專利名稱：制造半導體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所討論的實施方案涉及制造半導體器件的方法。
背景技術(shù)：
用于通過倒裝芯片接合來將半導體元件安裝在電路板等之上的方法的示例包括用于焊接半導體元件的方法、將導電粒子夾在電極端子之間以使電極端子相互接觸并且用樹脂固定以進行耦接的方法、以及類似的方法。例如，當電極之間的間距細微時，半導體元件的焊接可能困難。當半導體元件薄時，將連接處固定以減少翹曲直至冷卻結(jié)束，由此可能増加處理時間。 通過將導電粒子分散在膜狀絕緣樹脂中而制備的各向異性導電膜用于耦接特定的半導體元件如用于液晶顯示裝置(LCD)的驅(qū)動器。連接的可靠性在不低于每種絕緣樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下可能低。由于向電極施加高溫和高壓以進行固相擴散，所以熱壓接合會損害半導體元件中的電路。在通過化學機械拋光(CMP)將電極的表面平坦化之后，在真空中通過氬等離子體等活化電極表面且在低溫下進行固相擴散接合(表面活化接合)。在不損害半導體元件中的電路的溫度下執(zhí)行表面活化接合時，可能不能獲得足夠的接合強度。昂貴的真空裝備的使用可導致成本増加。日本公開特許公報號04-309474以及05-131279公開了相關(guān)技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)實施方案的ー個方面，一種制造半導體器件的方法包括通過對半導體元件的第一電極的表面進行處理來形成包括晶體的第一層；通過對該半導體元件安裝在其上的安裝構(gòu)件的第二電極的表面進行處理來形成包括晶體的第二層；在第一溫度下對在第一層上或第一層中存在的第一氧化膜以及在第二層上或第二層中存在的第二氧化膜進行還原，第一溫度低于第一電極中包括的第一金屬以固態(tài)進行擴散的第二溫度且低于第二電極中包括的第二金屬以固態(tài)進行擴散的第三溫度；以及通過固相擴散將第一層和第二層彼此接
ム
ロ ο根據(jù)ー種用于制造半導體器件的方法等，由于第一微晶層和第二微晶層的作用，甚至通過低溫下的固相擴散接合也可以獲得高接合強度。因此，可以在不増加成本的情況下實現(xiàn)具有高可靠性的接合處。本發(fā)明的目的和優(yōu)點將借助于權(quán)利要求中所具體指出的要素及組合來實現(xiàn)和獲得。應理解，上述的總體描述和以下的詳細描述是示例性和說明性的且并不對所要求保護的本發(fā)明進行限制。


圖I示出用于制造半導體器件的示例性方法；圖2A和圖2B示出用于制造半導體器件的示例性方法；圖3A至圖3D示出示例性電子衍射圖案；圖4A和圖4B示出用于制造半導體器件的示例性方法；圖5A和圖5B分別不出電極的不例性表面；圖6A、圖6B和圖6C示出用于制造半導體器件的示例性方法；圖7示出示例性半導體元件；
圖8A和圖8B分別示出示例性樣品；圖9A和圖9B分別示出示例性斷裂；圖IOA示出接合溫度與晶片剪切強度之間的示例性關(guān)系；圖IOB示出接合溫度與主體斷裂的百分比之間的示例性關(guān)系；圖IlA至圖IlD分別示出示例性芯片樣品；圖12A和圖12B示出示例性電極；以及圖13A和圖13B示出示例性電極。
