JPH1084003A - 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

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JPH1084003A JP9221894A JP22189497A JPH1084003A JP H1084003 A JPH1084003 A JP H1084003A JP 9221894 A JP9221894 A JP 9221894A JP 22189497 A JP22189497 A JP 22189497A JP H1084003 A JPH1084003 A JP H1084003A
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John M Parsey Jr
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体メタリゼイションシステムにおいて、
該メタリゼイションシステムの形成後に高温処理ができ
るようにする。 【解決手段】 半導体装置２３と共に使用する高温メタ
リゼイションシステムである。半導体装置２３は多層メ
タリゼイションシステム３６を有する。メタリゼイショ
ンシステム３６の接着層３７が半導体基板２０の上に形
成される。ニッケル合金を含むバリア層３８が接着層３
７の上に形成される。保護層３９がバリア層３８の上に
形成される。バリア層３８は高温処理の間にはんだ成分
が半導体基板２０に向かって拡散するのを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【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 ｓｙｓ
ｔｅｍｓ）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（Ｔ
ｉＰｔＡｕ）、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（２２）を有する基板
（２０）、前記表面（２２）上に配置された第１の層
（３７）、そして前記第１の層（３７）上に配置されニ
ッケル合金を含む第２の層（３８）を設ける。
【０００６】この場合、前記第２の層（３８）はニッケ
ル−バナジウム（ＮｉＶ）、ニッケル−ニオブ（ＮｉＮ
ｂ）、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）からなるグ
ループから選択された組成物とすることができる。
【０００７】本発明の別の態様では、半導体装置におい
て、第１の面（２１）および第２の面（２２）を有する
半導体基板（２０）であって、前記第１の面（２１）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（２１）および前記第２の面（２２）の内の少な
くとも１つの上に配置された接着層（３７）、そして前
記接着層（３７）の上に配置されたバリア層（３８）で
あって、該バリア層（３８）はニッケル合金を含むもの
を設ける。
【０００８】この場合、前記バリア層３８はニッケル−
バナジウム（ＮｉＶ）、ニッケル−ニオブ（ＮｉＮ
ｂ）、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）からなるグ
ループから選択された組成物とすることができる。
【０００９】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第１の層（３７）、前
記第１の層（３７）の上に配置された第２の層（３８）
であって、該第２の層（３８）はニッケル合金を含むも
のを設ける。
【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（ｑａｌｌｉｕｍａｒｓｅｎｉｄ
ｅ）、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２
３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 Ｄｏｐｅ
ｄ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒ：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（ｓｐｕｔｔｅ
ｒ 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（ｔｒａｎｓｉｔｉ
ｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。１例として、接着層３
７はほぼ３００オングストローム（Ａ°）および３，０
００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５，００
０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（Ｎ
ｉＳｃ）、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（Ｎｉ
Ｍｇ）、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（ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔ
ｉｏｎ）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３
７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３
８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３
９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）／１
０％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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カービィ・エフ・コウズ アメリカ合衆国アリゾナ州85248、チャン ドラー、サウス・ホライズン・プレイス 3281 (72)発明者 ジョン・エム・パーシィ・ジュニア アメリカ合衆国アリゾナ州85048、フェニ ックス、イースト・デザート・フラワー・ レイン 1321

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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（２２）を有する基板（２０）、 前記表面（２２）上に配置された第１の層（３７）、そ
    して前記第１の層（３７）上に配置されニッケル合金を
    含む第２の層（３８）、 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. 【請求項２】 前記第２の層（３８）はニッケル−バナ
    ジウム（ＮｉＶ）、ニッケル−ニオブ（ＮｉＮｂ）、ニ
    ッケル−タンタル（ＮｉＴａ）、ニッケル−硫黄（Ｎｉ
    Ｓ）、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（Ｎ
    ｉＳｍ）、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（Ｎ
    ｉＹ）、ニッケル−ハフニウム（ＮｉＨｆ）、およびニ
    ッケル−ジルコニウム（ＮｉＺｒ）からなるグループか
    ら選択された組成物であることを特徴とする請求項１に
    記載のメタリゼイションシステムのための構造。
  3. 【請求項３】 半導体装置であって、 第１の面（２１）および第２の面（２２）を有する半導
    体基板（２０）であって、前記第１の面（２１）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（２１）および前記第２の面（２２）の内
    の少なくとも１つの上に配置された接着層（３７）、そ
    して前記接着層（３７）の上に配置されたバリア層（３
    ８）であって、該バリア層（３８）はニッケル合金を含
    むもの、 を具備することを特徴とする半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記バリア層３８はニッケル−バナジウ
    ム（ＮｉＶ）、ニッケル−ニオブ（ＮｉＮｂ）、ニッケ
    ル−タンタル（ＮｉＴａ）、ニッケル−硫黄（Ｎｉ
    Ｓ）、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（Ｎ
    ｉＳｍ）、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（Ｎ
    ｉＹ）、ニッケル−ハフニウム（ＮｉＨｆ）、およびニ
    ッケル−ジルコニウム（ＮｉＺｒ）からなるグループか
    ら選択された組成物であることを特徴とする請求項３に
    記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 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第１の層（３
    ７）、 前記第１の層（３７）の上に配置された第２の層（３
    ８）であって、該第２の層（３８）はニッケル合金を含
    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。
JP22189497A 1996-08-05 1997-08-04 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 Expired - Lifetime JP3559432B2 (ja)

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US08/774,304 US6140703A (en) 1996-08-05 1996-12-26 Semiconductor metallization structure
US08/774,304 1996-12-26
US08/692,361 1996-12-26

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