KR19980018358A - 반도체 금속화 시스템 및 그 구조체의 형성방법 - Google Patents

반도체 금속화 시스템 및 그 구조체의 형성방법 Download PDF

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layer
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semiconductor
semiconductor device
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웨인 에이. 크로닌
브라이언 엘. 스크리브너
커비 에프 키츠
죤 엠. 쥬니어 파시
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빈센트 비. 인그라시아
모토로라 인코포레이티드
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Abstract

반도체 장치(23)에 사용하는 고온 금속화 시스템이 제공된다. 본 반도체 장치(23)는 다층 금속화 시스템(36)을 갖는다. 금속화 시스템(36)의 부착층(37)은 반도체 기판(20)위에 형성된다. 니켈 합금을 포함하는 배리어층(38)은 부착층(37)위에 형성된다. 보호층(39)은 고온 공정 동안에 납땜 성분이 반도체 기판(20)쪽으로 확산되는 것을 억제한다.

Description

반도체 금속화 시스템 및 그 구조체의 형성방법
본 발명은 대체로 집적회로에 관한 것이고, 특히 집적회로 금속화 시스템에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조에서, 금속화 시스템은 통상 리드 프레임과 같은 금속 구조체 또는 세라믹에 반도체 금형의 결합을 촉진하기 위해 반도체 금형위에 형성된다. 통상, 금속화 시스템은 크롬, 니켈 및 금(CrNiAu)의 층 또는, 티타늄, 플래티늄 및 금(TiPtAu)의 층 또는, 티타늄, 니켈 및 금(TiNiAu)의 층과 같은 금속의 다층으로 이루어진다. 통상, 제1층은 반도체 기판에 대한 결합 능력 때문에 크롬 또는 티타늄이다. 더욱이, 제1층의 금속은 반도체 금형에 Ni 또는 Pt 등의 제2금속층을 결합하는 기능을 한다. 금 보호층은 제2금속층위에 형성된다.
금속화 시스템의 중요한 용도는 반도체 금형을 리드 프레임에 결합하는 것이다. 결합공정을 수행하기 위한 하나의 기술은 납땜 재흐름 공정(solder re-flow process)이다. 결합공정은 납땜 재흐름 공정을 이용하여 수행되기 때문에, 결합된 반도체 리드 프레임 구조체는 결합 온도보다 낮은 온도로 유지되어야만 한다. 만약 그렇지 않으면, 반도체 금형은 리드 프레임으로부터 분리될 것이다. 따라서, 후속 공정 단계는 초기 결합온도보다 낮은 온도에서 수행되어야만 한다. 만약 후속공정 단계가 납땜 재흐름 공정의 온도보다 높은 온도를 필요로 한다면, 금형 부착 결합의 완전성을 잃게 될 것이다. 종래 금속화 시스템의 단점은 금형 부착 결합의 한정 온도가 후속 납땜 재흐름 공정의 온도에 너무 근접하거나 또는 보다 높다는 것이다.
따라서, 금속화 시스템 형성후에, 고온 공정을 허용하는 온도제한을 갖는 반도체 금속화 시스템을 갖는 것이 유리하다. 더욱이, 결합온도에서 금속의 용해를 억제하는 금속화 시스템을 갖는 것이 유리하다.
따라서, 본 발명은 금속화 시스템 형성후에, 고온 공정을 허용하는 온도제한을 갖는 반도체 금속화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공정동안 반도체 장치의 단면적을 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 반도체 장치위에 금속화 시스템이 형성된 단면적을 나타낸 도면.
도 3은 금속합금에 금속의 재분포를 일으키는 열순환후에 도 2의 금속화 시스템내 금속의 분포를 나타낸 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
20:반도체 기판23:반도체 장치
24:게이트 구조체25:게이트 전극
27:게이트 터미널37:부착층
