具有阻焊层的半导体元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种半导体元件(1)，其包括基于CdTe的半导体材料(5)和连接该半导体元件(1)与电子构件的多个连接点(10)，其中所述连接点(10)设有特殊的阻焊层(20)，该阻焊层包括由至少两种具有不同的膨胀系数的金属组成的混合物AB。此外，本发明还涉及一种包括这种半导体元件(1)和可选的用于读取检测信号的评估电子器件的放射线检测器(50)，以及包括这种放射线检测器(50)的医疗设备(70)。另外，本发明还涉及半导体元件(1)的制造方法，该方法包括将阻焊层(20)施加在连接点(10)的步骤，其中该阻焊层(20)包括由至少两种具有不同的膨胀系数的金属组成的混合物AB。
【专利说明】具有阻焊层的半导体元件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体元件，其包括CdTe-基体上的半导体材料和连接该半导体 元件与电子构件的具有特殊的阻焊层的多个连接点；一种包括多个这种半导体元件的放射 线检测器；以及包括这种放射线检测器的医疗设备。此外，本发明还涉及包括这种阻焊层的 半导体元件的制造方法。
【背景技术】
[0002] -般使用钎焊工艺来连接半导体元件和电子构件。在这些钎焊工艺中，通常会于 半导体元件的连接点处和电子构件的连接点处使用金属化层（Metallisierung)。为了使其 相互连接，会在这些金属化层之间短暂地融化焊料球。在冷却的过程中，焊料再次变硬并由 此连接这两个构件。在所述钎焊过程中，半导体元件或电子构件的金属化层的部分与焊料 形成合金，从而产生持久的导电连接。如果在焊接过程中金属化层完全熔解，那么就会导致 焊料与半导体不期望的直接接触。其结果是，经常会发生外来金属扩散进半导体的现象，从 而导致所述构件劣化。
[0003] 迄今为止的解决方案是在半导体上于半导体元件的连接点处沉积所谓的UBM(凸 点下金属层或泵下金属化层）（UnderPumpMetallization),其一方面确保了与焊料的 点连接，另一方面就阻焊层而言还防止半导体与焊料直接接触。为此，金属镍通常因其 极高的烙点而被用于阻焊层。对于基于CdTe或CdTe基的半导体元件（CdTe-basierten Halbleiterelement)来说，在使用镍作为用于阻焊层的材料时，由于不同材料层之间的应 力已使得阻焊层从半导体元件剥离的情况一再地出现，特别是当沉积的层厚只有几微米的 时候。
[0004] 当前解决这个问题的方案是，使用非常薄的镍层作为阻焊层或掺入特殊的焊料， 例如铟焊料（In-Lot)。该焊料并不能那么好的溶解(16sen)例如镍层，而且会带来其他问 题，例如在焊料选择方面的灵活性较低。
【发明内容】
[0005] 因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有CdTe基体上的半导体材料的 半导体元件，其带来了与半导体材料相关的有利的阻焊性能以及尽可能大的焊料方面的多 样化。本发明所要解决的另外的技术问题在于，提供一种放射线检测器和包括经改进的半 导体元件的医疗设备，以及制造这样的半导体元件的方法，特别是该半导体元件中的特殊 的阻焊层。
[0006] 所述技术问题通过一种半导体元件解决，其包括基于CdTe的半导体材料和连接 所述半导体元件与电子构件的多个连接点，其中所述连接点设有阻焊层，且所述阻焊层包 括由至少两种具有不同的膨胀系数的金属组成的混合物AB。
[0007] 此外，本发明的半导体元件基本上由基于CdTe(例如CdTe或CZT)上的半导 体材料组成。这样的半导体元件与Si半导体元件不同，在镍的阻焊层较厚的情况下 其特别容易出现上述的剥离现象，这是因为基于CdTe的半导体材料（CdTe-basierten Halbleitermaterial)的不寻常的膨胀系数能造成应力的增加。当例如高温下在该半导体 材料上汽化蒸镀（aufdampfen)镍时，通常在层厚度过大的情况下会在冷却至室温的过程 中出现应力。另一方面，当在室温下沉积镍时，由此在应用阻焊层的情况下不会产生应力， 但在操作过程中由于之后出现的较高的温度有时也会产生应力。
[0008] 为了最小化或防止因半导体和UBM的不同的膨胀系数而在温度波动的情况下产 生的应力，特别是在施加UBM的过程中，在杂化（Hybridisieren)(术语"杂化"在该领域用 作焊接的代名词）的过程中或也在操作过程中产生的应力，本发明的半导体元件中的阻焊 层包括由至少两种具有不同的膨胀系数的金属组成的混合物AB。本文中的A或B为每一个 从元素周期表中选择的金属的代称（Platzhalter)。所述由至少两种金属组成的阻焊层使 得在约20°C?150°C的相关的温度范围仅出现很小的或不出现作用于半导体材料应力。由 此在制造过程中，在杂化过程中或在操作过程中也避免了构件的退化或劣化。
