DE2632049A1 - Erhabene kontaktflecken bei halbleiterbauelementen und verfahren zur herstellung - Google Patents
Erhabene kontaktflecken bei halbleiterbauelementen und verfahren zur herstellungInfo
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Description
Deutsche ITT Industries GmbH' R.E. Scherrer - 2
78 Freiburg, Hans-Bunte-Str, ■ 19 Dr.Rl./kn
15. Juli 1976
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG
FREIBURG I. BR. '
Erhabene Kontaktflecken bei Halbleiterbauelementen und Verfahren zur Herstellung
Die Priorität der Anmeldung Nr. 601 856 vom 4. August 1975 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht. .
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente und insbesondere
Halbleiterbauelemente mit erhabenen Kontaktflecken.
Bisher wurden Halbleiterbauelemente, die in herkömmlichen Gehäusen
untergebracht waren, an die äußeren Zuleitungen mittels feiner
Drähte angeschlossen, die sowohl mit den äußeren Zuleitungen als auch den auf den Halbleiterbauelementen ausgebildeten Kontaktflecken
angeschweißt oder angelötet waren. Die Kontaktflecken bestanden aus Zonen leitenden Materials wie z. B. Aluminium.
70 980-8/074 ff
Fl 903 9 R.E. Scherrer - 2
«V
Bei dem Versuch, die Kosten des Zusammenbaus von Halbleiterbauelementen
insbesondere bei integrierten Schaltungen zu verringern, kam es zur Entwicklung einer Technik, die als "Flip-Chip-Verfahren"
bekannt ist. Bei diesem Verfahren wurden die Halbleiterbauelemente mit erhabenen Kontaktflecken ausgebildet, die metallisierte Zonen
auf einem Substrat kontaktierten, wenn das Halbleiterbauelement mit der Oberseite nach unten gedreht und auf die entsprechende
Stelle des Substrats plaziert wurde. Die erhabenen Kontaktflecken wurden danach auf den metallisierten Kontaktierungszonen mit
Hilfe von Ultraschall, Thermokompression oder Kleben gebondet.
Es gab eine ganze Reihe von Verfahren zur Herstellung von erhabenen
Kontaktflecken auf einem Halbleiterbauelement. Eines davon
bestand darin, daß das Halbleiterbauelement mit einer schützenden Glasschicht überzogen wurde und danach Löcher in das Glas geätzt
wurden, um die Kontaktstellen auf dem Halbleiterbauelement freizulegen. In die Löcher wurden dann Lotkugeln eingebracht, die groß
genug waren, über die Oberfläche des Halbleiterbauelements vorzustehen und Kontakt mit dem Substrat aufzunehmen, wenn das Bauelement
umgedreht und auf dem Substrat in die richtige Lage gebracht wurde.
Das erfolgreichste Flip-Chip-Verfahren verwendete Kupferkugeln anstelle von Lotkugeln zur Herstellung des elektrischen Kontakts
zwischen dem Bauelement und dem Substrat.
Obgleich,die Flip-Chip-Technik die Herstellungszeit für eine
Schaltung verringert hat, waren zusätzliche Verfahrensschritte während der Herstellung des Halbleiterbauelements erforderlich.
Das Bauelement mußte glasbeschichtet werden, und es mußten Löcher geätzt werden; danach war es erforderlich, die Kupferkugeln exakt
in den Löchern einzubringen und zu verlöten. Die für die Durchführung dieser zusätzlichen Schritte erforderlichen Kosten und die
erforderliche Zeit hoben weitgehend die Vorteile auf, die sich aus dem Zusammenbau nach der Flip-Chip-Technik ergaben.
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" ' ■' -t- 26320A9
Fl 903 . 3 R.E. Scherrer - 2
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, durch das erhabene Kontaktflecken während der
Herstellung von Halbleiterbauelementen ohne zusätzliche Verfahrensschritte ausgebildet werden können.
Des weiteren soll durch die vorliegende Erfindung die Herstellung
eines billigen Halbleiterbauelements mit erhabenen Kontaktflecken ermöglicht werden, das mittels der Flip-Chip-Technik zusammengesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
gelöst.
