DE602006000233T2

DE602006000233T2 - Substrat mit einer Metallisierungshaftschicht

Info

Publication number: DE602006000233T2
Application number: DE602006000233T
Authority: DE
Inventors: Odd Harald Steen Brooklyn Park Eriksen; Kimiko Farmingdon Childress
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 2005-05-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: ATE378439T1; US20060249847A1; ES2297805T3; EP1722004B1; US7400042B2; DE602006000233D1; EP1722004A1

Description

Die vorliegende Erfindung ist ausgerichtet auf Strukturen, die Metallfilme für Bindezwecke verwenden, spezifischer betrachtet ist sie ausgerichtet auf Strukturen, die Metallfilme benutzen, welche an dem darunter liegenden Substrat haften und eine Diffusionssperrschicht liefern.
HINTERGRUND
Wenn zu erwarten ist, dass miteinander verbundene Komponenten relativ hohen Temperaturen ausgesetzt werden sollen, dann sind die Optionen zum Verbinden der Komponenten begrenzt. Verbindungsverfahren wie beispielsweise das Schweißen, Löten bzw. Hartlöten, aktive Metalllöten und das mechanische Aneinanderbefestigen können benutzt werden, um Komponenten für den Einsatz unter einer hohen Umgebungstemperatur zusammen zu fügen. Jedoch kann es schwierig sein diese Verbindungstechniken in die Praxis umzusetzen, es kann sein, dass sie nicht universell auf alle Substrate und Materialien anwendbar sind, und dieselben können zu einem Sprödbruch neigen. Verbindungsverfahren können ferner eingeschränkt werden, wenn es gewünscht wird, unterschiedliche Materialien wie etwa Keramik und Silizium miteinander zu verbinden.
In einigen Fallen kann eine binäre oder eutektische Legierung, etwa eine eutektische Gold/Nickel Hartlötung, als eine Bindungsschicht verwendet werden, um die Komponenten zusammenzukoppeln. In Abhängigkeit von der speziellen Zusammensetzung sind binäre oder eutektische Legierungen relativ hitzebeständig. Jedoch erfordert die Verwendung von einer binären oder eutektischen Legierung Metallfilme (auch bekannt als Bindefilme, Metallüberzüge oder Metallisierungen) auf den jeweiligen begleitenden Komponenten, um es den binären oder eutektischen Legierungen zu ermöglichen, an den angelagerten Komponenten anzuhaften und um die Diffusion unerwünschter Materialien durch dieselben hindurch zu blockieren. Entsprechend besteht ein Bedarf nach Metallfilmen, welche bei binären oder eutektischen Legierungsverbindungsverfahren verwendet werden können, welche gut an den dazugehörigen Komponenten anhaften können, welche sich einer Diffusion durch dieselben hindurch erheblich widersetzen und welche bei erhöhten Temperaturen thermodynamisch stabil sind. Es besteht auch ein Bedarf nach Metallfilmen, welche robust sind und welche elektrisch leitend sind, derart dass die Filme als eine elektrische Kontaktschicht dienen können.
US 2005/0042865 beschreibt metallische Filme, die ein Metall der Gruppe IVB oder VB, Silizium und vorzugsweise Stickstoff enthalten, indem dafür die atomare Schichtablagerung benutzt wird (ALD = atomic layer deposition).
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung liefert eine Komponente, ein Verfahren und ein Produkt, so wie sie in den begleitenden Ansprüchen beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt durch eine Seite einer Komponente, einschließlich eines sich darauf befindlichen Metallfilms;
2 ist ein Querschnitt durch eine Seite der Komponente und des Metallfilms der 1 nach dem Glühen;
2A ist eine alternative Ausführung der Komponente aus 2;
3 ist ein Querschnitt durch eine Seite der Komponente und des Metallfilms der 2 mit einer Bindungsschicht, die sich darauf befindet;
4 ist ein Querschnitt durch eine Seite eines Paars von Komponenten, die positioniert sind, um miteinander verbunden zu werden;
5 ist ein Querschnitt durch eine Seite der Komponenten aus 4 die in einen gegenseitigen Kontakt miteinander gebracht worden sind;
6–11 stellen eine Reihe von detaillierten Querschnitten durch eine Seite der Komponenten gemäß 5 dar, wobei sie ein Bindungsverfahren illustrieren;
12 ist ein Querschnitt durch eine Seite der Komponenten gemäß 5 nach der Bindung;
13 ist ein Querschnitt durch eine Seite eines Wafers und eines Gehäuses;
14 ist ein Querschnitt durch eine Seite des Wafers und des Gehäuses nach 13, welche dabei sind miteinander verbunden zu werden;
15 ist ein Querschnitt durch eine Seite des Wafers und Gehäuses nach 14 mit einem Kontrollwafer und einer elektronische Komponente, welche sich angrenzend daran befindet;
16 ist ein Querschnitt durch eine Seite des Wafers und Gehäuses, welche mit dem Kontrollwafer und der elektronischen Komponente der 15 verbunden sind;
17 ist eine Detailansicht der in der 15 bezeichneten Fläche;
18 ist eine Detailansicht der in der 16 bezeichneten Fläche; und
19 ist ein eutektisches Diagramm für Germanium/Goldlegierungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 1 illustriert eine Oberfläche, einen Wafer, einen Teil oder einen Abschnitt eines Wafers, eine Komponente, eine Substratmikrostruktur oder dergleichen (gemeinsam als ein Substrat 10 bezeichnet). Das Substrat 10 kann verschiedene Komponenten, Mikrostrukturen, elektrische Schaltkreise, Sensoren, Aktuatoren, Transducer, Kontaktflächen usw. enthalten, die sich auf demselben befinden (nicht gezeigt). Das Substrat 10 kann aus irgendeinem Material aus einer breiten Vielfalt von Materialien hergestellt sein oder es kann irgendein solches enthalten, wobei es folgende Materialien umfassen kann, ohne aber darauf begrenzt zu sein: Halbleitermaterialien (wie etwa Silizium, Polysilizium oder Siliziumkarbid), Keramiken (wie etwa Aluminiumnitrid, Saphir oder Siliziumnitrid), Gläser, nichtmetallische Materialien, eine Kombination von diesen Materialien oder vielen anderen Materialien, welche Mikrostrukturen oder elektronische Komponenten tragen können oder auf andere Weise einen strukturellen Träger liefern können.
Das Substrat 10 umfasst einen sich darauf befindlichen Metallfilm oder eine sich darauf befindliche Metallisierungsschicht 12. Es sollte verstanden werden, dass, wenn eine Schicht oder eine Komponente dahingehend bezeichnet wird, dass sie sich "auf' oder "über" einer anderen Schicht, Komponente oder einem anderen Substrat befindet (wie etwa der Metallfilm 12, der sich auf dem Substrat 10 befindet), dann diese Schicht oder diese Komponente sich nicht zwangsläufig direkt auf der anderen Schicht, Komponente oder dem anderen Substrat zu befinden brauchen, und es können Zwischenschichten, Zwischenkomponenten oder Zwischenmaterialien dazwischen vorhanden sein. Außerdem, wenn eine Schicht oder eine Komponente dahingehend bezeichnet wird, dass sie sich "auf" oder "über" einer anderen Schicht, Komponente oder einem anderen Substrat befindet, dann können diese Schicht oder Komponente entweder vollständig oder teilweise die andere Schicht, Komponente oder das andere Substrat bedecken. In der Ausführung, die in der 1 gezeigt wird, umfasst die Metallisierungsschicht 12 eine erste Schicht oder eine Haftschicht 14, eine zweite Schicht oder Außendiffusionssperrschicht 16 und eine dritte Schicht oder innere Diffusionssperrschicht 18. Die Haftschicht 14 kann aus irgendeinem aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein, welche gut an dem Substrat 10 dran haften. Somit kann das Material der Haftschicht 14 in Abhängigkeit von dem Material des Substrats 10 variieren, obwohl die Haftschicht 14 vorzugsweise ausgewählt wird auf der Grundlage ihrer Fähigkeit, fest an dem Substrat 10 anzuhaften.
