半导体器件和用于制造半导体器件的方法

技术领域

本公开总体上涉及半导体器件以及用于制造半导体器件的方法。

背景技术

导体器件可以包括焊点，特别是扩散焊点，其将半导体管芯电和/或机械地固定到管芯载体。为使半导体器件满足严格的可靠性要求，这种焊点可能需要对机械应力具有高的弹性(resilient)。然而，这种焊点中的位错运动是一个普遍的问题，其可能导致裂纹并且因此导致焊点的机械和/或电故障。因此，可能希望增大焊点的稳定性，并从而减少或消除位错运动和裂纹形成。改进的半导体器件和改进的用于制造半导体器件的方法可以帮助解决这些和其他问题。

通过独立权利要求的特征解决了本发明所基于的问题。在从属权利要求中描述了进一步的有利示例。

发明内容

各个方面涉及一种半导体器件，包括：具有金属化层的半导体管芯，所述金属化层包括具有较高熔点的第一金属；管芯载体，其包括具有较高熔点的第二金属；第一金属间化合物，其布置在所述半导体管芯和所述管芯载体之间，并且包括所述第一金属和具有较低熔点的第三金属；第二金属间化合物，其布置在所述第一金属间化合物和所述管芯载体之间，并且包括所述第二金属和所述第三金属；以及第三金属间化合物的沉淀物，其布置在所述第一金属间化合物和所述第二金属间化合物之间，并且包括所述第三金属和具有较高熔点的第四金属。

各个方面涉及一种用于制造半导体器件的方法，所述方法包括：提供具有金属化层的半导体管芯，所述金属化层包括具有较高熔点的第一金属；提供包括具有较高熔点的第二金属的管芯载体；提供包括具有较低熔点的第三金属的焊料材料；在所述半导体管芯或所述管芯载体上提供具有较高熔点的第四金属的层；将所述半导体管芯焊接到所述管芯载体，并从而产生：第一金属间化合物，其布置在所述半导体管芯和所述管芯载体之间并且包括所述第一金属和所述第三金属；第二金属间化合物，其布置在所述第一金属间化合物和所述管芯载体之间，并且包括所述第二金属和所述第三金属；以及第三金属间化合物的沉淀物，其布置在所述第一金属间化合物和所述第二金属间化合物之间，并且包括所述第三金属和所述第四金属。

附图说明

附图示出了示例，并且与描述一起用于解释本公开的原理。本公开的其他示例和许多预期的优点将更容易受到赏识，因为通过参考下面的详细描述，他们变得更容易理解。附图的元素不必相对于彼此成比例。相同的参考标记表示相应的相似部分。

图1示出了半导体器件的示意性截面图，其中第三金属间化合物的沉淀物布置在包括第一金属间化合物和第二金属间化合物(intermetallic compound)的扩散焊点内。

图2示出了没有沉淀物的扩散焊点的示意性截面图，其中在扩散焊点中形成了裂纹。

图3示出了包括具有沉淀物的扩散焊点的半导体器件的扫描电子显微镜图像。

图4包括图4A和4B，并且示出了具有包括软焊料材料层的金属层堆叠体的半导体管芯(图4A)和具有包括软焊料材料层的金属层堆叠体的管芯载体(图4B)。

图5包括图5A和5B，并且示出了两种用于在基底上沉积焊料材料的方法：通过分配(图5A)和通过沉积预成型件(图5B)。

图6包括图6A至6E，并且示出了根据用于制造半导体器件的示例性方法的处于各个制造阶段的半导体器件。

图7是用于制造半导体器件的方法的流程图。

具体实施方式

在下面的具体实施例方式中，可以参考正在描述的图的取向使用诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上部”、“下部”等的方向术语。因为本公开的组件可以以许多不同的取向定位，所以将方向术语用于说明的目的。

就在具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”、“有”、“具有”或其其他变体的程度而言，这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式意指包括在内的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用来表示两个元件相互协作或相互作用，而不管它们是否直接物理接触或电接触，或者它们彼此不直接接触。可以在“结合”、“附接”或“连接”的元件之间设置居间元件或层。但是，“结合”、“附接”或“连接”的元件彼此直接接触也是可能的。同样，术语“示例性”仅意味着示例，而不是指最佳或最优。

