DE19532251A1

DE19532251A1 - Anordnung und Verfahren zum Diffusionslöten

Info

Publication number: DE19532251A1
Application number: DE19532251A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Ing Wilde; Rainer Prof Dr I Schmid-Fetzer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 1997-03-06

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Diffusionslöten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Erzeugung von temperaturstabilen Verbindungen und Kontaktierungen durch isotherme Erstarrung.

Das Verfahren dient insbesondere zur Montage von Halbleiter-Chips auf Substraten, zum Verbinden von "Wafern" während der Halbleiterstel lung, sowie zur Kontaktierung von elektronischen Bauelementen und Schaltungen.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der deutschen Anmeldung P 42 41 439 A1 bekannt. In dieser Anmeldung wird ein Verfahren zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung zwischen metallischen Ver bindern und metallischen Kontakten von Halbleiteroberflächen beschrie ben. Die Verbinder dienen insbesondere der Parallelschaltung von Solarzellen mit Hilfe von Solarzellenkontakten. Zwischen einem Verbinder und einem Kontakt wird eine Zwischenschicht aus einem gegenüber dem Verbinder und metallischen Kontakt niedrigschmelzenden Metall ange ordnet und auf bzw. über die Schmelztemperatur erwärmt. Dabei ist darauf zu achten, daß die flüssige Zwischenschicht die Fügeoberflächen von Verbinder und Kontakt benetzt. Die flüssige Zwischenschicht dif fundiert in den Verbinder und den Kontakt und bildet eine intermetallische Phase mit dem Material der Zwischenschicht und den Materialien des zu fügenden Verbinders und Kontaktes. Dabei wird durch die Erstarrung während eines vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruckverlaufes die formschlüssige Verbindung zwischen Verbinder und Kontakt hergestellt, deren Schmelztemperatur höher ist, als die der ursprünglichen Zwischenschicht.

In dieser Schrift sind als konkrete Kombinationen nur In-Au und Sn-Ag angegeben, die als intermetallische Verbindungen Schmelzpunkte unter halb von 500°C aufweisen.

Es ist außerdem bekannt, Halbleiterbauelemente durch Löt- oder Kleb verfahren zu montieren oder zu kontaktieren. Während es bei derarti gen, durch Löten hergestellten Verbindungen von Nachteil ist, daß diese keiner hohen Temperaturbelastung und nur relativ wenigen Temperaturwechseln ausgesetzt werden können, ist es bei geklebten Verbindungen nachteilig, daß diese nur eine begrenzte Wärmeleit fähigkeit sowie eine relativ geringe Feuchtbeständigkeit aufweisen.

Aus der britischen Patentanmeldung GB 235 642 A ist bekannt, Silizium scheiben an eine Unterlage aus Mo oder W oder Fe-Ni durch Diffusions löten mit Hi = Ag und Lo = In oder Sn und einen möglichen Zusatz von Ga zu verbinden.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 43 03 790 A1 wird für das Diffusionslöten als hochschmelzende Komponente (Hi) Ag, Au, Cu, Co, Fe, Mn, Ni, Pd, Pt, Ir, Os, Re, Rh oder Ru und für die niedrigschmelzende Komponente (Lo) Bi, Cd, Ga, In, Pb, Sn oder Zn und speziell Hi = Ag oder Au und Lo = Sn oder In gewählt. Die laterale Strukturierung der Lo-Schicht war vorgesehen und ebenfalls eine dünne Diffusionsbarriere zwischen Hi und Lo um bei der Lagerung eine erhöhte Lebensdauer zu erzielen.

Aus der europ. Patentanmeldung EP 0 365 807 ist das Bonden elektroni scher Komponenten an gedruckte Leiterplatten durch Diffusions-Hartlö ten im Pb-Sn-System unterhalb des Schmelzpunktes von Sn bei 183,5-210°C bekannt. Außerdem ist aus der Veröffentlichung von G. Izuta et al: "Development of Transient Liquid Phase Soldering Process for LSI Die-Bonding" Proc. 43rd Electronic Components and Technology Conf., IEEE, June 1993, Orlando, 1012-1016 (1993) bekannt, Leistungsbau elemente mit Leiterplatten zu verbinden. Das Verbinden bei der nied rigen Temperatur von 187°C reduziert die mechanischen Bean spruchungen um mehr als die Hälfte verglichen mit konventionellen Verbindungsverfahren. Die Wiederaufschmelztemperatur der Verbindung wächst bis über 247°C nach Wärmebehandeln der Verbindung für 12 Stunden bei 187°C, was einen zusätzlichen Vorteil der isothermen Erstarrung darstellt.

Die isotherme Erstarrung beinhaltet Verbindungsprozesse, welche einige Verteile der konventionellen Löt- oder Hartlötverfahren mit dem Verfah ren des Diffusionsverbindens (diffusionsbonding) gemeinsam haben. Das Diffusionsbindungsverfahren ist in der Veröffentlichung von D.M. Jacob son und G. Humpston in: "Diffusion Soldering", Soldering Surface Mount Technol. 10 (2), 27-32 (1992) beschrieben.

Eine mögliche Anwendung stellt das Amalgamlöten dar. Die verschie denen Anwendungsbeispiele wie das Befestigen, hermetische Abschließen, Flip-Chip-Befestigen, das Befestigen von Chips auf Glas usw. sind aus der Veröffentlichung von C.A. Mac Cay: "Amalgams for Improved Elec tronics Interconection", IEEE Micro, (4), 46-58 (1993) bekannt. Experi mentelle Daten für amalgamgelötete Verbindungen mit Hi = Ag, Cu, Ni und Lo = Ga sind dort aufgeführt. Diese Materialkombinationen er schöpfen aber keineswegs die thermische Stabilitätsgrenzen anderer Hi- Ga-Kombinationen, wie man aus Tabelle 1 ersieht.