Tantal ist ein Beispiel des Haftmaterials 14, weil Tantal gut an einer Vielfalt von Materialien anhaftet. Jedoch können neben Tantal viele andere Materialien wie etwa Chrom, Zirkonium, Hafnium oder ein jedes Element, das günstig mit dem Substrat 10 reagiert, um Verbindungen herzustellen, welche sich fest mit dem Substrat zusammenbinden, als die Haftschicht 14 benutzt werden. Insbesondere in einer Ausführung weist die Haftschicht 14 vorzugsweise eine Adhäsionsfestigkeit gegenüber dem Substrat 10 von mindestens ungefähr 10 MPa auf oder stärker bevorzugt von mindestens ungefähr 50 MPa oder am stärksten bevorzugt von mindestens ungefähr 100 MPa, so wie dieselbe durch einen mechanischen Abscherungstest gemessen wird. Zum Beispiel kann die Adhäsionsfestigkeit mit Hilfe eines Düsenscherfestigkeitstests bestimmt werden, welcher in der Vorschrift ,Military Standard 883, Procedure 2019.5' oder in anderen hiermit ähnlichen Verfahren spezifiziert ist
Bei einer Ausführung weist die Haftschicht 14 eine relativ hohe Nachglühhaftfestigkeit gegenüber dem Substrat 10 bei erhöhten Temperaturen auf, zum Beispiel bei Temperaturen über 600°C. Somit weist die Haftschicht 14 in einer Ausführung eine Nachglühhaftfestigkeit gegenüber Silizium von mindestens ungefähr 10 MPa auf oder stärker bevorzugt von ungefähr 50 MPa oder am stärksten bevorzugt von ungefähr 100 MPa bei Temperaturen von ungefähr 600°C, so wie sie durch einen mechanischen Abscherungstest gemessen wird.
Die Haftschicht 14 weist eine Vielfalt von Dicken auf und kann in einer Vielfalt von Arten abgelagert werden. Jedoch sollte die Haftschicht 14 eine ausreichende Dicke aufweisen, um eine geeignete Haftung an dem Substrat 10 zu gewährleisten, aber sie sollte nicht so dick sein, dass sie eine erhebliche Masse zu der Metallisierungsschicht 12 hinzufügt. Die Haftschicht 14 kann vorzugsweise anfänglich bis zu einer Dicke von zwischen ungefähr 100 Ångström und ungefähr 10.000 Ångström abgelagert werden oder stärker bevorzugt ungefähr 200 Ångström und ungefähr 1.000 Ångström und am stärksten bevorzugt ungefähr 500 Ångström (es sollte verstanden werden, dass die Dicke der verschiedenen Schichten, die in den Zeichnungen gezeigt sind, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ist). Die Haftschicht 14 kann durch eine plasmaverstärkte, physikalische Dampfabscheidung abgelagert werden (auch als Plasmazerstäubung bekannt) oder durch irgendeine andere geeignete Ablagerungstechnik, die im Fachgebiet bekannt ist.
In der bevorzugten Ausführung kann, wenn die Haftschicht 14 aus Tantal besteht, das Vorhandensein von Sauerstoff an der Schnittstelle der Haftschicht 14 und eines Siliziumsubstrats 10 die Silicidbildung behindern, was, wie unten diskutiert werden wird, für ihre Diffusionssperreigenschaften gewünscht wird. Das Vorhandensein von Sauerstoff an der Schnittstelle der Haftschicht 14 und des Substrats 10 kann auch ungünstige metallurgische Umwandlungen in der Haftschicht 14 verursachen, um dadurch eine hoch gespannte (d. h. schwache) Haftschicht 14 zu erzeugen.
Entsprechend wird in einer Ausführung vor dem Ablagern der Haftschicht 14 auf das Substrat die Oberfläche des Substrats 10 gereinigt, um Oxide zu entfernen. Dieser reinigende Schritt kann die Entfernung von Oxiden durch Plasmazerstäubungsätzen oder durch eine flüssige HF-Lösung (Flusssäure) enthalten. Jedoch kann das Plasmazerstäubungsätzen eine übermäßige Hitze und ein Aufrauen der Oberfläche verursachen, und das nasse HF Ätzverfahren erfordert eine Wasserspülung, die eine Reoxidation des Substrats verursachen kann.
Deshalb besteht ein am stärksten bevorzugtes Verfahren, um alle Oxide auf der Oberfläche des Substrats 10 zu entfernen, darin, ein trockenes HF Dampfreinigungsverfahren zu verwenden. Die trockene HF-Dampfreinigung erfordert kein Wasserausspülen und dadurch liefert sie ein vollständig desoxidiertes Substrat 10. Die Bedingungen für nasse and trockene HF Ätz/Reinigungsverfahren sind im Fachgebiet gut bekannt. Die Haftschicht 14 sollte auf dem Substrat 10 kurz nach dem reinigenden Schritt abgelagert werden, um die Ablagerung darauf zu gewährleisten, bevor die Oxide die Gelegenheit haben, sich auf dem Substrat 10 neu zu entwickeln (d. h. wegen der Oxidierung chemischer Reaktionen mit Sauerstoff in der Umgebung).
Nach außen diffundierende Materialien, z. B. Silizium des Substrats 10, können mit den Materialien des Metallisierungsfilms 12 reagieren, was die Metallisierungsschicht 12 schwächen kann. Somit besteht die zweite Schicht 16 aus einem Material oder Materialien, welche die äußere Diffusion des Substratmaterials 10 blockieren Obwohl die zweite Schicht 16 und die dritte Schicht 18 als Innen- bzw. Außendiffusionssperrschichten benannt sind, so sollte es doch verstanden werden, dass die zweite Schicht 16 und die dritte Schicht 18 nicht zwangsläufig durch sich selbst eine Diffusion in der gewünschten Art und Weise blockieren können. Stattdessen kann jede der Schichten 16, 18 ein Material enthalten oder ein solches mit dazu beisteuern, das reagiert, um eine Diffusionssperrschicht beim Sintern, Glühen, bei chemischen Reaktionen usw. des Films 12 zu bilden, wie weiter unten in allen weiteren Einzelheiten diskutiert werden wird.
Die zweite Schicht 16 kann aus irgendeinem Material am einer breiten Vielfalt von Materialien hergestellt sein, abhängig von den Materialien des Substrats 10 (die Außendiffusion, von der man sich wünscht, dass sie blockiert wird). In einer Ausführung besteht die zweite Schicht 16 aus Tantalsilicid, obwohl eine Vielfalt von anderen Materialien verwendet werden kann, die Tantalkarbid und Wolframnitrid umfassen, ohne aber darauf begrenzt zu sein,. Die zweite Schicht 16 sollte eine Dicke aufweisen, die ausreichend ist, um eine Außendiffusion des Substratmaterials 10 zu verhindern oder um ausreichend Materialien mit dazu beizutragen, um eine ausreichende Außendiffusionssperrschicht nach dem Glühen herzustellen. Die zweite Schicht 16 wird vorzugsweise anfänglich bis zu einer Dicke von zwischen ungefähr 100 Ångström und ungefähr 10.000 Ångström abgelagert und stärker bevorzugt zwischen ungefähr 1.000 Ångström und ungefähr 10.000 Ångström und am stärksten bevorzugt ungefähr 5.000 Ångström. Die zweite Schicht 16 wird durch Plasmazerstäubung abgelagert oder durch irgendeine andere geeignete Ablagerungstechnik, die im Fachgebiet bekannt ist.
Wenn die zweite Schicht 16 aus Verbindungen besteht (zum Beispiel Tantalsilicid), dann kann das Tantalsilicid direkt in seiner Form als Tantalsilicid abgelagert werden. Alternativ können Schichten aus Tantal und Schichten aus Silizium abgelagert werden, um anschließend zu reagieren und Tantalsilicid zu bilden. In diesem Fall werden abwechselnd dünne (d. h. 5 bis 20 Ångström) einzelne Schichten der beiden Grundmaterialien (d. h. Tantal und Silizium) auf der Haftschicht 14 in einem Co-Ablagerungsverfahren abgelagert. Die Anzahl der abwechselnden Schichten ist nicht kritisch, vorausgesetzt, das die Gesamtdicke der zusammengesetzten Schicht zwischen ungefähr 100 und ungefähr 10.000 Ångström liegt wie oben beschrieben. Nachdem die abwechselnden Schichten aus Tantal und Silizium abgelagert worden sind, werden die abwechselnden Schichten erhöhten Temperaturen während eines Glühschrittes ausgesetzt, der in allen weiteren Einzelheiten unten diskutiert wird. Während des folgenden Glühschrittes (unten beschrieben) diffundieren die abwechselnden Schichten aus Tantal und Silizium oder sie reagieren, um eine einzelne Schicht aus Tantalsilicid zu bilden.
