DE3880402T2

DE3880402T2 - Metallbeschichtungsstruktur fuer keramische materialien aus aluminiumnitrid und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: DE3880402T2
Application number: DE8888402161T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Harada; Masahiro Sugimoto
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-08-27
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2008-08-26
Also published as: EP0305295B1; JP2544398B2; KR890004422A; KR910006948B1; EP0305295A2; US5096749A; EP0305295A3; US4980239A; JPS6456867A; DE3880402D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Metallisierung für Aluminiumnitridkeramik, die Eigenschaften einer niedrigen Wärmeausdehnung und einer hohen Wärmeleitfähigkeit hat. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Metallisierungsschichtstruktur, die auf der Aluminiumnitridkeramik gebildet ist, und auf ein Verfahren zum Herstellen der Metallisierungsschichtstruktur auf der Aluminiumnitridkeramik.
Herkömmlicherweise werden Aluminiumoxid- (Al&sub2;O&sub3;) Keramik oder ein Material eines Oxidsystems wie Glas, das Siliziumdioxid (SiO&sub2;) als Hauptkomponente enthält, als strukturelle Elemente verschiedener elektronischer Anordnungen wie Packungen von integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen verwendet. Normalerweise besteht eine Notwendigkeit zum festen Befestigen eines strukturellen Teils, wie eines Anschlusses für eine externe Verbindung, an Aluminiumoxidkeramik oder Glas des Oxidsystems. Herkömmlicherweise wird eine Metallisierung eingesetzt, so daß eine Metallisierungsschicht auf Aluminiumoxidkeramik oder Glas des Oxidsystems gebildet wird. Die Metallisierungsschicht fungiert als Haftschicht, so daß strukturelle Teile an Aluminiumoxidkeramik oder Glas des Oxidsystems fest befestigt werden können. Normalerweise wird Chrom (Cr), Titan (Ti) oder Aluminium als Material für die Metallisierung bezüglich Aluminiumoxidkeramik oder Glas des Oxidsystems verwendet. Strukturelle Teile werden auf der Metallisierungsschicht, die auf Aluminiumoxidkeramik oder Glas des Oxidsystems gebildet ist, montiert und dann weichgelötet oder hartgelötet. Die obige Metallisierung ist zum Beispiel in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 79910/1978, 207691/1984 und 57997/1985 offenbart worden.
In jüngster Zeit sind beträchtliche Aktivitäten bei der Verwendung von Aluminiumnitrid- (AlN) Keramik als Keramik verzeichnet worden, die Eigenschaften eines kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Wärmeleitfähigkeit hat, im Vergleich zu Al&sub2;O&sub3;-Keramik. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramik ist auch kleiner als jene von Glas des SiO&sub2;- Systems. AlN-Keramik hat den Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4 x 10&supmin;&sup6;/ºC, der etwa halb so groß wie der Wärmeausdehnungskoeffizient von Al&sub2;O&sub3;-Keramik, oder 7 x 10&supmin;&sup6;/ºC, ist. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Keramik beträgt das drei- bis achtfache jener von Al&sub2;O&sub3;-Keramik, und ist auch mehr als eintausendmal so groß wie jene von SiO&sub2;-Glas.
Die Cr-, Ti- oder Al-Metallisierungsschicht hat jedoch keine ausreichende Haftstärke bezüglich AlN-Keramik des Nichtoxidsystems. Deshalb kann die herkömmliche Metallisierungsschicht von der AlN-Keramik wegbrechen. Dies führt zum Beispiel zu einer Minderung bei einem hermetischen Verschließen einer Packung.
Ein Versuch nach Stand der Technik zum überwinden dieses Problems ist in Chem. Abstracts, Bd. 107, Nr. 20, Abstr. No 182020q, 1987 (& JP-A 62-167277) offenbart. In dieser Offenbarung wird vorgeschlagen, eine Zwischenschicht aus Al oder einer Legierung auf der Grundlage von Al vorzusehen, die als Bindungsverstärker zwischen der metallisierten Schicht und dem AlN-Substrat dienen soll.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und nützliche Metallisierungsschichtstruktur vorzusehen, die auf Aluminiumnitridkeramik gebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen der Metallisierungsschichtstruktur, bei der die Nachteile des Standes der Technik überwunden sind.
