KR0146356B1 - 브레이징재 - Google Patents

브레이징재

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KR0146356B1
KR0146356B1 KR1019900002519A KR900002519A KR0146356B1 KR 0146356 B1 KR0146356 B1 KR 0146356B1 KR 1019900002519 A KR1019900002519 A KR 1019900002519A KR 900002519 A KR900002519 A KR 900002519A KR 0146356 B1 KR0146356 B1 KR 0146356B1
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황 큐엔-시앙
세디프 모하마드
로쓰 마크
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리차드 엠. 호프만
제너럴 인스트루먼트 코포레이션
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Abstract

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Description

브레이징재
제1도는 쌍의 몰리브덴 접점들사이에 실리콘 반도체 웨이퍼를 샌드위치함으로써 형성된 전형적인 정류기의 확대 측면도.
제2도는 본 발명의 브레이징 재료의 바람직한 제1구현예의 등축적 분해도.
제3도는 본 발명의 브레이징 재료의 바람직한 제2구현예의 등축적 분해도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 12 : 히트싱크 14 : 웨이퍼
16 : P-N 접합부 18 : 웨이퍼의 상부면
20 : 웨이퍼의 하부면 22 : 티타늄층
24 : 은층 26 : 순수 알루미늄 또는 알루미늄 복합체의 층
본 발명은 몰리브덴 등으로 이루어진 접점 또는 히트싱크와 같은 반도체 웨이퍼와 인접한 급속부품사이의 기계적 및 전기적 결합을 이루게 하기 위한 재료에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 강하고 저저항접속물을 형성할 수 있는 다층 브레이징 재료에 관한 것이다.
정류기등으로서 사용하기 위한 것과 같은 반도체 부품의 제조에는 통상 도우핑된 실리콘으로 만들어진, 반도체본체는 몰리브덴 등으로 이루어진 접점 또는 히트싱크와 같은 금속부품에 기계적 및 전기적으로 접속되어야 할 필요가 있다. 접속물은 저접점 저항을 사용한 강한 기계적 결합을 필요로 한다. 브레이징한 후, 부품은 그것을 주지의 패킹기술에 의해 유리밀봉물 등 속에 놓음으로써 종종 완성된다.
반도체 웨이퍼를 인접한 금속부품에 접속시키는 브레이징 기술은 접속될 표면들 사이에 놓인 알루미늄층을 전통적으로 사용해 왔다. 조립체는 알루미늄의 용융점 이상의 온도로 가열된다. 알루미늄이 용해할 때, 알루미늄은 웨이퍼와 금속부품의 표면들을 결합시킨다. 알루미늄층이 브레이징재로서 사용될 때, 알루미늄층의 두께와 적절한 온도는 성공적인 결합에 중요하다. 알루미늄은 충분한 두께를 가져야 하며 온도는 정확하게 조절되어야 한다.
그러나, 적절하게 행해졌다고 하더라도, 공지의 브레이징 공정은 N-형 실리콘으로 만들어진 반도체 웨이퍼에 대해 고 접속 저항을 초래한다. 그 이유는 알루미늄층 자체가 P-형 도우펀트재이기 때문이다. 알루미늄이 용해하기 시작할 때, 알루미늄은 먼저 국부영역에서 용해하고, 그리고나서 반도체 웨이퍼의 본체로 깊숙히 침투한다. 이 현상은 스파이킹이라 부르며, 이러한 스파이킹은 장치를 훼손시킬 수 있다.
이 문제점을 해결하기 위하여, 박판 알루미늄의 사용을 생각해 왔다. 박판 알루미늄의 사용은 P-형 도우펀트의 효과를 저하시켜서 스파이킹을 일으키는 것으로 간주되었다. 그러나, 실제에 있어서는, 박판 알루미늄층은 강한 기계적 결합을 이룰 정도로 브레이징재를 제공할 수 없다.
