：半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺的制作方法

半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺

本发明涉及半导体器件制造工艺技术领域尤其涉及一种半导体芯片金硅焊料 焊料嘚合金工艺。

功率晶体管芯片制造完成后要封装成成品就必须制备集电极，而制备集 电极则必须解决金属与半导体接触的问题在一般凊况下，功率晶体管芯片背 面金属化的目的就是使集电极形成良好的欧姆接触经过背面金属化的芯片具

有饱和压降(Vcesat)小、焊接可靠、易于實现自动化生产等优点。集电极制备有 两种工艺第一种是焊料工艺该工艺以银作为焊接层，加焊料使管芯与基座 粘结在一起；第二种是囲晶工艺该工艺中所采用的焊料是一层薄薄的合金， 一般是金硅焊料(Au-Si)、金锡(Au-Sn)、金锗(Au-Ge)合金等在高温下使管芯与 基座粘结在一起，而在工業应用中则以金珪合金为主

金硅焊料焊料共晶工艺中，通常需要在芯片背面蒸发一定厚的的纯金然后在 一定的合金温度下，使界面处嘚金硅焊料相互共融形成金硅焊料焊料(粘片)。金的熔 点为1063C,硅的熔点为1414°C，但金硅焊料合金的熔点远低于单质的金和硅从 金硅焊料二え相图(附图1)上可以看到当硅在金中的含量慢慢增加时，金硅焊料合金 的熔点慢慢下降当硅在金中的含量达到19%左右时候，金-硅合金温度最低(约 370°C ),随着硅在金中的含量继续增加金硅焊料合金温度慢慢上升直至硅的熔点。

目前国内的金硅焊料焊料共晶工艺中基本都是采用管式匼金炉对金硅焊料焊料进行 合金管式合金炉合金存在的问题是，合金后的金硅焊料焊料局部无剪切力或硅残 留物少粘片时需要加摩擦財能粘好，而加摩擦会使粘片效率大大降低影响 产量。

发明内容 本发明的发明目的是提供一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺以達到克 服现有技术中采用管式合金炉进行金硅焊料合金后焊料局部无剪切力或硅残留物少 的目的。

为达到上述发明目的本发明提出以下嘚技术方案 一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，包括以下步骤

Sl 将待合金的硅片进行表面处理；

S2在真空条件下在表面处理后的硅片褙面蒸镀至少一层金属层； S3 将蒸镀有金属层的硅片送入快速退火炉进行合金处理，温度 490-550°C,时间10-50秒 本发明的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺中，所述步骤Sl对硅片的表面处 理是先对硅片进行化学抛光在硝酸与氢氟酸混合酸液中腐蚀，再用氢氟酸緩 冲液清洗后水沖洗干淨，干燥

本发明的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺中，所述步骤S2中蒸镀的金属层 是金金属层

本发明的半导体芯片金硅焊料悍料的匼金工艺中，所述步骤S2中在硅片背面 先蒸镀一层钬金属层，再蒸镀一层金金属层

本发明的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺中，所述步骤S2中蒸镀的金金属 层的厚度与硅片面积成正比关系

从以上技术方案可以看出，本发明采用快速退火炉替代了传统的管式合金 炉在笁艺中具有是温度控制精确、升温降温速度快、处理时间短的特点；而 且快速退火炉的应用可以实现硅片的单片进单片出，取代了使用管式合金炉时 每次数百片的批量进出料使得硅片受热均匀，故而成品率大大提高；同时可以快速看到每片硅片的处理结果，并可以随时清理腔体可以始终保持洁净 的做片环境，对做出芯片质量提供有力的保证

图1所示是金硅焊料二元相图2所示是采用常规的管式合金炉进荇合金处理后的金硅焊料焊料在5倍显微 镜下的表面金相图3所示是釆用常规的管式合金炉进行合金处理后的金硅焊料焊料在IO倍显微 镜下的表媔金相微镜下的表面金相微镜下的表面金相图

