包括金屬化層的器件和制造器件的方法
【專利摘要】本公開的實施方式涉及包括金屬化層的器件和制造器件的方法。該器件包括基部元件和在基部元件之上的金屬化層。金屬化層包括孔隙并且具有變化的孔隙度，孔隙度在與基部元件相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離基部元件的部分中高。
【專利說明】
包括金屬化層的器件和制造器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開設(shè)及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，并且更具體地設(shè)及一種包括金屬化層的器件和制造 器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在金屬化層、例如用于在半導(dǎo)體器件(例如功率半導(dǎo)體器件）中使用的金屬化層的 領(lǐng)域中，具有大厚度的金屬化層被采用W用于傳導(dǎo)大電流和用于傳遞熱。具體而言，歸因于 它們的大的電和熱傳導(dǎo)性，銅金屬化層可W W低損耗傳導(dǎo)熱和電流。電和熱傳導(dǎo)性通過增 加金屬化層的厚度而被增加。然而，歸因于金屬化層相對于金屬化層被布置于其上的載體 的材料的不同的熱膨脹系數(shù)，可能會出現(xiàn)金屬化層的脫層。此外，開裂可能形成在金屬化層 中并且另外，當(dāng)處理厚金屬化層被布置于其上的半導(dǎo)體晶片時，晶片可能會彎曲，使得進(jìn)一 步的處理變得困難。
[0003] 已對基于多孔系統(tǒng)的金屬化層進(jìn)行了研究。已顯示運些多孔金屬化層當(dāng)布置在半 導(dǎo)體襯底上時展現(xiàn)出減小等級的機(jī)械應(yīng)力。然而，運些多孔系統(tǒng)也具有降低的熱和電傳導(dǎo) 性。
[0004] 于是，對具有改進(jìn)的性質(zhì)的進(jìn)一步金屬化層進(jìn)行研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引根據(jù)實施例，一種器件包括基部元件和在基部元件之上的金屬化層，金屬化層具 有孔隙并且具有變化的孔隙度?？紫抖仍谂c基部元件相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離基部元件的部 分中高。
[0006] 根據(jù)進(jìn)一步實施例，一種器件包括基部元件和在基部元件之上的多孔金屬化層。 金屬化層包括來自銅、銀、儀和金的組的金屬，并且進(jìn)一步包括導(dǎo)電填充材料，其中導(dǎo)電填 充材料相對于金屬的比率在遠(yuǎn)離基部元件的部分處比在與基部元件相鄰的部分處高。
[0007] 根據(jù)實施例，一種制造器件的方法包括在基部元件之上形成多孔金屬化層，并且 此后使多孔金屬化層改變，使得金屬化層具有變化的孔隙度，孔隙度在與基部元件相鄰的 部分中比在遠(yuǎn)離基部元件的部分中高。
【附圖說明】
[0008] 附圖被包括W提供對本發(fā)明的實施例的進(jìn)一步理解并且被并入或構(gòu)成該說明書 的一部分。附圖圖示了本發(fā)明的實施例并且與描述一起用于說明原理。本發(fā)明的其它實施 例和許多預(yù)期優(yōu)點將容易領(lǐng)會，因為它們通過參照下面的詳細(xì)描述變得更好理解。附圖中 的元件并不一定相對于彼此按比例。同樣的附圖標(biāo)記標(biāo)示出對應(yīng)的類似部件。
[0009] 圖IA示出根據(jù)實施例的器件的截面圖。
[0010] 圖IB示出根據(jù)另外的實施例的器件的截面圖。
[0011 ]圖2A是圖示出示例和比較例的孔隙率的圖表。
[0012] 圖2B是圖示出示例和比較例的電阻率的圖表。
[0013] 圖3圖示出制造根據(jù)實施例的器件的方法。
[0014] 圖4A和圖4姻示出根據(jù)實施例的形成金屬化層的方法。
[001引圖5示出根據(jù)另外的實施例的器件的截面圖。
[0016] 圖6A是圖示出示例的孔隙率的圖表。
[0017] 圖6B是圖示出示例的電阻率的圖表。
[0018] 圖7圖示出根據(jù)另外的實施例的形成金屬化層的方法。
[0019] 圖8圖示出根據(jù)另外的實施例的形成金屬化層的方法。
【具體實施方式】
[0020] 在下面的詳細(xì)描述中，對形成其一部分并借助于在其中可W實踐本發(fā)明的圖示特 定實施例而圖示出的附圖進(jìn)行參考。在運方面，諸如"頂"、"底前"、"后"、"前面"、"后面' 等的方向術(shù)語是參照正在描述的圖的定向而使用的。因為本發(fā)明的實施例的部件可W W數(shù) 個不同定向進(jìn)行定位，所W方向術(shù)語是用于圖示的目的并且絕不是限制性的。需要理解的 是，可W利用其他實施例并且可W在不脫離由權(quán)利要求限定的范圍的情況下做出結(jié)構(gòu)和邏 輯改變。
[0021] 實施例的描述不是限制性的。具體而言，在下文中所描述的實施例的元件可W與 不同實施例的元件組合。