以下描述的半导体器件的示例可以使用各种类型的半导体管芯或结合在半导体管芯中的电路，其中包括AC/DC或DC/DC转换器电路、功率MOS晶体管、功率肖特基二极管、JFET(结型栅场效应晶体管)、功率双极晶体管、功率集成电路等。示例还可以使用包括晶体管结构的半导体管芯，其中，至少一个电接触垫布置在半导体管芯的第一主面上，并且至少一个其他电接触垫被布置在半导体管芯的与半导体管芯的第一主表面相对的第二主表面上。

符号XY可以指X的合金，该X的合金至少包括Y作为其他组分。特别地，它可以指包括Y作为唯一残余组分(即封闭组成)的X合金。即，在第二种情况下，符号XY表示合金XY具有由X(占X的重量百分比)和Y(占Y的重量百分比)构成的组成，平衡仅是不可避免的因素。符号XYZ…具有类似的含义，即“开放组成”或“封闭组成”，其中X、Y、Z、…形成合金的仅有成分(不可避免的元素除外)。这同样适用于焊料组成。

图1示出了包括半导体管芯110和管芯载体120的半导体器件100。半导体管芯110具有布置在一侧上的金属化层130，其中金属化层130包括具有较高熔点的第一金属。管芯载体120包括第二金属，该第二金属也具有较高的熔点。

金属化层130可以布置在半导体管芯110和管芯载体120之间，并且它可以例如是半导体管芯110的背面金属化层。

半导体器件100还包括布置在半导体管芯110和管芯载体120之间的第一金属间化合物(IMC)140和布置在第一IMC 140和管芯载体120之间的第二金属间化合物150。

第一IMC 140包括第一金属和第三金属，其中第三金属具有较低的熔点。第二IMC包括第二金属和第三金属。

半导体器件100进一步包括布置在第一IMC 140和第二IMC 150之间的第三金属间化合物的沉淀物160。该沉淀物包括第三金属和具有较高熔点的第四金属。

在本公开的上下文中，具有“较高熔点”的金属的熔点可以高于另一种金属的熔点。例如，第一、第二和第四金属可各自具有高于第三金属的熔点的熔点。第一、第二和第四金属的熔点可以例如比第三金属的熔点高10℃、20℃、30℃、50℃或更多。可以类似地理解“较低熔点”。

半导体器件100可以例如是功率半导体器件，并且半导体管芯110可以是功率半导体管芯。第一IMC 140、第二IMC 150和沉淀物160可以是将半导体管芯110电和/或机械耦合到管芯载体120的焊点的一部分。

第三金属可以是焊料材料，特别是软焊料材料。可以通过将半导体管芯110焊接到管芯载体120来制造第一IMC 140和第二IMC 150。当将半导体管芯110焊接到管芯载体120时，半导体管芯110仍可以是晶片的一部分，或者可以在焊接之前将其单片化。

管芯载体120可以例如是引线框架的一部分。管芯载体120可以包括第二金属或者它也可以由第二金属构成。根据示例，管芯载体120可以包括镀覆层，例如，Ni镀覆层。镀覆层可以提供第二金属。然而，管芯载体120的大部分可以提供第二金属也是可能的。

第一金属可以是Cu、Ni、Ag、Al、Au、Pd或Pt中的一种。第二金属可以是Cu、Ni、Ag、Al、Au、Pd或Pt中的一种。第三金属可以是Sn、In、Zn或Ga中的一种。第四金属可以是Ag、Au、Pd或Pt中的一种。根据一个示例，可以使用金属合金代替单金属。例如，第一金属和/或第二金属可以是NiV或NiP。第三金属可以例如是SnAgCu，而不是Sn。

根据示例，第一金属是Ni，第二金属是Cu，第三金属是Sn，第四金属是Ag，第一IMC140包括Ni

组合的第一IMC 140和第二IMC 150的厚度z可以例如在1μm至10μm的范围内，特别地在2μm至6μm或2.5μm至3.5μm的范围内。厚度z可以是半导体管芯110和管芯载体120之间的焊点或结合线的厚度。

沉淀物160的尺寸例如直径可以在0.5μm至3μm或1μm至2μm的范围内。沉淀物例如可以平均地具有矩圆(ablong)形、角形或不规则形状。每个沉淀物160的直径可小于厚度z的60％。