Eine spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Metallisierungsschichtstruktur vorzusehen, die auf Aluminiumnitridkeramik gebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen der Metallisierungsschichtstruktur, die eine ausreichende Haftstärke hat.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallisierungsschichtstruktur vorzusehen, die auf Aluminiumnitridkeramik gebildet ist, und ein Verfahren zum Herstellen der Metallisierungsschichtstruktur, die eine verbesserte Zuverlässigkeit beim Befestigen von strukturellen Teilen bezüglich der AlN-Keramik bieten kann.
Die obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Metallisierungsschichtstruktur erreicht, die auf AlN-Keramik gebildet ist und die folgenden Schichtstrukturen enthält. Eine Metallschicht und eine Zwischenschicht sind auf einer Aluminiumnitridkeramikgrundlage gebildet. Die Zwischenschicht enthält Aluminium-Titan-Nitrid. Eine Titanschicht ist auf der Aluminium-Titan-Nitridschicht gebildet. Eine wärmeresistente metallische Schicht ist auf der Titanschicht gebildet. Eine metallische Schicht zum Erleichtern des Weichlötens oder Hartlötens ist auf der wärmeresistenten metallischen Schicht gebildet.
Die obigen Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden auch durch ein Verfahren zum Herstellen der obigen Metallisierungsschichtstruktur erreicht, mit den Schritten: Bilden einer Titanschicht auf einer Aluminiumnitridkeramikgrundlage; Bilden einer wärmeresistenten metallischen Schicht auf der Titanschicht; Bilden einer metallischen Schicht auf der wärmeresistenten metallischen Schicht; Unterziehen der laminierten Schichten einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereiches zwischen 810ºC und 1100ºC, die ausreicht, um eine Aluminium-Titan-Nitridschicht zwischen der Aluminiumnitridkeramikgrundlage und der Titanschicht zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer gemusterten Metallisierungsschichtstruktur auf Aluminiumnitridkeramik vorzusehen.
Die obige weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren erreicht, das die Schritte umfaßt: Bilden einer Titanschicht auf einer Aluminiumnitridkeramikgrundlage; Bilden einer wärmeresistenten metallischen Schicht auf der Titanschicht; Bilden einer metallischen Schicht auf der wärmeresistenten metallischen Schicht; Unterziehen der laminierten Schichten einer ersten Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 700ºC und 900ºC, die niedriger als eine Temperatur ist, die ausreicht, um eine Aluminium-Titan-Nitridschicht zwischen der Aluminiumnitridkeramikgrundlage und der Titanschicht zu bilden; Mustern der laminierten Schichten durch Ätzen; und Unterziehen der gemusterten Schichten einer zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereiches zwischen 810ºC und 1100ºC, die ausreicht, um die Aluminium- Titan-Nitridschicht zwischen der Aluminiumnitridkeramikgrundlage und der gemusterten Titanschicht zu erzeugen.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIG. 1A bis 1D sind Aufriß-Schnittansichten zum Erläutern der Schritte einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
FIG. 2A bis 2C sind Ansichten zum Erläutern eines Tests zum Messen einer Haftstärke einer Metallisierungsschichtstruktur, die durch die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
FIG. 3A und 3B sind Ansichten zum Erläutern des Tests zum Messen einer Haftstärke der Metallisierungsstruktur, die durch die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
FIG. 4 ist eine graphische Darstellung zum Erläutern eines bevorzugten Temperaturbereiches, der bei einem Wärmebehandlungsschritt zu verwenden ist;
FIG. 5A bis 5C sind Aufriß-Schnittansichten zum Erläutern der Schritte einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
FIG. 6A bis 6C sind Ansichten, die eine Halbleiteranordnung zeigen, die eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist;
FIG. 7 und 8 sind Schnittansichten von Halbleiteranordnungen, die Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind; und