[0022] 在下面的描述中所使用的術(shù)語"晶片"、"襯底"或"半導(dǎo)體襯底"可W包括具有半導(dǎo) 體表面的任何基于半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。晶片和結(jié)構(gòu)將被理解為包括娃、絕緣體上娃(SOI)、藍(lán)寶 石上娃(SOS)、經(jīng)過滲雜和未經(jīng)滲雜的半導(dǎo)體、由基部半導(dǎo)體基底支撐的娃的外延層和其它 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體不必是基于娃的。半導(dǎo)體也可W是娃-錯、錯或神化嫁。根據(jù)其他實施 例，碳化娃(SiC)或氮化嫁(GaN)可W形成半導(dǎo)體襯底材料。
[0023] 如該說明書中所使用的術(shù)語"橫向"和"水平"意在描述平行于半導(dǎo)體襯底或半導(dǎo) 體主體的第一表面的定向。運可W例如是晶片或裸片的表面。
[0024] 如該說明書中所使用的術(shù)語"豎直"意在描述垂直于半導(dǎo)體襯底或半導(dǎo)體主體的 第一表面布置的定向。
[0025] 圖IA示出根據(jù)實施例的器件1的截面圖。圖IA中示出的器件包括基部元件100和在 基部元件100之上的金屬化層160。金屬化層160包括孔隙175且具有變化的孔隙度?？紫抖?在與基部元件100相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離基部元件100的部分中高。
[0026] 基部元件100可W是包括器件部件155的半導(dǎo)體襯底。基部元件100可W進(jìn)一步包 括電路元件150。例如，電路元件150和器件部件155可W是半導(dǎo)體器件的部件，諸如經(jīng)過滲 雜的部分、絕緣部分或者半導(dǎo)體器件中的具有特殊功能的導(dǎo)電部分。半導(dǎo)體器件的示例是 晶體管或基于晶體管的器件，例如功率半導(dǎo)體器件、功率M0SFET、功率IGBT、二極管及其他。 器件部件155的另外的示例是電阻器、電容器、電感器、傳感器、能量產(chǎn)生部件、能量存儲部 件和轉(zhuǎn)換元件、例如光電轉(zhuǎn)換元件及其他。電路元件150可W包括用于實施邏輯電路及其他 的電路任何合適的元件。如可清楚地理解的，多個器件部件155或電路元件150可W布置在 基部元件中。器件部件155或電路元件150可W被電禪合至金屬化層160?；吭?00可W 進(jìn)一步包括合適的導(dǎo)電或絕緣材料。根據(jù)另外的實施例，基部元件100可W不是半導(dǎo)體而是 可W包括諸如玻璃等的絕緣體或由其構(gòu)成，或者可W是諸如金屬片或金屬合金片等的導(dǎo)電 元件。
[0027] 金屬化層160布置在基部元件100的主表面110上。金屬化層可W包括銅或銅合金。 根據(jù)另外的實施例，金屬化層160可W包括銀、儀或金或者任何運材料的合金。金屬化層160 可W包括任何另外的金屬或金屬合金。金屬化層160包括孔隙175?？紫抖仍谂c主表面110相 鄰的部分中比在與金屬化層160的主表面115相鄰的部分中高?？紫抖瓤蒞被定義為金屬化 層的密度與體金屬化層的密度的比率。例如，如果多孔金屬化層的密度（即，質(zhì)量/體積)與 體金屬化層的密度的比率是A，則孔隙率等于1-A。如可容易領(lǐng)會的，孔隙度獨立于孔隙的大 小和孔隙的大小的分布。通常，孔隙的大小近似為幾百mm至幾 WI1。例如，金屬化層160的厚度 可W是超過3]im、例如超過如m并且甚至更大、例如30]im或更大。
[0028] 歸因于金屬化層160內(nèi)的變化的孔隙度，使得孔隙度在與基部元件相鄰的部分中 較高，機(jī)械應(yīng)力可W減小。具體而言，機(jī)械應(yīng)力出現(xiàn)在基部元件100與金屬化層160之間的界 面處。于是，在靠近界面的區(qū)域中的高孔隙度使機(jī)械應(yīng)力減小。另一方面，歸因于遠(yuǎn)離基部 元件100的部分中的較小孔隙度，金屬化層的熱和電傳導(dǎo)性被增加。
[0029] 例如，通常連接布線在金屬化層115的表面處被接合至金屬化層。歸因于降低的孔 隙度，在到另外的金屬化布線的觸點待產(chǎn)生所在的該區(qū)域中，電傳導(dǎo)性被增加，從而致使金 屬化層的改進(jìn)的行為。
[0030] 圖IB示出根據(jù)另外的實施例的器件。圖IB的器件2包括基部元件100和在基部元件 100之上的多孔金屬化層165。金屬化層165包括金屬和導(dǎo)電填充材料180。導(dǎo)電填充材料180 相對于金屬的比率在遠(yuǎn)離基部單元100的部分處比在與基部元件100相鄰的部分處高。金屬 可W從銅、銀、儀和金的組中選擇。金屬也可W包括另外的金屬。例如，金屬可W是銅。
