用于钝化半导体元器件的玻璃和熔融焊料制造技术

本发明专利技术涉及一种用于钝化半导体元器件的玻璃和熔融焊料、该玻璃或熔融焊料用于钝化半导体元器件的用途、钝化的半导体元器件以及用于钝化半导体元器件的方法。于钝化半导体元器件的方法。于钝化半导体元器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于钝化半导体元器件的玻璃和熔融焊料


[0001]本专利技术涉及一种用于钝化半导体元器件的玻璃和熔融焊料、用于钝化半导体元器件的该玻璃或熔融焊料的用途、钝化的半导体元器件以及用于钝化半导体元器件的方法。

技术介绍

[0002]在现有技术中已知用于半导体的钝化、例如用于硅晶片的后端钝化或用于二极管的前端钝化的钝化剂、特别是玻璃和熔融焊料。这些玻璃的目的是钝化p
‑
n结。良好的钝化的特点是击穿电压高且泄漏电流小。如今，实践中使用的所有钝化玻璃都含有铅。从环境保护的角度出发，应更换铅。在文献中描述了无铅的钝化玻璃，例如，Zn
‑
B
‑
Si玻璃体系中的此类钝化玻璃(JP S61
‑
242928 A，JP 2016
‑
222498 A2，DE 10 2006 062428 A1)以及Bi
‑
B玻璃体系中的此类钝化玻璃(WO 2018/026402 A1)。原则上，硼酸锌玻璃非常适合用于钝化。但是这些玻璃的化学稳定性不足。在出于清洁目的对硅晶片上釉(glazing)之后，必须用酸蚀刻它们。为此，通常在半导体工业中使用HNO3或HF。根据浓度和处理时间，钝化层可能会受到严重损坏。相反，含铅玻璃对这些酸显示出非常好的抵抗性。
[0003]Zn
‑
B
‑
Si体系的玻璃具有相对较高的弹性模量(以下称为“E模量”)。例如，典型地，Zn
‑
B
‑
Si玻璃的E模量比典型的含铅钝化玻璃的E模量高约7GPa。在冷却的情况下，这可能会导致裂纹。这些裂纹是由于热膨胀方面的差异而在钝化层中产生张力的结果。多晶硅在20℃至300℃的温度范围内的平均热膨胀约为3ppm/K。在含铅玻璃的情况下，由于较小的E模量而引起的热膨胀失配不太关键。此外，在硼酸锌玻璃的情况下，可能形成间隙。这些间隙是半导体和钝化剂接触区域处的自由区域。这样的间隙是不利的，因为不能控制它们的形成，从而存在暴露出p
‑
n结的风险。在生产中，未被钝化的这种组成部分将作为废物丢弃。
[0004]与含铅玻璃相比，硼酸锌玻璃的E模量较高，这导致在相同的机械运动情况下(例如，当玻璃和硅一起冷却时)，钝化剂中的张力更高。钝化层可能由于冷却期间的体积收缩和相对于热膨胀的差异而破裂。已经表明，1.1ppm/K的热膨胀失配已经足以在由硼酸锌玻璃制成的钝化层中引起裂纹。
[0005]除了原材料的高成本外，含铋的玻璃还有一个主要的缺点，即：由于在半导体钝化过程中使用的缺氧气氛，有可能使铋在半导体钝化过程中减少。因此，产生了气泡，该气泡在p
‑
n结处导致未钝化的组成部分。
[0006]RoHS法规(有害物质限制；EU指令2011/65/EU)强行禁止含铅玻璃，仅由于例外许可，该禁令仍未在所有地区生效。该禁令要求用无铅替代品替换含铅玻璃。在此，将希望根本不或仅最小程度地将所建立的钝化方法调整为新的钝化剂。例如，一种新的钝化剂应具有尽可能低的熔融温度、特别是低于800℃，以能够促进尽可能经济的钝化过程并且不会危及硅晶片的稳定性。此外，钝化剂不应破裂并且应避免在待钝化的组成部分与钝化层之间形成间隙。最好的情况是，钝化剂还具有很高的耐酸性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是满足所描述的需求并且避免所提及的缺点。
[0008]该目的通过在此描述的玻璃、熔融焊料、半导体元器件、方法和用途来解决。
[0009]熔融焊料
[0010]在一个方面，本专利技术涉及一种具有以摩尔％计的以下成分的熔融焊料：SiO215.0至30.0Al2O30.5至8.0B2O314.0至25.0ZnO40.0至65.0MgO0.1至8.0其中所述焊料包含至少1.0体积％的份额的含镁和铝的结晶添加剂。已经表明，在半导体元器件的钝化中，熔融焊料较不易出现裂纹。专利技术人假定，通过在钝化中添加结晶添加剂，形成了具有晶相的结晶份额，晶相实现了低的裂纹易感性。假定在此钝化层中相对较高的非晶份额和/或硅锌矿的较低份额起作用。结晶添加剂必须区别于在由熔融焊料制造的钝化层中形成的结晶份额。在使用熔融焊料之后，钝化层的晶体份额中不必存在结晶添加剂。而是有可能的是结晶添加剂在焊料的热处理期间溶解并且不再以晶相形式存在于钝化层中。以上以摩尔％给出的熔融焊料的成分包含结晶添加剂。熔融焊料中的结晶添加剂的份额可以为至少2.0体积％、至少3.0体积％、至少4.0体积％或至少5.0体积％。在一个实施例中，结晶添加剂的份额至多25.0体积％、至多20.0体积％、至多17.5体积％或至多15.0体积％。结晶添加剂本身不一定存在或不再完全存在于由熔融焊料通过熔化形成的钝化层中。相反，在XRD研究中，已发现形成了完全不同的晶相。更令人惊讶的是，此处使用的结晶添加剂在钝化过程中对晶相的形成具有如此影响。特别令人惊讶的是，通过使用结晶添加剂，在钝化层中保留了较高的非晶份额，这通过减小体积收缩避免了裂纹的形成。
