DD277602A3 - Verfahren zur Herstellung eines weichlötfähigen Mehrschichtkontaktsystems für Halbleiterbauelemente - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mit Weichlot kontaktierfaehigen Mehrschichtkontaktsystems fuer Halbleiterbauelemente. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass zwei Metallschichten, von denen die eine die Barrieremetallschicht bildet und die andere eine Kontaktmetallschicht darstellt, unmittelbar nacheinander auf die gereinigte Halbleiteroberflaeche aufgebracht werden. Das Kontaktmetall ist zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit dem Barrieremetall und dem Halbleitermaterial geeignet. Nach Aufbringen dieser beiden Metallschichten werden eine oder mehrere Metallschichten zur Gewaehrleistung der Weichloetfaehigkeit des Schichtsystems aufgebracht, und anschliessend wird das gesamte Schichtsystem getempert. Die Temperatur waehrend der Temperung liegt erfindungsgemaess in einem definierten Bereich, der durch die Reaktionstemperaturen der aufgebrachten Schichten bestimmt wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mit Weichlot kontaktierfähigen Mehrschichtkontaktsystems für Halbleiterbauelemente, insbesondere für eine haftfeste Kontaktierung von Silizium-Leistungsbauelementen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der Patentschrift GB 2132412 sino die Schwierigkeiten bei der Herstellung eines gut haftenden Metallisierungssystems für Silizium-Leistungsbauelemente bekannt. Zur Beseitigung von Restschichten, insbesondere von Oxidschichten auf den zu metallisierenden Halbleiter-Prozeßscheiben, welche die Ausbildung einer für die gute Haftung des Metallisierungssystems verantwortlichen Metall-Halbleiterverbindung stören, wird ein Ätzabtrag der hochdotierten Halbleiterkontaktflächen im Bereich von 1 bis 3/im vorgeschlagen, dem die Abscheidung der ersten Metallschicht folgt, die bei der während der Abscheidung auftretenden Substraterwärmung zu der Metall-Halbleiterverbindung reagiert. Es wird hierzu Nickel verwendet, das bei relativ niedriger Temperatur zu Nickolsilizid reagiert. Auf die Nickelsilizidschicht wird eine als Barrierenschicht wirkende Schicht aus Chrom abgeschieden, welcher eine weitere Nickelschicht und eine Silberschicht folgen Die Anwendung höherer Temperaturen wurdo boi cliesom Vorfahron aus Gründon nicht erwünschtor zu starker Haftung des Metallisierungssystems auf Siliziumoxidschichten ausgeschlossen.

Das Aufbringen homogonor und sohr dünner orstor Motallschichton, wolche für die Ausbildung der ebenfalls sehr dünnen und homogonon Motall-Halbloitorvorbindungsschichton orfordorlich sind (Nickolsilizid in oinor Dicke von 20nm wird angegeben), boroitot in dor Praxis großo Schwiorigkoiton. Nachteilig ist boi dem angogebonon Vorfahron dio Tatsache, daß sich durch die Atzbohandlung dor im ollgonioinon hochdotierten Halbloitorschicht wiodor Rostschichten auf der zu kontaktiorenden Flächo bilden könnon, wolcho dio homogono Ausbildung dor Motall-Halbleitervorbindung unmöglich machon. Die Reproduzierbarkeit der At/abtragung dünnor, hochdotiortor Halbloitorschichton ist aufwendig. Andererseits könnon bereits geringe Beträge abgotragonor Schichtdickon zu Kontaktwidorstandsänderungon führen.

Eine bossoro Haftung oinos Motallisiorungssystoms zur Kontaktierung von Silizium-Bauelementen wird gemäß Patentschrift US 4480261 dadurch orroieht, daß als orste Molallschicht eino Chromschicht aufgebracht wird. Da keino Temperaturbehandlung zum Vorfahron gohört, kommt os nicht zur Ausbildung oinor Motall-Halbloitorverbindungsschicht.

