专利名称：由至少两个半导体基体组成的复合物以及制造方法
由至少两个半导体基体组成的复合物以及制造方法
现有技术本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的由至少两个半导体基体组成 的复合物，以及一种按照权利要求10的前序部分所述的制造复合物的方法。在例如用于制造MEMS (微机电系统)的半导体工艺技术中，必需要相互固定地连 接两个半导体基体，例如用于封装一个装在一个半导体基体上的电子装置和/或微型机械 装置。为了连接两个半导体基体已知采用了低共熔接合连接。在一个钎焊料和一个半导体 基体之间设有一层薄的低共熔混合物，它对于固定连接来说是责任重大的。在已知的方法 和用此方法制成的由至少两个半导体基体组成的复合物中，不利的是连接的接合强度对 于一些应用场合来说不够。此外不利的是钎焊料必须施加得比较厚，因而整个复合物比较 尚ο
发明内容
技术任务因此发明的任务是提供一种由至少两个半导体基体组成的复合物，它就高的接合 强度来说进行了最优化。此外任务还在于，提供一种相应的制造方法。技术解决方案这任务就这由至少两个半导体基体组成的复合物而言，用权利要求1的特征来解 决，而就制造方法而言，用权利要求11的特征来解决。发明的有利的改进设计方案在从属 权利要求中加以说明。为了避免重复，纯粹装置方面公开的特征也应该适合和可以要求作 为方法方面所公开的特征。同样纯粹方法方面所公开的特征也应该适于和可以要求作为装 置方面所公开的。本发明已经认识到低共熔层，就是说低共熔混合物的加大，尤其是低共熔混合物 厚度尺寸的加大，提高了在钎焊料和半导体基体之间的连接的强度。为了加大低共熔混合 物厚度尺寸，尤其是与钎焊料的总厚度相比，发明建议半导体基体至少部分地在半导体基 体和钎焊料之间的接触部位里，设有一种微型结构。要是钎焊料并不与半导体基体直接接 触，尤其是因为在半导体基体和钎焊料之间设有另一个层，它涂覆在半导体基体上，那么在 本发明中这层设有一种微型结构，重要的是钎焊料与一种微型结构相互作用。所谓微型结 构按照本发明是指一种结构，其结构宽度和/或高度在几个微米至几十个μ m的范围里，尤 其是大约在5 μ m至50 μ m之间。通过在半导体基体上设置微型结构和/或必要时在设置 另一个层时这层上或里设置微型结构，与由现有技术得知的复合物相比，尤其是在微型结 构的边缘部位里和/或在微型结构的凹处，低共熔混合物厚度尺寸加大。这例如可以归结 于在微型结构部位里作用到通过加热而流动的低共熔混合物上的毛细力，这毛细力负责使 低共熔混合物，尤其是在微型结构的侧面上加厚地成形。在形成的低共熔层里既可能有钎焊料的成分，也有半导体基体的成分(原子)，和 /或若在这半导体基体上设有一个层，那么有这层材料的成分(原子)。形成的低共熔的 层的特征在于，其上述的成分以一种这样的比例相互设置，从而它们作为整体在某个液相线-温度时变成液态的。这个温度必须被产生，以便在制造复合物时生成低共熔层或低共 熔混合物。通过这由于微型结构而引起的毛细力，在钎焊料和半导体基体之间得到一种特 别厚的低共熔混合物层和因此一种高强的连接。总之通过设置微型结构使钎焊料的厚度涂 覆(Dickenauftrag)明显地减少。研究表明，用发明本身就可以制成牢固的连接，如果钎焊 料的厚度涂覆比已有技术要减少系数5的话，并且有附加的优点复合物的高度总体较小。 通过加大低共熔层不仅提高了复合物的接合强度。而且也提高了导电性，因此钎焊料不仅 可以用来连接两个半导体基体，而且也可用来使半导体基体的有源的和/或无源的电子器 件电接触。微型结构可以借助于一种变形方法和/或通过去除的蚀刻法施加入半导体基体 里。选择地设置在半导体基体上的层同样也可以被微型结构化。也可以考虑，施加一个已 经微型结构化的这样的层，例如印刷，或者，例如借助于一种CVD (化学气相沉积)方法进行