Wenn man dieses Verfahren anwendet, um das Tantalsilicid abzulagern, dann steuert die relative Dicke der abgelagerten Schichten aus Tantal und Silizium während des Co-Ablagerungsverfahrens das Verhältnis des Tantals und des Siliziums in der resultierenden Tantalsilicidschicht 16. Somit ermöglicht die Fähigkeit, die relative Dicke der Tantal- und Siliziumschichten zu steuern, dass eine an Silizium reiche oder an Silizium arme Schicht aus Tantalsilicid gebildet wird. Zum Beispiel kann eine an Silizium relativ reiche Schicht aus Tantalsilicid (d. h. Tantalsilicid mit einer Atomzusammensetzung, die einige Prozentpunkte reicher an Silizium ist als das stöchiometrische Tantalsilicid (TaSi₂)) als die Außendiffusionssperrschicht 16 vorgezogen werden, um den Diffusionswiderstand zu vergrößern.
Die dritte Schicht 18 ist am einem Material oder Materialien hergestellt, welches bzw. welche die innere Diffusion von unerwünschten Elementen, Verbindungen oder Gasen blockieren oder begrenzen können. Zum Beispiel kann die dritte Schicht 18 aus Materialien hergestellt sein, die die innere Diffusion von Gasen wie etwa Stickstoff Sauerstoff oder Kohlendioxid in die umgebende Umwelt blockieren, oder die die Außendiffusion von festen Elementen oder Verbindungen blockieren, die sich auf der Metallisierungsschicht 12 befinden. Diese unerwünschten Elemente, Verbindungen oder Gase können nachteilig mit den anderen Materialien der Metallisierungsschicht 12 oder den Materialien des Substrats 10 reagieren. Insbesondere erzeugt die innere Diffusion von Sauerstoff oder Stickstoff Oxide oder Nitride in der Metallisierungsschicht 12 oder in dem Substrat 10, was den Metallisierungsfilm 12 oder dessen Haftung an dem Substrat 10 schwachen kann oder anderweitig nachteilig die Eigenschaften des Metallisierungsfilms 12 oder des Substrats 10 beeinflussen kann.
Die dritte Schicht 18 kann aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein, abhängig sowohl von den Materialien des Substrats 10 und von den Materialien der Haftschicht 14 und der zweiten Schicht 16 als auch von den Elementen, Verbindungen oder Gasen, von denen gewünscht wird, dass sie an der Diffusion nach innen blockiert werden. Jedoch ist Platin ein bevorzugtes Material für die dritte Schicht 18. Die dritte Schicht 18 wird vorzugsweise anfänglich bis zu einer Dicke von zwischen ungefähr 100 Ångström und ungefähr 10.000 Ångström abgelagert oder stärker bevorzugt zwischen ungefähr 1.000 Ångström und 5.000 Ångström und am stärksten bevorzugt ungefähr 3.000 Ångström. Die dritte Schicht 18 wird durch Plasmazerstäubung oder durch andere geeignete Ablagerungsverfahren abgelagert, die den Experten auf diesem Gebiet bekannt sind.
Die 1 illustriert die Metallisierungsschicht 12 nach der Ablagerung der ersten Schicht 14 (Tantal in der illustrierten Ausführung), der zweiten Schicht 16 (Tantalsilicid in der illustrierten Ausführung) und der dritten Schicht 18 (Platin in der illustrierten Ausführung). Nach der Ablagerung der Schichten 14, 16 und 18 wird die Metallisierungsschicht 12 geglüht (auch als Sintern bezeichnet), um bestimmte Reaktions- und/oder Reaktionsnebenprodukte zu verursachen. Insbesondere wird in einer Ausführung die in 1 gezeigte Struktur während einer Zeitdauer von ungefähr 30 Minuten bei etwa 600°C in einem Vakuum geglüht. Das Glühen bei einer Temperatur von ungefähr 600°C liefert eine gute Haftung der verschiedenen Schichten der Metallisierungsschicht 12, sowohl gegenseitig zueinander als auch gegenüber dem Substrat 10, und es liefert einen guten elektrischen Kontakt zwischen den verschiedenen Schichten der Metallisierungsschicht 12, sowohl gegenseitig zueinander als auch gegenüber dem Substrat 10. Glühen bei Temperaturen oberhalb von ungefähr 600°C kann die Mikrostruktur des Tantalsilicids 16 ungünstig ändern und kann eine unerwünschte Diffusion der Materialien der Metallisierungsschicht 12 in das Substrat 10 ermöglichen.
Die 2 illustriert die Struktur der 1 nach dem Glühschritt. Es sei für die weiteren Diskussionszwecke angemerkt, dass hierin die erste Schicht 14, die zweite Schicht 16 und die dritte Schicht 18 jeweils als die "Tantalschicht 14", "Tantalsilicidschicht 16" beziehungsweise "Platinschicht 18" bezeichnet werden können". Diese Konvention dient jedoch nur dem Zweck der Vereinfachung der Diskussion und sie soll keineswegs dazu dienen, die Schichten auf diese speziellen Materialien zu begrenzen. Weiterhin sei angemerkt, dass die verschiedenen Schichten oder Materialien mit Ausnahme jener, die in 2 gezeigt und unten diskutiert werden, sich in der Metallisierungsschicht 12 nach dem Glühen bilden können, und die 2 illustriert lediglich das Vorhandensein der verschiedenen, wesentlichen Schichten, von denen man annimmt, dass sie sich nach dem Glühen bilden.
Insbesondere wird dann, wenn das Substrat 10 aus Silizium besteht und die erste Schicht 14, die zweite Schicht 16 und die dritte Schicht 18 jeweils aus Tantal, Tantalsilicid beziehungsweise Platin bestehen, nach dem Glühen eine innere Tantalsilicidschicht 20 als ein Reaktionsprodukt der Haftschicht 14 und des Substrats 10 gebildet. Die innere Tantalsilicidschicht 20 haftet gut an der Tantalhaftschicht 14 und an dem Substrat 10 und deshalb liefert sie eine hohe Adhäsionsfestigkeit für die Metallisierungsschicht 12. Darüber hinaus wirkt die innere Tantalsilicidschicht 20, weil Tantalsilicid allgemein die Außendiffusion von vielen Materialien (einschließlich von Silizium) blockiert, auch wie eine Außendiffusionssperrschicht für ein Siliziumsubstrat 10.
Wenn das Substrat 10 aus Aluminiumnitrid (anstatt aus Silizium) besteht, dann kann die Schicht 20 aus anderen Materialien als Tantalsilicid bestehen oder solche umfassen wie etwa Tantalnitrid, Tantalaluminid oder ternäre Verbindungen von Tantal, Aluminium und Stickstoff. Wenn das Substrat 10 aus anderen Materialien als Silizium- oder Aluminiumnitrid besteht und wenn Tantal als die Haftschicht 14 verwendet wird, dann werden viele andere die Diffusion blockierenden Tantalverbindungen gebildet, abhängig von dem Material des Substrats.
Wie in 2 gezeigt ist, wird nach dem Glühen die obere Platinschicht 18 in eine Platinsilicidschicht 22 umgewandelt wegen der Reaktionen zwischen der Platinschicht 18 und dem Silizium der Tantalsilicidschicht 16. Das resultierende Platinsilicid 22 wirkt wie eine innere Diffusionssperrschicht und insbesondere sperrt sie die innere Diffusion von Sauerstoff und Stickstoff.
Die 2A illustriert eine alternative Ausführung, worin das Substrat 10 eine relativ dünne (d. h. zwischen ungefähr 0,2 und ungefähr 0,5 Mikrometer) Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material 10a enthält. Das Isolationsmaterial 10a kann aus Aluminiumnitrid, SiN, SiO₂ Al₂O₃ oder aus irgendeinem anderen elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material bestehen. Das Substrat 10 der 2A enthält auch ein relativ dickes (d. h. 1–50 Mikrometer) elektrisch leitendes Material 10b, das sich unterhalb des Isolationsmaterials 10a befindet. Das elektrisch leitende Material 10b kann mit Silizium oder mit Halbleitern dotiert sein. Das elektrisch isolierende Material 10a wird bereitgestellt, um den Film 12 und jede andere Komponente, die sich auf dem Substrat 10 befindet, vor dem elektrisch leitenden Material 10b elektrisch zu isolieren.
