專利名稱：近乎無襯底的復合功率半導體器件及其方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及半導體器件結(jié)構領域。更確切地說，本發(fā)明是涉及制備功率半導體器件(例如功率金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)) 的近乎無襯底芯片的器件結(jié)構和制備方法。
背景技術：
帶有降低的襯底厚度(厚度小于10密耳)的薄芯片的功率半導體器件，因其具有在保持小體積的同時，降低體型器件電阻、減少體型器件熱阻等優(yōu)勢，因此半導體產(chǎn)業(yè)中迫切需要制備這種功率半導體器件。以下是一些利用原有技術制備薄半導體晶圓的簡介。其特點是，半導體器件形成在一個具有重摻雜厚襯底的晶圓上，一個較薄的外延層形成在它上面。半導體器件的有源元件形成在外延層中的晶圓頂面附近。在半導體器件中處理厚襯底的同時，厚襯底還能為晶圓提供穩(wěn)定性和機械支持。然而，尤其是對于垂直功率器件而言，即使當襯底是重摻雜時，襯底也增加了器件的電阻。因此，當處理完晶圓前端時，襯底的背面通常被磨成薄襯底。但是，當晶圓較薄時，尤其是厚度小于50微米時，晶圓會變得更加易碎，而且難以處理。在第一個原有技術示例中，提出了一種用于制備薄芯片的研磨前的切割 (DicingBefore Grinding，簡稱DBG)系統(tǒng)。第一步，用切割刀切割半導體晶圓的前端，切割到一個定義將來的獨立芯片的淺部分切割深度。接下來，帶-1壓輥到切割后的晶圓正面。 然后，將半導體晶圓上下顛倒過來，利用研磨頭使其背部磨平，直到獨立芯片分離出來，卻仍然保留在帶-1上。然后，將帶-2壓輥到切割后的晶圓背面。將半導體晶圓再次翻轉(zhuǎn)，使它的正面露出來，然后剝?nèi)?1，而獨立芯片此時保留在了帶-2上。將分離后卻帶有帶子的芯片傳送到晶圓正面的堆垛機上，用于拾取并封裝獨立芯片。DBG工藝除了非常復雜并且含有兩個傳送帶之外，還不允許在晶圓背部研磨之后，進行背部處理。第二個原有技術示例包括利用晶圓支持系統(tǒng)(Wafer Support System，簡稱WSS)， 制備20微米以下的薄芯片。第一步，利用紫外光固化液體粘合劑，在一個光至熱能轉(zhuǎn)換 (Light to heat conversion，簡稱LTHC)釋放裝置和支撐玻璃上方，背面朝上安裝半導體晶圓。LTHC釋放裝置涂敷在支撐玻璃上。然后將晶圓背面用砂輪研磨至所需厚度。當減薄晶圓仍然附著在裝置上時，可以進行背面半導體晶圓處理。然后，將裝置反轉(zhuǎn)，其背面粘合到切割框上的切割帶上。接下來，通過支撐玻璃進行集中的激光輻照，將LTHC釋放裝置從紫外光固化液體粘合劑和支撐玻璃上分開。從而在后續(xù)工藝中，除去支撐玻璃，并剝?nèi)プ贤夤夤袒后w粘合劑，使已經(jīng)減薄后的晶圓裸露出來，用于接下來的處理過程。盡管，晶圓減薄后允許背面半導體晶圓處理很有優(yōu)勢，但是，來自LTHC釋放裝置以及紫外光固化液體粘合劑的電勢進程內(nèi)的逸出值所帶來的該過程的復雜性仍令人擔憂。而且，相關的專用處理裝置相當昂貴。圖1表示于2008年8月觀日公開的Tao Feng等人發(fā)明的題為“超薄晶圓背面處理的方法及裝置”美國專利申請?zhí)枮?0080207094的專利中的俯視圖。裝置100用于處理
5超薄晶圓140的背面145。裝置100含有普通環(huán)形結(jié)構的外環(huán)110，外環(huán)110是由金屬或半導體等任一種剛性材料制成的。外環(huán)110可以具有任一種結(jié)構，但最好是具有一個矩形橫截面，以便使用帶有夾具的裝置。設計外環(huán)110的尺寸，使其可以容納晶圓140。在一個典型實施例中，外環(huán)110的外徑為8英寸，以容納一個6英寸的晶圓。裝置100還含有一個高溫研磨和/或切割帶120，固定或粘合在底面上的外環(huán)110周圍。外環(huán)110可用于為高溫帶 120提供鎖緊機構和剛性支撐。出于這個目的，外環(huán)110也可以形成在其他結(jié)構中，并與其他結(jié)構集成。帶120含有一個背部研磨和/或切割帶，可以抵抗與金屬化等晶圓背面處理有關的熱度。在實際應用中，超薄晶圓或切割晶圓粘合在外環(huán)110內(nèi)的高溫帶120上，用于晶圓背面處理。