[0031] 在圖IB的實施例中，基部元件100可W具有與圖IA的基部元件100類似的構(gòu)造。導(dǎo) 電填充材料180的含量相對于金屬的含量在靠近金屬化層的表面115的一側(cè)比在靠近基部 元件的主表面110的一側(cè)高?？紫?75布置在金屬化層165中。導(dǎo)電填充材料180可W至少部 分地填充孔隙175中的至少一些。作為結(jié)果，所產(chǎn)生的層的孔隙度可W在靠近基部元件100 與金屬化層160之間的界面的部分處比在靠近金屬化層的主表面115的部分處大。例如，導(dǎo) 電填充材料可W與金屬化層160的金屬相同或者可W是與金屬化層的金屬不同的材料。例 如，如果金屬化層包括銅或銅合金，則導(dǎo)電填充材料可W包括銀、鋒、錫、儀、銅、金或碳。導(dǎo) 電填充材料不必是金屬。例如，導(dǎo)電填充材料可W包括碳納米管或石墨締。例如，導(dǎo)電填充 材料180可W與金屬化層的金屬的一部分烙融或燒結(jié)在一起。在諸如鋒或錫等的合金形成 材料被采用作為導(dǎo)電填充材料的情況中，金屬化層的金屬可W與導(dǎo)電填充材料形成合金。 圖IB的實施例的另外的特征與圖IA的實施例類似。如可清楚地理解的，根據(jù)圖IA的實施例 的器件也可W W參照圖IB所描述的方式來實施，即，包括導(dǎo)電填充材料180。
[0032] 圖2A和圖2B圖示出與根據(jù)圖IA的實施例的包括金屬化層的器件(示例）相比的具 有均勻孔隙率的多孔金屬化層（比較例）的性質(zhì)。如圖2A中示出的，示例具有與比較例相比 稍小的孔隙度。在運方面需要注意的是，圖2A未示出孔隙的分布而是僅僅示出了相對于金 屬化層的孔隙率的平均值。圖2B示出示例具有與比較例相比較小的電阻率或比電阻。于是， 金屬化層的特殊孔隙率導(dǎo)致減小的電阻率。例如，7%至8%的孔隙率的減小可W導(dǎo)致15% 至20 %的電阻率的減小。
[0033] 如將在下面討論的，在與基部元件相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離基部元件的部分中高的 孔隙度可W通過使多孔層的表面改變而得到。
[0034] 圖3圖示出制造器件的方法。方法包括在基部元件100之上形成多孔金屬化層 (SlOO)。此后，使多孔金屬化層改變(S150)，使得金屬化層具有變化的孔隙度，孔隙度在與 基部元件100相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離基部元件100的部分中高。
[0035] 圖4A圖示出根據(jù)更加特定的實施例的制造器件的方法。如示出的，方法包括在基 部元件100之上形成多孔金屬化層（SlOO)。此后，在多孔金屬化層之上形成導(dǎo)電填充材料 (S200)并且執(zhí)行熱處理（S300)。例如，熱處理可W在惰性或還原性氣氛中W近似200°C至 400°C執(zhí)行近似15分鐘至180分鐘。歸因于熱處理，多孔金屬化層之上的導(dǎo)電填充材料和多 孔金屬化層烙融，導(dǎo)致減小的孔隙度。例如，器件可W是半導(dǎo)體器件、例如功率半導(dǎo)體器件。
[0036] 根據(jù)實施例，形成多孔金屬化層可W包括在基部元件之上執(zhí)行等離子體塵埃沉積 方法或者施加金屬膏，可選地隨后是熱處理。例如，運樣的熱處理可W在還原性氣氛中執(zhí) 行，使得例如金屬氧化物可W減少。此外，熱處理可能會導(dǎo)致再結(jié)晶，運會引起減小的電阻 率和應(yīng)力。多孔金屬化層的材料和導(dǎo)電填充材料可W是參照圖IA和圖IB在上面描述的材 料。例如，多孔金屬化層的材料可W是銅。根據(jù)另外的實施例，多孔金屬化層的材料可W是 銀、儀或金、或者銅、銀、儀或金的合金。接著，導(dǎo)電填充材料形成于多孔金屬化層160、165之 上。金屬化層160、165可W是開孔的層或者可W不是開孔的層。
[0037] 例如，形成導(dǎo)電填充材料可W包括施加包括導(dǎo)電填充材料的納米粒子的層或墨。 更詳細(xì)地，包括納米粒子的系統(tǒng)可W包括可由諸如絲網(wǎng)印刷、模版印刷、噴墨印刷、浸潰或 旋涂等的合適方法施加的粉末、膏或墨。于是，納米粒子可W大規(guī)模地或僅局部地施加。根 據(jù)實施例，納米粒子可W具有IOnm至50nm的直徑。例如，納米粒子可W被施加，W便在多孔 金屬化層的表面處形成使表面粗糖度或不平度變平的層。根據(jù)實施例，導(dǎo)電填充材料的層 的厚度可W是近似IOOnm至甚至20]im或超過50]im、例如lOOjim。當(dāng)施加熱處理時，納米粒子可 W與多孔層的晶粒烙融和/或燒結(jié)在一起，并因此通過完全或至少部分填充孔隙來增加金 屬化層的密度。
[0038] 該過程進(jìn)一步圖示在圖4B中。多孔金屬化層被形成為包括晶粒170和晶界190的連 續(xù)金屬化層171?？紫?75可W布置在晶粒170中的一些之間。包括納米粒子185的墨被施加 作為導(dǎo)電填充材料，使得納米粒子185被布置在孔隙175中。在熱處理期間，納米粒子185與 晶粒170烙融或燒結(jié)在一起，由此形成較大晶粒170并且使晶界190移位。作為結(jié)果，孔隙大 小被減小或者孔隙甚至被完全填充，從而導(dǎo)致金屬化層的增加的密度。
