半導體芯片、半導體器件及其制造方法
【技術領域】
[0001] 示例實施方式涉及半導體芯片、半導體器件和半導體器件的制造方法。
【背景技術】
[0002] 在用于制造半導體器件的接合技術中，利用焊料材料的接合技術（例如，晶片接 合）可以在小于450°C的相對低的溫度執行并可以提供改善的接合強度。與軟焊料相比， 金-錫（Au-Sn)焊料具有滿意的粘結強度和耐腐蝕性，而且具有相對高的導電性和改善的 導熱性。此外，Au-Sn焊料抗熱疲勞，不包含受環境法規約束的鉛（Pb)，并可以被熔化而不 用助焊劑。然而，在Au-Sn焊料的情況下，價格會由于包含Au而增加，控制Au和Sn之間的 組分比會是困難的，并且接合溫度相對高。
【發明內容】
[0003] 示例實施方式提供包括具有改善的接合強度和接合可靠性的接合結構的半導體 器件以及半導體器件的制造方法。
[0004] 示例實施方式還提供包括用于防止或阻止例如空隙的缺陷和由易碎性導致的機 械強度下降的接合結構的半導體器件以及半導體器件的制造方法。
[0005] 示例實施方式還提供包括在成本降低和制造容易方面有利的接合結構的半導體 器件以及半導體器件的制造方法。
[0006] 示例實施方式還提供通過使用晶片接合技術制造半導體器件的方法以及通過該 方法制造的半導體器件。
[0007] 附加的方面將在隨后的描述中部分地闡述，并且將由該描述而部分地清楚，或者 可以通過示例實施方式的實踐而習知。
[0008] 根據示例實施方式，半導體器件包括基底基板和安裝在基底基板上的半導體芯 片，半導體芯片包括第一層結構和與第一層結構相反的第二層結構以及在第一層結構與第 二層結構之間的接合結構，第一層結構和第二層結構的至少一個包括半導體器件部分，接 合結構包括銀-錫（Ag-Sn)化合物和鎳-錫（Ni-Sn)化合物。
[0009] 接合結構可以還包括純Ni。
[0010] Ag-Sn化合物可以包括Ag3Sn，Ni-Sn化合物可以包括Ni3Sn4。
[0011] 接合結構可以包括包含Ag3Sn和Ni3Snd^中間層、在中間層與第一層結構之間的 第一 Ni層、以及在中間層與第二層結構之間的第二Ni層。
[0012] Ni-Sn化合物可以還包括Ni3Sn。
[0013] 接合結構中的Ag含量可以為大約0· 5wt %至大約23. lwt %。
[0014] 半導體器件部分可以包括發光器件部分。
[0015] 第一層結構可以包括硅（Si)基板，第二層結構可以包括發光器件部分，發光器件 部分可以包括III- V族半導體。
[0016] 第一層結構可以包括第一基板和在第一基板上的第一半導體器件部分，第二層結 構可以包括第二基板和在第二基板上的第二半導體器件部分。
[0017] 至少一個第三層結構可以接合在第二層結構上。
[0018] 接合結構的晶片剪切強度可以是32MPa或更大。
[0019] 接合結構的再熔化溫度可以是350°C或更高。
[0020] 接合結構層中的金屬間化合物的平均彈性模量可以是124GPa至152GPa。
[0021] 接合結構中的金屬間化合物的平均硬度可以是4. 5GPa至9GPa。
[0022] 根據示例實施方式，制造半導體器件的方法包括：在第一基板結構上形成第一金 屬層，第一金屬層包括第一鎳（Ni)層和第一錫（Sn)層；在第二基板結構上形成第二金屬 層，第二金屬層包括第二Ni層；在第一金屬層與第二金屬層之間形成蓋層，蓋層包括銀 (Ag);以及形成接合結構，形成接合結構包括：將形成在第一基板結構上的第一金屬層接 合至形成在第二基板結構上的第二金屬層；以及通過第一金屬層和第二金屬層與蓋層之間 的反應而在第一金屬層與第二金屬層之間形成中間層，中間層包括金屬間化合物。
[0023] 形成第二金屬層可以還包括在第二Ni層上形成第二Sn層。
[0024] 形成蓋層可以包括在第一金屬層上形成第一 Ag層以及在第二金屬層上形成第二 Ag層。
[0025] 第一 Ag層可以形成為接觸第一 Sn層，第二Ag層可以形成為接觸第二Ni層。
[0026] 第二金屬層可以包括接觸第二Ag層的第二Sn層。
[0027] 接合結構可以包括Ag3Sn、Ni3SnJP Ni。
[0028] 形成接合結構可以包括形成包含Ag3Sn和Ni3Sn^中間層、在中間層與第一基板 結構之間形成第一剩余Ni層、以及在中間層與第二基板結構之間形成第二剩余Ni層。
[0029] 接合結構可以還包括Ni3Sn。
[0030] 形成接合結構可以在300°C或更低的溫度下執行。
[0031] 形成接合結構可以通過利用0. 5MPa或更小的壓力而執行。
[0032] 該方法可以還包括在第一基板結構和第二基板結構的至少一個中形成半導體器 件部分。
[0033] 形成半導體器件部分可以包括形成至少一個發光器件部分。
[0034] 第一金屬層和第二金屬層之一可以形成在娃（Si)基板上，第一金屬層和第二金 屬層的另一個可以形成在從GaN基板、SiC基板、GaAs基板和藍寶石基板中選擇的一個上。
[0035] 第一金屬層和第二金屬層的每個可以形成在晶片級基板上。
[0036] 該方法可以還包括：通過基于芯片單元分割堆疊結構而形成多個半導體芯片，該 堆疊結構包括第一基板結構和第二基板結構以及位于其間的接合結構；以及將多個半導體 芯片的至少一個安裝在基底基板上。