FIG. 9 bis 11 sind Schnittansichten von Halbleiteranordnungen, die Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es erfolgt eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf FIG. 1A bis 1D.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1A ist eine Titan- (Ti) Dünnfilmschicht 12 auf einer Aluminiumnitrid- (AlN) Keramikgrundlage 11 durch ein herkömmliches Verfahren wie herkömmliche Vakuumverdampfung oder Zerstäubung gebildet. Die AlN- Keramikgrundlage 11 kann durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt werden, mit den Schritten: Bilden eines AlN- Pulvers, um einen Körper mit einer gewünschten Form zu erhalten, Sintern der gebildeten AlN-Grundlage und Brennen der gesinterten AlN-Grundlage. Ein AlN-Pulver kann erhalten werden durch ein Verfahren des direkten Nitrifizierens von Al (2Al + N&sub2; -> 2AlN), ein Verfahren des Reduzierens von Karbon bezüglich einer Aluminiumverbindung wie Al&sub2;O&sub3; und Al(OH)&sub3; (Al&sub2;O&sub3; + 3C + N&sub2; -> 2AlN + 3CO), ein Gasphasenreaktionsverfahren der Reaktion einer Halogenidverbindung von Al und Hydrogennitrid (NH&sub3;). Die AlN-Keramikgrundlage 11 kann eine einzelne Schichtstruktur oder eine Mehrschichtstruktur sein, bei der eine Vielzahl von AlN-Platten übereinander laminiert sind. Die Ti-Dünnfilmschicht 12 muß eine Dicke von wenigstens 0,1 [µm], vorzugsweise von 0,5 [µm] haben, um konvexe und vertiefte Teile auf der Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 11 zu bedecken, um somit eine flache obere Oberfläche davon zu erhalten. Eine Temperatur, die während des Schrittes zum Bilden der Ti- Dünnfilmschicht 12 einzustellen ist, kann innerhalb eines Bereiches von 200 bis 250 [ºC] liegen.
Als nächstes wird, wie in FIG. 1B gezeigt, eine wärmeresistente metallische Schicht 13, die aus einem wärmeresistenten metallischen Material wie Wolfram (W) und Molybdän (Mo) besteht, oben auf der Ti-Dünnfilmschicht 12 durch ein herkömmliches Verfahren wie Vakuumverdampfung und Zerstäubung gebildet. Die wärmeresistente metallische Schicht 13 kann 1 bis 5 [µm] dick sein. Anschließend wird, wie in FIG. 1C gezeigt, eine Nickel- (Ni) Schicht 14 mit einer Dicke von 0,5 bis 2,0 [µm] oben auf der wärmeresistenten metallischen Schicht 13 durch ein herkömmliches Verfahren wie Vakuumverdampfung und Zerstäubung gebildet.
Dann wird die Schichtstruktur von FIG. 1C in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise einer reduzierenden Atmosphäre wie Wasserstoffgas, erhitzt. Die Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur innerhalb eines Bereiches von 850 bis 1000 [ºC] für 40 [min] ausgeführt. Dadurch wird, wie in FIG. 1D gezeigt, eine Zwischenschicht 15 mit einer Zusammensetzung aus Aluminium-Titan-Nitrid (AlxTi1-xN) in einer Schnittstelle zwischen der AlN-Keramikgrundlage 11 und der Ti-Dünnfilmschicht 12 gebildet. Dieser Temperaturbereich, der während der Wärmebehandlung eingestellt wird, ist ein sehr wichtiger Faktor für das Herstellen der AlTiN-Zwischenschicht 15, wie später ausführlich beschrieben wird. Die AlTiN-Zwischenschicht 15 kann eine Dicke gleich oder kleiner als 100 nm (1000 [Å]) haben. Auf diese Weise wird eine Metallisierungsschicht 100, die aus der AlTiN-Schicht 15, der Ti-Dünnfilmschicht 12, der wärmeresistenten metallischen Schicht 13 und der Ni-Schicht 14 besteht, auf der AlN- Keramikgrundlage 11 gebildet. Das Vorhandensein der AlTiN- Zwischenschicht 15 trägt zu einer Verbesserung der Haftstärke der Metallisierungsschicht 100 bei.
Die Ni-Schicht 14 ist eine Schicht, die zum Befestigen eines Teils, wie eines metallischen Teils, an der AlN- Keramikgrundlage 11 durch Weichlöten oder Hartlöten unter Verwendung von Silber notwendig ist. Die wärmeresistente metallische Schicht 13 ist zum Zweck des Verhinderns der Interdiffusion zwischen der Ti-Dünnfilmschicht 12 und der Ni-Schicht 14 vorgesehen. Es sei angemerkt, daß in dem Fall, wo die Interdiffusion zwischen der Ti-Dünnfilmschicht 12 und der Ni-Schicht 14 auftritt, die AlTiN-Zwischenschicht 15 nicht erzeugt werden kann. Deshalb ist es in solch einem Fall unmöglich, eine Metallisierungsschicht mit einer erhöhten Haftstärke zu erhalten.
