DD274967A3 - Solderable thin film in a single or multi-layer metallization - Google Patents

Solderable thin film in a single or multi-layer metallization Download PDF

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DD274967A3
DD274967A3 DD30916687A DD30916687A DD274967A3 DD 274967 A3 DD274967 A3 DD 274967A3 DD 30916687 A DD30916687 A DD 30916687A DD 30916687 A DD30916687 A DD 30916687A DD 274967 A3 DD274967 A3 DD 274967A3
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solderable
chromium
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Wilfried Hinueber
Joachim Schumann
Armin Heinrich
Bernd Mueller
Wolfgang Jarcak
Lutz Bierbrauer
Ulrich Heisig
Rolf Pfannkuchen
Karl-Heinz Baether
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf diskrete Duennschicht-Bauelemente, in Duennschichttechnik hergestellte Bauelemente in Hybridschaltkreisen, Halbleiterbauelemente, integrierte Schaltkreise und Solarzellen. Erfindungsgemaess besteht die Schicht aus einem weichloetbaren Werkstoff mit Zusatz von 4 bis 18 At.-% Chrom, Zirkonium, Titan oder Aluminium. Die Schicht enthaelt am Substrat maximal 20 At.-% Sauerstoff, wobei die Sauerstoffkonzentration mit zunehmender Schichtdicke monoton abnimmt. Beim Erreichen von etwa 13 der Schichtdicke betraegt die Sauerstoffkonzentration Null.The invention relates to discrete thin-film components, components produced in thin-film technology in hybrid circuits, semiconductor components, integrated circuits and solar cells. According to the invention, the layer consists of a soft-settable material with the addition of 4 to 18 at.% Chromium, zirconium, titanium or aluminum. The layer contains at the substrate a maximum of 20 at.% Oxygen, the oxygen concentration decreasing monotonically with increasing layer thickness. When reaching about 13 of the layer thickness, the oxygen concentration is zero.

Description

AusfurmingsbelspleleAusfurmingsbelsplele

1. Ein thermisch oxydiertes Si-Substrat, auf dem eine strukturierte CrSiWO-Widerstandsschicht aufgebracht ist, soll mit einer Kontaktmetallisierung versehen werden. Zu diesem Zweck wird auf dieser Widerstandsschicht eine erfindungsgemäße vveichlötbare Dünnschicht aus Ni und 6At-% Cr von 500nm Dicke, die anfangs 6 At-% O2 enthält, deren O2-Gehalt in der Schicht monoton abnimmt und bei einer Dicke von 160nm Null beträgt, und darüber eine weitere 1,3μιτι dicke lötbare Schicht aus CuNiSn angeordnet. Die Schichten werden in Vakuumfolge mit DC Planar Plasmatrons aufgesputtert.1. A thermally oxidized Si substrate, on which a structured CrSiWO resistor layer is applied, is to be provided with a contact metallization. For this purpose, a vveichlötbare thin layer of Ni and 6At-% Cr of 500nm thickness according to the invention, which initially contains 6 at% O 2 , whose O 2 content monotonically decreases in the layer and is zero at a thickness of 160nm , And about a further 1,3μιτι thick solderable layer of CuNiSn arranged. The layers are sputtered in vacuum sequence with DC Planar Plasmatrons.

2. Auf einem Siliziumsubstrat, das mit einer CrSiWO-Widerstandsschicht versehen ist, ist eine Kontaktmetallisierung ' aufzubringen. Dazu wird auf dieser Widerstandsschicht eine erfindungsgemäße vveichlötbare Dünnschicht aus Ni, dem6 At-% Crzulegiert sind, aufgesputtert. Bei Beginn des Sputterprozesses wird ein O2-Partialdruck von 8 1O-3Pa eingestellt. Ist eine Schichtdicke von 50 nm erreicht, wird der O2-Partialdruck monoton verringert, so daß er beim Erreichen einer Schichtdicke von 350 nm Null beträgt. Nun wird noch eine 1,2 μιτι dicke NiCr-Schicht ohne O2 aufgesputtert. Die Abscheidung erfoigt ohne Unterbrechung des Vakuums und des Sputterprozesses. Abschließend erfolgt eine Wärmebehandlung bei 5000C in einem elektrisch beheizten Ofen für die Dauer von 30 min an Luft. Es wird eine festhaftende Kontaktmetallisierung erreicht. Der Sauerstoffgehalt im unteren Teil der erfindungsgemäßen Schicht bewirkt erhebliche Herabsetzung der Diffusionsgeschwindigkfiit, wogegen der Teil der Schicht mit abnehmendem O2-Gehait die Ablegierbeständigkeit der weichlötbaren Dünnschicht erhöht. Die Wärmebehandlung verbessert die Leitfähigkeit der Kontaktmetallisierung noch erheblich. Bei einer Temperung an Luft bei Temperaturen > 350°C ist vor dem Lötvorgang eine Oxidätzung mit bekannten Mitteln, z.B. 5 bis 10%igen HF notwendig. Ein weiterer Vorteil der weichlötbaren Dünnschicht besteht darin, daß die Wärmebehandlung zur Widerstandseinstellung mit der bereits aufgebrachten Kontaktmetallisierung gemeinsam vorgenommen werden kann.2. On a silicon substrate, which is provided with a CrSiWO resistance layer, a contact metallization 'is applied. For this purpose, a vveichlötbare thin layer of Ni, dem6 At-% Crzulegiert be sputtered on this resistive layer according to the invention. At the beginning of the sputtering process, an O 2 partial pressure of 8 10 -3 Pa is set. If a layer thickness of 50 nm is reached, the O 2 partial pressure is monotonically reduced, so that it is zero when reaching a layer thickness of 350 nm. Now a 1.2 μιτι thick NiCr layer is sputtered without O 2 . The deposition takes place without interruption of the vacuum and the sputtering process. Finally, a heat treatment at 500 0 C in an electrically heated oven for 30 minutes in air. It is achieved a firmly adhering contact metallization. The oxygen content in the lower part of the layer according to the invention causes a considerable reduction in the diffusion rate, whereas the part of the layer with decreasing O 2 content increases the Ablegierbeständigkeit the weichlötbaren thin film. The heat treatment significantly improves the conductivity of the contact metallization. When tempering in air at temperatures> 350 ° C before the soldering oxide etching with known means, eg 5 to 10% HF is necessary. Another advantage of the soft solderable thin film is that the heat treatment for resistance adjustment can be made common with the already applied contact metallization.

