半导体元件背面铜金属的改良结构的制作方法

本发明涉及一种半导体元件背面铜金属的改良结构，尤指一种以铜做为背面金属层，背面金属种子层包含钯(Pd)以及磷(P)，且于前述两层之间插入一耐持久高温缓冲层，使半导体元件具有耐持久高温操作特性的改良结构。

背景技术：

半导体元件的制程当中通常会包含背面金属化的制程，该背面金属化的制程关系到半导体元件的抗折强度、散热以及接地等特性。第1图为一现有的半导体元件背面铜金属结构示意图，其中结构依次包含有一基板101、一扩散阻挡层105、一应力消除金属层107、一背面金属层109以及一抗氧化层111；其中该扩散阻挡层105形成于该基板101之下，该扩散阻挡层105的材料为氮化钽(TaN)，主要功能在于阻挡其他金属材料扩散进入该基板101，进而对元件产生不利影响；该应力消除金属层107形成于该扩散阻挡层105之下，该应力消除金属层107的材料为金(Au)，主要功能在于减缓或消除其下结构因不均匀的膨胀或收缩所导致的结构剥离；该背面金属层109的材料为铜(Cu)，其厚度需足够支持该基板101在封装时所受的应力，同时亦可帮助该基板101上的元件散热；该抗氧化层111的材料为金(Au)，可防止该背面金属层109氧化。

然而以氮化钽(TaN)做为扩散阻挡层、以金(Au)做为应力消除金属层、再以铜(Cu)做为背面金属层，此三层结构材料的选用对于半导体元件耐高温操作的表现并不尽理想；现今半导体元件的散热及耐高温特性是很重要的课题，若该元件的耐高温特性不理想，可能导致半导体元件因过热而受损，尤其当半导体元件有背面导孔时，通常背面导孔的深宽比都很大，在高温操作下，此三层结构较容易产生空隙、出现裂痕、剥离等现象，造成接地不良的状况，而使该半导体元件受损。

有鉴于此，本发明为了改善上述的缺点，本发明提出一种耐持久高温操作的半导体元件背面铜金属的改良结构，不但可以有效提升半导体元件的耐高温操作特性，降低元件因过热而受损的机率，同时又可改善晶片的导热效果，并且降低材料成本。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种半导体元件背面铜金属的改良结构，有助于提升元件的耐持久高温操作特性。

为了达到上述之目的，本发明提供一种半导体元件背面铜金属改良结构，包括：一有源层、一基板、一背面金属种子层、一耐持久高温缓冲层以及一背面金属层。该有源层形成于该基板的一正面，且该有源层包含至少一集成电路。该背面金属种子层形成于该基板的一背面，且构成该背面金属种子层的材料包含钯以及磷。该耐持久高温缓冲层形成于该背面金属种子层的下方。该背面金属层形成于该耐持久高温缓冲层的下方，且构成该背面金属层的材料为铜。

于一实施例中，包含于该背面金属种子层的钯的分布与包含于该背面金属种子层的磷的分布至少部分相重迭。

于一实施例中，包含于该背面金属种子层的钯是均匀地分布于该背面金属种子层，且包含于该背面金属种子层的磷是均匀地分布于该背面金属种子层。

于一实施例中，包含于该背面金属种子层的钯是分布于较接近该基板的该背面，而包含于该背面金属种子层的磷是分布于较接近该耐持久高温缓冲层。

于一实施例中，该背面金属种子层包含一第一次层以及一第二次层，构成该第一次层的材料为钯，且构成该第二次层的材料为磷。

于一实施例中，该第一次层形成于该基板的该背面，该第二次层形成于该第一次层的下方，且该耐持久高温缓冲层形成于该第二次层的下方。

于一实施例中，构成该耐持久高温缓冲层的材料为镍合金。

于一实施例中，构成该耐持久高温缓冲层的材料为镍。

于一实施例中，构成该耐持久高温缓冲层的材料为银。

于一实施例中，该耐持久高温缓冲层的一厚度大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于或大于且小于

