間不留下任何空隙時，是有利的。換句話說，所使用的連接材料5』的量被測定為使得補償上金屬化層21的表面25的全部不平部。
[0018]為了製造如在圖1和2中示出的裝置，通過擴散釺焊過程利用晶片安裝區27來連接半導體晶片與上金屬化層21。晶片安裝區27通過表面25的區段給出，在該區段上安裝半導體晶片I。因此，晶片安裝區段27的面積基本上與晶片金屬化11的基面相同。
[0019]如從圖3得知的，在將半導體晶片I擴散釺焊到上金屬化層21上之前，給半導體晶片I配備層堆疊5。該層堆疊被施加到晶片金屬化11的背離半導體本體10的下側15上。
[0020]層堆疊5包括數目為NI的第一子層31-36以及數目為N2的第二子層41-46。在此，第一子層31-36和第二子層41-46交替地彼此重疊地布置，使得在能夠由第一子層31-36構成的每一個第一對的第一子層31-36之間布置有第二子層41-46中的至少一個，並且在能夠由第二子層41-46構成的每一個第二對的第二子層41-46之間布置有第一子層31-36中的至少一個。
[0021]第一子層31-36中的每一個都具有合金金屬或者由合金金屬組成。此外，第二子層41-46中的每一個都具有焊料或者由焊料組成，該焊料能夠與至少一個與該第二子層41-46鄰接的第一子層31-36的合金金屬構成金屬間相。
[0022]由於層堆疊的構造，第二子層41-46中的每一個都鄰接第一子層31-36中的至少一個，使得在隨後的、第二子層41-46被熔化的釺焊過程中在這些第一子層31-36中所包含的合金金屬能夠擴散進入到有關的第二子層41-46內，並且由此在熔液凝固後能夠有助於構成金屬間相。也就是說，配備有層堆疊5的常規的半導體晶片I與層堆疊5 —起構成根據本發明修改的半導體晶片I』。
[0023]如在圖3中通過箭頭所示的，修改後的半導體晶片I』為了與上金屬化層21焊接而被安放到晶片安裝區27上。然後，層堆疊5被加熱到全部第二子層41-46熔化的那個時候，使得金屬能夠從分別鄰接的第一子層31-36擴散進入到有關的熔化的第二子層41-46內。在擴散釺焊過程結束後，在半導體晶片I未改變地位於晶片安裝區27上期間構成了連續的金屬間相，使得在半導體晶片I和上晶片金屬化21之間產生固定的釺焊連接。通過釺焊過程，由層堆疊5以及必要時由從晶片金屬化11和上金屬化層21擴散進入到該層堆疊中的金屬構成在圖1和2中示出的焊料層5』，該焊料層基本上由金屬間相組成，金屬間相的熔化溫度遠高於原來的第二子層41-46的焊料的熔化溫度和在先前的擴散釺焊過程中應用的最大溫度。
[0024]下面參考圖4A到4F說明用於製造配備有這樣的層堆疊5的半導體晶片I』的方法。出發點是如在圖4A中示出的常規的半導體晶片I。半導體晶片I具有帶有下側12的半導體本體10。該下側12配備有晶片金屬化11，該晶片金屬化又具有下側15，該下側通過晶片金屬化11的背離半導體本體10的一側給出。晶片金屬化可以與常規的金屬化不同，使得省略為傳統的連接技術所使用的層，或者使得使用附加的禁止擴散釺焊過程到達半導體晶片的緩衝層。
[0025]在晶片金屬化11的該下側15上，如在圖4B中所示的，施加第一子層31。其後在該第一子層31的背離半導體本體10的一側上施加第二子層41，這作為結果在圖4C中示出。然後又在該第二子層41的背離半導體本體10的一側上施加另一個第一子層32，這作為結果在圖4D中示出。現在又跟隨另一個第二子層42，它被施加在該另一個第一子層32的背離半導體本體10的一側上，這作為結果在圖4E中示出，等等。
[0026]以這種方式，交替地分別相繼地彼此重疊地施加第一子層、第二子層、第一子層、第二子層等等，使得產生層堆疊5，如在圖4F中所示。以這種方式構成的修改後的半導體晶片I』與在圖3中示出的半導體晶片I』相同。為了將第一子層31-36和第二子層41-46施加到晶片金屬化11上，可以使用不同的方法，也可以以任意的彼此組合使用這些方法。適宜的方法例如是濺射、蒸鍍、氣相沉積、電鍍或者無電流沉積。
[0027]在所示的實例中，層堆疊5的子層中最接近晶片金屬化11設置的子層是第一子層31。然而，替代於此，第一個被施加到晶片金屬化11上的子層可以是第二子層41，這在圖5中示範性地示出。
[0028]與層堆疊5的子層31-36、41_46中最接近半導體晶片I設置的子層是第一子層31還是第二子層41無關，第一子層31-36中的每一個以及第二子層41-46中每一個都以垂直於晶片金屬化11的下側15被測量的方式具有在製造過程期間可以調整的厚度。在圖4F和5中僅示範性地畫出了第一子層31和34的厚度d31和d34以及第二子層41和44的厚度d41和d44。第一子層31-36彼此、第二子層41-46彼此的厚度、以及第一子層31-36的厚度與第二子層41-46的厚度相比基本上都可以彼此獨立地選擇。這樣例如第一子層31-36中的每一個的厚度都可以小於或者等於IOym或者小於或者等於5 μ m。與此無關地，第二子層41-46中的每一個都可以具有小於或者等於10 μ m或者小於或者等於5 μ m的厚度。此夕卜，層堆疊5的全部第一子層31-36的厚度d31-d36的總和可以小於或者等於20 μ m。與此無關地，層堆疊5的全部第一子層31-36和全部第二子層41-46的厚度d31_d36的總和d5、也就是說層堆疊5的厚度d5至少為0.5 μ m和/或小於或者等於20 μ m。
