DE4129654A1 - Metallisierung, insbesondere zum legieren, fuer einen halbleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallisierung, insbesondere zum Legieren, für einen Halbleiter nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

In der Halbleitertechnik, insbesondere bei den III-V-Halbleitern, die hier als Beispiele herangezogen werden, sind als Rückseiten­ kontakte für Halbleiterbauelemente neben Einfachmetallisierungen häufig Metallisierungsfolgen notwendig, um den Halbleiter-Chip elektrisch leitend auf einem Träger befestigen zu können (Die- Bonden).

Fig. 2 zeigt einen typischen Aufbau für eine Metallisierungsfolge. Auf einem Halbleiter 1 ist ein erstes Metall 2 aufgebracht. Auf dem ersten Metall 2 ist eine Sperre 3 vorgesehen. Auf der Sperre 3 ist ein zweites Metall 4 angeordnet. Aufgabe der Sperre 3 ist es, das erste Metall 2 und das zweite Metall 4 sicher auseinander zu halten. Anderenfalls ergeben sich aus dem direkten Verbund von erstem Metall 2 und zweitem Metall 4 negative Eigenschaften für die ursprünglich gedachte Wirkung der beiden Einzelmetalle 2, 4.

Beim Die-Bonden ist typischerweise das erste Metall 2 Gold, wenn die Dotierung des Halbleiters 1 hoch genug ist, oder eine Gold- Zink-Verbindung zur p-Dotierung des Halbleiters 1 oder eine Gold-Germanium-Verbindung zur n-Dotierung des Halbleiters 1 oder Silber im Verbund mit anderen Metallen zur optischen Reflexion (optischer Spiegel) bei Optohalbleiterbauelementen, beispiels­ weise bei Optohalbleitersendedioden, mit transparentem Halblei­ ter-Material. Beim Die-Bonden ist typischerweise das zweite Metall 4 ein Eutektikum wie z. B. AuGe 88 : 12 zum Zwecke des DIE-Bondens durch Legieren (eutectic bonding).

Typische, nicht gewünschte Eigenschaften des direkten Verbunds des ersten Metalls des zweiten Metalls 4 ergeben sich durch den Übergang des Eutektikums in die flüssige Phase beim Legierprozeß: Die p-Dotierung wird gestört, da Germanium n-dotierend wirkt und die AuGe-Schmelze des zweiten Metalls 4 den Halbleiter 1 anlöst; die optische Reflexion an der Grenzfläche (Interface) zwischen Halbleiter 1 und erstem Metall 2 wird gestört, da das flüssige Eutektikum des zweiten Metalls 4 das Silber des ersten Metalls 2 und den Halbleiter 1 anlöst und da bei der Erstarrung des flüssigen Eutektikums stark absorbierende Bereiche an der Rück­ seite des Halbleiterbauelements entstehen.

Bekannt ist ein Metallisierungsaufbau mit passiver Sperre 3. Dabei werden die Metallisierungsschichten in zwei Schritten auf­ gebracht: In einem ersten Schritt wird das erste Metall aufge­ bracht und strukturiert. In einem zweiten Schritt wird Nickel­ chrom als passive Sperre 3 aufgebracht und wird auf die Sperre 3 das zweite Metall 4 aufgebracht und werden die Sperre 3 und das zweite Metall 4 gemeinsam strukturiert.

Mit der passiven Sperre 3 aus Nickelchrom gibt es vielfältige Probleme: Um eine gute Sperrwirkung zu erzielen, sind gewisse Mindestdicken ab 0,2 µm, besser ab 0,5 µm, erforderlich. Diese dicken Nickelchrom-Schichten üben starke Verspannungen auf die Halbleiterscheiben, zu denen die Halbleiter 1 gehören, aus. Diese Verspannungen machen sich beim Vereinzeln der Halbleiter­ chips mittels Sägen durch nicht tolerierbare Ausbrüche auf der Rückseite der Halbleiterbauelemente bemerkbar; ein Strukturieren mittels Ätzen ist nur unter hohem Aufwand möglich und die Ein­ haltung der Maßhaltigkeit ist nur eingeschränkt möglich; die Sperrwirkung ist nicht sicher genug, so daß immer wieder Ausfälle auftreten, z. B. Umdotierungen, die zu unerwünscht hohen Wider­ ständen führen, oder Anlösungen der reflektierenden Metalle, die zu Verlusten der Lichtausbeute bei optischen Halbleiterbauelemen­ ten, beispielsweise bei lichtemittierenden Dioden (LED, IRED), führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Me­ tallisierung der eingangs genannten Art anzugeben, die ein wirtschaftliches Herstellverfahren, einen kleinen elektrischen Widerstand, ein einfaches Strukturierverfahren und Stabilität während der Weiterverarbeitung und während des Betriebs des Halb­ leiterbauelements vor allem bei höheren Temperaturen und elek­ trischen Strömen, je nach Anwendungsfall unterschiedlich ge­ wichtet, in optimaler Weise ermöglicht.

