JP3559432B2 - 半導体メタリゼイションシステムを形成する方法およびその構造 - Google Patents

半導体メタリゼイションシステムを形成する方法およびその構造 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、集積回路に関しかつ、より特定的には、集積回路メタリゼイションシステム（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造において、メタリゼイションシステムは典型的には半導体ダイの上に形成されて半導体ダイのセラミックまたはリードフレームのような金属構造への接合を促進する。一般に、メタリゼイションシステムは、クロミウム、ニッケルおよび金の層（ＣｒＮｉＡｕ）、チタン、プラチナおよび金の層（ＴｉＰｔＡｕ）、またはチタン、ニッケルおよび金の層（ＴｉＮｉＡｕ）のような、複数層の金属から構成される。第１の層は一般に半導体基板への接合の可能性のためクロミウムまたはチタンである。さらに、第１の層の金属は第２の金属層、例えば、ＮｉまたはＰｔ、を半導体ダイに結合する働きをなす。第２の金属層の上に金の保護層が形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記メタリゼイションシステムの重要な用途は半導体ダイをリードフレームに接合するためのものである。この接合工程を行う１つの技術ははんだリフロープロセスである。前記接合工程ははんだリフロープロセスを使用して行われるため、接合された半導体リードフレーム構造はその後接合温度より低い温度に維持されなければならない。さもなければ、半導体ダイはリードフレームから分離されることになる。従って、その後の処理工程は初めの接合温度より低い温度で行われなければならない。もしその後の処理工程がはんだリフロープロセスの温度より高い温度を必要とすれば、ダイ取付接合の完全性は危険にさらされるかもしれない。従来技術のメタリゼイションシステムの欠点はダイ取付接合の温度限界がその後のはんだリフロー処理の温度に非常に近いかあるいはより高いことである。
【０００４】
従って、メタリゼイションシステムの形成の後に高い温度処理を可能にする温度限界を有する半導体メタリゼイションシステムを持つことが有利であろう。さらに、接合温度における金属の溶融を防ぐメタリゼイションシステムを持つことも有利であろう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、メタリゼイションシステムのための構造において、表面を有する基板、前記基板の前記表面上に配置されたチタンの第１の層、そして前記第１の層上に配置されたニッケルおよびバナジウム組成物の第２の層を設ける。
【０００６】
本発明の別の態様では、半導体装置において、第１の面および第２の面を有する半導体基板であって、前記第１の面はそこから形成されたトランジスタを有するもの、前記第１の面および前記第２の面の内の少なくとも１つの上に配置されたチタンの接着層、そして前記接着層の上に配置されたバリア層であって、該バリア層はニッケルおよびバナジウム組成物からなる層を含むものを設ける。
【０００７】
本発明のさらに別の態様では、リードフレームのためのメタリゼイションシステムにおいて、前記リードフレームの上に配置されたチタンの第１の層、前記第１の層の上に配置された第２の層であって、該第２の層はニッケルおよびバナジウム組成物を含むものを設ける。
【０００８】
本発明のさらに別の態様では、半導体装置のメタリゼイションシステムを形成する方法であって、第１の表面を有する半導体基板を提供する段階、前記表面上にチタンの接着層を配置する段階、そして前記接着層上に第２の層を配置する段階であって、該第２の層はニッケルおよびバナジウム組成物を含む前記段階、を具備する半導体装置のメタリゼイションシステムを形成する方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係わる処理の間における半導体装置２３の断面図を示す。より詳細には、図１は頭部面２１および底部面２２を有する半導体基板２０を示している。半導体基板２０のための適切な材料はガリウムひ素（ｑａｌｌｉｕｍ ａｒｓｅｎｉｄｅ）、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、インジウムリン化物（ｉｎｄｉｕｍ ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）、その他を含む。半導体基板２０はそこから製造された半導体装置２３を含む。１例として、半導体装置２３は頭部面２１の上に形成されたゲート構造２４を有する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。ゲート構造２４はゲート酸化物２６によって頭部面２１から間隔を空けたゲート電極２５を含む。ゲート端子２７はゲート電極２５にコンタクトを行っている。ソース領域２８はゲート構造２４の第１の側部に隣接しておりかつドレイン領域２９はゲート構造２４の第２の側部に隣接している。ソース端子３１はソース領域２８にコンタクトを行っており、かつドレイン端子３２はドレイン領域２９にコンタクトを行っている。半導体装置２３のような電界効果トランジスタを製造する技術は当業者によく知られている。半導体装置２３はＭＯＳＦＥＴに制限されるものではないことを理解すべきである。例えば、それはバイポーラトランジスタ、ダイオード、バイポーラ相補金属酸化物半導体（ＢｉＣＭＯＳ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、変調ドープ電界効果トランジスタ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＤＦＥＴ）その他とすることができる。