Der erhabene Kontaktfleck wird somit durch selektive anodische
Oxidation von Halbleitermaterial an den dafür gewünschten Stellen hergestellt. Die ariodische Oxidation wird so lange durchgeführt, bis das oxidierte Material-über die Oberfläche des Halbleiterbauelements hinausragt. Eine Schicht von leitendem Material wie z. B. Aluminium wird selektiv auf den Kontaktfleckenbereichen abgelagert und kann sich auch bis zu den gewünschten ohmschen Kontäktpunkten auf dem Bauelement erstrecken./
Oxidation von Halbleitermaterial an den dafür gewünschten Stellen hergestellt. Die ariodische Oxidation wird so lange durchgeführt, bis das oxidierte Material-über die Oberfläche des Halbleiterbauelements hinausragt. Eine Schicht von leitendem Material wie z. B. Aluminium wird selektiv auf den Kontaktfleckenbereichen abgelagert und kann sich auch bis zu den gewünschten ohmschen Kontäktpunkten auf dem Bauelement erstrecken./
Die Metallisierung der Kontaktflecken erfordert keinen zusätzlichen
Verfahrensschritt, da die Kontaktflecken und Leitungen üblicherweise
durch einen Metallablagerungsprozeß hergestellt werden. Die anodische Oxidation erfolgt bei niedriger Temperatur und ist deshalb
für das Halbleitermaterial nicht schädlich; der Zeitaufwand ist ebenfalls gering. Wird eine Isolationstechnik angewendet, bei
der Silicium anodisch oxidiert wird, wie"' die■.-.-US--Rateiutanmeläung
mit der Serial No. 601 855 beschreibt, so läßt sieh-die anodische Oxidation zur Bildung der erhabenen Kontaktflecken mit der während des Isolationsverfahrens ausgeführten anodischen Oxidation kombinieren. "--.-"-■ "■-■'."
mit der Serial No. 601 855 beschreibt, so läßt sieh-die anodische Oxidation zur Bildung der erhabenen Kontaktflecken mit der während des Isolationsverfahrens ausgeführten anodischen Oxidation kombinieren. "--.-"-■ "■-■'."
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Fl 903 u R-E. Scherrer - 2
Die genannten Vorteile der Erfindung lassen sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen einer Ausbildungsform der Erfindung besser erkennen.
In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 bis Fig. 4 vertikale Schnitte durch einen Teil eines Halbleiterbauelements, wobei die verschiednen
Herstellungsstufen eines erhabenen Kontaktflecks gezeigt werden,
Fig. 5 eine Darstellung des einen Verfahrenssehritts
nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Graphik, welche die Spannungs-ZStromkenn-
linien von zwei Elektrolyten für einen be-. sonderen Satz von Oxidationsparametern zeigt,
Fig. 7 einen vertikalen Schnitt, der einen Teil eines
Halbleiterbauelements zeigt, das auf einem Substrat befestigt ist.
Fig. 1 zeigt eine Schicht aus Halbleitermaterial 10, die einen
Teil eines Bauelements verkörpert. Die Schicht 10 wird einem Oxidationsprozeß
unterworfen, wodirch eine dielektrische Oxidschicht über wenigstens eine Oberfläche, jedoch vorzugsweise über alle
freiliegenden Flächen ausgebildet wird. Obgleich eine Oxidation des Halbleitermaterials das bevorzugte Verfahren zur Herstellung
der dielektrischen Schicht 12 ist, läßt sich diese auch auf viele andere Arten herstellen, so z. B. durch die Abscheidung von Siliciumnitrid
oder- von dielektrischem Oxid auf der Oberfläche. Unter
Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens wie dem Photolack-Verfahren lassen sich die ausgewählten Kontaktfleckenbereiche 14 der
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Fl 903 * R.E. Scherrer - 2
Schicht 12 durch Ätzen entfernen, so daß das Halbleitermaterial 10
in .diesen Bereichen freiliegt. Die verbliebenen Teile der
Schicht 12 bilden eine Maske, wie Fig. 2 zeigt.
Das freiUejende Halbleitermaterial in den Bereichen 14 wird anodisch
oxidiert und bildet das dielektrische, oxidierte Material 16 in Fig. 3. Während der Oxidation erfährt das Halbleitermaterial
eine wesentliche Volumensvergrößerung, so daß das Material 16 über die Oberfläche des Bauelements hinausragt und einen erhabenen
Teil bildet.