[0011]结晶添加剂包含镁和铝。在一个实施例中，结晶添加剂包含以重量％计的以下成分：镁1.0至15.0铝15.0至25.0硅20.0至35.0氧40.0至65.0锌<5.0硼<5.0。
[0012]特别地，结晶添加剂可以是硅酸铝镁，其中优选地，添加剂是Mg2Al4Si5O
18
。
[0013]在一个实施例中，熔融焊料的玻璃份额为至少75.0体积％和/或至多99.0体积％。在此，玻璃份额是指在将熔融焊料用于钝化之前。特别地，熔融焊料为粉末形式。例如，可以通过将玻璃粉末与结晶添加剂混合而获得熔融焊料。熔融焊料可基本上由玻璃份额和结晶添加剂组成。特别地，除了玻璃份额和结晶添加剂之外，其他组分的份额可以限制为至多10.0体积％、至多5.0体积％、至多2.5体积％、至多1.0体积％或至多体积0.5％。在一个实施例中，熔融焊料包括基于熔融焊料的至少80.0体积％的玻璃份额。在一个实施例中，玻璃
在熔融焊料中的份额为至少85.0体积％或至少87.5体积％。该份额可任选地至多90体积％。熔融焊料可以由玻璃和结晶添加剂组成。
[0014]熔融焊料可以粉末形式存在。已经发现，在半导体元器件上的钝化层的制造中，粒径和粒径分布的选择对晶相的形成具有影响。此外，可以通过选择粒径及其分布来影响耐酸性和间隙的形成。在一个实施例中，本专利技术涉及一种具有粒径分布的熔融焊料，该粒径分布的特征在于，分布宽度(d90
‑
d10)/d50为至少1.00、特别是至少1.80。较高的分布宽度产生更好的堆积密度，并因此使得在形成钝化层期间的热处理中，熔融焊料在层与半导体元器件之间形成间隙的可能性较小。但是，分布宽度也不应太高，因为这可能会降低耐酸性。分布宽度可被限制为至多6.00、至多4.50或至多3.50、特别是至多3.00。
[0015]在一个实施例中，熔融焊料的平均粒径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有以摩尔％计的以下成分的熔融焊料，SiO215.0至30.0Al2O30.5至8.0B2O314.0至25.0ZnO40.0至65.0MgO0.1至8.0其中，所述焊料包含至少1.0体积％的份额的含镁和铝的结晶添加剂。2.根据权利要求1所述的熔融焊料，其中，所述结晶添加剂的份额为至少3.0体积％和/或至多25.0体积％。3.根据权利要求1或2所述的熔融焊料，其中，所述结晶添加剂包括以重量％计的以下成分：镁1.0至15.0铝15.0至25.0硅20.0至35.0氧40.0至65.0锌<5.0硼<5.0。4.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，其中，所述结晶添加剂是硅酸铝镁、特别是Mg2Al4Si5O
18
。5.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，所述焊料为粉末形式；优选地，所述焊料的粒径分布的特征在于，分布宽度(d90
‑
d10)/d50为至少1.00、特别是至少1.80；优选地，所述分布宽度为至多6.00、特别是至多3.00；优选地，所述焊料的平均粒径d50为1.0μm至10.0μm、特别是2.0μm至3.0μm。6.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，当在700℃至750℃的温度下熔化所述焊料之后，在5
×5×
50mm的试样上测得的所述焊料在20℃至300℃的温度范围内的平均热膨胀为3.50至4.10ppm/K。7.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，所述焊料在300℃至Tg
‑
20℃的温度范围内的平均热膨胀与多晶硅的平均热膨胀相差不超过0.50ppm/K，其中，Tg是所述焊料中所含的玻璃份额的玻璃化转变温度，并且热膨胀是当在700℃至750℃的温度下熔化所述焊料之后在5
×5×
50mm的试样上所测量的热膨胀。8.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，当在700℃至750℃的温度下熔化所述焊料之后，所述焊料具有低晶体形成，即通过X射线衍射和Rietveld模拟所确定的结晶份额至多为40重量％。9.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，当在700℃至750℃的温度下熔化所述焊料之后，所述焊料具有形成硅锌矿的低趋势，即通过X射线衍射和Rietveld模拟所确定的硅锌矿份额至多为20重量％。10.根据前述权利要求中的任一项的熔融焊料，所述焊料的玻璃份额为至少75.0体
积％和/或至多99.0体积％。11.根据前述权利要求中的任一项所述的熔融焊料，其中，所述焊料包含以摩尔％计的以下组分：SiO215.0至28.0Al2O30.6至7.5B2O315.0至23.0Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：