[0009] 此外，在本发明的半导体元件中将阻焊层设置在该半导体元件的连接点处，其中 所述半导体元件具有多个（即一个或更多个（例如2、3、4个等），以及许多个）这样的用于 连接该半导体元件和电子构件的连接点。
[0010] 本发明的半导体元件的上述优点以及其他优点使其适用于放射线检测器以及特 别适用于用于X-射线和/或γ-射线的数率检测(ZiihIrateiierfassimg)的检测器。因此， 本发明还涉及包括多个本发明的半导体元件的放射线检测器。可选地，该放射线检测器还 包括用于读取检测信号的评估电子器件，其例如可被直接设置为该放射线检测器的构件。 可替代的，该评估电子器件也可被设置成独立的，可与所述放射线检测器连接的系统。
[0011] 由于上述优点并且特别因为改进的焊接点，本发明的放射线检测器即使在寻常的 操作条件下也适用于医疗设备并且特别适用于包括尤其具有较高的辐射强度的X-射线和 /或Y-射线的数率检测仪的设备。因此，本发明也涉及包括本发明的放射线检测器的医疗 设备，例如（用于例如血管造影设备的）平板检测器（flat-panel-Detektor)。本文中特 别优选的实施例是X-射线系统、Y-射线系统、CT-系统或放射性核素发射计算机断层扫 描系统（Radionuklid-Emissions-Tomographiesysteme)，例如PET-系统（正电子发射断 层扫描）（Positronen-Emissions-Tomographie)或SPECT-系统（单光子发射CT)(single photonemissionCT)〇
[0012] 根据本发明，通过至少包括在所述半导体元件的连接点上施加阻焊层的步骤的方 法来制造所述半导体元件，其中所述阻焊层包括由至少两种具有不同的膨胀系数的金属组 成的混合物。通过该阻焊层的材料混合物制备的半导体元件在约20°c?约150°C的相关的 温度范围具有非常低的或不具有作用于半导体材料的应力。
[0013] 下文的描述包含了特别有利的实施方案和本发明的进步之处，其中明确指出，还 可以根据以下说明的半导体元件来改进本发明的放射线检测器、医疗设备和方法，反之亦 然。
[0014] 在第一实施方式中，本发明的半导体元件包括由半导体化合物构成的半导 体材料，其优选选自以下的组：CdTe，CdxZrvxTe(其中0彡X彡1)(所谓的"CZT"）、 CdxZrvJejeh(其中 0彡X彡 1 ;0 彡y彡 1)和CdxMrvJejeh(其中0 彡X彡 1 ;0彡y彡 1)。 在优选用于检测器的半导体材料中，X为在约〇. 01?约〇. 3之间的值，进一步优选在约 0. 02?0. 2之间。在优选的半导体材料中，y的值在约0. 9?1之间。
[0015] 热膨胀系数，下文也简称为膨胀系数，例如对于碲化镉，在293K时为5. 9XKT6/ K，而镍的热膨胀系数在293K时为13.4X10-7K，其明显更高。CZT是一种由CdTe和ZnTe 组成的合金，其中ZnTe通常具有为约5%?10%的较小的含量。因此，在套用线性混 合定律时，CZT的膨胀系数相当接近CdTe的膨胀系数。技术人员既可以根据标准方法 (Standardprozeduren)也可以参考专业文献来确定热膨胀系数的准确值。
[0016] 为了能适合用作阻焊层，金属A和金属B或其混合物的熔点优选大于150°C，进一 步优选大于160°C，以及特别为170°C或更高。典型的焊接温度通常为约200°C。但是该阻 焊层的熔点应至少为300°C，以最小化或完全避免半导体材料的温度损伤。一般情况下，所 使用的金属A和B的熔点越高，就越能灵活地选择用于焊接过程的焊料。
[0017] 根据本发明的半导体元件的另一实施方式，金属A选自具有比半导体材料的 膨胀系数更小的膨胀系数的金属组。优选同时具有高熔点的这类金属的实施例包括钨 (4. 5X1(Γ6/Κ，293K)、铬（4. 9X1(Γ6/Κ，293K)和锗（5. 8X10-6/K，293K)。
[0018] 根据另一项实施方式，将金属A与金属B混合，金属B优选选自具有比半导体材料 的膨胀系数更大的膨胀系数的金属组。优选同时具有高熔点的这类金属的实施例包括镍 (13.4父10 -6/1(，2931()、铜（16.5\10-71(，2931()和钛（8.6\10-71(，2931()。
[0019] 根据本发明的半导体元件的一项优选实施方式，以一个混合比例混合金属A和 Β，以使该混合物的膨胀系数优选等于或至少非常近似于所使用的半导体材料的膨胀系 数。进一步优选该混合物的膨胀系数与所使用的半导体材料的膨胀系数的偏差不超过 10% (±10%)。对于纯的CdTe或CZT来说，所述阻焊层的膨胀系数因此优选为约5.3? 6.5父10-6/1((在 2931(时）。
[0020] 在这种情况下混合物被理解为，阻焊层包括金属A和B的合金，其中可选地也可使 用分别含至少一种金属A和至少一种金属B的多种金属的合金。在这种情况下，这种合金 的膨胀系数优选如上所述地与所使用的各种半导体材料的膨胀系数相匹配。