Die anodische Oxidation wird durch Anlegen einer positiven Spannung
direkt am Halbleitermaterial 10 ausgeführt, wobei das gesamte Bauelement in die Öxidationslösung 18 eingetaucht wird, die nach
Fig. 5 einen Elektrolyten und die Kathode 20 enthält. Das Halbleitermaterial
10 in den Bereichen 14 bildet eine Anode, wenn die positive Spannung an ihm liegt.
Um erhabene Flecken auszubilden, muß das anodisch oxidierte Material
16 ein hinreichendes Volumen besitzen, damit es sich über die
Oberfläche des Halbleiterbauelements ausdehnt, und es muß deshalb
verhältnismäßig voluminös sein. Eine hinreichende Dicke läßt sich
nur erzielen> wenn das oxidierte Material porös ist, so daß der
Elektrolyt auch an das nichtoxidierte Halbleitermaterial heran kann und damit die Oxidation fortschreitet. Wenn das oxidierte
Material nicht porös ist, wirkt es als Isolator und unterbricht · nach Ausbildung eines dünnen Films die Oxidation.
Poröses, anodisch oxidiertes Material läßt sich auf zwei verschiedene Arten herstellen. Erstens wählt man einen Elektrolyten, der
das oxidierte Material unter Ausbildung von Poren ätzt. Zweitens
wählt man eine exotherme Reaktion., die ein poröses, anodisch oxi-.
diertes Material bildet.
— 6 —
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Fl 903 r R.E. Scherrer - 2
Beim ersten Verfahren muß der Elektrolyt das anodisch oxidierte Material mit einer annehmbaren Ätzrate angreifen.
Es hat sich gezeigt, daß saure Elektrolyten ein poröses Material
erzeugen, das sich bis zu der für die erhabenen Kontaktflecken geforderten Stärke herstellen läßt. Ein poröses, anodisch oxidiertes
Material kann beinahe mit jedem sauren Elektrolyten bei entsprechender Temperatur und geeigneten Stromverhältnissen hergestellt
werden. Die Säurekonzentration in deionisiertem Wasser kann z. B. so eingestellt werden, daß man eine Stromstärke von
3 Amperesekunden bei einer Spannung von 80 bis 120 Volt erhält, die an einem Halbleiterplättchen mit einem Durchmesser von 2,54 cm
liegen- Die anodische Oxidation wird bis zum Erreichen der gewünschten
Stärke fortgesetzt. Elektrolytlösungen, die Bor-, Schwefel-, Salpeter- oder Phosphorsäure enthalten, haben sich als
brauchbar erwiesen. Die Ergebnisse, die man mit den verschiedenen Elektrolyten bei unterschiedlichen Temperaturen und Stromstärken
erzielte, sind in der eingangs genannten US-Patentanmeldung beschrieben
.
Bei dem zweiten Verfahren werden das Potential der anodischen Oxidation
und die resultierende Stromstärke auf ein Niveau gesteigert, bei dem eine exotherme Reaktion stattfindet, wobei eine
schnelle anodische Oxidation des Halblextermaterials stattfindet.
Offensichtlich ist dies ein Ergebnis des elektrischen Durchschlagens des normalen Oxidationsfilms-1 Es hat sich gezeigt, daß die
exotherme anodische Oxidation ein sehr poröses Material erzeugt, so daß eine merkliche Dicke entwickelt werden kann.
Unter den geeigneten Bedingungen würde die Oxidation stehenbleiben,
wenn die Tiefe des oxidierten Materials ungefähr der Öffnungsbreite
in der Oxidmaske entspricht* Die Bedingungen hierfür sind unabhängig und ändern sich merklich, so daß die besonderen Bedingungen
für ein spezielles Bauelement aus empirischen Daten er-
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Fl 903 «ϊ R.E. Scherrer - 2
stellt werden müssen. Andererseits kann die Oxidation dadurch beendet
werden, daß man nach Erreichen der gewünschten Stärke die Spannung unterbricht. Aus den experimentell ermittelten Daten
läßt sich eine Kurve ableiten, in der die Zeit gegen die Stärke aufgetragen ist, so daß zu einem bestimmten Zeitpunkt die Spannung
unterbrochen werden kann.