Claims (3)

1. Weichlötbare Dünnschicht in einer ein- oder mehrschichtigen Metallisierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem weichlötbaren Werkstoff mit Zusatz von 4- bis 18 At-% Chrom, Zirkonium, Titan oder Aluminium besteht, die Schicht am Substrat maximal 20 At-% Sauerstoff enthält, die Sauerstoffkonzentration mit wachsender Schichtdicke monoton abnimmt und beim Erreichen von etwa 1/3 der Schichtdicke Null beträgt.1. Solderable thin film in a single or multi-layer metallization, characterized in that the layer consists of a weichlötbaren material with addition of 4 to 18 at% chromium, zirconium, titanium or aluminum, the layer at the substrate a maximum of 20 at% contains oxygen, the oxygen concentration decreases with increasing layer thickness monotonically and upon reaching of about 1/3 of the layer thickness is zero. 2. Weichlötbare Dünnschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichlötbaire Werkstoff Kupfer oder Nickel ist.2. Solderable thin film according to claim 1, characterized in that the weichlötbaire material is copper or nickel. 3. Weichlötbare Dünnschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem weichlötbaren Werkstoff 5 bis 12 At-% Chrom zugesetzt ist.3. Solderable thin film according to claim 1, characterized in that the weichlötbaren material 5 to 12 at% chromium is added. Anwendungsgebiet der Erfindung ·Field of application of the invention Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektronik. Objekte, bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind diskrete Dünnschicht-Bauelemente, in Dünnschichttechnik hergestellte Bauelemente in Hybridschaltkreisen, Halbleiterbauelemente, integrierte Schaltkreise und Solarzellen.The invention relates to the field of electronics. Objects in which their application is possible and expedient are discrete thin-film devices, thin-film devices in hybrid circuits, semiconductor devices, integrated circuits, and solar cells. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Es ist allgemein bekannt, die funktioneile Verbindung von Bauelementen und weiteren Verbindungselementen durch Löten herzustellen. Dazu muß eine Metallisierung der Bauelemente vorgenommen werden. Sie muß zahlreiche, aus physikalischtechnischer Sicht teilweise widersprüchliche Forderungen, beispielsweise hohe thermodynamische Stabilität und gute Haftfestigkeit, minimaler Kontaktwiderstand und geringer Diffusionskoeffizient, chemische Resistenz gegen flüssige oder gasförmige Medien und hohe Ablegie:festigkeit erfüllen. Es ist ebenso allgemein bekannt, zur Erfüllung dieser Forderungen übereinander meist mehrere dünne Schichten als Dünnschichtsystem anzuordnen. Um die Lötbarkeit der Bauelemente auch nach längerem Lagern in oxydierender Atmosphäre, z. B. Luft, zu gewährleisten, wird als letzte Schicht meist eine Edelmetallschicht angeordnet (vgl. DE-OS 2809863,3027159,3029277,3301666). Das Aufbringen dieser Schichten erfolgt durch chemische oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase, aber auch durch galvanische Abscheidung. Der Nachteil dieser Metallisierung besteht im hohen technologischen und ökonomischen Aufwand. Bekannt ist (DD-PS 238883) eine Metallisierungsschicht aus einer binären Kupferlegierung mit 2 bis 12Ma.-% Sn oder einer temären Kupferlegierung mit 30 bis 50Ma.-% Ni und Sn, In, Ge, Si oder Ga als weiteres Zusatzelement. Nachteilig ist bei dieser Schicht die mangelhafte Oxydationsfestigkeit, geringe Haftfestigkeit und hohe Ablegierneigung.It is generally known to produce the functional connection of components and other connecting elements by soldering. For this purpose, a metallization of the components must be made. It must meet numerous, from a physical technical point of view partially contradictory requirements, such as high thermodynamic stability and good adhesion, minimal contact resistance and low diffusion coefficient, chemical resistance to liquid or gaseous media and high Ablegie : strength. It is also well known, to meet these requirements one above the other usually several thin layers to be arranged as a thin film system. To the solderability of the components even after prolonged storage in an oxidizing atmosphere, eg. As air, is usually arranged as the last layer, a noble metal layer (cf .. DE-OS 2809863.3027159,3029277,3301666). The application of these layers is carried out by chemical or physical deposition from the gas phase, but also by electrodeposition. The disadvantage of this metallization is the high technological and economic effort. It is known (DD-PS 238883) a metallization of a binary copper alloy with 2 to 12Ma .