[0039] 根據(jù)另外的示例，幾個層的導(dǎo)電填充材料可W被施加并經(jīng)受熱處理W導(dǎo)致較大的 層厚度而沒有開裂。
[0040] 根據(jù)另外的示例，導(dǎo)電填充材料180可W填充孔隙而不與晶粒170烙融或形成合 金。例如，如果碳、例如碳納米管或納米線或石墨締被用作導(dǎo)電填充材料180,則碳可W填充 孔隙175,導(dǎo)致金屬化層的降低的孔隙度。歸因于熱處理，包括碳的墨的溶劑可W被蒸發(fā)。
[0041] 當(dāng)施加包括納米粒子185的墨時，環(huán)境的溫度可W選擇成使得包括納米粒子的墨 滲透到多孔金屬化層內(nèi)至預(yù)定深度。例如，墨可W包括溶劑且溶劑的蒸發(fā)速率取決于溫度。 在高溫度下，溶劑W高速率蒸發(fā)使得納米粒子僅滲透至與溫度被減小時的情況(例如溶劑 W非常慢的速率蒸發(fā)使得納米粒子滲透至較大深度時的室溫)相比小的深度。
[0042] 根據(jù)另外的實施例，墨的粘度可W選擇成使得導(dǎo)電填充材料滲透到多孔金屬化層 內(nèi)至預(yù)定深度。例如，粘度越高，滲透深度越小。
[0043] 如已在上面描述的，根據(jù)制造器件的本方法，多孔金屬化層可W在通過施加金屬 納米粒子的形成之后被改變，由此多孔金屬化層中的孔隙175可W用納米粒子部分或者全 部填充。由此，可W使金屬化層的性質(zhì)、特別是物理性質(zhì)改變。例如，金屬化層可W例如通過 在表面加帽或者形成孔隙率的梯度而被局部改變。根據(jù)另外的實施例，與金屬化層的材料 不同的金屬的納米粒子可W被施加使得可W形成金屬間化合物、合金或復(fù)合系統(tǒng)。
[0044] 示例 1
[0045] 起始材料是任意載體上的多孔銅層、例如用銅膏印刷的半導(dǎo)體晶片。銅膏已被干 燥、燒結(jié)和退火。該系統(tǒng)限定了機(jī)械穩(wěn)定的多孔系統(tǒng)。此后，可W通過使用噴墨印刷過程施 加諸如CI-002(由Intrinsiq材料有限公司制造)等的銅納米粒子墨。例如，可W W495dpi ("每英寸點數(shù)"）的印刷分辨率施加一個層的納米粒子。襯底溫度可W是35°C并且可W設(shè)定 下面的參數(shù)。印刷頭:2/6/2波形(壓電）；87.2V; 90 % ; -20mbar; 30°C頭溫度;35°C襯底溫度。 此后，使金屬化層Wl〇〇°C干燥15分鐘。接著，W400°C使用30分鐘預(yù)加熱時間并且W400°C 在化/C出化氛圍中使用15分鐘加熱時間來執(zhí)行燒結(jié)過程。
[0046] 已顯示所施加的納米粒子與金屬化層的銅相或銅材料烙合在一起或合為一體。所 形成的金屬化層允許了與納米粒子層未形成于其上且未執(zhí)行燒結(jié)過程的具有均勻孔隙度 的銅層相比改進(jìn)的電和熱傳導(dǎo)性。
[0047] 根據(jù)實施例，納米粒子具有在近似20nm的分布的最大值時的近似IOnm至50nm的大 小?？紫兜拇笮∈羌{米粒子的大小的大約100倍至10000倍。用于形成多孔金屬化層的粒子 的大小是納米粒子的大小的10倍至100倍。在納米粒子由與多孔金屬化層的金屬不同的金 屬制成的情況中，當(dāng)執(zhí)行隨后的熱處理時可W形成合金。例如，運樣的熱處理可W W大約 200°C的溫度執(zhí)行。由于多孔層具有高表面面積，所W合金的形成可W歸因于納米粒子的固 有性質(zhì)而W低于烙點的溫度執(zhí)行。
[0048] 歸因于金屬化層的熱處理，襯底的金屬的晶粒大小被增加。
[0049] 根據(jù)另外的實施例，變化的孔隙度可W通過分別施加具有不同孔隙度的至少兩個 子層來獲得。例如，運可W通過在基部元件之上施加第一金屬膏并且此后施加第二金屬膏 來實現(xiàn)，其中第二金屬膏被形成為具有與由第一金屬膏形成的第一子層相比較低的孔隙度 的第二子層(金屬層）。
[0050] 通常，用于形成多孔金屬的金屬膏可W包括具有大于1皿的大小、例如具有在1皿 至10皿的范圍內(nèi)、例如3]im至扣m的大小的微粒子與具有近似10皿至100皿、例如40皿至60皿 的大小的納米粒子的混合物。當(dāng)運樣的金屬膏被加熱時，使微粒子合并的燒結(jié)過程可W W 低于所使用的金屬的烙點的溫度發(fā)生。例如，在銅金屬膏的情況中，熱處理可W W200°C至 250°C的溫度執(zhí)行，而銅的烙點是1084°C。
[0051] 通過改變納米粒子相對于微粒子的組成比率，可W確定通過退火(燒結(jié))形成的金 屬層的孔隙率。例如，如果在金屬膏中包含較大的納米粒子相對于微粒子的比率，則所產(chǎn)生 的層將具有較大密度并因此具有較低孔隙度。另一方面，如果使用具有較低的納米粒子相 對于微粒子的比率的金屬膏，則將形成具有較低密度并因此具有較高孔隙度的金屬化層。
[0052] 根據(jù)另外的實施例，通過退火(燒結(jié))形成的金屬層的孔隙率可W通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定 金屬膏的微粒子的孔隙大小分布來確定。
