電子器件及制造電子器件的方法

專利名稱：電子器件及制造電子器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電子器件及制造電子器件的方法。
背景技術：
為了制造電子器件，常常將半導體芯片、半導體管芯、半導體襯底或半導體晶片安裝在例如引線框的載體上。目前唯一可用的具有高溫循環(huán)和高溫貯存可靠性的功率半導體芯片的高導電附著材料是AuSn擴散焊料粘片。此處粘片(die attach)材料是含金量大約為80%的金錫合金。因此，由于常常成為粘片處理中的問題的高成本，金錫方案受限于低焊
料層厚度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個方面涉及一種電子器件，其包括:具有金屬表面的載體；附接所述載體的半導體襯底；以及布置在所述半導體襯底與所述載體之間的層系統(tǒng)，所述層系統(tǒng)包括:布置在所述半導體襯底上的電接觸層；布置在所述電接觸層上的功能層；布置在所述功能層上的粘附層；以及布置在所述粘附層與所述載體之間的焊接層。本發(fā)明的另一個方面涉及一種電子器件，包括:引線框；布置在所述引線框上方的半導體芯片；以及布置在所述半導體芯片和所述引線框之間的層系統(tǒng)，所述層系統(tǒng)包括:布置在所述半導體芯片上的Al或Ti層；布置在所述Al或Ti層上的T1、TiW或W層；布置在所述T1、TiW或W層上的Cu或Ag層；布置在所述Cu或Ag層與所述引線框之間的Sn層。本發(fā)明的又一個方面涉及一種制造電子器件的方法，該方法包括:提供半導體襯底；在所述半導體襯底上沉積電接觸層；在所述電接觸層上沉積功能層；在所述功能層上沉積粘附層；在所述粘附層上沉積焊接層；在所述焊接層上沉積保護層；以及將所述半導體襯底附接到載體上。


包括有附圖用于提供進一步理解本發(fā)明并且附圖結合到說明書中并構成說明書的一部分。這些附圖示出了實施方式并與說明書一起用來說明實施方式的原理。由于參考如下詳細的描述能好地被理解，所以也容易明白其他實施方式和實施方式的很多預期優(yōu)點。附圖中的元件彼此間不一定是按比例繪制。相似的參考標號表示相應的類似部分。圖1示出了根據實施方式的電子器件的示意性截面?zhèn)纫晥D。圖2a和圖2b示出了用于說明粘結過程的基本機制的示意性截面?zhèn)纫晥D。圖3示出了用于說明根據實施方式的制造電子器件的方法的流程圖；以及圖4示出了載體和半導體襯底與層堆疊體的示意性截面?zhèn)纫晥D，以說明根據實施方式的制造電子器件的方法。
具體實施方式
現參照附圖描述各個方面和實施方式，其中整個附圖中相似參考標號通常是指類似的元件。在下面的描述中，為了便于說明，闡述了許多具體細節(jié)，以提供對實施方式的一個或多個方面的透徹理解。但是對于本領域的技術人員顯而易見的是，實施方式的一個或多個方面可以不同于這些具體細節(jié)的方式實現。在其他情況下，以示意性的形式示出已知的結構和元件，以便更好描述實施方式的一個或多個方面。需要理解的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以采用其他實施方式，并且可以進行結構上或邏輯上的變化。還應當注意的是，附圖不是或不一定是按比例繪制的。此外，盡管實施方式的特定特征和方面僅關于多個實施方案中的一種而被公開，但是這樣的特征或方面可以和其他實施方案的一個或多個其他特征或方面結合，因為該結合對于給定或特定的應用可能是所期望或有利的。此外，就在詳細描述或權利要求中使用的術語“包括”，“含有”，“帶有”或其他變體而言，這樣的術語類似于術語“包含”?？赡苁褂眯g語“耦接”和“連接”以及其衍生詞。應當理解的是，不管兩個元件是直接物理接觸或電接觸、還是彼此不直接接觸，這些術語可用于表明兩個元件彼此協作或交互。此外，術語“示例性”僅是指例子，而不是指最好的或最佳的。因此，下面的詳細描述不應被認為是限制性的，本發(fā)明的范圍由所附的權利要求書定義。電子器件和用于制造電子器件的方法的實施方式可以使用不同類型的半導體芯片或結合在在半導體芯片中的電路，其中包括邏輯集成電路、模擬集成電路、混合信號集成電路、傳感器電路、MEMS (微機電系統(tǒng))、功率集成電路、具有集成無源器件的芯片等。