Derartige Systeme sind erfahrungsgemäß nicht langzeitstabil. In der DE-OS 3301666 ist ein Mehrschicht-Kontaktsystem für hochdotierte Oberflächen von Silizium-Halbleiterbauelementen beschrieben, welches beinhaltet, daß als erste Schicht ein Metall aufgebracht wird, das mit Silizium leicht ein Silizid bildet, daß als zweite Schicht ein Metall aufgebracht wird, dessen Silizidbildung wesentlich langsamer verläuft als in der ersten Metallschicht und eine Diffusionsbarriere bildet. Als dritte Schicht wird ein Metall aufgebracht, das nur wenig von Weichloten angelöst wird und daß als letzte Schicht eine Schutzschicht aus einem Edelmetall aufgebracht wild. In der Patentschrift wird angegeben, daß ein direktes Aufbringen einer Chromschicht auf eine hochdotierte und mechanisch nicht aufgerauhte Silizumf lache nicht immer zu einer verläßlichen Haftung nach Temperaturbehandlung führt. Das in der DE-OS 3301666 beschriebene Verfahren ist mit den gleichen Nachteilen behaftet wie das in der Patentschrift GB 2132412 offenbarte, was die reproduzierbare Herstellung homogener, sehr dünner erster Metallschichten anbetrifft.

Durch einen zusätzlich nach der Herstellung der ersten Metallschicht eingefügten Temperschritt zur Silizidbildung wird das Verfahren pufwendig, und es entsteht hierdurch wieder die Gefahr einer Oberflächenverschmutzung, nämlich der Silizidschicht, welche die Haftung der folgenden Metallschichten negativ beeinflußt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, Mehrschichtkontaktsystemf.- mit verbesserter Haftfestigkeit rationell herzustellen und damit den Aufwand zu senken und die Ausbeute und Qualität der Halbleiterbauelemente zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die störende Wirkung von Oberflächenrestschichten auf den Halbleiterbauelementeoberflächen bei der Ausbildung der Metall-Halbleiterverbindung ohne Oberflächenabti ag von den hochdotierten Kontaktflächen weitestgehend auszuschließen und die Entstehung einer sehr dünnen und homogenen Metall-Halbleiterverbindungsschicht, einer Diffusionsbarriereschicht sowie einer weichlötfähigen Schicht reproduzierbar zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Metallschichten, von denen die eine die Barrieremetallschicht und die andere eine Kontaktmetallschicht bildet, unmittelbar nacheinander auf die gereinigte Halbleiteroberfläche aufgebracht werden. Das Kontaktmntall ist u.a. zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit dem Barrieremetall unridem Halbleitermaterial geeignet. Nach der Deposition dieser beiden Metallschichten werden eine oder mehrere Metallschichten zur Gewährleistung der Weichlötfähigkeit des Schichtsystems aufgebracht, und anschließend wird das gesamte Schichtsystem getempert. Die beiden nacheinander zuerst aufgebrachten Metallschichten erfüllen nach dem Temperprozeß die Funktionen einer Barrieremetall- bzw. einer Kontaktmetallschicht. Die Temperatur der Temperung liegt hierbei oberhalb der Reaktionstemperaturen Kontaktmetall/Halbleitermaterial, Kontaktmetall/Barrieremetall und unterhalb der Reaktionstemperaturen Barrieremetall/Halbleitermaterial, Bameremetall/die Weichlötfähigkeit sichernde Metalle, Kontaktmetall/die Weichlötfähigkeit sichernde Metalle sowie tlie Weichlötfähigkeit sichernden Metalle untereinander. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden das Barrieremetall als erstes und das Kontaktmetall als zweites aufgebracht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Temperbehandlung bereits nach dem Aufbringen der als Barrierenmetallschicht dienenden Metallschicht und des eine Verbindung mit dem Halbleiter bildenden Kontaktmetalls durchgeführt wird. Die Temperatur der Temperbehandlung liegt unterhalb der Reaktionstemperatur des zuerst aufgebrachten Barrieremetalls mit dem Halbleitermaterial und oberhalb der Reaktionstemperatur des als zweites aufgebrachten Kontaktmetalls mit dem Halbleitermaterial und dem Barrieremetall. Anschließend an die Temperbehandlung werden eine oder mehrere Metallschichten zur Gewährleistung der Weichlötfähigkeit des Schichtsystems aufgebracht.

Die Dicke der sich ausbildenden Metall-Halbleiterverbindungsschicht wird erfindungsgemäß über die Schichtdicke des zuerst aufgebrachten Barrieremetalls, die Temperatur und/oder die Temperzeit eingestellt.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahren bildet sich eine homogene, sehr dünne, in ihrer Dicke steuerbare Metall-Halbleiterverbindungsschicht des als zweite Schicht aufgetragenen Kontaktmetalls an der Grenze zur Halbleiteroberfläche unter Zurücklassung der ursprünglich auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Restschichten aus, wodurch ein sehr guter Kontaktwiderstand und eine sehr gute Haftung des Kontaktschichtsystems erreicht wird. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird das Kontaktmetall als erstes und das Barrieremetall als zweites aufgebracht.

