本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片與襯底的材料配合的連接。

背景技術(shù)：

通常這種連接借助于焊料、已燒結(jié)的金屬粉末或膠粘劑來建立。然而建立這種公知的材料配合的連接是耗費(fèi)的，因?yàn)楸仨殞⑦B接介質(zhì)、即焊料、金屬粉末或膠粘劑施加到半導(dǎo)體芯片或襯底上。為此，需要多個單個步驟。此外存在下述的危害，連接介質(zhì)污染環(huán)境。不期望地噴濺、散失或脫落的導(dǎo)電連接介質(zhì)可以例如導(dǎo)致待制造的電子組件短路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種簡單的和成本低廉的用于使半導(dǎo)體芯片與襯底材料配合地連接的方法，以及一種用于改善的用于制造電子組件的方法。該目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于使半導(dǎo)體芯片與襯底連接的方法以及通過一種根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于制造電子組件的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的構(gòu)型和擴(kuò)展方案是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。

第一方面涉及半導(dǎo)體芯片與襯底的連接。半導(dǎo)體芯片具有帶下側(cè)的半導(dǎo)體本體，在所述下側(cè)上施加有下部的芯片金屬化層。襯底具有金屬表面。在下部的芯片金屬化層上生成第一接觸金屬化層，并且在襯底的金屬表面上生成第二接觸金屬化層。在壓緊持續(xù)時間內(nèi)這樣將半導(dǎo)體芯片和襯底彼此壓合，以使得第一接觸金屬化層和第二接觸金屬化層直接地并且平面地彼此貼靠。將第一接觸金屬化層在壓緊持續(xù)時間期間持續(xù)地保持在小于第一接觸金屬化層的熔化溫度的溫度上。相應(yīng)地將第二接觸金屬化層在壓緊持續(xù)時間期間持續(xù)地保持在小于第二接觸金屬化層的熔化溫度的溫度上。在彼此壓合之后，第一接觸金屬化層和第二接觸金屬化層具有小于1000nm的總層厚度。

第二方面涉及電子組件的制造。在此，通過根據(jù)第一方面的方法使下述的半導(dǎo)體芯片與襯底的金屬表面連接，所述半導(dǎo)體芯片具有半導(dǎo)體本體，所述半導(dǎo)體具有下側(cè)和上側(cè)，在所述下側(cè)上施加有下部的芯片金屬化層，在所述上側(cè)上施加有上部的芯片金屬化層。此外，將導(dǎo)電的連接元件直接鍵合在上部的芯片金屬化層處。

附圖說明

下面根據(jù)實(shí)施例參考附圖說明本發(fā)明。附圖中的圖示不是按比例的。附圖中：

圖1示出部分完成的電子組件的橫截面。

圖2a至2d示出用于制造一個電子組件的方法的不同的步驟。

圖3a至3d示出用于制造一個另外的電子組件的方法的不同的步驟。

圖4a至4b示出用于在晶片復(fù)合體中的多個半導(dǎo)體芯片中生成第一接觸金屬化層的方法的不同的步驟。

圖5示出半導(dǎo)體芯片和襯底表面的放大圖，所述襯底表面分別相應(yīng)于圖2b和3b設(shè)置有一個接觸金屬化層。

附圖中的圖示不是按比例的。如果沒有他說明，則根據(jù)不同的實(shí)施例所述的特征和/或方法步驟可以彼此組合。

具體實(shí)施方式

圖1示出部分完成的具有半導(dǎo)體芯片1的電子組件的橫截面，所述半導(dǎo)體芯片材料配合地與襯底2的導(dǎo)電的金屬表面2t連接。圖2a示出在建立其材料配合的連接之前所提供的半導(dǎo)體芯片1和所提供的襯底2。

如同在圖2a中所示的那樣，半導(dǎo)體芯片1具有帶上側(cè)10t和下側(cè)10b的半導(dǎo)體本體10。上側(cè)10t和下側(cè)10b形成半導(dǎo)體本體10的彼此相對的側(cè)。在下側(cè)10b上施加一個下部的芯片金屬化層12。此外，可以在上側(cè)10t上可選地施加一個上部的芯片金屬化層11。下部的芯片金屬化層12和上部的芯片金屬化層11(如存在)用于半導(dǎo)體芯片1的外部電接觸。

