DE19734434C1 - Halbleiterkörper mit Rückseitenmetallisierung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Halbleiterkörper mit Rückseitenmetallisierung und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Silizium bestehenden
Halbleiterkörper, der mit einer metallenen Trägerplatte über
eine Folge von Metallschichten verlötbar ist, und der vor dem Lö
ten ausgehend vom Silizium in Richtung zur Trägerplatte eine
Aluminiumschicht und eine Diffusionssperrschicht aufweist.
Solche Halbleiterkörper sind in Halbleiterbauelemente, insbe
sondere in Leistungshalbleiterbauelemente, eingebaut, die
sich in großer Zahl am Markt befinden. Die Folge von Metall
schichten enthält in der Regel eine Aluminiumschicht, die auf
einem Silizium-Halbleiterkörper sitzt. Die Aluminiumschicht
haftet gut auf Silizium und bildet insbesondere mit p-dotier
tem Silizium einen einwandfreien ohmschen Kontakt. Auf der
Aluminiumschicht sitzt nach dem Stand der Technik eine Diffu
sionssperrschicht, die zumeist aus Titan oder Chrom besteht
und als Haftvermittler und Rückseitenbarriere zwischen einer
auf der Diffusionssperrschicht sitzenden weiteren Metall
schicht, in der Regel einer Nickelschicht, und der Aluminium
schicht dient.
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffi
zienten zwischen den einzelnen Metallschichten einerseits und
dem Siliziumhalbleiterkörper andererseits werden starke me
chanische Spannungen verursacht. Insbesondere bei dünnen
Halbleiterkörpern, d. h. bei Halbleiterkörpern, die eine Dic
ke kleiner gleich 250 µm aufweisen, kommt es zu starken Wa
ferverbiegungen, d. h. zu Waferverbiegungen größer 1000 µm.
Dadurch ist das "handling" der Wafer erschwert, es kommt zu
vermehrten Kasetten-Positionierfehlern und es tritt vermehrt
eine Bruchgefahr beim Bearbeiten der Wafer auf.
Bisher wurde versucht diesem Problem dadurch abzuhelfen, daß
die Nickelschichtdicke möglichst minimiert wurde, so daß die
Lötung noch ausreichende Haftfestigkeit zeigte. Trotz redu
zierter Nickelschichtdicken, d. h. Schichtdicken von ungefähr
1 µm, treten aber dennoch im Fertigungsbetrieb weiterhin
Scheibenverbiegungen von 700 bis 2000 µm auf, die zu den
obengenannten Problemen führen.
Insbesondere im Hinblick auf den Wunsch nach immer dünneren
Halbleiterkörpern, d. h. Halbleiterkörpern die eine Dicke von
ungefähr 100 µm aufweisen, stellt es sich ein Bedürfnis nach
einem Metallisierungsprozeß ein, der den obengenannten Pro
blemen Abhilfe schafft. Solche Halbleiterkörper werden insbe
sondere bei Leistungsfeldeffekttransistoren und IGBT's in
Vertikalbauweise benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sili
zium-Halbleiterkörper derart zu metallisieren, daß die Schei
benverbiegungen deutlich reduziert werden, ohne dabei Einbu
ßen in der Haftfestigkeit auf den Trägermaterialien zu erlei
den.
Die DE 38 23 347 A1 beschreibt ein Halbleiterbauelement für
hohe Strombelastbarkeit mit einem Kontaktschichtenaufbau des
Halbleiterkörpers. Die Metallisierung besteht dabei aus einer
ersten Schicht aus Aluminium, einer zweiten Schicht aus Chrom
oder Titan als Haftschicht und als Diffusionsbarriere für das
Aluminium, einer lötfähigen dritten Schicht aus Nickel sowie
einer abschließenden Schutzschicht aus Gold oder Paladium
oder aber aus einer lötfähigen Schicht mit je einer Teil
schicht aus Nickel und Kupfer, wobei Kupfer gleichzeitig äu
ßerste Schicht ist oder auch noch mit Gold oder Paladium ab
gedeckt sein kann.