도 1은 본 발명에 따른 공정 동안에 반도체 장치(23)의 단면을 도시한 것이다. 특히, 도 1은 상부면(21) 및 바닥면(22)을 갖는 반도체 기판(20)을 나타낸 것이다. 반도체 기판(20)으로 적당한 물질은 비화갈륨, 실리콘, 실리콘-게르마늄, 인화인듐 등을 포함한다. 반도체 기판(20)은 이것으로부터 제조된 반도체 장치(23)를 포함한다. 실시예에 따른, 반도체 장치(23)는 상부면(21)에 형성된 게이트 구조체(24)를 갖는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)이다. 게이트 구조체(24)는 게이트 산화물(26)에 의해 상부면(21)으로부터 이격된 게이트 전극(25)을 포함한다. 게이트 터미널(27)은 게이트 전극(25)에 접촉한다. 소스 영역(28)은 게이트 구조체(24)의 제1측부에 인접하고 드레인 영역(29)은 게이트 구조체(24)의 제2측부에 인접한다. 소스 터미널(31)은 소스 영역(28)에 접촉하고 드레인 터미널(32)은 드레인 영역(29)에 인접한다. 반도체 장치(23)와 같은 전계 효과 트랜지스터를 제조하는 기술은 당업계에 공지되어 있다. 반도체 장치(23)는 MOSFET에 제한되지 않는다. 예를 들어, 바이폴러 트랜지스터, 다이오드, 바이폴러 컴플리멘터리 금속 산화물 반도체(BiCMOS), 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET), 헤테로정션 전계 효과 트랜지스터(HFET), 모듈레이션 도프 전계 효과 트랜지스터(MODFET)등이 될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 금속화 시스템(36)을 그 위에 갖는 반도체 기판(20)의 단면을 도시한 것이다. 본 발명의 시스템에서, 금속화 시스템(36)은 3층 금속화 시스템이고, 그 각 층은 스퍼터링 증착 기술을 이용하여 형성된다. 부착층(37)은 반도체 기판(20)의 바닥면(22)에 형성되거나 또는 스퍼터링 증착된다. 부착층(37)으로 적당한 물질은 주기율표의 Ⅳb족 및 Ⅴb족 원소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 전이원소를 포함한다. 실시예에 의해서, 부착층(37)은 대략 300 내지 3,000Å 범위의 두께를 갖는 티타늄이다. 바람직하게는, 부착층(37)의 두께는 500Å이다. 부착층(37)은 후술하는 바와 같이, 반도체 기판(20)과 후속 형성된 금속층 사이에 부착을 촉진시킨다. 부착층(37)의 열팽창계수는 후속 형성된 금속층의 열팽창계수와 거의 동일하고, 그리하여 상승된 온도에서 기계적 및 화학적 결합을 보장해준다.
배리어층(38)은 스퍼터링 증착 기술을 이용하여 부착층(37)에 형성된다. 실시예에 의해, 배리어층(38)은 대략 1,000 내지 5,000Å 범위의 두께를 갖는 니켈과 바나듐의 혼합물이다. 바람직하게는, 배리어층(38)의 두께는 3,000Å이다. 본 발명에 따르면, 배리어층(38)내에 바나듐의 농도는 대략 3 내지 31중량% 범위이다. 바람직하게는, 바나듐의 농도는 대략 7중량%이고 니켈의 농도는 대략 93중량%이다. 바나듐의 중량%는 3% 보다 작거나 또는 31% 보다 크다. 니켈 및 바나듐의 성분은 납땜 재흐름공정 동안에 니켈의 용해를 억제하고 후속 확산을 억제하는 배리어를 형성한다.
배리어층(38)의 다른 적당한 성분은 니켈-바나듐(NiV), 니켈-니오븀(NiNb), 니켈-탄탈륨(TiTa), 니켈-황(NiS), 니켈-안티모니(NiSb), 니켈-스칸듐(NiSc), 니켈-사마륨(NiSm), 니켈-주석(NiSn), 니켈-마그네슘(NiMg), 니켈-이트륨(NiY), 니켈-하프늄(NiHf) 및 니켈-지르코늄(NiZr) 등의 니켈 합금을 포함한다.
보호층(39)은 스퍼터링 증착 기술을 사용하여 배리어층(38)위에 형성된다. 보호층(39)으로 적당한 물질은 금 및 금 합금을 포함한다. 시스템에 의해, 보호층(39)은 대략 500 내지 3,000Å 범위의 두께를 갖는다. 바람직하게는, 보호층(39)의 두께는 1,000Å이다. 보호층(39)은 배리어층(38)내 니켈이 산화되는 것을 방지한다.
비록 도면부호 37, 38 및 39층이 전술한 바와 같이, 스퍼터링 증착 기술을 사용하여 형성되었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도면부호 37, 38 및 39층은 진공 증발 기술(vacuum evaporation technique)을 사용하여 형성될 수 있다.
