芯片、功率器件及芯片的制作方法

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域，特别涉及一种芯片、功率器件及芯片的制作方法。

背景技术

随着芯片技术和封装技术的不断发展，对功率器件的可靠性要求也随之提高。目前，功率器件在制作时，在将芯片的电极接点与引线框架的内引脚部通过焊线连接后，通常需要进行拉力测试，以测试连接的可靠性。在此测试过程中，芯片结构的可靠性也在经受着考验。

发明内容

本公开实施例提供一种芯片、功率器件及芯片的制作方法，以解决相关技术中功率器件的芯片可靠性欠佳的技术问题。

根据本公开实施例的一个方面，提供了一种芯片，包括：

接触结构；

介质层，位于所述接触结构的前侧；

至少一个过孔，所述过孔贯穿所述介质层并通向所述接触结构；

接触改善层，覆于所述介质层的前侧表面、所述过孔的孔壁以及所述接触结构被所述过孔曝露的表面，所述接触改善层的前侧表面具有凹陷图案结构；

金属层，位于所述接触改善层的前侧表面且填充所述过孔。

在一些实施例中，所述凹陷图案结构位于所述过孔的外部。

在一些实施例中，所述凹陷图案结构包括多个盲孔；或者

所述凹陷图案结构包括多个沟槽；或者

所述凹陷图案结构包括网状沟壑。

在一些实施例中，所述接触改善层包括沿远离所述介质层的方向依次设置的第一调节层和第二调节层，所述凹陷图案结构设于所述第二调节层的前侧表面。

在一些实施例中，所述介质层的材料包括硅的氧化物，所述第一调节层的材料包括钛，所述第二调节层的材料包括氮化钛。

在一些实施例中，所述金属层包括沿远离所述介质层的方向依次设置的填充金属和面金属，所述填充金属填充于所述过孔内，所述面金属位于所述接触改善层的前侧表面且位于所述过孔的外部。

在一些实施例中，所述填充金属的材料包括钨，所述面金属的材料包括铝。

在一些实施例中，所述芯片包括晶体管区，所述接触结构包括位于所述晶体管区的P型接触层，所述金属层包括位于所述晶体管区的发射极金属，所述至少一个过孔包括通向所述P型接触层的第一过孔。

在一些实施例中，所述芯片还包括围绕所述晶体管区的耐压区，所述接触结构还包括位于所述耐压区的耐压环，所述金属层还包括位于所述耐压区的耐压金属，所述芯片包括多个所述过孔，多个所述过孔包括通向所述耐压环的第二过孔。

在一些实施例中，所述的芯片，还包括:

N型半导体衬底；

P型阱，位于所述N型半导体衬底的前侧；

N型发射层，位于所述P型阱的前侧；

沟槽，穿过所述N型发射层和所述P型阱并延伸至所述N型半导体衬底的内部；

栅介质层，至少覆于所述沟槽的槽壁；

栅极，填充于所述沟槽内；

其中，所述P型接触层位于所述P型阱内，所述介质层位于所述栅极的前侧，所述第一过孔贯穿所述介质层和所述N型发射层并通向所述P型接触层。

在一些实施例中，所述的芯片，还包括:

位于所述N型半导体衬底的背侧且沿远离所述N型半导体衬底的方向依次设置的缓冲层、P型集电层和集电极金属；以及

位于所述金属层前侧的保护层，所述保护层曝露出部分所述发射极金属。

在一些实施例中，所述的芯片，还包括:

与所述N型半导体衬底的背侧连接的集电极金属；以及

位于所述金属层前侧的保护层，所述保护层曝露出部分所述发射极金属。

根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种功率器件，包括前述任一技术方案所述的芯片。

根据本公开实施例的又一个方面，提供了一种芯片的制作方法，包括：

形成位于接触结构前侧的介质层；

形成贯穿所述介质层并通向所述接触结构的至少一个过孔；

形成覆于所述介质层的前侧表面、所述过孔的孔壁以及所述接触结构被所述过孔曝露的表面的接触改善层，所述接触改善层的前侧表面具有凹陷图案结构；

形成位于所述接触改善层的前侧表面的金属层，所述金属层填充所述过孔。

在一些实施例中，形成所述接触改善层，包括：

在所述介质层的前侧表面依次形成钛层和氮化钛层；

刻蚀所述氮化钛层位于所述过孔外的部分，形成所述凹陷图案结构。

在一些实施例中，形成所述金属层，包括：

在形成所述氮化钛层之后，在刻蚀所述氮化钛层之前，在所述过孔内填充钨；

在形成所述凹陷图案结构之后，在所述接触改善层和所述钨的前侧表面形成铝层。

在本公开实施例中，接触改善层的前侧表面具有凹陷图案结构，这样便增加了接触改善层与前侧金属层的接触面积，从而提升了接触改善层与金属层之间的结合力。因此，采用本公开实施例的方案可以提升芯片结构的可靠性，进而提升功率器件的品质。

通过以下参照附图对本公开的实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1为本公开一些实施例芯片的截面示意图；