汽化渗镀。除了提供以前所述的液相线-温度之外可以根据使用哪一种材料，而在制造复合 物时实现在半导体基体上的合适的压紧力。通过一种以前所述的低共熔连接可以替代以前所用的密封玻璃接合框架。在这发 明中，微型结构不仅设置在一个半导体基体或一个选择地施加在其上的层上，而且也在两 个半导体基体上或可能位于其上的层上，因此钎焊料在两个对峙的侧上分别与微型结构相 互作用。也可以考虑，只是在一个半导体基体上，或在一个选择地设置于其上的层上设有一 个微型结构，而在另一个半导体基体上设有一个附着层，这附着层使半导体材料不形成一 种低共熔混合物而“固定住”。一种实施形式是特别有利的，在这实施形式中钎焊料这样施加，使它在至少一侧， 优选在所有的侧面上，也就是说基本横交垂直于厚度尺寸都突出于微型结构，因此在微型 结构的周边边缘区域上，尤其是在微型结构(侧向的)侧面上，设有一种加厚的低共熔混合物层。一种前述的由至少两个半导体基体组成的复合物的特征优选地在于，低共熔层在 微型结构的周边边缘部位里，尤其是在微型结构(侧向的)侧面上和/或在至少一个凹处 里，或在微型结构里的凹处侧面上的厚度大于在微型结构的至少一个凸起的，优选为平的 部位里的厚度。低共熔混合物的厚度尺寸，至少局部地，优选地大于1微米，特别优选地大 于5微米。一种实施形式是特别有利的，其中钎焊料不是(仅仅)有将至少两个半导体基体 相互连接起来的任务，而是在此实施形式中，钎焊料用于产生一种在两个布置于不同的半 导体基体上的无源的或者有源的电器件，如印制导线或者晶体管之间的电连接。尤其是通 过钎焊料厚度涂覆的减小和与钎焊料总厚度相比来说厚的低共熔薄层实现最佳的导电性。特别优选一种实施形式，其中在另外的半导体基体之一上，如开头所述，布置了一个附着层用于“固定住”钎焊料。这个附着层例如可以通过汽化渗镀来施加。附着层优选 地这样来设计，从而液体的钎焊料并不或者只是微微地将附着层润湿。在改进设计方案中， 附着层在施加钎焊料之前设置一种微型结构，或者已微型结构化地施加附着层。与设置附 着层来说备选地，可以使钎焊料与半导体基体有直接的接触，尤其是用于与其形成一种低 共熔连接。在这种情况下，有利的是半导体基体或者一个可能设于半导体基体和钎焊料之间的层设置有一个微型结构或者说设计成微型结构。对于在所述至少两个半导体基体之间建立一种导电连接来说，附加或者备选地可 以考虑，将钎焊料或形成的低共熔的层布置成一种，尤其是环状的接合框架的形式，它优选 地包围住一个电子线路或者一个微型机械构件。根据钎焊料的一种这样的布置，可以通过 固定住另外的半导体基体盖住电子线路，并且密封地封装。在发明的改进设计方案中有利地规定微型结构，优选是接合框架的宽度尺寸(横向于厚度尺寸)具有最大宽度200微米，优选只是大约100微米，特别优选只是大约50 微米或者以下，以便能够充分利用至少一个半导体基体的尽可能大的面积份额，用于放置 有源的和/或无源的电器件。在本发明的改进设计方案中，有利的是，在半导体基体中的至少一个上，优选在两 个半导体基体上，特别优选地环形地围绕钎焊料或者所形成的低共熔混合物层，设有一种 材料，优选是汽化渗镀，这材料不允许或者可能只允许微小地用液体的低共熔混合物润湿， 因此最小化，优选是完全阻止低共熔混合物不可控制地溢流出微型结构。本发明也涉及一种以前所述的复合物的制造方法。本发明的核心构思是半导体 基体中的至少一个在施加钎焊料或与之接触之前，设有一种微型结构，和/或一个可能施 加在半导体基体上的层设有一个微型结构，或者已微型结构化地施加，以便因此，尤其是通 过毛细力的作用，得到一种低共熔混合物层的结构，它具有一个与已有技术相比，至少局部 地，更大的厚度尺寸。特别优选一种方法的实施形式，其中钎焊料，在它与以前所述的微型结构接触之 前，固定在另一个半导体基体上，优选地在一个设置于其上的附着层上。优选地在至少两个 半导体基体合并之后或者也在合并期间，使钎焊料加热，例如通过将尚未固定的复合物放 入焊炉里。必要时给复合物附带地加上压力(压紧力)。钎焊料的温度，至少在与微型结构 的接触部位里，必须足够高，以便保证在微型结构材料和钎焊料之间形成一个低共熔层。
发明的其它优点，特征和细节可以见以下对于优选的实施例以及根据附图所作的 说明。附图所示为图Ia制造一种按照现有技术的，在图Ib中所示的复合物的一个制造步骤；图Ib正如由现有技术中已知的那样一种复合物；图2制造一种按照本发明的构思所设计的复合物时的一个制造步骤；图3制造复合物时的另一个方法步骤，其中相互要连接的半导体基体并合起来；图4图3的一个放大图；图5 —种按照本发明的构思所设计的复合物的第一实施例的放大图；图6对于图5所示的复合物来说备选的一种复合物的实施形式，其中一个阻止液 体低共熔混合物溢出的层完整地施加在微型结构周围。