[0053] 形成第一子層可W包括例如通過印刷而在基部元件上施加第一金屬膏、干燥W及 執(zhí)行用于形成多孔金屬化層的燒結(jié)和退火步驟。歸因于較高孔隙度，在與基部元件的界面 處存在較低應(yīng)力。在使第一子層干燥并退火/固化之后，形成第二子層，其中第二層具有較 低孔隙度。將用于形成第二子層的金屬膏印刷、干燥并退火。第二子層歸因于較低孔隙度而 具有較大等級的熱應(yīng)力。然而，歸因于被布置在第二子層與基部元件之間的第一子層，對基 部元件的應(yīng)力被顯著地減小。第二層增加了整個金屬化層的電傳導(dǎo)性并且具有較高等級的 硬度，由此改進(jìn)了諸如機(jī)械接合等的另外的處理方法。在第一與第二子層之間的界面處，形 成有其中用于形成第二子層的金屬膏滲透到第一子層內(nèi)并形成化合物的過渡層。
[0054] 于是，當(dāng)形成具有高孔隙度的第一子層跟著是形成具有較低孔隙度的第二子層的 過程時，能夠使完成的層堆疊的物理性質(zhì)優(yōu)化。所W在與載體100的界面處的高多孔層提供 了對載體100的低應(yīng)力，并且在層堆疊的頂部的低多孔層提供了用于在表面處接合的增加 的硬度。第二子層可W由包括與第一子層的金屬不同的金屬的金屬膏形成。如可清楚地理 解的，超過兩個的多孔子層可W形成在基部元件之上。
[0055] 所產(chǎn)生的金屬化層的另外的性質(zhì)可W通過改變子層的物理性質(zhì)、通過調(diào)節(jié)第一子 層的和第二子層的厚度W及整個金屬化層的厚度來改變。此外，子層的數(shù)量W及子層的化 學(xué)組成可W改變。
[0056] 根據(jù)另外的實施例，金屬化層可W包括=個子層。例如，第一子層可W具有大孔隙 度、隨后是具有較低孔隙度的第二子層。此外，具有與第二子層相比較大孔隙度的第=子層 可W形成在第二子層的頂部上。例如，運可W提供對于待布置在第=子層上的另外的系統(tǒng) 的減小的應(yīng)力。
[0057] 換言之，根據(jù)另外的實施例，附加子層可W布置于第二子層之上，附加子層具有可 W根據(jù)整個系統(tǒng)的要求選擇的變化的孔隙度。
[0058] 第一子層的表面可W在形成第二子層之前是開孔的或者不是開孔的。
[0059] 示例2
[0060] 起始材料是任意載體。例如，載體可W是與參照圖1在上面討論的一樣包括幾個器 件部件555并且可選地包括電路元件550的半導(dǎo)體晶片(參見圖5)。例如，阻擋層可W形成在 載體500的第一表面510之上。例如，如果半導(dǎo)體材料是娃，則娃與銅層之間的不希望的化學(xué) 反應(yīng)可W歸因于阻擋層而被避免。此后，將第一銅膏施加至載體500。例如，運可W通過執(zhí)行 模版或絲網(wǎng)印刷方法、隨后是干燥步驟(例如，在60°C下持續(xù)一個小時，取決于膏性質(zhì))和燒 結(jié)與退火的另外的步驟來實現(xiàn)。作為結(jié)果，可W得到具有近似40%至50%的孔隙率和10皿 至50WI1的層厚度的機(jī)械穩(wěn)定的多孔系統(tǒng)，取決于膏和模版厚度。如可清楚地理解的，第一子 層可W通過任何其他合適的方法形成。
[0061] 此后，為了形成第二子層，另外的銅膏可W被施加，W便產(chǎn)生近似15%至25%的孔 隙率。例如，運可W通過使用模版印刷過程、施加包括納米粒子而沒有微粒子或顯著降低組 分的微粒子并且具有50%至90%的固體含量的納米膏來實現(xiàn)。此后，執(zhí)行W60°C持續(xù)一個 小時的干燥步驟和另外的W近似400°C的退火步驟。干燥和退火步驟可W W與用于形成第 一子層的方法類似的方式執(zhí)行。例如，第二子層可W具有比第一子層的厚度小的厚度。例 如，第二子層的厚度可W是1皿至10皿。
[0062] 圖5示出所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的示例。如示出的，金屬化層560包括第一子層570和第二子 層578。第二子層578具有與第一子層相比較低的孔隙度。金屬化層560的厚度d可W是近似 IOwii至500皿。第一金屬化層570的厚度di可W是IOwii至490WH，并且第二金屬化層578的厚 度可W是近似Iwii至50WI1。根據(jù)特定實施例，第一金屬化層570的厚度山可W是10皿至50皿， 并且第二金屬化層578的厚度可W是近似1皿至10皿。根據(jù)該實施例，金屬化層560的厚度可 W是IOwii至60WI1。過渡層573形成在第一多孔層570與第二多孔層578之間的界面處。需要注 意的是，歸因于層的孔隙率，金屬化層560的厚度d可W與第一金屬化層570和第二金屬化層 578的厚度不同。
[0063] 圖6A示出了圖示出在形成第二子層之前和之后整個或組合金屬層的電阻率的圖。 圖表（1)至(3)圖示出各具有不同孔隙度的=個單個子層的電阻率的行為。更具體地，如圖 6A中圖示出的，子層(2)具有與子層（1)相比較大的孔隙度，子層（1)具有與子層(3)相比較 大的孔隙度。在將納米粒子膏施加在頂部并且執(zhí)行固化步驟W形成第二子層(4)之后，所有 =個金屬化層的平均孔隙率降低。具體而言，包括子層(3)的金屬化層的孔隙率降低至與由 金屬膏形成的第二子層(4)的孔隙率對應(yīng)的等級。