Isotherme Erstarrung kann zur Bildung sehr fester Verbindungen bei relativ niedriger Temperatur eingesetzt werden, wobei diese Verbindun gen sehr viel höhere Temperaturen aushalten. Das zugrunde liegende Prinzip dieses Verbindungsprozesses besteht darin, daß eine Zwischen schicht aus einem niedrigschmelzenden Metall Lo als Folie oder dünne Beschichtung zwischen den hochschmelzenden Komponenten Hi angeord net ist. Diese Anordnung wird unter geringem Druck bis zur Verbin dungstemperatur T_B erwärmt, wobei sich eine flüssige Zwischenschicht bildet. Dabei kann entweder der Schmelzpunkt der Schicht Lo über schritten sein oder es findet eine eutektische Reaktion zwischen den Komponenten Lo und Hi statt. Die geschmolzene Zwischenschicht führt zu einer schnellen Interdiffusion oder Reaktionsdiffusion zwischen Lo und Hi. Die folgende Annäherung an den Gleichgewichtszustand resul tiert in einer isothermen Erstarrung.

Die festen Phasen, die sich bei T_B im Verbindungsgebiet bilden, zeigen bei entsprechender Auswahl der Materialien für Lo und Hi eine Aufschmelztemperatur oberhalb von T_B, wobei durch die in der Erfin dung aufgeführten Materialkombinationen bestimmte zusätzliche Vorteile erzielbar sind.

Die isotherme Erstarrung ist ein Verfahren mit folgenden Vorteilen: Es ermöglicht eine hohe thermische Stabilität der Verbindung mit einer sehr viel höheren Aufschmelztemperatur T_R der Verbindung als der ur sprünglichen Verbindungstemperatur T_B, es toleriert einige Oberflächenrauhigkeiten infolge des vorübergehenden Auftretens einer flüssigen Phase, es erfordert nur einen relativ kleinen Druck zur Ver bindung der Flächen (0,2 bis 5 MPa), und die Verbindungszeiten sind relativ kurz und in der Größenordnung von Minuten, wobei die sehr dünne Verbindungsschicht von typisch unter 10 µm sehr gute mechani sche Eigenschaften aufweist. Allerdings müssen die Oberflächen vorher einigermaßen eben sein. Die Verbindung läßt sich allerdings nach dem Erstarren im allgemeinen nicht wieder aufschmelzen, um beispielsweise Reparaturen vorzunehmen. Man wird also dieses Verbindungsverfahren überall dort einsetzen, wo hohe Umgebungstemperaturen den Einsatz der herkömmlichen Verbindungstechniken verhindern.

Das vorübergehende Auftreten einer flüssigen Phase bei relativ tiefen Temperaturen ist für eine gute flächige Verbindung wichtig und kann gleichzeitig thermische Spannungen vermeiden helfen, welche sonst bei Anwendung hoher Temperaturen in die Verbindung eingebracht werden könnten. Darüber hinaus hat die hohe thermische Stabilität der Verbin dung neue Möglichkeiten für die folgenden Fertigungsschritte zur Folge, welche nicht mehr in der Temperatur schrittweise abnehmen müßten.

Die bisher angegebenen Kombinationen einer Hi- und Lo-Verbindung ha ben aber den Nachteil, daß sie mit Komponenten für eine niedrige Fügetemperatur keine lange Lagerzeit vertragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Er zeugung einer zuverlässigen formschlüssigen Verbindung für metallische Oberflächen von Halbleiterkontakten zu schaffen, deren Komponenten zum Fügen nur auf relativ niedrige Temperaturen erhitzt werden müssen und die eine lange Lebensdauer bei hohen Temperaturen aufweist und eine große Anzahl von Temperaturwechseln übersteht, sowie eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des An spruchs 1 enthaltenen Verfahrensmerkmale gelöst.

Die zugrunde liegenden metallurgischen Tatsachen und die Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein schematisches binäres Phasendiagramm zur Demonstration des Prinzips des Diffusionslötens mittels Reaktionsdiffusion,

Fig. 2 ein schematisches binäres Phasendiagramm zur Demonstration des Prinzips des Diffusionshartlötens durch Interdiffusion,

Fig. 3 das Au-In-Phasendiagramm und die minimale Aufschmelz temperatur T_R,

Fig. 4 das Ag-In-Phasendiagramm und die minimale Aufschmelz temperatur T_R;

Fig. 5 ein schematisches Bild der Vielschichtenstruktur zum Herabsetzen der Verbindungstemperatur und

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Vielschichtenaufbaus zur Steige rung der Erstarrungsgeschwindigkeit mit Diffusionsbarriere.

Die verschiedenen Verbindungsprozesse, welche die isotherme Erstarrung benutzen, können in drei grundlegende Kategorien eingeteilt werden: Diffusionslöten, Diffusionshartlöten und Amalgamlöten.

Die zugrunde liegende metallurgischen Prinzipien sind am besten mit Hilfe eines schematischen binären Phasendiagramms der elementaren Komponenten Hi und Lo zu verstehen.

Die Grundlage des Diffusionslötens ist die Existenz wenigstens einer in termetallischen Komponente, welche als kongruente schmelzende Phase HiLo in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Zusammensetzung in dem Bereich des Systems, welcher von den Diffusionsprozessen während des Aufheizens betroffen ist, wird durch die relativen Anteile der Komponenten Hi und Lo gegeben. Diese durchschnittliche Zusammensetzung muß innerhalb des Bereichs des festen Zustandes bei T_B gewählt werden, welcher das Zweiphasenfeld Hi + HiLo in Fig. 1 darstellt. Geht man vom ursprünglichen Nichtgleich gewichtszustand des festen Hi + flüssigem Lo bei T_B aus, wird der Gleichgewichtszustand durch Reaktionsdiffusion und Wachstum der intermetallischen Phase HiLo an der Grenzfläche zwischen fester Phase Hi und der flüssigen Legierung L. Die isotherme Erstarrung wird durch Aufzehren der flüssigen Phase beendet. Die Aufschmelztemperatur T_R des Gesamtsystems wird durch die eutektische Schmelztemperatur der Phasen Hi + HiLo dargestellt, welche oberhalb von T_B liegt.