具体实施方式 取用于半导体芯片的4"硅片，进行化学抛光在硝酸与氢氟酸混合酸液中 腐蚀(配仳HN03 : HF=1 : 1),然后用去离子水冲洗；随后用HF緩冲液(配 比HF : H20=1 : 50)清洗，再用去离子水沖洗干净最后用氮气吹干。

采用蒸发方法在清洗干净的硅片上蒸镀一层金；分别进行如下对比例和实

将上述硅片采用管式合金炉进行合金温度为430。C、时间30分钟、合金 气氛为N2-H2合金后对硅片进行金相显微镜观測，可见石圭片的背面在5倍金 相显微镜下为雪花状花紋(附图2),在IO倍金相显微镜下观测到雪花与雪花 间有大片青色(附图3),接近硅的颜色.

采用该合金后的金硅焊料焊料进行试焊接，结果有45%左右的管芯硅残留物 达不到50%;共晶粘片后硅片有大片青色之处的粘接效果不好。实施例

将上述矽片采用快速退火炉进行合金温度530'C、时间30秒，合金后对 硅片进行金相显微镜观测快速退火炉合金后的硅片背面花紋与管式合金炉合 金後的硅片背面花紋完全不同，硅片的背面在5倍金相显微镜下观测到的花紋 为#状(附图4),在10倍金相显微镜下观测到只有在#状的紋路上可以看到 硅嘚颜色(附图5),整片上不会出现片状硅的颜色

采用该合金后的金硅焊料焊料，进行试焊接硅残留物基本都可达到95%以上； 共晶粘片后，饱和壓降、热阻都降低10%左右并且重复性4艮好。

通过以上对比例和实施例可以看出用快速退火炉合金可彻底解决金硅焊料共 晶粘片后的焊接問题，大大提高金硅焊料共晶焊料的成品率对改善背金芯片的质 量起到很大的作用。

通过对本发明的其它实施例还发现采用快速退火爐对金硅焊料焊料进行合金， 蒸镀的金层厚度可大幅度减薄大大降低芯片的蒸金成本。该工艺中金层厚度 与芯片面积关系如下表所示

以仩所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进这些都属于本发明的保护范围。因此夲发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。

权利要求 1. 一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺包括以下步骤S1 将待合金的硅片进行表媔处理；S2 在真空条件下，在表面处理后的硅片背面蒸镀一层或多层金属层；S3 将蒸镀有金属层的硅片送入快速退火炉进行合金处理温度490-550℃，时间10-50秒

2. 根据权利要求1所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，其特征在于所述 步骤Sl对硅片的表面处理是先对硅片进行化学抛光，在硝酸与氲氟酸混合 酸液中腐蚀再用氢氟酸緩沖液清洗，后水冲洗干净

3. 根据权利要求1所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，其特征在于所述 步骤S2中蒸镀的金属层是金金属层。

4. 根据权利要求1所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺其特征在于，所述 步骤S2中在硅片背面先蒸镀一层钬金属层，再蒸镀一层金金属层

5. 根据权利要求l、 3或4所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，其特征在 于所述步骤S2中蒸镀的金金属层的厚度与硅片面积成正比关系。

本发明公开了一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺包括步骤S1将待合金的矽片进行表面处理；S2在真空条件下，在表面处理后的硅片背面蒸镀一层或多层金属层；S3将蒸镀有金属层的硅片送入快速退火炉进行合金处悝温度490-550℃，时间10-50秒本发明采用快速退火炉替代了传统的管式合金炉，在工艺中具有是温度控制精确、升温降温速度快、处理时间短的特点；而且快速退火炉的应用可以实现硅片的单片进单片出取代了使用管式合金炉时每次数百片的批量进出料，使得硅片受热均匀故洏大大提高了成品率。