具體實施例方式圖I示出用于制造半導體器件的示例性方法。在操作SI中，對半導體元件的電極的表面以及用于安裝該半導體元件的安裝構(gòu)件的電極的表面進行機械加工，由此在每個電極的表面上設(shè)置由于機械加工而粒度降低的微晶層。電極可以包括例如Cu、Sn、Al和Ni中的至少ー種。Cu、Sn、Al和Ni可能被氧化。用于形成半導體元件的電極的材料可以與用于形成安裝構(gòu)件的電極的材料不同。安裝構(gòu)件包括例如引線框、電路板等。圖2A和圖2B示出用于制造半導體器件的示例性方法。如圖2A所示，例如，半導體元件10包括電路部11和電極12，并且樹脂13包埋在電極12之間。如圖2B所示，用包括基部15a和切削部15b的金剛石車刀15切除電極12的表面和樹脂13的表面。在每個電極12的表面上都形成包括大量位錯的微晶層。安裝構(gòu)件可以以基本相同或類似的方式進行處理。微晶層可以具有約IOOnm的厚度。圖3A至圖3D示出示例性電子衍射圖案。圖3A至圖3D所示的電子衍射圖案可以是圖2A所示的被切削的電極的電子衍射圖案。圖3A示出與被切削的電極的透射電子顯微鏡(TEM)照片對應的圖。圖3B示出圖3A中所示的部位Pl的電子衍射圖案。圖3C示出圖3A中所示的位點P2的電子衍射圖案。圖3D示出圖3A中所示的部位P3的電子衍射圖案。參照圖3A，在接近表面的區(qū)域中存在大量的位錯。如圖3B、圖3C和圖3D所示，更接近表面的區(qū)域的晶體取向更無序。盡管未示出，但是每個電極的位錯密度在切削之前是基本均勻的。部位Pl和部位P2的電子衍射圖案可以與部位P3的電子衍射圖案基本相同。在每個被切削的電極的表面上可存在由于切削而粒度降低的微晶層。除了切削之外，機械加工還可以是研磨、噴砂等。在圖I所示的操作S2中，在對電極表面進行機械加工之后，在比在電極中發(fā)生固相擴散的溫度低的溫度下對電極表面進行還原。圖4A和圖4B示出示例性半導體器件制造方法。如圖4A所示，例如，將包括電極32的電路板31以及包括電極12的半導體元件10放置在置于殼21中的臺22上。將甲酸氣體導入到殼21中且將殼21加熱到120°C。具有通過機械加工而形成的非晶層的電極12和電極32的表面被還原。在使用甲酸氣體進行還原處理時，處理溫度可以是100°C至150°C。當處理溫度低于100°C時，可能不發(fā)生還原反應。當處理溫度超過150°C吋，由于細晶體再結(jié)晶，所以比存在于每個電極的表面上的細晶體更大的晶體的數(shù)目可能増加。圖5A和圖5B分別示出電極的不例性表面。圖5A所不的電極表面可以是經(jīng)還原的電極的表面。在圖5A中，還原處理在120°C進行。在圖5B中，還原處理在180°C進行。通過再結(jié)晶而形成的相對大的晶體之間的晶界可能存在于圖5B所示的電極表面中。甲酸、氫自由基或者ー氧化碳氣體可以用作為還原劑。在使用這樣的氫自由基吋，處理溫度可以是25°C至150°C。當處理溫度超過150°C時，由于細晶體再結(jié) 晶，所以比存在于每個電極的表面上的細晶體更大的晶體的數(shù)目可能増加。在使用這樣的ー氧化碳氣體時，處理溫度可以是50°C至150°C。當處理溫度低于50°C時，可能發(fā)生還原反應。當處理溫度超過150°C吋，由于細晶體再結(jié)晶，所以比存在于每個電極的表面上的細晶體更大的晶體的數(shù)目可能増加。在圖I所示的操作S3中，在還原處理之后，在比在電極中發(fā)生擴散的溫度低的溫度下將半導體元件10的電極12與安裝構(gòu)件的電極對準。圖6A、圖6B和圖6C示出示例性半導體器件制造方法。如圖6A所示，例如，將半導體元件10的電極12與電路板31的電極32水平地對準，以使得待彼此接合的電極布置成彼此相対。將微晶層12b定位成比電極12的基部12a更靠近每個電極12的表面。將微晶層32b定位成比電極32的基部32a更接近姆個電極32的表面。將微晶層12b和微晶層32b布置成彼此相對。在圖I所示的操作S4中，將電極以下述方式通過固相擴散彼此接合在電極之間施加電壓且將電極加熱到發(fā)生固相擴散的溫度。固相擴散接合可以在非氧化性氣氛中例如在真空中或者在惰性氣體氣氛中進行。例如，使圖4B所示出的電極12和電極32彼此接觸，由此微晶層12b和微晶層32b如圖6所示的那樣彼此接觸。進行加壓和加熱，微晶層12b中的金屬原子和微晶層32b中的金屬原子以固態(tài)擴散。發(fā)生固相擴散的溫度可以是約150°C至250°C。