實施方式也可使用包含MOS晶體管結構或垂直晶體管結構的半導體芯片，例如IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)結構，或概括地講，如下的晶體管結構:至少一個的電接觸端子被設置在半導體芯片的第一主面上并且至少另外一個電接觸端子被設置在與半導體芯片的第一主面的相反的該半導體芯片的第二主面上。在幾個實施方式中，層或層堆疊體被應用到另一個層或層堆疊體，或者材料被應用或沉積到層上。應當理解的是，任何如“應用(applied)”或“沉積”的術語是指基本涵蓋將層應用到另外的層上的所有類型和技術。特別地，它們是指涵蓋了層作為一個整體被一次性應用的技術，例如層壓技術，以及層以順序方式沉積的技術，例如，濺射、電鍍、模塑、CVD 等。參看圖1，其示出了根據實施方式的電子器件的示意性截面?zhèn)纫晥D。圖1中的電子器件10包括具有金屬表面的載體1、半導體襯底2、和布置在半導體襯底2與載體I之間的層系統(tǒng)3。層系統(tǒng)3包括布置在該半導體襯底2上的電接觸層3.1、布置在電接觸層3.1上的功能層3.2、布置在功能層3.2上的粘附層3.3以及布置在粘附層3.3與載體I之間的焊接層3.4。根據電子設備10的一個實施方式，半導體襯底2由硅基半導體材料組成，例如由S1、SiC或另一硅基材料制成的基板，或者由化合物半導體材料組成，例如II1-V族材料，如GaN。半導體襯底可以包括在其下表面的由高摻雜n+或p+區(qū)域形成的電接觸端子。根據電子設備10的一個實施方式，電接觸層3.1包括Al、T1、Ag或Cr的單一元素層，或含有一個或多個這些元素且可能還有其它元素的合金。根據電子設備10的一個實施方式，功能層3.2由阻擋層組成。特別地，功能層由T1、TiW或W的材料組成,或者由含有一種或幾種這些材料的合金組成。
根據電子設備10的一個實施方式，粘附層3.3包括銅、金、銀、鉬或鎳的單一元素層、或含有一種或多種這些元素且可能還有其它元素的合金。根據電子設備10的一個實施方式，焊接層3.4包括錫、鋅、銦、鎵、鉍或鎘的單一元素層、或含有一種或多種這些元素且可能還有其它元素的合金。根據電子設備10的一個實施方式，焊接層3.4包括單一元素焊接材料，其在沉積過程中不易相形成。此外，焊接材料本身可以不使用貴金屬，因此便宜許多。由于較低的成本，它可以比錫金合金更厚地應用，從而使粘片處理本身更容易。根據焊接材料的不同，焊接溫度也可以顯著降低，由于通過焊接材料的等溫凝固結合到焊料互連產生的應力更小，可靠性更高。根據電子設備10的一個實施方式，載體I由金屬載體組成，特別地，由銅、鎳或鐵組成、或由含有一種或幾種這些元素且可能還有其它元素的合金組成。根據電子設備10的一個實施方式，載體I涂覆有一個或多個金屬層。這種情況下，載體I自己可由非金屬載體組成，例如由如氧化鋁的陶瓷材料制成的載體。特別地，最上面的金屬層由金、銀、銅、鈀或鉬組成，或由包括一種或幾種這些元素的合金組成。根據電子設備10的一個實施方式，金屬間相形成于載體I與焊接層3.4之間，或者布置于載體I上的金屬層與焊接層3.4之間。根據電子設備10的一個實施方式，金屬間相形成于粘附層3.3與焊接層3.4之間。根據電子設備10的一個實施方式，粘附層3.3以及載體I的表面或者涂覆在載體表面上的金屬層的表面由相同基材組成。特別地，這些基材由Cu、Ag、NiV、Ni或NiNiP組成。根據電子設備10的一個實施方式，載體I由引線框組成。根據電子設備10的一個實施方式,層系統(tǒng)3不含金。根據電子設備10的一個實施方式，半導體襯底2的厚度范圍從5μπι到500 μ m。根據電子設備10的一個實施方式，電接觸層3.1的厚度范圍從IOOnm到I μ m。根據電子設備10的一個實施方式，功能層3.2的厚度范圍從50nm到200nm。根據電子設備10的一個實施方式，粘附層3.3的厚度范圍從200nm到2 μ m。根據電子設備10的一個實施方式，焊接層3.4的厚度范圍從I μ m到5 μ m。值得注意的是以上厚度范圍都覆蓋了所述增量值(incrementalvalue)。發(fā)現當粘附層3.3和載體I的表面(即載體I的基材或涂覆在載體I上的最上面的金屬層)由相同的基材(例如Cu/Cu、Ag/Ag、NiV/Ni或NiV/NiNiP，這獲得二元或準二元合金系統(tǒng)，在焊料互連中形成特征層結構)構成時，可以得到良好的結果。層結構基本上為二元合金相圖中所示的相分數，該結構可與，在此情況下，Cu/Sn的雙面擴散偶(two-sideddiffusion couple)相媲美。參照圖2a和圖2b，為了說明根據實施方式中的層結構以說明粘結機制，示出了示意性截面?zhèn)纫晥D。