[发明专利]接合半导体器件和散热安装座的银铟瞬态液相方法及有银铟瞬态液相接合接头的半导体结构

说明书

提供一种接合半导体器件和散热安装座的银‑铟瞬态液相方法，以及具有银‑铟瞬态液相接合接头的半导体结构。利用形成在半导体器件和散热安装座之间的超薄银‑铟瞬态液相接合接头，可以最小化其热阻以实现高热导率。因此，可以充分实现散热安装座的散热能力，从而使得高功率电子器件和光电子器件达到其最佳性能。

相关申请的交叉引用

无

技术领域

本发明涉及接合方法和接合结构系统，并且更具体地，涉及接合半导体器件和散热安装座的银-铟瞬态液相方法，以及具有银-铟瞬态液相接合接头的半导体结构。

背景技术

当制造高功率半导体器件时，经常需要设计和构建热管理结构以充分消散内部生成的热，从而确保高功率器件的连续正常运行。通常，高功率半导体器件的功能和性能被这种热管理结构的提供/可用性/有效性所限制和决定。常见的热管理策略是采用高热导率材料作为高功率半导体器件的散热安装座。在所有已知存在的块体材料中，金刚石具有最高的热导率值(～2000W/mK)。所以，金刚石频繁地被选择作为用于高功率电子、光电与光电子领域的高端产品中的散热安装座的材料。由于市场中化学气相沉积(CVD)生长的多晶金刚石的单价已经变得足够低，因此可以认为基于金刚石的散热安装座对于产业消费者产品是经济上可接受的。

然而，应用基于金刚石的散热安装座的真正挑战是如何在高功率半导体器件和金刚石之间互连或形成可靠的接合接头。下面内容给出了用于散热应用的良好的接合接头的一般设计要求。

首先，接合接头材料必须具备合理的高热导率，并且接合接头的厚度必须足够薄，从而确保高功率半导体器件和金刚石之间的整体热阻可以被优化至最小值。

第二，接合接头必须是机械稳健且牢固的，并且是热稳定和化学稳定的，以支持在后续的制造工艺期间，或在升高的温度环境中器件的正常工作期间，器件到安装座组装的集成结构的稳定性。为了保证其长期可靠性，在持续暴露于工作温度之后或在多次热循环之后，接合接头应该维持其热学、机械、电学性质并具有合理的抗疲劳性。通常认为，发展出具有合适的接头材料的接合方法，以适用于半导体高功率器件和基于金刚石的散热安装座互连，是具有较大技术难度的，其原因如下给出。

具体地来讲，众所周知金刚石是最硬的材料之一，并且可以在接合工艺期间被认为是的绝对的刚性体。因此，如果在接合工艺期间所施加的接合力太大，那么功能性半导体器件可能容易被集中的应力所影响从而产生破裂。

此外，金刚石的热膨胀系数(CTE)仅为1ppm/℃，该热膨胀系数小于大多数常用的半导体材料，例如硅(Si)：2.7ppm/℃，砷化镓(GaAs)：5.9ppm/℃，氮化镓(GaN)：5.6ppm/℃，磷化铟(InP)：4.6ppm/℃，碳化硅(SiC)：4.7ppm/℃。因此，在从接合温度到室温的冷却过程期间，会累积来自在半导体器件和金刚石散热安装座之间的CTE失配的热诱发应力/应变。在集成的异质结构中，这种CTE失配诱发的应力/应变通常是比较棘手的，会导致诸如功能性半导体器件中的产生微裂纹、界面分层、残余应力/应变诱发的故障等问题。因此，在半导体器件和基于金刚石的散热安装座之间的异质集成中，很需要具有较小接合压力和较低接合温度的接合工艺。

在传统技术领域，诸如纯锡(Sn)、富锡焊料、锡-铅(Sn-Pb)、纯铟(In)、富In焊料和铟-锡(In-Sn)等的软焊料已被用于半导体接合。然而，软焊料的屈服强度通常太低，使得接合层倾向于塑性变形以释放所累积的应力。然而，塑性变形的机制使得软焊料面临热疲劳和蠕变断裂问题，从而引发长期可靠性问题。因此，在长期可靠性更为重要的高端产品中，产业优选使用硬焊料。最常用的硬焊料来自于富金共晶族。诸如金-锡(Au-Sn)、金-锗(Au-Ge)和金-硅(Au-Si)等的富金共晶接合技术已被发展并应用于半导体器件到基于金刚石的散热安装座之间的异质集成。在产业应用中经过几十年的发展和优化之后，在连接半导体器件到金刚石安装座的应用中，富金共晶接合技术已被证明为长期可靠的工程解决方案。