DE4306871C2 - Lötverbindung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Lötverbindung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lötverbindungen zwischen Siliciumelementen und Elementen aus einem ein schwer­ schmelzenden Metall, und ein Verfahren zum Herstellen solcher Verbindungen. Die Erfindung kann zum Beispiel bei der Herstellung von Halbleiterelementen angewendet werden.
Bei der Herstellung von Halbleiterelementen, insbesondere von Hochleistungshalbleiterelementen, ist es oft erwünscht, Sili­ cium-Halbleitermaterial mit einem Kühlkörper aus einem Metall mit hoher Leitfähigkeit, z. B. Kupfer, zu verbinden. Um zu hel­ fen, die thermische Beanspruchung zu verringern, die bei einer solchen Verbindung auftreten kann, ist es üblich, ein Zwi­ schenglied, das ein schwerschmelzendes Metall, z. B. Molybdän, umfaßt, zwischen das Silicium-Halbleitermaterial und den Kühl­ körper aus dem Metall mit hoher Leitfähigkeit einzufügen. Üb­ licherweise sind das Silicium- und das schwerschmelzende Me­ tallelement scheibenförmig.
Aluminium wurde lange als Lötmetall verwendet, um Silicium- und Molybdänscheiben miteinander zu verbinden, wobei das Löten etwas oberhalb der eutektischen Temperatur von Aluminium und Silicium (577°C) ausgeführt wurde. Das Aluminium kann anfangs einen Teil Silicium enthalten, typischerweise die eutektische Zusammensetzung, 11,7 Gew.-% Si, obwohl reines Aluminium ver­ wendet werden kann. In jedem Fall wird während des Lötvorgangs normalerweise Material von der Oberfläche der Siliciumscheibe gelöst, obwohl mehr gelöst wird, wenn reines Aluminium als Lot verwendet wird, als wenn die eutektische Zusammensetzung ver­ wendet wird.
Ein anderer Effekt betrifft eine Reaktion, die zwischen dem Siliciumgehalt der Aluminium-Silicium-Legierung und der Molyb­ dänoberfläche auftritt und zur Bildung einer Zwischenschicht aus Molybdändisilicid führt. Dies nimmt der Aluminium-Sili­ cium-Legierung etwas von ihrem Siliciumgehalt an der Grenzfläche, und der sich daraus ergebende Konzentrationsgradient be­ wirkt einen Transport von Silicium von der Oberfläche der Si­ liciumscheibe zur Molybdänoberfläche hin. Ein solches weiteres Lösen der Oberfläche der Siliciumscheibe ist im allgemeinen unerwünscht, insbesondere da es oft dazu tendiert, ungleichmä­ ßig aufzutreten, was zu einer gestuften oder gezackten Erosion der Siliciumoberfläche führt.
Außerdem bildet das Aluminium, das ein Dotiermittel im Silicium ist, durch die Degeneration der Elektronenbandstruktur des Silici­ ums einen speziellen p-leitenden Kontakt mit dem Silicium, es sei denn die Gesamtkonzentration der n-leitenden Gegendotiermittel (z. B. Phosphor) reicht aus, um annähernd ohmsche Eigenschaften an dem Kontakt aufrechtzuerhalten. Diese Anforderung erzwingt eine Kombination von Beschränkungen bei erlaubten Dotierungs­ profilen und bei Erosions(Lösungs)effekten der Legierung an der Grenze von Silicium zu Aluminium/Silicium, wie oben be­ schrieben. Insbesondere wo die Siliciumdotiermittelverteilung kleine und kritische Merkmale umfaßt, ist es wichtig, daß diese nicht durch Lösen in das Aluminium-Silicium-Lot an der Stelle einer Unregelmäßigkeit (Spitze) in der Legierungsfront verlorengehen.
Fig. 1 zeigt einen typischen Querschnitt durch eine Verbin­ dung, die unter Anwendung eines solchen Verfahrens aus dem Stand der Technik hergestellt wurde. Es wird eine Silicium­ scheibe 1 gezeigt, die durch eine Schicht aus Aluminium-Sili­ cium-Lot 3 an einer Molybdänscheibe 2 befestigt ist. Es ist zu sehen, daß das Eindringen der Lotschicht 3 in die diffundierte Siliciumscheibe 1 unregelmäßig ist, wie durch die Bezugszahl 4 gezeigt. In einigen kleinen Bereichen kann die Tiefe des durch das Lösen des Siliciums verursachten Eindringens bewirken, daß in die Siliciumscheibe eindiffundierten Merkmale, wie z. B. das n+-Gebiet 5, stark erodiert oder sogar zerstört werden, was die am wenigsten erwünschten Folgen hat. Es bildet sich eine Schicht aus Molybdändisilicid 6 mit einigen Mikrometern Dicke zwischen dem Lot 3 und der Molybdänscheibe 2.
Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um die Gleich­ mäßigkeit zu verbessern und die Siliciumerosion an solchen Lötverbindungen zu reduzieren, z. B. Herstellen der erforderli­ chen Verbindung bei der niedrigstmöglichen Temperatur oder Be­ schichten der Oberfläche der Molybdänkomponente, um die Bil­ dung des Molybdändisilicids zu hemmen. Solche Techniken waren oft weniger erfolgreich als erhofft. Andere Verfahren, die Verbindung zu herzustellen, wie z. B. das Diffusionslöten [Jacobsen, D. M. und Humpston, G., High Power Devices: Fabrica­ tion Technology and Developments, Metals and Materials, Dezem­ ber 1991], nehmen für sich Erfolg in Anspruch, aber um den Preis einiger Komplexität.
Es wurde ein alternativer Weg, der des Bildens einer Grenz­ schicht an der Siliciumoberfläche, um das Lösen oder die Modi­ fikation der Dotiermittelstruktur innerhalb des Siliciums zu ver­ hindern, vorgeschlagen, hauptsächlich in Verbindung mit dünnen Ablagerungsfilmen (thin deposition films) und VLSI-Technolo­ gie, z. B. Babcock, S. E. und Tu, K. N., Journal of Applied Phy­ sics, Bd. 59, Nr. 5, S. 1599-1605, März 1986. Die darin offen­ barte Technik erstreckt sich jedoch weder auf den notwendigen Bereich, noch sorgt sie für die Befestigung einer schweren Mo­ lybdän-Tragelektrode, wie sie zum Beispiel bei einer Großraum­ stromeinrichtung erforderlich wäre, deren Durchmesser sich bis zu etwa 100 mm erstreckt.
Als Stand der Technik kann auch die GB 22 38 267 A erwähnt werden, die ein Verfahren zum Hartlöten eines Siliciumkörpers an einen Metallkörper offenbart, wobei der Siliciumkörper mit einem haftenden Oxidfilm versehen ist. Der Oxidfilm ist mit einer Metallschichtstruktur beschichtet, die die hartlötbare Oberfläche liefert. Ein Angriff auf die Siliciumoberfläche durch die Hartlot-Legierung wird durch den Oxidfilm verhin­ dert. Die Metallschichtstruktur umfaßt Titan, Molybdän und Nickel. Das Hartlot ist eine Silber/Kupfer-Legierung.
Aus der US 39 25 808 ist es zwar bereits bekannt, eutektische Hartlote auf Aluminium-Silicium-Basis zum Verbinden von Siliciumbauelementen mit Elektroden aus Molybdän, Wolfram oder Silicium zu verwenden, jedoch wird keine Anregung gegeben, die verbleibende Diffusion zwischen dem Hartlot und dem Siliciumkörper zu unterbinden. Zwar lehrt weiterhin die US 45 13 905 das Einbringen von Diffusionsbarrieren aus Titan oder Chrom zwischen Siliciumbauelementen und den Loten, die Gold, Silber oder eutektische Lote für hohe oder niedere Temperaturen sein können, jedoch wird keine Anregung gegeben, die Diffusionssperre aus Titansilicid auszugestalten. Soweit es ferner aus der US 46 80 612 bekannt ist, Tatantalsilicid als Diffusionsbarriere zwischen Aluminiumlegierungen und Silicium in einem Kontaktloch zu verwenden, ergibt sich daraus keine Anregung, zur Ausbildung einer Barriere Titansilicid zu verwenden. Schießlich enthält die JP 63-187 624 A einen Hinweis darauf, bei einem Silicumwafer eine Rückseitenmetallisierung aus einem hochschmelzenden Metallsilicid, wie beispielsweise neben anderen auch Titansilicid, vorzusehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zwischen einem Siliciumelement und einem Element aus einem schwerschmelzenden Metall eine Lötverbindung mit mechanischen Eigenschaften ähnlich den aus dem Stand der Technik bekannten zu schaffen, wobei die Probleme der Erosion und des Lösen der Siliciumscheibe weitergehend vermieden werden.
