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Die
Erfindung betrifft einen Rückseitenkontakt
für einen
Halbleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In
der Halbleitertechnik, insbesondere bei den III-V-Halbleitern, die
hier als Beispiele herangezogen werden, sind als Rückseitenkontakte
für Halbleiterbauelemente
neben Einfachmetallisierungen häufig
Metallisierungsfolgen notwendig, um den Halbleiter-Chip elektrisch
leitend auf einem Träger befestigen
zu können
(Die-Bonden).
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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.
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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, beispielsweise
bei Optohalbleitersendedioden, mit transparentem Halbleiter-Material. Beim
Die-Bonden ist typi scherweise das zweite Metall 4 ein Eutektikum
wie z.B. AuGe 88:12 zum Zwecke des Die-Bondens durch Legieren (eutectic
bonding).
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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 Rückseite
des Halbleiterbauelements entstehen.
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Bekannt
ist ein Metallisierungsaufbau mit passiver Sperre 3. Dabei
werden die Metallisierungsschichten in zwei Schritten aufgebracht:
In einem ersten Schritt wird das erste Metall aufgebracht und strukturiert.
In einem zweiten Schritt wird Nickelchrom 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.
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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 Halbleiterchips
mittels Sägen durch
nicht tolerierbare Ausbrüche
auf der Rückseite der
Halbleiterbauelemente bemerkbar; ein Strukturieren mittels Ätzen ist
nur unter hohem Aufwand möglich
und die Einhaltung 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 Widerständen
führen,
oder Anlösungen
der reflektierenden Metalle, die zu Verlusten der Lichtausbeute
bei optischen Halbleiterbauelementen, beispielsweise bei lichtemittierenden
Dioden (LED, IRED), führen.
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Die
Druckschrift von Thomson etal. "Use
of Diffusion Barriers for improved Reliability 6' als FETs". In: J. Elektrochem. Soc.: Accelerated
Brief Communication, Dezember 1997, Seiten 3205 bis 3206, beschreibt
eine Titanwolframnitrid-Diffusionsbarriere zwischen einer TiPtAu-Schicht
und einer unterliegenden Al/Ti-Gate-Elektrode sowie einer NiAuGeTi-Source-Elektrode.
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Die
Druckschrift JP 52-33 48 8 A2 beschreibt eine Mo-Barriere, die zwischen
einer Platin-Schicht die auf einen GaAs-Wafer aufgebracht ist und einer Ni-Schicht,
auf die eine Au-Ge-Lotschicht
aufgebracht ist, angeordnet ist. Die Mo-Schicht soll dabei die Platin-Schottky-Schicht
vor einer Beeinträchtigung
durch die AuGe-Lotschicht schützen.
Die Ni-Schicht erhöht
die Haftung zwischen der Mo-Barriere und der Lotschicht.
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Aus
der Druckschrift
US 4,553,154 ist
ein Vorderseitenkontakt bekannt, mit einer Barrierenschichtfolge
aus TiN/Ti/TiN zwischen einer aufliegenden Aluminiumschicht und
einer unterliegenden AuBe-Schicht, die auf ein GaAs-Substrat aufgebracht ist.
Die TiN/Ti/TiN-Schichtfolge dient dabei als Diffusionsbarriere.
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Die
Druckschrift
US 4,772,935 beschreibt
einen Die-Bondingprozess für
das Bonden eines Siliziumwafers auf einen Träger. Dabei wird auf die Rückseite
des Siliziumwafers eine Gold-Legierungsschicht,
eine Titan-Haftschicht, eine Wolfram-Barrierenschicht und eine Goldbondschicht
aufgebracht. Der auf diese Weise beschichtete Wafer wird dann mittels
einer Gold- Zinn-Lotform
auf den Träger
gebondet. Die Wolframbarrierenschicht hat dabei die Aufgabe, die
Migration von Silizium in die Goldschicht zu verhindern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rückseitenkontakt
der eingangs genannten Art anzugeben, der ein wirtschaftliches Herstellverfahren,
einen kleinen elektrischen Widerstand, ein einfaches Strukturierverfahren
und Stabilität
während
der Weiterverarbeitung und während
des Betriebs des Halbleiterbauelements vor allem bei höheren Temperaturen
und elektrischen Strömen,
je nach Anwendungsfall unterschiedlich gewichtet, in optimaler Weise
ermöglicht.