Die Dicke der sich ausbildenden intermetallischen Verbindungsschicht wird mit der Dicke des Barrieremetalls, der Temperatur und/oder der Temperzeit eingestellt.

Bei dieser erfindungsgomäßen Ausgestaltung des Vorfahrons bildet die zuerst aufgebrachte Metallschicht mit dem Halbleitermaterial oino Vorbindung, die einen guten Kontakt zum Halbleiter sichert und mit dem als zweite Schicht aufgebrachten Motall oino intormotallischo Vorbindung, die Interdiffusionsvorgänge verhindort.

Das Aufbringen dor Schichten orfolgt mittels Katodonzorstäubung, einos physikalischen Aufdampfverfahrens in einem Vaktiumzyklus odor Illinois chomischor Vorfahron.

Das orfiiulungsgomäßo Vorfahron ist oinfach und birgt koino besoncloron Anforderungen in sich, die über die bisherigen VorfahronsvoraussQtzungon hinausgohon, außordom gewährleistet os dio Hcrstollung langzoitstabilor Mohrschichtkontaktsystomo mit vorbossortor Haftfostigkoit.

Ausführungsbeispiele

1. Ausführungsbeispiel

Beschrieben wird ein spezielles Kontaktschichtsystem, welches den Anforderungen an ein weichlötfähiges Kontaktsystem für Silizium-Halbleiterbauelemente genügt. Dabei gilt besonderes Augenmerk einer maximal zulässigen Temperaturbelastung von < 450X, 30min für die Siliziumscheibe bei diesem und allen weiteren Bearbeitungsschritten.

Als Verfahren der Schichtherstellung eignen sich sowohl physikalische als auch chemische Verfahren, wobei eine in-Folge-Deposition anzustreben ist. Erfindungsgemäß können die Schichten ohne technisch aufwendige Temperierung der Silizium-Scheiben vor oder während der einzelnen Schichtabscheidungen aufgebracht werden.

Zuerst wird eine 50 bis 100nm dicke Schicht eines Metalls (Barrieremetall) aus der Gruppe Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niobium, Vanadium, Zirkonium, Hafnium oder Mangan auf die gereinigte Silizium-Scheibe abgeschieden, vorzugsweise Titan mit einer Dicke von 60nm. Unmittelbar danach erfolgt die Abscheidung eines Metalls (Kontaktmetall) aus der Gruppe Nickel, Cobalt, Platin oder Palladium, welche bereits bei Temperaturen <450°C mit Silizium eine Verbindung bilden. Bevorzugiwird Nickel, weil dieses Metall auch sehr gute Weichlöteigenschaften hat und somit auch als weichlötfähige Schicht im Kontaktsystem dient. Die Schichtdicke beträgt 300 bis 1200nm, vorzugsweise 500ηm. Nach unten ist die Schichtdicke eingeschränkt, um zu verhindern, daß sich die Ni-Sn-Phasen, welche sich beim Weichlötprozeß bilden, über die gesamte Ni-Schichtdicke ausbreiten. Dadurch werden die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kontaktsystems beeinträchtigt. Zu dicke Ni-Schichten mindern ebenfalls die mechanische Beanspruchbarkeit des Systems. Die Ni-Schicht sollte mit einer Edelmetallschicht (40 bis 10OOnm), z. B. Silber oder Gold vor Korrosion geschützt werden. Nickel überzieht sich schon nach kurzer Zeit mit einer dichten Oxidschicht die eine Benetzung mit Weichloten verhindert. Daher wird auf die Ni-Schicht eine, vorzugsweise 200nm dicke, Ag-Schicht abgeschieden. Nickel und Silber haben die Eigenschaften, daß sie im intressierenden Temperaturbereich bis 500⁰C nur in bedeutender Weise intermetallische Verbindungen bilden bzw. zur Interdiffusion neigen. Damit bleibt der Nickel-Silber-Schichtaufbau auch während der nachfolgend durchgeführten Temperung, vo> zugsweise 30min bei 450⁰C in wasserstoffhaltiger Atmosphäre, erhalten. Die Temperung bewirkt die Verbin Jungsbildung zwischen dem Silizium und dem Nickel in einer Dicke von etwa 30nm sowie einer aus Titan und Nickel bestehenden Übergangsschicht.