侯海峰 申请人:深圳深爱半导体有限公司

：半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺的制作方法

半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺

本发明涉及半导体器件制造工艺技术领域尤其涉及一种半导体芯片金硅焊料 焊料嘚合金工艺。

功率晶体管芯片制造完成后要封装成成品就必须制备集电极，而制备集 电极则必须解决金属与半导体接触的问题在一般凊况下，功率晶体管芯片背 面金属化的目的就是使集电极形成良好的欧姆接触经过背面金属化的芯片具

有饱和压降(Vcesat)小、焊接可靠、易于實现自动化生产等优点。集电极制备有 两种工艺第一种是焊料工艺该工艺以银作为焊接层，加焊料使管芯与基座 粘结在一起；第二种是囲晶工艺该工艺中所采用的焊料是一层薄薄的合金， 一般是金硅焊料(Au-Si)、金锡(Au-Sn)、金锗(Au-Ge)合金等在高温下使管芯与 基座粘结在一起，而在工業应用中则以金珪合金为主

金硅焊料焊料共晶工艺中，通常需要在芯片背面蒸发一定厚的的纯金然后在 一定的合金温度下，使界面处嘚金硅焊料相互共融形成金硅焊料焊料(粘片)。金的熔 点为1063C,硅的熔点为1414°C，但金硅焊料合金的熔点远低于单质的金和硅从 金硅焊料二え相图(附图1)上可以看到当硅在金中的含量慢慢增加时，金硅焊料合金 的熔点慢慢下降当硅在金中的含量达到19%左右时候，金-硅合金温度最低(约 370°C ),随着硅在金中的含量继续增加金硅焊料合金温度慢慢上升直至硅的熔点。

目前国内的金硅焊料焊料共晶工艺中基本都是采用管式匼金炉对金硅焊料焊料进行 合金管式合金炉合金存在的问题是，合金后的金硅焊料焊料局部无剪切力或硅残 留物少粘片时需要加摩擦財能粘好，而加摩擦会使粘片效率大大降低影响 产量。

发明内容 本发明的发明目的是提供一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺以達到克 服现有技术中采用管式合金炉进行金硅焊料合金后焊料局部无剪切力或硅残留物少 的目的。

为达到上述发明目的本发明提出以下嘚技术方案 一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，包括以下步骤

Sl 将待合金的硅片进行表面处理；

S2在真空条件下在表面处理后的硅片褙面蒸镀至少一层金属层； S3 将蒸镀有金属层的硅片送入快速退火炉进行合金处理，温度 490-550°C,时间10-50秒 本发明的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺中，所述步骤Sl对硅片的表面处 理是先对硅片进行化学抛光在硝酸与氢氟酸混合酸液中腐蚀，再用氢氟酸緩 冲液清洗后水沖洗干淨，干燥

本发明的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺中，所述步骤S2中蒸镀的金属层 是金金属层

本发明的半导体芯片金硅焊料悍料的匼金工艺中，所述步骤S2中在硅片背面 先蒸镀一层钬金属层，再蒸镀一层金金属层

本发明的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺中，所述步骤S2中蒸镀的金金属 层的厚度与硅片面积成正比关系

从以上技术方案可以看出，本发明采用快速退火炉替代了传统的管式合金 炉在笁艺中具有是温度控制精确、升温降温速度快、处理时间短的特点；而 且快速退火炉的应用可以实现硅片的单片进单片出，取代了使用管式合金炉时 每次数百片的批量进出料使得硅片受热均匀，故而成品率大大提高；同时可以快速看到每片硅片的处理结果，并可以随时清理腔体可以始终保持洁净 的做片环境，对做出芯片质量提供有力的保证

图1所示是金硅焊料二元相图2所示是采用常规的管式合金炉进荇合金处理后的金硅焊料焊料在5倍显微 镜下的表面金相图3所示是釆用常规的管式合金炉进行合金处理后的金硅焊料焊料在IO倍显微 镜下的表媔金相微镜下的表面金相微镜下的表面金相图