具体实施例方式在附图中相同的构件和具有相同功能的构件用相同的标号表示。在图Ia和图Ib中表示了现有技术情况。可以看到第一平坦的半导体基体1，尤其是一个晶片，在这晶片上汽化渗镀了一层附着层2。在这平的附着层上附着了钎焊料3，它 用于使第一半导体基体1连接在一个在图面中位于其下的第二半导体基体4。
在图Ib中表示了 一种构造好的，已知的复合物5，它包括有第一半导体基体1和第 二半导体基体4。可以见到，在平的第二半导体基体4和钎焊料3之间设计有一种薄的低共 熔混合物6，它用于连接第二半导体基体4。在图2中表示了在制造一种局部地在图5和6中所示的复合物5时的一个方法步骤。在图2上半部中表示了第一半导体基体1，在其上在前面一个步骤中已经汽化渗镀了 一层附着层2。在这附着层2上已经施加了钎焊料3。在所示的实施例中，第一半导体基体 1由硅组成。附着层2这样设计，使它不允许或者最大允许微小地用融化了的钎焊料润湿。 由图2可见，钎焊料3的厚度尺寸远小于在按照现有技术的实施例。厚度尺寸是大约在一 种已知复合物5(见图Ia和图lb)时的厚度尺寸的1/5。设有钎焊料3的第一半导体基体1应该与一个在图面中位于其下面的第二半导体 基体4固定连接。第二半导体基体4在所示的实施例中由硅组成。钎焊料3 (主要)由金 组成。第一半导体基体1可以备选地由硅或者锗组成。第二半导体基体4可以备选地例如 由氧化硅或者锗构成。可以应用铝，AlCu或者Al-SiCu来代替金作为为钎焊料。在第一半 导体基体1上的附着层在所示的实施例中由铬构成。如由图2下可见，第二半导体基体4并不设计成平面，而是在一个后面在图3中可 见的与钎焊料3的接触部位7里具有一种微型结构8。可见，钎焊料3侧面，也就是说横向 于其厚度尺寸伸出了微型结构8。在所示的实施例中微型结构8设计成简单的结构块。微 型结构8可以附加或者备选地由许多隆起和凹部组成。隆起的高度或凹部的深度优选地为 至少2 μ m,优选最大40 μ m。微型结构的各个结构部段的宽度同样也优选地是至少1 μ m，和 优选最大40 μ m。微型结构8的总宽度在所示的实施例中大约在20 μ m和200 μ m之间。在图4中表示了图3的一个放大细部图。这里微型结构8的高度H(厚度尺寸) 在这实施形式中为ΙΟμπι。由图4特别好地可以见到，微型结构8侧面被薄的钎焊料3在横 向方向上超出。在所示的实施例中通过应用一种变型方法或者一种去除方法将微型结构8 直接设置在第二半导体基体4里。可以附加或者备选地考虑，通过一种涂覆的方法，例如通 过汽化渗镀或者印刷来施加微型结构8，或者微型结构部段。如果另一个未示出的薄层这样 施加在第二半导体材料4上，从而它至少局部地位于第二半导体材料4和钎焊料3之间，那 么有利的是，使这个层结构化或者已结构化地施加。优选在第一半导体基体1合并在第二半导体基体4上之后，正如图3和4所示那 样，使这样得到的复合物装置转送至一个焊炉里，在这炉里温度超过了图5和6所示的低共 熔混合物6的液相线温度。可能可以附加地在半导体基体1，4上，优选在合并方向上施加 一个压紧力。在钎焊过程中原子从第二半导体基体4扩散入钎焊料3里，并且反过来，因而 形成所示的低共熔混合物6。通过有效的毛细力将产生的低共熔混合物“抽吸”到微型结构 8的一个外侧面部位9 (圆周边缘部位)上，因而在侧面部位9处的低共熔混合物6与微型 结构8的隆起部位10相比就比较厚。在所示的实施例中低共熔混合物6的厚度在侧面部 位9里大于20 μ m。在图6中表示了一种制成的复合物5的一种备选的实施例。与按照图5所示的实 施例的唯一区别在于微型结构8在周边由一种材料11包围，这材料不能被低共熔混合物6润湿，以阻止这在焊过程中产生的液体的低共熔混合物6从接触部位7不可控制地溢流。在所示的实施例的修改方案中，附着层2或者一个附加的或者备选的层或者第一半导体基体1在施加钎焊料3之前，同样也设置一种微型结构。在所示的实施例中(图5和6)低共熔混合物6由组成成分金和硅组成。根据钎焊 料3和第二半导体基体4的半导体基体材料或者可能施加于其上面的层的材料组合情况， 低共熔混合物6例如可以由组成成分AlCu/Si，AlSiCu/Si，Al/Si，Au/Ge，Al/Ge或者AlCu/ Ge, AlSiCu/Ge构成。其它的材料组合同样也可以实现。