Diese Aufgabe löst die Verbindung des Anspruchs 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 8.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach einem Aspekt eine Verbindungsstruktur geschaffen, die ein Siliciumelement mit einem Element aus einem schwer­ schmelzenden Metall verbindet, wobei die Verbindung eine an das Siliciumelement angrenzende Schicht aus Titansilicid und eine Schicht aus Lot, das als Hauptbestandteil Aluminium enthält, umfaßt, die zwischen der Titansilicid­ schicht und dem ein schwerschmelzendes Metall umfassenden Element liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Verbinden eines Siliciumelements mit einem Element aus einem schwerschmelzenden Metall bereitgestellt, welches die Schritte aufweist:
  • - Versehen des Siliciumelements mit einer Oberflächenschicht aus Titansilicid,
  • - Vorsehen einer Schicht aus Lot mit dem Hauptbestandteil Aluminium zwischen der Titansilicid­ schicht und dem Element, und
  • - Erhitzen der Lotschicht, um diese an die Titansilicid­ schicht und das Element anzuschmelzen.
Vorteilhafterweise enthält das ein schwerschmelzendes Metall umfassende Element als Hauptbestandteil Molybdän.
Das Lot enhält geeigneterweise Silicium in einem Bereich von 10 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise etwa 11,7 Gew.-% (die eutektische Zusammensetzung).
Vorzugsweise wird das Siliciumelement mit der Schicht aus Titansilicid versehen, indem das Siliciumelement mit einer Schicht aus Titan beschichtet wird und das Siliciumelement und die Schicht aus Titan erhitzt werden, um die Bildung von Titansilicid zu fördern. Vorzugsweise werden das Siliciumelement und die Schicht aus Titan auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 700° Celsius, noch bevorzugter im Bereich von 500 bis 600° Celsius und am bevorzugtesten auf etwa 550° Celsius erhitzt. Vorzugsweise besteht das Titansilicid hauptsächlich aus Titanmonosilicid. Die Dicke der Schicht aus Titan beträgt vorzugsweise etwa 1 µm.
Die Lotschicht wird vorzugsweise geschaffen, indem ein Lotele­ ment zwischen die Titansilicidschicht und das Element, das ein schwerschmelzendes Metall umfaßt, gepreßt und das Lotelement erhitzt wird, um es auf die Titansilicidschicht und das Ele­ ment, das ein schwerschmelzendes Metall umfaßt, aufzuschmelzen bzw. damit zu verschmelzen (nachfolgend als aufschmelzen be­ zeichnet). Vorzugsweise wird das Schmelzen des Lots bei einer Temperatur im Bereich von 577 bis 760°C, noch bevorzugter im Bereich von 660 bis 700°C und am bevorzugtesten bei etwa 690°C durchgeführt. Die Dicke der Lotschicht beträgt vorzugsweise weniger als 50 µm und am bevorzugtesten etwa 30 µm.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf Fig. 2 und 3 der beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen Fig. 2 einen typischen Querschnitt durch eine Verbindung zeigt, die analog zu der in Fig. 1 gezeigten ist, die jedoch gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und Fig. 3 ein Querschnitt durch das Ergebnis der Her­ stellung einer Verbindung gemäß Fig. 2 ist.
Im folgenden Beispiel wird eine Siliciumscheibe, die mit einer Molybdänscheibe verbunden werden soll, auf der Oberfläche, dort wo die Verbindung hergestellt werden soll, mit einer Schicht aus Titansilicid versehen und durch eine Schicht aus Aluminium-Silicium-Lot mit der Molybdänscheibe verbunden.
Solch eine Struktur ist in Fig. 2 gezeigt. Mit Bezug auf Fig. 2 wird eine Siliciumscheibe 21 mit einem Überzug 20 aus Titan­ silicid versehen. Die Siliciumscheibe wird über diesen Überzug mit einer Molybdänscheibe 22 durch eine Schicht aus Aluminium- Silicium-Lot 23 verbunden.