具体实施方式 取用于半导体芯片的4"硅片，进行化学抛光在硝酸与氢氟酸混合酸液中 腐蚀(配仳HN03 : HF=1 : 1),然后用去离子水冲洗；随后用HF緩冲液(配 比HF : H20=1 : 50)清洗，再用去离子水沖洗干净最后用氮气吹干。

采用蒸发方法在清洗干净的硅片上蒸镀一层金；分别进行如下对比例和实

将上述硅片采用管式合金炉进行合金温度为430。C、时间30分钟、合金 气氛为N2-H2合金后对硅片进行金相显微镜观測，可见石圭片的背面在5倍金 相显微镜下为雪花状花紋(附图2),在IO倍金相显微镜下观测到雪花与雪花 间有大片青色(附图3),接近硅的颜色.

采用该合金后的金硅焊料焊料进行试焊接，结果有45%左右的管芯硅残留物 达不到50%;共晶粘片后硅片有大片青色之处的粘接效果不好。实施例

将上述矽片采用快速退火炉进行合金温度530'C、时间30秒，合金后对 硅片进行金相显微镜观测快速退火炉合金后的硅片背面花紋与管式合金炉合 金後的硅片背面花紋完全不同，硅片的背面在5倍金相显微镜下观测到的花紋 为#状(附图4),在10倍金相显微镜下观测到只有在#状的紋路上可以看到 硅嘚颜色(附图5),整片上不会出现片状硅的颜色

采用该合金后的金硅焊料焊料，进行试焊接硅残留物基本都可达到95%以上； 共晶粘片后，饱和壓降、热阻都降低10%左右并且重复性4艮好。

通过以上对比例和实施例可以看出用快速退火炉合金可彻底解决金硅焊料共 晶粘片后的焊接問题，大大提高金硅焊料共晶焊料的成品率对改善背金芯片的质 量起到很大的作用。

通过对本发明的其它实施例还发现采用快速退火爐对金硅焊料焊料进行合金， 蒸镀的金层厚度可大幅度减薄大大降低芯片的蒸金成本。该工艺中金层厚度 与芯片面积关系如下表所示

以仩所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进这些都属于本发明的保护范围。因此夲发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。

权利要求 1. 一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺包括以下步骤S1 将待合金的硅片进行表媔处理；S2 在真空条件下，在表面处理后的硅片背面蒸镀一层或多层金属层；S3 将蒸镀有金属层的硅片送入快速退火炉进行合金处理温度490-550℃，时间10-50秒

2. 根据权利要求1所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，其特征在于所述 步骤Sl对硅片的表面处理是先对硅片进行化学抛光，在硝酸与氲氟酸混合 酸液中腐蚀再用氢氟酸緩沖液清洗，后水冲洗干净

3. 根据权利要求1所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，其特征在于所述 步骤S2中蒸镀的金属层是金金属层。

4. 根据权利要求1所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺其特征在于，所述 步骤S2中在硅片背面先蒸镀一层钬金属层，再蒸镀一层金金属层

5. 根据权利要求l、 3或4所述的半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺，其特征在 于所述步骤S2中蒸镀的金金属层的厚度与硅片面积成正比关系。

本发明公开了一种半导体芯片金硅焊料焊料的合金工艺包括步骤S1将待合金的矽片进行表面处理；S2在真空条件下，在表面处理后的硅片背面蒸镀一层或多层金属层；S3将蒸镀有金属层的硅片送入快速退火炉进行合金处悝温度490-550℃，时间10-50秒本发明采用快速退火炉替代了传统的管式合金炉，在工艺中具有是温度控制精确、升温降温速度快、处理时间短的特点；而且快速退火炉的应用可以实现硅片的单片进单片出取代了使用管式合金炉时每次数百片的批量进出料，使得硅片受热均匀故洏大大提高了成品率。

侯海峰 申请人:深圳深爱半导体有限公司