【００１１】
図２は、本発明に係わる、その上に配置されたメタリゼイションシステム３６を有する半導体基板２０の断面図を示す。本発明の１実施形態では、メタリゼイションシステム３６は３層メタリゼイションシステムであり、この場合各層はスパッタ被着（ｓｐｕｔｔｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術を使用して形成される。接着層（ａｄｈｅｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）３７は半導体基板２０の底部面２２の上に形成されあるいはスパッタ被着される。接着層３７のための適切な材料はグループＩＶＢおよびグループＶＢの元素からなる周期律表のグループから選択された遷移金属（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。１例として、接着層３７はほぼ３００オングストローム（Ａ°）および３，０００オングストロームの間に及ぶ厚さを有するチタンである。好ましくは、接着層３７の厚さは５００オングストロームである。接着層３７は半導体基板２０と後に説明するようなその後形成される金属層との間の接着を促進する。層３７の熱膨張係数はその後形成される金属層のものと近密に整合し、従って高い温度における良質の機械的および化学的接合を保証することが注目されるべきである。
【００１２】
バリア層３８はスパッタ被着技術を使用して接着層３７の上に形成される。１例として、バリア層３７はほぼ１，０００オングストロームおよび５，０００オングストロームの間に及ぶ厚さを有するニッケルおよびバナジウム（ｖａｎａｄｉｕｍ）の混合物である。好ましくは、バリア層３８の厚さは３，０００オングストロームである。本発明によれば、バリア層３８におけるバナジウムの濃度はほぼ重量で３％およびほぼ重量で３１％の間に及んでいる。好ましくは、バナジウムの濃度は重量でほぼ７％でありかつニッケルの濃度は重量でほぼ９３％である。バナジウムの重量パーセントは３％より小さくてもよくあるいは３１％より大きくてもよいことが理解されるべきである。ニッケルおよびバナジウムの混合物ははんだリフロープロセスの間におけるニッケルの溶解および該ニッケルのその後の拡散を防止するバリアを形成する。
【００１３】
バリア層３８のための他の適切な混合物はニッケル−ニオブ（ＮｉＮｂ）、ニッケル−タンタル（ＮｉＴａ）、ニッケル−硫黄（ＮｉＳ）、ニッケル−アンチモン（ＮｉＳｂ）、ニッケル−スカンジウム（ＮｉＳｃ）、ニッケル−サマリウム（ＮｉＳｍ）、ニッケル−スズ（ＮｉＳｎ）、ニッケル−マグネシウム（ＮｉＭｇ）、ニッケル−イットリウム（ＮｉＹ）、ニッケル−ハフニウム（ＮｉＨｆ）、およびニッケル−ジルコニウム（ＮｉＺｒ）のようなニッケル合金を含む。
【００１４】
保護層３９はスパッタ被着技術を使用してバリア層３８の上に形成される。保護層３９のための適切な材料は金および金合金を含む。１例として、保護層３９はほぼ５００オングストローム及び３，０００オングストロームの間に及ぶ厚さを有する。好ましくは、保護層３９の厚さは１，０００オングストロームである。保護層３９はバリア層３８のニッケルが酸化されるのを防止する。
【００１５】
層３７，３８および３９はスパッタ被着技術を使用して形成されるものとして説明されているが、これは本発明を制限するものでないことが理解されるべきである。例えば、層３７，３８および３９は真空蒸着技術を使用して形成できる。
【００１６】
図３は、熱サイクルが前記金属合金における金属の再配分または再分布（ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を引き起こした後の図２のメタリゼイションシステム３６における金属の分布を説明するものである。本発明によれば、メタリゼイションシステム３６は３層メタリゼイションシステムであり、第１の層３７はチタンであり、第２の層３８はニッケルおよびバナジウムの組合わせであり、そして第３の層３９は金である。より詳細には、図３はメタリゼイションシステム３６の各層の厚さおよび各層内の金属の分布を示している。０オングストロームの距離は図２の半導体基板２０と接着層３７との間の境界または界面を表している。５００オングストロームの距離は図２の接着層３７とバリア層３８との間の境界または界面を表している。３，５００オングストロームの距離は図２のバリア層３８と保護層３９の間の境界または界面を表している。４，５００オングストロームの距離は図２のメタリゼイションシステム３６の境界を表しておりかつはんだダイ取付材料の境界または界面である。
【００１７】
熱サイクルはバリア層３８においてはじめに被着されたニッケルおよびバナジウムの混合物を再分布させ、該混合物の濃度の中心を再配置する。ＮｉＶ混合物のスパッタリング後の熱サイクルは処理工程またはアセンブリのはんだリフロー製造工程に帰するものとすることができる。ニッケルの濃度４１はバリア層３８内に分布しかつバリア層３８内のほぼ中心にピーク濃度を有する。ニッケルの濃度は接着層３８およびバリア層３８の間の境界またはバリア層３８と保護層３９の間の境界の近くで低減する。ピークバナジウム濃度（参照数字４０で示されている。）はバリア層３８および保護層３９の境界の近くで生じている。バリア層３８においては、ニッケルはバナジウムがバリア層３８と保護層３９の間の境界に隣接してピークを生じているところで濃度が減少している。バナジウムのこのピーク濃度または山積（ｐｉｌｅ−ｕｐ）はバリア層３８からダイ取付材料のために使用されるはんだ内へのニッケルの溶解を防止する。