스파이킹 및 고접점저항의 문제점을 해결하고 충분한 강도의 접속물을 제공하기 위하여, 본 발명자는 염가의 다층 브레이징재를 발견하였다. 이 재료는 저접속저항을 가지며 강한 기계적 결합을 이룬다. 부가적인 금속층과 알루미늄층을 사용함으로써 다층재료에서 스파이킹의 해로운 효과는 실질적으로 감소되었다. 이들 부가적인 층들은 알루미늄의 실리콘과의 반응을 감소시킨다.
본 발명은 은층위에 형성된 타타늄층을 포함한다. 이들 층들은 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 복합물로 이루어진 제3층과 함께 사용된다. 제3층은 웨이퍼층과 티타늄층 사이에 놓이거나 또는 은층과 몰리브덴 부품의 표면 사이에 놓인다.
금속들은 스퍼터링에 의해 바람직하게는 균일상 형태로 반도체 본체상에 증착되거나 각 금속을 증착함으로써 여러 층상으로 증착된다.
바람직하게는 티타늄층은 은층을 증착하기전에 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 복합체상에 실리콘상에 놓여진다. 이것은 은층과 하부층 사이에 개선된 접착을 초래한다. 바람직한 결과를 얻기 위하여, 바람직하게는 티타늄층은 아주 얇아서 200 내지 1000Å의 범위내이다.
브레이징재가 용해할 때까지 부품은 가열된다. 온도가 상승함에 따라, 알루미늄(또는 알루미늄 복합체)은 우선 은층과 반응하여(직접 또는 일부의 경우에 티타늄의 바층을 통해) 공정 합금을 형성할 것이다. 알루미늄-은 계면은 알루미늄-실리콘 계면보다 더 낮은 공정점을 갖는다. 일부의 실리콘은 용해할 것이지만, 알루미늄 단층만을 사용하는 경우보다 훨씬 더 적은 실리콘이 용해할 것이다. 그래서, 더 적은 스파이킹이 발생한다. 대부분의 알루미늄이 은과 결합되기 때문에, 실리콘과의 반응에 더 적은 알루미늄이 이용될 수 있다. 그래서 알루미늄에 의해서 통상 발생되는 P형 도우펀트 영향은 크게 감소된다. 따라서 접점저항은 훨씬 더 낮다.
유사한 결과를 얻기 위한 공지기술의 시도는 여러 가지의 금속조직을 사용하였다. 예를 들면, Marinacco가 소유한 특허 제3,253,951호는 주석처리할 수 없는 표면이 단지 반도체의 선택부상에 알루미늄층을 증착함으로써 제조되는 실리콘 반도체 장치에 저저항접점을 제조하는 방법을 제시한다. 그리고나서, 티타늄-은 합금층은 전체의 반도체 표면상에 형성된다. 그리고, 유닛은 약 5분동안 대략 615℃로 가열된다. 알루미늄층은 대략 8000Å두께이다.
본 발명은 Marinacco에 의해 제시된 발명과는 모든 층들이 공존하고 그래서 층들이 균일하게 실리콘표면과 반응한다는 점에서 다르다. 게다가, 본 발명에서는 별도의 티타늄층과 알루미늄층들이 티타늄-은 합금의 단일층 대신에 사용된다. 게다가, 층두께들이 아주 다르고 특히 본 발명에서는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 복합체 층이 상당히 더 두껍고, 바람직하게는 3000과 6000Å두께 사이이다. 또한, 발명에서는, 발명자는 재료가 브레이징 작업시에 실질적으로 용해되도록 더 높은 브레이징온도(600-800℃)를 사용한다. Marinaccio 특허에서 개시한 구조는 땜납에 적시어지지 않는 표면을 의도적으로 제공하고 금속자체는 티닝작업에서 용해하지 않는다.
Steberger가 발명한 특허 제3,549,439호는 반도체 표면상에 금속구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 특허는 광와니스에 의해 처리된 때 언더커트 현상없이 균일하게 부식될 수 있는 금속층을 제시한다. 그래서, 관련 재료는 브레이징을 위해 사용되지 않는다. 구조는 순수하거나, 1% Au, Ag, Ni, Fe 또는 Co와 같은 다른 금속으로 추가되었던 알루미늄층을 포함한다. 이 구조는 금속층의 두께, 사용금속의 형 및 금속증착의 순서에서 본 발명의 구조와 다르다.