도 3은 금속 합금내 금속의 재분포를 일으키는 열순환 후에 도 2의 금속화 시스템(36)내 금속의 분포를 나타낸 것이다. 본 발명에 따르면, 금속화 시스템(36)은 3층 금속화 시스템이고, 이 때 제1층(37)은 티타늄, 제2층(38)은 니켈 및 바나듐의 혼합이고 제3층(39)은 금이다. 특히, 도 3은 금속화 시스템(36)의 각 층의 두께 및 각 층내에 금속의 분포를 도시한 것이다. 0Å의 거리는 도 2의 반도체 기판(20)과 부착층(37) 사이의 계면을 나타낸다. 500Å의 거리는 도 2의 부착층(37)과 배리어층(38) 사이의 계면을 나타낸다. 거리 3,500Å은 도 2의 배리어층(38)과 보호층(39) 사이의 계면을 나타낸다. 거리 4,500Å은 도 2의 금속화 시스템(36)의 경계면을 나타내고 그 계면은 납땜 금형 부착 물질을 위한 계면이다.
열사이클은 초기에 증착된 배리어층(38)에서와 같이, 니켈 및 바나듐 혼합물을 재분배하고 혼합물의 농도를 리센터링한다. NiV 혼합물의 스퍼터링에 후속하는 열사이클은 후속 공정 또는 어셈블리 납땜 재흐름 제조공정에 영향을 줄 수 있다. 니켈 농도(41)는 배리어층(38)내에 분포되고 배리어층(38)내에 대략 중심되는 피크 농도를 갖는다. 니켈의 농도는 부착층(37)과 배리어층(38) 사이에 계면 또는 배리어층(38)과 보호층(39) 사이의 계면 근처에서 감소한다. 바나듐 농도 피크(도면부호 40으로 표시)는 배리어층(38)과 보호층(39) 사이에 계면 근처에서 나타난다. 배리어층(38)에서, 배리어(38)층과 보호층(39)간의 계면에 인접한 농도에서 바나듐의 농도가 피크일 때, 니켈의 농도는 감소한다. 이 피크 농도 또는 바나듐의 쌓임(pile-up)은 니켈이 배리어층(38)로부터 금형 부착 물질로 사용한 납땜속으로 용해되는 것을 억제한다. 예를 들어, 보호층(39)내에 금은 납땜 재흐름 공정 동안에 발생하는 고온시에 납땜속으로 용해된다. 예를 들어, 니켈 및 바나듐과 같은 배리어 금속은 바닥면(22)을 향해 안쪽으로 확산되는 납땜 성분으로부터 바닥면을 보호한다. 통상, 금속화 시스템(36)을 갖는 금형은 선택적으로 니켈로 도포되고, 그리고 나서 금 또는 은으로 도포되는 구리 리드 프레임(도시않됨)에 부착된다. 반도체 기판(20)으로부터 금형을 리드 프레임에 부착하기 위해 사용하는 납땜의 시스템들은 85% 납(Pb)/10% 안티모니(Sb)/5% 주석(Sn), 또는 80% 납(Pb)/10% 주석(Sn)/10% 안티모니(Sb), 또는 97.5% 납(Pb)/2.5% 은(Ag), 또는 62% 주석(Sn)/36% 납(Pb)/2% 은(Ag) 등의 조성을 갖는다. 금속화 시스템(36)은 대략 190℃ 내지 410℃ 범위의 온도에서 납땜을 재흐름하는 것에 의해 리드 프레임에 결합된다. 온도가 냉각됨에 따라, 납땜은 금속화 시스템(36)을 리드 프레임에 결합한다.
지금까지 본 발명이 고온공정에 사용하기에 적합한 금속화 시스템을 제공하고 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 금속화 시스템(36)은 약 190℃ 내지 410℃ 범위의 온도에서 금형 부착 공정에 적당하다. 금속화 시스템은 광범위한 납땜 합금, 리드 프레임 도포물질, 결합기술 및 반도체 기판물질에 사용하기에 적합하다. 더욱이, 본 금속화 시스템은 기판에 대한 우수한 부착성을 제공하고 납땜 금속 시스템 계면에서 보이드가 적게 형성된다. 주목해야 할 것은, 실험 결과가 보이드가 거의 형성되지 않았음을 나타내고 있다는 것이다. 그리하여, 본 발명은 재흐름 공정과 같은 고온 공정에 사용하기에 적당한 시스템을 제공한다.
본 발명의 특정한 실시예가 도시되고 설명되었으나, 당업자에 의해 그 이상의 변형 및 개선이 일어날 것이다. 예를 들어, 본 발명은 백 금속(back metal)에 대한 금속화 시스템의 측면에서 기술되었다. 그러나, 본 발명은 프런트 금속(front metal) 시스템에 사용하기에 적합하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 금속화 시스템은 기판(20)의 상부면(21)에 대한 연결통로로서 패턴화되고 사용되는 경향이 있다. 예를 들어, 반도체 장치를 연결하고 상부면 결합패드를 제공하는 금속화 시스템을 갖는 기판은 플립-칩 패키지에 납땜 결합될 수 있다.