當晶圓在支撐結(jié)構中時，晶圓背面處理包括離子植入、退火、刻蝕、濺射和蒸發(fā)。盡管，晶圓減薄后允許背面半導體晶圓處理很有優(yōu)勢，但是當晶圓背面減薄至一個非常薄的水平時，例如厚度小于2密耳時，半導體材料會變得非常易損，從而很難處理晶圓。因此，制備工藝的產(chǎn)量也會受到影響。圖2A和2B分別表示于2000年12月19日授權的題為“自支撐式超薄硅晶圓工藝”美國專利6162702的仰視圖和剖面圖。美國專利6162702提出了一個具有超薄中心部分2的硅晶圓1，較厚的硅的圓周邊3支撐著中心部分2。根據(jù)傳統(tǒng)方法，利用傳統(tǒng)的移除裝置，減薄中心區(qū)域。作為一個可選方法，可以利用光致抗蝕劑掩膜或光致抗蝕劑掩膜、硬掩膜和刻蝕的組合，除去中心部分。與上述原有技術一樣，美國專利6162702也面臨難以處理晶圓的問題，當晶圓減薄至一個非常低的水平時，例如厚度小于2密耳時，半導體材料會變得非常易損。另一缺點在于，必須根據(jù)與圓周邊緣特殊結(jié)構，修改標準的晶圓處理設備。 簡而言之，通過減薄后晶圓的處理過程，在避免超薄晶圓的處理難題，以及利用非標準的晶圓處理設備的同時，制備超薄功率半導體芯片，仍然具有挑戰(zhàn)性。本申請與以下專利申請案有關于2007年3月30日存檔的Tao !^ng等人發(fā)明的題為“制備功率器件的超薄芯片的方法”申請?zhí)枮?1/694888的專利。特此引用上述專利內(nèi)容，作為用于任何及所有目的的參考。

發(fā)明內(nèi)容
提出了一種近乎無襯底(或稱作近似無襯底)的復合功率半導體器件(VSLCPSD)。 該近乎無襯底的復合功率半導體器件具有一個三明治結(jié)構(或稱作三層復合結(jié)構)包括一個由半導體器件材料制成的功率半導體器件(PSD)，一個由載體材料制成的前端面器件載體(FDC)，以及一個中介粘合層 (IBL)。載體材料可以是導電的或不導電的。與之類似，中介粘合層也可以由絕緣材料或?qū)щ姴牧现瞥?。功率半導體器件具有一個背面襯底部分以及一個正面半導體器件部分，正面半導體器件部分帶有帶圖案的前端面器件金屬墊。此外，功率半導體器件具有襯底近乎消失的減少的器件厚度Tpsd，該厚度可以與正面半導體器件部分的厚度相比擬。前端面器件載體具有連接前端面器件金屬墊的帶圖案的后端面載體金屬，還具有帶圖案的前端面金屬墊以及多個穿過載體的導電通孔，多個導電通孔分別將后端面載體金屬連接到前端面載體金屬墊上。很重要的一點是，前端面器件載體的厚度Tfd。足夠大，能夠為近乎無襯底的復合功率半導體器件提供充足的結(jié)構剛性。另一方面，減少的器件厚度Tpsd 會引起很低的背部襯底電阻，并且穿過載體的導電通孔會對前端面器件金屬墊，產(chǎn)生很低的前端面接觸電阻。在一個較典型的實施例中，每個穿過載體的導電通孔都是由一個導電核心加上一個包圍著導電核心的絕緣套管制成的，絕緣套管將穿過載體的導電通孔相互分隔開。導電核心可以以導電層的形式植入，導電層通過絕緣套管，布滿穿過載體的導電通孔的側(cè)壁。作為一個重要的實施例，配置多個將后端面載體金屬連接到單獨的前端面載體金屬墊上的穿過載體的導電通孔，相互并聯(lián)，因此所有這樣連接的后端面載體金屬都接觸到一個單獨的前端面器件金屬墊上，從而降低了對前端面器件金屬墊的前端面接觸電阻。在一個較詳細的實施例中，后端面載體金屬是由穿過載體的導電通孔通過中介粘合層的延伸部分構成的。在一個較佳實施例中，所選的載體材料與半導體器件材料相同。在一個關于材料的典型實施例中，半導體器件材料為硅，中介粘合層是由氧化硅或聚合物材料制成的，聚合物材料為BCB (苯并環(huán)丁烯)或聚酰亞胺，并且所有的前端面載體金屬墊、后端面載體金屬以及導電核心都是由銅制成的，絕緣套管是由氧化物套管制成的。在一個關于幾何形狀的典型實施例中，前端面器件載體的厚度約為100微米至40 微米，中介粘合層的厚度約為5微米至30微米，功率半導體器件的厚度約為5微米至50微米。一種制備所提出的近乎無襯底的復合功率半導體器件的方法如下利用傳統(tǒng)的半導體晶圓工藝，在一個厚度Tibs > Tpsd的臨時背部襯底(Interim backsubstrate,簡稱IBS)上，制備功率半導體器件，臨時背部襯底的厚度Tibs足夠大，以便與傳統(tǒng)的半導體晶圓工藝兼容。