Die jetzigen Erfinder überprüften die Haftstärke der Metallisierungsschicht 100 bezüglich der AlN-Keramikgrundlage 11 durch in FIG. 2A bis 2C und 3A und 3B gezeigte Verfahren. FIG. 2A bis 2C beziehen sich auf einen L-förmigen Zugfestigkeitstest, und FIG. 3A und 3B beziehen sich auf einen vertikalen Zugfestigkeitstest. Eine Vielzahl von in FIG. 2A bis 2C gezeigten Mustern wurden bei dem Test verwendet. Eine Unterlage 110 von jedem der Muster ist eine gemusterte Metallisierungsschicht, die durch ein Verfahren erhalten werden kann, das später ausführlich beschrieben ist. Die Unterlage 110 mit einer Größe von 2,0 [mm²] wurde bei dem Test verwendet. Ein verzinnter Kupferdraht 16 mit einem L-förmigen Querschnitt wurde auf die Unterlage 110 mit einem PbSn-Lötmittel gelötet, in dem Zustand, wo ein peripherer Teil des Drahtes 16 mit der Unterlage 110 in Kontakt ist. Der Draht 16 hatte einen Durchmesser von 0,80 [mm]. Das bei dem Test verwendete Lötmittel hatte einen Schmelzpunkt von etwa 200 [ºC]. Ein Teil des Lötmittels ist durch ein Bezugszeichen 17 bezeichnet. Der Draht 16 wurde in eine durch einen Pfeil angegebene Richtung gezogen, und eine Kraft, die erforderlich war, um die Unterlage 110 wegzubrechen, wurde gemessen. Bei dem Test wurden auch in FIG. 3A und 3B gezeigte Muster verwendet. Ein verzinnter Kupferdraht 18 mit einem Durchmesser von 0,80 [mm] wurde auf die Unterlage 110 gelötet, so daß ein Ende davon mit der Unterlage 110 in Kontakt ist. Das bei dem Test verwendete Lötmittel hatte einen Schmelzpunkt von etwa 200 [ºC]. Ein Teil des Lötmittels ist durch ein Bezugszeichen 19 bezeichnet. Der Draht 18 wurde in eine Pfeilrichtung gespannt, und eine Kraft, die erforderlich war, um die Unterlage 110 abzubrechen, wurde gemessen.
FIG. 4 zeigt die Meßergebnisse, wobei sich eine unterbrochene Linie I auf den in FIG. 2A bis 2C gezeigten Lförmigen Zugtest bezieht, und sich eine durchgehende Linie II auf den in FIG. 3A und 3B gezeigten vertikalen Zugtest bezieht. Eine horizontale Richtung der graphischen Darstellung bezeichnet eine Wärmebehandlungstemperatur [ºC], und eine vertikale Richtung davon bezeichnet eine Kraft [kg/mm²], die erforderlich ist, um die Unterlage 110 wegzubrechen, die als Haftstärke definiert werden kann. Meßwerte der Stärke in bezug auf den L-förmigen Zugtest und den vertikalen Zugtest sind mit dem Symbolen Δ bzw. o eingezeichnet. Die Kurvenlinien I und II werden durch entsprechendes verbinden der Symbole Δ bzw. o erhalten. Aus der graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß die bei einer Wärmebehandlungstemperatur von gleich oder niedriger als etwa 810 [ºC] gemessene Haftstärke einen Wert von gleich oder kleiner als 1,5 [kg/mm²] hat. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur gleich 850 [ºC] ist, beträgt die gemessene Haftstärke definitiv mehr als 1,5 [kg/mm²]. Ferner betrug, wenn die Wärmebehandlungstemperatur gleich 950 [ºC] war, die gemessene Haftstärke gleich 2,0 [kg/mm²]. Obwohl in der graphischen Darstellung nicht gezeigt, hat es sich bestätigt, daß dieser Wert der Haftstärke von 2,0 [kg/mm²] bis zu einer Temperatur von etwa 1100 [ºC] oder darüber im wesentlichen beibehalten wird. Jedoch wird, wenn die Temperatur während der Wärmebehandlung etwa 1100 [ºC] beträgt, eine Erscheinung derart von Bedeutung, daß die Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage auf Grund des Vorhandenseins von Restsauerstoff oxidiert wird. Deshalb sollte die Wärmebehandlung nicht bei einer Temperatur von mehr als etwa 1100 [ºC] ausgeführt werden. Deshalb kann daraus gefolgert werden, daß die Wärmebehandlung vorzugsweise innerhalb eines Temperaturbereiches von 850 bis 1000 [ºC] durchzuführen ist. Wenn die in FIG. 1C gezeigte Schichtstruktur der Wärmebehandlung innerhalb des obigen Temperaturbereiches unterzogen wird, kann die in FIG. 1D gezeigte Metallisierungsschichtstruktur erhalten werden. Wie vorher beschrieben, trägt das Vorhandensein der AlTiN-Zwischenschicht 15 zu einer Verbesserung der Haftstärke der Metallisierungsschicht bei, die auf der AlN-Keramikgrundlage 11 gebildet ist. Mit anderen Worten, wenn die Schichtstruktur von FIG. 1C der Wärmebehandlung ohne den obigen Temperaturbereich unterzogen wird, kann die AlTiN-Zwischenschicht 15 nicht effektiv erzeugt werden.