In den IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1986,
Vol. ED-33, No. 3, Seite 402-408 ist ein Silizium-Leistungs
transistor mit einer stufenförmigen Elektrodenstruktur und
einer Titannitriddiffusionsbarriere beschrieben. Die Titanni
trid-Diffusionssperrschicht ist zwischen einem Elektrodenan
schluß aus Gold und einem Siliziumsubstrat als Titan-Titan
nitrid-Titanschichtenfolge aufgetragen. Hierdurch wird eine
hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Verbindung erzielt
sowie eine Gold-Siliziumreaktion verhindert.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Diffusionssperr
schicht eine Titanschicht vorgesehen ist, in die eine Titan
nitridschicht eingebracht ist.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß durch den Einbau
einer Titannitridschicht in die als Diffusionssperrschicht
dienende Titanschicht ein Großteil der auftretenden Scheiben
verbiegungen kompensiert werden konnte.
Typischerweise wird auf die so prozessierte Diffusionssperr
schicht dann eine Nickelschicht aufgebracht, auf welche ent
weder unter Abscheidung einer Haftvermittlerschicht oder ohne
Haftvermittlerschicht eine Oxidationsschutzschicht, vorzugs
weise eine Silberschicht, aufgebracht ist.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung
wird auf die Titanschicht direkt eine Lotmaterialschicht, die
vorzugsweise aus Zinn oder Blei oder Gallium besteht, abge
schieden. Durch diese Vorgehensweise kann der Halbleiterkör
per direkt auf die Trägerplatte durch Erwärmen auf Temperatu
ren oberhalb von etwa 250°C unmittelbar mit dieser verlötet
werden, ohne daß eine separate Lotmaterialschicht mit einer
Nickelschicht verlötet werden muß. Das Zufügen von weiteren
Lötmitteln und Flußmitteln kann dann entfallen.
Die dadurch erzeugten Lotschichten sind nahezu spannungsfrei,
so daß es nur noch zu marginalen Substratverbiegungen kommt.
Der aus Silizium bestehende Halbleiterkörper gemäß der vor
liegenden Erfindung wird typischerweise mit dem folgenden
Verfahren hergestellt. Das Verfahren umfaßt
folgende Schritte:
- a) Auf den Halbleiterkörper wird eine Aluminiumschicht abge schieden;
- b) auf die Aluminiumschicht wird eine Titanschicht abgeschie den;
- c) auf die Titanschicht wird eine Titannitridschicht abge schieden;
- d) auf die Titannitridschicht wird wiederum eine Titanschicht abgeschieden.
Eine besonders gute Rückseitenmetallisierung wird erreicht,
indem auf den Halbleiterkörper zuerst eine dünne Aluminium
schicht aufgebracht wird und der so prozessierte Halbleiter
körper dann vorzugsweise bei ca. 350°C getempert wird. Nach
erfolgter Temperung wird auf die erste Aluminiumschicht eine
weitere Aluminiumschicht abgeschieden.
Durch das Zweiteilen des Aluminiumbeschichtungsprozesses und
der "in-situ-Temperung" des aluminiumbeschichteten Halblei
terkörpers wird die Wirkung der eingebauten Titanni
tridschicht in die Titanschicht besonders stabilisiert. Es
hat sich nämlich gezeigt, daß das Verlagern des Temper
schrittes vom Ende des Metallisierungsprozesses in den Alumi
niumbeschichtungsprozeß die günstigen Eigenschaften der Ti
tannitridschicht weitgehend erhält.
Würde der Temperschritt am Ende der Metallisierung ausgeführt
werden, so würde die günstige Eigenschaft der Titannitrid
schicht negativ beeinflußt werden, d. h. im schlimmsten Fall
würden ungefähr 50% der streßkompensierenden Eigenschaften
der Titannitridschicht verlorengehen.
Eine Beeinträchtigung des gesamten Metallisierungsprozesses
durch die Verlagerung des Temperschrittes vom Ende der Metal
lisierung zum Aluminiumbeschichtungsprozeß findet nicht
statt, da der Temperschritt lediglich dazu dient, eine beson
ders gute Kontaktierung zwischen Aluminium und Silizium her
zustellen.
Typischerweise werden sämtliche Metallschichten im
Verfahren aufgedampft.