半導(dǎo)體芯片1可以例如是二極管或可控的半導(dǎo)體開關(guān)例如igbt(insulatedgatebipolartransistor，絕緣柵雙極型晶體管)、mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、晶閘管(例如gto晶閘管；gto＝gateturnoff，柵極關(guān)斷)、結(jié)型場效應(yīng)晶體管(jeft＝j(luò)unctionfieldeffecttransistor)、例如也作為hemt(highelectronmobilitytransistor，高電子遷移率晶體管)。

半導(dǎo)體芯片1能夠可選地構(gòu)造為所謂的垂直的半導(dǎo)體芯片，所述垂直的半導(dǎo)體芯片在其朝向襯底2的側(cè)上材料配合地并且導(dǎo)電地與襯底2的金屬表面2t連接，從而在電子組件工作時負(fù)載電流可以通過半導(dǎo)體芯片1從上部的芯片金屬化層11通過半導(dǎo)體本體10和下部的芯片金屬化層12流到金屬表面2t。

上部的和下部的芯片金屬化層11，12可以根據(jù)元件的類型例如是源極和漏極金屬化層，或者是漏極和源極金屬化層，或者是集電極和發(fā)射極金屬化層，或者是發(fā)射極和集電極金屬化層，或者是陽極和陰極金屬化層，或者是陰極和陽極金屬化層。

襯底2具有至少一個金屬表面2t。如同在本實(shí)例中所示的那樣，襯底2能夠可選地具有一個介電的絕緣載體20，所述絕緣載體構(gòu)造為平面的板，并且所述介電絕緣載體具有上部的主面和與其相對的下部的主面。在絕緣載體20的上部的主面上施加一個上部的襯底金屬化層21，所述上部的襯底金屬化層能夠可選地相對于彼此隔開間距的印制導(dǎo)線和/或?qū)щ娒?11，212結(jié)構(gòu)化。此外，在絕緣載體20的下部的主面上施加一個可選的下部的襯底金屬化層22。下部的襯底金屬化層22是微結(jié)構(gòu)化的，然而替代地其也可以是結(jié)構(gòu)化的。襯底2的導(dǎo)電的金屬表面2t由上部的襯底金屬化層21、在此例如由印制導(dǎo)線和/或?qū)щ娒?11，212形成。

襯底金屬化層21和22與絕緣載體20固定地、平面地并且材料配合地連接。上部的襯底金屬化層21特別是可以在其整個的朝向絕緣載體20的側(cè)上固定地并且材料配合地與絕緣載體20連接。相應(yīng)地，下部的襯底金屬化層22也可以在其整個的朝向絕緣載體20的側(cè)上固定地并且材料配合地與絕緣載體20連接。

絕緣載體20是電絕緣的。所述絕緣載體例如具有陶瓷或者由陶瓷構(gòu)成。適合的陶瓷例如是氮化鋁(aln)、氧化鋁(al2o3)，氮化硅(si3n4)、碳化硅(sic)或氧化鈹(beo)或者其他介電陶瓷。上部的襯底金屬化層21和下部的襯底金屬化層22(如存在)可以例如由銅、銅合金、鋁或鋁合金構(gòu)成或者具有這些金屬中的一種。然而其他包含良好地導(dǎo)電的金屬的合金同樣可以被使用。此外，上部的襯底金屬化層21和下部的襯底金屬化層22(如存在)分別具有兩個或更多的子層，其中每個子層由一種金屬或一種金屬合金構(gòu)成。

根據(jù)一個實(shí)施方案，襯底2可以是dcb襯底(dcb＝directcopperbonded，直接銅鍵合)，其中，上部的襯底金屬化層21和下部的襯底金屬化層22(如存在)被制造，其方式是，預(yù)制成的表面被氧化的銅箔通過dcb過程與例如由氧化鋁構(gòu)成的陶瓷絕緣載體20連接。

為了如同在圖1中的結(jié)果中所示的那樣使半導(dǎo)體芯片1材料配合地并且導(dǎo)電地與襯底2連接，在下部的芯片金屬化層12上、即在其背離半導(dǎo)體本體10的側(cè)上生成第一接觸金屬化層31。此外，在襯底2的金屬表面2t上生成第二接觸金屬化層32。如果襯底2具有介電絕緣載體20，則第二接觸金屬化層32在上部的襯底金屬化層21的背離介電絕緣載體20的側(cè)上被生成。圖2b示出具有第一接觸金屬化層31的半導(dǎo)體芯片1和具有第二接觸金屬化層32的襯底2。