沉淀物160可以彼此间隔开。例如，平均地，沉淀物可以在两个相邻的沉淀物160之间间隔开直径的一半，或者在两个相邻的沉淀物之间间隔开一个直径，或者在两个相邻的沉淀物之间间隔开约0.5μm或约1.0μm。

沉淀物160可以例如布置在第一IMC 140和第二IMC 150之间的界面处(由图1中的虚线指示)。沉淀物160可以沿着界面并排布置。沉淀物160基本上布置在半导体管芯110和管芯载体120之间的中间也是可能的。替代地，沉淀物160可以布置成更靠近半导体管芯110或更靠近管芯载体120。

沉淀物160的位置可以取决于用以形成IMC 140和150的反应速率。例如，第一IMC140和第二IMC 150的相同反应速率可以导致沉淀物布置在半导体管芯110和管芯载体120之间的中间。

沉淀物160可以具有防止包括第一IMC 140和第二IMC 150的焊点中的裂纹的形成或至少防止其以下面解释的尺寸生长。

图2示出了包括半导体管芯110、管芯载体120和不包括沉淀物160的焊点210的半导体器件200。裂纹220可能形成在焊点210中，例如，由于半导体管芯110和管芯载体120的热膨胀系数的差异。例如，由于位错运动，裂纹220可能生长(例如，沿着图2中的箭头，平行于半导体管芯110和管芯载体120的表面)，并且最终可能导致焊点210的机械和/或电气故障。

然而，沉淀物160可以加强(硬化)半导体管芯110和管芯载体120之间的焊点，并且可以防止IMC 140、150中的位错运动(“沉淀硬化”)。因此，沉淀物160可以提高半导体器件100的可靠性。

图3示出了示例性半导体器件300的扫描电子显微镜图像。半导体器件300可以与半导体器件100相似或相同。

在半导体器件300中，半导体管芯110可以例如包括Si。金属化层130可以包括NiV或由NiV构成。第一IMC 140可以包括Ni

根据示例，半导体器件300的各个部分可以具有以下材料组成：

-金属化层130：5wt％的V，95wt％的Ni

-第一IMC 140：32wt％的Ni，22wt％的Cu，46wt％的Sn

-第二IMC 150：70wt％的Cu，30wt％的Sn

-沉淀物160：8wt％的Cu，70wt％的Ag，22wt％的Sn

-管芯载体120：100wt％的铜

根据示例，上述材料组成可以变化。例如，每种组分的百分比可以比上面指示的高或低高达3wt％。

根据另一示例，半导体器件300的各个部分可以具有以下材料组成：

-金属化层130：5wt％的V，95wt％的Ni

-第一IMC 140：49wt％的Ni，51wt％的Sn

-第二IMC 150：49wt％的Ni，51wt％的Sn

-沉淀物160：78wt％的Ag，22wt％的Sn

-管芯载体120：100wt％的Cu

半导体器件300可以进一步包括布置在第二IMC 150下方的管芯载体120上的镀覆层。镀覆层可以包含100wt％的Ni。

图4A示出了包括半导体管芯110和布置在半导体管芯110上的层堆叠体410的前驱体布置400。前驱体布置400可以用于半导体器件100和300的制造。

层堆叠体410可以包括金属化层130、布置在金属化层130上的第一层420和布置在第一层420上的第二层430。第一层420可以是焊料材料层，并且第二层430可以是帽层。

第一层420可以包括具有较低熔点的第三金属，并且第二层430可以包括具有较高熔点的第四金属。

层堆叠体410还可包括布置在金属化层130和半导体管芯110之间的第三层440和第四层450。

根据示例，金属化层130包括NiV，并且可以具有例如500nm至750nm的厚度。第一层420可以包括Sn并且可以具有大约1200nm的厚度。第一层430可以包括Ag并且可以具有大约200nm的厚度。第三层440可以包括Ti并且可以具有大约200nm的厚度。第四层450可以包括Al并且可以具有大约200nm的厚度。

前驱体布置400可以被放置在管芯载体120上，并且随后可以执行扩散焊接工艺以制造半导体器件100或300。

前驱体布置400可以示出在扩散焊接以及IMC 140、150和沉淀物160的制造之前布置在半导体管芯110上的焊料材料(例如，Sn)。然而，焊料材料也可能代替地提供在管芯载体120上。