图2为本公开另一些实施例芯片的截面示意图；

图3a至图3c为本公开一些实施例中凹陷图案结构的局部俯视图；

图4为本公开一些实施例功率器件的纵向截面示意图；

图5为本公开一些实施例芯片的制作方法流程图；

图6为本公开一些实施例中制作接触改善层和金属层的示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种实施例。对实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置应被解释为仅仅是示意性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定元件位于第一元件和第二元件之间时，在该特定元件与第一元件或第二元件之间可以存在居间元件，也可以不存在居间元件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

发明人已获知的一种功率器件在进行焊线拉力测试时，芯片内部的层剥离时有发生，从而影响到产品的良率。为解决此技术问题，本公开实施例提供了一种芯片、功率器件及芯片的制作方法。

如图1所示，本公开一些实施例提供的一种芯片2，包括：

接触结构5；

介质层6，位于接触结构5的前侧；

至少一个过孔7，过孔贯穿介质层6并通向接触结构5；

接触改善层8，覆于介质层6的前侧表面、过孔7的孔壁以及接触结构5被过孔7曝露的表面，接触改善层8的前侧表面具有凹陷图案结构10；

金属层9，位于接触改善层8的前侧表面且填充过孔7。

在本公开实施例中，定义芯片2的发射极所在侧为前侧，集电极所在侧为背侧，具体示意可参见图中所示。

如图1所示，芯片2包括晶体管区2A。在一些实施例中，请继续参照图1所示，晶体管区2A设置有绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，包含该芯片2的功率器件为IGBT功率器件。除上述描述的结构外，该芯片2的结构还包括：N型半导体衬底300；位于N型半导体衬底300前侧的P型阱301，P型阱301内设有P型接触层51；位于P型阱301前侧的N型发射层302；穿过N型发射层302和P型阱301并延伸至N型半导体衬底300内部的沟槽(图中已被栅极305填充)；覆于沟槽的槽壁的栅介质层304；填充于沟槽内的栅极305；位于前述金属层9前侧的保护层309，保护层309曝露出部分发射极金属901(为金属层9的一部分)；以及，位于N型半导体衬底300的背侧且沿远离N型半导体衬底300的方向依次设置的缓冲层306、P型集电层307和集电极金属308。在该实施例中，前述接触结构5包括P型接触层51，前述介质层6位于栅极305的前侧，前述至少一个过孔7包括通向P型接触层51的第一过孔71，前述金属层9包括位于晶体管区2A的发射极金属901。

在本公开的另一些实施例中，晶体管区设置有金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，包含该芯片的功率器件也被称为MOSFET功率器件。如图2所示，该芯片2与前述IGBT类型芯片的一个主要区别在于N型半导体衬底300背侧的结构，在此芯片中，集电极金属308形成于N型半导体衬底300的背侧表面。

请继续参照图1或图2所示，在本公开的一些实施例中，芯片2应用于上百伏、甚至更高电压的高压功率器件，为使功率器件具有良好的耐压性能，在芯片2的晶体管区2A的周边还设有耐压区2B，耐压区2B设计有耐压结构。耐压结构包括：沿远离N型半导体衬底300方向依次设置的耐压环52、介质层6和耐压金属902，耐压环52可以采用与栅极305相同的半导体材料，如掺杂多晶硅等。在该实施例中，前述接触结构5还包括位于耐压区2B的耐压环52，前述金属层9还包括位于耐压区2B的耐压金属902，芯片2包括多个过孔7，其中包括包括通向耐压环52的第二过孔72。

介质层6一般采用非金属材料，例如，采用一氧化硅或二氧化硅等硅的氧化物。由于介质层6与金属层9之间材料差异较大，为改善两者之间的结合性，在介质层6与金属层9之间设置了接触改善层8。

在本公开实施例中，接触改善层8的前侧表面具有凹陷图案结构10，这样便大大增加了接触改善层8与前侧金属层9的接触面积，从而提升了接触改善层8与金属层9之间的结合力。因此，采用本公开实施例的方案可以提升芯片层结合的可靠性，进而提升功率器件的品质。

在本公开实施例中，凹陷图案结构10的具体形状不限，如图3a所示，在一些实施例中，凹陷图案结构10包括多个盲孔101。如图3b所示，在另一些实施例中，凹陷图案结构10包括多个沟槽102。如图3c所示，在又一些实施例中，凹陷图案结构10包括纵横交错的网状沟壑103。

如图1所示，在本公开的一些实施例中，凹陷图案结构10可以形成在接触改善层8的位于过孔7之外的前侧表面，即接触改善层8在过孔7内的部分不设计凹陷图案结构，这样便于加工制作。在本公开的另一些实施例中，接触改善层在过孔内的部分和在过孔外的部分均设计有上述的凹陷图案结构。