2. Ausführungsbeispiel .

Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Schichten durch physikalische oder chemrche Dampfphasenabscheidung sequentiell mit der gleichen Verfahrenstechnik ohne Unteibrechung des Zyklus aufgebracht. Dabei ist es ebenso nicht erforderlich, die Siliziumscheiben, auf die die Schichten aufgebracht werden, vor oder während der Beschichtung mit gesonderten technischen Einrichtungen zu temperieren

Beschrieben wird ein spezielles Schottky-Kuntaktschichtsysteni.

Als erste Schicht mit einer Dicke von 20 bis 100nm wird ein Metall (Kontaktmetall) abgeschieden, welches bereits bei Temperaturen <450°C mit Silizium eine Verbindung bildet. Dazu gehören die Metalle Pt, Pd, Ni und Co. Für Schottky-Kontaktsysteme wird Platin mit einer Schichtdicke von 60 nm bis 70 nm aufgebracht. Unmittelbar danach erfolgt das Abscheiden einer 20nm bis 50nm dicken Al- oder Ti-Schicht (Barrieremetall), vorzugsweise Titan mit einer Dicke von 30 bis 40nm. Anschließend werden eine 500ηm dicke Nickelschicht und eine 200nm dicke Silberschicht aufgebracht, um die flußmittelfreie Weichlötfähigkeit des Kontaktsystems in nichtreduzierender Atmosphäre zu gewährleisten. Die Silizium-Scheibe mit den so aufgebrachten Schichten wird danach getempert, vorzugsweise 30min bei 45O⁰C in wasserstoffhaltiger Atmosphäre. Dabei bildet die zuerst aufgebrachte Metallschicht mit dem Silizium eine Verbindung, welche einen guten Kontakt zum Halbleiter sichert, und dem als zweite Schicht aufgebrachten Metall eine intermetallische Verbindung, welche Interdiffusionsvorgänge verhindert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines weichlötfähigen Mehrschichtkontaktsystems für Halbleiterbauelemente, bestehend aus einer den unmittelbaren Kontakt zum Halbleiter bildenden Schicht einer Metall-Halbleiter-Verbindung, einor die Interdiffusion behindernden Barrieremetailschicht und mindestens einer die Lötfähigkeit sichernden Schicht, gekennzeichnet dadurch, daß zwei Metallschichten, von denen die eine die Barrieremetailschicht und die andere eine Kontaktmetallschicht bildet, wobei die Kontaktmetallschicht zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit dem Barrieremetall und dem Halbleitermaterial geeignet ist, unmittelbar nacheinander auf die gereinigte Halbleiteroberfläche aufgebracht werden und daß anschließend eine ο 'er mehrere Metaüschichten zur Gewährleistung df,r Weichlötfähigkeit des Schichtsystems aufgebracht werden und daß danach das gesamte Schichtsystem bei einer Temperatur behandelt wird, die oberhalb der Reaktionstemperaturen Kontaktmetall/ Halbleitermaterial, Kontaktmetall/Barrieremetall und unterhalb der Reaktionstemperaturen Barrieremetall/Halbleitermaterial, Barrieremetall/die Weichlötfähigkeit sichernde Metalle, Kontaktmetall/die Weichlötfähigkeit sichernde Metalle sowie der die Weichlötfähigkeit sichernden Metalle untereinander.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Barrieremetall als erste und das Kontaktmetall als zweite Schicht aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperbehandlung bereits nach dem Aufbringen des als Barrieremetailschicht dienenden Metalls und des eine Verbindung mit dem Halbleiter bildenden Kontaktmetalls durchgeführt wird, daß die Temperatur der Temperbehandlung unterhalb der Reaktionstemperatur des zuerst aufgebrachten Barrieremetalls/ Halbleitermaterial und oberhalb der Reaktionstemperatur des als zweites aufgebrachten Kontaktmetalls/Halbleitermaterial und Kontakimetalls/Barrieremetall liegt und daß anschließend eine oder mehrere Metallschichten zur Gewährleistung der Weichlötfähigkeit des Schichtsystems aufgebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke der sich ausbildenden Metall-Haibleiter-Verbindungsschicht über die Schichtdicke des zuerst aufgebrachten Barrieremetalls, die Temperatur und/oder die Temperzeit eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kontaktmetall als erste und das Barrieremetall als zweite Schicht aufgebracht werden.