[0064] 圖6B示出在形成第二層且執(zhí)行固化步驟之后的比電阻的行為。使用4點測量配置 測量出了比電阻。如圖示的，包括金屬層（1)、（2)、（3)中的任何一個的金屬層的比電阻在形 成金屬膏的第二金屬層(4)之后大大降低。此外，已顯示，歸因于第二層的形成，與具有源自 相同厚度的僅一個均勻?qū)?一個膏的相同總體孔隙率和導(dǎo)電率的層相比，可W大大地降低 施加不同溫度時的機(jī)械應(yīng)力。
[0065] 圖7概述了根據(jù)該實施例的形成金屬化層的方法。根據(jù)該實施例，使多孔金屬化層 改變包括在多孔層之上形成第二子層，第二子層578具有與多孔層570相比較低的孔隙度。 于是，形成金屬化層包括在基部元件之上形成第一子層（S600)，并且此后在第一子層之上 形成第二子層(S610)，第二子層具有與第一子層相比較低的孔隙度。例如，運可W包括施加 第一金屬膏并且此后在第一金屬膏之上施加第二金屬膏，第二金屬膏具有與第一金屬膏相 比較高的納米粒子的量。
[0066] 第二金屬膏可W包含可W與第一金屬膏的金屬相同或不同的金屬。
[0067] 根據(jù)另外的實施例，多孔金屬層的物理性質(zhì)可W通過施加金屬有機(jī)前體化合物來 改變。此后，可W使金屬有機(jī)前體材料轉(zhuǎn)化成金屬。例如，運可W通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韥韺崿F(xiàn)。 另外地或備選地，運可W通過使用適合于所選擇的前體的特定物理和化學(xué)條件來實現(xiàn)。例 如，前體化合物可W是無機(jī)金屬化合物。根據(jù)另外的實施例，前體化合物可W是金屬有機(jī)化 合物。在運些情況中的任何一個中，金屬可W等同于金屬化層的金屬或者是不同金屬。例 如，前體材料的金屬可W是與銅形成合金的金屬。特定示例可W從錫、鋒、儀、銅、金和銀的 組中選擇。前體化合物可W被作為溶液或作為液體、例如作為烙化的前體施加或者可W被 作為氣體施加。例如，當(dāng)前體化合物被作為液體前體化合物施加時，運可W使用噴墨印刷方 法、旋涂方法、噴涂方法、浸潰方法或用于施加液體的任何其他合適的方法來實現(xiàn)。前體化 合物滲透到金屬層的孔隙內(nèi)。可選地，可W執(zhí)行干燥過程和熱處理使得前體化合物被轉(zhuǎn)化 成金屬相或起反應(yīng)，W便局部填充孔隙或改變系統(tǒng)的性質(zhì)。歸因于該處理，可W使層的性質(zhì) 改變。例如，可W使金屬層的孔隙率減小。前體化合物可W被施加在金屬層的整個表面之上 或者僅在其一部分處。例如，可W覆蓋金屬層的表面的一部分，使得在運些被覆蓋的部分不 施加化合物，或者可W施加前體化合物的濃度的梯度，W便產(chǎn)生孔隙率的梯度。
[0068] 前體化合物的反應(yīng)可W通過能量來誘發(fā)。例如，能量可W被作為熱能量施加、例如 在加熱過程中，或者可W被作為光子能量施加、例如通過使用激光照射或通過其他光源、高 能量放電(氣氣閃光燈)或微波激發(fā)的照射。例如，該反應(yīng)在可W是惰性的（例如，化、化、Ar) 氣氛中或者在諸如此、甲酸及其他等的反應(yīng)伙伴的氣氛中執(zhí)行，由此可W防止氧化或者可 W使產(chǎn)生的金屬氧化物減少。
[0069] 前體的反應(yīng)的不希望的產(chǎn)物可能是氣態(tài)的并且可W經(jīng)由孔隙離開金屬化層。
[0070] 可選地，此后，可W執(zhí)行熱退火步驟W便得到已經(jīng)經(jīng)歷了再結(jié)晶的穩(wěn)定的系統(tǒng)。
[00川通常，金屬化層的電特性可W受到W下參數(shù)的影響：
[0072] 基部元件的特性、前體化合物的化學(xué)組成(例如，尤其是，如果使用可W與金屬層 形成金屬間相的不同金屬的話）、溶劑的沸騰溫度和前體的濃度、施加前體化合物的方法及 所施加的前體材料的量。
[0073] 可W改變金屬化層的性質(zhì)的另外的參數(shù)是當(dāng)施加前體材料時的基部元件的溫度。 例如，如果基部元件歸因于溶劑的蒸發(fā)而被保持在高溫度，則前體化合物不會滲透到深的 深度內(nèi)并且形成了表面加帽層。在較低溫度時，溶液可W滲透到金屬化層內(nèi)至較深的深度 并且可W形成前體化合物的濃度的梯度。作為結(jié)果，系統(tǒng)的孔隙率可W W較大比例變化。
[0074] 示例3
[0075] 用于執(zhí)行根據(jù)該實施例的方法的起始點是與參照示例2描述的基部元件類似的基 部元件。首先，施加用于形成具有高孔隙度的金屬層的金屬膏(例如，由In化insiq材料有限 公司制造的CP-003)。運可W使用膏印刷方法(模版或絲網(wǎng)印刷)來實現(xiàn)。接著，可W執(zhí)行干 燥過程和退火步驟W便形成具有近似40%至50%的孔隙率的機(jī)械穩(wěn)定的多孔系統(tǒng)。工藝參 數(shù)可W與參照實施例描述的一樣。金屬層可W具有近似10皿至50皿的厚度。此后，可W施加 金屬有機(jī)銅前體化合物。