【００１８】
例えば、保護層３９における金ははんだリフロープロセスの間に生じる高温の間にはんだ内に溶解する。バリア金属、例えば，ニッケルおよびバナジウムは、はんだ成分が底部面２２に向かって内部へ拡散することに対する保護を提供する。典型的には、メタリゼイションシステム３６を有するダイは、任意選択的にニッケルでメッキされ、かつ次に金または銀でメッキされた、銅のリードフレーム（図示せず）に取り付けられる。ダイを半導体基板２０からリードフレームに取り付けるために使用されるはんだ（ｓｏｌｄｅｒｓ）の例は、８５％の鉛（Ｐｂ）／１０％のアンチモン（Ｓｂ）／５％のスズ（Ｓｎ）、または８０％の鉛（Ｐｂ）／１０％のスズ（Ｓｎ）／１０％のアンチモン（Ｓｂ）、または９７．５％の鉛（Ｐｂ）／２．５％の銀（Ａｇ）、または６２％のスズ（Ｓｎ）／３６％の鉛（Ｐｂ）／２％の銀（Ａｇ）、のような組成を有する。メタリゼイションシステム３６はほぼセ氏１９０度からセ氏４１０度に及ぶ温度ではんだをリフローすることによりリードフレームに接合される。温度が冷却するに応じて、はんだはメタリゼイションシステム３６をリードフレームに接合する。
【００１９】
【発明の効果】
以上から、本発明は高温処理において使用するのに適したメタリゼイションシステムを提供することが理解されるべきである。例えば、メタリゼイションシステム３６は約セ氏１９０度からセ氏４１０度に及ぶ温度でダイ取付プロセスを行うのに適している。本メタリゼイションシステムは広い範囲のはんだ合金、リードフレームメッキ材料、接合技術、および半導体基板材料と共に使用するのに適している。さらに、本メタリゼイショシステムは基板に対し良好な接着を提供し、かつはんだ金属システム境界における低いボイド形成を有する。実験結果によれば実質的に何等のボイドも形成されないことが示されている。従って、本発明はリフロープロセスのような高温処理において使用するのに適したシステムを提供する。
【００２０】
本発明の特定の実施形態が示されかつ説明されたが、当業者にはさらに他の修正および改善が可能であろう。例えば、本発明はバックメタルのためのメタリゼイショシステムに関して説明された。しかしながら、本発明はフロントメタルシステムにおいて使用するのにも適していることが理解される。本メタリゼイショシステムは基板２０の頭部面２１に対する相互接続としてパターニングされかつ使用することができる。例えば、半導体装置を相互接続しかつ頭部面のボンディングパッドを提供する本メタリゼイションシステムを備えた基板はフリップチップ（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）パッケージにおいてはんだ接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるプロセスの間における半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置をその上に形成されたメタリゼイションシステムを有する状態で示す断面図である。
【図３】熱サイクルが金属合金における金属の再分布を生じさせた後の図２のメタリゼイションシステムにおける金属の分布を示す説明図である。
【符号の説明】
２０ 半導体基板
２１ 頭部面
２２ 底部面
２３ 半導体装置
２４ ゲート構造
２５ ゲート電極
２６ ゲート酸化物
２７ ゲート端子
２８ ソース領域
２９ ドレイン領域
３１ ソース端子
３２ ドレイン端子
３６ メタリゼイションシステム
３７ 接着層
３８ バリア層
３９ 保護層

Claims (4)

  1. メタリゼイションシステムのための構造であって、
    表面を有する基板、
    前記基板の前記表面上に配置されたチタンの第１の層、そして
    前記第１の層上に配置されたニッケルおよびバナジウム組成物の第２の層、
    を具備することを特徴とするメタリゼイショシステムのための構造。
  2. 半導体装置であって、
    第１の面および第２の面を有する半導体基板であって、前記第１の面はそこから形成されたトランジスタを有するもの、
    前記第１の面および前記第２の面の内の少なくとも１つの上に配置されたチタンの接着層、そして
    前記接着層の上に配置されたバリア層であって、該バリア層はニッケルおよびバナジウム組成物からなる層を含むもの、
    を具備することを特徴とする半導体装置。
  3. リードフレームのためのメタリゼイションシステムであって、
    前記リードフレームの上に配置されたチタンの第１の層、
    前記第１の層の上に配置された第２の層であって、該第２の層はニッケルおよびバナジウム組成物を含むもの、
    を具備することを特徴とするリードフレームのためのメタリゼイションシステム。
  4. 半導体装置のメタリゼイションシステムを形成する方法であって、
    第１の表面を有する半導体基板を提供する段階、
    前記表面上にチタンの接着層を配置する段階、そして
    前記接着層上に第２の層を配置する段階であって、該第２の層はニッケルおよびバナジウム組成物を含む前記段階、
    を具備することを特徴とする半導体装置のメタリゼイションシステムを形成する方法。
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