半导体芯片金硅焊料的合金工艺.pdf

本发明公开了一种半导体芯片金硅焊料的合金工艺，包括步骤：S1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。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，故而大大提高了成品率。

1.  一种半导体芯片金硅焊料的合金工艺，包括以下步骤：
S1 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的合金工艺，其特征在于，所述步骤S1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，再用氢氟酸缓冲液清洗，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钛金属层，再蒸镀一层金金属层。

5.  根据权利要求1、3或4所述的半导体芯片金硅焊料的合金工艺，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。

6.  根据权利要求4所述的半导体芯片金硅焊料的合金工艺，其特征在于，所述步骤S2中，金金属层的厚度与硅片面积关系是，硅片面积小于等于0.83×0.83mm²时，金层厚度为0.5-0.8um；硅片面积在0.83×0.83mm²～1.2×1.2mm²之间时，金层厚度在0.8-1.2um；硅片面积在1.2×1.2mm²～1.4×1.4mm²之间时，金层厚度在1.2-1.6um。

半导体芯片金硅焊料的合金工艺
【技术领域】
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的合金工艺。
【背景技术】
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。在一般情况下，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、易于实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；第二种是共晶工艺，该工艺中所采用的焊料是一层薄薄的合金，一般是金硅(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，而在工业应用中则以金硅合金为主。
金硅焊料共晶工艺中，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，使界面处的金硅相互共融，形成金硅焊料(粘片)。金的熔点为1063℃，硅的熔点为1414℃，但金硅合金的熔点远低于单质的金和硅。从金硅二元相图(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℃)，随着硅在金中的含量继续增加，金硅合金温度慢慢上升直至硅的熔点。
目前国内的金硅焊料共晶工艺中基本都是采用管式合金炉对金硅焊料进行合金，管式合金炉合金存在的问题是，合金后的金硅焊料局部无剪切力或硅残留物少，粘片时需要加摩擦才能粘好，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的合金工艺，以达到克服现有技术中采用管式合金炉进行金硅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，本发明提出以下的技术方案：
一种半导体芯片金硅焊料的合金工艺，包括以下步骤：
S1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背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℃，时间10-50秒。
本发明的半导体芯片金硅焊料的合金工艺中，所述步骤S1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，再用氢氟酸缓冲液清洗，后水冲洗干净，干燥。
本发明的半导体芯片金硅焊料的合金工艺中，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的合金工艺中，所述步骤S2中，在硅片背面先蒸镀一层钛金属层，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。
本发明的半导体芯片金硅焊料的合金工艺中，所述步骤S2中，金金属层的厚度与硅片面积关系是，硅片面积小于等于0.83×0.83mm²时，金层厚度为0.5-0.8um；硅片面积在0.83×0.83mm²～1.2×1.2mm²之间时，金层厚度在0.8-1.2um；硅片面积在1.2×1.2mm²～1.4×1.4mm²之间时，金层厚度在1.2-1.6um。
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。
【附图说明】
图1所示是金硅二元相图；
图2所示是采用常规的管式合金炉进行合金处理后的金硅焊料在5倍显微镜下的表面金相图；
图3所示是采用常规的管式合金炉进行合金处理后的金硅焊料在10倍显微镜下的表面金相图；
图4所示是采用本发明的快速退火炉进行合金处理后的金硅焊料在5倍显微镜下的表面金相图；
图5所示是采用本发明的快速退火炉进行合金处理后的金硅焊料在10倍显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(配比HNO3∶HF＝1∶1)，然后用去离子水冲洗；随后用HF缓冲液(配比_HF∶H₂O＝1∶50)清洗，再用去离子水冲洗干净，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施例试验：
对比例
将上述硅片采用管式合金炉进行合金，温度为430℃、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测，可见硅片的背面在5倍金相显微镜下为雪花状花纹(附图2)，在10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，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
将上述硅片采用快速退火炉进行合金，温度530℃、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纹与管式合金炉合金后的硅片背面花纹完全不同，硅片的背面在5倍金相显微镜下观测到的花纹为#状(附图4)，在10倍金相显微镜下观测到只有在#状的纹路上可以看到硅的颜色(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，进行试焊接，硅残留物基本都可达到95％以上；共晶粘片后，饱和压降、热阻都降低10％左右，并且重复性很好。
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共晶粘片后的焊接问题，大大提高金硅共晶焊料的成品率，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，采用快速退火炉对金硅焊料进行合金，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：