在圖2a中，示出了載體I以及在粘結處理之前層堆疊體(layer stack)3中只有粘附層3.3和焊接層3.4被示出。圖2b示出了粘結處理之后的層結構。可以看出，在焊接層3.4的兩側金屬間相層已經形成。在圖2b中，第一金屬間相層3.5形成于粘附層3.3和焊接層3.4之間，第二金屬間相層3.6形成于焊接層3.4和載體I之間。第一金屬間相層3.5富含粘附層3.3的金屬，而第二金屬間相層3.6富含載體I的表面的金屬。剩余中間焊接層3.4仍然富含原來的焊接層3.4的金屬。如果載體I的材料和粘附層3.3的材料相同并且也依賴于該層的厚度，那么也可以形成只有一個均質層的合金相，而不是焊接層3.4、第一金屬間相層3.5和第二金屬間相層3.6。取決于所使用的材料組合，也可以在所述互連內形成超過兩個的不同的層。參看圖3，其示出了用于說明根據實施方式的電子器件的制造方法的流程圖。方法30包括提供半導體襯底(31)，在半導體襯底上沉積電接觸層(32)，在電接觸層上沉積功能層(33)，在功能層上沉積粘附層(34)，在粘附層上沉積焊接層(35)，在焊接層上沉積保護層(36 )，以及將半導體襯底附接到載體上(37 )。根據方法30的一個實施方式，此方法進一步包括通過物理氣相沉積法或濺射法，特別是在一個相同的處理裝置中，來沉積電接觸層、功能層、粘附層、焊接層以及保護層中的一個或多個。根據方法30的一個實施方式，電接觸層由Al或Ti層組成，功能層由T1、TiW或W層組成，粘附層由Cu或Ag層組成，焊接層由Sn層組成，以及保護層由Ag或Au層組成。方法30的更多實施方式可通過將與圖1和圖2的實施方式相關的上述任何特征結合到圖3來完成。圖4示出了載體以及半導體襯底與層堆疊體的示意性截面?zhèn)纫晥D，以說明根據實施方式的電子設備的制造方法。圖4實質上示出了載體41，特別為引線框，以及粘結至載體41的半導體襯底42。為此，層堆疊體43隨后被沉積在半導體襯底42的下表面。在第一步驟電接觸層43.1沉積在半導體襯底42的下表面。在第二步驟功能層43.2沉積在電接觸層43.1上。在第三步驟粘附層43.3沉積在功能層43.2上。在第四步驟焊接層43.4沉積在粘附層43.3上。在第五步驟保護層43.5沉積在焊接層43.4上。沉積處理可通過物理氣相沉積法或濺射法實現。根據一個實施方式，保護層43.5的厚度范圍從50nm到300nm。因此保護層43.5可被制得很薄，以至于在圖1所示的最終產品中實際上消失了。保護層43.5防止焊接層43.4的氧化。在圖4的實施方式中，一個或多個金屬層41.1沉積在載體41。金屬層41.1或在兩個以上的金屬層時最上面的金屬層由Au、Ag、Cu、Pd或Pt、或一種或幾種這些元素的合金組成。最后，在半導體襯底42上制成層堆疊體43之后，半導體襯底42與層堆疊體43 —起分別粘結在載體41的上表面或者最上面的金屬層41.1的上表面。此外，由半導體襯底42和層堆疊體43構成的系統(tǒng)能以300° C的粘片溫度下被焊接，相比目前的AuSn焊接層附接時的350° C，粘片應力較低。盡管本發(fā)明已經示出和描述了一個或多個實施方案，在不脫離所附權利要求的精神和范圍的情況下，可對所示出的實例進行變更和/或修改。特別是關于上述部件或結構(組件、裝置、電路、系統(tǒng)等)實現的各種功能時，除非另有說明，否則用于描述這些部件的術語(包括“手段”的引用)旨在對應任何執(zhí)行上述部件的具體功能的部件或結構(即功能上相同)，即使結構上與執(zhí)行本發(fā)明的所示出的示例性實施方案中的功能的公開結構并不等價。
權利要求
1.一種電子器件，包括: 具有金屬表面的載體； 附接所述載體的半導體襯底；以及 布置在所述半導體襯底與所述載體之間的層系統(tǒng)，所述層系統(tǒng)包括: 布置在所述半導體襯底上的電接觸層； 布置在所述電接觸層上的功能層； 布置在所述功能層上的粘附層；以及 布置在所述粘附層與所述載體之間的焊接層。
2.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述半導體襯底包括硅基半導體材料。
3.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述電接觸層包括Al、T1、Ag或Cr的單一元素層、或含有一種或多種這些元素的合金。
4.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述功能層包括阻擋層。