接著如同在圖2c中所示的那樣將半導(dǎo)體芯片1和襯底2這樣按壓和在一起，使得第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32直接地并且平面地彼此貼靠在一個共同的界面30上。界面30的尺寸原則上是任意的。然而所述界面在構(gòu)造為功率半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體芯片1的情況下是極大面積的、例如為至少1mm²或者甚至至少10mm²。界面30可以特別是構(gòu)造為閉合的連續(xù)的面。

所述彼此壓合可以借助于壓力機(jī)進(jìn)行，所述壓力機(jī)具有上壓件51和下壓件52，在所述上壓件和下壓件之間將設(shè)置有第一接觸金屬化層31的半導(dǎo)體芯片1和設(shè)置有第二接觸金屬化層32的襯底2以其接觸金屬化層31和32直接貼靠地壓緊。

通過彼此壓合在界面30的區(qū)域中生成第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32之間并且由此也在半導(dǎo)體芯片1和襯底2之間的材料配合的和導(dǎo)電的連接。當(dāng)不再存在半導(dǎo)體芯片1和襯底2之間的壓力p時，所述材料配合的和導(dǎo)電的連接也存在。

可選地也可以進(jìn)一步加工半導(dǎo)體芯片1和襯底2之間的如此形成的材料配合的復(fù)合體。為此，圖2d示出一個實(shí)例。正如在此示意性所示的那樣，導(dǎo)電的連接元件4、例如粘合線或平坦的細(xì)帶在形成第一粘合連接41的情況下直接粘接到上部的芯片金屬化層11上?？蛇x地，導(dǎo)電的連接元件4在形成不同于第一粘合連接41的第二粘合連接42的情況下直接與要制造的電子組件的一個任意其他的不同于上部的芯片金屬化層11的元件連接。根據(jù)所示的實(shí)例，第二粘合連接42在連接元件4和構(gòu)造在上部的襯底金屬化層21中的印制導(dǎo)線或?qū)щ娒?12之間形成。印制導(dǎo)線或?qū)щ娒?12與同樣構(gòu)造在上部的襯底金屬化層21中的導(dǎo)電面211隔開間距，在該導(dǎo)電面上施加第二接觸金屬化層32。

在根據(jù)圖2a至2d的實(shí)例中，襯底2構(gòu)造為絕緣襯底，所述絕緣襯底具有絕緣載體20和至少一個上部的襯底金屬化層21。與此不同地，襯底2也可以例如構(gòu)造為金屬引線框架(“l(fā)eadframe”)，這根據(jù)圖3a至3d示出。除了襯底2的其他結(jié)構(gòu)外，以如同在根據(jù)圖2a至2d所述的方法那樣相同的方式實(shí)現(xiàn)所述方法。

所提供的半導(dǎo)體芯片1可以是如同前面參考圖1和2a至2d已述的那樣的半導(dǎo)體芯片1(圖3a)。所提供的襯底2(圖3a)是具有金屬表面2t的金屬引線框架(“l(fā)eadframe”)。

如同參考圖2b所述的那樣，在下部的芯片金屬化層12上、即在其背離半導(dǎo)體本體10的側(cè)上生成第一接觸金屬化層31(圖3b)。此外，同樣如同參考圖2b所述的那樣，在襯底2的金屬表面2t上生成第二接觸金屬化層32(圖3b)。

接著如同在圖3c中所示的那樣將半導(dǎo)體芯片1和襯底2這樣壓和在一起，使得第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32直接地并且平面地彼此貼靠在一個共同的界面30上。所述壓和在一起能夠以如同參考圖2c所述的那樣相同的方式進(jìn)行。

可選地可以進(jìn)一步加工半導(dǎo)體芯片1和襯底2之間的在壓緊之后形成的材料配合的復(fù)合體。如同在圖3d中示意性所示的那樣，導(dǎo)電的連接元件4、例如粘合線或平坦的細(xì)帶在形成第一粘合連接41的情況下直接粘接到上部的芯片金屬化層11上?？蛇x地，導(dǎo)電的連接元件4在形成不同于第一粘合連接41的第二粘合連接42的情況下直接與要制造的電子組件的一個任意其他的不同于上部的芯片金屬化層11的導(dǎo)電元件5(例如主動或被動電子元件、或者電連接導(dǎo)體)連接。與在根據(jù)圖2d的實(shí)例中類似地，第二粘合連接42也可以在連接元件4和所述不同于上部的芯片金屬化層11的導(dǎo)電元件5之間被建立，也就是說，導(dǎo)電元件5不必必需如同在圖2d中所示的那樣是上部的襯底金屬化層21的印制導(dǎo)線或?qū)щ娒妗?/p>