Die Versuche wurden unter Verwendung von Elektrolyten durchgeführt,
die Bor-^, Schwefel-, Salpeter- oder Phosphorsäure enthielten. Die V/I-Kennlinien für Salpetersäure- und Phoshorsäure-Elektrolyten
sind in'Fig. 6 gezeigt. Es muß erwähnt werden, daß
für. Salpetersäure ein bestimmter Knick in der Kurve zu erkennen ist. Unterhalb des Knicks erfolgt eine normale, gesteuerte, anodische Oxidation, während darüber eine exotherme Oxidation stattfindet. Da diese zwei Arten streng getrennt sind und nicht ineinander
übergehen, läßt sich für die anodische Oxidation entweder die
exotherme oder die normale Art wählen, ohne daß man befürchten muß, daß ein Abgleiten in die schnelle exotherme Reaktionsart
stattfindet.
Für einen umfassenden Bereich einer einheitlichen anodischen Oxidation
muß eine hinreichende Stromstärke oberhalb des Knicks der
Kurve gegeben sein, damit der elektrische Durchbruch des anodisch,
erzeugten Films über den gesamten Bereich stattfindet. Die Impedanz
der neu gebildeten, anodisch oxidierten Schicht sollte vorherrschend
sein gegenüber allen anderen, so daß nachfolgende Oxidationsraten praktisch unverändert über den gesamten eingetauchten Bereich des
Halblexterplättchens sich erstrecken. Die Rückseite des Plättchens
sollte isoliert sein, da die Oxidation dieser Fläche nicht gewünscht ist und außerdem einen merklich höheren Strom erfordert
lind zusätzliche Leistung verbraucht.
Die V/I-Kurve für den Phosphorsäure-Elektrolyten verläuft glatt \
und enhält nicht den charakteristischen Knick des Salpetersäure-
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Fl 903 g R.E. Scherrer - 2
Elektrolyten. Somit ergab sich/ daß die schnellste Art der anodischen
Oxidation durch die Verwendung eines Phosphorsäure-Elektrolyten
erreicht werden konnte. Der bevorzugte Elektrolyt enthält eine Mischung aus Phosphorsäure und deionisiertem Wasser, und die
Oxidation wird bei Raumtemperatur-durchgeführt. Es hat sich auch herausgestellt, daß der Phosphorsäure-Elektrolyt eine gleichmäßige
anodische Oxidation über verhältnismäßig große Bereiche gewährleistet.
Deshalb ist der bevorzugte Elektrolyt für die Bildung von Kontaktflecken der Phosphorsäure-Elektrolyt, da er für eine gleichmäßige
Oxidation sorgt, diese bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann und leicht in die exotherme Reaktionsart überführbar
ist, die einen Film von 1 ,um pro Minute erzeugt.
Der letzte Schritt bei der Herstellung der erhabenen Kontaktflekken
besteht in der Ablagerung von leitendem Material 22 wie z. B. Aluminium über den Kontaktfleckenbereichen. Das Aluminium kann auf
den gewünschten Bereichen unter Zuhilfenahme einer Maske aufgedampft werden, oder es kann über das gesamte Bauelement abgeschieden
und danach von den nicht gewünschten Bereichen mittels einer Photolackschicht und einem bekannten Ätzverfahren entfernt werden.
Nach der Abscheidung des Aluminiums ist der Kontaktfleck fertig ausgebildet, wie Fig. 4 zeigt.
