半導(dǎo)體器件和用于制造類玻璃層的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于在基板諸如功率半導(dǎo)體基板(1)上制造類玻璃層(3)的方法，所述方法包括通過等離子輔助電子束蒸鍍的方法沉積類玻璃層氣相沉積的材料。使用本方法可以制造電子元件。
【專利說明】半導(dǎo)體器件和用于制造類玻璃層的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于功率電子學(xué)中半導(dǎo)體器件的、改善半導(dǎo)體器件的密封性的技術(shù)，特別涉及對半導(dǎo)體器件的可靠性的不斷增長的需求，實(shí)質(zhì)上涉及防潮性。

【背景技術(shù)】
[0002]從技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來看，將玻璃層應(yīng)用到基板的方法是已知的。例如，第DE 10 2005044 522號德國專利(Schott)教導(dǎo)了將多孔的玻璃層應(yīng)用到基板的方法。該已知方法包括如下步驟:提供基板與材料源，然后用物理氣相沉積法(PVD)將具有超過I %的孔隙度的玻璃層沉積到基板上。該方法使用PVD系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電子源、偏轉(zhuǎn)磁體和電子源。來自電子源的電子束瞄向玻璃的圓盤形靶材，該玻璃優(yōu)選為低融合的硼硅酸鹽玻璃。該電子束使革巴材蒸發(fā)且來自祀材的材料被沉積到基板上以形成類玻璃層(glass-like layer)。
[0003]從例如第WO 03/1008546號國際專利申請可以獲知用以制造玻璃層的材料。該專利申請公開了用以生產(chǎn)用于高頻基板或高頻導(dǎo)電環(huán)境的絕緣層的玻璃材料。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中描述的玻璃材料具有一定比例的堿性成分，范圍為幾個重量百分比。當(dāng)被用于功率半導(dǎo)體器件時，這些堿性成分可在邊界層中的局部的非常強(qiáng)的電場中遷移，因此負(fù)面地影響該器件中的相應(yīng)的電路。
[0005]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，高性能的聚合物諸如聚酰亞胺已經(jīng)被優(yōu)選用于密封功率電子學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的器件的表面。這在例如文件US2008/0224303A1中被公開。這些高性能的聚合物具有能夠通過半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中通用的光刻工藝被應(yīng)用和結(jié)構(gòu)化的優(yōu)勢。此外，這些高性能的聚合物具有非常好的介電強(qiáng)度。
[0006]然而，由于熱膨脹行為極大地不同于基板材料硅(功率半導(dǎo)體中通用的基板材料)，這一已知方法中的在應(yīng)用該層之后所需要的發(fā)生在幾百攝氏度的固化過程，會導(dǎo)致在該層中產(chǎn)生應(yīng)力。后者在高溫下可導(dǎo)致器件的功能異?；蛭挥谄湎路降膶又袡C(jī)械力的增力口，而在功率半導(dǎo)體器件的操作期間能夠產(chǎn)生高溫；這將極大降低器件的使用壽命。
[0007]采用該先前使用的高性能聚合物進(jìn)行的密封也不具有足夠的用以防止環(huán)境潮氣的密封度，即使它們以相對高的層厚被應(yīng)用。
[0008]因此，本發(fā)明的目的是制造改良的層以保護(hù)功率半導(dǎo)體器件特別地免受潮氣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明公開了一種用于在功率半導(dǎo)體器件上制造電性絕緣層的方法，該電性絕緣層不透氣地密封以特別地防止潮氣的影響，所述方法使用熱沉積由氣相沉積的材料構(gòu)成的類玻璃層的方法。器件的該密閉封裝可以通過例如應(yīng)用至少一硼硅酸鹽玻璃薄層和/或更優(yōu)選地，與其他類玻璃無機(jī)層結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。
