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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bondpads auf einem Halbleitersubstrat und eine mit Hilfe des Verfahrens hergestellte Vorrichtung.
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In der Leistungselektronik werden zur elektrischen Kontaktierung von Leistungsbauelementen vor allem Aluminiumbändchen und Aluminiumdickdrahtbonds verwendet. Es können aber auch Goldbonds oder Kupferbonds verwendet werden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt dabei auf der Oberseite der Leistungsbauelemente. Bei einem MOSFET wird beispielsweise der Sourcekontakt und bei einem IGBT der Emitter auf diese Weise an die restliche Schaltung angebunden.
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Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen werden zur elektrischen Kontaktierung Strukturen verwendet, die Kupfer und eine dazugehörige Diffusionsbarriere aufweisen. Es ist bekannt diese mit Hilfe des Dualdamasceneprozesses zu strukturieren. Nachteilig ist hierbei, dass das Verfahren zur Herstellung großflächiger Kupferpads mit Abmessungen im Millimeterbereich aufgrund der hohen Überätzung des Kupferpads und der Notwendigkeit einer harten Stoppschicht für das chemisch-mechanische Polieren ungeeignet ist.
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Zur Strukturierung großer Kupferflächen ist es bekannt die Pattern-Plating-Technik zu verwenden. Hierbei ist eine ganzflächige Startschicht erforderlich, die in den gewünschten Bereichen galvanisch aufgedickt wird. Die Strukturierung der Startschicht erfolgt dabei subtraktiv. Dazu wird das Kupfer ganzflächig aufgebracht und nach der Aufdickung nasschemisch geätzt. Eine Diffusionsbarriere unterhalb des Kupfers muss bei der Pattern-Plating-Technik separat strukturiert werden. Bei einer Strukturierung der Diffusionsbarriere vor dem Aufbringen der ganzflächigen Kupferschicht wird Kupfer beim Aufbringen auf Stellen des Halbleiters aufgebracht, an denen keine Diffusionsbarriere vorhanden ist. Dies kann zu Verunreinigungen des Halbleiters führen. Außerdem kann die Diffusionsbarriere durch Sauerstoff und Lösungsmittel verunreinigt werden, wodurch die Haftung des Kupfers auf der Diffussionsbarriere verringert wird.
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Beim Strukturieren der Diffusionsbarriere nach dem Strukturieren des Kupfers, beispielsweise durch Trockenätzen, können durch Vorwärtssputtern oder durch unzureichend flüchtige Reaktionsprodukte Verunreinigungen auf den freigelegten Flächen des Halbleiters verbleiben. Ein Nassätzen der Diffusionsbarrieren ist aufgrund der Chemikalien und der langsamen Ätzrate ungeeignet.
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Die Schrift
US 4 689 113 A beschreibt ein „Dual Photoresist Lift-off”-Verfahren für planare Metallisierungen auf Halbleitersubstraten aus Silizium, die eine Siliziumdioxid-Passivierung aufweisen. Darüber hinaus ist ein Verfahren zum Herstellen von Bondpads gezeigt.
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In der Schrift
US 2005/0164483 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lötkontakten mit geringen Oberflächendefekten gezeigt. Diese Lötkontakte werden mit Hilfe einer „under bump metallurgy” – Schicht auf Siliziumwafern hergestellt.
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Die Schrift
DE 10 2011 075 888 A1 zeigt ein Liftoff-Verfahren zur Herstellung von Bondpads auf Siliziumkarbidsubstraten, die eine Isolierschicht aus Siliziumdioxid aufweisen.