图4B示出了另一前驱体布置400'，其包括管芯载体120、第一层420和第二层430。具有布置在一侧上的金属化层130以及可选地第三和第四层440、450的半导体管芯110可以被放置在第二层430上，并且随后可以执行扩散焊接工艺以制造半导体器件100或300。

图5A示出了用于在基底520上沉积焊料材料510的示例性方法。焊料材料可以例如包括Sn。基底520可以包括半导体管芯110或替代地管芯载体120。

如图5A所示，可以例如通过分配工艺将焊料材料510沉积在基底520上。例如，分配单元530可以用于以流体形式分配焊料材料510。焊料材料510可以包括助焊剂，该助焊剂可以在分配工艺之后被从焊料材料510去除。

图5B示出了用于在基底520上沉积焊料材料的另一示例性方法。根据该方法，提供了焊料材料作为预成型件540，其可以整体上沉积在基底520上(例如，通过拾取和放置(pick-and-place)工艺)。焊料预成型件540可以包括一定的最小厚度，以便具有足够的结构稳定性来处理沉积工艺。最小厚度可以例如大于10μm或大于20μm。

焊料预成型件540可以包括(临时的)载体，其中焊料材料被布置在载体上。焊料预成型件540可以不含任何助熔剂。

图6A至图6E示出了根据用于制造半导体器件的示例性方法的处于各个制造阶段的半导体器件100。

如图6A所示，提供了具有金属化层130的半导体管芯110，其中金属化层130包括具有较高熔点的第一金属。例如，可以使用镀覆工艺或分配工艺将金属化层130设置在半导体管芯110上。此外，提供了包括具有较高熔点的第二金属的管芯载体120。

如图6B所示，可以在管芯载体120上提供包括具有较低熔点的第三金属的焊料材料610。例如，可以通过分配或作为如关于图5A和5B描述的焊料预成型件来提供焊料材料610。此外，可以在焊料材料610上提供包括具有较高熔点的第四金属的金属层620。提供金属层620可以例如包括分配工艺或镀覆工艺。

作为图6B所示的替代，对照图6C，可以将焊料材料610替代地提供在半导体管芯110上(特别是在金属化层130上)。可以例如在将焊料材料610沉积在半导体管芯110上之后，在焊料材料610上提供金属层620。

如图6D中所示，将半导体管芯110扩散焊接到管芯载体120。扩散焊接可以包括将半导体管芯110放置到管芯载体120上，使得金属化层130、焊料材料610和金属层620布置在半导体管芯110和管芯载体120之间。扩散焊接可以例如在烤箱中进行。扩散焊接可包括将焊料材料610加热到其熔点以上的温度，例如加热到230℃或更高的温度，持续一定的持续时间(例如1min或更长，5min或更长，或10min或更长)，以使焊料材料610与具有较高熔点的第一、第三和第四金属反应以形成IMC 140、150和沉淀物160。在焊接之后，可以使半导体器件100冷却到室温。还可以执行扩散焊接，使得在焊接之后不残留未反应的焊料材料610(换句话说，所有的焊料材料在焊接之后都是IMC的一部分)。

在扩散焊接期间，焊料材料610可以与金属化层130的材料和管芯载体120的材料(或在管芯载体120的顶部上的镀覆层的材料)反应，从而分别产生第一IMC 140和第二IMC150。

此外，对照图6E，焊料材料610可以与金属层620的材料反应，从而产生布置在第一IMC 140和第二IMC 150之间的第三IMC的沉淀物160。

图7是用于制造半导体器件的方法700的流程图。方法700可以例如用于制造半导体器件100和300。

方法700包括：在701处，提供具有金属化层的半导体管芯，该金属化层包括具有较高熔点的第一金属；在702处，提供包括第二金属的管芯载体，该第二金属具有较高熔点；在703处，提供包括第三金属的焊料材料，该第三金属具有较低熔点；在704处，在半导体管芯或管芯载体上提供具有较高熔点的第四金属的层；并且在705处，将半导体管芯焊接到管芯载体，并从而产生：第一金属间化合物，其布置在半导体管芯和管芯载体之间并包括第一金属和第三金属；第二金属间化合物，其布置在第一金属间化合物和管芯载体之间并包括第二金属和第三金属；以及第三金属间化合物的沉淀物，其布置在第一金属间化合物和第二金属间化合物之间并包括第三金属和第四金属。