Nun wird das Verfahren beschrieben, durch das die Struktur der Fig. 2 erreicht werden kann. Die Siliciumscheibe 21, typi­ scherweise 50 mm im Durchmesser und 600 µm dick, die Dotiermittel ent­ halten kann, um ihr die gewünschten eindiffundierten Merkmale 25 und 25' zu geben, wird so vorbereitet, daß sie frei von Oberflächenverunreinigung, insbesondere Oxiden ist. Sie wird in einen Hochvakuumverdampfungsapparat gegeben, in dem Titan durch Erhitzen mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl verdampft wird, so daß der Titandampf wenigstens auf der Ober­ fläche der Siliciumscheibe kondensiert, an der die Molybdän- Tragelektrode befestigt werden soll. Das Titan wird typischer­ weise 1 µm dick aufgetragen. Als nächstes wird die Grenzfläche zwischen dem Titan und dem Silicium durch Erhitzen der Scheibe auf eine Temperatur von wenigstens 500°C für einen Zeitraum im Bereich von 20 bis 30 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre modifiziert, obwohl andere geeignete inerte Gase (z. B. Wasser­ stoff) ebenfalls dienlich wären. Experimente zeigten, daß eine zufriedenstellende Titan-Silicium-Reaktion bei einer Tempera­ tur im Bereich von 500 bis 700°C erhalten werden konnte, wobei 500 bis 600°C bevorzugt und etwa 550°C am bevorzugtesten war. Es wird angenommen, daß bei höheren Temperaturen wachsende Mengen des Disilicids TiSi2 gebildet werden. Es scheint, daß das TiSi2 verglichen mit dem im Bereich von 500 bis 600°C hauptsächlich gebildeten Monosilicid TiSi einen geringeren Wi­ derstand gegen einen Angriff durch Aluminium hat. Ebenso sollte die Reaktionszeit nicht übermäßig verlängert werden, um die Bildung von TiSi2 zu vermeiden.
Nach dieser Temperaturbehandlung wird die Siliciumscheibe mit ihrer mit Titan beschichteten Fläche an eine Molybdänscheibe mit ähnlichem Durchmesser und typischerweise einer Dicke im Bereich von 2 bis 3 mm unter Verwendung einer 30 µm dicken Lotscheibe aus der eutektischen Aluminium-Silicium-Zusammen­ setzung (11,7 Gew.-% Silicium) in einer geeignet inerten oder reduzierenden Atmosphäre, z. B. Stickstoff oder Wasserstoff, befestigt, indem die Lotscheibe bei mäßigem Druck, z. B. 300 Pascal, zwischen die Silicium- und die Molybdänscheibe gepreßt und ihre Temperatur für einen Zeitraum von 10 bis 20 Minuten auf 690°C erhöht wird, um die Lotscheibe auf jede der anderen Scheiben zu schmelzen. Danach wird der verschmolzene Aufbau aus Gründen der Entspannung langsam durch den Bereich von 570 hinunter bis zu 300°C abgekühlt. Das Schmelzen des Lots könnte zwischen 577°C (die eutektische Temperatur von Aluminium/Sili­ cium) und etwa 700°C durchgeführt werden, es wurde jedoch ge­ funden, daß etwa 690°C bevorzugt ist.
Während des Lötvorganges wird das Eindringen des Aluminium-Si­ licium-Lots 23 in die Siliciumscheibe 21 an ihrer Fläche 24 durch die Beschichtung aus Titansilicid 20 behindert, welches eine genügend geringe Löslichkeit in Aluminium hat, so daß es nicht wesentlich erodiert wird und als membranartiger Filter wirkt, der das Lösen des Siliciums verringert. Die Integrität der eindiffundierten Merkmale 25 und 25 wird dadurch besser erhalten. Das Lösen der Siliciumoberfläche 24 durch das Alumi­ nium-Silicium-Lot 23 wird durch die Titansilicidbarriere nicht vollständig verhindert, aber es tritt in geringerem Ausmaß und im Gegensatz zum unregelmäßigen und nicht einheitlichen tiefen Lösen, das im Stand der Technik gefunden wird, ziemlich ein­ heitlich auf. Möglicherweise gestattet die Titansilicid­ barriere dem Aluminium Zugang zur Siliciumoberfläche, verhin­ dert jedoch den Durchgang von Silicium in die entgegengesetzte Richtung, d. h. zur Molybdänoberfläche hin. Daher wird die Dicke einer Molybdändisilicidschicht 26, die zwischen dem Alu­ minium-Silicium-Lot 23 und der Molybdänscheibe 22 während des Lötens gebildet wird, durch die Begrenzung der Verfügbarkeit von Silicium an der Grenzfläche als Folge der Wirkung der Titansilicidbarriere verringert. Nach Beendigung des Vorgangs wird gefunden, wie in Fig. 3 gezeigt, daß die membranartige Schicht aus Titansilicid innerhalb des Aluminium-Silicium-Lots liegt, etwas näher bei der Siliciumoberfläche als beim Molyb­ dän, wobei es scheint, daß sie sich mit der Zeit (bei Legie­ rungstemperatur) in die Richtung des Molybdän bewegt.