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Die Schrift
US 4 251 319 A beschreibt ein Lift-off-Verfahren für Magnetspeicher.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein robustes, großflächiges und hohes bzw. dickes Bondpad mit darunterliegender Diffusionsbarriere zu erzeugen, das für eine galvanische Kontaktierung oder elektrische Kontaktierung mit einem weiteren Bauelement oder Substrat geeignet ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6. Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind beispielsweise aus der
US 4 689 113 A bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zum Herstellen eines Bondpads auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere aufweisend Silizium oder Siliziumkarbid, umfasst das Aufbringen mindestens einer ersten Fotolackschicht auf dem Halbleitersubstrat und das Strukturieren der ersten Fotolackschicht mit Hilfe einer ersten Maske. Des Weiteren wird eine Diffusionsbarriereschicht auf die strukturierte Fotolackschicht aufgebracht, sodass wenigstens ein Teil der Diffusionsbarriereschicht direkt auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht ist. Prozessbedingt darf die Höhe der Diffusionsbarriereschicht maximal die Hälfte der Höhe der ersten Fotolackschicht aufweisen. Auf die Diffusionsbarriereschicht wird eine metallische Schicht aufgebracht, beispielsweise Kupfer. Die metallische Schicht überdeckt dabei die erste Fotolackschicht und die Diffusionsbarriereschicht komplett. Komplett bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die erste Fotolackschicht und die Diffusionsbarriereschicht vollständig durch die metallische Schicht bedeckt werden, sodass die erste Fotolackschicht vor Lösungsmitteln geschützt wird, die während des Herstellungsverfahrens verwendet werden. Das bedeutet, die erste Fotolackschicht ist solange geschützt wie die metallische Schicht geschlossen ist. Auf die metallische Schicht wird eine zweite Fotolackschicht aufgebracht. Die zweite Fotolackschicht wird mit Hilfe der ersten Maske oder mit Hilfe einer zweiten Maske strukturiert, sodass Stellen der metallischen Schicht freiliegen. Die freiliegenden Stellen der metallischen Schicht werden so lange geätzt bis die erste Fotolackschicht freiliegt, d. h. die Stellen der metallischen Schicht, die nicht von der zweiten Fotolackschicht bedeckt sind, werden geätzt. Die erste Fotolackschicht und die zweite Fotolackschicht werden daraufhin enfernt. Erfindungsgemäß werden beim Ätzen der metallischen Schicht die seitlichen Bereiche der metallischen Schicht, die sich in der Nähe der Diffusionsbarriere befinden, d. h. am Fuss der metallischen Schicht, unterätzt.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Diffusionsbarriere nach dem Strukturieren des Metalls strukturiert werden kann ohne dass das Halbleitersubstrat verunreinigt wird, da die erste Fotolackschicht bis zum Ende des Verfahrens auf dem Halbleitersubstrat verbleibt und dieses schützt. Des Weiteren wird das Eindringen von Metall in das Halbleitersubstrat verhindert und die Haftung des Metalls auf der Diffusionsbarriere nicht verringert, da die Metallschicht zeitlich unmittelbar nach der Diffusionsbarriereschicht aufgebracht wird und somit keine Zwischenschritte zur Strukturierung der Diffusionsbarriereschicht vor dem Aufbringen des Metalls notwendig sind. Außerdem ist es vorteilhaft, dass dadurch die erste Fotolackschicht besser freigelegt wird, sodass das Lösemittel gezielt angreifen kann.
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In einer Weiterbildung weist die erste Fotolackschicht durch Unterätzen ein negatives Kantenprofil auf.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die erste Fotolackschicht leichter gelöst werden kann, da das Lösungsmittel besser angreifen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird die metallische Schicht beispielsweise durch Sputtering erhöht.
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In einer Weiterbildung wird nach dem Aufbringen der metallischen Schicht und vor dem Erhöhen der metallischen Schicht ein dritter Fotolack aufgebracht, der mittels der ersten oder zweiten Maske strukturiert wird, sodass die Erhöhung der metallischen Schicht auf die Bereiche der Bondpads begrenzt wird.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass das Metall selektiv abgeschieden wird und somit die Materialkosten verringert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen die erste Fotolackschicht und die zweite Fotolackschicht unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Löslichkeit des Fotolacks auf.
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Der Vorteil ist hierbei, dass zur Strukturierung der Fotolackschichten eine einzige Maske verwendet werden kann, da sowohl Positivlacke als auch Negativlacke verwendet werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat, mindestens eine Diffusionsbarriere, die flächenförmig angeordnet ist und eine metallische Schicht, insbesondere Kupfer, die in Form eines Bondpads angeordnet ist. Die Fläche des Bondpads ist durch Unterätzen der metallischen Schicht geringfügig kleiner als die Fläche der Diffusionsbarriere, sodass sich am Fuss des Bondpads eine Stufe oder Einbuchtung bildet, die eine Höhe aufweist, die mindestens der doppelten Höhe der Diffusionsbarriere entspricht.