Die Gleichgewichtskonzentration des Gesamtsystems wird beispielhaft durch den schwarz ausgefüllten Kreis in der Mitte des Diagramms dargestellt.

Das Diffusionshartlöten erfordert es, daß die Zusammensetzung des Ge samtsystems innerhalb des Bereichs der festen Lösung der hochschmel zenden Komponente Hi liegt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Eine inter metallische Phase wird nicht benötigt. Die Verbindung wird wieder bei der Temperatur T_B eingeleitet, indem Lo schmilzt und sich etwas von der Hochtemperaturphase Hi in der flüssigen Legierung, des sogenann ten Füllers, löst. Die isotherme Erstarrung tritt dann notwendigerweise erst durch Hineindiffusion der Komponente Lo in die feste Lösung Hi ein. In diesem Fall hängt die Wiederaufschmelztemperatur T_R sehr stark vom Grad der Homogenisierung der Verbindung innerhalb der erstarrten Zwischenlage ab. Der maximale Wert von T_R wird durch die Solidustem peratur des Gesamtsystems gegeben, wie in Fig. 2 angedeutet. Diese wird nach längerer Wärmebehandlung und Diffusion im festen Zustand erreicht. Es ist ebenso möglich, die Bindung unterhalb des Schmelzpunktes von Lo aber oberhalb der eutektischen Temperatur von ca. 550°C, wie in Fig. 2, zu erzielen. In diesem Fall beginnt die Flüssigkeit sich an der Berührungsfläche zwischen Hi und Lo infolge der eutektischen Reaktion zu bilden. Nach vollständiger Auflösung von Lo und Verbreiterung der flüssigen Zwischenschicht bis hin zu einem Maximum setzt sich der isotherme Erstarrungsvorgang fort, wie in Fig. 2 dargestellt.

Bei der dritten Variante, dem Amalgamlöten, werden ebenfalls mehrere isotherme Erstarrungsprozesse eine Rolle spielen. Das metallurgische Prinzip des Amalgamlötens ist genau dasselbe wie es in Fig. 1 für das Diffusionslöten erläutert wurde, jedoch ist die Geometrie nicht eine Schichtenstruktur sondern ein Pulver(Hi)-Flüssigkeit(Lo)-Gemisch. Dieses Amalgam muß in verteilter Form zwischen die zu vereinigenden Komponenten gegeben werden, was einen echten Dünnfilmprozeß aus schließt. Die Bezeichnung Amalgamlöten scheint hier angemessen, da der Prozeß typische Eigenschaften des Lötens wie Benetzung und die Bil dung intermetallischer Phasen beinhaltet. Die Ausdrücke Diffusionslöten und Diffusionshartlöten sind ebenfalls durch Ähnlichkeiten mit den me tallurgischen Prinzipien des Lötens und Hartlötens bedingt. Die Grenzen zwischen Diffusionslöten und Diffusionshartlöten sind fließend wie man am Diffusions"hartlöten" im Pb-Sn-System bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen von 183,5 bis 210°C oder 187°C sehen kann. Nach zwei Stunden Wärmebehandlung bei 187°C wächst die Aufschmelztemperatur bis über 247°C an.

Die Eigenschaften des Diffusionslötens erscheinen besonders für Anwen dungen im Bereich elektronischer Komponenten attraktiv, da die Kombi nation von typischen Niedrigtemperaturen für das Löten mit den Mög lichkeiten einer Dünnschichtpräparation des Verbindungssystems kombi nierbar sind. Die folgende Tabelle gibt eine zusammengefaßte Auflistung von veröffentlichten experimentellen Arbeiten. Ein Überblick über die bisher bekannten Materialsysteme für das Diffusionshartlöten zeigt, daß diese Studien nicht für elektronische Anwendungen gedacht sind.

Anhand der Tabelle 1 werden nun einige spezielle Punkte bezüglich der Reaktionsraten, der mechanischen Eigenschaften und des Drucks, bei dem die Verbindung stattfindet, sowie die Einzelheiten zur Herstellung dünner Schichten diskutiert.

Tabelle 1: Materialkombinationen für das Diffusionslöten

Die Reaktionsraten mit der flüssigen Phase nehmen in der Folge Au-In, Ag-In und Cu-In ab. Die Ni-Sn-Reaktion ist 1,5 bis 2mal langsamer als die Cu-Sn-Reaktion, wie sich anhand der Messung des Verbrauchs der Schmelze und der Wachstumsrate der intermetallischen Verbindungen herausgestellt hat. Die Cu-Sn-Verbindungen sind nach 30 Sekunden noch teilweise flüssig und nach 4 Minuten bei 280°C vollkommen durch Reaktion verfestigt.

Die niedrigschmelzende Komponente sind Sn-Schichten von 0,5 bis 2 µm Dicke, welche mit Elektronenstrahlverdampfung auf beiden Seiten des Kupfersubstrates aufgebracht wurden. Die Zerreißfestigkeit ("Zugfestigkeit") wächst bei solchen Proben von 16 auf 36 MPa. Die Zerreißfestigkeit der Ni-Sn-Verbindung erreicht einen konstanten Wert von 38 MPa nach einer Minute oder einer etwas längeren Abbindezeit.

Die Scherfestigkeit der Ag-In-Verbindung ist nach der Bildung der Ag₂In-Phase 62 MPa, welche wesentlich höher ist als die Stärke einer konventionellen Ag-In-Lötverbindung von ca. 8 MPa. Die gemessenen Scherspannungen von diffusionsgelöteten Verbindungen im Ag-Sn- System, welche die duktile Ag₃Sn-Phase enthalten, ist nahe bei 23 MPa, welches dem Wert für normalgelötete Ag-Sn-Verbindungen entspricht. Bei längerem Aufheizen jedoch nähert sich die Mikrostruktur der diffusionsgelöteten Verbindung der einer festen Lösung von Silber und man erwartet das Ansteigen der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert von 75 MPa. Als Fazit kann festgehalten werden, daß die mechanischen Eigenschaften von diffusionsgelöteten Verbindungen, die der konventionell gelöteten weit übertreffen und auch die Anforderungen in der Elektronikindustrie übererfüllen, wobei noch eine Reserve in Richtung Hochtemperaturstabilität vorhanden ist.