Wenn das Substrat der 2A benutzt wird, dann kann der Glühschritt ein elektrisches Leck durch die Isolationsschicht 10a erzeugen wegen der Diffusion von Platin oder Tantal in die Isolationsschicht 10a hinein und dort hindurch bis hin zu der leitfähigen Schicht 10b. Um die Diffusion durch die Isolationsschicht 10a zu verringern und um die geeignete Phasenbildung der Tantalsilicidschicht 16 zu gewährleisten (z. B. wenn die Tantalsilicidschicht 16 anfangs in getrennten Schichten aus Tantal und Silicid abgelagert wird), kann eher ein am einem einzelnen Schritt bestehendes Glühverfahren verwendet werden, als dass ein aus zwei Schritten bestehendes Glühverfahren verwendet wird. Das zweistufige Glühverfahren enthält das Ausführen eines ersten Glühschrittes bei über 460°C während einer Zeitdauer von ungefähr 30 Minuten, das langsame Erhöhen der Temperatur auf etwa 600°C über eine Zeitdauer von ungefähr 15 Minuten und dann ein Halten der Temperatur bei über 600°C während einer Zeitdauer von 1 Stunde.
Das zweistufige Glühverfahren verbessert die Haftung der Metallisierungsschicht 12 an dem Substrat 10 und es verbessert insbesondere die Haftung der Haftschicht 14. Zusätzlich wird, weil ein erheblicher Teil des zweistufigen Glühverfahren bei einer relativ niedrigen Temperatur (d. h. unterhalb von 600°C) stattfindet, die Diffusion von Platin oder Tantal durch die Schicht 10a und in die leitfähige Schicht 10b hinein verringert, wodurch elektrische Leckagestellen verringert werden. Somit können entweder das oben skizzierte einstufige oder zweistufige Glühverfahren (oder verschiedene andere Glühschritte, die die oben umrissenen Ergebnisse erreichen) auf dem Metallisierungsfilm 12 durchgeführt werden, um die Strukturen zu liefern, die in den 2 und 2A gezeigt sind.
Die 3 illustriert die Struktur von 2 mit einer sich darauf befindlichen Bindungsschicht oder einem sich darauf befindlichen Haftmittel 24. Der Zweck dieser Bindungsschicht 24 besteht darin, das Substrat 10 an eine andere Komponente oder ein anderes Substrat 10' (siehe 4) zu koppeln oder zu befestigen. Die Bindungsschicht 24 enthält ein Material oder Materialien, die vorzugsweise eine eutektische oder binäre Legierung mit einem anderen Material unter geeigneten Bedingungen bilden können. In der Ausführung, die in der 3 gezeigt ist, enthält die Bindungsschicht 24 das erste Bindungsmaterial oder die erste Bindungsschicht 25 und das zweite Bindungsmaterial oder die zweite Bindungsschicht 27, welche Schichten Eutektikums miteinander bilden können. Zum Beispiel besteht das erste Bindungsmaterial 25 vorzugsweise aus Germanium, Zinn oder Silizium, aber es kann aus jedem Element oder Material bestehen, das eine eutektische Legierung mit dem zweiten Bindungsmaterial 27 bilden kann. Das zweite Bindungsmaterial 27 besteht vorzugsweise aus Gold, aber es kann aus jedem Element oder Material bestehen, das eine eutektische Legierung mit dem ersten Bindungsmaterial 25 bilden kann.
Sowohl das erste Bindungsmaterial 25 als auch das zweite Bindungsmaterial 27 können auf der Metallisierungsschicht 12 durch Plasmazerstäubung oder durch andere geeignete Ablagerungstechniken abgelagert werden, die den Experten auf diesem Gebiet bekannt sind. Ferner können das erste Bindungsmaterial 25 und das zweite Bindungsmaterial 27 in einer Vielfalt von Dicken abgelagert werden. Die Dicke der Bindungsmaterialien 25, 27 sollte jedoch so ausgewählt werden, dass das gewünschte Verhältnis zwischen dem ersten Bindungsmaterial 25 und dem zweiten Bindungsmaterial 27 in der Endproduktbindung geliefert wird.
Darüber hinaus kann die Bindungsschicht 24 eine Vielfalt von Materialien, Verbindungen, Zusammensetzungen und dergleichen über jene hinaus enthalten, die oben für das erste Bindungsmaterial 25 und das zweite Bindungsmaterial 27 offenbart worden sind. Repräsentative Beispiele von Materialien der Bindungsschicht 24 enthalten InCuAu, AuNi, TiCuNi, AgCu, AgCuZn, InCuAg und AgCuSn.
In der illustrierten Ausführung enthält die Bindungsschicht 24 eine Abdeckschicht 29, die sich auf dem ersten Bindungsmaterial 25 befindet. Die Abdeckschicht 29 bedeckt und schützt mit einer Kappe das erste Bindungsmaterial 25, m eine Oxidation des ersten Bindungsmaterials 25 zu verhindern. Die Abdeckschicht 29 kann aus irgendeinem aus einer breiten Vielfalt von Materialien bestehen, die sich der Oxidation widersetzen wie etwa Gold. Die Abdeckschicht 29 besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die zweite Bindungsschicht 27, so dass die Abdeckschicht 29 an dem eutektischen Verbindungsverfahren teilnimmt. Die Abdeckschicht 29 ist ziemlich dünn, vorzugsweise weist sie eine Dicke von ungefähr 1000 Ångström oder weniger auf.
Die 4 illustriert die Komponente oder das Substrat von 3 mit einem zweiten Substrat oder Hilfssubstrat oder -komponente 10' einschließlich einer zweiten Metallisierungsschicht 12' und einer zweiten Bindungsschicht 24' darauf. Das Substrat 10' kann aus den gleichen Materialien hergestellt sein wie die Materialien, die oben für das Substrat 10 umrissen worden sind, und die Materialien für die Metallisierungsschicht 12' und Bindungsschicht 24' des Substrats 10' entsprechen den Materialien, die oben für die Metallisierungsschicht 12 und die Bindungsschicht 24 des Substrats 10 beschrieben worden sind.
Für die Beschreibung unten wird angenommen werden, dass die ersten Bindungsmaterialien 25, 25' aus Germanium und dass die zweiten Bindungsmaterialien 27, 27' und die Abdeckmaterialien 29, 29' aus Gold bestehen, um eine Diskussion über die spezifischen Eigenschaften der eutektischen Gold/Germanium Legierung zu ermöglichen. Diese Diskussion dient jedoch nur illustrativen Zwecken und es sollte verstanden werden, dass verschiedene andere Materialien als die ersten Bindungsmaterialien 25, 25', als die zweiten Bindungsmaterialien 27, 27' und als die Abdeckmaterialien 29, 29' benutzt werden können.
Die Substrate 10, 10' werden als Nächstes in einem Bindungsverfahren einer flüssigen Übergangsphase zusammengefügt oder verbunden, was im Fachgebiet gut bekannt ist, aber trotzdem unten kurz skizziert wird. Um die Bindung der flüssigen Übergangsphase zu beginnen, wird ein leichter Druck (z. B. einige pounds) ausgeübt, um die Substrate 10, 10' und die Bindungsschichten 24, 24' zusammenzudrucken (5). Die Bindungsschichten 24, 24' werden dann einer Temperatur am oder über dem eutektischen Punkt oder der eutektischen Temperatur der Bindungslegierung, d. h. einer Gold/Germanium Legierung, ausgesetzt. Wie in der 19 gesehen werden kann, liegt zum Beispiel die eutektische Temperatur einer Gold/Germanium Legierung bei etwa 361°C.
In dem illustrativen Beispiel werden die Bindungsschichten 24, 24' einer Temperatur von ungefähr 450°C ausgesetzt. Jedoch werden die tatsächlichen Bindungstemperaturen von der Diffusionsgeschwindigkeit der Bindungsmaterialien 25, 25', 27, 27', von der Dicke der Bindungsmaterialien und von der Zeit abhängen, die verfügbar ist, um die Diffusion so abzuschließen, dass eine gleichmäßige feste Lösung der Bindungslegierung erreicht wird.
Sobald die Materialien an den Gold/Germanium Schnittstellen die eutektische Temperatur (d. h. 361°C) erst einmal erreichen, werden Zonen geschmolzener oder flüssiger Materialien 31 an jeder Schnittstelle gebildet (siehe 6) auf Grund des Schmelzens der Materialien. In der 6 sind die ganzen Abdeckschichten 29, 29' geschmolzen (wegen der Dünnheit dieser Schichten), um die zentrale flüssige Zone 31 zu bilden, und Teile der ersten Bindungsschichten 25, 25' sind geschmolzen, um die obere und untere flüssige Zone 31 zu bilden. Jede Zone flüssigen Materials 31 weist eine Zusammensetzung auf, die an oder nahe bei der eutektischen Zusammensetzung liegt.
