半导体芯片、半导体器件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 示例实施方式涉及半导体芯片、半导体器件和半导体器件的制造方法。
【背景技术】
[0002] 在用于制造半导体器件的接合技术中，利用焊料材料的接合技术（例如，晶片接 合）可以在小于450°C的相对低的温度执行并可以提供改善的接合强度。与软焊料相比， 金-锡（Au-Sn)焊料具有满意的粘结强度和耐腐蚀性，而且具有相对高的导电性和改善的 导热性。此外，Au-Sn焊料抗热疲劳，不包含受环境法规约束的铅（Pb)，并可以被熔化而不 用助焊剂。然而，在Au-Sn焊料的情况下，价格会由于包含Au而增加，控制Au和Sn之间的 组分比会是困难的，并且接合温度相对高。
【发明内容】
[0003] 示例实施方式提供包括具有改善的接合强度和接合可靠性的接合结构的半导体 器件以及半导体器件的制造方法。
[0004] 示例实施方式还提供包括用于防止或阻止例如空隙的缺陷和由易碎性导致的机 械强度下降的接合结构的半导体器件以及半导体器件的制造方法。
[0005] 示例实施方式还提供包括在成本降低和制造容易方面有利的接合结构的半导体 器件以及半导体器件的制造方法。
[0006] 示例实施方式还提供通过使用晶片接合技术制造半导体器件的方法以及通过该 方法制造的半导体器件。
[0007] 附加的方面将在随后的描述中部分地阐述，并且将由该描述而部分地清楚，或者 可以通过示例实施方式的实践而习知。
[0008] 根据示例实施方式，半导体器件包括基底基板和安装在基底基板上的半导体芯 片，半导体芯片包括第一层结构和与第一层结构相反的第二层结构以及在第一层结构与第 二层结构之间的接合结构，第一层结构和第二层结构的至少一个包括半导体器件部分，接 合结构包括银-锡（Ag-Sn)化合物和镍-锡（Ni-Sn)化合物。
[0009] 接合结构可以还包括纯Ni。
[0010] Ag-Sn化合物可以包括Ag3Sn，Ni-Sn化合物可以包括Ni3Sn4。
[0011] 接合结构可以包括包含Ag3Sn和Ni3Snd^中间层、在中间层与第一层结构之间的 第一 Ni层、以及在中间层与第二层结构之间的第二Ni层。
[0012] Ni-Sn化合物可以还包括Ni3Sn。
[0013] 接合结构中的Ag含量可以为大约0· 5wt %至大约23. lwt %。
[0014] 半导体器件部分可以包括发光器件部分。
[0015] 第一层结构可以包括硅（Si)基板，第二层结构可以包括发光器件部分，发光器件 部分可以包括III- V族半导体。
[0016] 第一层结构可以包括第一基板和在第一基板上的第一半导体器件部分，第二层结 构可以包括第二基板和在第二基板上的第二半导体器件部分。
[0017] 至少一个第三层结构可以接合在第二层结构上。
[0018] 接合结构的晶片剪切强度可以是32MPa或更大。
[0019] 接合结构的再熔化温度可以是350°C或更高。
[0020] 接合结构层中的金属间化合物的平均弹性模量可以是124GPa至152GPa。
[0021] 接合结构中的金属间化合物的平均硬度可以是4. 5GPa至9GPa。
[0022] 根据示例实施方式，制造半导体器件的方法包括：在第一基板结构上形成第一金 属层，第一金属层包括第一镍（Ni)层和第一锡（Sn)层；在第二基板结构上形成第二金属 层，第二金属层包括第二Ni层；在第一金属层与第二金属层之间形成盖层，盖层包括银 (Ag);以及形成接合结构，形成接合结构包括：将形成在第一基板结构上的第一金属层接 合至形成在第二基板结构上的第二金属层；以及通过第一金属层和第二金属层与盖层之间 的反应而在第一金属层与第二金属层之间形成中间层，中间层包括金属间化合物。
[0023] 形成第二金属层可以还包括在第二Ni层上形成第二Sn层。
[0024] 形成盖层可以包括在第一金属层上形成第一 Ag层以及在第二金属层上形成第二 Ag层。
[0025] 第一 Ag层可以形成为接触第一 Sn层，第二Ag层可以形成为接触第二Ni层。
[0026] 第二金属层可以包括接触第二Ag层的第二Sn层。
[0027] 接合结构可以包括Ag3Sn、Ni3SnJP Ni。
[0028] 形成接合结构可以包括形成包含Ag3Sn和Ni3Sn^中间层、在中间层与第一基板 结构之间形成第一剩余Ni层、以及在中间层与第二基板结构之间形成第二剩余Ni层。
[0029] 接合结构可以还包括Ni3Sn。
[0030] 形成接合结构可以在300°C或更低的温度下执行。
[0031] 形成接合结构可以通过利用0. 5MPa或更小的压力而执行。
[0032] 该方法可以还包括在第一基板结构和第二基板结构的至少一个中形成半导体器 件部分。
[0033] 形成半导体器件部分可以包括形成至少一个发光器件部分。
[0034] 第一金属层和第二金属层之一可以形成在娃（Si)基板上，第一金属层和第二金 属层的另一个可以形成在从GaN基板、SiC基板、GaAs基板和蓝宝石基板中选择的一个上。
[0035] 第一金属层和第二金属层的每个可以形成在晶片级基板上。
[0036] 该方法可以还包括：通过基于芯片单元分割堆叠结构而形成多个半导体芯片，该 堆叠结构包括第一基板结构和第二基板结构以及位于其间的接合结构；以及将多个半导体 芯片的至少一个安装在基底基板上。
[0037] 该方法可以还包括：通过去除至少一部分第一基板结构而改变堆叠结构，该堆叠 结构包括第一基板结构和第二基板结构以及位于其间的接合结构；通过基于芯片单元分割 改变的堆叠结构而形成多个半导体芯片；以及将多个半导体芯片的至少一个安装在基底基 板上。
[0038] 根据示例实施方式，半导体芯片包括在第一层结构与第二层结构之间的接合层， 该接合层包括银-锡（Ag-Sn)化合物和镍-锡（Ni-Sn)化合物。
[0039] Ag-Sn化合物可以包括Ag3Sn，Ni-Sn化合物可以包括Ni3Sn4。
[0040] 接合层可以包括包含Ag3Sn和Ni3Sn』^中间层、在中间层与第一层结构之间的第 一层、以及在中间层与第二层结构之间的第二层，第一层包括纯Ni，第二层包括纯Ni。
[0041] Ni-Sn化合物可以还包括Ni3Sn。
[0042] 接合层中的Ag含量可以为大约0· 5wt%至大约23. lwt%。
【附图说明】
[0043] 通过下文结合附图对实施方式的描述，这些和/或其它方面将变得更加明显且更 易于理解，附图中：
[0044] 图1是根据示例实施方式的半导体器件的截面图；
[0045] 图2是根据示例实施方式的半导体器件的截面图；
[0046] 图3是根据示例实施方式的半导体器件的截面图；
[0047] 图4是根据示例实施方式的半导体器件的截面图；
[0048] 图5是根据示例实施方式的半导体器件的截面图；
[0049] 图6是根据示例实施方式的半导体器件的截面图；
[0050] 图7是可以应用于根据示例实施方式的半导体器件的半导体芯片的截面图；
[0051] 图8A至8C是示出根据示例实施方式的半导体器件的制造方法的截面图；
[0052] 图9A至9C是示出根据示例实施方式的半导体器件的制造方法的截面图；
[0053] 图10是用于说明根据示例实施方式的半导体器件的制造方法的截面图；
[0054] 图11是示出可以用于根据示例实施方式的半导体器件的制造方法中的接合工艺 的条件的图形；
[0055] 图12是示出可以用于根据示例实施方式的半导体器件的制造方法中的接合工艺 的条件的图形；
[0056] 图13A至13D是示出根据示例实施方式的半导体器件的制造方法的截面图；
[0057] 图14A至14C是示出根据示例实施方式的半导体器件的制造方法的截面图；
[0058] 图15是示出根据比较示例的接合结构的横截面的聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB-SEM)图像；
[0059] 图16是示出根据示例实施方式的接合结构的横截面的FIB-SEM图像；
[0060] 图17是示出在根据示例实施方式的接合结构的制造方法中，接合结构的组成元 素的相对比率（relative ratio)根据银（Ag)盖层的厚度的图形；
[0061] 图18是示出接合结构的机械接合强度（即，晶片剪切强度（die shear strength) 随着根据示例实施方式的接合结构的制造中使用的Ag盖层的厚度的变化的图形；
[0062] 图19是示出接合结构的机械接合强度随着根据示例实施方式的接合结构的制造 中使用的Ag盖层的厚度的变化的图形；
[0063] 图20是示出根据示例实施方式的接合结构的横截面的FIB-SEM图像，其中指示了 用于物理性质评价的三个测量位置；以及
[0064] 图21至23是示出对于图20中指示的三个测量位置的物理性质评价结果的图形。
【具体实施方式】
[0065] 现在将参考附图更充分地描述各种示例实施方式，在附图中示出了示例实施方 式。
[0066] 将理解，当一元件被称为"连接到"或"联接到"另一元件时，它可以直接连接到或 联接到另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当一元件被称为"直接连接到"或者"直接 联接到"另一元件时，没有居间元件存在。如在此所用的，术语"和/或"包括一个或多个相 关所列项目的任何及所有组合。
[0067] 将理解，尽管术语"第一"、"第二"等在这里可以用于描述各种元件、组件、区域、层 和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该被这些术语限制。这些术语仅 用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。因此，在下面 讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分而不背 离示例实施方式的教导。
[0068] 为了便于描述，空间相对术语，诸如"在...之下"、"在...下面"、"下"、"上面"、 "上"等等，在这里可以用于描述一个元件或特征与其他（诸）元件或特征如附图所示的关 系。将理解，空间关系术语旨在包括除图中所示的取向之外器件在使用或操作中的不同的 取向。例如，如果在附图中的器件被翻转，被描述为"在"其他元件或特征"下面"或"之下" 的元件将取向为在其他元件或特征"之上"。因此，示范性术语"在...下面"可以包括之上 和之下两个取向。器件可以被不同地定位（旋转90度或在其他的取向），相应地解释这里 使用的空间关系描述符。
[0069] 在此使用的术语仅仅是为了描述特定实施方式的目的，而非旨在限制示例实施方 式。如在此所用的，单数