Nach dem Ausführen des Verfahrensschrittes d) kann je nach
dem, welche Vorgehensweise gewünscht ist, auf die Titan
schicht eine Nickelschicht abgeschieden werden mit anschlie
ßender Abscheidung einer Oxidationsschutzschicht. Zwischen
die Abscheidung einer Oxidationsschutzschicht und der Nickel
schicht kann optional die Abscheidung einer Haftvermittler
schicht erfolgen, die ebenfalls wiederum aus Titan bestehen
kann.
In einer alternativen Ausführung wird jedoch direkt auf den
Verfahrensschritt d) das Aufbringen einer Lotmaterialschicht
aus Zinn, Blei oder Gallium erfolgen.
Sämtliche Metallschichten werden typischerweise aufgedampft.
In der Fig. 1 ist die Schichtfolge der Metalle vor dem Ver
löten gezeigt. Die Folge von Metallschichten enthält eine
Aluminiumschicht 3, die auf einem Silizium-Halbleiterkörper 1
aufgedampft ist. Die Aluminiumschicht 3 haftet gut auf dem
Silizium und bildet insbesondere mit p-dotiertem Silizium ei
nen einwandfreien ohmschen Kontakt. Die Aluminiumschicht 3
besteht aus einer ca. 30 nm dicken ersten Aluminiumschicht 3a
und einer zweiten ca. 70 nm dicken Aluminiumschicht 3b. Zwi
schen dem Abscheiden der Aluminiumschicht 3a und dem Abschei
den der Aluminiumschicht 3b wurde der beschichtete Silizium-
Halbleiterkörper 1 bei einer Temperatur von ungefähr 350°C
zwischen 10 Minuten und 90 Minuten getempert. Durch dieses
"in-situ-Tempern" des Silizium-Halbleiterkörpers 1 wird eine
besonders gute Haftung der Aluminiumschicht 3a auf dem Sili
zium erreicht.
Auf der Aluminiumschicht 3 sitzt eine Titanschicht 4, die als
Haftvermittler und Diffusionssperre zwischen einer auf der
Titanschicht 4 sitzenden Nickelschicht 6 und der Aluminium
schicht 3 dient.
Die Titanschicht 4 besteht aus einer ersten ungefähr 30 nm
dicken Titanschicht 4a und einer zweiten ebenfalls ungefähr
30 nm dicken Titanschicht 4b. Zwischen der ersten Titan
schicht 4a und der zweiten Titanschicht 4b sitzt eine unge
fähr 40 nm dicke Titannitridschicht 5. Die Titannitridschicht
5 kompensiert einen Großteil der durch die unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftretenden Scheiben
verbiegungen.
Auf der Titanschicht 4b ist eine Nickelschicht 6 aufgebracht,
die eine Dicke von ungefähr 1000 nm aufweist. Diese Nickel
schicht 6 dient im hier gezeigten Ausführungsbeispiel zur
Verlötung mit der metallenen Trägerplatte 2, die vorzugsweise
aus Kupfer besteht. Auf die Nickelschicht 6 ist wiederum eine
Haftvermittlerschicht 7 aus Titan aufgebracht, die hier eine
Dicke von ungefähr 4 nm aufweist. Die Haftvermittlerschicht 7
kann aber auch aus anderen Materialien bestehen, insbesondere
aus Chrom. Auf der Haftvermittlerschicht 7 ist dann eine Oxi
dationsschutzschicht 8 aus einem Edelmetall aufgebracht, im
gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Oxidationsschutz
schicht 8 aus Silber. Es ist aber auch die Verwendung von
Palladium, Gold oder anderen Edelmetallen denkbar. Die Haft
vermittlerschicht 7 wirkt einem Ablösen der gezeigten Silber
schicht von der Nickelschicht 6 entgegegen.
Beim Lötvorgang wird dann zwischen die Oxidationsschutz
schicht 8 und die metallene Trägerplatte 2 das Lötmaterial 9
gebracht, so daß beim Lötvorgang zwischen Nickel und Kupfer
eine metallurgische Verbindung entsteht.
In der Fig. 2 ist ein anderes Metallisierungssystem darge
stellt, wobei aber die Besonderheiten an der Aluminiumschicht
3 und der Titanschicht 5 den Besonderheiten in der Fig. 1
entsprechen. Auf eine Diskussion der Aluminiumschicht 3 und
der Titanschicht 4, insbesondere des "in-situ-Temperns" der
Aluminiumschicht 3 und des Einbaus und der Wirkungsweise der
Titannitridschicht 5 wird hier verzichtet und auf die Be
schreibungsteile weiter oben verwiesen.