Diese Teilaufgaben können technisch in verschiedener Art und Weise erfüllt werden: Ein wirtschaftliches Herstellverfahren kann durch Aufdampfen, Sputtern, Galvanik erzielt werden; ein kleiner elektrischer Widerstand kann durch Verwendung von Metal­ len, Metallverbindungen, Legierungen, Nitride, Carbide erreicht werden; ein einfaches Strukturierverfahren kann durch Fotolitho­ graphie und anschließendes Entfernen der Schicht durch Naßchemie, Plasmaätzen, Sputterätzen oder Abhebetechnik erzielt werden; Stabilität während der Weiterverarbeitung und während des Be­ triebs des Halbleiterbauelements vor allem bei höheren Tempera­ turen und elektrischen Strömen kann durch passive Sperren (passive barrier), Opfersperren (sacrificial barrier), Verfüllungssperren (stuffed barrier) erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die zugrundeliegende Aufgabe durch eine Metallisierung nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen und der Beschreibung angegeben.

Erfindungsgemäß wird als Sperre eine Verfüllungssperre aus Titan-Wolfram-Nitrid eingeführt. Bewährt haben sich Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Metallisierung mit Sputtertargets mit Zusammensetzungen von 10% Titan und 90% Wolfram mit einer Stickstoffzugabe von 5-20% im Argon-Sputter­ gas bei niedergeschlagenen Schichtdicken von 0,1 bis 1µm.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Metallisierung nach der Erfindung.

Fig. 2 erläutert das technische Problem anhand einer bekannten Metallisierung.

Fig. 1 zeigt eine Metallisierung nach der Erfindung, bei der auf einem Halbleiter 1 ein erstes Metall 2 aufgebracht ist. Auf dem ersten Metall 2 ist eine Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid vor­ gesehen. Auf der Sperre 5 ist ein zweites Metall 4 angeordnet. Als Haftvermittler kann zwischen der Sperre 5 und dem zweiten Metall 4 eine Schicht 6 vorgesehen sein. Im allgemeinen kann je­ doch auf die Schicht 6 verzichtet werden. Als Haftvermittler für die Schicht 6 kann Titan verwendet werden. Eine Metalli­ sierung nach Fig. 1 bietet folgende Vorteile: Geringer Aufwand beim Aufbringen der gesamten Metallisierung. Bei entsprechender Auslegung der zur Herstellung der Metallisierung verwendeten Vorrichtung können alle Schichten der Metallisierung in einer einzigen Anlage, vorzugsweise in einer Sputteranlage, aufge­ bracht werden; eine Metallisierung nach Fig. 1 ermöglicht ein einfaches Strukturieren der Sperre 5 mit hoher Maßhaltigkeit durch naßchemisches Ätzen mit beispielsweise H₂O₂/NH₄OH-Lösungen oder durch Plasmaätzen in CF₄/O₂-Gas; bei der Weiterverarbeitung des Halbleiterbauelements, zu dem der Halbleiter 1 gehört, be­ steht kein Risiko durch höhere Temperaturen, da die Titan-Wol­ fram-Nitrid-Schicht sich bei Temperaturen von selbst 550° nicht verändert und da solche Temperaturbelastungen bei den nachfol­ genden Schritten der Bauelementeherstellung wie insbesondere beim Die-Bonden mittels Legieren nicht auftreten; die Sperre 5 separiert die flüssige Phase des Eutektikums des zweiten Metalls 4 sicher vom ersten Metall 2, so daß keine schädliche Einwir­ kung durch Anlösen des ersten Metalls 2 und des Halbleiters entsteht; beim Vereinzeln der Halbleiter-Chips braucht nicht Rücksicht auf die Sperrschicht 5 genommen zu werden; beim Ver­ einzeln der Halbleiter-Chips kann ohne besonderen Aufwand ge­ sägt werden.