[0076] 根據(jù)示例，可W使用銅目虧鹽(copper OXimate)?？蒞執(zhí)行到充分使銅朽鹽分解的 溫度的熱處理。例如，基部元件可W被加熱至近似180°C的溫度。作為結(jié)果，CuO由銅目虧鹽形 成。此后，可W執(zhí)行還原過程W便使化0還原成Cu。例如，運可W W可高于200°C的溫度在可 W包含甲酸或諸如甲醇、甲醒、一氧化碳、氨氣(出)等的另一還原劑的惰性氣氛中來實現(xiàn)。
[00)
[0078] 根據(jù)另外的實施例，甲酸銅(copper formate)可W被用作前體化合物。
[0079] 此后，執(zhí)行熱處理W便使甲酸銅分解成銅。例如，溫度可W是近似200°C。使用甲酸 銅的優(yōu)點是不要求附加的還原劑，因為是通過甲酸銅的原位熱分解形成的并且惰性氣氛是 充分的。
[0080]
[0081 ] 根據(jù)另外的實施例，可W使用銅丙醇鹽(copper propoxide)。例如，銅氨基丙醇鹽 (copper amino 91'〇9〇^;1(16)可^具有通用分子式：
[0082]
[0083]
[0084] 例觀，Kl生KbW ^^是中巷現(xiàn)臺基或者諸如H、烷基或芳基等的另外的基。基團(tuán)可W 是相同的基團(tuán)或基或者可W彼此不同。
[008引例如，如果金屬M是銅并且Rl是甲基，貝化2、R3、R4是氨并且R5和R6分別是甲基，化 合物是銅（II)雙仁甲氨基-2-丙氧化物）（Cu-DMAP)。備選地，在R5和R6分別是乙基的情況 中，運可W是銅（II)雙(二甲氨基-2-丙氧化物KCu-DEAP)。在施加了運些前體材料中的任 何一個之后，可W執(zhí)行熱處理用于使化合物分解成Cu。例如，在熱處理期間溫度可W是近似 140°C至150°C。例如，熱分解可W在惰性氣體氣氛(化、惰性氣體）中、在形成氣體中、在化/甲 酸氣氛之下或在其他化/還原劑氣氛之下執(zhí)行。
[0086] 例如，生產(chǎn)出飽和溶液并使用旋涂、浸潰、噴涂、噴射印刷或移液管(P ipette)來施 加。備選地，前體材料可W被烙化并施加。例如，Cu-DEAP或Cu-DMAP具有約50°C的烙點。在干 燥步驟、例如在60°C持續(xù)30分鐘之后，執(zhí)行加熱過程到近似150°C至400°C、例如30分鐘的加 熱時間、在化/甲酸氣體流中的在400°C 15分鐘至90分鐘的保持時間W將前體轉(zhuǎn)化成金屬 Cu O
[0087] 下面的表格示出了使用不同施加方法對前體化合物的影響W及層的電傳導(dǎo)性的 改進(jìn)。
[008引
[0089]
[0090] 如上面表格中示出的，歸因于在金屬化層上施加金屬前體層，整個層的電傳導(dǎo)性 可W被提局。
[0091] 圖8概述了根據(jù)該實施例的方法。如圖8中圖示出的，制造器件的方法包括在基部 元件之上形成(S800)多孔金屬化層、此后將前體材料施加(S810)至多孔金屬化層并且接著 執(zhí)行(S820)熱處理過程。
[0092] 雖然已經(jīng)在上面描述了發(fā)明的實施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該領(lǐng)會到可W 實施另外的實施例。例如，另外的實施例可W包括權(quán)利要求中所記載的特征的任何子組合 或者在上面給出的示例中描述的元件的任何子組合。于是，所附權(quán)利要求的該精神和范圍 不應(yīng)該限于在運里所包含的實施例的描述。
【主權(quán)項】
1. 一種器件，包括： 基部元件;和 在所述基部元件之上的金屬化層，所述金屬化層包括孔隙并且具有變化的孔隙度，所 述孔隙度在與所述基部元件相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離所述基部元件的部分中高。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述金屬化層包括銅或銅合金。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述金屬化層的所述孔隙中的至少一部分至少部 分地用導(dǎo)電填充材料填充。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述金屬化層的厚度在5μπι與250μπι之間。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述孔隙的直徑在從200nm至50μπι的范圍內(nèi)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述金屬化層包括第一子層和第二子層，所述第一 子層具有比所述第二子層高的孔隙度。7. -種器件，包括： 基部元件;和 在所述基部元件之上的多孔金屬化層，所述金屬化層包括來自銅、銀、鎳和金的組的金 屬，進(jìn)一步包括導(dǎo)電填充材料，其中所述導(dǎo)電填充材料相對于所述金屬的比率在遠(yuǎn)離所述 基部元件的部分處比在與所述基部元件相鄰的部分處高。