硅/金属含能调制膜诱导反应制备高温服役低电阻接头的方法

摘要

本发明公开了一种硅/金属含能调制膜诱导反应制备高温服役低电阻接头的方法，其步骤如下：一、在高真空条件下，在待连接碳化硅半导体或金属衬底表面交替沉积反应金属层和无定形硅层，形成含能调制膜；二、在含能调制膜上方的一侧放置另一个待连接碳化硅半导体或金属衬底，并均匀施加一定压力；在含能调制膜上方的另一侧施加脉冲激光照射诱导区，瞬时向含能调制膜的诱导区输入极小能量，激发含能调制膜的放热反应，而且利用含能调制膜的反应热维持其反应继续进行，最终形成高温服役低电阻硅基金属间化合物接头。本发明可以选择性快速加热待连接部位，对半导体器件的热影响小；可以在极短时间内形成接头，有助于提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种接头制备方法，尤其涉及一种高温服役低电阻接 头制备方法。

背景技术

与传统的半导体材料硅相比，以碳化硅为代表的宽禁带半导体具 有高热稳定性、高饱和飘移速率、高抗辐射能力、高击穿电场强度、 高热导率和化学惰性，而且又是高效的发光材料和光敏材料。因此， 碳化硅是实现高温、高频、大功率及抗辐射相结合的微电子器件和 MEMS(微机电系统)的理想材料，被誉为发展前景十分广阔的第三 代半导体材料，在航天航空、石油勘探、核能电子、雷达与通信、能 源电子、引擎监控、工业过程控制等领域具有极高的应用价值。

然而传统的后道电子封装制造技术，特别是连接技术，严重制约 着碳化硅电子器件和MEMS的整体性能。

首先，锡基钎料过低的熔点和服役温度完全无法满足碳化硅半导 体器件对高温连接接头的急迫需求。而目前已报导的非锡基高温互连 材料都是针对以往的硅半导体器件，其熔点皆低于400℃。不仅如此， 其中金基钎料成本高、其金属间化合物脆性大，铍-银钎料热导和电 导性能差，而纳米银焊膏烧结时间长、成本高，且无法解决金属迁移 等失效根本性问题。

其次，对于传统的硅半导体器件，电子封装互连接头电阻仅占硅 半导体器件总互连电阻的30-40%；而对于碳化硅半导体器件，由于 其导通电阻仅为硅半导体器件的百分之一，这一比例将达到80-90%。 也就是说，电子封装互连接头的电阻，将基本决定碳化硅半导体器件 的工作速度和损耗，因此如何获得低电阻封装连接接头成为了关键。 然而，传统封装连接接头界面形成的金属间化合物，特别是锡基金属 间化合物具有很高的电阻率(90-300μΩ·m，而锡铅共晶钎料仅仅为 0.13μΩ·m)。另一方面，随着系统封装、高密度封装的发展，连接接 头逐渐微细化，接头中的金属间化合物含量比例增加，因此接头电阻 增大将愈加严重。

尽管最近提出的锡基全金属间化合物接头能够经受较高的服役 温度，但是其过高的工艺温度损伤器件，且过长的工艺时间增加工艺 成本。并且，锡基金属间化合物本身具有极高的电阻率，必然会显著 增加接头电阻。这将造成高温服役低电阻连接技术空白区，形成宽禁 带半导体器件应用的瓶颈。

综合来看，目前面向碳化硅电子器件和MEMS的几种连接方法 的主要问题是难以获得同时具有低电阻率和高温服役性能的接头。

发明内容

针对现有接头制备技术存在难以获得同时具有低电阻率和高温 服役性能的接头的问题，本发明提供一种硅/金属含能调制膜诱导反 应制备高温服役低电阻接头的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种硅/金属含能调制膜诱导反应制备高温服役低电阻接头的方 法，其具体步骤如下：