Da die Bindungsschichten 24, 24' damit fortfahren, sich zu erhitzen und sich der Umgebungstemperatur (d. h. 450° in dem illustrierten Beispiel) zu nähern, fahren die flüssigen Zonen 31 weiterhin damit fort, so lange zu wachsen und sich auszubreiten, bis das gesamte Material der Germaniumschichten 25, 25' geschmolzen und in die flüssigen Zonen 31 aufgelöst worden ist.. Die getrennten flüssigen Zonen 31 der 6 wachsen und kombinieren schließlich, um eine einzelne, größere, flüssige Zone 31 zu bilden (7). In der in der 7 gezeigten Phase sind die letzten Reste des Materials der Germaniumschichten 25, 25' aufgelöst worden und die flüssige Zone 31 verbleibt in der Zusammensetzung A der 19.
Als Nächstes fahren die Materialien der Goldschichten 27, 27', die angrenzend zu der flüssigen Zone 31 liegen, damit fort, sich zu verflüssigen, da die umgebenden Materialien sich der Umgebungstemperatur nähern. Da zusätzliches Gold geschmolzen und zu der flüssigen Zone 31 hinzugefügt wird, wird das Germanium in der flüssigen Zone 31 verdünnt und der Prozentsatz an Germanium in der flüssigen Zone 31 wird dadurch verringert. Somit bewegt sich die Zusammensetzung der flüssigen Zone 31 aufwärts und in Richtung der linken Seite des Punkts A entlang der Liquiduslinie 37 der 19. Da das geschmolzene Gold weiterhin damit fortfährt, das Germanium zu verdünnen, erreicht die flüssige Zusammensetzung schließlich die Zusammensetzung am Punkt B der 19, wenn die flüssige Zone 31 die Umgebungstemperatur von 450°C erreicht.
Die 8 illustriert das Bindungsverfahren, in welchem die flüssige Zone 31 gewachsen ist und Gold so hinzugefügt worden ist, dass die flüssige Zone 31 an der Zusammensetzung B liegt. In dieser Phase hat die flüssige Zone 31 die Umgebungstemperatur von 450°C erreicht und weist eine Zusammensetzung von ungefähr 24 Atomprozent Germanium und 76 Atomprozent Gold auf.
Sobald die Zusammensetzung der flüssigen Zone 31 den Punkt B erreicht, beginnt das Germanium in der flüssigen Zone 31 damit, in die restliche feste Goldschicht 27, 27' an der Schnittstelle 33 der flüssigen Zone 31 und der Goldschichten 27, 27' zu diffundieren. Wenn dieses eintritt, fällt die Konzentration an Germanium in der flüssigen Zone 31 angrenzend zu der Schnittstelle 33 ab. Wenn der Prozentsatz von Germanium an der Schnittstelle 33 ausreichend tief gefallen ist (d. h. ungefähr 3 Atomprozent Germanium oder weniger), dann wandelt sich die flüssige Zone 31 an der Schnittstelle 33 in eine feste Lösungsphase 35 um (siehe 9). Die so neu gebildeten Feststoffe 35 weisen eine Zusammensetzung auf, die an dem Punkt C auf dem Diagramm von 19 angegeben ist. Wie in der 19 gesehen werden kann, befindet sich der Punkt C auf der Soliduslinie 39, die den Prozentsatz von Germanium angibt, an dem sich Feststoffe bei einer vorgegebenen Temperatur bilden werden. Somit weisen die neu gebildeten Feststoffe 35 ungefähr 3 Atomprozent Germanium und 97 Atomprozent Gold auf.
Die Umgebungstemperatur wird weiterhin bei 450°C gehalten und das verbleibende, restliche Germanium diffundiert weiterhin nach außen in die flüssige Zone 31 durch die neu gebildeten Feststoffe 35 hindurch und in die überwiegend aus Gold bestehenden (Gold)Schichten 27, 27'. Da das Germanium in der flüssigen Zone 31 weiterhin damit fortfährt, nach außen zu diffundieren, werden mehr an Germanium arme Flüssigkeiten an der Schnittstelle 33 der flüssigen Zone 31 und der Feststoffe 35 erzeugt und schließlich in Feststoffe 35 umgewandelt. Auf diese Art und Weise wachsen die Feststoffe 35 so lange nach innen, bis die gesamte flüssige Zone 31 verbraucht ist (10). An diesem Punkt kann der Feststoff 35 relativ reich an Germanium sein (d. h. 3 Atomprozent Germanium) und die umgebenden Goldschichten 27, 27' können relativ arm an Germanium sein (d. h. weniger als 3 Atomprozent Germanium). In diesem Fall führt das Germanium fort, durch eine Festkörperdiffusion aus dem Feststoff 35 in die Goldschichten 27, 27' so lange zu diffundieren, bis ein Gleichgewicht erreicht ist und sowohl der Feststoff 35 als auch die Goldschichten 27, 27' alle die gleiche Zusammensetzung aufweisen (in 11 als Feststoff 35 gezeigt).
Der nach der Festkörperdiffusion gebildete Feststoff 35 ist eine Gold/Germanium Legierung oder eine feste Legierungslösung, die eine Zusammensetzung von ungefähr 3 Atomprozent Germanium aufweist. Die Menge des verfügbaren Germaniums kann jedoch beschränkt und/oder herausgereinigt sein (mit einem Germaniumreinigungsmaterial wie etwa Platin, Nickel und Chrom), so dass der resultierende Feststoff eine Zusammensetzung von weniger als 3 Atomprozent Germanium aufweist (z. B. so niedrig wie etwa 0,5 Atomprozent Germanium oder sogar noch weniger), was die Zusammensetzung des Feststoffes 35 zu der linken Seite des Punkts C von 19 verschiebt. Unter Bezugnahme auf das Phasediagramm von 19 liefert das Verringern des Atomprozentsatzes von Germanium auf weniger als 3 Atomprozent eine Lösung, die sich auf der Soliduslinie 39 über dem Punkt C und auf der linken Seite des Punkts C befindet. Die Bewegung der Zusammensetzung in Richtung der linken Seite des Punkts C liefert eine feste Lösung 35 mit einem Schmelzpunkt über 450°C bis hin zu einem theoretischen Maximum von 1064°C.
Das oben beschriebene Bindungsverfahren der flüssigen Übergangsphase ermöglicht die Verbindung von zwei Materialien bei einer relativ niedrigen Temperatur (aber oberhalb der eutektischen Temperatur) und führt zu einer Bindung, die eine relativ hohe Schmelztemperatur aufweist. Das resultierende Bindungsmaterial 35 ist eine hypoeutektische, feste Gold-Germanium Legierung, die eine relativ hohe Schmelztemperatur aufweist. Das feste Bindungsmaterial 35 kann auch eine hypoeutektische, feste Gold-Silizium Legierung oder eine hypoeutektische, feste Gold-Zinn Legierung sein, abhängig von den Ausgangsmaterialien für die Bindungsschichten 24, 24'.
Die 12 illustriert die erste Komponente 10 und die zweite Komponente 10', nachdem die erste Bindungsschicht 24 und die zweite Bindungsschicht 24' verbunden worden sind, um eine einzelne Bindungsschicht 35, zu bilden Somit enthalten in der in der 12 gezeigten Ausführung beide Substrate 10, 10' Metallisierungsschichten 12.
Wie oben beschrieben enthält der Metallisierungsfilm 12 die innere Diffusionssperrschicht 22, welche die innere Diffusion von Materialien blockiert. Insbesondere während des oben diskutierten und in den 6–12 gezeigten Bindungsverfahrens können die erhöhten Temperaturen eine Diffusion von Materialien (d. h. Materialien der Bindungsschicht 24 und/oder O₂ oder N₂ aus der umgebenden Atmosphäre) in den oder durch den Metallisierungsfilm 12 verursachen, was ungünstige Reaktionen in den Metallisierungsschichten 12, 12' und/oder Komponenten 10, 10' verursachen würde. Die innere Diffusionssperrschicht 22 blockiert jedoch die Diffusion während des Bindungsverfahrens derart, dass keine bemerkenswerten neuen Materialschichten in den Metallisierungsschichten 12, 12' und in den Komponenten 10, 10' wegen der nach innen diffundierenden Materialien gebildet werden.
Wenn zum Beispiel die Struktur von 2 in eine Umwelt hingestellt wird, die ein Material enthält, von dem gewünscht wird, dass dessen Diffusion (wie etwa Sauerstoff oder Stickstoff) während einer Zeitdauer von 50 Stunden bei 600°C blockiert wird, dann liegen keine anderen Schichten als jene vor, die in 2 gezeigt sind, oder, wenn solche Schichten vorliegen, dann machen sie weniger als ungefähr 1 Massenprozent der Metallisierungsschicht 12 aus, wenn man gemäß Röntgen-Photoelektronenspektroskopieanalyse ("XPS"-Analyse) misst.