5.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述功能層包括T1、TiW或W、或者含有這些材料的合金。
6.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述粘附層包括Cu、Au、Ag、Pt或Ni的單一元素層、或含有一種或多種這些元素的合金。
7.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述焊接層包括Sn、Zn、In、Ga、Bi或Cd的單一元素層、或含有一種或多種這些元素的合金。
8.根據權利要求7所述的電子器件，其中，所述焊接層包括Sn、Zn、In、Ga、Bi或Cd中的一種或多種的合金并且還包括AuSn、SnAg> CuSn或CuSnAg。
9.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述載體包括CiuNi或Fe、或含有一種或多種這些元素的合金。
10.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述載體的表面涂覆有一個或多個金屬層。
11.根據權利要求1所述的電子器件，其中，最上面的金屬層包括Au、Ag、Cu、Pd或Pt、或者一種或多種這些元素的合金。
12.根據權利要求1所述的電子器件，其中，在所述粘附層與所述焊接層之間形成有金屬間相。
13.根據權利要求1所述的電子器件，其中，在所述載體與所述焊接層之間、或者布置在所述載體上的金屬層與所述焊接層之間形成有金屬間相。
14.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述粘附層和載體表面或涂覆在所述載體表面上的金屬層的表面是由相同的基材構成。
15.根據權利要求14所述的電子器件，其中，所述基材包括Cu、Ag、NiV、Ni或NiNiP。
16.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述載體包括引線框。
17.根據權利要求1所述的電子器件，其中，所述層系統(tǒng)不含Au。
18.一種電子器件，包括: 引線框； 布置在所述引線框上方的半導體芯片；以及 布置在所述半導體芯片和所述引線框之間的層系統(tǒng)，所述層系統(tǒng)包括:布置在所述半導體芯片上的Al或Ti層； 布置在所述Al或Ti層上的T1、TiW或W層； 布置在所述T1、TiW或W層上的Cu或Ag層； 布置在所述Cu或Ag層與所述引線框之間的Sn層。
19.根據權利要求18所述的電子器件，其中，所述引線框包括Cu。
20.根據權利要求18所述的電子器件，其中，所述層系統(tǒng)不含Au。
21.根據權利要求18所述的電子器件，其中，所述引線框的表面涂覆有一個或多個金屬層。
22.一種制造電子器件的方法，該方法包括: 提供半導體襯底； 在所述半導體襯底上沉積電接觸層； 在所述電接觸層上沉積功能層； 在所述功能層上沉積粘附層； 在所述粘附層上沉積焊接層； 在所述焊接層上沉積保護層；以及 將所述半導體襯底附接到載體上。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，沉積所述電接觸層、所述功能層、所述粘附層、所述焊接層和所述保護層中的一個或多個包括通過物理氣相沉積法沉積。
24.根據權利要求22所述的方法，其中， 所述電接觸層包括Al或Ti層， 所述功能層包括T1、 TiW或W層， 所述粘附層包括Cu或Ag層， 所述焊接層包括Sn層，以及 所述保護層包括Ag或Au層。
全文摘要
本發(fā)明涉及電子器件及制造電子器件的方法。該電子器件包括載體、附接至載體的半導體襯底、和布置在載體與半導體襯底之間的層系統(tǒng)。層系統(tǒng)包括布置在半導體襯底上的電接觸層。功能層布置在電接觸層上。粘附層布置在功能層上。焊接層布置在粘附層和載體之間。
文檔編號H01L21/60GK103137591SQ20121050634
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2011年12月1日
發(fā)明者奧利弗·艾興格, 吳國財, 亞歷山大·海因里希, 邁克爾·于爾斯, 康拉德·勒斯利, 托比亞斯·施密特 申請人:英飛凌科技股份有限公司