Auf einen Halbleiterkörper 1 mit einem Substrat aus Galliumarsenid und mit einer Epitaxieschicht aus Galliumarsenid kann auf die Rückseite eine Metallisierung mit einem ersten Metall 1 aus Gold mit einer Dicke von einem Mikrometer, mit einer Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid mit einer Dicke von 200 nm, ein Haft­ vermittler aus Titan mit einer Dicke von 30 nm und ein zweites Metall aus AuGe 88 : 12 mit einer Dicke von 1,8 µm aufgebracht werden. In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann das erste Metall 2 aus drei übereinanderliegenden Schichten bestehen, nämlich aus einer Gold-Germanium-Schicht mit einer Dicke von 50 nm, aus einer Silberschicht mit einer Dicke von 120 nm, aus einer Goldschicht mit einer Dicke von 230 nm. Die Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid kann eine Dicke von 200 nm aufweisen. Ein Haftvermittler 6 aus Titan kann eine Dicke von 100 nm besitzen. Das zweite Metall 4 kann aus Gold-Germanium mit einer Dicke von 1,8 µm bestehen.

Wenn zwei übereinanderliegende Schichten der Metallisierung im wesentlichen in einem Schritt aufgebracht wird, ist die Grenz­ fläche (Interface) zwischen diesen beiden Schichten sauber und wohl definiert. Dabei ergeben sich auch keine Haftungsprobleme zwischen diesen beiden Schichten. Daher ist es vorteilhaft, mindestens zwei übereinanderliegende Schichten der Metalli­ sierung, vorzugsweise jedoch sämtliche Schichten der Metalli­ sierung im wesentlichen in einem Schritt aufzubringen, zu struk­ turieren und zu tempern.

Eine Metallisierung nach Fig. 1 ist temperaturstabil.

Die Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid dient als Sperre zwischen einem Metall und einer Schmelze.

Die Grenzfläche zwischen dem ersten Metall 2 und dem Halbleiter 1 beeinflußt optische Eigenschaften, wenn der Halbleiter 1 zu einem optischen Halbleiterbauelement gehört. Die Sperre 5 ver­ hindert, daß das zweite Metall 4 in schädlicher Weise die opti­ schen Eigenschaften des Halbleiterbauelements beeinträchtigt.

Wenn alle Schichten der Metallisierung nach Fig. 1 im wesentli­ chen in einem Schritt aufgebracht werden, besitzt die Metalli­ sierung eine hohe Qualität. Da die Scheiben während des Verfah­ rens zur Herstellung der Metallisierung nicht aus dem Vakuum der Anlage zur Herstellung der Metallisierung kommen, können keine Kontaminationen aus der Luft auftreten, was die Bildung schädli­ cher Interface-Schichten zwischen den einzelnen Metallschichten verhindert. Weiterhin lassen sich die Eigenschaften der Sperre durch Änderung der Zusammensetzung und Dicke der Sperre 5 ein­ stellen. Z. B. läßt sich der elektrische Widerstand durch den Stickstoffgehalt der Sperre 5 festlegen. Beispielsweise läßt sich die sichere Absperrung einer etwas rauheren Oberfläche eines Metalls durch Erhöhung der Dicke der Sperre erzielen.

Die Erfindung eignet sich für Halbleiterchips, vor allem für III-V-Halbleiter, insbesondere für Halbleiterchips der Opto­ elektronik, beispielsweise für IRED′s.

Die Erfindung eignet sich besonders für Rückseitenkontakte. Titan-Wolfram-Nitrid eignet sich besonders zum Trennen von Flüssigphasen und Festphasen, beispielsweise beim Legieren oder Löten.

Claims (5)

1. Metallisierung, insbesondere zum Legieren, für einen Halblei­ ter (1), bei der auf eine Halbleiteroberfläche ein erstes Me­ tall (2), eine Sperre und ein zweites Metall (4) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre (5) zwischen dem ersten Metall (2) und dem zweiten Metall (4) aus Titan-Wolfram-Nitrid (TiWN) besteht.

2. Metallisierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Eutektikum als zweites Metall (4).

3. Verfahren zur Herstellung einer Metallisierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Aufbringen der Sperre (5) und des zweiten Metalls (4) im wesentlichen in einem Schritt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Aufbringen des ersten Metalls (2), der Sperre (5) und des zweiten Metalls (4) im wesentlichen in einem Schritt.

5. Verfahren zur Herstellung einer Metallisierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Aufbringen eines Haftvermittlers (6) zwischen Sperre (5) und zweitem Metall (4).