[0010]在一個實(shí)施例中，該玻璃層的沉積也可以為等離子輔助電子束蒸鍍。該等離子輔助引起該玻璃層的壓緊/壓實(shí)。如此被壓緊的層具有更低的水分?jǐn)U散度并因此能夠保護(hù)器件特別是電子器件免受空氣的影響。作為潮氣阻擋層的該氣相沉積的硼硅酸鹽玻璃層的功能特性可以采用溫度與在硅基板上執(zhí)行的潮氣的去除來記錄?？赡芑烊氲皆搶觾?nèi)的潮氣將導(dǎo)致該層的內(nèi)部張力增大，并因此彎曲該被覆蓋的硅基板。即使在被存儲于85°C和85%的相對濕度的環(huán)境下1000小時之后，也不會測試到彎曲程度的增加。更進(jìn)一步地，硼硅酸鹽玻璃層的密封性可以通過根據(jù)Mil Std 883,method 1014的氦泄露測試被記錄。已經(jīng)據(jù)此確定，對于厚度約8μηι的層,泄漏率小于10-8mbar*l/s。
[0011]沉積期間的等離子輔助允許對層應(yīng)力進(jìn)行有針對性的影響。該氣相沉積的玻璃層能夠由此并通過它們的結(jié)構(gòu)的構(gòu)成被調(diào)節(jié)到所用的基板材料的熱膨脹行為。
[0012]本發(fā)明能夠被應(yīng)用到，例如，功率電子學(xué)中的下述的器件中:PIN 二極管、肖特基二極管、高性能金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)或晶閘管(thyristor)。例如，如第DE 10 2005 019 178號德國專利申請(Infineon)所公開，本發(fā)明能夠被用于具有IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的密封層的制造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1至圖4示出了在基板上進(jìn)行層沉積的示意圖；
[0014]圖5示出了用于制造密封層的裝置；
[0015]圖6示出了具有密封層的器件的一個實(shí)例；

【具體實(shí)施方式】
[0016]圖5示出了用于在半導(dǎo)體器件上制造密封層的裝置20。真空室4具有基板夾持件6，其上用于放置基板和電子器件I (如適用)。要被涂覆的基板在涂覆期間的溫度在25至120°C之間。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器5被設(shè)置于所述真空室4之中以便所述基板夾持件6能夠圍繞軸線9轉(zhuǎn)動。所述真空室4還具有電子束蒸發(fā)器7和等離子源8。圖5中的所述裝置僅作為示例被描述。當(dāng)被使用時，真空度在10_3至10_6mbar的范圍內(nèi)。
[0017]所述等離子源是具有匹配網(wǎng)絡(luò)的高頻、磁場輔助等離子源，其產(chǎn)生準(zhǔn)中性的等離子噴霧。例如，可以使用惰性氣體等離子或氧氣等離子(或二者的混合)。
[0018]通過在裝置20的幫助下在功率半導(dǎo)體器件的表面直接應(yīng)用例如硼硅酸鹽玻璃層，聚合物層的密封性不充分的問題能夠被避免。硼硅酸鹽玻璃層不僅具有對環(huán)境潮氣的強(qiáng)阻擋作用，而且也具有非常好的耐化學(xué)性。此外，與那些聚合物層相比，硼硅酸鹽玻璃層的等離子輔助沉積導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力是溫和的。更進(jìn)一步地，硼硅酸鹽玻璃具有非常良好的電學(xué)特性，例如該層的介電強(qiáng)度高達(dá)250ν/μ m。
[0019]在該裝置中，例如硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成的層可以被制造成厚度在50nm至幾十μπι之間，優(yōu)選地在10nm至10 μ m之間。生長速率在100至500nm/min的范圍內(nèi)，因此高于諸如濺射等其他沉積方法。
[0020]裝置20支持在半導(dǎo)體器件的金屬化層上直接沉積，也支持在諸如氮化硅等其它無機(jī)層上沉積。僅具有氮化硅的層不具有足夠的對環(huán)境潮氣的阻擋作用，并且能夠通過施加在層接合(bonding)上的張力對器件施加強(qiáng)應(yīng)力，尤其當(dāng)高層厚時。
[0021]在另一個實(shí)施例中，例如硼硅酸鹽玻璃層能夠被沉積到在先沉積的材料為氧化鋁的類玻璃層(glass-like layer)上,該類玻璃層也是通過等離子輔助電子束蒸鍍的方式沉積的。
[0022]如上面所描述的，硼硅酸鹽玻璃體系具有非常高的對潮氣的阻擋作用。然而，通常這樣的體系包括一部分的堿性成分，其范圍高達(dá)幾個重量百分比。在功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用中的局部的非常強(qiáng)的電場下，這些堿性成分能夠遷移進(jìn)邊界層到達(dá)基板，并因此對相應(yīng)的電路造成不利影響。這能夠通過例如沉積特別合成的無堿的(alkaline-free)玻璃體系而避免。然而，與具有堿性成分的硼硅酸鹽玻璃相比，這些無堿的玻璃體系更加難以制造和加工。此外，由于必須的組合，目前對優(yōu)化的膨脹行為的設(shè)定僅能在以犧牲防潮性為代價的情況下實(shí)施。
