专利名称：具有铜背部金属结构的薄CaAs管芯的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体器件，更具体地涉及砷化镓(GaAs)半导体器件。
背景技术：
目前，所使用的半导体管芯封装的两种最常见类型是塑料封装和陶瓷封装。在某些情况(例如，当需要hemeticity和/或高频时)下，优选陶瓷封装胜过塑料封装，但由于塑料封装不昂贵，所以通常优选塑料封装胜于陶瓷封装。
日常使用塑料封装来封装硅管芯，然而，尝试在塑料封装内封装GaAs半导体管芯已证实有些问题。例如，尽管相对厚的GaAs管芯(即，具有大于大约3密耳厚度的那些管芯)可以封装在塑料内，厚GaAs管芯的功率耗散特性限制了可能实现的最大可能功率。
为克服功率耗散问题并提供更复杂的电路，已试图减少GaAs的厚度到小于3密耳。然而，结合封装的管芯处理工艺与薄、即小于3密耳的GaAs管芯相抵触。已提出利用厚的大约18μm的金背部金属层，试图加强变薄的GaAs管芯用于功率耗散的目的。令人遗憾的是，厚金背部金属层与塑料封装工艺相抵触，这是由于至少两种原因1)厚的金引起用于塑料封装工艺中以使半导体管芯粘附到引线框上的软焊剂变脆；以及2)金易于从塑料封装中分层。
因此，需要一种方法使高功率GaAs半导体管芯用于塑料封装中。通过使高功率半导体管芯用于塑料封装中，在没有性能损失的情况下，可以实现巨额成本节省。
参考附图，考虑下列说明和权利要求，本公开的各种优势、特征和特性、以及方法、结构的相关部件的操作和功能、和部分的结合及制造的成本节省将变得显而易见，全部附图组成了本说明书的一部分。
图1是根据本公开一个实施例的具有铜背部金属结构的薄GaAs半导体管芯的图；以及图2是根据本公开一个实施例密封在塑料封装内的具有铜背部金属结构的薄GaAs管芯。
具体实施例方式
图1-2示例了根据本公开适合用于塑料封装内的具有铜背部金属结构的薄GaAs管芯。在确定的实施例中，除铜背部金属层之外还示出了不同的抗应力和耐氧化层。图2示例了密封在塑料封装内的完整的半导体管芯。通过提供铜背部金属结构，薄、高功率的GaAs半导体管芯可以用于塑料封装内。通常，GaAs衬底小于2密耳(大约50微米)厚，并且半导体管芯的GaAs衬底的一个具体实施例具有近似1-2密耳(大约25-50微米)的厚度、小于近似1.5密耳(大约38微米)、或小于或等于近似1密耳(大约25微米)。此处所使用的近似(和大约)通常指工艺限度。例如，照常规进行用于抛光半导体衬底的具体工艺到理想工艺参数的百分之十内，那么具有近似1密耳(大约25微米)的额定厚度将具有0.9密耳(大约22微米)至1.1密耳(大约28微米)的实际厚度。
铜背部金属层提供对GaAs管芯的机械强度和改善的散热特性，并使GaAs管芯适应软焊剂管芯附着技术。软焊剂附着指使用软焊剂的管芯附着法，软焊剂通常含有大约5％的锡和95％的铅。由于当制备半导体管芯用于密封在塑料封装内时使用软焊剂管芯附着法，所以具有铜背部金属层的薄GaAs衬底可以封装在塑料封装内。
在论述图1-2中所示例的半导体管芯的结构时，应明白在构造薄GaAs半导体管芯、铜背部金属层以及用于减少机械应力、耐氧化等的其它层时，可以使用对本领域技术人员来说所公知的各种工艺。可以使用常规溅射、涂敷、结晶生长、注入、和/或本领域技术人员所公知的其它适当方法来淀积上述各种层。
现在参考图1，将论述具有铜背部金属层的薄GaAs半导体管芯，其中半导体管芯一般标明为管芯300。管芯300包括GaAs衬底310，GaAs衬底310中使用本领域技术人员所公知的方法形成了半导体电路。虽然图1中没有示出，但GaAs衬底310还可以包括在GaAs衬底310顶部上的各种互连端，用于在封装工艺期间使管芯300连接引线。扩散阻挡层320形成在GaAs衬底310的底部上，使得形成在扩散阻挡层320上的任何后续层将不会有害影响GaAs衬底310内的半导体电路。在至少一个实施例中，扩散阻挡层320包括粘附金属、例如以氮化钽形式淀积的钽，或本领域技术人员所公知的其它适合的扩散阻挡层。
应理解，使用术语“在...之上(over)”或“覆盖(overlying)”来描述一层完全或局部形成在另一层或表面上。为便于论述，此处使用术语“覆盖(overlying)”，而不考虑其上形成覆盖层的衬底的表面。例如，形成在衬底的背部表面上的层和形成在衬底的有源表面上的层都认为是覆盖衬底。