Ganzer가 발명한 특허 제3,650,826호는 하우징에 반도체 부품들을 설치하기 위한 금속접점을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 특허는 실리콘상에 약 5000Å의 Al-Ni합금을 사용하는 방법을 제시한다. 합금층상에 또한 5000Å두께의 티타늄층과 10000Å두께의 은층이 만들어진다. 이것은 본 발명과 두께, 금속형 및 금속증착의 순서의 면에서 본 발명과 다르다.
Onuki가 발명한 특허 제 4,500,904호는 반도체 기판과 전극사이에 사용하기 위한 땜납 접속물에 관한 것이다. N-형 반도체층은 200,000Å두께의 알루미늄 또는 알루미늄 합금층을 갖는다. 전극쪽은 100,000Å두께의 구리층을 갖는다. 필요하다면 니켈막이 구리땜납과 전극표면상이에 제공되어도 된다. 결합은 주로 고체상태 확산의 결과이다. 재료는 공정점보다 낮은 온도인 약 450℃로 가열된다. 본 발명은 Onuki에 의해 제시된 발명과는 사용되는 금속형, 금속들의 순서, 층들의 두께 및 사용된 결합온도 때문에 다르다.
그러므로, 본 발명의 주목적은 반도체 웨이퍼의 표면과 금속부품의 표면사이에 강한 기계적 결합을 형성하기 위한 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은 저접점저항이 얻어지는 결합을 형성할 수 있는 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 제3목적은 은과 티타늄층들이 사용되는 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 제4목적은 스파이킹의 해로운 효과가 실질적으로 감소되는 결합을 형성하기 위한 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 제5목적은 종래의 P-형 도우펀트 영향이 실질적으로 감소되는 결합을 형성하기 위한 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 제6목적은 위에 증착된 은층을 갖는 티타늄층을 포함하는 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 반도체표면과 티타늄층 또는 은층과 금속부품의 표면 사이에 놓인 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 복합체의 층을 포함하는 브레이징재를 제공하는데 있다.
본 발명의 제1태양에 의해, 실리콘 반도체 웨이퍼의 표면과 몰리브덴 등으로 구성된 금속부품사이의 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 브레이징재가 제공된다. 그 재료는 티타늄층과 티타늄층 근처에 형성된 은층을 포함한다. 알루미늄으로 이루어진 제3층이 또한 사용된다.
제3층은 실질적으로 순수한 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 복합체로 이루어질 수도 있다. 바람직하게는 복합체는 약 11중량% 실리콘를 갖는다.
한 바람직한 구현예에서, 제3층이 반도체표면과 티타늄층 사이에 놓인다. 제2의 바람직한 구현예에서, 제3층은 은층과 금속부품의 표면사이에 놓인다.
티타늄층을 바람직하게는 200 내지 1000Å의 범위의 두께를 갖는다. 가장 바람직하게는 티타늄층은 대략 500Å이다.
바람직하게는, 은층은 3000 내지 20,000 A 범위의 두께를 갖으며, 제3층은 30,000 내지 60,000Å 범위의 두께를 갖는다.
바람직하게는 층들이 실질적으로 같은 공간에 걸쳐 있다. 그래서 층들중 각각은 그 아래의 전체층을 덮는다.
본 발명의 제2태양에 의해, 실리콘 반도체의 표면과 금속 부품사이의 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 반도체표면과 금속부품의 표면사이에 다층 브레이징재를 형성하고 그 재료를 용융점이상의 온도로 가열하는 단계로 이루어진다. 재료는 먼저 티타늄층을 형성함으로써 형성된다. 그리고나서 은층이 티타늄층 근처에 형성된다. 알루미늄으로 이루어진 제3층이 또한 형성된다.
제3층은 반도체의 표면상이나 은층의 표면상에 형성된다. 제3층은 실질적으로 순수한 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 복합체로 이루어질 수도 있다. 바람직하게는 복합체는 11중량% 실리콘이다.