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述導(dǎo)電填充材料包括從銅、銀、鋅、錫、金、銦或鎳 或碳的組中選擇的至少一種材料。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述金屬化層的厚度在5μπι與250μπι之間。 10 ·根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述孔隙的直徑是200nm至50μπι。11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述導(dǎo)電填充材料至少部分地填充所述孔隙的至 少一部分。12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述多孔金屬化層的所述導(dǎo)電填充材料相對于所 述金屬的所述比率從與所述基部元件相鄰的部分向遠(yuǎn)離所述基部元件的部分逐漸增加。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述器件被形成為集成電路。14. 一種制造器件的方法，包括： 在基部元件之上形成多孔金屬化層，并且隨后使所述多孔金屬化層改變，使得所述金 屬化層具有變化的孔隙度，所述孔隙度在與所述基部元件相鄰的部分中比在遠(yuǎn)離所述基部 元件的部分中高。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中使所述多孔金屬化層改變包括： 在所述多孔金屬化層之上形成導(dǎo)電填充材料，和 執(zhí)行熱處理。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中形成所述導(dǎo)電填充材料包括施加含有所述導(dǎo)電 填充材料的納米粒子的墨。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中施加所述墨時的溫度被選擇成使得所述導(dǎo)電填 充材料滲透到所述多孔金屬化層內(nèi)至預(yù)定深度。18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述墨的粘度被選擇成使得所述導(dǎo)電填充材料 滲透到所述多孔金屬化層內(nèi)至預(yù)定深度。19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中形成所述導(dǎo)電填充材料包括施加包括所述導(dǎo)電 填充材料的納米粒子的層，所述納米粒子具有5nm至1 OOnm的直徑。20. 權(quán)利要求15所述的方法，其中所述多孔金屬化層包括具有200nm至50μπι的直徑的孔 隙。21. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多孔金屬化層包含按體積比計至少90%的 體積的銅、銀、金或鎳。22. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中形成所述多孔金屬化層包括在所述基部元件之 上執(zhí)行等離子體塵埃沉積方法或施加銅膏、隨后是熱處理。23. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中使所述多孔金屬化層改變包括將前體材料施加 至所述多孔金屬化層并且將所述前體材料轉(zhuǎn)化成金屬。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述前體材料是無機(jī)金屬化合物或金屬有機(jī)化 合物。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述多孔金屬化層包括銅或銀或鎳或金，并且所 述前體材料的所述金屬從銅、錫、鋅、金、鎳、銦和銀的組中選擇。26. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中使所述多孔金屬化層改變包括在所述多孔層之 上形成第二子層，所述第二子層具有與所述多孔層的所述孔隙度不同的孔隙度。27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述多孔層和形成所述第二子層包括在所 述基部元件之上施加第一金屬膏并且隨后施加第二金屬膏，所述第二金屬膏產(chǎn)生與所述第 一金屬膏不同的孔隙率。28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中形成所述多孔層和形成所述第二子層包括在所 述基部元件之上施加第一金屬膏并且隨后施加第二金屬膏，所述第二金屬膏包含與所述第 一金屬膏中的任何材料都不同的至少一種金屬。
【文檔編號】H01L23/522GK105845662SQ201610060149
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年1月28日
【發(fā)明人】M·米希茲, M·海恩里希, S·施瓦布
【申請人】英飛凌科技股份有限公司