于一实施例中，更包括至少一抗氧化金属层，其中该至少一抗氧化金属层形成于该背面金属层的下方。

于一实施例中，构成该至少一抗氧化金属层的材料包括选自以下群组之一：镍、金、钯、钒、镍金合金、镍钯合金、钯金合金、镍合金以及镍钒合金。

于一实施例中，更包括至少一导孔，其中该至少一导孔形成于该基板的该背面，该至少一导孔的一内表面被该背面金属种子层所覆盖。

于一实施例中，该背面金属种子层的一厚度大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于或大于且小于

为进一步了解本发明，以下举较佳的实施例，配合图式、图号，将本发明的具体构成内容及其所达成的功效详细说明如下。

附图说明

图1为现有技术的背面铜金属化的剖面结构示意图。

图2A为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例于背面铜金属化前的剖面结构示意图。

图2B为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例的剖面结构示意图。

图2C为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例于背面金属层形成街道状凹槽的剖面结构示意图。

图2D为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例形成至少一抗氧化金属层后的剖面结构示意图。

图2E为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的另一具体实施例的剖面结构示意图。

图2F为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的另一具体实施例于背面金属层形成街道状凹槽的剖面结构示意图。

图2G为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的另一具体实施例形成至少一抗氧化金属层后的剖面结构示意图。

图2H为图2B的局部放大图。

图3A为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构经持久性高温测试后，再以能量色散X-射线光谱仪(EDS，Energy-Dispersive X-Ray Spectroscope)分析图2H中的c—c’剖面线的结构的分析结果。

图3B局部显示图3A的测试结果。

附图标记说明：101-基板；105-扩散阻挡层；107-应力消除金属层；109-背面金属层；111-抗氧化层；201-基板、203-有源层；205-背面金属种子层；207-耐持久高温缓冲层；209-背面金属层；211-抗氧化金属层；213-导孔；215-凹槽；11-第一次层；12-第二次层。

具体实施方式

第2A图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例于背面铜金属化前的剖面结构示意图。其中包括一基板201、一有源层203以及至少一导孔213。基板201通常是使用砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)等半导体材料所构成。于基板201的正面设置有一有源层203，而有源层203则是包括了至少一集成电路。由于在有源层203中的集成电路需要接地点，因此会在基板201的背面以蚀刻技术制作出所需数量的背面导孔213，通过背面导孔213可以让有源层203中的集成电路的接地被连接到远端配置的接地区。

第2B图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例的剖面结构示意图。其主要结构与第2A图所示的实施例大致相同，惟，其中一背面金属种子层205形成于基板201的一背面、一耐持久高温缓冲层207形成于背面金属种子层205的下方以及一背面金属层209形成于耐持久高温缓冲层207的下方。背面金属种子层205覆盖住基板201的背面以及导孔213的内表面。构成背面金属种子层205的材料包含钯以及磷。构成耐持久高温缓冲层207较佳的材料为镍、镍合金或银。构成背面金属层209的材料为铜。

在一实施例中，包含于背面金属种子层205的钯的分布与包含于背面金属种子层205的磷的分布至少部分相重迭。在另一实施例中，包含于背面金属种子层205的钯以及磷是混合在一起。在又一实施例中，包含于背面金属种子层205的钯以及磷是部分混合在一起。在再一实施例中，包含于背面金属种子层205的钯以及磷是均匀地混合在一起，其中包含于背面金属种子层205的钯是均匀地分布于背面金属种子层205，且包含于背面金属种子层205的磷是均匀地分布于背面金属种子层205。在另一实施例中，部分的包含于背面金属种子层205的钯以及磷是均匀地混合在一起。

在另一实施例中，包含于背面金属种子层205的钯是分布于较接近基板201的背面，而包含于背面金属种子层205的磷是分布于较接近耐持久高温缓冲层207。

背面金属种子层205包含了钯以及磷，可以做为一扩散障碍，以防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。使用钯做为背面金属种子层205的材料的一部分，也可以改善对基板201的附着力。此外，使用磷做为背面金属种子层205的材料的一部分，更可以提高防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201的功效。

第2C图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例于背面金属层形成街道状凹槽的剖面结构示意图。其主要结构与第2B图所示的实施例大致相同，惟，其中于背面金属层209形成了街道状凹槽215。形成街道状凹槽215的结构，首先是以曝光显影技术于背面金属层209上定义出至少一街道状凹槽215的区域，然后再对至少一街道状凹槽215的区域内的背面金属层209进行蚀刻，使蚀刻终止于耐持久高温缓冲层207。

第2D图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的一具体实施例形成至少一抗氧化金属层后的剖面结构示意图。其主要结构与第2C图所示的实施例大致相同，惟，其中至少一抗氧化金属层211形成于背面金属层209的下方。因此背面金属层209以及街道状凹槽215被至少一抗氧化金属层211所覆盖住，从而防止了背面金属层209的氧化。构成至少一抗氧化金属层211的材料包括选自以下群组之一者：镍、金、钯、钒、镍金合金、镍钯合金、钯金合金、镍合金以及镍钒合金。在一较佳的实施例中，至少一抗氧化金属层211包含了一金层以及一镍钒合金层。