作為示例，Tibs可以從500微米至800微米之間選擇。制備厚度Tftc足夠大的前端面器件載體，以便為近乎無襯底的復合功率半導體器件提供充足的結(jié)構剛性。作為示例，Tfd?？梢栽?00微米至400微米之間選擇。制備中介粘合層，并將前端面器件載體連接到帶有中介粘合層的功率半導體器件上，從而構成一個三明治式的前端面器件載體、中介粘合層和功率半導體器件。在前端面器件載體上，制備多個前端面載體金屬墊和多個穿過載體的導電通孔， 它們分別將前端面載體金屬墊連接到前端面器件金屬墊上。將臨時背部襯底從Tibs減薄至Tpsd，然后在它上面形成背部金屬化。在一個較詳細的實施例中，制備前端面載體金屬墊和穿過載體的導電通孔的過程如下掩膜前端面器件載體的頂面，然后通過前端面器件載體的主體，各向異性地刻蝕出多個通孔溝槽。在通孔溝槽的所有表面上方，沉積絕緣材料，以構成包圍載體材料的絕緣套管。各向異性地連續(xù)刻蝕出絕緣材料和中介粘合層材料。用金屬同時填充通孔溝槽并形成前端面載體金屬墊。在一個較詳細的實施例中，用金屬同時填充通孔溝槽并形成前端面載體金屬墊的過程如下
7
在前端面器件載體所有的裸露表面上方沉積一個種子層。 在種子層上方電鍍厚金屬，直到厚金屬同時填充通孔溝槽并形成前端面載體金屬
層。作為示例，厚金屬為銅，種子層由鈦或銅制成。將前端面載體金屬層形成前端面載體金屬墊的圖案。對于本領域的技術人員，閱讀本說明的以下內(nèi)容后，本發(fā)明的這些方面及其多個實施例將顯而易見。


為了更加完整地說明本發(fā)明的各種實施例，可參照附圖。但是，這些附圖僅用作解釋說明，并不作為本發(fā)明范圍的局限。圖1表示美國專利號為20080207094所提出的用于超薄晶圓背部處理的方法和裝置；圖2A和2B表示美國專利號為6162702由Morcom等人所提出的自支撐式超薄硅晶圓工藝；圖3表示本發(fā)明的一個實施例，近乎無襯底的復合功率半導體器件近乎無襯底的復合功率半導體器件的剖面圖；圖4表示本發(fā)明的一個可選實施例，近乎無襯底的復合功率半導體器件近乎無襯底的復合功率半導體器件的部分切除的剖面圖；圖5表示表示本發(fā)明的另一個可選實施例，近乎無襯底的復合功率半導體器件近乎無襯底的復合功率半導體器件的剖面圖；圖6A至圖6L表示用于制備圖3所示的本發(fā)明的近乎無襯底的復合功率半導體器件的詳細工藝流程；以及圖7A至圖7C表示用于制備圖3所示的本發(fā)明的近乎無襯底的復合功率半導體器件的一種可選工藝流程。
具體實施例方式本文所含的上述及以下說明和附圖僅用于說明本發(fā)明的一個或多個現(xiàn)有的較佳實施例，以及一些典型的可選件和/或可選實施例。說明及附圖用于解釋說明，就其本身而言，并不局限本發(fā)明。因此，本領域的技術人員將輕松掌握各種改動、變化和修正。這些改動、變化和修正也應認為屬于本發(fā)明的范圍。圖3表示本發(fā)明的一個實施例，近乎無襯底的復合功率半導體器件 (Virtuallysubstrate-less composite power semiconductor device,簡禾爾 VSLCPSD)1 的剖面圖。近乎無襯底的復合功率半導體器件1具有一個三明治結(jié)構(Sandwich structure)，包括一個功率半導體器件(Power semiconductor device，簡稱 PSD) 20、一個前端面器件載體(Front-face device carrier，簡稱FDC)40，以及一個中介粘合層 (Intervening bondinglayer，簡稱IBL) 60，中介粘合層60的厚度為ΤΙΒ ，由中介粘合材料 60a構成。在一個典型實施例中，Tm約為5微米至30微米。功率半導體器件20由半導體器件材料20a和20b構成，帶有背部金屬25。例如，半導體器件材料20b可以是一種重摻雜的半導體襯底，半導體器件材料20a可以是一個形成在襯底上方的外延層。前端面器件載體40由載體材料40a構成，載體材料40a可以是導電的或不導電的，并且具有多個帶圖案的前端面載體金屬墊42a、42b。與之類似，中介粘合材料60a也可以是絕緣的或?qū)щ姷牟牧?。在一個較佳實施例中，所選的載體材料40a與半導體器件材料20a相同，以便簡化近乎無襯底的復合功率半導體器件1的制備過程，并且降低由于熱膨脹的微分系數(shù)產(chǎn)生的內(nèi)部器件應力。