[0029]層堆疊5的全部第一子層31-36的厚度d31_d36和層堆疊5的全部第二子層41_46的厚度可以彼此協調一致，使得其在擴散釺焊過程的情況下以最優的方式和最少的時間形成合金的金屬間相。
[0030]完成的層堆疊5的總厚度d5可以適配於上金屬化21的晶片安裝面27所具有的表面粗糙度。此外，該厚度d5最大可以為晶片安裝面27的表面粗糙度的2倍，以便避免所製造的連接層5的厚度顯著大於為平衡晶片安裝面27的表面粗糙度所需要的厚度。在此，關於晶片安裝區27的表面粗糙度的全部說明涉及根據EN IS04287的平均的粗糙度Rz。[0031 ] 由於製造技術的原因，全部第一子層由相同的金屬來製造可能是有利的。相應地，全部第二子層41-46由相同的材料來製造可能是有利的，然而這種材料與第一子層的材料不同。然而，不同的第一子層31-36基本上可以由不同的材料組成。與此無關地，相應的內容也適用於不同的第二子層41-46。層堆疊5的第二子層41-46的數目N2例如可以至少為2或者至少為3。因為製造成本隨著非常高數目的子層而升高，所以此外當全部第一和第二子層31-36、41-46的數目N1+N2被選擇為小於或者等於11時可能是有意義的。[0032]在層堆疊5的第一子層31-36中的一個、多於一個或者每一個子層中，合金金屬可以是銅(Cu)、鎳(Ni)、銀(Ag)或者金(Au)。
[0033]此外，層堆疊5的第二子層41-46中的一個、多於一個或者每一個子層的焊料可以具有下述材料中的一種或者由下述材料中的一種組成:錫(Sn);錫-銀(SnAg)或者金-錫(AuSn)或者另外的錫、鋅、或者鉛合金。
[0034]修改後的半導體晶片I』與上金屬化21的焊接例如可以通過如下方式進行，即在釺焊過程期間僅熔化第二子層41-46而不熔化第一子層31-36。為此第二子層中的每一個子層都可以具有熔點，其小於第一子層31-36中的每一個子層的熔點。例如第二子層中的每一子層在Sn焊料的情況下可以具有小於或者等於250°C的熔點，或者在AuSn焊料的情況下具有小於300°C的熔點。在這種情況下過程溫度可以被選擇為比構成的金屬間相的、具有最低熔點的那個金屬間相的熔點低。例如該過程溫度可以被選擇為比450°C低。
【權利要求】
1.半導體晶片0-)，包括: 半導體本體(10)； 施加在所述半導體本體(10)上的晶片金屬化(11)，該晶片金屬化具有背離所述半導體本體(10)的下側(12)； 施加到所述下側(12)上的層堆疊(5)，該層堆疊具有數目為NI > I或者NI > 2的第一子層(31-36)，以及數目為N2≥2的第二子層(41-46)，其中所述第一子層(31-36)和所述第二子層(41-46)交替地相繼地被布置，使得在能夠由所述第一子層(31-36)構成的每一個第一對的第一子層(31-36)之間布置有所述第二子層(41-46)中的至少一個，並且在能夠由所述第二子層(41-46)構成的每一個第二對的第二子層(41-46)之間布置有所述第一子層(31-36)中的至少一個， 其中， 所述第一子層(31-36)中的每一個都具有合金金屬或者由合金金屬組成； 所述第二子層(41-46)中的每一個都具有焊料或者由焊料組成，該焊料能夠與鄰接有關的第二子層(4146)的第一子層(31-36)的合金金屬一起構成金屬間相。
2.根據權利要求1所述的半導體晶片(1』)，其中，所述第一和第二子層(31-36、41-46)中最接近半導體本體(10)設置的是所述第一子層(31-36)之一。
3.根據權利要求1所述的半導體晶片(1』)，其中，所述第一和第二子層(31-36、41-46)中最接近半導體本體(10)設置的是所述第二子層(41-46)之一。
4.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，所述第一子層(31-36)中的每一個都具有小於或者等於10 μ m或者小於或者等於5 μ m的厚度(d31、d34)。
5.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，所述第二子層(41-46)中的每一個都具有小於或者等於10 μ m或者小於或者等於5 μ m的厚度(d41、d44)。
6.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，所述第二子層(41-46)中的每一個都具有小於或者等於300°C或者小於或者等於250°C的熔點。