Die festgestellten Anpreßdrücke zwischen den Fügepartnern sind nor malerweise niedrig und liegen in der Gegend von 0,2 bis 3 MPa. Die be rechnete Volumenschrumpfung während der Bildung der intermetallischen Phasen beträgt 12% für Ni-Sn und nur 0,7% für Cu- Sn, wobei Poren gelegentlich bei der Ni-Sn-Verbindung beobachtet wurden. Die Poren konnten durch Anwendung größerer Drücke nicht vermieden werden, da oberhalb von 0,3 MPa das flüssige Zinn aus der Verbindungsregion weggedrückt wird. Die Verbindungen werden vorzugsweise in reduzierender Gasatmosphäre durchgeführt. Man verwendet auch Vakuum, Inertgase oder Luft. Die Oxidation der aufgebrachten Schichten der Verbindungskomponenten kann während der Lagerung Probleme hervorrufen. Eine zusätzliche Oxidation während der Verbindung kann beim Bonden durch eine Luftschicht zwischen ungenügend planen Verbindungsflächen hervorgerufen werden. Eine Oxidhaut auf der niedrigschmelzenden Komponente oder eine Oxidschicht an der freien Oberfläche der hochschmelzenden Komponente kann schließlich die Benetzung verhindern, womit die Verbindung nicht zu stande kommt.

Es hat sich herausgestellt, daß die Präparation dünner Schichten der Lo-Komponente ein entscheidender Schritt ist. Gesputtertes Zinn bildet Inseln auf der Kupferschicht, welche nicht besonders gut für das Diffusionslöten geeignet sind.

Galvanisch aufgebrachte (elektroplattierte) Sn-Schichten von 3 µm Dicke können benutzt werden, obwohl sie teilweise porös aufwachsen. Am besten scheinen noch elektronenstrahlverdampfte Sn-Schichten von 0,5 bis 2 µm Schichtdicke zu sein. Eine kompliziertere Struktur beinhaltet eine Goldschutzschicht auf der In-Schicht. Diese Oxidationsschutzschicht ermöglicht die Handhabung und Lagerung in Luft.

Um die Tabelle 1 auf eine kurze Form zu bringen, kann man sagen, daß die Materialkombinationen Ag, Au, Cu oder Ni als Hi-Komponente mit In oder Sn als Lo-Komponente bereits sehr ausgiebig untersucht worden und damit Stand der Technik sind, wobei Fe und Hg nur Sonderfälle darstellen. Mechanische Festigkeit und thermische Stabilität der Verbin dungen können extrem hoch sein. Die Systeme, die in der Literatur favorisiert werden, sind Ag-Sn, Au-In, Cu-Sn und Ni-Sn.

Im folgenden wird ein zusammenfassender Überblick über die Auswahl kriterien für die bekannten Materialkombinationen (Ag, Au)-In gegeben, mit Gold und Silber als hochschmelzende und Indium als niedrigschmel zende Metalle. Es ist ein großer Vorteil des Verfahrens, daß die Lo- Komponente separat von der Hi-Komponente beinahe unabhängig gewählt wird. Das liegt daran, daß die Bindetemperatur gewöhnlich durch den Schmelzpunkt der Lo-Komponente begrenzt wird und nicht wie beim ge wöhnlichen Löten durch eine eutektische Reaktion mit einer anderen Komponente. Deshalb ist es sehr leicht, alle niedrigschmelzenden Metalle anzugeben, die für eine vorgewählte Fügetemperatur in Frage kommen.

Indium, Zinn und Wismuth sind passende Kandidaten für das Diffusions löten, wobei Gallium der prominenteste Kandidat für das Almalgamlöten ist, während es in der Form dünner Filme nur schwer zu handhaben ist. Quecksilber, Thallium, Kadmium oder Blei scheiden wegen ihrer Gif tigkeit aus. Das entscheidende Kriterium für eine erste Auswahl von Materialkombinationen Hi-Lo ist die minimale Aufschmelztemperatur T_R der Verbindung. Sie ist hier aus dem Hi-Lo-Phasendiagramm als die minimale solidus-eutektische oder peritektische Temperatur definiert, die in dem Verbindungsbereich zwischen reinem Hi und der ersten inter metallischen Phase auftritt, welche beim Diffusionslöten gebildet wird. Das wird anhand praktischer Beispiele, wie Au-In und Ag-In anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. Die erste intermetallische Phase im Au- In-System ist die AuIn₂-Verbindung, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Direkt nach dem Verbinden und der vollständigen Aufzehrung der indi umreichen Flüssigphase, werden praktisch nur die Phasen AuIn₂ und restliches Gold im metallographischen Schliffbild der Verbindung nach gewiesen. Dennoch ist die minimale Aufschmelztemperatur dieser Struk tur nicht der Schmelzpunkt von AuIn₂ bei 540,7°C. Das liegt daran, daß nach langsamem Heizen alle anderen intermetallischen Phasen eine Nichtgleichgewichtszone zwischen Au und AuIn₂ bilden. Diese Phasen können in ultradünnen Schichten vorhanden sein, welche dem Nachweis entgehen. Diese Phasen bilden evtl. die niedrigste eutektische Zusam mensetzung und werden zuerst flüssig und verursachen daher das Aufschmelzen der Verbindung. Diese sind Gamma und Psi bei T_R = 454°C, wie in Fig. 3 dargestellt. Diese Betrachtung wird experimentell durch die gemessene Temperatur der Auflösung der mechanischen Verbindung bei 459 ± 5°C bestätigt.