[0023]單組分體系的層，諸如氧化鋁或氮化硅即使在低的層厚下也構(gòu)成對堿擴(kuò)散的阻擋，因此，它們作為堿的阻擋層。在具有選自例如硼硅酸鹽玻璃的層的層復(fù)合結(jié)構(gòu)中，憑借如此的單組分體系的類玻璃無機(jī)層，不同的層材料(一方面為對堿的阻擋層且另一方面為環(huán)境潮氣的阻擋層)的特別的特征能夠在同時被優(yōu)化的功能下被用來有益地保護(hù)功率半導(dǎo)體器件免受環(huán)境諸如潮氣的影響。
[0024]氧化鋁能夠通過等離子輔助的方式被蒸鍍，并且沉積過程因此能夠發(fā)生在同一裝置20內(nèi)。氧化招構(gòu)成的阻擋層的厚度可以為50nm至10 μπι,優(yōu)選地為10nm至4μηι。在本發(fā)明的一個方面，氮化硅構(gòu)成的阻擋層通過濺射或CVD工藝被應(yīng)用。除了已經(jīng)提及的無機(jī)體系，由于通過在沉積期間加入氮能夠形成特別稠密的氮化相位(nitride phase)，可以使用濺射的材料為鎢化鈦或鈦的金屬膜。
[0025]與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的狀況所使用的諸如聚酰亞胺等聚合物層相比，所描述的玻璃層或與其它無機(jī)類玻璃層的組合通常具有適應(yīng)于基板I的膨脹行為(expans1n behav1r)的優(yōu)勢。
[0026]在該方法的一個版本中，能夠預(yù)期在同一設(shè)備20內(nèi)在隨后的工藝步驟中執(zhí)行例如氧化鋁和硼硅酸鹽玻璃的沉積。通過來自不同源的共蒸鍍(co-evaporat1n)，可以實(shí)現(xiàn)不同材料的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。在同一真空室4內(nèi)的沉積也帶來好處，使基板I或先沉積的層避免結(jié)合在沉積工藝之間的環(huán)境潮氣，而環(huán)境潮氣會導(dǎo)致先前沉積的層的層粘附力降低或在層組分中產(chǎn)生額外的應(yīng)力。
[0027]裝置20允許氣相沉積的材料構(gòu)成的類玻璃層在基板溫度低于120°C的情況下沉積。這允許直接涂覆預(yù)結(jié)構(gòu)化的光刻膠掩膜，并因此采用有益的剝離工藝(lift-offprocess)輕微地額外改變沉積的無機(jī)層的結(jié)構(gòu)。
[0028]實(shí)施例
[0029]圖1至4示出了在基板I上沉積層氣相沉積的材料構(gòu)成的額外的結(jié)構(gòu)化層的示意圖。圖1示出了要被涂覆的基板I?；錓可以為例如半導(dǎo)體基板或光電基板。圖2示出了具有沉積于其上的光刻膠層2的基板1，該光刻膠層2具有對應(yīng)于要被沉積的結(jié)構(gòu)化層的負(fù)性圖案的微結(jié)構(gòu)。光刻膠層2通過光刻形成。
[0030]在圖3中，示出的基板I具有沉積于其上的層氣相沉積的材料3構(gòu)成的層。根據(jù)應(yīng)用場合，該層3也可以由多個不同材料的層構(gòu)成。這些不同材料可以為多組分體系，例如硼硅酸鹽玻璃，或單一組分體系，例如氧化鋁。
[0031]優(yōu)選地，下面的組分范圍的硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成的多組分體系對此是合適的:
[0032]S12:65-86%
[0033]B2O3:10-30%
[0034]Na20:0-5%
[0035]Li20:0-5%
[0036]K20:0-5%
[0037]Al2O3:0-5%
[0038]這樣的體系在例如專利文件(Schott)WO 03/100846和DE 2005 044 522中被公開。
[0039]圖4示出了來自圖3的基板I的示意圖，其中所述光刻膠層2被分離并且由層氣相沉積的材料構(gòu)成的被沉積的層被結(jié)構(gòu)化于基板I上。根據(jù)應(yīng)用場合，該層也可以具有不同材料的若干層。
[0040]圖5示出了用于沉積層氣相沉積的材料構(gòu)成的層的裝置，在本方案中該層氣相沉積的材料使用等離子輔助電子束氣相沉積的方法被應(yīng)用。
[0041]圖6示出了用該方法制造的示例性的電子器件。圖6示出了由第DE1020050190178號專利申請可知的IGBT。然而，這一方法并不限于這樣的電子組件。