7.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，N2至少為3。
8.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，所述第一子層(31-36)中的一個、多於一個或者每一個第一子層的合金金屬是下述金屬之一:銅(Cu);鎳(Ni);銀(Ag);金(Au) ο
9.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，所述第二子層(41-46)中的一個、多於一個或者每一個第二子層的焊料具有下述材料中的一種或者由下述材料中的一種組成:錫(Sn);錫-銀(SnAg);金-錫(AuSn)或者具有金屬錫、鋅、或者鉛中的一種、兩種任意的或者三種金屬或者由金屬錫、鋅、或者鉛中的一種、兩種任意的或者三種金屬組成的另外的合金。
10.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片(1』)，其中，所述第二子層(41-46)中的每一個都具有比最接近有關的第二子層(41-46)設置的第一子層(31-36)的熔點更低的熔點。
11.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片(1』)，其中，全部第一子層(31-36)都由同樣的材料組成。
12.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片(1』)，其中，全部第二子層(41-46)都由同樣的材料組成。
13.根據上述權利要求之一所述的半導體晶片0-)，其中，所述層堆疊(5)具有至少0.5 μ m和/或小於或者等於20 μ m的厚度(d5)。
14.用於製造根據上述權利要求之一構造的半導體晶片0-)的方法，具有步驟: 提供半導體本體(10)，將晶片金屬化(11)施加到該半導體本體上，所述晶片金屬化具有背離所述半導體本體(10)的下側(12);以及 通過以下方式將具有數目為NI的第一子層(31-36)以及數目為N2的第二子層(41-46)的層堆疊(5)施加到所述下側(12)上，即每次一個第一子層(31-36)和每次一個第二子層(41-46)交替地彼此重疊地被施加，使得在完成的層堆疊(5)中在能夠由所述第一子層(31-36)構成的每一個第一對的第一子層(31-36)之間布置有所述第二子層(41-46)中的至少一個，並且在能夠由所述第二子層(41-46)構成的每一個第二對的第二子層(41-46)之間布置有第一子層(31-36)中的至少一個，其中， 所述第一子層(31-36)中的每一個都具有合金金屬或者由合金金屬組成； 所述第二子層(41-46)中的每一個都具有焊料或者由焊料組成，該焊料能夠與最接近有關的第二子層(41-46)設置的第一子層(31-36)的合金金屬一起構成金屬間相。
15.用於焊接半 導 體晶片0-)與載體(2)的方法，包括步驟: 提供具有金屬化(21)的載體(2); 提供根據上述權利要求之一構造的半導體晶片0- ); 通過製造被布置在晶片金屬化(11)和金屬化(21)的表面區段(27)之間的連接層來連接所述晶片金屬化(11)與所述表面區段(27)，其中該連接層以至少90體積％由一種或者多種金屬間相組成，通過熔化全部第二子層(41-46)來製造所述連接層。
16.用於焊接半導體晶片0-)與載體(2)的方法，包括步驟: 提供具有金屬化(21)的載體(2); 提供根據權利要求1到14之一構造的半導體晶片0- )； 通過製造被布置在晶片金屬化(11)和金屬化(21)的表面區段(27)之間的連接層來連接所述晶片金屬化(11)與所述表面區段(27)，其中該連接層具有至少一條路徑，該路徑連續地在所述晶片金屬化(11)和所述金屬化(21)的表面區段(27)之間延伸，並且完全由一種或者多種金屬間相組成。
17.根據權利要求15或者16所述的方法，其中，所述表面區段(27)具有表面粗糙度(Rz)，並且其中，所述層堆疊(5)具有厚度(d5)，該厚度最大為所述表面粗糙度(Rz)的2倍。
18.根據權利要求15到17之一所述的方法，其中，所述表面區段(27)具有至少0.5 μ m的表面粗糙度。
19.根據權利要求15到18之一所述的方法，其中，最大的為了熔化全部第二子層(41-46)所應用的釺焊溫度低於一種金屬間相的熔點，或者低於兩種或者更多種金屬間相中的每一種的熔點。
【文檔編號】H01L21/60GK103681538SQ201310532609
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2012年9月17日
【發明者】N·厄施勒, K·特魯諾夫, F·翁巴赫 申請人:英飛凌科技股份有限公司