In ähnlicher Weise blockieren die Schichten 20 und/oder 14 und/oder 16 die Außendiffusion von Materialien des Substrats 10 während der Bindung oder des Ausgesetztseins gegenüber erhöhten Temperaturen. Insbesondere sind dann, wenn die Struktur der 2 der Luft oder einem Wasserdampf gegenüber ausgesetzt wird oder sich in einem Vakuum bei einer Temperatur von 600°C nach 50 Stunden befindet, keine anderen Schichten vorhanden als jene Schichten 10, 20, 14, 16, 18, 22, die in der 2 gezeigt sind, oder, wenn solche Schichten vorliegen, dann machen sie weniger als 1 Massenprozent der Schicht 12 aus, wenn man gemäß XPS-Analyse misst.
Darüber hinaus verbleibt die Metallisierungsschicht 12 bei erhöhten Temperaturen stabil, zum Beispiel während der erhöhten Temperatur des Bindungsverfahrens. Die Metallisierungsschicht 12 der 2 ist vorzugsweise thermodynamisch stabil, so dass die Metallisierungsschicht 12 strukturell intakt bleibt (d. h. sie bleibt an dem Substrat 10 haftend) nach einem Ausgesetztsein gegenüber Luft oder gegenüber Wasserdampf oder nachdem sie sich in einem Vakuum bei einer Temperatur von 600°C während einer Zeitdauer von 1000 Stunden befunden hat. Somit widersetzt sich die Metallisierungsschicht 12 der vorliegenden Erfindung der Diffusion dadurch, sie haftet gut an verschiedenen Substraten und sie ist thermodynamisch stabil. Außerdem behält die Metallisierungsschicht 12 diese Eigenschaften sogar bei erhöhten Temperaturen für lang andauernde Zeiträume bei wie etwa bei Temperaturen bis zu 600°C und somit kann sie Bindungsverfahren widerstehen.
Die Metallisierungsschicht 12 kann als ein Substrat zum Binden einer Vielfalt von Komponenten, Substraten oder dergleichen verwendet werden. In dem Beispiel, das in den 4–12 gezeigt ist, enthalten beide Substrate 10, 10' eine Metallisierungsschicht, die sich auf denselben befindet. In der Ausführung, die in den 13 und 14 gezeigt ist, enthält nur eine der Komponenten, die verbunden werden sollen, eine Metallisierungsschicht 12, die sich auf derselben befindet. Zum Beispiel enthält in der Ausführung, die in 13 gezeigt ist, eine im Allgemeinen scheibenähnliche Komponente, ein Wafer oder ein Substrat 30 (wie etwa eine keramische Waferscheibe oder Trägerscheibe) eine Metallisierungsschicht 12, die sich auf der äußeren Umfangsfläche 36 der Komponente, des Wafers oder des Substrat 30 befindet. Das zylinderförmige Gehäuse 40, an die die Scheibe 30 gekoppelt werden soll, enthält keine Metallisierungsschicht.
Um die erste Schicht 14, die zweite Schicht 16 und die dritte Schicht 18 auf der äußeren Umfangsoberfläche 36 abzulagern, kann ein zylinderförmiges Magnetron-Zerstäubungssystem zum Niederschlagen benutzt werden. In solch einem System wird die Scheibe 30 auf eine rotierende Spannvorrichtung im Innern der Zerstäubungskammer des zylinderförmigen Magnetrons gelegt. Das zylinderförmige Magnetron legt die erste Schicht 14, die zweite Schicht 16 und die dritte Schicht 18 auf der äußeren Oberfläche 36 der Scheibe 30 in einer zu der äußeren Oberfläche 36 normalen Richtung ab. In dieser Art und Weise liefert das zylinderförmige Magnetron einen Zerstäubungsfluss, der normal zu der gekrümmten Oberfläche 36 ist (d. h. die Richtung des Stroms der Metallatome ist normal zu der äußeren Oberfläche 36). Nach der Ablagerung der ersten Schicht 14, der zweiten Schicht 16 und der dritten Schicht 18 können die Schichten 14, 16, 18 geglüht werden, um die Schichten 14, 16, 20, 22 zu liefern (13), so wie es auch in der 2 gezeigt und oben in dem begleitenden Text beschrieben ist.
Die 13 illustriert eine allgemein röhrenförmige Metallkomponente oder ein Gehäuse 40, das so geformt ist, dass es an die zylinderförmige Scheibe 30 gekoppelt werden kann, und die 14 illustriert die Scheibe 30, wie sie passend in das Metallgehäuse 40 eingefasst ist. Die Metallisierungsschicht 12 ermöglicht der Scheibe 30, leicht an das Gehäuse 40 gekoppelt zu werden. Insbesondere können, wie in 14 gezeigt, ein duktiles Hartlötmaterial 44, ein Hartlötschlamm, eine Hartlötlegierung oder eine Hartlötpaste nahe bei dem oder um den äußeren Umfang der Scheibe 30 herum und in einem engen Kontakt mit dem rohrförmiges Gehäuse 40 und mit der Metallisierungsschicht 12 der Scheibe 30 abgelagert werden. Somit wird das Hartlötmaterial 44 auf den äußeren Durchmesser der Scheibe 30 und/oder auf den inneren Durchmesser des Gehäuses 40 aufgetragen.
Der spezielle Typ des Hartlötmaterials, des Hartlötschlamms, der Hartlötlegierung oder der Hartlötpaste hängt von dem Typ der Materialien der Scheibe 30 und des Gehäuses 40 ab, aber er kann die Form eines Hartlötmaterials annehmen, das in die Form eines Rings vorgeformt wird.
Das Hartlötmaterial 44 kann bei Raumtemperatur abgelagert und dann gegenüber einer erhöhten Temperatur (d. h. eine Temperatur von ungefähr 500°C) ausgesetzt werden, die geeignet ist, das Hartlötmaterial 44 zu schmelzen. Das geschmolzene Hartlötmaterial 44 (das wie die Bindungsschicht in der Ausführung wirkt, die in den 13 und 14 gezeigt ist) wird in die Lücke 46 zwischen der Scheibe 30 und dem Gehäuse 40 durch eine Kapillarwirkung gezogen (in 15 gezeigt). Wenn die Temperatur verringert wird, dann kühlt das Hartlötmaterial 44 ab und bildet eine feste Bindung in der gut bekannten Art des Standardlötens.
Die Scheibe 30 und das Gehäuse 40 werden in ihrer Größe so bemessen, dass sie eine robuste Verbindung bilden können. Insbesondere beim Erhitzen (d. h. während des Hartlötverfahrens) dehnt sich das Gehäuse 40 aus, um die Scheibe 30 darin relativ locker aufzunehmen (gezeigt in den 13 und 14). Wenn das Gehäuse 40 ein Metall ist, dann weist das Gehäuse 40 einen relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezüglich der keramischen Materialien auf wie etwa die Scheibe 30. Nachdem die Wärmequelle entfernt worden ist, kühlt das Metallgehäuse 40 ab und zieht sich um die Scheibe 30 herum zusammen, wodurch es die Scheibe 30 in eine Kompression versetzt. Diese zylinderförmige Verbindung versetzt die Scheibe 30 in eine radiale Kompression, um dadurch eine robuste Struktur zu bilden.
Weil die Metallisierungsschicht 12 gut an der Scheibe 30 anhaftet, Diffusionssperrschichten bildet und thermodynamisch stabil gegenüber hohen Temperaturen ist, kann die Metallisierungsschicht 12 nützlich sein bei der Bildung von Hartlötverbindungen wie oben beschrieben. In dieser Ausführung erfordert das Gehäuse 40 keine Metallisierungsschicht, weil das Gehäuse 40 aus Metall besteht. Somit kann die Metallisierungsschicht 12 zusätzlich zu dem Gebrauch in einer eutektischer oder binären Bindung oder dergleichen (wie oben beschrieben und in den 4–12 gezeigt) bei der Verbindung von zwei Komponenten durch Löten benutzt werden (und dies ist in den 13–15 gezeigt).
Wenn man die Strukturen der 13 und 14 zusammenbindet, wenn erwünscht, dann kann das oben beschriebene Verfahren des Sinterns oder Glühens zur Behandlung der Metallisierungsschicht 12 weggelassen werden. Insbesondere können die relativ hohen Temperaturen, denen man während des Verfahrens des Lötens begegnet, Reaktionen verursachen, die den chemischen Reaktionen in dem Glühverfahren ähnlich sind.