一、在高真空条件下，通过物理气相沉积法或化学气相沉积法， 在待连接碳化硅半导体(或金属衬底)表面交替沉积反应金属层和无 定形硅层，形成含能调制膜。

二、在步骤一形成的含能调制膜上方的一侧放置另一个待连接碳 化硅半导体(或金属衬底)，并均匀施加一定压力。在含能调制膜上 方的另一侧利用电火花、激光等外场能源，脉冲激光照射诱导区，瞬 时向含能调制膜的诱导区输入极小能量，激发含能调制膜的放热反 应，而且利用含能调制膜的反应热维持其反应继续进行，最终形成高 温服役低电阻硅基金属间化合物接头，接头电阻率接近锡铅共晶钎 料，接头熔点高于800℃，其接头制备过程参见图1和图2。

上述方法中，所述真空度低于0.1Pa。

上述方法中，所述碳化硅导体或金属衬底的厚度小于600μm。

上述方法中，若待连接件是碳化硅导体，那么表面应先沉积反应 金属层，再沉积硅层；若待连接件是金属衬底，那么表面应先沉积硅 层，再沉积反应金属层。而且，要保证和碳化硅表面接触的是反应金 属层，和金属衬底表面接触的是硅层。

上述方法中，所述的反应金属层应选用钛、铜等能和硅发生放热 反应的金属，而且反应生成物具有低电阻率，最具代表性的就是钛， 钛和硅反应形成TiSi2(电阻率约0.1μΩ·m，和锡基钎料基本相同)。

上述方法中，为了能够诱导调制膜反应，对于厚度小于600μm 的碳化硅晶片或金属衬底，调制膜中的每层硅层或反应金属层的厚度 应控制在5-60nm，调制周期数应大于5。碳化硅晶片或金属衬底的 厚度越厚，需要调制膜中的层厚越小，调制周期数越大。

上述方法中，所述压力范围为1000-10000Pa。

上述方法中，所述激光脉冲持续时间为0.1-0.5ms、脉冲功率为 500-2000W，得到激光输入能量为0.05-1J。

接头形成原理如下：

诱导后的硅/金属含能调制膜，发生自维持的放热反应，硅和金 属反应形成低电阻率高熔点硅基金属间化合物，同时含能调制膜与碳 化硅半导体(或金属衬底)进行界面反应，形成硅-金属-碳低电阻率 高熔点三元金属间化合物(或硅-金属低电阻率高熔点二元金属间化 合物)，其接头形成原理参见图3-图5。

本方法具有以下优点：

1、通过本接头制备方法，可以获得硅基金属间化合物接头。而 硅基金属间化合物的电阻率只有0.1-0.5μΩ·m，因此接头具有和传统 锡基钎料媲美的低电阻率。

2、通过本接头制备方法，可以获得熔点高于800℃且在600℃服 役温度下强度高于200MPa的硅基金属间化合物接头。

3、普通退火热处理方法可以形成硅基金属间化合物接头，但其 工艺温度高、工艺时间长，而且它是一种整体加热方式，容易对半导 体器件造成损伤。本接头制备方法，可以选择性快速加热待连接部位， 对半导体器件的热影响小，不容易损坏半导体器件，而且可以在极短 时间内形成接头，有助于提高生产效率。

附图说明

图1为接头制备原理示意图；

图2为接头制备流程示意图；

图3为图2的A处放大图；

图4为图2的B处放大图；

图5为图2的C处放大图；

图6为具体实施方式四对应的含能调制膜截面放大图；

图中：1-第一个碳化硅半导体晶片，2-制备好的钛/硅含能调制膜， 3-压力，4-第二个碳化硅半导体晶片，5-激光，6-接头，7-钛薄膜， 8-硅薄膜，9-铜衬底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限 于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发 明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的 硅/金属含能调制膜诱导反应制备低电阻高温服役接头的方法，包括 如下步骤：

(1)把待连接的厚度为100μm的第一个碳化硅半导体晶片1 放入磁控溅射设备腔体内的载物台并固定好。

(2)腔体密封，并抽真空至腔体内的真空度小于10^-5mbar，并 维持。

(3)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率500W，遮挡第一个碳化硅半导体晶 片1表面，对钛靶进行预溅射，避免钛靶材中毒并降低靶材表面可能 存在的污染物对溅射过程的影响。预溅射完毕，停止通氩气。