Das Vorhandensein der AlTiN-Zwischenschicht 15 kann durch Ätzen unter Verwendung einer gemischten Säure, die eine Fluorsäure und eine Phosphorsäure enthält, bestätigt werden. Wenn die AlTiN-Zwischenschicht 15 nicht erzeugt worden ist, wird die Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 11 bei einer relativ kurzen Ätzzeit freigelegt. Wenn die AlTiN- Zwischenschicht 15 erzeugt worden ist, wird andererseits eine extrem lange Zeit benötigt, um die freigelegte Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 11 zu erhalten.
Es ist möglich, eine gemusterte Metallisierungsschicht auf der AlN-Keramikgrundlage 11 zu erhalten. Dies wird unter Bezugnahme auf FIG. 5A bis 5C beschrieben. Nach dem Erhalten der Dreifachschicht, die aus der Ti-Dünnfilmschicht 12, der wärmeresistenten metallischen Schicht 13 und der Ni-Schicht 14 besteht, wie in Fig. 5A gezeigt, die mit jener in FIG. 1C gezeigten identisch ist, wird die AlN-Keramikgrundlage 11 einer Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700 bis 900 [ºC] in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise in einer reduzierenden Atmosphäre wie ein Wasserstoffgas, unterzogen. Dann wird die Metallisierungsschicht 100 einem herkömmlichen Musterverfahren unterzogen, bei dem eine Ätzflüssigkeit, die eine gemischte Säure aus einer Fluorsäure und einer Phosphorsäure enthält, verwendet wird. Danach wird die AlN-Keramikgrundlage 11, auf der eine gemusterte Metallisierungsschicht 120, die aus einer gemusterten Ti-Dünnfilmschicht 12a, einer gemusterten Wärmeresistenten metallischen Schicht 13a und einer gemusterten Ni-Schicht 14a besteht, gebildet ist, einer Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur innerhalb eines Bereiches von etwa 850 bis 1000 [ºC] unterzogen.
Die obige Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung gestattet es, daß einige Ti-Atome in der Ti-Dünnfilmschicht 12 in die AlN-Keramikschicht 11 diffundieren, so daß eine starke Kopplung zwischen der AlN-Keramikgrundlage 11 und der Ti- Dünnfilmschicht 12 hergestellt werden kann. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, den Musterungsschritt auszuführen, nachdem die Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung durchgeführt ist. Außerdem wird, wenn die Hochtemperatur-Wärmebehandlung unter Verwendung einer Temperatur von 850 bis 1000 [ºC] ohne Ausführung der Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung für die Schichtstruktur von FIG. 1C durchgeführt wird, eine sehr lange Ätzzeit benötigt, um die AlTiN-Zwischenschicht 15 zu ätzen. Als Resultat kann die Dreifachschichtstruktur auf der AlTiN-Zwischenschicht 15 überätzt werden, und dadurch kann die Haftstärke der Metallisierungsschicht 100 reduziert werden. Die Hochtemperatur-Wärmebehandlung muß nach dem Musterungsschritt ausgeführt werden.
Andererseits ist es nicht vorzuziehen, eine Wärmebehandlungstemperatur von niedriger als etwa 700 [ºC] bei der Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung einzustellen. Denn das Seitenätzen in bezug auf die Ti-Dünnfilmschicht 12 ist beträchtlich, so kann die Metallisierungsschicht 100 von der Metallisierungsschicht nach der Hochtemperatur-Wärmebehandlung wegbrechen. Obiges verursacht eine Minderung der Zuverlässigkeit der Hafteigenschaft.
Es erfolgt eine Beschreibung von Anwendungen der vorliegenden Erfindung.