功率半導體器件20具有一個帶有半導體材料20b和背部金屬25的背面襯底部分21，以及一個帶有頂部鈍化對和帶圖案的前端面器件金屬墊23a、2!3b以及半導體器件材料20a的正面半導體器件部分22。例如，帶圖案的前端面器件金屬墊23a可以是一種源極金屬墊，而前端面器件金屬墊2 卻可以是一種柵極金屬墊。此外，功率半導體器件20具有襯底近乎消失的減少的器件厚度Tpsd (即功率半導體器件20包含的襯底在厚度上減少并近乎消失，以致功率半導體器件20最終具有器件厚度TPSD，該器件厚度Tpsd是功率半導體器件20原本的厚度經(jīng)減少后所獲得的厚度)，該厚度可以與正面半導體器件部分22的厚度相比擬。例如，正面半導體器件部分22的厚度通常在幾微米的范圍內(nèi)，而Tpsd卻可以從5微米至50微米。前端面器件載體40具有帶圖案的后端面載體金屬41a、41b、41C、41d、41e、 41f、41g，連接前端面器件金屬墊23a、23b、帶圖案的前端面金屬墊42a、42b以及多個穿過載體的導電通孔43a-43f，并且穿過載體的導電通孔43a-43f和4 分別將后端面載體金屬 41a-41f以及后端面載體金屬41g連接到前端面載體金屬墊4 和42b上。后端面載體金屬41a-41g分別是由穿過載體的導電通孔43a-4;3g通過中介粘合層60的延伸部分構成的。 例如，穿過載體的導電通孔43a-43f，相互并聯(lián)，從而配置多個將后端面載體金屬41a-41f 連接到一個單獨帶圖案的前端面載體金屬墊23a上。在本實施例中，每個穿過載體的導電通孔都是由一個實心導電核心加上一個包圍著實心導電核心的絕緣套管制成的，絕緣套管將穿過載體的導電通孔相互分隔開。例如，穿過載體的導電通孔43a是由一個實心導電核心4 加上一個絕緣套管4 制成的，穿過載體的導電通孔4 是由一個實心導電核心44b 加上一個絕緣套管4 制成的，……，穿過載體的導電通孔43g是由一個實心導電核心44g 加上一個絕緣套管45g制成的。有必要指出，鑒于功率半導體器件20的襯底近乎消失的減少的器件的厚度Tpsd，前端面器件載體40的厚度Tfd。應足夠大，以便為近乎無襯底的復合功率半導體器件1提供充足的結(jié)構剛性，用于在制備過程中的處理，這在下文中還將詳細介紹。例如，Tfdc可以從100微米至400微米之間選擇。至此，本領域的技術人員應理解，本發(fā)明所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件1能為功率半導體器件20的性能提供以下有利條件減少的器件厚度Tpsd產(chǎn)生很低的背部襯底電阻(包括電阻和熱阻)。并聯(lián)的穿過載體的導電通孔43a-43f以及穿過載體的導電通孔43g，會對前端面器件金屬墊23a、2!3b產(chǎn)生很低的前端面接觸電阻，同時使前端面器件載體40為結(jié)構近乎無襯底的復合功率半導體器件1提供機械支持。在一個關于材料選擇的典型實施例中，半導體器件材料20a和20b為硅，中介粘合層60由氧化硅或BCB (苯并環(huán)丁烯)或聚酰亞胺等復合材料制成。前端面載體金屬墊 42a、42b、后端面載體金屬41a-41g以及實心導電核心44a_44g都是由銅制成的，絕緣套管 45a-45g是由氧化硅制成的。在一個實施例中，如果前端面器件載體40的載體材料40a已經(jīng)是由絕緣材料制成的話，則絕緣套管45a-45g就不是必須的了。為了簡便，圖4表示本發(fā)明所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件Ia的一個可選實施例的部分切除的剖面圖。近乎無襯底的復合功率半導體器件Ia中除了穿過載體的導電通孔在結(jié)構上略有變化之外，其他都與近乎無襯底的復合功率半導體器件1相同。近乎無襯底的復合功率半導體器件Ia的穿過載體的導電通孔43a、4!3b分別是由空心殼體導電核心46a、46b加上絕緣套管45a、^b構成的，而不是實心導電線芯。因此，殼體導電核心 46a是一個穿過絕緣套管45a，布滿穿過載體的導電通孔43a等側(cè)壁的導電層。在空心殼體導電核心46a、46b的中心處，留有空間47。然而，殼體導電核心的電阻大于同種材料制成的實心導電核心的電阻，這是因為，只要殼體導電核心的電阻仍然比功率半導體器件20的器件內(nèi)部電阻小得多，對于前端面器件金屬墊23a、23b的前端面接觸電阻就會仍保持在較低水平。