如同根據(jù)前述附圖(參見圖2a和2b以及3a和3b)所示的那樣，在單個的半導(dǎo)體芯片1中，第一接觸金屬化層31的生成能在半導(dǎo)體芯片1上實(shí)現(xiàn)。然而同樣可能的是，第一接觸金屬化層31通過以下方式生成，當(dāng)該半導(dǎo)體芯片還與其他結(jié)構(gòu)相同的或結(jié)構(gòu)不相同的半導(dǎo)體芯片1一起處于晶片復(fù)合體中時，所述第一接觸金屬化層被施加在該半導(dǎo)體芯片1上。下面這根據(jù)圖4a和4b來說明。如同在圖4a中示意性所示的那樣，半導(dǎo)體晶片100具有用于多個結(jié)構(gòu)相同的或結(jié)構(gòu)不相同的半導(dǎo)體芯片1的半導(dǎo)體本體10。接著可以在半導(dǎo)體晶片100上施加一個上部的晶片金屬化層110和一個下部的晶片金屬化層120。此外，將一個另外的金屬化層310施加到下部的晶片金屬化層120的背離半導(dǎo)體晶片100的側(cè)上，這結(jié)果在圖4a中示出。虛線示出之后從哪里將還處于晶片復(fù)合體中的半導(dǎo)體芯片1分開。在圖4b中右邊示出兩個分開的半導(dǎo)體芯片1，并且右邊示出剩余的包含還未分開的半導(dǎo)體芯片1的晶片復(fù)合體。

所述分開的半導(dǎo)體芯片1中的每個半導(dǎo)體芯片可以用于根據(jù)圖1，2a至2d和3a至3d所述的方法。

在所述分開的半導(dǎo)體芯片1中，上部的芯片金屬化層11的材料和厚度相應(yīng)于上部的晶片金屬化層110的材料和厚度，下部的芯片金屬化層12的材料和厚度相應(yīng)于下部的晶片金屬化層120的材料和厚度，并且另外的晶片金屬化層310的材料和厚度相應(yīng)于第一接觸金屬化層31的材料和厚度。

與此類似地，在襯底2的金屬表面2t上生成第二接觸金屬化層32在一個單個的襯底2中進(jìn)行，然而或者在下述狀態(tài)中進(jìn)行，襯底2在使用(即連接)兩個或更多個結(jié)構(gòu)相同的或結(jié)構(gòu)不相同的基層的情況下處于所述狀態(tài)中。對使用的襯底2的分開可以在將第二接觸金屬化層32施加到襯底2上之后進(jìn)行。

圖5再次示出根據(jù)圖2b或3b的布置的放大的區(qū)段。在此示出下部的芯片金屬化層12的層厚度d12、第一接觸金屬化層31的層厚度d31以及第二接觸金屬化層32的層厚度d32。

第一接觸金屬化層31的層厚度d31可以選擇為非常小的，該層厚度可以例如選擇為小于或等于1000nm或者甚至小于或等于500nm。

與此無關(guān)地，第二接觸金屬化層32的層厚度d32可以選擇為非常小的，該層厚度可以例如選擇為小于或等于1000nm或者甚至小于或等于500nm。

同樣與此無關(guān)地，下部的芯片金屬化層12的層厚度d12可以例如選擇為大于或等于400nm。

在將半導(dǎo)體芯片1和襯底2彼此壓合之后(即在半導(dǎo)體芯片1和襯底2之間完成的材料配合的連接的情況下)具有第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32的總厚度d3132可以是非常小的，例如小于1000nm或者甚至小于400nm。

此外，在第一和第二接觸金屬化層31，32在其生成之后并且在彼此壓合之前所具有的厚度d31，d32的總和d31+d32與其在彼此壓合之后所具有的總層厚度d3132之間的差值d31+d32-d3132小于200nm。在此，所述差值可以大于零，這意味著接觸金屬化層31，32通過彼此壓合而塑性變形。然而所述變形僅僅是非常微小的。

將半導(dǎo)體芯片1和襯底2彼此壓合(圖2c和圖3c)可以這樣進(jìn)行，使得半導(dǎo)體芯片1和襯底2在壓緊持續(xù)時間期間不間斷地以大于至少35mpa或者甚至至少50mpa的最小壓力的壓力被彼此壓合。所述方法已經(jīng)可以在非常短的壓緊持續(xù)時間、例如小于2分鐘內(nèi)應(yīng)用。

