[發明專利]接合半導體器件和散熱安裝座的銀銦瞬態液相方法及有銀銦瞬態液相接合接頭的半導體結構

在審

• 申請號: 201980002092.8
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN112204731A
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 霍永雋;李金忠
• 申請（專利權）人: 萊特美美國股份有限公司
• 主分類號: H01L23/36
• 分類號: H01L23/36
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 劉倜

提供一種接合半導體器件和散熱安裝座的銀?銦瞬態液相方法，以及具有銀?銦瞬態液相接合接頭的半導體結構。利用形成在半導體器件和散熱安裝座之間的超薄銀?銦瞬態液相接合接頭，可以最小化其熱阻以實現高熱導率。因此，可以充分實現散熱安裝座的散熱能力，從而使得高功率電子器件和光電子器件達到其最佳性能。

相關申請的交叉引用

無

技術領域

本發明涉及接合方法和接合結構系統，并且更具體地，涉及接合半導體器件和散熱安裝座的銀-銦瞬態液相方法，以及具有銀-銦瞬態液相接合接頭的半導體結構。

背景技術

當制造高功率半導體器件時，經常需要設計和構建熱管理結構以充分消散內部生成的熱，從而確保高功率器件的連續正常運行。通常，高功率半導體器件的功能和性能被這種熱管理結構的提供/可用性/有效性所限制和決定。常見的熱管理策略是采用高熱導率材料作為高功率半導體器件的散熱安裝座。在所有已知存在的塊體材料中，金剛石具有最高的熱導率值(～2000W/mK)。所以，金剛石頻繁地被選擇作為用于高功率電子、光電與光電子領域的高端產品中的散熱安裝座的材料。由于市場中化學氣相沉積(CVD)生長的多晶金剛石的單價已經變得足夠低，因此可以認為基于金剛石的散熱安裝座對于產業消費者產品是經濟上可接受的。

然而，應用基于金剛石的散熱安裝座的真正挑戰是如何在高功率半導體器件和金剛石之間互連或形成可靠的接合接頭。下面內容給出了用于散熱應用的良好的接合接頭的一般設計要求。

首先，接合接頭材料必須具備合理的高熱導率，并且接合接頭的厚度必須足夠薄，從而確保高功率半導體器件和金剛石之間的整體熱阻可以被優化至最小值。

第二，接合接頭必須是機械穩健且牢固的，并且是熱穩定和化學穩定的，以支持在后續的制造工藝期間，或在升高的溫度環境中器件的正常工作期間，器件到安裝座組裝的集成結構的穩定性。為了保證其長期可靠性，在持續暴露于工作溫度之后或在多次熱循環之后，接合接頭應該維持其熱學、機械、電學性質并具有合理的抗疲勞性。通常認為，發展出具有合適的接頭材料的接合方法，以適用于半導體高功率器件和基于金剛石的散熱安裝座互連，是具有較大技術難度的，其原因如下給出。

具體地來講，眾所周知金剛石是最硬的材料之一，并且可以在接合工藝期間被認為是的絕對的剛性體。因此，如果在接合工藝期間所施加的接合力太大，那么功能性半導體器件可能容易被集中的應力所影響從而產生破裂。

此外，金剛石的熱膨脹系數(CTE)僅為1ppm/℃，該熱膨脹系數小于大多數常用的半導體材料，例如硅(Si)：2.7ppm/℃，砷化鎵(GaAs)：5.9ppm/℃，氮化鎵(GaN)：5.6ppm/℃，磷化銦(InP)：4.6ppm/℃，碳化硅(SiC)：4.7ppm/℃。因此，在從接合溫度到室溫的冷卻過程期間，會累積來自在半導體器件和金剛石散熱安裝座之間的CTE失配的熱誘發應力/應變。在集成的異質結構中，這種CTE失配誘發的應力/應變通常是比較棘手的，會導致諸如功能性半導體器件中的產生微裂紋、界面分層、殘余應力/應變誘發的故障等問題。因此，在半導體器件和基于金剛石的散熱安裝座之間的異質集成中，很需要具有較小接合壓力和較低接合溫度的接合工藝。

在傳統技術領域，諸如純錫(Sn)、富錫焊料、錫-鉛(Sn-Pb)、純銦(In)、富In焊料和銦-錫(In-Sn)等的軟焊料已被用于半導體接合。然而，軟焊料的屈服強度通常太低，使得接合層傾向于塑性變形以釋放所累積的應力。然而，塑性變形的機制使得軟焊料面臨熱疲勞和蠕變斷裂問題，從而引發長期可靠性問題。因此，在長期可靠性更為重要的高端產品中，產業優選使用硬焊料。最常用的硬焊料來自于富金共晶族。諸如金-錫(Au-Sn)、金-鍺(Au-Ge)和金-硅(Au-Si)等的富金共晶接合技術已被發展并應用于半導體器件到基于金剛石的散熱安裝座之間的異質集成。在產業應用中經過幾十年的發展和優化之后，在連接半導體器件到金剛石安裝座的應用中，富金共晶接合技術已被證明為長期可靠的工程解決方案。