在這種情況下，殼體導電核心有利于減少材料損耗，降低內(nèi)置的材料應力，并且比其他的實心導電核心更加容易制備。圖5表示本發(fā)明所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件Ib的另一個可選實施例的剖面圖。近乎無襯底的復合功率半導體器件Ib除了中介粘合層60含有在前端面器件金屬墊23a、2!3b上方的導電材料60b (例如銅)之外，其他都與近乎無襯底的復合功率半導體器件1相同。在本實施例中，帶圖案的后端面載體金屬41a、41b、41C、41d、41e、41f、41g， 都通過導電中介粘合層60，接觸前端面器件金屬墊23a、23b。導電材料60b也可以是一種焊錫等導電粘合材料或低共熔的粘合合金，或者僅僅是銅與銅粘合劑的直接接觸面。圖6A至圖6L表示用于制備圖3所示的本發(fā)明所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件的詳細工藝流程圖。在圖6A中，利用傳統(tǒng)的半導體晶圓工藝，將兩個被分界線A-A 分隔開的功率半導體器件晶片，制備在一個厚度Tibs > Tpsd的半導體襯底121上。Tibs應足夠大，以便于傳統(tǒng)的半導體晶圓工藝兼容。作為示例，Tibs可以約為500微米至800微米，能夠承受與傳統(tǒng)半導體晶圓工藝有關的應力。分界線A-A左側(cè)的功率半導體器件，具有一個正面半導體器件部分122，依次包括半導體層120a、前端面器件金屬墊123a、123b以及頂部鈍化124。正面半導體器件部分122的其他細節(jié)部分，例如源極和柵極區(qū)等等，在該領域已經(jīng)為人所熟知，特此略去，以免產(chǎn)生混淆。但是，應注意的是，半導體器件的有源部分形成在器件的頂面附近，也就是說，主要是在半導體層120a的頂面附近。與之類似，分界線A-A右側(cè)的功率半導體器件，具有一個正面半導體器件部分22，依次包括前端面器件金屬墊23a、 23b、頂部鈍化對以及半導體層20a。正如下文將要介紹的那樣，在制備過程的最后階段， 這兩個功率半導體器件單元將在單獨的近乎無襯底的復合功率半導體器件中，被相互分隔開。因此，本發(fā)明既可以應用于單獨制備近乎無襯底的復合功率半導體器件，也可應用于批量制備近乎無襯底的復合功率半導體器件。在圖6B中，所提供的前端面器件載體40帶有載體前端面氧化物151、載體后端面氧化物152，并且厚度Tfd。足夠大，以便為近乎無襯底的復合功率半導體器件1提供充足的結(jié)構剛性(Structural rigidity)。如上所述，Tfd。可以從100微米至400微米之間選擇。在圖6C中，前端面器件載體40通過一個單獨提供的中介粘合層60，粘合到功率半導體器件晶片(包括所制備的正面半導體器件部分122/22)的前端，從而構成一個三明治式的前端面器件載體、中介粘合層和功率半導體器件。作為示例，中介粘合層60可以由形成在功率半導體器件21前端的BCB等聚合材料制成，并且前端面器件載體40的后端面氧化物152可以連接到中介粘合層60的上方。還可選擇，在將兩部分中介粘合層60合并之前，一部分中介粘合層60形成在功率半導體器件21的前端上方，一部分形成在后端面氧化物152上。圖6D至圖61表示下一步的工藝流程，其中制備在前端面器件載體40上的多個前端面載體金屬墊(左功率半導體器件單元14加、142b，右功率半導體器件單元42a、42b) 以及多個穿過載體的導電通孔(左功率半導體器件單元143a-143g，右功率半導體器件單元43a-43g)分別將前端面載體金屬墊連接到前端面器件金屬墊(左功率半導體器件單元123a、12;3b，右功率半導體器件單元23a、23b)上。由于左功率半導體器件單元和右功率半導體器件單元的結(jié)構和工藝都相同，因此為了簡便，下文的工藝流程將僅以右功率半導體器件單元為例加以說明。在圖6D中，前端面器件載體40的頂面覆蓋有一個帶圖案的光致抗蝕劑70，然后各向異性地刻蝕出帶圖案的載體前端面氧化物151，在載體材料40a處終止，從而在氧化物 151外面形成一個硬掩膜。然后剝?nèi)ス庵驴刮g劑70。在圖6E中，各向異性地刻蝕出大部分的前端面器件載體載體材料40a，通過帶圖案的載體前端面氧化物151，在載體后端面氧化物152處終止，從而制成多個通孔溝槽72a-72g。在圖6F中，在通孔溝槽72a_72g的所有表面上方，沉積一種氧化硅或聚合材料等絕緣材料，以形成包圍載體材料40a的絕緣套管74a-74g。在圖6G中，各向異性地連續(xù)刻蝕出絕緣套管74a-74g以及中介粘合材料60a，例如通過等離子刻蝕，在前端面器件金屬墊23a、2!3b處終止，從而形成各向異性刻蝕的套管76a_76g。在各向異性的刻蝕絕緣套管 74a-74g時，僅僅刻蝕掉套管的底部，而保留在載體材料40a的側(cè)壁上的絕緣材料。制備中介粘合層60的材料，相比于載體前端面電介質(zhì)151和絕緣套管76a-76g而言，該材料可以優(yōu)先刻蝕，這作為示例，不作為局限。圖6H至圖61表示下一步的工藝流程，其中用金屬填充通孔溝槽72a_72g，并形成帶圖案的前端面載體金屬墊42a、42b。在圖6H中，在前端面器件載體40的所有裸露表面上方，沉積一個種子層(圖中沒有表示出)。然后，在種子層上方電鍍厚金屬78，直到電鍍的厚金屬78同時填滿了通孔溝槽72a-72g，并形成一個前端面載體金屬層80。作為示例，厚金屬為銅，種子層由鈦和銅制成。還可選擇，利用化學機械拋光(CMP)使電鍍的厚金屬78的頂面平整，并利用制備中的半導體器件退火，消除其內(nèi)部應力。在圖61中，利用光致抗蝕劑 (圖中沒有表示出)，在前端面載體金屬墊42a、42b中，形成前端面載體金屬層80的圖案。 至此，多個穿過載體的導電通孔43a-43g就完成了。在圖6J中，利用機械研磨、化學刻蝕或CMP等不同的方法，向下減薄半導體襯底 121的底部，使功率半導體器件20達到所需的厚度TPSD。例如，該方法可使功率半導體器件 20中的半導體材料研磨至小于50微米，而且由于前端面器件載體40的結(jié)構支持，不會變得過于易碎。盡管保留一小部分重摻雜的襯底121，有利于與背部金屬形成良好的電接觸，但是在極端的情況下，半導體襯底121甚至可以被完全磨去，僅保留半導體層20a。作為一種規(guī)避該問題的可選方法，在形成背部金屬之前，半導體層的研磨底部，可以摻雜很高的摻雜濃度。在圖6K中，背部金屬25形成在制備中的半導體器件的底部。在圖6L中，在近乎無襯底的復合功率半導體器件1和近乎無襯底的復合功率半導體器件100中，例如通過切割工藝，制備中的器件最終沿分界線A-A分隔開。如上所述，以下事實所制備的前端面器件載體40的厚度TFD。足夠大，能夠為近乎無襯底的復合功率半
11導體器件1提供充足的結(jié)構剛性，用于在其制備過程中的處理。當功率半導體器件20向下減薄至所需厚度Tpsd時，有利于輕松、穩(wěn)定地進行制備。 盡管Tftc足夠大，但是含有多個并聯(lián)的穿過載體的導電通孔43a-43f以及穿過載體的導電通孔43g，仍然會對前端面器件金屬墊23a、2!3b產(chǎn)生很低的前端面接觸電阻，就像前端面器件載體40的變得更薄一樣。至此，本領域的技術人員還應明確，根據(jù)上述制備本發(fā)明近乎無襯底的復合功率半導體器件的工藝流程，標準的晶圓處理設備可以有效地應用于整個過程。盡管上述說明含有多種特殊性，但是不應據(jù)此認為這些特殊性是對本發(fā)明范圍的限定，而應僅僅作為本發(fā)明的多個現(xiàn)有的較佳實施例的說明。例如，除了 MOSFET(Metal-C) xide-Semiconductor Field-Effect Transistor)以以外，本發(fā)明還可應用于垂直功率半導體器件(Vertical power semiconductor devices，簡稱 VPSD)，一般而言，就是器件電流主要流經(jīng)其前端面和背部襯底之間，例如絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor，簡稱IGBT)。又例如，當功率半導體器件20向下減薄至所需厚度后，由于可以進行輕松、穩(wěn)定地制備，因此，最初可使用一個單獨的輕摻雜襯底層20a'，代替帶有半導體襯底121的頂部半導體材料20a，其厚度1\6#如圖7A所示(否則，該厚度與圖61相同)。接下來，如圖7B所示，減薄單獨的輕摻雜襯底20a'，在單獨的輕摻雜襯底20a'的底部植入， 以形成一個重摻雜的表面層20b'，如圖7C所示，用于接觸背部金屬25。通過說明和附圖，給出了關于典型結(jié)構的各種典型實施例。對于本領域的技術人員應顯而易見，本發(fā)明可以用于各種其他特殊形式，上述各種實施例經(jīng)過輕松修改，就可以適合于其他具體應用。本專利文件旨在說明，本發(fā)明的范圍不應局限于上述說明中的典型實施例，而應由以下的權利要求書來界定。任何和所有來自于權利要求書中內(nèi)容或同等范圍中的修正，都將被認為屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種近乎無襯底的復合功率半導體器件(VSLCPSD)，其特征在于，包括一個三明治結(jié)構包括一個由半導體器件材料制成的功率半導體器件(PSD)，一個由載體材料制成的前端面器件載體(FDC)，以及一個中介粘合層(IBL)；所述的功率半導體器件具有一個背面襯底部分以及一個正面半導體器件部分，正面半導體器件部分帶有帶圖案的前端面器件金屬墊，所述的功率半導體器件還具有襯底近乎消失的減少的器件厚度TPSD，該厚度可以與正面半導體器件部分的厚度相比擬；以及所述的前端面器件載體具有帶圖案的后端面載體金屬，連接前端面器件金屬墊、帶圖案的前端面金屬墊以及多個穿過載體的導電通孔，它們分別將后端面載體金屬連接到前端面載體金屬墊上，前端面器件載體還具有一個足夠大的厚度Tfdc ；其中前端面器件載體為近乎無襯底的復合功率半導體器件提供充足的結(jié)構剛性，減少的器件厚度Tpsd引起背部襯底電阻近乎消失，并且穿過載體的導電通孔與前端面器件金屬墊具有很低的前端面接觸電阻。
2.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，中介粘合層可以由絕緣材料或?qū)щ姴牧现瞥伞?br> 3.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，每個穿過載體的導電通孔都是由一個導電線芯加上一個包圍著導電線芯的絕緣套管制成的，絕緣套管將穿過載體的導電通孔相互分隔開。
4.如權利要求3所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，導電線芯是由布滿穿過載體的導電通孔的側(cè)壁的導電層構成的。
5.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，多個將后端面載體金屬連接到單獨的前端面載體金屬墊上的穿過載體的導電通孔，相互并聯(lián)，因此所有這樣連接的后端面載體金屬都接觸到一個單獨的前端面器件金屬墊上，從而降低了對前端面器件金屬墊的前端面接觸電阻。
6.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，后端面載體金屬是由穿過載體的導電通孔通過中介粘合層的延伸部分構成的。
7.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，載體材料與半導體器件材料相同。
8.如權利要求7所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，半導體器件材料為硅。
9.如權利要求8所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，中介粘合層是由氧化硅或聚合物材料制成的。
10.如權利要求9所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，聚合物材料為苯并環(huán)丁烯(BCB)或聚酰亞胺。
11.如權利要求3所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，所有的前端面載體金屬墊、后端面載體金屬以及導電線芯都是由銅制成的，絕緣套管是由氧化物制成的。
12.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，其中半導體器件材料為硅；前端面器件載體的厚度約為100微米至40微米； 中介粘合層的厚度約為5微米至30微米；并且功率半導體器件的減少的器件厚度約為5微米至50微米。
13.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，其中 半導體器件材料為硅；并且功率半導體器件中半導體材料的厚度小于50微米。