在壓緊期間，特別是在壓緊持續(xù)時間期間，第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32持續(xù)地保持在至少300℃的溫度上。此外，第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32在壓緊持續(xù)時間期間持續(xù)地保持在至少250℃的溫度上。

此外，第一接觸金屬化層31在壓緊持續(xù)時間期間持續(xù)地保持在小于第一接觸金屬化層31的熔化溫度的溫度上，并且第二接觸金屬化層32在壓緊持續(xù)時間期間持續(xù)地保持在小于第二接觸金屬化層32的熔化溫度的溫度上。

例如恰好一種金屬或者一種均勻的合金適合作為用于第一接觸金屬化層31的材料。第一接觸金屬化層31特別是由貴金屬構(gòu)成或者具有一種貴金屬(例如金、銀、鉑、釕、鋨、銠、銥)。然而原則上也可以使用呈純粹形式的或呈合金形式的半貴金屬或非貴金屬(例如鋁或鋁合金)。

與用于第一接觸金屬化層31的材料無關(guān)地，例如恰好一種金屬或者一種均勻的合金適合作為用于第二接觸金屬化層32的材料。第二接觸金屬化層32特別是由貴金屬構(gòu)成或者具有一種貴金屬(例如金、銀、鉑、釕、鋨、銠、銥)。然而原則上也可以使用呈純粹形式的或呈合金形式的半貴金屬或非貴金屬(例如鋁或鋁合金)。

可選地，第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32由相同的材料構(gòu)成或者相同的均勻的合金構(gòu)成。

在下部的芯片金屬化層12上生成第一接觸金屬化層31并且在襯底2的導(dǎo)電表面2t上生成第二接觸金屬化層32可以分別借助于一種下述的沉積方法進(jìn)行，在所述沉積方法中，第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32不是作為預(yù)制的層被施加到下部的芯片金屬化層12或襯底2的導(dǎo)電表面2t上，而是通過使接觸金屬化層31，32首先在切割過程期間形成(即連續(xù)地或接連地構(gòu)造)。適合的沉積方法例如是噴鍍、物理氣相沉積(pvd＝physicalvapordeposition)、化學(xué)氣相沉積(cvd＝chemicalvapordeposition)、無電流沉積或電鍍沉積。相應(yīng)地也適用于在晶片100上生成另外的金屬化層310(圖4a)。通過沉積生成的金屬化層31，32，310是非多孔的，正如例如在傳統(tǒng)的燒結(jié)連接方法中所使用的銀粉末層中那樣是這種情況。因此，金屬化層31，32，310構(gòu)造為均勻的層，所述均勻的層不由被擠壓的粉末構(gòu)成。金屬化層31，32，310構(gòu)造為連續(xù)的不間斷的層。

在所有情況中，所述沉積在使用掩模的情況下掩蓋地進(jìn)行，在所述掩模的開口中已沉積的材料直接在下部的芯片金屬化層12(或下部的晶片金屬化層120)上或者在襯底2的導(dǎo)電表面2t上增長。

然而同樣可能的是不設(shè)置掩模地進(jìn)行，從而已沉積的材料形成閉合的連續(xù)的層，所述層隨后以公知的方式在使用掩模的情況下(例如攝影平板地)結(jié)構(gòu)化。

可理解的是，一方面在下部的芯片金屬化層12上生成第一接觸金屬化層31或者在下部的晶片金屬化層120上生成另外的金屬化層310并且另一方面在襯底2的導(dǎo)電表面2t上生成第二接觸金屬化層32可以根據(jù)相同的或不同的沉積方法以任意組合的形式進(jìn)行。

在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體芯片1和構(gòu)造為dcb襯底的襯底2之間材料配合的連接的突出的穩(wěn)定性。分別將黃金用作第一接觸金屬化層31和第二接觸金屬化層32的材料。接觸金屬化層31和32的生成分別通過噴鍍(噴鍍持續(xù)時間：4分鐘；噴鍍氣體：氬氣)。實(shí)現(xiàn)的層厚度d31和d32分別為400nm。壓緊持續(xù)時間為2分鐘，壓力為55mpa，并且總界面30為50mm²。在隨后實(shí)施的彎曲試驗(yàn)中表明在半導(dǎo)體芯片1和構(gòu)造為dcb襯底2之間無分層。