一种半导体芯片正面铝层可焊化方法技术

本发明专利技术属于双面散热半导体领域，更具体地，涉及一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，特别涉及一种宽禁带垂直功率半导体器件的正面电极可焊化工艺方法。其通过首先采用湿法腐蚀去除芯片正面粘合性较差的自然氧化铝层，然后再依次蒸发镀金属Ti、Ni、Ag，该金属化方法不仅使得处理后的芯片具有良好的导电性，又使商用半导体芯片从单面可焊接改进为双面可焊接，有利于实现双面散热，提高半导体模块的功率密度的同时还可改善半导体封装的可靠性。

A Solderability Method for Front Aluminum Layer of Semiconductor Chip

【技术实现步骤摘要】
一种半导体芯片正面铝层可焊化方法
本专利技术属于双面散热半导体领域，更具体地，涉及一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，特别涉及一种宽禁带垂直功率半导体器件的正面电极可焊化工艺方法。
技术介绍
随着半导体功率模块，如逆变器、变换器功率密度的不断提高，系统对散热的要求越来越严格，单面散热已渐渐不能满足应用需求，双面散热势在必行。目前市场上商用半导体裸片多为单面可焊：正面电极顶层为金属Al，可焊性不佳，且Al在空气中会自然形成氧化铝，使得可焊性更差；背面顶层金属为金或银，易于焊接。单面可焊的半导体功率模块不能满足日益增高的实际散热需求。目前国内外对半导体芯片正面可焊化的方法研究并不多，工业界更是稀少。天津大学在2018年申请了一个关于芯片正面铝层金属化方法的专利，其主要采用磁控溅射镀金属Ti/Ag来使芯片正面可焊化，这种方法存在以下缺陷：第一，通常在功率器件上的铝焊盘表面会由于暴露在空气中而产生致密的氧化铝层，该层会显著降低沉积金属层的粘合强度，在镀金属之前没有去除铝层及铝层表面被自然氧化的氧化铝层。第二，只有两层金属Ti/Ag，没有中间缓冲层，不能很好地阻挡封装焊接时焊料的侵蚀。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，其通过首先采用湿法腐蚀去除芯片正面粘合性较差的自然氧化铝层，然后再依次蒸发镀金属Ti、Ni、Ag，该金属化方法不仅使得处理后的芯片具有良好的导电性，又使商用半导体芯片从单面可焊接改进为双面可焊接，有利于实现双面散热，提高半导体模块的功率密度的同时还可改善半导体封装的可靠性，由此解决现有技术的芯片正面可焊化方法没有去除铝层及表面氧化铝层导致金属粘合强度不高、不能阻挡封装焊接时焊料的侵蚀的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，包括如下步骤：(1)通过光刻方法在清洗后的芯片正面非电极区域覆盖光刻胶，得到光刻胶保护的芯片正面；(2)对所述光刻胶保护的芯片正面采用湿法腐蚀处理，去除所述芯片正面铝层表面的氧化铝层，腐蚀完成后清洗表面残留的腐蚀剂，获得去除表面氧化铝层的芯片正面；(3)在去除表面氧化铝层的芯片正面依次蒸镀金属钛、金属镍和金属银，获得蒸镀金属的芯片正面；(4)对所述蒸镀金属的芯片正面进行光刻胶剥离处理，获得正面铝层可焊的半导体芯片。优选地，步骤(1)所述清洗具体为：对待处理的芯片正面进行等离子体清洗，去除芯片正面铝层表面的灰尘和杂质，得到清洗后的芯片正面。优选地，所述光刻方法涂胶时，先采用转速500-700rad/min旋涂3-8秒，再采用转速1000-3000rad/min旋涂8-12秒。优选地，步骤(1)光刻时采用的掩模层中，对应于所述芯片正面栅极焊盘和源极焊盘之间区域的掩膜区域的宽度不小于该栅极焊盘和源极焊盘之间的实际距离。优选地，所述掩模层中对应于栅极焊盘和源极焊盘之间区域的掩膜区域的宽度至少大于栅极焊盘和源极焊盘之间的距离0.08毫米。优选地，所述湿法腐蚀采用的腐蚀剂为温度范围在70-80℃之间的热磷酸，所述湿法腐蚀时间为3-4分钟。优选地，在步骤(2)完成以后的1分钟时间内进行步骤(3)，以避免芯片正面在空气中被再次氧化。优选地，所述蒸镀具体步骤为：(4-1)将去除表面氧化铝层的芯片装入蒸发台中，利用电子束蒸发源高空镀膜，真空度不低于9.0*10-4Pa开始对芯片进行热烘烤，在温度80-150℃恒温4-10分钟；(4-2)当真空度不低于8.0*10-4Pa时开始蒸发，蒸发顺序依次为钛镍银，蒸发结束冷却后取片，获得蒸镀金属的芯片正面。优选地，所述蒸镀金属钛的厚度为100nm-300nm，金属镍的厚度为200nm-1000nm，金属银的厚度为200-1000nm。优选地，所述半导体芯片为宽禁带垂直功率半导体芯片。优选地，所述半导体芯片为MOSFET、IGBT芯片或功率二极管芯片，所述半导体芯片为Si材料或SiC材料。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的半导体芯片正面铝层可焊化方法采用湿法腐蚀结合一次性蒸发金属钛镍银，使芯片从仅背面可焊变成双面可焊，工艺简单可靠，该专利技术将极大促进双面散热的发展。(2)本专利技术采用一次性蒸发镀金属钛镍银的方法，Ti作为接触层，与Si/SiC热膨胀系数接近，粘附性强，欧姆接触特性好；Ni作为中间缓冲层，该层与上下两层金属接触良好，且能很好地阻挡封装焊接时焊料的侵蚀；Ag作为导电层，电阻率低，抗电迁移率强，性能稳定，可焊性好。(3)本专利技术在湿法腐蚀之前采用光刻方法保护芯片非电极区域，并且通过控制研磨层在芯片狭窄尺寸处的处理，避免蒸镀金属时导致电极之间发生短路。(4)本专利技术提出的半导体芯片正面铝层可焊化方法，先后通过光刻保护、湿法腐蚀以及一次性蒸镀对芯片正面进行可焊化处理，该方法不仅适用于一般的具有正面铝层的半导体芯片，而且对于电压高、很薄且尺寸小的碳化硅垂直半导体芯片，也能够适用。(5)本专利技术中采用湿法腐蚀去除氧化铝，使得后续蒸发金属可以更紧密更牢固。与不去除氧化铝层的技术相比，去除氧化铝的方案的金属结合得会更牢，在后续封装中更不易脱落，可靠性更高。附图说明图1是本专利技术实施例1的SiCMOSFET芯片尺寸示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，包括如下步骤：(1)对待处理的芯片正面进行等离子体清洗，去除芯片正面铝层表面的灰尘和杂质，得到清洗后的芯片正面；(2)通过光刻方法在所述芯片正面非电极区域覆盖光刻胶，得到光刻胶保护的芯片正面；(3)对所述光刻胶保护的芯片正面采用湿法腐蚀处理，去除所述芯片正面铝层表面的氧化铝层，腐蚀完成后清洗表面残留的腐蚀剂，获得去除表面氧化铝层的芯片正面；(4)在去除表面氧化铝层的芯片正面依次蒸镀金属钛、金属镍和金属银，获得蒸镀金属的芯片正面；(5)对所述蒸镀金属的芯片正面进行光刻胶剥离处理，获得正面铝层可焊的半导体芯片。步骤(2)通过光刻方法在所述芯片正面非电极区域覆盖光刻胶，采用的光刻胶可以为正胶也可以为负胶。旋涂时转速的高低和旋涂的时长决定光刻胶是否旋涂均匀。为了确保光刻胶旋涂均匀，一些实施例在光刻涂胶时，先在转速500-700rad/min旋涂3-8秒，再在转速1000-3000rad/min旋涂8-12秒。对于一些芯片正面结构中，部分非电极区域比较狭窄，比如MOSFET栅极焊盘和源极焊盘之间的距离非常有限，只有0.08mm，因此在沉积金属之前，需要用光刻胶来精确地控制掩膜层，以防止镀金属膜时源极焊盘和栅极焊盘之间发生短路。一些实施例中，为了避免发生短路，步骤(2)光刻时采用的掩模层中，对应于所述芯片正面栅极焊盘和源极焊盘之间区域的掩膜区域宽度不小于该栅极焊盘和源极焊盘之间的实际距离，优选掩模层中对应于栅极焊盘和源极焊盘之间区域的掩膜区域宽度大于栅极焊盘和源极焊盘之间的距离至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过光刻方法在清洗后的芯片正面非电极区域覆盖光刻胶，得到光刻胶保护的芯片正面；(2)对所述光刻胶保护的芯片正面采用湿法腐蚀处理，去除所述芯片正面铝层表面的氧化铝层，腐蚀完成后清洗表面残留的腐蚀剂，获得去除表面氧化铝层的芯片正面；(3)在去除表面氧化铝层的芯片正面依次蒸镀金属钛、金属镍和金属银，获得蒸镀金属的芯片正面；(4)对所述蒸镀金属的芯片正面进行光刻胶剥离处理，获得正面铝层可焊的半导体芯片。

