一種新型大直徑半導體芯片與鉬片鍵合式歐姆接觸加工方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率半導體器件制造技術領域，尤其涉及大功率晶閘管、整流管半導 體芯片與鉬片鍵合式歐姆接觸技術加工方法。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，大功率晶閘管、整流管是電力半導體分立器件，其發(fā)展方向是高電壓大 電流功率化，芯片面積較大。運行時承受高電壓通過大電流發(fā)出大量的熱需要經(jīng)金屬電極 傳導帶走。金屬電極與半導體芯片接觸的緊密程度、界面的平整度決定器件的電熱阻抗和 通流能力。
[0003] 現(xiàn)有的大功率分立器件芯片與鉬片（電極）間的接觸技術有高溫燒結和全壓接。 高溫燒結的工藝是在芯片與鉬片之間加一層一定厚度的鋁箱，升溫到700°C以上，利用Si 和AL在高溫下互熔，形成Si和AL共熔合金熔液，冷卻后與Mo牢固地粘潤在一起。形成緊 密、不相對移動的歐姆接觸。這種型式的接觸優(yōu)點是瞬態(tài)熱阻抗小，浪涌電流大。缺點有：
[0004] 1)由于工藝溫度高達700°C，Si與Mo的熱膨脹系數(shù)不一致，冷卻后產(chǎn)生較大的形 變，芯片內(nèi)部產(chǎn)生應力，輕則導致壓降增大、電熱回路接觸不良、散熱不暢，重則在芯片受電 熱或機械沖擊時破碎，使器件永久失效。
[0005] 2)利用高溫下Si和AL互熔，形成合金層會消耗表面一定深度的硅，不均勻改變原 有PN結結深及表面濃度分布，劣化電特性參數(shù)。
[0006] 3)高溫過程中AL首先變成液體，容易流失，導致邊緣空洞及其它局部粘潤不良， 沒有形成優(yōu)良的歐姆接觸，致使阻斷電壓下降、通態(tài)壓降增大、通流能力下降、散熱效果差。
[0007] 以上三條缺陷，嚴重劣化大功率分立半導體器件的性能、降低生產(chǎn)成品率。這種情 況隨分立半導體器件面積增大而越發(fā)嚴重，致使這種技術不適應制造直徑大于4英寸以上 器件。
[0008] 4英寸以上器件目前多采用全壓接技術。全壓接技術的工藝只需將管芯與鉬片依 次放入管殼加壓封裝即可。其優(yōu)點是工藝簡潔，無附加形變，成品率高。其缺點是接觸瞬態(tài) 熱阻抗大，浪涌電流小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服以往技術的缺點、保留其優(yōu)點并使6英寸特高壓晶閘管性能優(yōu)化、生產(chǎn) 成品率提高，本發(fā)明提供了一種新型大直徑半導體芯片與鉬片鍵合式歐姆接觸技術加工方 法，引入多層金屬作為過渡層、焊料層，利用高壓下過渡層間金屬原子微擴散并形成鍵合的 機制，將半導體芯片與鉬片牢固地連接在一起，形成低形變、低電阻、低熱阻緊密牢固的接 觸。
[0010] 本發(fā)明的技術解決方案是：一種新型大直徑半導體芯片與鉬片鍵合式歐姆接觸加 工方法，包括半導體芯片（1)、鉬片（2)、半導體芯片（1)與鉬片（2)之間的接觸層分別有AL 電極層（3)、Ti/Pt/Au金屬過渡層（4、5、6)、Ag層焊料層（7)，將陽極蒸有10±1μπιAL電 極層（3)的半導體芯片（1)浸入體積比為1±0. 5%的稀氫氟酸和成分為氨水：雙氧水：純 水體積比為1 :2 :5的1#號清洗液中清洗干凈，然后放在潔凈烘箱100±2°C烘干，依次經(jīng)過 下列步驟：
[0011] 首先，在真空度高于1X10 5Pa，溫度在100±2°C，用10000EV(電子伏特）以上的 電子束轟擊坩鍋中的Ti源，使Ti源激發(fā)成氣態(tài)，以分子的形式均勻分布在蒸發(fā)腔內(nèi)，遇到 蒸完陽極AL電極層（3)的半導體芯片（1)，均勻沉積在半導體芯片（1)的表面上，膜的厚度 為1000-1200A;完成了制作襯膜Ti金屬過渡層（4)，它的目的是為改善電極層的粘附性；
