[发明专利]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

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：