在至少一个实施例中，在扩散阻挡层320上形成了应力消除层330。应力消除层330提供对GaAs衬底310的保护和/或防止扩散层320不均匀膨胀、收缩或背部金属或覆盖应力消除层330的其它层的其它物理移动。虽然图1示例了单应力消除层，但使用多于一个的应力消除层不会脱离本发明的精神和范围。
在应力消除层330的顶部，形成了铜背部金属层340。铜背部金属层340具有选定的厚度以足够在封装工艺、包括软焊剂管芯附着工艺期间提供对GaAs衬底310的必要支持。例如，3密耳厚(大约76微米)GaAs管芯需要非常小、即使任何、额外的机械支持。因此，3密耳厚(大约76微米)GaAs管芯可以不包括铜背部金属层340。然而，1密耳厚(大约25微米)GaAs管芯可以包括具有在大约11-15微米之间的厚度的铜背部金属层340，以提供额外的机械支持。
可以根据经验来选择用于铜背部金属层340的适当厚度。例如，如果已知需要18-19微米的金来提供对25微米厚的GaAs管芯的足够机械强度，那么使用金和铜的公知物理特性，例如抗拉强度、延展性等，可以计算提供等效的机械稳定性所需的铜的厚度。
除机械支持以外，与厚GaAs衬底相比，铜背部金属层340还提供了改善的热消散。结果，GaAs衬底310可以制作得更薄并通过使用铜背部金属层340仍然消散足够得热，以支持形成在薄GaAs衬底310上的高功率电路。本领域技术人员可以容易地计算出电路所需要的热消散总量，并在他们的决定中结合关于铜背部金属层340的厚度的信息。
最后，在铜背部金属层340上形成耐氧化层350，以防止铜背部金属层340氧化。铜背部金属层340的氧化是不理想的，因为氧化可以有害影响铜背部金属层340的电和热传送特性。此外，氧化可以有害地影响铜背部金属层340对封装(例如，对焊剂)的键合。在至少一个实施例中，耐氧化层350是大约1500埃厚的一薄层金，其简称为一(flash)金。将意识到，应限制耐氧化层350的厚度，尤其当使用金时，因为如果耐氧化层350形成得太厚，那么由于管芯300对引线框的软焊剂附着，可以出现焊剂脆变。
图1所示的半导体管芯与封装操作期间所通常使用的软焊剂管芯附着工艺相适应。在至少一个实施例中，GaAs衬底310小于2密耳厚，由此使相对高功率电路形成在GaAs衬底310中。在其它实施例中，GaAs衬底310小于1密耳厚，并且在至少一个实施例中，GaAs衬底310定额为1密耳(大约25微米)。铜背部金属层340的利用还容许管芯300被封装在塑料封装内，因为半导体管芯300适应于软焊剂管芯附着法。
接着参考图2，根据本发明一个实施例，在塑料封装内部示例了具有薄GaAs衬底和铜背部金属层的半导体管芯。封装管芯将简称为封装管芯500。图2中示例的半导体管芯包括薄GaAs衬底510(在一个实施例中，具有15-35微米范围内的厚度)、扩散阻挡层520、铜背部金属层530和耐氧化层540。利用软焊剂管芯附着法使半导体管芯附着到标记板(Flag)560上。标记板560涂敷有软焊剂层590。软焊剂层590是一层软焊剂，其在至少一个实施例中含有5％的锡和95％的铅。在可替换实施例中，可以使用低熔点焊剂或导电环氧树脂。
为使半导体管芯附着到标记板560上，加热软焊剂层590，并使得接触半导体管芯的耐氧化层540。耐氧化层540、一部分铜背部金属层530和软焊剂层590熔化，使得当热移开并使材料冷却时，每层中的成分彼此混合以形成焊点。在至少一个实施例中，当完成焊接工艺时，软焊剂层590邻近铜背部金属层530，并且耐氧化层540中的材料(例如，金)出现在软焊剂层590内，以及在软焊剂层590和铜背部金属层530之间的界面处。一旦半导体管芯附着到标记板560上，标记板560可以为半导体管芯提供极好的散热片。
在半导体管芯附着到标记板560上之后，键合线582键合到管芯和键合指针580上，随后组件在模塑管芯内。通常，多个这种组件、例如当存在于引线框内时，被放置在模塑管芯内。热固性塑料混合物被传送到模塑管芯的凹腔内以密封半导体管芯，由此形成完整的半导体封装，例如塑料封装500。可以固化热固性塑料，并以常规方式发生进一步处理(例如，引线修整和形成、封装打号、和测试)。
那么总之，薄GaAs衬底可以设置有铜背部金属层以利用常规塑料封装技术封装GaAs衬底。通过向GaAs衬底设置铜背部金属层，GaAs衬底可以制作得比2密耳(大约50微米)薄，由此减少热消散问题以及使半导体管芯适应于软焊剂技术。通过使半导体管芯封装在塑料封装内，可以实现巨额成本节省。