[0037] 該方法可以還包括：通過去除至少一部分第一基板結構而改變堆疊結構，該堆疊 結構包括第一基板結構和第二基板結構以及位于其間的接合結構；通過基于芯片單元分割 改變的堆疊結構而形成多個半導體芯片；以及將多個半導體芯片的至少一個安裝在基底基 板上。
[0038] 根據示例實施方式，半導體芯片包括在第一層結構與第二層結構之間的接合層， 該接合層包括銀-錫（Ag-Sn)化合物和鎳-錫（Ni-Sn)化合物。
[0039] Ag-Sn化合物可以包括Ag3Sn，Ni-Sn化合物可以包括Ni3Sn4。
[0040] 接合層可以包括包含Ag3Sn和Ni3Sn』^中間層、在中間層與第一層結構之間的第 一層、以及在中間層與第二層結構之間的第二層，第一層包括純Ni，第二層包括純Ni。
[0041] Ni-Sn化合物可以還包括Ni3Sn。
[0042] 接合層中的Ag含量可以為大約0· 5wt%至大約23. lwt%。
【附圖說明】
[0043] 通過下文結合附圖對實施方式的描述，這些和/或其它方面將變得更加明顯且更 易于理解，附圖中：
[0044] 圖1是根據示例實施方式的半導體器件的截面圖；
[0045] 圖2是根據示例實施方式的半導體器件的截面圖；
[0046] 圖3是根據示例實施方式的半導體器件的截面圖；
[0047] 圖4是根據示例實施方式的半導體器件的截面圖；
[0048] 圖5是根據示例實施方式的半導體器件的截面圖；
[0049] 圖6是根據示例實施方式的半導體器件的截面圖；
[0050] 圖7是可以應用于根據示例實施方式的半導體器件的半導體芯片的截面圖；
[0051] 圖8A至8C是示出根據示例實施方式的半導體器件的制造方法的截面圖；
[0052] 圖9A至9C是示出根據示例實施方式的半導體器件的制造方法的截面圖；
[0053] 圖10是用于說明根據示例實施方式的半導體器件的制造方法的截面圖；
[0054] 圖11是示出可以用于根據示例實施方式的半導體器件的制造方法中的接合工藝 的條件的圖形；
[0055] 圖12是示出可以用于根據示例實施方式的半導體器件的制造方法中的接合工藝 的條件的圖形；
[0056] 圖13A至13D是示出根據示例實施方式的半導體器件的制造方法的截面圖；
[0057] 圖14A至14C是示出根據示例實施方式的半導體器件的制造方法的截面圖；
[0058] 圖15是示出根據比較示例的接合結構的橫截面的聚焦離子束掃描電子顯微鏡 (FIB-SEM)圖像；
[0059] 圖16是示出根據示例實施方式的接合結構的橫截面的FIB-SEM圖像；
[0060] 圖17是示出在根據示例實施方式的接合結構的制造方法中，接合結構的組成元 素的相對比率（relative ratio)根據銀（Ag)蓋層的厚度的圖形；
[0061] 圖18是示出接合結構的機械接合強度（即，晶片剪切強度（die shear strength) 隨著根據示例實施方式的接合結構的制造中使用的Ag蓋層的厚度的變化的圖形；
[0062] 圖19是示出接合結構的機械接合強度隨著根據示例實施方式的接合結構的制造 中使用的Ag蓋層的厚度的變化的圖形；
[0063] 圖20是示出根據示例實施方式的接合結構的橫截面的FIB-SEM圖像，其中指示了 用于物理性質評價的三個測量位置；以及
[0064] 圖21至23是示出對于圖20中指示的三個測量位置的物理性質評價結果的圖形。
【具體實施方式】
[0065] 現在將參考附圖更充分地描述各種示例實施方式，在附圖中示出了示例實施方 式。
[0066] 將理解，當一元件被稱為"連接到"或"聯接到"另一元件時，它可以直接連接到或 聯接到另一元件，或者可以存在居間元件。相反，當一元件被稱為"直接連接到"或者"直接 聯接到"另一元件時，沒有居間元件存在。如在此所用的，術語"和/或"包括一個或多個相 關所列項目的任何及所有組合。
[0067] 將理解，盡管術語"第一"、"第二"等在這里可以用于描述各種元件、組件、區域、層 和/或部分，但是這些元件、組件、區域、層和/或部分不應該被這些術語限制。這些術語僅 用于區分一個元件、組件、區域、層或部分與另一元件、組件、區域、層或部分。因此，在下面 討論的第一元件、組件、區域、層或部分可以被稱為第二元件、組件、區域、層或部分而不背 離示例實施方式的教導。
[0068] 為了便于描述，空間相對術語，諸如"在...之下"、"在...下面"、"下"、"上面"、 "上"等等，在這里可以用于描述一個元件或特征與其他（諸）元件或特征如附圖所示的關 系。將理解，空間關系術語旨在包括除圖中所示的取向之外器件在使用或操作中的不同的 取向。例如，如果在附圖中的器件被翻轉，被描述為"在"其他元件或特征"下面"或"之下" 的元件將取向為在其他元件或特征"之上"。因此，示范性術語"在...下面"可以包括之上 和之下兩個取向。器件可以被不同地定位（旋轉90度或在其他的取向），相應地解釋這里 使用的空間關系描述符。
[0069] 在此使用的術語僅僅是為了描述特定實施方式的目的，而非旨在限制示例實施方 式。如在此所用的，單數