-% Sn or a ternary copper alloy with 30 to 50Ma .-% Ni and Sn, In, Ge, Si or Ga as another additional element. A disadvantage of this layer is the poor resistance to oxidation, low adhesion and high tendency to decay. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, den technologischen Aufwand zu senken, die Oxydationsfestigkeit und die Haftfestigkeit zu erhöhen und die Ablegierneigung zu verringern.The aim of the invention is to reduce the technological effort to increase the oxidation resistance and the adhesion and to reduce the Ablegierneigung. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weichlötbare Dünnschicht zu schaffen, die kein Edelmetall enthält, gut lötbar ist und Mehrfachleitungen zuverlässig ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schicht aus einem weichlötbaren Werkstoff mit Zusatz von 4 bis 18 At-% Chrom, Zirkonium, Titan oder Aluminium besteht. Die Schicht enthält am Substrat maximal 20 At-% Sauerstoff, wobei die Sauerstoffkonzentration mit zunehmender Schichtdicke monoton abnimmt. Beim Erreichen von etwa '/3 der Schichtdicke beträgt die Sauerstoffkonzentration Null. Vorzugsweise ist der weichlötbare Werkstoff Kupfer oder Nickel. Zweckmäßigerweise ist dem weichlötbaren Werkstoff 5 bis 12 At-% Chrom zugesetzt. Die Höhe des Sauerstoffgehaltes der Schicht am Substrat ist von den technologischen Wärmebehandlungsbedingungen bzw. von den Betriebstemperaturen abhängig. Temperaturen a 7000C ist der maximale Sauerstoffgehalt zugeordnet. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Schicht gut lötbar, auch in oxydischer Atmosphäre hochtemperaturwärmebehandelbar ist und eine sehr hohe Haftfestigkeit und Ablegierbeständigkeit beim Lötprozeß aufweist. Für die Metallisierung werden keine Edelmetallschichten benötigt. Die elektrische Leitfähigkeit der Schicht ist hoch. Die ökonomischen Vorteile bestehen darin, daß das für eine Metallisierung notwendige Schichtsystem auf wonigo und erforderlichenfalls auf nur eine Schicht reduziert werden kann. Mit der erfindungsgemäßen weichlötbaren Dünnschicht könnon die Funktionskomponenten einer Haftschicht, einer Lötschicht, einer Lötstoppschicht, einer Diffusionsbarriere und einer Leitbahn voreinigt werden. Es ist möglich und günstig, die Abscheidung des Schichtsystems ohne Vakuumunterbrechung durchzuführen.The invention has for its object to provide a weichlötbare thin film containing no precious metal is good solderability and allows multiple lines reliable. According to the invention the object is achieved in that the layer consists of a weichlötbaren material with addition of 4 to 18 at% chromium, zirconium, titanium or aluminum. The layer contains a maximum of 20 at% oxygen at the substrate, wherein the oxygen concentration monotonically decreases with increasing layer thickness. When the layer thickness reaches approximately / / 3, the oxygen concentration is zero. Preferably, the weichlötbare material is copper or nickel. Conveniently, 5 to 12 at% chromium is added to the soft solderable material. The level of oxygen content of the layer on the substrate depends on the technological heat treatment conditions or on the operating temperatures. Temperatures a 700 0 C is assigned to the maximum oxygen content. The advantages of the solution according to the invention are, in particular, that the layer according to the invention is readily solderable, is also heat-treatable in an oxidic atmosphere and has a very high adhesive strength and Ablegierbeständigkeit the soldering process. For the metallization no noble metal layers are needed. The electrical conductivity of the layer is high. The economic advantages are that the necessary for a metallization layer system can be reduced to wonigo and, if necessary, to only one layer. With the soft solderable thin film according to the invention, the functional components of an adhesion layer, a solder layer, a solder stop layer, a diffusion barrier and a conductive path can be predicted. It is possible and favorable to carry out the deposition of the layer system without vacuum interruption.
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