【技术特征摘要】
1.一种半导体芯片正面铝层可焊化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过光刻方法在清洗后的芯片正面非电极区域覆盖光刻胶，得到光刻胶保护的芯片正面；(2)对所述光刻胶保护的芯片正面采用湿法腐蚀处理，去除所述芯片正面铝层表面的氧化铝层，腐蚀完成后清洗表面残留的腐蚀剂，获得去除表面氧化铝层的芯片正面；(3)在去除表面氧化铝层的芯片正面依次蒸镀金属钛、金属镍和金属银，获得蒸镀金属的芯片正面；(4)对所述蒸镀金属的芯片正面进行光刻胶剥离处理，获得正面铝层可焊的半导体芯片。2.如权利要求1所述的可焊化方法，其特征在于，步骤(1)光刻时采用的掩模层中，对应于所述芯片正面栅极焊盘和源极焊盘之间区域的掩膜区域的宽度不小于该栅极焊盘和源极焊盘之间的实际距离。3.如权利要求2所述的可焊化方法，其特征在于，所述掩模层中对应于栅极焊盘和源极焊盘之间区域的掩膜区域的宽度至少大于栅极焊盘和源极焊盘之间的距离0.08毫米。4.如权利要求1所述的可焊化方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗具体为：对待处理的芯片正面进行等离子体清洗，去除芯片正面铝层表面的灰尘和杂质，得到清洗后的芯片正面。5.如权利要求1所述的可焊化方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琳，颜小雪，康勇，李有康，项卫光，
申请(专利权)人：华中科技大学，浙江正邦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42