Eine in FIG. 6A bis 6C gezeigte Halbleiteranordnung ist eine Anordnung, die durch das Anwenden der vorliegenden Erfindung auf die Anordnung erhalten wurde, die im Patent der Vereinigten Staaten Nr. 4,698,663 offenbart ist, dessen Anmelder derselbe wie der Anmelder der vorliegenden Erfindung ist. Wie gezeigt, enthält die dargestellte Halbleiteranordnung im allgemeinen ein Halbleiterelement 21, wie einen Siliziumchip, eine AlN-Keramikgrundlage 22, eine Kappe 23 und ein Kühlkörperteil 24. Eine Vielzahl von winzigen Leitungen 25 erstrecken sich von einer Peripherie einer oberen Fläche 21a und einer Polyimidharzschicht 26 nach außen. Der Halbleiterchip 21 ist mit der Vorderseite nach unten auf einer mehrstufigen Zwischenverbindungsschicht 27 angeordnet, die oben auf der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet ist. Der Halbleiterchip 21 ist mit der mehrstufigen Zwischenverbindungsschicht 27 ohne Verwendung von Drähten elektrisch und mechanisch gekoppelt.
Es sind eine Vielzahl von Durchgangslöchern 28 gebildet, die die AlN-Keramikgrundlage 22 durchdringen. Ein Metall 29, wie Mo und W, ist in die Durchgangslöcher 28 gefüllt und metallisiert. Gemusterte Metallisierungsschichten 30, wovon jede dieselbe Struktur wie jene in FIG. 5C gezeigte hat, sind auf der unteren Oberfläche der AlN- Keramikgrundlage 22 gebildet. Jede der gemusterten Metallisierungsschichten 30 ist für die entsprechenden Anschlüsse 35 vorgesehen und dient als Haftschicht zum Befestigen von Anschlüssen 35 an der AlN-Keramikgrundlage 22. Die Anschlüsse 35 sind auf die entsprechenden Metallisierungsschichten 30 gelötet. Wie vorher beschrieben, kann das Vorhandensein der Metallisierungsschichten 30 eine verbesserte Haftstärke bieten. Ähnlich ist eine gemusterte Metallisierungsschicht 31 mit einer Schichtstruktur, die mit jener in FIG. 5C gezeigten identisch ist, auf einem peripheren Teil der oberen Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet. Die gemusterte Metallisierungsschicht 31 dient als Haftschicht, die eine verbesserte Haftstärke und einen verbesserten hermetischen Verschluß bieten kann. Die Kappe 23 ist auf der AlN-Keramikgrundlage 22 festgelötet, so daß der Halbleiterchip 21 hermetisch verschlossen und verpackt werden kann. Ferner ist der Halbleiterchip 21 an unteren Oberflächen der Kappe 23 und des Kühlkörperteils 24 durch ein Lötmittel 29 angelötet. In dem Fall, wo das Kühlkörperteil 24 aus AlN besteht, kann eine Metallisierungsschicht wie in FIG. 1D gezeigt auf unteren Oberflächenteilen des Kühlkörperteiles 24 vorgesehen werden, die Positionen der Kappe 23 und des Kühlkörperteiles 24 entsprechen.
Die obige Halbleiteranordnung kann wie folgt hergestellt werden. Zu Beginn wird die AlN-Keramikgrundlage 22 wie beim vorher erwähnten Verfahren gebildet. Als nächstes werden Durchgangslöcher 28 in der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet. Dann wird ein Metallpulver aus Mo, W oder dergleichen in die Durchgangslöcher 28 gefüllt. Dann wird die AlN- Keramikgrundlage 22 gesintert, so daß das Metallpulver gesintert wird. Danach wird die in FIG. 1C gezeigte Schichtstruktur auf jeder der oberen und unteren Oberflächen der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet. Dann werden die gebildeten Schichtstrukturen der Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung und danach dem Musterungsverfahren von den vorher beschriebenen Verfahren unterzogen. Danach wird die gemusterte Schicht ferner der vorher beschriebenen Hochtemperatur-Wärmebehandlung unterzogen, so daß die gemusterten Metallisierungsschichten 30 und 31, wovon jede dieselbe Struktur wie jene in Fig. 5C gezeigte hat, gebildet werden. Dann werden Anschlüsse 35 auf die entsprechenden gemusterten Metallisierungsschichten 30 gelötet.
Als nächstes wird die Mehrschicht-Zwischenverbindungsschicht 27 auf der oberen Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet. Danach wird der Halbleiterchip 21 oben auf der Mehrschicht-Zwischenverbindungsschicht 27 montiert. Dann wird ein vorgebildetes Lötmittel oben auf dem Halbleiterchip 21 vorgesehen, und danach wird die Kappe 23 angebracht, so daß ein unterer Teil davon auf der gemusterten Metallisierungsschicht 31 angebracht wird und ein oberer Teil davon mit dem peripheren Teil des Halbleiterchips 21 im Eingriff ist, auf dem das vorgebildete Lötmittel gebildet ist. Danach wird das Kühlkörperteil 24 montiert, wie in FIG. 6B gezeigt. Dann wird die Anordnung der Wärmebehandlung unterzogen, wo eine Temperatur gleich 300 bis 330 [ºC] eingestellt wird.