14.如權利要求1所述的近乎無襯底的復合功率半導體器件，其特征在于，功率半導體器件為垂直功率半導體器件(VPSD)。
15.一種制備近乎無襯底的復合功率半導體器件(VSLCPSD)的方法，其特征在于，該近乎無襯底的復合功率半導體器件包括一個具有由半導體器件材料制成的功率半導體器件 (PSD)，一個由載體材料制成的前端面器件載體(FDC)，以及一個中介粘合層(IBL)，其中功率半導體器件具有一個背面襯底部分以及一個正面半導體器件部分，正面半導體器件部分帶有帶圖案的前端面器件金屬墊，并且其中功率半導體器件還具有襯底近乎消失的減少的器件厚度TPSD，該厚度可以與正面半導體器件部分的厚度相比擬，該方法包括利用傳統(tǒng)的半導體晶圓工藝，在一個厚度為Tibs的臨時背部襯底上，制備功率半導體器件，Tibs與傳統(tǒng)的半導體晶圓工藝兼容；制備厚度為Tftc的前端面器件載體，以便為近乎無襯底的復合功率半導體器件提供充足的結(jié)構剛性；制備中介粘合層，并將前端面器件載體連接到帶有中介粘合層的功率半導體器件上， 從而構成一個三明治式的前端面器件載體、中介粘合層和功率半導體器件；在前端面器件載體上，制備多個前端面載體金屬墊和多個穿過載體的導電通孔，它們分別將前端面載體金屬墊連接到前端面器件金屬墊上；并且將臨時背部襯底厚度從Tibs減薄，達到功率半導體器件的厚度Tpsd，然后在它上面形成背部金屬。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，其中Tibs約為500微米至800微米，Tfdc約為100微米至400微米。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，制備前端面載體金屬墊和穿過載體的導電通孔包括掩膜前端面器件載體的頂面，然后通過前端面器件載體的主體，各向異性地刻蝕出多個通孔溝槽；并且用金屬同時填充通孔溝槽并形成前端面載體金屬墊。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在填充通孔溝槽之前，在通孔溝槽的所有表面上方，沉積絕緣材料，以構成包圍載體材料的絕緣套管。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，絕緣材料為半導體氧化物或聚合物材料。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，還包括各向異性地連續(xù)刻蝕出絕緣材料和中介粘合層材料。
21.如權利要求17所述的方法，其特征在于，用金屬同時填充通孔溝槽并形成前端面載體金屬墊還包括在前端面器件載體所有的裸露表面上方沉積一個種子層；在種子層上方電鍍厚金屬，直到厚金屬同時填充通孔溝槽并形成前端面載體金屬層；并且將前端面載體金屬層形成前端面載體金屬墊的圖案。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，厚金屬為銅，種子層由鈦或銅制成。
全文摘要
提出了一種近乎無襯底的復合功率半導體器件(VSLCPSD)及方法。該近乎無襯底的復合功率半導體器件具有一個功率半導體器件(PSD)，一個由載體材料制成的前端面器件載體(FDC)，以及一個中介粘合層(IBL)。載體和中介粘合層的材料都可以是導電的或不導電的。功率半導體器件具有一個背面襯底部分以及一個正面半導體器件部分，正面半導體器件部分帶有帶圖案的前端面器件金屬墊，以及一個襯底近乎消失的減少的器件的厚度TPSD。前端面器件載體具有帶圖案的后端面載體金屬化，連接前端面器件金屬墊、帶圖案的前端面金屬墊以及多個穿過載體的導電通孔，它們分別將后端面載體金屬化連接到前端面載體金屬墊上。前端面器件載體還具有一個足夠大的厚度TFDC，能夠為近乎無襯底的復合功率半導體器件提供充足的結(jié)構剛性。減少的器件厚度TPSD會引起很低的背部襯底電阻，并且穿過載體的導電通孔會對前端面器件金屬墊，產(chǎn)生很低的前端面接觸電阻。
文檔編號H01L23/28GK102208438SQ20111008847
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權日2010年3月30日
發(fā)明者何約瑟, 馮濤 申請人:萬國半導體股份有限公司