Für illustrative Zwecke und um leichter die nachfolgenden Bindungsschritte zu zeigen, illustriert die 15 die Struktur von 14, die von der, die in 14 gezeigt ist, umgewandelt ist. Eine andere Komponente, ein anderes Substrat oder ein Kontrollwafer 50 (die aus Silizium oder aus verschiedenen anderen Materialien, die oben für das Substrat 10 aufgelistet sind, hergestellt sein können) sind in ihrer Anordnung oberhalb der Scheibe 30 gezeigt. Der Wafer 50 enthält ein Paar von Bindungskontakten 52, 52', die sich auf demselben befinden, und die Scheibe 30 enthält ein Paar von Bindungskontakten 54, 54', die sich auf derselben befinden. Die Bindungskontakte 54, 54' der Scheibe 30 sind in ihrer Größe so bemessen und so geformt, dass sie den Bindungskontakten 52, 52' des Wafers 50 entsprechen. Insbesondere sind die Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' so angeordnet, dass, wenn der Wafer 50 mit der Oberseite der Scheibe 30 ausgerichtet ist und sich auf dieser befindet, die Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' sich gegenseitig zueinander in der Art und Weise des gut bekannten Flip-Chip-Standardverbindungsverfahrens in Eingriff nehmen.
Wie in 17 gezeigt ist, enthält ein jeder der Bindungskontakte 52, 54 (als auch die Bindungskontakte 52', 54') die Metallisierungsschicht 12 und ein Haftmittel 24, so wie es zum Beispiel in der 3 offenbart und wie es in dem begleitenden Text beschrieben ist. Um die Illustration zu erleichtern, wird jede der Bindungsschichten 24, 24' als eine einzelne Schicht gezeigt und die verschiedenen Unterschichten sind nicht gezeigt. In der Ausführung, die in den 15–18 gezeigt ist und als ein Kontrast zu der 3 dargestellt ist, sind die Metallisierungsschichten 12 und 12' und die Bindungsschichten 24 und 24' gemustert und sie bedecken nur einen Teil des darunter liegenden Substrats 30, 50, eher als dass sie die gesamte Oberfläche der damit verbundenen Substrate 30, 50 bedecken. Die Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' werden in der gewünschten Form durch Zerstäuben durch eine Maske gebildet oder durch ein Entfernen der unerwünschten Teile der Metallisierungsschicht 12 und/oder der Bindungsmaterialien 24, zum Beispiel durch reaktives Ionenätzen oder andere subtraktive Ätzverfahren.
Nachdem die Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' gebildet worden sind, wird der Wafer 50 so auf der Oberseite der Scheibe 30 aufgestellt, dass die Bindungskontakte 52, 54 sich gegenseitig in den Eingriff bringen (16). Die resultierende Anordnung wird dann erhitzt, um die Kontaktbindungsschichten 24, 24' zu aktivieren und dadurch den Wafer 50 und die Scheibe 30 zu koppeln. Dieser Erhitzungsschritt wird durchgeführt, um die Bindungsschichten 24, 24' der Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' in der gleichen Art und Weise zu aktivieren, wie es oben in dem Zusammenhang der 4–12 diskutiert worden ist beim Beschreiben der Kopplung der Bindungsschichten 24, 24' dieser Figuren.
Eine jede Schicht 14, 16, 22 der Metallisierungsschichten 12 wird vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt. Die Metallisierungsschicht 12 kann zum Beispiel, wie oben skizziert, Tantal, Tantalsilicid, Platin und Platinsilicid umfassen, von denen alle elektrisch leitend sind. Darüber hinaus können die Bindungsschichten 24, 24' aus Metallen oder aus anderen elektrisch leitenden Materialien hergestellt sein (d. h. Gold und Germanium). In dieser Art dienen die Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' auch dazu, die elektrische Scheibe 30 und den Wafer 50 zu koppeln. Insbesondere können verschiedene elektrische Kontaktanschlussflächen, Ausgangskontaktflächen, metallische Kontakte und dergleichen der Scheibe 30 und des Wafers 50 zusammen durch die Bindungskontakte elektrisch gekoppelt werden. In dieser Art können die Bindungskontakte 52, 52', 54, 54' der zweifachen Funktion dienen, sowohl die beiden Komponenten 30, 50 zusammenzubinden als auch die elektrischen Kontakte dazwischen zu liefern.
Die 15 illustriert einen ASIC, einen Transducer, Schaltkreis, eine elektronische Komponente oder dergleichen (zusammen als eine elektronische Komponente 55 bezeichnet), welche an die Scheibe 30 gekoppelt werden sollen. Die elektronische Komponente 55 weist darauf sich befindende Kontakte 70 auf, die mit dem Kontakt 54' und mit dem Kontakt 72 der Scheibe 30 ausgerichtet sind. In diesem Fall kann die elektronische Komponente 55 elektrisch an die Scheibe 30 und/oder an den Wafer 50 über den Kontakt 54', den Kontakt 70 und den Kontakt 52' gekoppelt werden, wie es in der 16 gezeigt ist.
Wenn es gewünscht ist, kann einer der beiden Kontakte 54, 54' auf einen in der Scheibe 30 eingebetteten Stift (nicht gezeigt) gestellt oder an diesen elektrisch gekoppelt werden. Der Stift kann elektrisch an ein externes Gerät wie etwa an einen Prozessor (nicht gezeigt) gekoppelt werden, um dadurch die elektronische Komponente 55 an das externe Gerät elektrisch zu koppeln. Der Anschluss 54' liefert somit einen robusten und hoch hitzebeständigen, elektrischer Kontakt.
In einem Beispiel wird ein doppelseitig polierter, aus einem Einkristall bestehender Siliziumwafer mit 100 mm Durchmessers und mit einer Dicke von ungefähr 400 Mikrometer geliefert. Der Wafer wird dann gereinigt unter Verwendung des gut bekannten RCAI-Reinigungsverfahrens, welches organische Filme und organische Rückstände aus dem Wafer unter Verwendung von Wasser, Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid entfernt. Der Siliziumwafer wird dann HF-Dämpfen während einer Zeitdauer von einer Minute ausgesetzt, um den Wafer weiter zu reinigen.
Der gereinigte Siliziumwafer wird dann direkt in ein Zerstäubungsablagerungssystem eingesetzt wie etwa in ein Modell 944 Sputter System, das von KDF Electronic Vakuum Services Inc. aus Valley Cottage, New York, verkauft wird oder in ein CMS-18 Sputter System, das von Kurt J. Lesker Co. aus Clairton, Pennsylvania, verkauft wird. In der Zerstäubungskammer wird dann der Druck abgelassen bis auf einen Druck von zwischen ungefähr 5 und ungefähr 15 Millitorr. Der Wafer wird dann durch ein Zerstäubungsätzen mit einer Leistung von ungefähr 100 Watt während einer Zeitdauer von 5 Minuten behandelt, um alle Restoxide zu entfernen. Eine Tantalhaftschicht wird dann bis zu einer Dicke von ungefähr 500 Ångström abgelagert. Als Nächstes wird eine Außendiffusionssperrschicht aus Tantalsilicid bis zu einer Dicke von ungefähr 2.000 Ångström abgelagert. Eine innere Diffusionssperrschicht aus Platin wird dann bis zu einer Dicke von ungefähr 1.500 Ångström abgelagert.
Der Siliziumwafer mit Tantal, Tantalsilicid und Platin wird dann aus dem Zerstäubungsablagerungssystem entfernt und in einen Ofen zum Glühen gestellt. Der Wafer wird dann bei 450°C während einer Zeitdauer von 1 Stunde geglüht und dann bei 600°C während einer Zeitdauer von 1 Stunde geglüht, wobei die beiden Glühschritte bei einem Druck von 10^–5 Torr stattfinden. Der geglühte Wafer wird dann in das Zerstäubungssystem eingesetzt und einem Zerstäubungsätzen bei einer Leistung von 100 Watt während einer Zeitdauer von 5 Minuten ausgesetzt. Eine Tantalhaftschicht wird bis zu einer Dicke von 500 Ångström abgelagert, nach welcher dann die Bindungsmaterialien darauf abgelagert werden. Der Siliziumwafer kann dann an eine andere Komponente durch Bindungstechniken der flüssigen Übergangsphase gebunden werden.