Claims (5)

  1. 금속화 시스템을 위한 구조체에 있어서,
    표면(22)을 갖는 기판(20)과;
    표면(22)위에 배치된 제1층(37)과;
    제1층(37)위에 배치되고 니켈 합금을 포함하는 제2층(38)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속화 시스템을 위한 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2층(38)은 니켈-바나듐(NiV), 니켈-니오븀(NiNb), 니켈-탄탈륨(TiTa), 니켈-황(NiS), 니켈-안티모니(NiSb), 니켈-스칸듐(NiSc), 니켈-사마륨(NiSm), 니켈-주석(NiSn), 니켈-마그네슘(NiMg), 니켈-이트륨(NiY), 니켈-하프늄(NiHf) 및 니켈-지르코늄(NiZr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분인 것을 특징으로 하는 금속화 시스템을 위한 구조체.
  3. 반도체 장치에 있어서,
    트랜지스터를 갖는 제1표면(21) 및 제2표면(22)을 갖는 반도체 기판(20)과;
    제1표면(21) 및 제2표면(22)중의 1개 이상에 배치된 부착층(37)과;
    니켈 합금을 포함하며 상기 부착층(37)위에 배치된 배리어층(38)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배리어층(38)은 니켈-바나듐(NiV), 니켈-니오븀(NiNb), 니켈-탄탈륨(TiTa), 니켈-황(NiS), 니켈-안티모니(NiSb), 니켈-스칸듐(NiSc), 니켈-사마륨(NiSm), 니켈-주석(NiSn), 니켈-마그네슘(NiMg), 니켈-이트륨(NiY), 니켈-하프늄(NiHf) 및 니켈-지르코늄(NiZr)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 리드 프레임을 위한 금속화 시스템에 있어서,
    리드 프레임에 배치된 제1층(37)과;
    니켈 합금을 포함하며 상기 제1층(37)위에 배치된 제2층(38)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속화 시스템.
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