在附图的前述详细说明中，参考附图以形成其说明书一部分，并且在附图中显示出借助于本发明可以实践的示例性具体实施例。充分详细地介绍这些实施例以能够使本领域技术人员实践本公开内容，并应明白，可以利用其它实施例以及在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下可以作出逻辑、机械、化学和电的变化。此外，本领域技术人员可以很容易地构造出结合本公开内容讲授的许多其它可变的实施例。例如，除上述那些层以外，还可以使用附加扩散层和/或应力消除层。因此，本公开不意图限制于此处所展示的具体形式，而相反，意图覆盖可以合理地包含在本发明精神和范围内的这种替代物、修改和等效物。因此，前述详细说明不应为限制性意义，而仅用附加权利要求来限定本公开的范围。
权利要求
1.一种半导体器件，包括具有小于50微米厚度的GaAs衬底，所述GaAs衬底具有有源表面和背部表面；覆盖在背部表面上的扩散阻挡层；含有铜并覆盖在扩散阻挡层上的背部金属层；以及密封GaAs衬底的塑料管芯封装。
2.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述GaAs衬底具有近似15微米到50微米之间的厚度。
3.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述GaAs衬底具有近似25微米的厚度。
4.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述GaAs衬底具有小于近似25微米的厚度。
5.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述铜背部金属层具有足够的厚度以在软焊剂管芯附着工艺期间提供对GaAs衬底的机械支持。
6.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述半导体器件进一步包括形成在所述扩散阻挡层和所述铜背部金属层之间的应力消除层。
7.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述扩散阻挡层含有钽。
8.如权利要求1中的半导体器件，其中，所述半导体器件进一步包括覆盖在铜背部金属层上的抗氧化层。
9.如权利要求8中的半导体器件，其中，所述抗氧化层含有金。
10.如权利要求8中的半导体器件，其中，背部金属层具有11微米至15微米范围内的厚度。
11.如权利要求8中的半导体器件，进一步包括使GaAs衬底附着到引线框上的焊剂，其中，焊剂邻近背部金属层。
12.如权利要求11中的半导体器件，其中，在焊剂和背部金属层之间的界面处存在金。
13.一种方法，包括放置具有小于近似50微米厚度的GaAs管芯在具有含软焊剂的管芯附着表面的引线框上；以及加热软焊剂以使管芯附着到引线框上。
14.如权利要求13中的方法，进一步包括将GaAs管芯密封在塑料管芯封装内。
15.如权利要求13中的方法，其中，GaAs管芯包括具有有源表面和背部表面的所述GaAs衬底；覆盖在背部表面上的扩散阻挡层；以及覆盖在扩散阻挡层上的铜背部金属层。
16.如权利要求15中的方法，其中，GaAs衬底具有近似15微米到50微米之间的厚度。
17.如权利要求15中的方法，其中，GaAs衬底具有近似15-35微米范围内的厚度。
18.如权利要求15中的方法，其中，GaAs衬底具有小于近似25微米的厚度。
19.如权利要求15中的方法，其中，铜背部金属层具有足够的厚度以在软焊剂管芯附着工艺期间提供对GaAs衬底的机械支持。
20.如权利要求15中的方法，其中，在加热软焊剂之后，使金和软焊剂混合。
21.一种半导体器件，包括具有近似15微米到50微米之间厚度的GaAs衬底；覆盖在GaAs衬底上的扩散阻挡层；以及覆盖在扩散阻挡层上的背部金属层，铜背部金属层具有大约11微米至大约15微米的额定厚度。
22.如权利要求21中的半导体器件，进一步包括塑料管芯封装。
23.如权利要求21中的半导体器件，进一步包括覆盖在所述铜背部金属层上的耐氧化层。
全文摘要
薄GaAs衬底(310)可以设置有铜背部金属层(340)，以利用常规塑料封装技术封装GaAs衬底。通过给GaAs衬底设置铜背部金属层，GaAs衬底可以制作得比2密耳(大约50微米)薄，由此减少热消散问题并使半导体管芯与软焊剂技术相适应。通过使半导体管芯能够封装在塑料封装内，可以实现巨额成本节省。
文档编号H01L23/373GK1720610SQ03825435
公开日2006年1月11日 申请日期2003年9月30日 优先权日2002年11月27日
发明者亚历山大·J·艾里奥特, 杰弗里·戴尔·克洛德, 蒙特·基恩·米勒 申请人:飞思卡尔半导体公司