(4)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间66s、溅射功率500W，在第一个碳化硅半导体晶片1表 面溅射沉积一层厚度约20nm的钛薄膜7。溅射完毕，停止通氩气。

(5)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率220W，遮挡第一个碳化硅半导体晶 片1表面，对硅靶进行预溅射，避免硅靶材中毒并降低硅靶材表面可 能存在的污染物对溅射过程的影响。预溅射完毕，停止通氩气。

(6)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间237s、溅射功率220W，在第一个碳化硅半导体晶片1 的钛薄膜7表面溅射沉积一层厚度约20nm的硅薄膜8。溅射完毕， 停止通氩气。

(7)重复7次步骤(3)-(6)，在第一个碳化硅半导体晶片1 表面形成调制周期数为7、调制周期为40nm的钛/硅含能调制膜。

(8)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率500W，遮挡钛/硅含能调制膜表面， 对钛靶进行预溅射。预溅射完毕，停止通氩气。

(9)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间66s、溅射功率500W，在钛/硅含能调制膜表面溅射沉积 一层厚度约20nm的钛薄膜7。溅射完毕，停止通氩气。

(10)停止抽真空，并通气，使腔体内压恢复至大气压。

(11)在制备好的钛/硅含能调制膜2上方，放置待连接的厚度 为100μm的第二个碳化硅半导体晶片4，其待连接面正对钛/硅含能 调制膜，并在第二个碳化硅半导体晶片4上表面均匀施加1000-10000 Pa的压力3。

(12)腔体密封，并抽真空至腔体内的真空度小于10^-5mbar，并 维持。

(13)向制备好的钛/硅含能调制膜2表面反应诱导区施加低能 量脉冲激光5，设定激光脉冲持续时间为0.5ms、脉冲功率为2000W， 得到激光输入能量为1J，诱发含能调制膜放热反应，并在第一个碳 化硅半导体晶片1和第二个碳化硅半导体晶片4之间形成低电阻高温 服役硅-钛-碳金属间化合物接头6。

(14)待反应完毕，停止抽真空，并缓慢通气，使腔体内压逐渐 恢复至大气压，并使接头6温度缓慢下降至室温。

按照本实施方式获得的接头，其电阻率为0.2-0.3μΩ·m，熔点在 1500℃以上，在600℃服役温度下强度大于250MPa。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤 (6)中，溅射时间为474s，溅射沉积一层厚度约40nm的硅薄膜， 使钛薄膜和硅薄膜的厚度之比为1:2，以便获得更低电阻率的诱导反 应产物。其他步骤与具体实施方式一相同。

按照本实施方式获得的接头，其电阻率为0.1-0.15μΩ·m，熔点 在1300℃以上，在600℃服役温度下强度大于300MPa。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤 (6)中，溅射时间为190s，溅射沉积一层厚度约16nm的硅薄膜， 使钛薄膜和硅薄膜的厚度之比为5:3，以便获得更高的含能调制膜诱 导反应热。其他步骤与具体实施方式一相同。

按照本实施方式获得的接头，其电阻率为0.2-0.25μΩ·m，熔点 在2000℃以上，在600℃服役温度下强度大于400MPa。

具体实施方式四：结合图1、图2和图6说明本实施方式，本实 施方式的硅/金属含能调制膜诱导反应制备低电阻高温服役接头的方 法，包括如下步骤：

(1)把待连接的厚度为100μm的第一个碳化硅半导体晶片1 放入磁控溅射设备腔体内的载物台并固定好。

(2)腔体密封，并抽真空至腔体内的真空度小于10^-5mbar，并 维持。

(3)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率500W，遮挡第一个碳化硅半导体晶 片1表面，对钛靶进行预溅射，避免钛靶材中毒并降低靶材表面可能 存在的污染物对溅射过程的影响。预溅射完毕，停止通氩气。

(4)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间33s、溅射功率500W，在第一个碳化硅半导体晶片1表 面溅射沉积一层厚度约10nm的钛薄膜7。溅射完毕，停止通氩气。

(5)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率220W，遮挡第一个碳化硅半导体晶 片1表面，对硅靶进行预溅射，避免硅靶材中毒并降低硅靶材表面可 能存在的污染物对溅射过程的影响。预溅射完毕，停止通氩气。

(6)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间119s、溅射功率220W，在第一个碳化硅半导体晶片1 的钛薄膜7表面溅射沉积一层厚度约10nm的硅薄膜8。溅射完毕， 停止通氩气。

(7)重复10次步骤(3)-(6)，在第一个碳化硅半导体晶片1 表面形成调制周期数为10、调制周期为20nm的钛/硅含能调制膜。

(8)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率500W，遮挡钛/硅含能调制膜表面， 对钛靶进行预溅射。预溅射完毕，停止通氩气。

(9)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间66s、溅射功率500W，在钛/硅含能调制膜表面溅射沉积 一层厚度约20nm的钛薄膜7。溅射完毕，停止通氩气。

(10)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率220W，遮挡第一个碳化硅半导体晶 片1表面，对硅靶进行预溅射，避免硅靶材中毒并降低硅靶材表面可 能存在的污染物对溅射过程的影响。预溅射完毕，停止通氩气。

(11)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间237s、溅射功率220W，在第一个碳化硅半导体晶片1 的钛薄膜7表面溅射沉积一层厚度约20nm的硅薄膜8。溅射完毕， 停止通氩气。

(12)重复10次步骤(8)-(11)，在第一个碳化硅半导体晶片 1的钛/硅含能调制膜表面，继续形成调制周期数为10、调制周期为 40nm的钛/硅含能调制膜。

(13)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率500W，遮挡钛/硅含能调制膜表面， 对钛靶进行预溅射。预溅射完毕，停止通氩气。

(14)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量10sccm。 设溅射时间33s、溅射功率500W，在第一个碳化硅半导体晶片1的 钛/硅含能调制膜表面溅射沉积一层厚度约10nm的钛薄膜7。溅射完 毕，停止通氩气。

(15)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间200-300s、溅射功率220W，遮挡第一个碳化硅半导体晶 片1表面，对硅靶进行预溅射，避免硅靶材中毒并降低硅靶材表面可 能存在的污染物对溅射过程的影响。预溅射完毕，停止通氩气。

(16)向腔体内通纯度99.99%以上的氩气，气体流量300sccm。 设溅射时间119s、溅射功率220W，在第一个碳化硅半导体晶片1 的钛薄膜7表面溅射沉积一层厚度约10nm的硅薄膜8。溅射完毕， 停止通氩气。

(17)重复10次步骤(13)-(16)，在第一个碳化硅半导体晶 片1的钛/硅含能调制膜表面，继续形成调制周期数为10、调制周期 为20nm的钛/硅含能调制膜。

(18)停止抽真空，并通气，使腔体内压恢复至大气压。

(19)在制备好的钛/硅含能调制膜2上方，放置待连接的铜衬 底9，其待连接面正对钛/硅含能调制膜，并在铜衬底9上表面均匀施 加5000-10000Pa的压力。

(20)腔体密封，并抽真空至腔体内的真空度小于10^-5mbar，并 维持。

(21)向制备好的钛/硅含能调制膜2表面反应诱导区施加脉冲 激光，设定激光脉冲持续时间为0.2ms、脉冲功率为500W，得到激 光输入能量为0.1J，诱发含能调制膜放热反应，并在第一个碳化硅半 导体晶片1和铜衬底9之间形成低电阻高温服役多相硅基金属间化合 物接头6，接头6组成相包括硅-钛-碳金属间化合物、硅-钛金属间化 合物、硅-铜金属间化合物。

(22)待反应完毕，停止抽真空，并缓慢通气，使腔体内压逐渐 恢复至大气压，并使接头6温度缓慢下降至室温。

按照本实施方式获得的接头，其电阻率为0.15-0.25μΩ·m，熔点 在850℃以上，在600℃服役温度下强度大于200MPa。