Das zweite wichtige Beispiel ist das Ag-In-System nach Fig. 4. Die erste intermetallische Phase, welche nach Diffusionslöten etwas oberhalb des Indiumschmelzpunktes gebildet wird, ist AgIn₂. Diese Phase zerfällt in einer peritektischen Reaktion bei nur 166°C in L + Gamma, welche den theoretischen Wert von T_R darstellt. Jedoch bildet sich durch Diffusionslöten oberhalb von 166°C, etwa bei 175°C, die Gammaphase (Ag₂In) direkt aus der Schmelze als homogene Schicht, welche sogar nach ausgedehnten Lagerungszeiten bei 200°C stabil ist. Diese Phase transformiert sich bei 281°C in die Zetaphase (Ag₃In).

Obwohl das Aufschmelzen dieser Phase nach Fig. 4 bei 660°C erwartet wird, bleibt die Verbindung bis über 900°C stabil. Das liegt wahr scheinlich an der beschleunigten Festkörperdiffusion von Indium wäh rend des Aufheizens der Probe und während der Transformation der intermetallischen Phasen in die feste Lösung (von Ag). Das Ag-In- System ist ein weiteres Beispiel für die fließenden Grenzen zwischen Diffusionslöten (Bildung intermetallischer Verbindungen) und Diffusionshartlöten (wobei eine feste Lösung gebildet wird), wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der grundlegende Unterschied zwischen eutektischen Reaktionen wie in Au-In und Systemen, welche durch peritektische Reaktionen wie Ag-In charakterisiert sind, ist der, daß die letztere eine einfache Erhöhung der Aufschmelztemperatur ermöglicht, indem bei höherer Temperatur gebondet wird. Dieser fundamentale Unterschied ist wichtig für die Interpretation der Berechnung der minimalen Aufschmelztemperatur, welche in Tabelle 2 wiedergegeben ist. Diese Aufstellung ist insofern umfassend, als sie außer den für das Löten bisher verwendeten hochschmelzenden Metalle (Cu, Ag, Au, Ni) auch die erfindungsgemäßen Übergangsmetalle der Gruppe IV b (Ti, Zr, Hf) bis zur Gruppe VIII b und zusätzlich die rele vanten Elemente Al, Si und Ge erfaßt. Diese sind mit passen den Lo-Kom ponenten kombinierbar.

Für eine große Zahl von Kombinationen, welche mit dem Begriff eutektisch gekennzeichnet sind, gibt es keine intermetallischen Phasen. Sie sind also unbrauchbar für Diffusions- oder Amalgamlöten. Sie sind ebenfalls unbrauchbar für das Diffusionslöten in Bezug auf die sehr geringe Breite des Bereichs der festen Lösung des meist degenerierten eutektischen Systems. Die Hi-Elemente, welche definitiv keine Verbindungen mittels der isothermen Erstarrung für irgendeine Kombi nation zulassen, sind Aluminium, Silizium und Germanium.

Sehr vielversprechende und als Grundlage der Erfindung bevorzugte Kombinationen sind in Tabelle 2 hervorgehoben. Nicht nur daß T_R wesentlich über die mögliche Bindetemperatur für diese Kombinationen erhöht ist, wird die Löslichkeit und die Mischbarkeit bei höheren Temperaturen noch besonders begünstigt. Es geht daraus hervor, daß Gallium und Zinn die vielseitigsten Lo-Elemente mit der höchsten Zahl der hervorgehobenen Einträge in Tabelle 2 sind.

Tabelle 2

Minimale Wiederaufschmelztemperatur T_R in °C von Hi-Lo-Materialkombinationen (Lo = Ga, In, Sn und Bi). Bevorzugte Kombinationen sind hervorgehoben

Indium hat seine speziellen Vorteile für ausgewählte Hi-Elemente wie Au, Mn, Pd und Pt. Wismuth paßt oft nicht, es hat die höchste Zahl von Einträgen mit der Bezeichnung eutektisch.

Darüber hinaus gibt es keine hervorgehobene Kombination, bei der Wismuth nicht vorteilhaft durch Ga, In oder Sn ersetzt werden könnte. Es ist daraus zu schließen, daß weitere Anwendungen sich auf Gallium als Mittel zum Amalgamlöten beziehen werden, sowie auf Indium und Zinn für das Diffusionslöten. Sieht man sich die Hi-Elemente an, so sind alle Metalle der ersten Nebengruppe (Cu, Ag, Au) bindungsfähig, ebenso die Metalle der letzten Reihe der achten Nebengruppe (Ni, Pd, Pt) mit sogar höheren Werten von T_R. Außerordentlich hohe Werte von T_R können mit den übergangsmetallen der vierten Nebengruppe (Ti, Zr, Hf) erreicht werden. Spitzenwerte sind 1530°C (Hf-Sn) und 1475°C (Ti-Sn). Sehr vielversprechende Systeme für elektronische Anwendungen beinhalten diese Metalle im Hinblick auf Oxidations- oder Kor rosionswiderstand: Ag-Sn, Au-In, Cu-Sn, Ni-Sn, Ni-In, Pd-In, Pt-In, Pt- Sn. In der Literatur werden nur Systeme mit Ag, Au, Cu und Ni behandelt.

Sehr interessant für neue Anwendungen sind die Systeme mit Titan und Molybdän (möglicherweise ebenfalls Zr und Hf) in Anbetracht ihrer Verwendung in Hochtemperatur-Prozeßschritten bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, nämlich Ti-Sn und Mo-Sn.

Im folgenden werden einige allgemeine Grundlagen der Erfindung, nämlich die Kriterien für die Auswahl von zwei Lo-Komponenten erläutert, die für den Lötprozeß kombiniert werden.