[0042]該IGBT包括基板1，其中基板I通常由硅制備。在其表面具有P型導(dǎo)電區(qū)10。所述P型導(dǎo)電區(qū)10被集成到η型導(dǎo)電區(qū)11之中。在每一個P型導(dǎo)電區(qū)10中均具有η型導(dǎo)電區(qū)12?；錓的表面被電絕緣層13例如氧化硅覆蓋。金屬化層14通過已知方法形成在該電絕緣層13上。該金屬化層14與所述P型導(dǎo)電區(qū)10和所述η型導(dǎo)電區(qū)12之間建立接觸。額外的電極15例如多晶硅被集成在絕緣層13內(nèi)，當(dāng)施加電壓時，其可導(dǎo)致在η型導(dǎo)電區(qū)12和11之間形成溝道16。
[0043]該前端結(jié)構(gòu)被根據(jù)本方法制造的阻擋層3所覆蓋。該阻擋層3用于保護(hù)整個電子器件免受環(huán)境潮氣。當(dāng)使用含堿的氣相沉積的材料時，該阻擋層3還可以被制造為多層體系(復(fù)合材料)，例如，由氧化鋁和硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成。該阻擋層3還可以被結(jié)構(gòu)化為例如在后續(xù)的時間允許與所述器件通過金屬接觸孔(未示出)相接觸。
[0044]在基板的背面，P型導(dǎo)電區(qū)17與η型導(dǎo)電區(qū)18交替存在，并且它們被背面金屬化層19所覆蓋。
[0045]參考符號列表
[0046]I基板或電子器件
[0047]2光刻膠層
[0048]3類玻璃層
[0049]4真空室
[0050]5旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器
[0051]6基板夾持件
[0052]7電子束蒸發(fā)器
[0053]8等離子源
[0054]9 軸線
[0055]10 P型導(dǎo)電區(qū)
[0056]11 η型導(dǎo)電區(qū)
[0057]12 η型導(dǎo)電區(qū)
[0058]13絕緣層
[0059]14金屬化層
[0060]15 電極
[0061]16 溝道
[0062]17 P型導(dǎo)電區(qū)
[0063]18 η型導(dǎo)電區(qū)
[0064]19背面金屬化層
[0065]20蒸鍍系統(tǒng)
【權(quán)利要求】
1.一種在基板(1)上制造阻擋層(3)的方法，包括:采取熱蒸鍍類玻璃層氣相沉積材料的方式沉積類玻璃層氣相沉積材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述熱蒸鍍執(zhí)行為等離子輔助電子束蒸鍍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中，所述方法包括沉積其他無機(jī)層，例如氧化鋁和/或氮化硅。
4.根據(jù)至少一個前述權(quán)利要求的方法，其中，所述阻擋層(3)具有適應(yīng)于所述基板(1)的熱膨脹系數(shù)。
5.根據(jù)至少一個前述權(quán)利要求的方法，其中，所述基板包括功率半導(dǎo)體器件。
6.一種電子器件，尤其是選自例如PIN 二極管、肖特基二極管、高性能金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、雙極結(jié)型晶體管或晶閘管構(gòu)成的群組的功率半導(dǎo)體器件，包括基板(1)以及熱氣相沉積的阻擋層(3)，所述阻擋層具有至少一種類玻璃層氣相沉積材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子器件，其中，應(yīng)用于所述器件的所述阻擋層在層結(jié)構(gòu)中還具有無機(jī)層，例如氧化鋁和/或氮化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的電子器件，其中，所述阻擋層具有適用于所述基板的熱膨脹系數(shù)。
9.一種用于用類玻璃層氣相沉積材料在功率半導(dǎo)體器件上制造阻擋層(3)的裝置，其中，所述裝置具有能夠?qū)⒒?1)安裝于其上的基板夾持件￠)、電子束蒸鍍器(7)和等離子源⑶。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述基板夾持件(6)是可轉(zhuǎn)動的。
【文檔編號】H01L21/02GK104380432SQ201380017950
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】西蒙·毛斯, 烏利·漢森 申請人:Msg里松格萊斯股份公司