具有阻焊層的半導(dǎo)體元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件(1)，其包括基于CdTe的半導(dǎo)體材料(5)和連接該半導(dǎo)體元件(1)與電子構(gòu)件的多個(gè)連接點(diǎn)(10)，其中所述連接點(diǎn)(10)設(shè)有特殊的阻焊層(20)，該阻焊層包括由至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的金屬組成的混合物AB。此外，本發(fā)明還涉及一種包括這種半導(dǎo)體元件(1)和可選的用于讀取檢測(cè)信號(hào)的評(píng)估電子器件的放射線檢測(cè)器(50)，以及包括這種放射線檢測(cè)器(50)的醫(yī)療設(shè)備(70)。另外，本發(fā)明還涉及半導(dǎo)體元件(1)的制造方法，該方法包括將阻焊層(20)施加在連接點(diǎn)(10)的步驟，其中該阻焊層(20)包括由至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的金屬組成的混合物AB。
【專利說明】具有阻焊層的半導(dǎo)體元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件，其包括CdTe-基體上的半導(dǎo)體材料和連接該半導(dǎo)體 元件與電子構(gòu)件的具有特殊的阻焊層的多個(gè)連接點(diǎn)；一種包括多個(gè)這種半導(dǎo)體元件的放射 線檢測(cè)器；以及包括這種放射線檢測(cè)器的醫(yī)療設(shè)備。此外，本發(fā)明還涉及包括這種阻焊層的 半導(dǎo)體元件的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] -般使用釬焊工藝來連接半導(dǎo)體元件和電子構(gòu)件。在這些釬焊工藝中，通常會(huì)于 半導(dǎo)體元件的連接點(diǎn)處和電子構(gòu)件的連接點(diǎn)處使用金屬化層（Metallisierung)。為了使其 相互連接，會(huì)在這些金屬化層之間短暫地融化焊料球。在冷卻的過程中，焊料再次變硬并由 此連接這兩個(gè)構(gòu)件。在所述釬焊過程中，半導(dǎo)體元件或電子構(gòu)件的金屬化層的部分與焊料 形成合金，從而產(chǎn)生持久的導(dǎo)電連接。如果在焊接過程中金屬化層完全熔解，那么就會(huì)導(dǎo)致 焊料與半導(dǎo)體不期望的直接接觸。其結(jié)果是，經(jīng)常會(huì)發(fā)生外來金屬擴(kuò)散進(jìn)半導(dǎo)體的現(xiàn)象，從 而導(dǎo)致所述構(gòu)件劣化。
[0003] 迄今為止的解決方案是在半導(dǎo)體上于半導(dǎo)體元件的連接點(diǎn)處沉積所謂的UBM(凸 點(diǎn)下金屬層或泵下金屬化層）（UnderPumpMetallization),其一方面確保了與焊料的 點(diǎn)連接，另一方面就阻焊層而言還防止半導(dǎo)體與焊料直接接觸。為此，金屬鎳通常因其 極高的烙點(diǎn)而被用于阻焊層。對(duì)于基于CdTe或CdTe基的半導(dǎo)體元件（CdTe-basierten Halbleiterelement)來說，在使用鎳作為用于阻焊層的材料時(shí)，由于不同材料層之間的應(yīng) 力已使得阻焊層從半導(dǎo)體元件剝離的情況一再地出現(xiàn)，特別是當(dāng)沉積的層厚只有幾微米的 時(shí)候。
[0004] 當(dāng)前解決這個(gè)問題的方案是，使用非常薄的鎳層作為阻焊層或摻入特殊的焊料， 例如銦焊料（In-Lot)。該焊料并不能那么好的溶解(16sen)例如鎳層，而且會(huì)帶來其他問 題，例如在焊料選擇方面的靈活性較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有CdTe基體上的半導(dǎo)體材料的 半導(dǎo)體元件，其帶來了與半導(dǎo)體材料相關(guān)的有利的阻焊性能以及盡可能大的焊料方面的多 樣化。本發(fā)明所要解決的另外的技術(shù)問題在于，提供一種放射線檢測(cè)器和包括經(jīng)改進(jìn)的半 導(dǎo)體元件的醫(yī)療設(shè)備，以及制造這樣的半導(dǎo)體元件的方法，特別是該半導(dǎo)體元件中的特殊 的阻焊層。
[0006] 所述技術(shù)問題通過一種半導(dǎo)體元件解決，其包括基于CdTe的半導(dǎo)體材料和連接 所述半導(dǎo)體元件與電子構(gòu)件的多個(gè)連接點(diǎn)，其中所述連接點(diǎn)設(shè)有阻焊層，且所述阻焊層包 括由至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的金屬組成的混合物AB。