Im Gegensatz zur Metallisierung aus Fig. 1 ist hier auf die
Titanschicht 4b nicht eine Nickelschicht abgeschieden worden
sondern direkt eine Lotmaterialschicht 10 aus Zinn aufge
bracht. Die hier gezeigte Zinnschicht kann eine Dicke von
1000 bis 3000 nm aufweisen. Eine Dicke von etwa 2700 nm hat
sich als besonders zweckmäßig erwiesen.
Der so metallisierte Silizium-Halbleiterkörper 1 wird dann
auf die metallene Trägerplatte 2 gedrückt, die in der Regel
aus Kupfer besteht, und bei ungefähr 300°C unter einer
Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuumbedingungen mit dieser
verbunden, wobei eine metallurgische Verbindung zwischen der
Titanschicht 4b, der Lotmaterialschicht 10 und der Träger
platte 2 entsteht, die bis zu einer Temperatur von ca. 450°C
stabil ist.
Technologisch wird durch das Verfahren und
die erfindungsgemäße Metallisierung die Möglichkeit eröffnet,
die Dicken von Silizium-Halbleitersubstraten, insbesondere
die Dicken von Silizium-Halbleitersubstraten die für Lei
stungstransistoren bzw. IGBT's in Vertikalbauweise vorgesehen
sind, weiter zu verringern, was zur Verbesserung der Durch
laßeigenschaft bei diesen führt.
Claims (11)
1. Aus Silizium bestehender Halbleiterkörper (1), der mit ei
ner metallenen Trägerplatte (2) verlötbar ist, und der vor
dem Löten ausgehend vom Silizium in Richtung zur Trägerplatte
eine Aluminiumschicht (3) und eine Diffusionssperrschicht
aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Diffusionssperrschicht eine Titanschicht (4) vor
gesehen ist, in die eine Titannitridschicht (5) eingebracht
ist.
2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Titanschicht (4) eine Nickelschicht (6) aufge
bracht ist.
3. Halbleiterkörper nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Nickelschicht (6) eine Oxidationschutzschicht (8)
aufgebracht ist.
4. Halbleiterkörper nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Nickelschicht (6) und die Oxidationsschutz
schicht (8) eine Haftvermittlerschicht (7) aufgebracht ist.
5. Halbleiterkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Titanschicht (4) eine Lotmaterialschicht (10)
aufgebracht ist.
6. Halbleiterkörper nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Lotmaterialschicht (10) eine Zinn- oder Blei- oder
Galliumschicht vorgesehen ist.
7. Herstellverfahren für einen aus Silizium bestehenden Halb
leiterkörper (1) der mit einer metallenen Trägerplatte (2)
verlötbar ist, nach Anspruch 1 mit folgenden Schritten:
- a) Auf den Halbleiterkörper (1) wird eine Aluminiumschicht (3) abgeschieden;
- b) auf die Aluminiumschicht (3) wird eine Titanschicht (4a) abgeschieden;
- c) auf die Titanschicht (4a) wird eine Titannitridschicht (5) abgeschieden;
- d) auf die Titannitridschicht (5) wird eine Titanschicht (4b) abgeschieden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
folgende Schritte:
- a) Auf die Titanschicht (4b) wird eine Nickelschicht (6) ab geschieden;
- b) auf die Nickelschicht (6) wird eine Oxidationsschutz schicht (8) abgeschieden.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch
folgenden Schritt:
- a) Zwischen den Schritten e) und f) wird eine Haftvermittler schicht (7) auf die Nickelschicht (6) abgeschieden.
10. Verfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch
folgenden Schritt:
- 1. e') Auf die Titanschicht (4b) wird eine Lotmaterialschicht (10) abgeschieden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
gekennzeichnet durch
folgende Schritte:
- 1. a1) Auf den Halbleiterkörper (1) wird eine dünne Aluminium schicht (3a) aufgebracht;
- 2. a2) der so prozessierte Halbleiterkörper (1) wird getempert;
- 3. a3) danach wird auf die Aluminiumschicht (3a) eine weitere Aluminiumschicht (3b) abgeschieden.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |