DE3138718C2

DE3138718C2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3138718C2
Application number: DE3138718A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Sayama Tsuneno; Hideharu Tokio/Tokyo Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1985-06-27
Also published as: US4554573A; GB2084399A; JPH0222540B2; DE3138718A1; FR2491259A1; GB2084399B; US4437228A; IT8168266A0; FR2491259B1; IT1144882B; JPS5762539A

Abstract

Mittels eines Glasmaterials von niedrigem Schmelzpunkt soll zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung eine Siliziumtablette auf einem Keramiksubstrat angebracht werden. Um zu verhindern, daß die Siliziumtablette durch thermische Spannung zerstört wird, wird die Tablette mit dem Glasmaterial von niedrigem Schmelzpunkt unter Zwischenlage eines Haftverstärkungsfilms, beispielsweise eines Aluminiumfilms verbunden, der eine gute Benetzbarkeit und eine große Haftfestigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 2. Ein solches Halbleiterbauelement und ein solches Verfahren sind aus der DE-OS 19 14 657 und auch aus der US-PS 34 05 224 bekannt.

Nach der DE-OS 19 14 657 wird ein Halbleiterplättchen mittels eines Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt von unter 500°C auf einem keramischen Substrat befestigt.

Gemäß der US-PS 34 05 224 wird zwar zwischen einem Glassubstrat und metallischen Zuleitungen ein Metalloxidfilm mit guten Adhäsionseigenschaften an Glas einerseits und an Metall andererseits angebracht, um eine dauerhafte hermetische Abdichtung zwischen dem Substrat und den Zuleitungen zu erzielen. Die Oberfläche des Glassubstrats, auf der nach dem Ausformen der Zuleitungen ein Halbleiterplättchen mittels eines niedrigschmelzenden Glases angebracht wird, ist dabei ganzflächig mit dem Metalloxidfilm bedeckt. Der Metalloxidfilm befindet sich also unter dem Halbleiterbauelement zwischen zwei Glasschichten, dem Glassubstrat und dem niedrigschmelzenden Glas, und hat an dieser Stelle keine haftvermittelnde oder eine sonstige Funktion.

Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß aufgrund der Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases und des Halbleiterplättchens beim Abkühlen des Halbleiterbauelementes von der Glas-Schmelztemperatur nach dem Aufbringen des Halbleiterplättchens oder durch Temperaturänderungen im Betrieb des Halbleiterbauelementes thermische Spannungen entstehen, die mit großer Wahrscheinlichkeit im Halbleiterplättchen Risse erzeugen und dieses zerstören, wenn es größer ist als etwa 3,0 χ 3,0 mm².

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, das Halbleiterbauelement und das Verfahren zu dessen Herstellung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 2 so auszubilden, daß auch ein relativ großes Siliziumplättchen auf einem Substrat angebracht werden kann, ohne daß eine Zerstörung des Siliziumplättchens durch Temperaturänderungen erfolgt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichenden Teil angegebenen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 gelöst

Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß die Rißbildung eine Folge der relativ geringen Haftung zwischen dem Siliziumplättchen und dem niedrigschmelzenden Glas ist Bei thermischen Spannungen zwischen dem Siliziumplättchen und dem Glas erfolgt eine Teilweise Ablösung des Siliziumplättchens, wodurch an der Trennlinie zwischen abgelösten und noch haftenden Bereichen eine Konzentration der Spannung auftritt und im Siliziumplättchen an dieser Stelle Risse erzeugt werden. Die Zerstörung des Siliziumplättchens durch thermische Spannungen kann daher durch eine Verbesserung der Haftung mittels eines Haftverstärkungsfilmes zwischen dem Siliziumplättchen und dem Glas verhindert werden.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement bzw. das Verfahren zu dessen Herstellung hat darüber hinaus den Vorteil, daß wegen der guten Benetzungseigenschaften des Haftverstärkungsfilmes und des niedrigschmelzenden Glases beim Aufbringen des Siliziumplättchens auf das erweichte Glas kein hoher Druck auf das Siliziumplättchen ausgeübt zu werden -braucht, um eine gute Einbettung im Glas und eine gute Verbindung zu erreichen. Dadurch wird die Gefahr einer Beschädigung des Siliziumplättchens beim Aufbringen verringert und die Ausbeute des Herstellungsprozesses erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils im Schnitt

F i g. 1 den Aufbau eines bekannten Halbleäerbauclementes,

F i g. 2 ein Siliziumplättchen und ein Substrat vor dem Zusammenfügen zu einem Halbleiterbauelement nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.3 das zusammengefügte Halbleiterbauelement nach F i g. 2, und

F i g. 4 ein Halbleiterbauelement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
F i g. 1 erläutert die Entstehung von Rissen bei dem bekannten Halbleiterbauelement.

Ein auf seiner Oberseite mit Schaltungselementen versehenes Siliziumplättchen 4 ist mit einem keramischen Substrat 1 verbunden, das einen Film 2 aus Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt aufweist, der vorher durch Schmelzen des Glases bei einer Temperatur im Bereich von etwa 400° C bis etwa 45O⁰C ausgebildet worden ist. In diesem Fall wird nach dem Abkühlen des Glasfilms 2 eine durch den Pfeil P veranschaulichte Kompressionskraft aufgrund der Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasfilm 2 und dem Siliziumplättchen 4 erzeugt. Diese Kraft wirkt als Biegekraft auf das Siliziumplättchen 4. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium beträgt etwa 3,5XlO-¹¹⁰C, der des Glases mit niedrigem Schmelzen punkt liegt in einem Bereich von etwa etwa 5 χ 1fr ^h bis 6xlO"°C. Infolge der Biegebeanspruchung /wischen dem Glasfilm 2 und dem Siliziumplättchen 4 tritt im Bereich A eine Ablösung des Siliziumplättchens 4 auf, was dazu führt, daß die Spannung im Inneren des Silizi-

b5 umplättchens 4 an der Grenzfläche E des abgelösten Bereichs A konzentriert wird, was Anlaß zur Entstehung von Rissen Cgibt.
Bei dem in den F i g. 2 und 3 gezeigten Ausführungs-

beispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist in Fig.2 das Siliziumplättchen 4 noch vom Substrat 1 getrennt, während Fig.3 schematisch den Aufbau des Halbleiterbauelementes nach Anbringen des Siliziumplättcnens 4 zeigt Das keramische Substrat 1 bildet einen Teil eines keramischen Gehäuses. Mittels des Films 2 aus Glas mit niedrigem Schmelzpunkt soll das Siliziumplättchen 4 mit dem Substrat 1 verbunden werden. Der Glasfiim 2 wird auf dem Substrat 1 in einer Vertiefung ausgebildet, in der das Siliziumplättchen 4 angebrach» werden soll. Als Glas mit niedrigem Schmelzpunkt wird ein Glasmaterial gewählt, das eine Bindetemperatur von 550⁰C oder weniger hat, und dessen Erweichungspunkt niedriger als 500°C ist Ein typisches Beispiel für ein solches Glas kann folgende Zusammensetzung haben:

PbO
B₂O₃
TiO₂
SiO₂
ZrO₂

70 Gew.-%
10Gew.-%

20 Gew.-%

Das Gias kann weiterhin PbTiOj als Füllstoff aufweisen, Uni den Warrne?.asdehnungskoeffizienten einzustellen, der beispielsweise im Bereich von Sx 10-V⁰C bis 6 χ 10-VC liegen kann. Die Bindetemperatur des Glases liegt im Bereich von 400°C bis 450°C.

Der Glasfilm 2 kann auch nach einem bekannten Druckverfahren aufgebracht werden.

Weiterhin wird ein abdichtender weiterer Glasfilro 3 vorgesehen, der die gleiche Zusammensetzung wie der das Siliziumplättchen 4 bindende Glasfiim 2 haben kann oder sich davon unterscheidet. Das keramische Substrat 1 und die Glasfilme 2 und 3 werden insgesamt als Basisanordnung 6 bezeichnet.

Mit dem Glasfilm 2 soll nun das Siliziumplättchen 4 verbunden und haftend befestigt werden. In dem Siliziumplättchen 4 ist nach bekannten Verfahren zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen eine Vielzahl von Schaltungselementen, wie MOS FET's, ausgebildet. Das Siliziumplättchen 4 hat eine Größe von beispielsweise 5,0 χ 5,0 mm².

Auf der Unterseite des Siliziumplättchens 4 ist ein Haftverstärkungsfilm 5 aufgebracht. Der Haftverstärkungsfilm 5 kann aus Aluminium gebildet werden, das häufig verwendet wird, um Leiterbahnen bei Halbleitervorrichtungen zu bilden. Bei dem gezeigten Aufbau besteht der Haftverslärkungsfilm 5 aus einem Aiuminiumfilm, der durch Aufdampfung abgeschieden ist und eine Stärke von etwa 1 μπι hat. Der Haftverstärkungsfilm ;ius Aluminium kann auch nach anderen Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Zerstäuben.

Die Verwendung eines aufgedampften Aluminiumfilms als Haftverstärkungsfilm 5 hat den Vorteil, daß die gleiche Vorrichtung, die für das Aufdampfen von Aluminium beim Ausbilden der erwähnten Leiterbahnen Verwendung findet für das Abscheiden des Haftverstärkungsfilms 5 verwendet werden kann. Dem Aluminiumfilm 5 können mehrere Gewichtsprozente Silizium zugemischt sein. Der Haftverstärkungsfilm 5 kann auch aus AluminiumOxyd (AI₂Oj) gebildet werden. Es ist zu erwähnen, daß der Haftverstärkungsfilm 5 über der Oberfläche eine'" ganzen Halbleiterscheibe ausgebildet wird, bevor die Scheibe durch Ritzen oder Schneiden in kleine Plättchen zertrennt wird. Die einzelnen so gebildeten Plättchen werden gewöhnlich hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften geprüft. In diesem Fall ist es erwünscht, daß die Unterseite der Plattchen elektrisch leitend ist, so daß sie während der Prüfung als Elektrode dienen kann. Dementsprechend wird ein Aluminiumfilm gegenüber einem Al₂Oa-FiIm als Haftverstärkungsfihn 5 bevorzugt

Außer aus Aluminium kann der Haftverstärkungsfilm 5 auch aus Chrom, Titan oder Kupfer gebildet werden. Der aus einem solchen Element gebildete Metallfilm ist ebenfalls in der Lage, eine gute Bindung mit dem Giasfilm 2 zu bewirken. Dabei kann der aus Cr, Ti oder Cu gebildete Metallfilm beim Prüfen gegebenenfalk als Elektrode dienen. Von den vorstehend erwähnten Metallfilmen wird der Aluminiumfilm vom Gesichtspunkt der Verarbeitbarkeit, Haftfähigkeit und Herstellungskosten bevorzugt

D^;e Basisanordnung 6 hat Anschlußdrähte für einen Außenanschluß, die jedoch in F i g. 2 nicht gezeigt sind. Ferner ist eine nicht gezeigte Keramikkappe an der Basisanordnung 6 mittels des weiteren Glasfilms 3 angebracht, wo durch das Halbleiterbauelement mit dem Siliziumplättchen 4 hermetisch abgedichtet wird.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Anbringen des Siliziumplättchens 4 auf der Basisanordnung 6 beschrieben. Als erster Schritt wird die von dem keramischen Substrat 1 und den Glasfilmen 2 und 3 gebildete Basisanordnung 6 auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Glas des Glasfilms 2, dessen Schmelzpunkt im Bereich von 400 bis 45O⁰C liegt, erweicht wird. Dann wird das Siliziumplättchen 4, an dessen Unterseite ein aufgedampfter Aluminiumfilm 5 ausgebildet ist, an der dazu vorgesehenen Stelle der Vertiefung mit Hilfe einer Hülse 7 aufgebracht, die mit einer nicht gezeigten Vakuumsaugeinrichtung versehen ist. Dann wird über die Hülse 7 auf ein Siliziumplättchen 4 ein Druck in der Größen-Ordnung von 40 mN/mm² ausgeübt. Unter diesen Bedingungen wird der gesamte Aufbau für eine vorher festgelegte Zeit, beispielsweise für 1 s derart erhitzt, daß der Glasfilm 2 und der Aluminiumfilm 5 so verschmelzen, daß sie fest miteinander verbunden sind. Nach der Abkühlung ist der Prozeß des Aufbringens des Siliziumplättchens 4 auf der Basisanordnung 6 abgeschlossen.

Durch den auf der Unterseite des Siliziumplättchens 4 abgeschiedenen Aluminiumfilm 5 wird neben der Haftfähigkeit auch die Benetzbarkeit mit dem Glas beträchtlieh erhöht. Dementsprechend besteht keine Notwendigkeit, während des Aufbringens des Siliziumplättchens 4 auf das Substrat 1 zur Einbettung des Siliziumplättchens 4 in den bindenden Glasfilm 2 einen hohen Druck C (Fig. 4) aufzubringen. Dadurch werden Be-Schädigungen der Randabschnitte 8 des Siliziumplättchens 4 durch die Hülse 7 verhindert. Bei dem bekannten Verfahren ist demgegenüber wegen der schlechten Haftungs- und Benetzungseigenschaften zwischen Glas und Silizium ein etwa fünffach höherer Druck zur Einbettung des Siliziumplättchens 4 im Glasfilm erforderlich.

Im Falle der beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, daß das anzubringende Siliziumplättchen eine Größe von 5,0 χ 5,0 mm² hat, jedoch können auch größere Siliziumplättchen in gleicher Weise angebracht werden. Anstelle eines keramischen Substrats kann auch ein Substrat aus Berylliumoxid verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem isolierenden Substrat (1) und einem auf diesem Substrat mittels eines Glasfilms (2) aus niedrigschmelzendem Glas befestigtem Halbleiterplättchen, gekennzeichnet durch einen Haftverstärkungsfilm (5) aus Aluminium, Silizium enthaltendem Aluminium, Chrom, Titan, Kupfer oder Aluminiumoxid auf der mit dem niedrigschmelzenden Glas in Kontakt stehenden Fläche des als Siliziumplättchen (4) ausgebildeten Halbleiterplättchens.

2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 1. bei dem auf einem isolierenden Substrat (1) mittels eines Glasfilms (2) aus niedrigschmelzendem Glas ein Halblei lerplättchen befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der mit dem niedrigschmelzenden Glas in Kontakt kommenden Fläche des als Siliziumplättchen (4) ausgebildeten Halbleiterplättchens ein Haftverstärkungsfilm (S) aus Aluminium, Silizium enthaltendem Aluminium, Chrom, Titan, Kupfer oder Aluminiumoxid aufgebracht wird.