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Der Vorteil ist hierbei, dass das Bondpad zum elektrischen Kontaktieren und zum galvanischen Kontaktieren geeignet ist.
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In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Kontaktschicht zwischen Halbleitersubstrat und Diffusionsbarriere auf.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Diffusionsbarriere besser auf dem Halbleitersubstrat haftet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Diffusionsbarriere und der metallischen Schicht eine Haftvermittlerschicht vorgesehen.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die metallische Schicht besser auf der Diffusionsbarriereschicht haftet.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Bondpads auf einem Halbleitersubstrat,
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2 einen Zwischenschritt des Herstellungsverfahrens und
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3 eine Vorrichtung, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird.
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1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Bondpads. Das Verfahren startet mit Schritt 110 indem mindestens eine erste fotostrukturierbare Lackschicht, d. h. ein erster Fotolack auf die Oberfläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht wird. Optional werden in Schritt 110 mehrere Lackschichten auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebracht, wobei mindestens einer der Lackschichten fotostrukturierbar ist. Die Lackschichten weisen dabei unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf die Lichtempfindlichkeit auf, sodass ein negatives Kantenprofil der ersten Fotolackschicht auf einfache Weise erzeugt werden kann. In einem folgenden Schritt 120 wird die erste Fotolackschicht mit Hilfe einer ersten Maske strukturiert, beispielsweise durch Photolithographie und Entwicklung. In einem folgenden Schritt 130 wird eine Diffusionsbarriereschicht auf die strukturierte erste Fotolackschicht aufgebracht. Dabei wird ein Teil der Diffusionsbarriereschicht direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebracht. Das Aufbringen der Diffusionsbarriereschicht erfolgt dabei beispielsweise durch Sputtern, Verdampfen, Elektronenstrahlzerstäubung oder andere Verfahren der physikalischen Dampfphasenabscheidung. Die Höhe der Diffusionsbarriereschicht sollte dabei nicht höher als die Hälfte der ersten Fotolackschicht sein, so dass die negativen Kanten der ersten Fotolackschicht nicht bedeckt werden. In einem folgenden Schritt 140 wird eine metallische Schicht auf die Diffusionsbarriereschicht aufgebracht, sodass die Diffusionsbarriereschicht und die erste Fotolackschicht komplett bedeckt sind und ein Lösungsmittel den ersten Fotolack somit nicht angreifen kann. Die metallische Schicht weist dabei beispielsweise Kupfer, Aluminium-Kupferschichten, Aluminium, Nickel, Wolfram oder Gold auf. In einem folgenden Schritt 190 wird eine zweite Fotolackschicht auf die metallische Schicht aufgebracht. In einem folgenden Schritt 200 wird die zweite Fotolackschicht strukturiert, sodass die Stellen der metallischen Schicht mit dem zweiten Fotolack bedeckt sind, die später das Bondpad darstellen. In einem folgenden Schritt 210 werden die freiliegenden Stellen der metallischen Schicht beispielsweise nasschemisch geätzt. Da es sich um ein isotropes Ätzverfahren handelt, können die Stellen der metallischen Schicht, die durch den zweiten Fotolack verdeckt werden unterätzt werden. In einem folgenden Schritt 220 werden die erste Fotolackschicht und die zweite Fotolackschicht enfernt.
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In einem optionalen Ausführungsbeispiel werden zwischen den Schritten 140 und 190 folgende Schritte durchgeführt. In einem Schritt 150 wird eine dritte Fotolackschicht auf die metallische Schicht aufgebracht und in einem folgenden Schritt 160 strukturiert. In einem folgenden Schritt 170 wird die metallische Schicht an den Stellen erhöht, die nicht von der dritten Fotolackschicht bedeckt sind, beispielsweise galvanisch, chemisch oder mittels eines Sputteringprozesses. In einem folgenden Schritt 180 wird die dritte Fotolackschicht entfernt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die erste und die optional dritte Fotolackschicht ein Negativlack, d. h. die Löslichkeit der belichteten Stellen wird verringert, sodass die für die Bondpads vorgesehenen Flächen des Halbleiters offen liegen. Der zweite Fotolack ist ein Positivlack, d. h. die Löslichkeit der belichteten Stellen wird erhöht.