如圖6C所示，電極12與電極32之間的邊界消失，并且在與微晶層12b和微晶層32b存在的區(qū)域?qū)膮^(qū)域中形成包括接合部30a的連接構(gòu)件30。在電極包含基本相同類型的金屬吋，固相擴散隨著粒度的減小而趨于發(fā)生。因此，在低于或基本等于使用通過化學機械拋光平坦化的凸起所進行的表面活化接合的溫度的溫度下可以獲得高接合強度。由于固相擴散接合在被還原的微晶層之間進行，所以即使在相對低的溫度下也可以獲得高接合強度。在使用通過化學機械拋光平坦化的凸起所進行的表面活化接合中，例如，加熱在約250°C至300°C執(zhí)行，因此可能不能獲得足夠的接合強度。在被還原的微晶層的固相擴散接合中，通過在大約150°C至250°C下的加熱就可以獲得足夠的接合強度。由于沒有使用焊料，所以未使用阻擋金屬如Ti或Ni ;由此，可以降低成本和エ時。由于相似的金屬彼此接合，所以減少了由于合金化引起的空隙的形成，由此可以實現(xiàn)高穩(wěn)定性。半導體元件可以是例如大規(guī)模集成(LSI)芯片、存儲器或者晶體管如GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。圖7示出一種示例性半導體元件。圖7所示的示例性半導體元件可以是安裝在電路板41上的GaN HEMT42。電路板41和GaN HEMT 42利用源極連接構(gòu)件43s、漏極連接構(gòu)件43d和柵極連接構(gòu)件43g來彼此耦接。源極連接構(gòu)件43s、漏極連接構(gòu)件43d和柵極連接構(gòu)件43g分別耦接到GaN HEMT 42的源極、漏極和柵極。電路板41可以包括例如覆銅層壓板。圖8A和圖8B分別示出示例性樣品。例如，圖8A所示的芯片樣品51a可以通過以上所述的切削、還原、對準和固相擴散接合來制備。例如，圖8B所示的芯片樣品51b可以通過CMP代替切削并且通過還原、對準和固相擴散接合來制備。如圖8A所示，芯片樣品51a與電路板61a接合在一起。在芯片樣品51a的制備中，在Si襯底52的表面上形成導電層53和絕緣層54，在導電層53上形成凸起55a。每個凸起55a的表面被切削棹，由此形成微晶層。在芯片樣品61a的制備中，在Si襯底62的表面上形成導電層63和絕緣層64,在導電層63上形成板狀凸起65a。板狀凸起65a的表面被切除，由此形成微晶層。Cu電極可以用作為凸起材料。由于Cu電極的硬度高于Au電極的硬度，所以可以形成厚微晶層。就切削來說，可以使用利用單晶金剛石車刀的快速切削 處理。在快速切削處理中，以基本相同的速度對形成在晶片上的所有エ件例如凸起進行機械加工，由此在每個凸起的表面上的微晶層可以具有基本均勻的厚度。可以使用鼻端直徑(nose diameter)為IOmm的R型金剛石車刀。車刀邊緣的鼻端半徑(nose radius)可以為50nm 至 300nm。如圖8B所示，芯片樣品5Ib與電路板6Ib接合在一起。在芯片樣品51b的制備中，在Si襯底52的表面上形成導電層53和絕緣層54，在導電層53上形成凸起55b。凸起55b的表面經(jīng)受CMP。在電路板樣品61b的制備中，在Si襯底62的表面上形成導電層63和絕緣層64，在導電層63上形成板狀凸起65b。板狀凸起65b的表面經(jīng)受CMP。在CMP中，可以使用過氧化氫漿料以及由聚氨酯制成的磨蝕拋光墊。芯片樣品51a和51b的尺寸可以是5mmX5mmX0· 6mm。在芯片樣品51a中，392個凸起55a布置在芯片樣品51a的外周部分上。在芯片樣品51b中，392個凸起55b布置在芯片樣品51b的外周部分上。凸起55a之間的間距以及凸起55b之間的間距可以是40 μ m。凸起55a和55b的尺寸可以是25_X25_X0. 008mm。電路板樣品61a和61b的尺寸可以是5mmX 5mmXO. 6mm。板狀凸起65a和65b的尺寸可以是IOmmX IOmmXO. 