根据方法700的示例，第一金属和第二金属是不同的金属，并且根据另一示例，第一金属和第二金属是相同的金属。第一金属可以例如是Ni、NiV或NiP，第二金属可以是Cu，第三金属可以是Sn或SnAgCu，并且第四金属可以是Ag。

根据方法700的示例，第一IMC可以包括Ni

示例

在下文中，将使用具体示例进一步解释半导体器件和用于制造半导体器件的方法。

示例1是一种半导体器件，包括：具有金属化层的半导体管芯，所述金属化层包括具有较高熔点的第一金属；管芯载体，其包括具有较高熔点的第二金属；第一金属间化合物，其布置在所述半导体管芯和所述管芯载体之间，并且包括所述第一金属和具有较低熔点的第三金属；第二金属间化合物，其布置在所述第一金属间化合物和所述管芯载体之间，并且包括所述第二金属和所述第三金属；以及第三金属间化合物的沉淀物，其布置在所述第一金属间化合物和所述第二金属间化合物之间，并且包括所述第三金属和具有较高熔点的第四金属。

示例2是根据示例1所述的半导体器件，其中，所述第一金属和所述第二金属是不同的金属。

示例3是根据示例1所述的半导体器件，其中，所述第一金属和所述第二金属是相同的金属。

示例4是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，所述第一金属和所述第二金属各自是Cu、Ni、NiV、NiP、Ag、Al、Au、Pd或Pt中的一种。

示例5是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，所述第三金属是Sn、SnAgCu、In、Zn或Ga中的一种。

示例6是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，所述第四金属是Ag、Au、Pt或Pd中的一种。

示例7是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，每个沉淀物的直径小于所组合的所述第一金属间化合物和所述第二金属间化合物的厚度的60％。

示例8是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，所述沉淀物基本上布置成平面。

示例9是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，所述沉淀物基本上布置在所述半导体管芯和所述管芯载体之间的中间。

示例10是根据前述示例中的一个示例所述的半导体器件，其中，所述沉淀物是所述第一金属间化合物和所述第二金属间化合物内的不连续的夹杂物。

示例11是一种用于制造半导体器件的方法，所述方法包括：提供具有金属化层的半导体管芯，所述金属化层包括具有较高熔点的第一金属；提供包括具有较高熔点的第二金属的管芯载体；提供包括具有较低熔点的第三金属的焊料材料；在所述半导体管芯或所述管芯载体上提供具有较高熔点的第四金属的层；将所述半导体管芯焊接到所述管芯载体，并从而产生：第一金属间化合物，其布置在所述半导体管芯和所述管芯载体之间并且包括所述第一金属和所述第三金属；第二金属间化合物，其布置在所述第一金属间化合物和所述管芯载体之间，并且包括所述第二金属和所述第三金属；以及第三金属间化合物的沉淀物，其布置在所述第一金属间化合物和所述第二金属间化合物之间，并且包括所述第三金属和所述第四金属。

示例12是根据示例11所述的方法，其中，所述第一金属和所述第二金属是不同的金属。

示例13是根据示例11所述的方法，其中，所述第一金属和所述第二金属是相同的金属。

示例14是根据示例11至13中的一个示例所述的方法，其中，所述第三金属是Sn，并且其中，所述第四金属是Ag。

示例15是根据示例14所述的方法，其中，所述沉淀物包括Ag

示例16是根据示例11至15中的一个示例所述的方法，其中，执行所述焊接使得在所述焊接后不残留任何未反应的第三金属。

示例17是根据示例11至16中的一个示例所述的方法，其中，组合的第一金属间相和第二金属间相的厚度小于10μm。

示例18是根据示例11至17中的一个示例所述的方法，其中，提供所述焊料材料包括将所述焊料材料沉积在所述半导体管芯上或所述管芯载体上。

示例19是根据示例11至17中的一个示例所述的方法，其中，将所述焊料材料提供为预成型件。

尽管已经关于一个或多个实施方式示出和描述了本公开，但是可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下对示出的示例进行改变和/或修改。特别是关于通过上述组件或结构(组合件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，即使在结构上不等同于执行在于此示例的本公开的示例性实施方式中的功能的所公开的结构，用于描述此类组件的术语(包括对“装置”的引用)也旨在与执行所描述的组件的指定功能的任何组件或结构对应(例如，在功能上等同)，除非另外指出。