[0007] 此外，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件基本上由基于CdTe(例如CdTe或CZT)上的半導(dǎo) 體材料組成。這樣的半導(dǎo)體元件與Si半導(dǎo)體元件不同，在鎳的阻焊層較厚的情況下 其特別容易出現(xiàn)上述的剝離現(xiàn)象，這是因?yàn)榛贑dTe的半導(dǎo)體材料（CdTe-basierten Halbleitermaterial)的不尋常的膨脹系數(shù)能造成應(yīng)力的增加。當(dāng)例如高溫下在該半導(dǎo)體 材料上汽化蒸鍍（aufdampfen)鎳時(shí)，通常在層厚度過大的情況下會(huì)在冷卻至室溫的過程 中出現(xiàn)應(yīng)力。另一方面，當(dāng)在室溫下沉積鎳時(shí)，由此在應(yīng)用阻焊層的情況下不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力， 但在操作過程中由于之后出現(xiàn)的較高的溫度有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。
[0008] 為了最小化或防止因半導(dǎo)體和UBM的不同的膨脹系數(shù)而在溫度波動(dòng)的情況下產(chǎn) 生的應(yīng)力，特別是在施加UBM的過程中，在雜化（Hybridisieren)(術(shù)語"雜化"在該領(lǐng)域用 作焊接的代名詞）的過程中或也在操作過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中的阻焊 層包括由至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的金屬組成的混合物AB。本文中的A或B為每一個(gè) 從元素周期表中選擇的金屬的代稱（Platzhalter)。所述由至少兩種金屬組成的阻焊層使 得在約20°C?150°C的相關(guān)的溫度范圍僅出現(xiàn)很小的或不出現(xiàn)作用于半導(dǎo)體材料應(yīng)力。由 此在制造過程中，在雜化過程中或在操作過程中也避免了構(gòu)件的退化或劣化。
[0009] 此外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中將阻焊層設(shè)置在該半導(dǎo)體元件的連接點(diǎn)處，其中 所述半導(dǎo)體元件具有多個(gè)（即一個(gè)或更多個(gè)（例如2、3、4個(gè)等），以及許多個(gè)）這樣的用于 連接該半導(dǎo)體元件和電子構(gòu)件的連接點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的上述優(yōu)點(diǎn)以及其他優(yōu)點(diǎn)使其適用于放射線檢測(cè)器以及特 別適用于用于X-射線和/或γ-射線的數(shù)率檢測(cè)(ZiihIrateiierfassimg)的檢測(cè)器。因此， 本發(fā)明還涉及包括多個(gè)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的放射線檢測(cè)器。可選地，該放射線檢測(cè)器還 包括用于讀取檢測(cè)信號(hào)的評(píng)估電子器件，其例如可被直接設(shè)置為該放射線檢測(cè)器的構(gòu)件。 可替代的，該評(píng)估電子器件也可被設(shè)置成獨(dú)立的，可與所述放射線檢測(cè)器連接的系統(tǒng)。
[0011] 由于上述優(yōu)點(diǎn)并且特別因?yàn)楦倪M(jìn)的焊接點(diǎn)，本發(fā)明的放射線檢測(cè)器即使在尋常的 操作條件下也適用于醫(yī)療設(shè)備并且特別適用于包括尤其具有較高的輻射強(qiáng)度的X-射線和 /或Y-射線的數(shù)率檢測(cè)儀的設(shè)備。因此，本發(fā)明也涉及包括本發(fā)明的放射線檢測(cè)器的醫(yī)療 設(shè)備，例如（用于例如血管造影設(shè)備的）平板檢測(cè)器（flat-panel-Detektor)。本文中特 別優(yōu)選的實(shí)施例是X-射線系統(tǒng)、Y-射線系統(tǒng)、CT-系統(tǒng)或放射性核素發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃 描系統(tǒng)（Radionuklid-Emissions-Tomographiesysteme)，例如PET-系統(tǒng)（正電子發(fā)射斷 層掃描）（Positronen-Emissions-Tomographie)或SPECT-系統(tǒng)（單光子發(fā)射CT)(single photonemissionCT)〇
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，通過至少包括在所述半導(dǎo)體元件的連接點(diǎn)上施加阻焊層的步驟的方 法來制造所述半導(dǎo)體元件，其中所述阻焊層包括由至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的金屬組 成的混合物。通過該阻焊層的材料混合物制備的半導(dǎo)體元件在約20°c?約150°C的相關(guān)的 溫度范圍具有非常低的或不具有作用于半導(dǎo)體材料的應(yīng)力。
[0013] 下文的描述包含了特別有利的實(shí)施方案和本發(fā)明的進(jìn)步之處，其中明確指出，還 可以根據(jù)以下說明的半導(dǎo)體元件來改進(jìn)本發(fā)明的放射線檢測(cè)器、醫(yī)療設(shè)備和方法，反之亦 然。