[0021] 使用合金作为阻焊层的替代方案是，该阻焊层也可具有由金属A和金属B的层交 替构成的多层结构。这样的多层结构包括至少两层，但优选包括至少各含金属A和金属B的 两层，更优选包括多层，即各含金属A或B的三层或更多层。所述层在此优选交替地布置， 其中也可使用包括其他材料的中间层，例如包括金属A和B构成的合金以及可选的其他材 料。对于这样的多层的层结构来说，还优选使用金属A和B的如在合金的实施例中一样的 混合比例，以使阻焊层的总膨胀系数大致等于所使用的半导体材料的膨胀系数。此处优选 根据相应的层厚的比例来设置混合比例Α/Β。
[0022] -方面例如通过合金含量，另一方面例如根据各层的层厚来设置阻焊层中的金属 A和B的相应的混合比例，通过这种方式可补偿半导体元件的连接点的膨胀系数与该类型 的UBM的膨胀系数的差异，从而不仅在施加UBM的过程中而且在随后的操作过程中减少或 不产生应力。由此避免了金属化层（Metallisierung)的劣化，即剥离。因此，本发明的半 导体元件特别因改进的焊点而具有经提高的耐久性。
[0023] 所述混合比例的常用公式为方程1 :
[0024] hi=X·a+(I-X)·b方程I
[0025] 其中，
[0026] hi=半导体的膨胀系数；
[0027]a=金属A的膨胀系数；
[0028] b=金属B的膨胀系数；并且
[0029]a〈hl以及b>hl
[0030] 相对于总的混合物，特别优选金属A的比例为约65?95%以及金属B的比例为约 5?35%。此处每个金属A或B可构成混合比或者两个或多个金属A或B可一起构成该比 例。对于在CdTe上的由钨和钛组成的温度稳定的UBM来说，合金优选具有为约2:1的W/Ti 的混合比例。以下的表1中给出了优选的混合物组合的进一步的具体实施例。
[0031]表1:
[0032]
【权利要求】
1. 半导体元件（1)，其包括基于CdTe的半导体材料（5)和连接所述半导体元件（1)与 电子构件的多个连接点（10)，其中，所述连接点（10)设有阻焊层（20)，且所述阻焊层包括 由至少两种具有不同的膨胀系数的金属组成的混合物AB。
2. 根据权利要求1所述的半导体元件，其中，所述半导体材料（5)由优选选自W下的组 的半导体化合物构成： CdTe, CcUrii-Je，其中 0《X《1， CcUrii-xTeySei-y，其中 0《x《l;0《y《l，和 CdxMni_xTeySei_y，其中 0《x《l;0《y《l。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体元件，其中，所述金属A选自具有比所述半导体材 料巧）的热膨胀系数更小的热膨胀系数的金属组。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的半导体元件，其中，所述金属B选自具有比半 导体材料巧）的热膨胀系数更大的热膨胀系数的金属组。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的半导体元件，其中，所述阻焊层具有由两种金 属A和B构成的合金。
6. 根据前述权利要求1?4中的任一项所述的半导体元件，其中，所述阻焊层（20)具 有由金属A的层（22)和金属B的层（24)交替重叠构成的多层结构。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的半导体元件，其中，所述金属A和金属B或其混 合物的烙点大于15(TC。
8. 放射线检测器巧0)，其包括根据权利要求1?7中的任一项所述的多个半导体元件 (1)和可选的用于读取检测信号的评估电子器件（13)。
9. 医疗设备（70)，其包括根据权利要求8所述的放射线检测器巧0)。
10. -种用于制造半导体元件（1)的方法，该半导体元件包括基于CdTe的半导体材 料（5)和连接半导体元件（1)与电子构件的多个连接点（10)，所述方法包括在所述连接点 (10)上施加阻焊层（20)的步骤，其中，所述阻焊层包括由至少两种具有不同的热膨胀系数 的金属组成的混合物AB。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，W合金的形式沉积由所述金属A和B组成的混 合物作为阻焊层（20)，所述阻焊层具有的热膨胀系数与所述半导体材料巧）的热膨胀系数 的偏差不超过10%。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中，沉积由所述金属A的层（22)和金属B的层 (24)交替重叠构成的多层结构的阻焊层（20)，并且所述阻焊层（20)具有的热膨胀系数与 所述半导体材料巧）的热膨胀系数的偏差不超过10%。
【文档编号】H01L31/0296GK104347749SQ201410352508
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】C.施罗特 申请人:西门子公司