Claims

Komponente, die umfasst: ein Substrat (10), das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Halbleitermaterialien, Keramiken, Gläsern und Kombinationen dieser Materialien; und eine geglühte Metallisierungsschicht (12), die enthält: eine Haftschicht (14), die ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Verbindungen, die das Reaktionsprodukt des Substrats (10) und eines Metalls sind, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Tantal, Chrom, Zirconium und Hafnium; eine erste Diffusionssperrschicht (16) einer Verbindung, die ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Tantalsilicid, Tantalcarbidid und Wolframnitrid; und eine zweite Diffusionssperrschicht (22) aus Platinsilicid.
Komponente gemäß Anspruch 1, bei welcher die Metallisierungsschicht enthält eine auf dem Substrat befindliche Tantalschicht, eine aus Tantalsilicid bestehende erste Diffusionssperrschicht, die sich auf der Tantalschicht befindet, und eine aus Platinsilicid bestehende zweite Diffusionssperrschicht, die sich auf der Tantalsilicidschicht befindet.
Komponente gemäß Anspruch 2, bei der eine jede der Schichten aus Tantal, Tantalsilicid und Platinsilicid eine Dicke zwischen etwa 100 Ångström und etwa 10000 Ångström aufweist.
Komponente gemäß Anspruch 2, bei der die Komponente zusätzlich ein Haftmittel enthält, das sich auf der Platinsilicidschicht befindet, wobei das Haftmittel aus einer Hartlotlegierung, einer eutektischen Legierung oder einer binären Legierung besteht.
Komponente gemäß Anspruch 2, bei der das Substrat aus Silizium besteht und das Reaktionsprodukt des Substrats und der Tantalschicht aus einer zweiten Tantalsilicidschicht besteht.
Komponente gemäß Anspruch 5, bei der die zweite Tantalsilicidschicht sich zwischen der Tantalschicht und dem Substrat befindet.
Komponente gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Substrat aus Siliziummaterial oder Keramikmaterial besteht.
Komponente gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Substrat aus Silizium besteht.
Komponente gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine Hilfskomponente an das Substrat durch ein Haftmittel gebunden ist, das sich zwischen dem Substrat und der Hilfskomponente befindet, wobei das Haftmittel an die Metallisierungsschicht so gekoppelt wird, um dadurch das Substrat und die Hilfskomponente miteinander zu verbinden.
Komponente gemäß Anspruch 9, bei der das Substrat aus einem Wafer oder aus einem Teil eines Wafers besteht und die Hilfskomponente ein Gehäuse für den Wafer oder für einen Teil des Wafers ist.
Komponente gemäß Anspruch 10, bei welcher der Wafer oder ein Teil des Wafers im Allgemeinen zylindrisch ist und das Gehäuse im Allgemeinen rohrförmig ist und den Wafer oder einen Teil des Wafers darin aufnimmt.
Komponente gemäß Anspruch 11, bei welcher der Wafer oder ein Teil des Wafers durch das Gehäuse radial zusammengepresst wird.
Komponente gemäß Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Wafer oder ein Teil des Wafers eine Umfangsfläche aufweist und die Metallisierungsschicht sich auf der Umfangsfläche des Wafers oder eines Teiles des Wafers befindet.
Komponente gemäß Anspruch 9, 10 oder 11, bei der das Substrat aus Keramik besteht und die Hilfskomponente ein Metall ist.
Komponente gemäß Anspruch 9, bei der das Substrat und die Hilfskomponente beide jeweils aus einem Siliziumwafer oder aus einem Teil eines Siliziumwafers bestehen.
Komponente gemäß Anspruch 15, bei der die Hilfskomponente umfasst ein Hilfssubstrat und eine Hilfskomponenten-Metallisierungsschicht, die enthält eine auf dem Hilfssubstrat befindliche Tantalschicht, eine auf der Tantalschicht befindliche Tantalsilicidschicht und eine auf der Tantalsilicidschicht befindliche Platinsilicidschicht.
Komponente gemäß Anspruch 16, bei der das Haftmittel sich zwischen der Metallisierungsschicht des Substrats und der Metallisierungsschicht der Hilfskomponente befindet und mit diesen Metallisierungsschichten gekoppelt ist.
Komponente gemäß Anspruch 17, bei der die Metallisierungsschicht selektiv das Substrat bedeckt und die Hilfsmetallisierungsschicht selektiv das Hilfssubstrat bedeckt, und wobei die Metallisierungsschicht und die Hilfsmetallisierungsschicht in komplementären Formen derart angeordnet sind, dass die Metallisierungsschicht und die Hilfskomponenten-Metallisierungsschicht gegenseitig zueinander ausgerichtet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Systems, welches die folgenden Schritte umfasst: ein Bereitstellen eines Substrats (10); ein Auftragen einer Metallisierungsschicht (12) auf das Substrat, wobei die Metallisierungsschicht (12) enthält eine Tantalschicht (14) auf dem Substrat (10), eine Tantalsilicidschicht (16) auf der Tantalschicht (14) und eine Platinschicht (18) auf der Tantalsilicidschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 19, das ferner den Schritt des Glühens der Metallisierungsschicht umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem das Substrat aus Silizium besteht und der Schritt des Glühens die Erzeugung einer aus Tantalsilicid bestehenden Außendiffusionssperrschicht veranlasst, die sich zwischen der Tantalschicht und dem Substrat befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, bei dem der Schritt des Glühens die Platinschicht zu Platinsilicid umwandelt.
Verfahren gemäß Anspruch 20, 21 oder 22, bei dem der Schritt des Glühens das Aussetzen der Metallisierungsschicht gegenüber einer Temperatur von mindestens etwa 460°C enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der Schritt des Auftragens das Ablagern der Tantalschicht, der Tantalsilicidschicht und der Platinschicht durch eine plasmaverstärkte, physikalische Aufdampfung bzw. Dampfabscheidung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der Schritt des Auftragen das Ablagern der Tantalsilicidschicht auf dem Substrat durch ein Ablagern abwechselnder Schichten aus Tantal und Silizium und dann das Glühen der abwechselnden Schichten umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 19, welches ferner vor dem Schritt des Auftragen den Schritt des Reinigens des Substrats umfasst, um Oxide davon zu beseitigen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei der eine jede der Schichten aus Tantal, Tantalsilicid und Platin eine Dicke zwischen etwa 100 Ångström und etwa 10000 Ångström aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 19, welches ferner enthält die Schritte des Bereitstellens einer Hilfskomponente, des Auftragen eines Haftmittels zwischen dem Substrat und der Hilfskomponente oder des Positionieren des Substrats und der Hilfskomponente derart, dass das Haftmittel sich zwischen denselben befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem die Hilfskomponente eine Hilfsmetallisierungsschicht enthält und wobei die Metallisierungsschicht selektiv das Substrat bedeckt und die Hilfsmetallisierungsschicht selektiv die Hilfskomponente bedeckt, und wobei die Metallisierungsschicht und die Hilfsmetallisierungsschicht in komplementären Formen derart angeordnet sind, dass die Metallisierungsschichten allgemein ausgerichtet sind, wenn das Substrat und die Hilfskomponente gegenseitig zueinander in der Art und Weise eines Flip-Chip-Verbindungsverfahren ausgerichtet sind.
Produkt, das umfasst: eine Komponente (10); eine Metallisierungsschicht (12) auf der Komponente (10), wobei die Metallisierungsschicht (12) enthält eine Tantalschicht (14), die sich auf der Komponente (10) befandet, eine Tantalsilicidschicht (16), die sich auf der Tantalschicht (14) befindet, und eine Platinsilicidschicht (22), die sich auf der Tantalsilicidschicht (16) befindet; und eine Bindungsstruktur (35), die sich auf der Metallisierungsschicht (12) befindet, wobei die Bindungsstruktur (35) enthält eine hypoeutektische, feste Gold-Germanium Legierungslösung, eine hypoeutektische, feste Gold-Silizium Legierungslösung oder eine hypoeutektische, feste Gold-Zinn Legierungslösung.
Produkt gemäß Anspruch 30, das ferner umfasst eine Hilfskomponente, die an die Komponente über die Bindungsstruktur gekoppelt ist.
Produkt gemäß Anspruch 31, bei dem die Hilfskomponente eine darauf befindliche Hilfsmetallisierungsschicht enthält, wobei die Hilfsmetallisierungsschicht enthält eine Tantalschicht, die sich auf der Hilfskomponente befindet, eine Tantalsilicidschicht, die sich auf der Tantalschicht befindet, und eine Platinsilicidschicht, die sich auf der Tantalsilicidschicht befindet.