In Fig. 7 sieht man einen Teil des Halbleiterbauelements 24 mit dem Substrat 26, der Kollektorzone 28, der Basiszone 30 und der
Emitterzone' 32. Erhabene Kontaktflecken 34 sind auf dem Bauelement ausgebildet und bestehen aus anodisch oxidiertem Halbleitermaterial
36 und der Aluminiumschicht 38, die auf demselben abgeschieden ist. Die Oxidschicht 40 liegt auf der Fläche des Halbleiterbauelements
24 und isoliert die Aluminiumschicht 38 gegen das Halbleitermaterial des Bauelements ab. In ausgewählten Bereichen der Oxidschicht
40 sind Kontaktfenster 42 ausgebildet, die für einen Kontakt
mit der Emitterzone 32 und der Basiszone 30 des Bauelements sorgen. Die Aluminiumschicht 38 erstreckt sich über die Oxid-
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Fl 903 3 R.E. Scherrer - 2
schicht 40 und in die Kontaktfenster 42 hinein; sie sorgt so
für einen elektrischen Kontakt zwischen der Emitterzone und der
Basiszone und deren entsprechenden Kontakif lecken 34. Das Halbleiterbauelement 24 wird umgedreht und auf dem Substrat 44 aufgebracht,
so daß die Kontaktflecken 34 auf den metallisierten Bereichen 46 des Substrats 44 zu liegen kommen. Fig. 7 zeigt ein
Bauelement 24, das auf dem Substrat 44 mittels der Flip-Chip-Technik
befestigt ist. ·
Die vorliegende Erfindung schafft somit billige und einfache erhabene
Kontaktflecken bei einem Halbleiterbauelement, so daß dieses
auf einem Substrat mittels der Flip-Chip-Technik befestigt werden kann. Die Ausbildung der Kontaktflecken erfordert keine zusätzlichen
Ver fahr ens schritte, wenn eine Isolationstechnik zur Anwendung
kommt, die anodisch oxidiertes Silicium benutzt. Ist das nicht der Fall, so ist lediglich zusätzlich zum herkömmlichen Verfahren ein
kurzer, bei niedriger Temperatur ablaufender anodischer Oxidationsschritt erforderlich.
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- 10
Claims (12)
- Fl 903 R-E. Scherrer - 2PatentansprücheErhabene Kontaktflecken bei Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleitermaterial (10) ein Bereich aus anodisch oxidiertem Material (16) besteht, daß dieses Material über die Oberfläche des Halbleitermaterials (10) hinausragt und daß eine Schicht aus leitendem Material (22) über dem anodisch oxidierten Material (16) abgeschieden ist.
- 2. Kontaktflecken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anodisch oxidierte Material (16) Halbleitermaterial ist.
- 3. Kontaktflecken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material (22) Aluminium ist.
- 4. Kontaktflecken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (10) und auch das anodisch oxidierte Material (16) Silicium und das leitende Material (22) Aluminium ist.
- 5. Verfahren zur Herstellung von Kontaktflecken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine schützende Isolierschicht (12) auf der Fläche des Halbleitermaterials (10) ausgebildet wird, daß ein Teil der Isolierschicht (12) im Bereich (14) des jeweils gewünschten Kontaktflecks bis zur Freilegung des Halbleitermaterials (10) entfernt wird, daß ein Teil desselben in dem freiliegenden Bereich (14) anodisch oxidiert wird, so daß das oxidierte Material (16) über die Oberfläche des Halbleitermaterials ansteigt, und daß letztlich eine Schicht (22) aus leitendem Material über dem anodisch oxidierten Material (16) abgeschieden wird.- 11 -7098Ü8/074S- VT -Fl 903 R.E. Scherrer - 2
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Isolierschicht (12) durch Oxidation von Halbleitermaterial gebildet wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (22) durch Abscheiden von Aluminium hergestellt wird. ,
- 8. Verfahren nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsschritte bestehen aus:dem Eintauchen des Halbleitermaterials (TO) in eine
Oxidationslösung unddem Anlegen einer für die Oxidation erforderlichen
Spannung an dem Halbleitermaterial (10), wodurch das
freiliegende Halbleitermaterial in dem Bereich (14)
zur Anode wird. . - 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationslösung eine Saure enthält.
- 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Säure Schwefelsäure, Phophorsäure, Borsäure oder Salpetersäure sein kann.
- 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung bis zu einem Niveau gesteigert wird, bei dem eine exotherme Reaktion stattfindet, die eine schnelle einheitliche Oxidation des Halbleitermaterials über den gesamten eingetauchten und freiliegenden Bereich verursacht.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die '. Tiefe der anodischen Oxidation und die Höhe des oxidierten Materials über dem Halbleitermaterial durch die Breite des freiliegenden Bereichs (14) gesteuert wird.7Q9808/Q745
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- 1976-07-16 DE DE19762632068 patent/DE2632068A1/de not_active Withdrawn
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