[0014] 在第一實(shí)施方式中，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件包括由半導(dǎo)體化合物構(gòu)成的半導(dǎo) 體材料，其優(yōu)選選自以下的組：CdTe，CdxZrvxTe(其中0彡X彡1)(所謂的"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)。 在優(yōu)選用于檢測(cè)器的半導(dǎo)體材料中，X為在約〇. 01?約〇. 3之間的值，進(jìn)一步優(yōu)選在約 0. 02?0. 2之間。在優(yōu)選的半導(dǎo)體材料中，y的值在約0. 9?1之間。
[0015] 熱膨脹系數(shù)，下文也簡稱為膨脹系數(shù)，例如對(duì)于碲化鎘，在293K時(shí)為5. 9XKT6/ K，而鎳的熱膨脹系數(shù)在293K時(shí)為13.4X10-7K，其明顯更高。CZT是一種由CdTe和ZnTe 組成的合金，其中ZnTe通常具有為約5%?10%的較小的含量。因此，在套用線性混 合定律時(shí)，CZT的膨脹系數(shù)相當(dāng)接近CdTe的膨脹系數(shù)。技術(shù)人員既可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法 (Standardprozeduren)也可以參考專業(yè)文獻(xiàn)來確定熱膨脹系數(shù)的準(zhǔn)確值。
[0016] 為了能適合用作阻焊層，金屬A和金屬B或其混合物的熔點(diǎn)優(yōu)選大于150°C，進(jìn)一 步優(yōu)選大于160°C，以及特別為170°C或更高。典型的焊接溫度通常為約200°C。但是該阻 焊層的熔點(diǎn)應(yīng)至少為300°C，以最小化或完全避免半導(dǎo)體材料的溫度損傷。一般情況下，所 使用的金屬A和B的熔點(diǎn)越高，就越能靈活地選擇用于焊接過程的焊料。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的另一實(shí)施方式，金屬A選自具有比半導(dǎo)體材料的 膨脹系數(shù)更小的膨脹系數(shù)的金屬組。優(yōu)選同時(shí)具有高熔點(diǎn)的這類金屬的實(shí)施例包括鎢 (4. 5X1(Γ6/Κ，293K)、鉻（4. 9X1(Γ6/Κ，293K)和鍺（5. 8X10-6/K，293K)。
[0018] 根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施方式，將金屬A與金屬B混合，金屬B優(yōu)選選自具有比半導(dǎo)體材料 的膨脹系數(shù)更大的膨脹系數(shù)的金屬組。優(yōu)選同時(shí)具有高熔點(diǎn)的這類金屬的實(shí)施例包括鎳 (13.4父10 -6/1(，2931()、銅（16.5\10-71(，2931()和鈦（8.6\10-71(，2931()。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施方式，以一個(gè)混合比例混合金屬A和 Β，以使該混合物的膨脹系數(shù)優(yōu)選等于或至少非常近似于所使用的半導(dǎo)體材料的膨脹系 數(shù)。進(jìn)一步優(yōu)選該混合物的膨脹系數(shù)與所使用的半導(dǎo)體材料的膨脹系數(shù)的偏差不超過 10% (±10%)。對(duì)于純的CdTe或CZT來說，所述阻焊層的膨脹系數(shù)因此優(yōu)選為約5.3? 6.5父10-6/1((在 2931(時(shí)）。
[0020] 在這種情況下混合物被理解為，阻焊層包括金屬A和B的合金，其中可選地也可使 用分別含至少一種金屬A和至少一種金屬B的多種金屬的合金。在這種情況下，這種合金 的膨脹系數(shù)優(yōu)選如上所述地與所使用的各種半導(dǎo)體材料的膨脹系數(shù)相匹配。
[0021] 使用合金作為阻焊層的替代方案是，該阻焊層也可具有由金屬A和金屬B的層交 替構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。這樣的多層結(jié)構(gòu)包括至少兩層，但優(yōu)選包括至少各含金屬A和金屬B的 兩層，更優(yōu)選包括多層，即各含金屬A或B的三層或更多層。所述層在此優(yōu)選交替地布置， 其中也可使用包括其他材料的中間層，例如包括金屬A和B構(gòu)成的合金以及可選的其他材 料。對(duì)于這樣的多層的層結(jié)構(gòu)來說，還優(yōu)選使用金屬A和B的如在合金的實(shí)施例中一樣的 混合比例，以使阻焊層的總膨脹系數(shù)大致等于所使用的半導(dǎo)體材料的膨脹系數(shù)。此處優(yōu)選 根據(jù)相應(yīng)的層厚的比例來設(shè)置混合比例Α/Β。
[0022] -方面例如通過合金含量，另一方面例如根據(jù)各層的層厚來設(shè)置阻焊層中的金屬 A和B的相應(yīng)的混合比例，通過這種方式可補(bǔ)償半導(dǎo)體元件的連接點(diǎn)的膨脹系數(shù)與該類型 的UBM的膨脹系數(shù)的差異，從而不僅在施加UBM的過程中而且在隨后的操作過程中減少或 不產(chǎn)生應(yīng)力。由此避免了金屬化層（Metallisierung)的劣化，即剝離。因此，本發(fā)明的半 導(dǎo)體元件特別因改進(jìn)的焊點(diǎn)而具有經(jīng)提高的耐久性。