Die genaue Dicke der Lotscheibe ist nicht kritisch, wobei ihr Minimum durch die Notwendigkeit, sich jeder Abweichung von der Ebenheit der zu verbindenden Flächen anzupassen, diktiert wird, sie sollte jedoch nicht bedeutend dicker als 50 µm sein. Die Abmessungen der Silicium- und der Molybdänscheibe sind nur zur besseren Darstellung angegeben und können sich wesentlich unterscheiden, wie es durch andere Überlegungen erforderlich sein kann.
Die Elemente aus Silicium, Molybdän und Aluminium-Silicium-Lot der Verbindungsstruktur müssen nicht die Form von Scheiben ha­ ben, sondern können jede geeignete Form aufweisen.
Die Verbindungsstruktur und das Verfahren, um sie zu herzu­ stellen, können auf Verbindungen zwischen Silicium und Elemen­ ten angewendet werden, die andere schwerschmelzende Metalle als Molybdän, z. B. Chrom, umfassen.
Es wurde gefunden, daß der resultierende verschmolzene Verbin­ dungsaufbau einen ähnlichen mechanischen Widerstand aufweist wie jener, der sich bei dem Verfahren im Stand der Technik er­ gibt, während er frei von Problemen ist, die durch tiefe und/oder unregelmäßige Erosion und/oder tiefes und/oder unre­ gelmäßiges Lösen der Siliciumscheibe verursacht werden. Das beschriebene Verfahren erfordert nur einfache zusätzliche Schritte zu dem im Stand der Technik angewendeten Verfahren, welches daher bequem gleichzeitig mit dem Verfahren der Erfin­ dung für weniger kritische Anwendungen weiterhin in Gebrauch sein kann.

Claims (17)

1. Verbindung, die ein Siliciumelement (21) mit einem Element (22) aus einem schwerschmelzenden Metall verbindet, wobei die Verbindung eine an das Siliciumelement angrenzende Schicht (20) aus Titansilicid und eine Schicht aus Lot, das als Hauptbestandteil Aluminium enthält, umfaßt, die zwischen der Titansilicidschicht und dem Element aus einem schwerschmelzendes Metall liegt.
2. Verbindung nach Anspruch 1, worin das Element aus einem schwerschmelzenden Metall (22) als Hauptbestandteil Molybdän enthält.
3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Lot Silicium in einem Bereich von 10 bis 15 Gew.-% enthält.
4. Verbindung nach Anspruch 3, worin das Lot aus Aluminium und etwa 11,7 Gew.-% Silicium besteht.
5. Verbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Schicht (20) aus Titansilicid hauptsächlich aus Titanmonosilicid zusammengesetzt ist.
6. Verbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Dicke der Lotschicht (23) geringer als 50 µm ist.
7. Verbindung nach Anspruch 6, worin die Dicke der Lotschicht (23) etwa 30 µm ist.
8. Verfahren zum Verbinden eines Siliciumelements (21) mit einem Element (22) aus einem schwerschmelzenden Metall, mit den Schritten:
  • - Versehen des Siliciumelements (21) mit einer Oberflächenschicht (20) aus Titansilicid,
  • - Vorsehen einer Schicht aus Lot mit dem Haupt­ bestandteil Aluminium zwischen der Titan­ silicidschicht (20) und dem Element (22), und
  • - Erhitzen der Lotschicht, um diese an die Titan­ silicidschicht (20) und das Element (22) anzuschmelzen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das Siliciumelement (21) mit einer Schicht (20) aus Titansilicid versehen wird, indem das Siliciumelement mit einer Schicht aus Titan beschichtet wird und das Siliciumelement und die Schicht aus Titan erhitzt werden, um die Bildung von Titansilicid zu fördern.
10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die Dicke der Titanschicht etwa 1 µm beträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, worin das Siliciumelement (21) und die Schicht aus Titan auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 700° Celsius erhitzt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, worin das Siliciumelement (21) und die Schicht aus Titan auf eine Temperatur im Bereich von 500 bis 600° Celsius erhitzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Siliciumelement (21) und die Schicht aus Titan auf eine Temperatur von etwa 550° Celsius erhitzt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Lotschicht beim Erhitzen auch gepreßt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, worin die Lotschicht als Hauptbestandteil Aluminium enthält und auf eine Temperatur im Bereich von 577 bis 760° Celsius erhitzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, worin die Lotschicht auf eine Temperatur im Bereich von 660 bis 700° Celsius erhitzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, worin die Lotschicht auf eine Temperatur von etwa 690° Celsius erhitzt wird.
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