Der Zusatz eines dritten Elements zu den Diffusionslötsystemen eröffnet einen neuen Freiheitsgrad, der dazu benutzt werden kann, zusätzliche Vorteile zu erzielen. Solche zusätzlichen Vorteile sind mit der Einführung von Schutzschichten und Haftschichten verbunden. Der Einfluß eines dritten Elements kann allerdings durch die Wechselwirkung mit einem unerwünschten Element, beispielsweise Aluminium von einer Metallisierungsschicht, aufgehoben werden.

Das Phasendiagramm ist ein Schlüsselwerkzeug für das Verständnis die ser Aspekte und die Entwicklung jedes isothermen Erstarrungsprozes ses. Während das binäre Phasendiagramm für alle relevanten Kombinationen bekannt ist, ist dies für die ternären Diagramme nicht der Fall. Eine gewisse Ausnahme bilden die ternären Systeme einerseits mit Gold und andererseits mit Silber.

Besonderes Augenmerk wird hier auf ausgewählte Au-In-Metallsysteme gelegt, da experimentelle Daten darauf hinweisen, daß schon das binäre Au-In-System eine vielversprechende Grundlage für die Verbindung empfindlicher elektronischer Komponenten darstellt.

Das interessanteste ternäre Legierungselement für das Au-In-M-System ist das Metall M = Sn. Diese Auswahl ist bereits durch die Kombinatio nen in der Liste der vielversprechendsten binären Systeme angedeutet. Das dritte Element wirkt als zusätzliche Lo-Komponente. Aufgrund der Phasendiagramme kann man Überlegungen anstellen, in welcher Weise die Erkenntnisse des binären Phasendiagrammes modifiziert in ternäre Systeme übertragen werden können, um entsprechende Voraussagen treffen zu können. Da die entsprechenden ternären Phasendiagramme jedoch nicht genau genug bekannt sind, muß man sich bei der Auswahl geeigneter Kombinationen oft auf einen glücklichen Griff verlassen.

Ein Dreistoffsystem wird in der Ausführung durch eine Dreischichten anordnung repräsentiert. Der zusätzliche Aufwand, ein vielschichtiges System für das Diffusionslöten zu schaffen, kann nur durch spezielle Vorteile wie die Erniedrigung der Fügetemperatur gerechtfertigt werden. Zu den drei Basismetallen kommt im allgemeinen noch eine Reihe von Hilfsschichten hinzu, die als Diffusionssperre oder Korrosionsschutz oder aber der besseren Haftung dienen.

Korrosionsschutzschichten bestehen aus einem Edelmetall (vorzugsweise Gold) und können oberhalb der Lo-Komponente (und natürlich auch der Hi-Komponente) angebracht werden, um die Oxidation der aktiven Oberflächen zu verhindern. Oxidierte Oberflächen verhindern die Benetzung wenn sie nicht mechanisch zerstört werden. Durch eine angepaßte Bedeckung können die empfindlichen Schichten vor dem Bonden längere Zeit gelagert werden.

In vielen Applikationen der Hi- und/oder Lo-Komponenten werden diese auf die zu verbindenden Teile wie Halbleiterchip und Substrat aufgebracht. Dazu sind oft Adhäsionsschichten notwendig und können in den Bindungsprozeß einbezogen werden.

Außerdem werden Diffusionsbarrieren zur Verhinderung der Interdiffusion der aktiven Bestandteile benötigt. Ohne diese würden die Komponenten vor der Verwendung vorzeitig reagieren. Außerdem können diese Barrieren dazu benutzt werden, die Diffusion störender Elemente von der Verbindungszone in aktive Halbleiterregionen zu unterbinden. Das Herabsetzen der Erstarrungszeit - das ist die Minimalabbindungs zeit - kann ein wichtiges Ziel zur Verbesserung der Durchlaufzeit im Verfahren sein. Dies kann man natürlich dadurch erreichen, daß die Hi- Lo-Kombination so gewählt wird, daß die intermetallische Phase eine höhere Wachstumsrate besitzt oder indem man die Abbindetemperatur erhöht. Dies ist aber nicht immer anwendbar und ein praktischer Weg ist die Erniedrigung der aktiven Schichtdicke. Da die Wachstumsraten in diesen Systemen oft einem parabolischen Wachstumsgesetz folgen, ergibt das Herabsetzen der Schichtdicke der aktiven Lo-Komponente um den Faktor 1/2 eine Reduktion der Erstarrungszeit um den Faktor 1/4. Da ein unterer Grenzwert für die aktive Schichtdicke durch die Oberflächenrauhigkeit oder die Krümmung der zu fügenden Teile gegeben ist, kann man sich damit behelfen, die aktive Schicht über benachbarte oder sich mehrfach wiederholende Schichten zu verteilen.

Die Temperatur zur Herstellung der Verbindung wird nach der Erfin dung dadurch reduziert werden, daß man Schichten von 2 oder mehre ren Lo-Komponenten kombiniert. So bilden Sn, In und Ga eutektische Systeme mit einem entsprechenden Liquid us-Temperaturabfall. Selbst wenn die Verbindung bei der selben Temperatur wie für die einfache Lo-Komponente hergestellt wird, ist der größere relative Überhitzungs effekt der flüssigen Legierung für die Reaktionskinetik günstig.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Indium-Zinn ist ein passendes System, wenn beim Diffusionslöten an eine Edelmetallbeschichtung eine reduzierte Abbindungstemperatur erforderlich ist. Gallium und Wismuthzusätze sind weniger vielverspre chend. Das liegt daran, daß Galliumzusätze Handlingprobleme bei Dünn filmstrukturen verursachen und Wismuth nicht für die Verbindung mit Edelmetallen in Frage kommt.