6mm并且可以挨個設(shè)置。為了避免由于未對準引起的誤差，可以使用大的板狀凸起。取決于所使用的板狀凸起，可以不考慮對準精度。使用甲酸氣體在120°C的溫度下對芯片樣品51a和51b還原30分鐘。由于使用了板狀凸起65a和65b，所以對準可以簡單地進行。在固相擴散接合(熱壓接合)中，可以使用兩種不同的接合溫度，可以將接合時間設(shè)定為30分鐘，并且可以將接合壓カ設(shè)定為300MPa。芯片樣品51a和51b經(jīng)受晶片剪切實驗，并且對接合界面進行觀察。在晶片剪切實驗中，例如，對剪切強度進行測量并對斷裂類型百分比進行研究。圖9A和圖9B分別示出示例性斷裂。圖9A示出在凸起55a或55b之一中發(fā)生破裂70的主體斷裂(bulk fracture)。圖9B示出在凸起55a或凸起55b之一與板狀凸起65a或板狀凸起65b之間分別發(fā)生破裂70的界面斷裂。在對斷裂類型百分比的研究中，研究了主體斷裂的數(shù)目與界面斷裂的數(shù)目之和中主體斷裂的數(shù)目的百分比。在對接合界面的觀察中，用聚焦離子束(FIB)對接近接合界面的區(qū)域進行處理，并且用掃描電子顯微鏡(SEM)對包括接合界面的橫截面進行觀察。圖IOA示出接合溫度與晶片剪切強度之間的示例性關(guān)系。圖IOB示出接合溫度與主體斷裂的百分比之間的示例性關(guān)系。如圖IOA所示，在200°C和250°C的接合溫度下，芯片樣品51a的剪切強度大約是芯片樣品51b的剪切強度的兩倍。如圖IOB所示，在芯片樣品51a中，在200°C和250°C的接合溫度下，主體斷裂的百分比接近100%。在芯片樣品51b中，在200°C的接合溫度下，主體斷裂的百分比低。在芯片樣品51a中，通過在約200°C的固相擴散接合可以獲得高接合結(jié)構(gòu)。圖IlA至圖IlD分別示出示例性芯片樣品。圖IlA至圖IlD可以是與SEM照片對應的圖示。圖IlA示出在200°C的接合溫度下制備的芯片樣品51a。圖IlB示出在250°C的接合溫度下制備的芯片樣品51a。圖IlC示出在200°C的接合溫度下制備的芯片樣品51b。圖IlD示出在250°C的接合溫度下制備的芯片樣品51b。圖IlA至圖IlD所示的圓圈表示存在空隙。如圖IlA所示，在200°C的接合溫度下，大部分接合界面消失，觀察到了微小的接 合界面，且可存在微小的空隙。如圖IlB所示，在250°C的接合溫度下，存在少量的空隙，然而接合界面消失。因為靠近接合表面的空隙由于固相擴散和再結(jié)晶而遷移，所以空隙可被分散。接合界面可由于細晶體的再結(jié)晶而消失。如圖IlC和圖IlD所示，在芯片樣品51b中，在寬的區(qū)域中觀察到接合界面，而與接合溫度無關(guān)。微晶層的數(shù)目在CMP之后的處理方案的作用下被降低，因此不可能出現(xiàn)再結(jié)晶。圖12A和圖12B分別示出示例性電極。圖12A和圖12B可以與芯片樣品51a的電極的TEM照片對應。圖13A和圖13B分別示出示例性電極。圖13A和圖13B可以與芯片樣品51b的電極的TEM照片對應。圖12B所示的區(qū)域和圖13B所示的區(qū)域可以分別與圖12A中所示的四邊形和圖13A中所示的四邊形對應。如圖12A和圖12B所示，在芯片樣品51a中，在表面部分中存在包括細晶粒的區(qū)域。如圖13A和圖13B所示，在整個芯片樣品51b均存在大的晶粒。再結(jié)晶的可能性取決于結(jié)構(gòu)之間的差異，并因此可以導致接合強度之間的差異。此處所陳述的所有示例和條件性語言均意在為了教導以幫助讀者理解本發(fā)明和由發(fā)明人貢獻的以促進現(xiàn)有技術(shù)的概念，并且要被理解為不限于這樣具體陳述的示例和條件，并且對說明書中這些示例的組織不涉及對本發(fā)明優(yōu)劣的示出。雖然已經(jīng)對本發(fā)明的實施方案進行了詳細地描述，但是應該理解的是在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對其進行各種修改、替換和變化。