权利要求
复合物，它包括有第一半导体基体(1)，它用钎焊料(3)固定在至少第二半导体基体(4)上，其中在钎焊料(3)和第二半导体基体(4)和/或至少一个可能设在这第二半导体基体(4)上的层之间设计有低共熔混合物(6)，其特征在于，低共熔混合物(6)设计在钎焊料(3)和微型结构(8)之间，这种微型结构在与钎焊料(3)的接触部位里，设置在第二半导体基体(4)和/或所述层上。
2.按权利要求1所述的复合物，其特征在于，钎焊料(3)在侧面，优选在所有侧超出微 型结构⑶。
3.按权利要求1或者2所述的复合物，其特征在于，低共熔混合物(6)在微型结构(8) 的边缘部位里和/或在微型结构(8)之内的至少一个凹处里的厚度大于在微型结构(8)的 至少一个隆起部位(10)里的厚度。
4.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，钎焊料(3)形成电接触。
5.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，在钎焊料(3)和第一半导体基体 (1)之间布置附着层(2)。
6.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，第一半导体基体(1)和/或可能设 于第一半导体基体(1)上的附着层(2)被微型结构化了。
7.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，钎焊料(3)设置成接合框架的形式。
8.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，微型结构(8)的最大总宽度为 200 μ m,优选为100 μ m,特别优选为50 μ m。
9.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，微型结构(8)在侧面，至少局部 地，优选完全地被阻止液体低共熔混合物(6)在侧面溢流的材料包围。
10.按上述权利要求之一所述的复合物，其特征在于，微型结构(8)设计成整体的微 型块，或者由许多凹部和隆起组成，其中结构宽度和/或高度优选设计成在在大约ι μ m至 10 μ m之间的大的范围里。
11.用于制造在第一半导体基体(1)和第二半导体基体(4)之间的复合物(5)的方法， 其中将钎焊料(3)施加到第二半导体基体(4)上，和/或施加到至少一个可能设置在第二 半导体基体(4)上的层上，其中在钎焊料(3)和第二半导体基体(4)和/或所述层之间形 成低共熔混合物(6)，其特征在于，第二半导体基体(4)和/或所述层在与钎焊料(3)的接 触部位(7)里，在施加钎焊料(3)之前被微型结构化，和/或在施加钎焊料(3)之前使所述 层微型结构化地进行施加。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，将钎焊料(3)，优选在施加到第二半导体 基体(4)和/或所述层上之前，施加到第一半导体基体(1)和/或设于其上的附着层(2) 上。
全文摘要
本发明涉及复合物(5)，它包括有第一半导体基体(1)，它用钎焊料(3)固定在至少第二半导体基体(4)上，其中在钎焊料(3)和第二半导体基体(4)和/或至少一个在一定情况下设在这半导体基体(4)上的薄层之间设计有一种低共熔混合物(6)。按照本发明规定低共熔混合物(6)设计在钎焊料(3)和微型结构(8)之间，这种结构在与钎焊料(3)的接触部位里，设计在第二半导体基体(4)和/或薄层上。此外本发明还涉及一种制造方法。
文档编号H01L23/10GK101821847SQ200880110721
公开日2010年9月1日 申请日期2008年9月2日 优先权日2007年10月9日
发明者A·特劳特曼, A·费伊 申请人:罗伯特.博世有限公司