Für die Verbindung eines Si-Chips 1 mit einem Substrat 2 wird eine Vielschichtstruktur mit Indium und Zinn auf dem Si-Chip 1 vorgeschlagen, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei eine hochschmelzende Schicht 5 auf dem Substrat 2 vorgesehen ist. Die An ordnung einer dünnen Schicht 4 aus Zinn an der Oberfläche bedeutet einen zusätzlichen Vorteil bezüglich des Oxidationswiderstandes, da SnO₂ ein weniger stabiles Oxid als In₂O₃ ist. Quantitative Daten über ein mögliches Langzeitverhalten sind allgemein nicht angebbar, da die Dichte und Morphologie der Oxidschicht eine Rolle spielen. Eine dünne Goldbedeckung auf der Sn-Oberfläche kann die Lebensdauer der gelagerten Schichten verlängern und das Benetzen beim Löten entscheidend verbessern. Zwei Titanschichten 6 und 7 sind als Diffusionssperre vorgesehen.

Eine zusätzliche dünne - beispielsweise 0,1 µm dicke - Goldzwischen schicht 8 zwischen Indium und Titan kann dazu eingesetzt werden, die Einheitlichkeit und Fähigkeit zur Adhäsion der Indiumschicht 3 während der Herstellung dieser Schicht zu verbessern. Die Indiumschicht ist nicht einfach herzustellen. Die optionale 0,1 µm Goldschicht 8 reagiert unmittelbar mit In während der Abscheidung und bildet eine stark gebundene Schichtstruktur.

Vorgeschlagen werden Schichtdicken von 1,5 µm Indium und 0,5 µm Zinn. Das entspricht 25 Gew.-% Zinn und 75 Gew.-% Indium und einer Liquidustemperatur von 135°C. Ein kleinerer Zinngehalt bedeutet eine wachsende Liquidustemperatur. Ein höherer Zinngehalt ist nicht wünschenswert.

Durch die Bildung der intermetallischen Verbindungen zwischen Indium und beispielsweise einer Schicht 5 aus Gold werden die niedrigschmelzenden "Lote" Indium und Zinn verbraucht. Die Wiederaufschmelztemperatur liegt bei 400°C.

Beispiel 2

Eine andere Möglichkeit, um die vorzeitige Reaktion zu verhindern, ist die, eine Diffusionsbarriere 12 aus einem Element X = Lo1 zwischen einer Schicht 11 aus Indium = Lo2 und Hi′ anzubringen, wie in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Falle kann Hi′ beispielsweise Gold sein. Andere Möglichkeiten für Elemente, welche in der Tabelle 2 aufgezählt sind, sind durchaus denkbar. Eine begrenzte Reaktion im festen Zustand zwischen Indium und X oder Hi′ und X ist tolerierbar. Eine bedeutende Anforderung an die Diffusionsbarriere X ist die, daß sie sich während des Bondens opfern muß, um die Reaktion zwischen flüssigem Indium und Hi zu ermöglichen. Das ist sicherlich der Fall für X = Sn. Die Vorzüge dieser Technik ergeben sich daraus, daß das Massenverhältnis Sn zu In auf den Wert 23 : 77 begrenzt wird oder daß die Schichtdicke unterhalb eines Verhältnisses von 0,6 µm Sn zu 2 µm In begrenzt wird. Das ist in Fig. 6 dargestellt. Die Fähigkeit von Zinn (Sn) als effektive Diffusionsbarriere gegen eine vorzeitige Reaktion zwischen Gold und In dium zu wirken, konnte experimentell verifiziert werden. Ein System mit X = Sn und Hi′= Hi = Au ist sehr vielversprechend. Diese Technik kann aber mit allen Metallen durchgeführt werden, die nach Tabelle 2 intermetallische Verbindungen sowohl mit Indium als auch mit Zinn eingehen. Die Indiumschicht 11 wird üblicherweise mit einer dünnen Goldschicht 15 überzogen.

Eine der wenigen Anwendungen der isothermen Erstarrung betrifft die Befestigung von Leistungshalbleitern auf Substraten, die als Wärmesenke vorgesehen sind. Hier gibt es Schwierigkeiten mit großflächigen Bauelementen oberhalb von 75 mm Durchmesser. Es konnte zwar bereits gezeigt werden, daß eine erfolgreiche Lösung durch Diffusionslöten mit Systemen wie Ag-Sn oder Ag-In erzielt werden kann, die Wiederaufschmelzungstemperatur dieser Lote ist aber noch zu niedrig und begrenzt vor allem die maximal möglichen Prozeßtemperaturen bei der Weiterverableitung der Chips.

Die Durchführung der Diffusionslötung mit den nach der Erfindung be vorzugten Materialien findet im allgemeinen in einem Vakuumofen statt. Metallisierte Halbleiter (vorzugsweise Si oder SiC) werden mit anderen metallisierten Halbleitern (vorzugsweise Si oder SiC) oder mit einem metallisiertes Substrat (Keramiken wie Al₂O₃, AlN, SiC oder Metalle wie Mo, W, Cu, Fe-Ni) verbunden. Die Metallisierungen enthalten eine Hi- Komponente und zwei oder mehrere Lo-Komponenten und zusätzlich mögliche Adhäsionsvermittler und Schutzschichten. Die Verbindung mit tels Diffusionslöten erweist sich zusammen mit einer guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit als thermisch sehr stabil und mechanisch sehr zuverlässig.

Zur Durchführung des Verfahrens ist folgendes zu beachten:

- Physikalisch werden die Hauptkörper der Hi- und der beiden Lo- Schichten separiert, wie in Fig. 5 dargestellt.
Eine vorzeitige Reaktion der aktiven Lo-Schichten wird dadurch vermieden, sogar ohne Diffusionsbarriere. Die angegebenen Schichtdicken können durchaus variiert werden und eine schüt zende Goldbedeckung auf Indium kann durch eine Schutzschicht aus Zinn ersetzt werden.
- Die Hi-Komponente und die Lo-Komponenten sind aus Tabelle 2 zu entnehmen, welche auf einer sorgfältigen und vollständigen metallurgischen Untersuchung beruht. Die Hi-Komponente wird so ausgewählt, daß sie temperaturstabile Verbindungen mit In und Sn eingeht. Zwei bevorzugte Ausführungsformen sind Ti oder Zr.
- Um die Verfestigungsrate zu beschleunigen, werden Vielschicht strukturen vorgeschlagen, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind. Die angegebenen Schichtdicken sind lediglich beispielhaft und es können auch Silberschutzschichten verwendet werden. Viel schichtstrukturen können auch zur Erniedrigung der Verbin dungstemperatur verwendet werden, wie in Fig. 5 dargestellt.