第2E图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的另一具体实施例的剖面结构示意图。其主要结构与第2B图所示的实施例大致相同，惟，其中背面金属种子层205包含一第一次层11以及一第二次层12。构成第一次层11的材料为钯，且第一次层11形成于基板201的背面。构成第二次层12的材料为磷，且第二次层12形成于第一次层11的下方。且耐持久高温缓冲层207形成于第二次层12的下方。因为钯可以改善对基板201的附着力，因此背面金属种子层205的第一次层11被设计形成于基板201的背面。且因为磷可以更加提高防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201的功效，因此背面金属种子层205的第二次层12被设计形成于介于第一次层11与耐持久高温缓冲层207之间。

第2F图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的另一具体实施例于背面金属层形成街道状凹槽的剖面结构示意图。其主要结构与第2E图所示的实施例大致相同，惟，其中于背面金属层209形成了街道状凹槽215。形成街道状凹槽215的结构，首先以曝光显影技术于背面金属层209上定义出至少一街道状凹槽215的区域，然后再对至少一街道状凹槽215的区域内的背面金属层209进行蚀刻，使蚀刻终止于耐持久高温缓冲层207。

第2G图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构的另一具体实施例形成至少一抗氧化金属层后的剖面结构示意图。其主要结构与第2F图所示的实施例大致相同，惟，其中至少一抗氧化金属层211形成于背面金属层209的下方。因此背面金属层209以及街道状凹槽215被至少一抗氧化金属层211所覆盖住，从而防止了背面金属层209的氧化。构成至少一抗氧化金属层211的材料包括选自以下群组之一者：镍、金、钯、钒、镍金合金、镍钯合金、钯金合金、镍合金以及镍钒合金。在一较佳的实施例中，至少一抗氧化金属层211包含了一金层以及一镍钒合金层。

本发明的主要目的在于提供一种半导体元件背面铜金属的改良结构，有助于提升元件的耐持久高温操作特性。半导体元件背面铜金属的改良结构必须能通过持久性高温测试(350℃，30分钟)。因此，半导体元件背面铜金属的改良结构必须要有整体性地考量。首先，背面金属种子层205对基板201(GaAs)必须有良好的附着力。而本发明中，包含于背面金属种子层205中的钯对基板201(GaAs)即具有良好的附着力。其次，还需要有良好的扩散障碍层，以防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。包含于背面金属种子层205中的钯也具有扩散障碍的功能，能防止部分的背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。但钯的功效还不够好。因此，本发明的半导体元件背面铜金属的改良结构的背面金属种子层205包含了钯以及磷。其中磷的扩散障碍功能非常卓著，能够更加有效地防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。包含于背面金属种子层205中的钯以及磷两者可高度地防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。在一实施例中，当包含于背面金属种子层205中的钯的分布较接近于基板201时，钯更可以发挥其与基板201(GaAs)的良好的附着力的功效。而包含于背面金属种子层205中的磷的分布则较接近耐持久高温缓冲层207，可与钯同时扮演着防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201的功效。而其中耐持久高温缓冲层207由镍、银或镍合金所构成。选择镍、银或镍合金的主要因素是在各相邻的金属间的互熔性的考量。背面金属层209(铜)以及耐持久高温缓冲层207(镍、银或镍合金)在350℃时具有良好的互熔性。因此，经过持久性高温测试(350℃，30分钟)，背面金属层209(铜)以及耐持久高温缓冲层207(镍、银或镍合金)会在彼此边界附近良好地互熔在一起。相似地，耐持久高温缓冲层207(镍、银或镍合金)以及背面金属种子层205(钯)在350℃时具有良好的互熔性。因此，经过持久性高温测试(350℃，30分钟)，耐持久高温缓冲层207(镍、银或镍合金)以及背面金属种子层205(钯)会在彼此边界附近良好地互熔在一起。在一最佳的实施例中，半导体元件背面铜金属的改良结构的设计包括背面金属种子层205(包含了钯以及磷)、耐持久高温缓冲层207(镍、银或镍合金)以及背面金属层209(铜)。此半导体元件背面铜金属的改良结构的设计可通过持久性高温测试(350℃，30分钟)。且经过持久性高温测试(350℃，30分钟)之后，并不会有任何的金属剥离现象或是产生任何元件的接地不良。因此，元件的可靠度可被大幅地提升。