재료는 600 내지 800℃의 범위로 바람직하게는 740℃의 범위로 가열된다. 그래서 재료는 용융점이상의 온도로 가열된다.
제1도는 캡슐화하기 전에 이상적인 정류기의 확대도이다. 실제는 정류기는 유리 슬리이브 정류기 또는 축방향 리이드 GPR 정류기 또는 어떤 유사한 부품일 수도 있다. 그러나 결합되는 특정 반도체 부품의 성질은 본 발명에서는 중요한 역할을 하지 못하며 본 발명은 어떤 특정 반도체 구조에 제한적으로 해석되지 않아야 한다는 것을 명심해야 한다.
설명의 목적으로, 제1도의 이상화된 정류기는 실리콘 반도체 웨이퍼(14)에 샌드위치되고 P-N 접합부(16)을 나타내기 위하여 예시된 몰리브덴과 같은 금속으로 이루어진 제1 및 제2히트(10, 12)를 포함한다. 웨이퍼(14)의 상부면(18)과 웨이퍼의 하부면(20)은 낮은 저항의 강한 기계적 접속을 형성하기 위하여 본 발명의 다층 브레이징재(B)로써 부품들(10, 12)의 표면에 각각 결합된다.
제1도는 제1바람직한 형태의 브레이징재를 나타낸다. 재료의 구성은 층들의 등축적분해도를 나타내는 제2도에 상세히 예시된다.
티타늄층(22)을 포함하는 본 발명의 두 구현에는 은층(24)와 실질적으로 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 복합체의 층(26)을 포함하는 구현예들 사이의 유일한 차이는 층들이 사용되는 치수이다. 제2도에 예시된 바와 같이 바람직한 제1구현에서, 티타늄층(21)과 은층(24)은 층(14)의 표면(18)근처에 위치한다. 층(26)은 은층(24)과 접점표면사이에 놓인다. 제3도에 예시된 바람직한 제2구현예에서, 티타늄과 은층들(22 및 24)은 그들층과 웨이퍼표면사이에 층(26)을 갖는 접점표면근처에 있다.
티타늄층(22)의 두께는 바람직하게는 아주 얇으며 200 내지 1,000Å의 범위내에 있다. 가장 바람직한 두께는 대략 500Å으로 보인다.
은층(24)은 티타늄층(24)근처에 형성된다. 은층(24)은 티타늄층(22)보다 상당히 더 두껍고 바람직하게는 3000 내지 20,000Å 두께의 범위이다.
제1구현예에서, 층(26)은 은층(24)상에 형성된다. 층(26)은 실질적으로 순수한 알루미늄으로 만들어질 수도 있다. 또는 알루미늄 실리콘 복합체가 이용될 수도 있다. 복합체가 이용될 때는, 대략 11 중량% 실리콘을 가진 복합체를 형성하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 층(26)의 두께는 약 30,000 내지 60,000Å의 범위에 있다. 이 구현예에서는 층(26)의 표면은 금속접점부재의 표면에 인접하고 있다.
바람직한 제2구현예에서는 제3층(26)은 반도체 웨이퍼(14)와 티타늄층(22) 사이에 놓여 있다. 은층(24)은 금속접점의 표면 근처에 있다.
금속들은 스퍼터링에 의해 균일한 형태로 웨이퍼상에 증착되거나, 또는 각 금속을 순서대로 증착함으로써 형성된 층상으로 웨이퍼상에 증착될 수 있다. 각 층은 다른 층과 웨이퍼의 표면과 브레이징 공정시에 결합될 접점과 실질적으로 같은 공간에 걸쳐 있다.