Die sogenannte Flip-Chip-Verbindung von Halbleitern für die Befestigung und die örtliche elektrische Verbindung in einem Schritt wird durch eine vorgegebene Anordnung von Verbindungen hergestellt. Die vorerwähnten Vorschläge gelten auch für diese Technologie, wenn die entsprechenden lateralen Strukturen der Metallisierung vorher durchgeführt wurden. Zur selbstjustierenden Verbindung werden in üblicher Weise kuppenartige Strukturen verwendet. Dazu wird die Hi- Komponente oder aber die zugrunde liegende Metallisierung, welche nicht an dem Diffusionslötprozeß teilnimmt, mit größerer Schichtdicke hergestellt.

Claims

1. Anordnung zum Diffusionslöten eines ersten mit einem zweiten Körper, wobei ein Körper mit einem hochschmelzenden Metall (Hi) beschichtet ist und zwischen dem ersten und zweiten Körper eine Zwischenschicht aus niedrigschmelzendem Metall (Lo) angeordnet ist, wobei die höherschmelzende Schicht (Hi) und die niedrig schmelzende Zwischenschicht (Lo) Flächen aufweisen, die unter einem vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruck fügbar sind, wobei die flüssige Zwischenschicht (Lo) die Fügeoberflächen be netzt, und dabei eine intermetallische Phase vom Material der niedrigschmelzenden Zwischenschicht (Lo) und der höherschmel zenden Schicht (Hi) bildet, die eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Oberflächen ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (1) und zweite Körper (2) Substrat- bzw. Halblei terscheiben sind, daß als hochschmelzende Komponente auf dem ersten Körper (1) eine Schicht (Hi) aufgebracht ist, daß darauf eine erste (Lo1) und eine zweite niedrigschmelzende Schicht (Lo2) auf dem zweiten Körper (2) aufgebracht sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter der niedrigschmelzenden Schicht (3, 11) eine Schutz schicht (8, 12) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der niedrigschmelzenden Schicht (3, 11) eine Schutz schicht (4, 15) angeordnet ist.

4. Verfahren zum Diffusionslöten eines ersten mit einem zweiten Kör per, wobei ein Körper mit einem hochschmelzenden Metall (Hi) be schichtet wird und zwischen dem ersten und zweiten Körper eine Zwischenschicht aus niedrigschmelzendem Metall (Lo) angeordnet wird und danach die höherschmelzende Schicht (Hi) und die niedrigschmelzende Zwischenschicht (Lo) in Berührung gebracht und unter einem vorgegebenen Temperatur- und Anpreßdruck derart erwärmt werden, daß die Zwischenschicht (Lo) flüssig wird und die Fügeoberflächen benetzt, und dabei durch Diffusion der flüssigen Zwischenschicht in die höherschmelzende Schicht (Hi) eine intermetallische Phase vom Material der niedrigschmelzenden Zwischenschicht (Lo) und der höherschmelzenden Schicht (Hi) ge bildet wird, wobei die niedrigschmelzende Komponente durch Diffusion und Bildung einer neuen Komponente (Hi-Lo) verbraucht und durch die dabei ablaufende Erstarrung eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Oberflächen gebildet wird, und wobei nach Erstarren der geschmolzenen Schicht die neugebildete Phase einen wesentlich höheren Schmelzpunkt (T_R) aufweist als die niedrigschmelzende Komponente, mittels einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körper Substrat- (2) bzw. Halbleiterscheiben (1) sind, daß als hochschmelzende Komponente auf dem Substrat (2) eine Schicht (5, 13) abgeschieden wird und eine erste niedrig schmelzende Komponente als Schicht (3, 12) auf der Halbleiter scheibe (1) aufgebracht wird und daß eine zweite niedrigschmel zende Schicht (4, 11) auf der Halbleiterscheibe (1) abgeschieden wird und daß die hochschmelzende Schicht (5, 13) so dick ge wählt wird, daß die niedrigschmelzenden Schichten (3, 4, 11, 12) beim Fügen vollständig umgewandelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzende Komponenten (Lo1, Lo2) Metalle mit ei nem Schmelzpunkt unter 450°C wie Bi, Ga, In, Pb oder Sn verwen det werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als niedrigschmelzende Komponenten (Lo1, Lo2) Indium und Sn gemeinsam verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Körper zunächst eine Haftschicht für die nachfol gende Schicht abgeschieden wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf dem Substrat, als auch auf dem Halbleiter zunächst eine höherschmelzende Schicht (Hi) abgeschieden wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (Hi) aus einem der Metalle Ag, Au, Cu, Co, Fe, Hf, Mn, Mo, Nb, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, Ti, V oder Zr mit einer der niedrigschmelzenden Schichten (Lo1, Lo2) beschichtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine niedrigschmelzende Schicht (Lo) aus Indium besteht und auf einer hochschmelzenden Schicht (Hi) aus Mn, Pd, Pt, Ti oder Zr abgeschieden wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der niedrigschmelzenden Schicht (Lo = 3, 11) gegen Oxidation auf dieser eine Schicht (4, 15) aus einem Metall abgeschieden wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat und/oder der Halbleiterscheibe eine Diffusionsschutzschicht abgeschieden wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz- bzw. Diffusionssperrschicht (6, 7, 14) aus dem gleichen Material besteht wie die Schicht aus dem hochschmelzenden Material (Hi).

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den niedrigschmelzenden Metallschichten Indium und Zinn eine Schicht aus Titan oder Zirkonium abgeschieden wird.