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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 Metallen, Metallverbindungen, Legierungen, Nitride, Carbide
erreicht werden; ein einfaches Strukturierverfahren kann durch Fotolithographie
und anschließendes
Entfernen der Schicht durch Nasschemie, Plasmaätzen, Sputterätzen oder
Abhebetechnik erzielt werden; Stabilität während der Weiterverarbeitung
und während
des Betriebs des Halbleiterbauelements vor allem bei höheren Temperaturen
und elektrischen Strömen
kann durch passive Sperren (passive barrier), Opfersperren (sacrificial
barrier), Verfüllungssperren
(stuffed barrier) erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird die
zugrundeliegende Aufgabe durch einen Rückseitenkontakt nach dem Patentanspruch
1 gelöst.
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Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen und
der Beschreibung angegeben.
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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-Sputtergas bei
niedergeschlagenen Schichtdicken von 0,1 bis 1 μm.
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Die
Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt einen Rückseitenkontakt
nach der Erfindung.
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2 erläutert das technische Problem
anhand einer bekannten Metallisierung.
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1 zeigt eine Rückseitenkontakt-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 vorgesehen. 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 jedoch auf die Schicht 6 verzichtet werden. Als Haftvermittler
für die
Schicht 6 kann Titan verwendet werden. Eine Metallisierung
nach 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, aufgebracht werden; eine Metallisierung nach 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, besteht
kein Risiko durch höhere
Temperaturen, da die Titan-Wolfram-Nitrid-Schicht
sich bei Temperaturen von selbst 550° nicht verändert und da solche Temperaturbelastungen
bei den nachfolgenden 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 Einwirkung durch Anlösen des
ersten Metalls 2 und des Halbleiters 1 entsteht;
beim Vereinzeln der Halbleiter- Chips
braucht nicht Rücksicht
auf die Sperrschicht 5 genommen zu werden; beim Vereinzeln
der Halbleiter-Chips kann ohne besonderen Aufwand gesägt werden.
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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 Haftvermittler 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.
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Wenn
zwei übereinanderliegende
Schichten der Metallisierung im wesentlichen in einem Schritt aufgebracht
wird, ist die Grenzfläche
(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 Metallisierung, vorzugsweise jedoch sämtliche
Schichten der Metallisierung im wesentlichen in einem Schritt aufzubringen,
zu strukturieren und zu tempern.
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Eine
Metallisierung nach 1 ist
temperaturstabil.
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Die
Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid dient als Sperre zwischen
einem Metall und einer Schmelze.
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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 verhindert, daß das zweite Metall 4 in
schädlicher
Weise die optischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements beeinträchtigt.
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Wenn
alle Schichten der Metallisierung nach 1 im wesentlichen in einem Schritt aufgebracht werden,
besitzt die Metallisierung eine hohe Qualität. Da die Scheiben während des
Verfahrens 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 schädlicher
Interface-Schichten zwischen den einzelnen Metallschichten verhindert. Weiterhin
lassen sich die Eigenschaften der Sperre durch Änderung der Zusammensetzung
und Dicke der Sperre 5 einstellen. 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.
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Die
Erfindung eignet sich für
Halbleiterchips, vor allem für
III-V-Halbleiter, insbesondere für
Halbleiterchips der Optoelektronik, beispielsweise für IRED's.
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Titan-Wolfram-Nitrid
eignet sich besonders zum Trennen von Flüssigphasen und Festphasen, beispielsweise
beim Legieren oder Löten.