FIG. 7 ist eine andere Halbleiteranordnung unter Verwendung der Metallisierungsschichten, die durch die vorliegende Erfindung vorgesehen sind. Die Anschlüsse 35 sind auf den Metallisierungsfilmen 30 montiert, die auf der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet sind. Eine Kappe 36 ist auf der Metallisierungsschicht 31 montiert, die auf dem peripheren Teil der oberen Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 22 gebildet ist. Wie gezeigt, ist die Kappe 36 von dem Halbleiterchip 21 getrennt, und dadurch können Spannungen, die in gelöteten Teilen erzeugt werden, erleichtert werden, verglichen mit der Halbleiteranordnung von FIG. 6A bis 6C, wo die Kappe 23 mit dem Halbleiterchip 21 direkt im Eingriff ist.
FIG. 8 zeigt noch eine andere Halbleiteranordnung unter Verwendung der Metallisierungsschichten 30 und 31 von der vorliegenden Erfindung. Eine Kappe 37, die auf dem Metallisierungsfilm 31 montiert ist, hat einen vertikalen Teil 37a, und deshalb kann die Druckfestigkeit der Kappe 37 gegen das Kühlkörperteil 24 verbessert werden.
Ein weiteres Beispiel von Anwendungen der vorliegenden Erfindung ist unten beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 9 sind gemusterte Metallisierungsschichten 42, die jeweils mit der Schichtstruktur von FIG. 5C identisch sind, auf einer unteren (oder oberen) Oberfläche einer AlN-Keramikgrundlage 41 gebildet. Eine Vielzahl von geraden Anschlüssen 43 sind auf die gemusterten Metallisierungsschichten 42 gelötet. Ein Bezugszeichen 44 bezeichnet einen Teil des Lötmittels, das um ein Ende des Anschlusses 43 gebildet ist. Ein Verschlußteil 45, das aus Glas besteht, ist auf den gemusterten Metallisierungsschichten 42 gebildet. Eine Kappe 46 ist auf der Metallisierungsschicht 42 durch das Verschlußteil 45 fest montiert. Ein Halbleiterchip (zum Beispiel Siliziumchip) 47 ist auf der gemusterten Metallisierungsschicht 42 fest montiert. Eine Bondinginsel, die auf einer Oberfläche des Halbleiterchips 47 gebildet ist, ist mit der entsprechenden gemusterten Metallisierungsschicht 42 durch einen Bondingdraht 48 verbunden. Anstelle des Bondingdrahtes kann das automatische Bonden mit Leiterbahnfilm eingesetzt werden. Der Halbleiterchip 47 ist durch die Kappe 46 hermetisch verschlossen.
FIG. 10 zeigt eine Variation der Halbleiteranordnung von FIG. 8. Die Anordnung von FIG. 10 hat Anschlüsse 49, von denen sich Endteile horizontal erstrecken. Andere Elemente der Anordnung von FIG. 10 sind dieselben wie jene in FIG. 9 gezeigten.
FIG. 11 zeigt noch ein weiteres Beispiel von Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Eine AlN-Keramikgrundlage 51 besteht aus laminierten Grundlagenteilen 51a und 5lb. Jedes der Grundlagenteile 51a und 51b hat Durchgangslöcher, die mit einem Metall 54 gefüllt sind. Das Durchgangslochmetall 54 in dem oberen Grundlagenteil 51a kann mit dem entsprechenden Durchgangslochmetall 54 in dem unteren Grundlagenteil 51b durch ein Muster 55 verbunden sein, das in einer Schnittstelle dazwischen gebildet ist. Auf der unteren Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 51 sind gemusterte Metallisierungsschichten 52 gebildet, auf die Anschlüsse 56 durch ein Lötmittel 57 gelötet sind. Auch auf der oberen Oberfläche der AlN-Keramikgrundlage 51 sind gemusterte Metallisierungsschichten 53 gebildet. Wie gezeigt, ist ein Halbleiterchip 60 auf der gemusterten Metallisierungsschicht 53 montiert, der mit der entsprechenden Metallisierungsschicht 53 durch einen Bondingdraht 61 verbunden ist. Die Metallisierungsschicht, mit der der Bondingdraht verbunden ist, ist auch mit dem Durchgangslochmetall 54 verbunden, das in dem oberen Grundlagenteil 51a gebildet ist. Der Halbleiterchip 60 ist durch eine Kappe 59 hermetisch verschlossen, die auf die gemusterte Metallisierungsschicht 53 durch ein Lötmittel 58 gelötet ist.
Die Mehrschicht-AlN-Keramikgrundlage 51 mit der Mehrschichtstruktur kann für die Halbleiteranordnungen eingesetzt werden, die in FIG. 6A, 6 und 7 gezeigt sind.