[0023] 所述混合比例的常用公式為方程1 :
[0024] hi=X·a+(I-X)·b方程I
[0025] 其中，
[0026] hi=半導(dǎo)體的膨脹系數(shù)；
[0027]a=金屬A的膨脹系數(shù)；
[0028] b=金屬B的膨脹系數(shù)；并且
[0029]a〈hl以及b>hl
[0030] 相對(duì)于總的混合物，特別優(yōu)選金屬A的比例為約65?95%以及金屬B的比例為約 5?35%。此處每個(gè)金屬A或B可構(gòu)成混合比或者兩個(gè)或多個(gè)金屬A或B可一起構(gòu)成該比 例。對(duì)于在CdTe上的由鎢和鈦組成的溫度穩(wěn)定的UBM來說，合金優(yōu)選具有為約2:1的W/Ti 的混合比例。以下的表1中給出了優(yōu)選的混合物組合的進(jìn)一步的具體實(shí)施例。
[0031]表1:
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 半導(dǎo)體元件（1)，其包括基于CdTe的半導(dǎo)體材料（5)和連接所述半導(dǎo)體元件（1)與 電子構(gòu)件的多個(gè)連接點(diǎn)（10)，其中，所述連接點(diǎn)（10)設(shè)有阻焊層（20)，且所述阻焊層包括 由至少兩種具有不同的膨脹系數(shù)的金屬組成的混合物AB。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述半導(dǎo)體材料（5)由優(yōu)選選自W下的組 的半導(dǎo)體化合物構(gòu)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. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述金屬A選自具有比所述半導(dǎo)體材 料巧）的熱膨脹系數(shù)更小的熱膨脹系數(shù)的金屬組。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述金屬B選自具有比半 導(dǎo)體材料巧）的熱膨脹系數(shù)更大的熱膨脹系數(shù)的金屬組。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述阻焊層具有由兩種金 屬A和B構(gòu)成的合金。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求1?4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述阻焊層（20)具 有由金屬A的層（22)和金屬B的層（24)交替重疊構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述金屬A和金屬B或其混 合物的烙點(diǎn)大于15(TC。
8. 放射線檢測(cè)器巧0)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1?7中的任一項(xiàng)所述的多個(gè)半導(dǎo)體元件 (1)和可選的用于讀取檢測(cè)信號(hào)的評(píng)估電子器件（13)。
9. 醫(yī)療設(shè)備（70)，其包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的放射線檢測(cè)器巧0)。
10. -種用于制造半導(dǎo)體元件（1)的方法，該半導(dǎo)體元件包括基于CdTe的半導(dǎo)體材 料（5)和連接半導(dǎo)體元件（1)與電子構(gòu)件的多個(gè)連接點(diǎn)（10)，所述方法包括在所述連接點(diǎn) (10)上施加阻焊層（20)的步驟，其中，所述阻焊層包括由至少兩種具有不同的熱膨脹系數(shù) 的金屬組成的混合物AB。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，W合金的形式沉積由所述金屬A和B組成的混 合物作為阻焊層（20)，所述阻焊層具有的熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體材料巧）的熱膨脹系數(shù) 的偏差不超過10%。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，沉積由所述金屬A的層（22)和金屬B的層 (24)交替重疊構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的阻焊層（20)，并且所述阻焊層（20)具有的熱膨脹系數(shù)與 所述半導(dǎo)體材料巧）的熱膨脹系數(shù)的偏差不超過10%。
【文檔編號(hào)】H01L31/0296GK104347749SQ201410352508
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】C.施羅特 申請(qǐng)人:西門子公司