다층 브레이징재는 재료가 실질적으로 용해하는 온도로 가열된다. 바람직하게는 온도범위는 600 내지 800℃이고, 가장 바람직한 온도는 약 740℃이다. 온도가 증가함에 따라, 층상의 알루미늄(26)은 우선 은층(24)와 반응하여 공정합금을 만들 것으로 보인다. 이는 알루미늄과 은은 알루미늄과 실리콘 보다 더 낮은 공정점을 갖기 때문이다. 알루미늄-은 공정은 일부의 실리콘을 용해하지만, 종래의 순수 알루미늄층만이 사용되는 경우보다 더 적게 용해한다. 따라서 더 적은 스파이킹이 생긴다. 대부분의 알루미늄은 은과 결합되기 때문에, 더 적은 알루미늄이 실리콘과 반응할 수 있다. 그래서 알루미늄에 생긴 P-형 도우펀트 효과는 크게 감소되고 그러므로 접점저항은 더 낮다.
브레이징된 구조물은 유리 캡슐화 작업과 같은 주지의 패킹 기술에 의해 정류기를 완성하기 위하여 추가 처리될 수 있다. 이러한 장치는 종래의 브레이징재를 사용하여 제조된 장치와 비교했을 때 더 낮은 순방향전압을 가질 것이다.
이제 본 발명은 낮은 전기저항을 가지면서 강한 기계적 결합을 초래하는 다층 브레이징재에 관한 것이라는 것을 이해할 것이다. 브레이징재는 티타늄층, 은층 및 순수한 알루미늄 또는 알루미늄 복합체의 층으로 이루어진다. 재료는 용융점 이상의 온도로 가열된다. 알루미늄과 은은 알루미늄과 실리콘보다 낮은 공정점을 가지기 때문에, 알루미늄과 은 공정점은 종래의 공정에 의한 것보다 더 적은 실리콘을 용해하여, 더 적은 스파이킹과 그래서 저접점저항을 초래하다.

Claims (22)

  1. 실리콘 반도체 본체의 표면과 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 브레이징재로서, 티타늄층, 상기의 티타늄층에 인접하여 형성된 은층 및 알루미늄으로 이루어진 제3층으로 구성된 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 제3층은 알루미늄-실리콘 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  3. 제2항에 있어서, 상기의 복합체는 약 11중량% 실리콘인 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  4. 제1항에 있어서, 상기의 제3층은 반도체 본체의 표면과 상기의 티타늄 및 은층들 사이에 놓여지는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  5. 제1항에 있어서, 상기의 제3층은 상기의 티타늄 및 은층들과 금속부품 표면사이에 놓여지는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  6. 제1항에 있어서, 상기의 티타늄층은 200 내지 1000Å의 범위내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  7. 제1항에 있어서, 상기의 티타늄층은 약 500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  8. 제1항에 있어서, 상기의 은층은 3000 내지 20,000Å의 범위내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  9. 제1항에 있어서, 상기의 제3층은 30,000 내지 60,000Å의 범위내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  10. 제1항에 있어서, 상기의 층들은 모두 같은 공간에 걸쳐 있는 것을 특징으로 하는 브레이징재.
  11. 반도체표면과 금속부품사이에 다층 브레이징재를 증착하는 단계와, 상기의 재료를 용융점 이상의 온도로 가열하는 단계로 이루어지며, 상기의 재료는 티타늄층을 형성하고, 티타늄층에 인접하여 은층을 형성하고 알루미늄으로 이루어진 제3층을 형성함으로써 증착되는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기의 제3층은 반도체 본체의 표면과 부품의 표면사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기의 제3층은 티타늄과 은의 층들과 부품의 표면사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기의 제3층은 알루미늄-실리콘 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서, 복합체는 11중량% 실리콘인 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  16. 제11항에 있어서, 재료는 600 내지 800℃의 범위로 가열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  17. 제11항에 있어서, 재료는 약 740℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기의 티타늄층은 200 내지 1000Å의 범위내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기의 티타늄층은 약500Å의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품 사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기의 은층은 3,000 내지 20,000Å의 범위내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  21. 제11항에 있어서, 상기의 제3층은 30,000 내지 60,000Å의 범위내의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품 사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
  22. 제11항에 있어서, 상기의 층들은 모두 같은 공간에 걸쳐 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 반도체 본체와 금속부품 사이에 기계적 및 전기적 결합을 형성하기 위한 방법.
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