Claims

1. Eine Metallisierungsschichtstruktur, die auf einer Aluminiumnitridkeramik gebildet ist und eine Metallschicht und eine Zwischenschicht (15) umfaßt, die auf einer Aluminiumnitridkeramikgrundlage (11) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht Aluminiumtitannitrid umfaßt; eine Titanschicht (12) auf der Zwischenschicht gebildet ist; eine wärmeresistente metallische Schicht (13) auf der Titanschicht gebildet ist; und eine metallische Schicht (14) auf der wärmeresistenten metallischen Schicht gebildet ist, zum Erleichtern des Weichlötens oder Hartlötens.

2. Eine Metallisierungsschichtstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (15) eine Dicke gleich oder kleiner als 100 nm (1000 [Å]) hat.

3. Eine Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeresistente Metallschicht (13) ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe bestehend aus Wolfram und Molybdän ausgewählt ist.

4. Eine Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (14) Nickel umfaßt.

5. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur auf einer Aluminiumnitridkeramik, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt: Bilden einer Titanschicht (12) auf einer Aluminiumnitridkeramikgrundlage (11); Bilden einer wärmeresistenten metallischen Schicht (13) auf der Titanschicht; Bilden einer metallischen Schicht (14) auf der wärmeresistenten metallischen Schicht, zum Erleichtern des Weichlötens oder Hartlötens; und Unterziehen der laminierten Schichten (12, 13, 14) einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereiches zwischen 810ºC und 1100ºC, die ausreicht, um eine Aluminium-Titan-Nitridschicht (15) zwischen der Aluminiumnitridkeramikgrundlage und der Titanschicht zu erzeugen.

6. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem Wärmebehandlungsschritt verwendete Temperatur innerhalb eines Bereiches von 850 bis 1000 [ºC] liegt.

7. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre ausgeführt wird, die ein reduzierendes Gas umfaßt.

8. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Gas ein Wasserstoffgas ist.

9. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schritte des Bildens der Titanschicht (12), des Bildens der wärmeresistenten metallischen Schicht (13) und des Bildens der metallischen Schicht (14) durch eines der Verfahren der Dampfverdampfung und der Zerstäubung ausgeführt wird.

10. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeresistente metallische Schicht (13) ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe bestehend aus Wolfram und Molybdän ausgewählt ist, und daß die metallische Schicht (14) Nickel umfaßt.

11. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur auf Aluminiumnitridkeramik, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt: Bilden einer Titanschicht (12) auf einer Aluminiumnitridkeramikgrundlage (11); Bilden einer wärmeresistenten metallischen Schicht (13) auf der Titanschicht; Bilden einer metallischen Schicht (14) auf der wärmeresistenten metallischen Schicht, zum Erleichtern des Weichlötens oder Hartlötens; Unterziehen der laminierten Schichten (12, 13, 14) einer ersten Wärmebehandlung bei einer Temperatur in dem Bereich zwischen 700ºC und 900ºC, die niedriger als eine Temperatur ist, die ausreicht, um eine Aluminium-Titan- Nitridschicht zwischen der Aluminiumnitridkeramikgrundlage und der Titanschicht zu erzeugen; Mustern der laminierten Schichten durch Ätzen; und Unterziehen der gemusterten Schichten (12a, 13a, 14a) einer zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur innerhalb eines Bereiches zwischen 810ºC und 1100ºC, die ausreicht, um die Aluminium-Titan-Nitridschicht (15a) zwischen der Aluminiumnitridkeramikgrundlage und der gemusterten Titanschicht zu erzeugen.

12. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem zweiten Wärmebehandlungsschritt verwendete Temperatur innerhalb eines Bereiches von 850 bis 1000 [ºC] liegt.

13. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem ersten Wärmebehandlungsschritt verwendete Temperatur innerhalb eines Bereiches von 700 bis 800 [ºC] liegt.

14. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzschritt eine gemischte Flüssigkeit verwendet, die eine Fluorsäure und eine Phosphorsäure umfaßt.

15. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metallisierungsschichtstruktur nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre ausgeführt wird, die ein reduzierendes Gas umfaßt.

16. Ein Verfahren zum Herstellen einer Metalllsierungsschichtstruktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das reduzierende Gas ein Wasserstoffgas ist.