權(quán)利要求
1.一種制造半導體器件的方法，包括 通過對半導體元件的第一電極的表面進行處理來形成包括晶體的第一層； 通過對其上安裝所述半導體元件的安裝構(gòu)件的第二電極的表面進行處理來形成包括晶體的第二層； 在第一溫度下對在所述第一層上或所述第一層中存在的第一氧化膜以及在所述第二層上或所述第二層中存在的第二氧化膜進行還原，所述第一溫度低于在所述第一電極中包含的第一金屬以固態(tài)進行擴散的第二溫度且低于在所述第二電極中包含的第二金屬以固態(tài)進行擴散的第三溫度；以及 通過固相擴散將所述第一層和所述第二層彼此接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理包括切削。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一層和所述第二層在所述接合期間再結(jié)晶。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在所述接合之前，所述第一層和所述第二層在所述第一溫度下彼此接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一金屬和所述第二金屬包括選自Cu、Sn、Al和Ni中的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述安裝構(gòu)件包括引線框或電路板。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一溫度是100°C至150°C，并且使用甲酸作為還原劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一溫度是25°C至150°C，并且使用氫自由基作為還原劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一溫度是50°C至150°C，并且使用一氧化碳作為還原劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述半導體元件包括高電子遷移率晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述接合在150°c至250°C的溫度下進行。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述接合在非氧化性氣氛中進行。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理包括使所述第一電極的表面和所述第ニ電極的表面平坦化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制造半導體器件的方法，包括通過對半導體元件的第一電極的表面進行處理來形成包括晶體的第一層；通過對該半導體元件安裝在其上的安裝元件的第二電極的表面進行處理來形成包括晶體的第二層；在第一溫度下對在第一層上或第一層中存在的第一氧化膜以及在第二層上或第二層中存在的第二氧化膜進行還原，第一溫度低于在第一電極中包含的第一金屬以固態(tài)進行擴散的第二溫度且低于在第二電極中包含的第二金屬以固態(tài)發(fā)生擴散的第三溫度；以及通過固相擴散將第一層和第二層彼此接合。
文檔編號H01L21/335GK102693914SQ20121005065
公開日2012年9月26日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者今泉延弘, 水越正孝, 酒井泰治 申請人:富士通株式會社