在本公开的一些实施例中，金属层9包括沿远离介质层6的方向依次设置的填充金属91和面金属92，其中，填充金属91填充于过孔7内，面金属92位于接触改善层8的前侧表面且位于过孔7的外部。在一些实施方式中，填充金属91的材料采用钨，面金属92的材料采用铝。铝是比较理想的电极材料，而钨具有更佳的流动填充性，更适用于填充尺寸较小的过孔7，金属层9采用该两种材料的组合结构，可以显著提升与接触结构5电连接的可靠性。

在本公开的一些实施例中，如图1所示，接触改善层8包括沿远离介质层6的方向依次设置的第一调节层81和第二调节层82，凹陷图案结构10设于第二调节层82的前侧表面。其中，第一调节层81用于实现与介质层6之间的紧密结合，第二调节层82在与第一调节层81和面金属92紧密结合的同时，还将第一调节层81与过孔7内的填充金属91间隔，并且与填充金属91紧密结合。在一些实施方式中，第一调节层81的材料包括钛，钛与非金属材料的介质层6的结合能力较佳；第二调节层82的材料包括氮化钛，氮化钛的稳定性较好，能与钨紧密结合，且不易与其它金属发生反应，从而将钛层与过孔7中填充的钨有效隔离。第二调节层82的前侧表面具有凹陷图案结构10，该凹陷图案结构10的凹陷深度小于第二调节层82的厚度，不会使金属结构9与第一调节层81直接接触，这样便增加了与前侧金属层9的接触面积，从而提升了两者之间的结合力，提高了芯片的结构可靠性。

在本公开的一些实施例中，钛层的厚度为400微米，氮化钛层的厚度为100微米，凹陷图案结构10的凹陷深度小于100微米，例如为30微米至90微米。第一调节层81和第二调节层82的厚度以及凹陷图案结构10的凹陷深度在设计时，可以根据具体芯片产品来确定，不限于上述实施例的尺寸范围。

本公开一些实施例还提供了一种功率器件，包括前述任一实施例的芯片。如图4所示，该功率器件包括：引线框架1，包括外连接部11、内承载部12和内引脚部13；前述的芯片2，固定于框架1的内承载部12；焊线3，一端与芯片2焊接，另一端与引线框架1的内引脚部13焊接；封装体4，将引线框架1的内承载部12和内引脚部13、以及芯片2和焊线3等结构封装。

该功率器件在制作时，在完成焊线3的焊接后，在封装上封装体4之前，需要测试焊线3焊接的可靠性。同前所述，由于芯片的结构可靠性提高，因此，在该测试阶段，芯片内部发生层剥离的情况明显减少，从而提高了产品的生产良率。该功率器件可以应用在例如家用电器、交通运输设备、牵引传动设备、电机设备等各类电力电子设备中。

如图5所示，本公开实施例还提供一种芯片的制作方法。该制作方法包括了以下步骤S1至步骤S4。

在步骤S1，形成位于接触结构前侧的介质层。其中，接触结构在介质层之前形成，介质层可以位于接触结构的前侧表面，也可以与接触结构之间间隔若干个层结构。在一些实施例中，接触结构包括位于晶体管区的P型接触层和位于耐压区的耐压环。介质层例如为二氧化硅层。

在步骤S2，形成贯穿介质层并通向接触结构的至少一个过孔。该实施例中，过孔为多个，包括通向P型接触层的第一过孔和通向耐压环的第二过孔。

在步骤S3，形成覆于介质层的前侧表面、过孔的孔壁以及接触结构被过孔曝露的表面的接触改善层，接触改善层的前侧表面具有凹陷图案结构。

在步骤S4，形成位于接触改善层的前侧表面的金属层，金属层填充过孔。

在本公开实施例中，在接触改善层的前侧表面形成凹陷图案结构，这样便大大增加了接触改善层与前侧金属层的接触面积，从而提升了接触改善层与金属层之间的结合力。因此，采用本公开实施例的方案可以提升芯片结构的可靠性，进而提升功率器件的品质。

在一些实施例中，金属层包括沿远离介质层的方向依次设置的填充金属和面金属，填充金属填充于过孔内，上述步骤S3和步骤S4可不必按顺序执行。如图6所示，在一些实施例中，形成接触改善层和金属层包括以下步骤S001至步骤S004。

在步骤S001，在介质层6的前侧表面依次形成钛层810和氮化钛层820。例如，在介质层的前侧分别通过溅射工艺形成钛层和氮化钛层。

在步骤S002，在过孔7内填充钨910。在一些实施例中，可以先淀积整层钨，然后再回刻去除过孔外的钨。

在步骤S003，刻蚀氮化钛层820位于过孔7外的部分，形成凹陷图案结构10。

在步骤S004，在氮化钛层820和钨910的前侧表面形成铝层920。铝层可以采用溅射工艺形成。

钛层与二氧化硅层的结合能力较佳，氮化钛层与钛层、铝层和钨的结合能力较佳，而且稳定性较好，不易与其它金属发生反应，可以将钛层与后续在过孔中填充的钨隔离。氮化钛层的前侧表面具有凹陷图案结构，这样便增加了与前侧铝层的接触面积，从而提升了两者之间的结合力，提高了芯片结构的可靠性。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本公开的范围由所附权利要求来限定。