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2 zeigt das Ergebnis von Schritt 140 des Herstellungsprozesses. Die entstehende Vorrichtung weist ein Halbleitersubstrat 11 auf. Es ist eine erste strukturierte Fotolackschicht 24 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 11 aufgebracht. Die erste strukturierte Fotolackschicht 24 weist ein negatives Kantenprofil auf. Aufgrund des negativen Kantenprofils der ersten Fotolackschicht 24 weist die Diffusionsbarriere 22 an den Stellen, an denen sie direkt auf das Halbleitersubstrat 11 aufgebracht ist prozessbedingt schräge Kanten auf. Die metallische Schicht 23 ist auf der Diffusionsbarriereschicht 22 angeordnet und bedeckt sowohl die erste strukturierte Fotolackschicht 24 als auch die Diffusionsbarriereschicht 22 komplett, wodurch die erste Fotolackschicht 24 vor Lösungsmitteln, die bei weiteren Entwicklungsschritten oder Lackentfernungen während dem Herstellungsverfahren verwendet werden, geschützt ist. So können im weiteren Verfahren Fotolacke entfernt werden werden ohne dass die erste Fotolackschicht 24 abgelöst wird, solange sie durch die metallische Schicht 23 geschützt ist. Das Ablösen der ersten Fotolackschicht 24 erfolgt am Ende des Herstellungsverfahrens. Somit schützt die erste Fotolackschicht 24 während des gesamten Herstellungsprozesses die Oberfläche des Halbleitersubstrats 11 vor Verunreinigungen, die während des Herstellungsverfahrens durch weitere Lift-off und Ätzprozesse als Zwischenprodukte entstehen und sich auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 11 ablagern können.
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3 zeigt eine Vorrichtung 10, die mit dem in 1 beschriebenen Verfahren hergestellt wird. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Halbleitersubstrat 11, beispielsweise Silizium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid oder Galliumnitrid. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 11 ist mindestens eine Diffusionsbarriere 12 angeordnet. Auf der Diffusionsbarriere 12 ist eine metallische Schicht aufgebracht, die ein Bondpad 13 darstellt. Das Bondpad 13 kann dabei bündig mit der Diffusionsbarriere 12 abschließen oder am Fuss des Bondpads 13 ein schmäleres Profil aufweisen als die Diffusionsbarriere 12, beispielsweise ein stufenförmiges Profil durch Unterätzung. Das Bondpad 13 umfasst dabei Kupfer, Aluminium-Kupferschichten, Nickelschichten, Wolframschichten oder Goldschichten. Das Bondpad 13 weist dabei vorzugsweise eine Fläche größer als einen Quadratmillimeter auf. Die Fläche der Diffusionsbarriere kann geringfügig größer sein als die Fläche des Bondpads 13. Die Höhe des Bondpads 13 inklusive Diffusionsbarriere 12 ist vorzugsweise größer als 1 μm. Das Bondpad 13 ist sowohl zur galvanischen Kontaktierung mit einem Substrat wie beispielsweise einer Leiterplatte, DBC, LTCC oder Keramiksubstrat als auch zur elektrischen Kontaktierung mittels Ultraschallverschweißen mit einem Draht oder Bändchen beispielsweise aus Kupfer geeignet. Durch eine Kontaktierung des erfindungsgemäßen Bondpads 13 mit einem Kupferdrähtchen im Gegensatz zur Kontaktierung mittels eines Aluminiumbondpads wird der Materialermüdung des elektrischen Kontakts vorgebeugt. Die Lebensdauer des elektrischen Kontakts wird durch die höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit, der höheren Streckgrenze und der höheren Elektromigrationsresistenz von Kupfer gegenüber Aluminium deutlich erhöht. Optional kann sich zwischen dem Halbleitersubstrat 11 und der Diffusionsbarriere 12 eine Kontaktschicht befinden, wodurch die Diffusionsbarriere 12 besser auf dem Halbleitersubstrat 11 haftet. Optional befindet sich zwischen der Diffusionsbarriere 12 und dem Bondpad 13 eine Haftvermittlerschicht, wodurch das Bondpad 13 besser an der Diffusionsbarriere 12 haftet.