第2H图为第2B图的局部放大图。第3A图为本发明的半导体元件背面铜金属改良结构经持久性高温测试后，再以能量色散X-射线光谱仪(EDS，Energy-Dispersive X-Ray Spectroscope)分析图2H中的c—c’剖面线的结构的分析结果。由3A图可以很清楚地看出，当经过持久性高温测试(350℃，30分钟)之后，背面金属层209(铜)以及耐持久高温缓冲层207(镍)在彼此边界附近良好地互熔在一起。在背面金属层209(铜)以及耐持久高温缓冲层207(镍)之间并没有明显地边界。相似地，经过持久性高温测试(350℃，30分钟)之后，耐持久高温缓冲层207(镍)以及背面金属种子层205(磷、钯)在彼此边界附近良好地混合在一起。甚至有部分的耐持久高温缓冲层207(镍)已经扩散到基板201(GaAs)的背面，且与部分的基板201(GaAs)混合在一起。其中背面金属种子层205包含了磷以及钯。其中包含于背面金属种子层205的钯是分布于较接近基板201的背面，而包含于背面金属种子层205的磷是分布于较接近耐持久高温缓冲层207。相似地，经过持久性高温测试(350℃，30分钟)之后，背面金属种子层205(磷、钯)以及基板201(GaAs)在彼此边界附近良好地混合在一起(尤其是较靠近基板201这一侧，包含于背面金属种子层205的钯)。包含于背面金属种子层205的磷扮演防止背面金属层209的铜金属扩散进入基板201的角色。由结果来看，有部分背面金属层209的铜金属扩散进入耐持久高温缓冲层207(镍)。还有很少部分的背面金属层209的铜金属扩散进入包含于背面金属种子层205的磷的区域。然而，包含于背面金属种子层205的磷阻挡了绝大部分的背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。仅有极小部分的背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。请同时参阅第3B图，是局部显示第3A图的测试结果。3B图与3A图大致相同，惟，其中基板201(GaAs)并未显示在3B图中。由3B图更清楚地显示了背面金属种子层205的磷的分布以及背面金属层209的铜金属的分布。

其中耐持久高温缓冲层207的一厚度大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于或大于且小于

其中背面金属种子层205的一厚度大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于大于且小于或大于且小于

本发明更提供了一种半导体元件背面铜金属的改良结构的制造方法，包括以下步骤：A1：形成一有源层203于一基板201的一正面，其中有源层203包含了至少一集成电路；A2：形成一背面金属种子层205于基板201的一背面以覆盖基板201的背面，其中构成背面金属种子层205的材料包含钯以及磷；A3：形成一耐持久高温缓冲层207以覆盖背面金属种子层205；以及A4：形成一背面金属层209以覆盖耐持久高温缓冲层207，其中构成背面金属层209的材料为铜。其中包含于背面金属种子层205的钯是分布于较接近基板201的背面，而包含于背面金属种子层205的磷是分布于较接近耐持久高温缓冲层207。

此外，本发明的一种半导体元件背面铜金属的改良结构的制造方法更包括以下的步骤：借助使用蚀刻技术制作至少一背面导孔213于基板201的背面，其中背面导孔213的一内表面被背面金属种子层205所覆盖。

此外，步骤A2更包括以下的步骤：形成背面金属种子层205的一第一次层11于基板201的背面，其中构成第一次层11的材料为钯；以及形成背面金属种子层205的一第二次层12于第一次层11之下，其中构成第二次层12的材料为磷，其中耐持久高温缓冲层207形成于背面金属种子层205的第二次层12的下方。

此外，本发明的一种半导体元件背面铜金属的改良结构的制造方法更包括以下的步骤：于背面金属层209上以光罩定义至少一街道状凹槽的区域；蚀刻街道状凹槽的区域内的背面金属层209；终止蚀刻于耐持久高温缓冲层207，以形成街道状凹槽215于背面金属层209；以及形成至少一抗氧化金属层211以覆盖背面金属层209以及街道状凹槽215以防止金属的氧化。

综上所述，依上文所揭示的内容，本发明的一种半导体元件背面铜金属的改良结构，系通过使用包括背面金属种子层205(磷、钯)、耐持久高温缓冲层207(镍、银或镍合金)以及背面金属层209(铜)的三层结构，并搭配上基板201(GaAs)，其材料的选择的组合使得其背面的各金属层结构在通过持久性高温测试后，仍维持其结构的完整性，且不易产生空隙、剥离或裂痕，不易产生接地不良的现象，并有效增强晶片的耐持久高温操作特性以及晶片的可靠度。并且有效地阻挡背面金属层209的铜金属扩散进入基板201。因此，本发明确可达到发明的预期目的，提供一种半导体元件背面铜金属的改良结构，极具产业上利用的价值。

以上这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。