[0012] 其次，在真空度高于1X10 5Pa，溫度在100±2°C，用10000EV(電子伏特）以上 的電子束轟擊坩鍋中的Pt源，使Pt源激發(fā)成氣態(tài)，以分子的形式均勻分布在蒸發(fā)腔內(nèi)， 遇到蒸發(fā)完Ti源的半導體芯片（1)，均勻沉積在半導體芯片（1)的表面上，膜的厚度為 3000-3200A;完成了蒸發(fā)制作阻檔膜Pt金屬過渡層（5)，它是為防止高溫、大電流情況下 后續(xù)的導電膜Au通過AL電極層與半導體Si形成合金；
[0013] 最后，在真空度高于1X10 5Pa，溫度在100±2°C，用10000EV(電子伏特）以上 的電子束轟擊坩鍋中的Au源，使Au源激發(fā)成氣態(tài)，以分子的形式均勻分布在蒸發(fā)腔內(nèi)， 遇到蒸發(fā)完Pt源的半導體芯片（1)，均勻沉積在半導體芯片（1)的表面上，膜的厚度為 5000-,5200人，完成了蒸發(fā)制作導電膜Au金屬過渡層（6)，它一方面形成優(yōu)良的導電膜；另 一方面形成易鍵合表面；
[0014] 將微粒直徑小于0. 1μm的Ag粉倒入異丙醇中，形成體積比為10 ± 1 %飽和溶液， 通過噴涂的方法，噴涂在清洗干凈的鉬片（2)上，放入100±2°C的烘箱內(nèi)，烘焙5±2分 鐘，使有機溶劑異丙醇揮發(fā)，形成厚度為8QQ0-10000A,網(wǎng)孔狀Ag層焊料層（7)。
[0015] 將噴涂有Ag層鉬片（2)和半導體芯片（1)放入模具中，加壓到200±10KN/CM2,在 溫度230 ± 2°C的條件下，保持10 ± 2分鐘，進行鍵合；
[0016] 冷卻卸壓后，將焊接在一起的半導體元件從模具中取出，管芯至于50±2°C的熱板 上放置1〇±2分鐘，至此完成了半導體芯片（1)與鉬片（2)鍵合式歐姆接觸技術的加工方 法。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：在半導體芯片和鉬片之間引入多層金屬（Au/Pt/Ti)作為過 渡層和焊料層（Ag粉），利用Au、Ag電導率低，低溫下易與其它金屬鍵合的特性，使半導體 芯片Si與Mo片牢固地粘潤在一起，形成優(yōu)良的歐姆接觸技術。
[0018] 由于引入多層金屬過渡層和焊料層，使半導體芯片與鉬片在低溫下鍵合，克服了 由于高溫工藝過程不同材料熱膨脹系數(shù)不一致造成的形變、空洞、流鋁和不規(guī)則改變PN結 結深及表面濃度等不良現(xiàn)象，并且改善了它們接觸的粘潤性?？梢?，本發(fā)明從根本上解決了 大功率半導體芯片與電極鉬片歐姆接觸的關鍵技術問題。使大功率半導體芯片與鉬片形成 無形變的大面積的歐姆接觸，管芯剖面如圖1所示。用SSJ-100A超聲掃描儀掃出硅-鉬界 面狀況如圖2,可見硅-鉬界面粘潤良好、平坦、無空洞及流鋁現(xiàn)象。本發(fā)明可將硅-鉬焊接 式分立半導體器件突破4英寸，目前已增大到6英寸、顯著提高了通流能力、提高了散熱效 果，改善了反向阻斷特性、提高了器件參數(shù)的一致性及成品率。實踐還證明，4英寸以下本發(fā) 明與傳統(tǒng)高溫燒結相比成品率至少提高20%。
【附圖說明】：
[0019] 圖1為本發(fā)明管芯無形變剖面示意圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明管芯硅-鉬界面SSJ-100A超聲掃描圖像。
[0021] 圖3為芯片陽極蒸發(fā)多層金屬示意圖。
[0022] 圖4為鉬片待鍵合面上噴涂Ag特殊焊料層。
[0023] 圖5為鍵合模具中的芯片-金屬焊料層-鉬片。
[0024] 圖6為鍵合工藝條件示意圖。
[0025] 圖7為完成高壓低溫鍵合歐姆接觸技