DE4129654B4 - Rückseitenkontakt für einen Halbleiterkörper - Google Patents

Abstract

Rückseitenkontakt auf einem Halbleiterkörper zum elektrisch leitenden Befestigen eines Halbleiterchips auf einem Träger mittels Die-Bonden, bei dem auf der Rückseite des Halbleiterkörpers ein erstes Metall (2), eine Sperre (5) und ein zweites Metall (4) aufgebracht wird, wobei das zweite Metall (4) beim Die-Bonden in eine flüssige Phase übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre (5) aus Titan-Wolfram-Nitrid (TiWN) besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rückseitenkontakt für einen Halbleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• In der Halbleitertechnik, insbesondere bei den III-V-Halbleitern, die hier als Beispiele herangezogen werden, sind als Rückseitenkontakte für Halbleiterbauelemente neben Einfachmetallisierungen häufig Metallisierungsfolgen notwendig, um den Halbleiter-Chip elektrisch leitend auf einem Träger befestigen zu können (Die-Bonden).
• 2 zeigt einen typischen Aufbau für eine Metallisierungsfolge. Auf einem Halbleiter 1 ist ein erstes Metall 2 aufgebracht. Auf dem ersten Metall 2 ist eine Sperre 3 vorgesehen. Auf der Sperre 3 ist ein zweites Metall 4 angeordnet. Aufgabe der Sperre 3 ist es, das erste Metall 2 und das zweite Metall 4 sicher auseinander zu halten. Anderenfalls ergeben sich aus dem direkten Verbund von erstem Metall 2 und zweitem Metall 4 negative Eigenschaften für die ursprünglich gedachte Wirkung der beiden Einzelmetalle 2, 4.
• Beim Die-Bonden ist typischerweise das erste Metall 2 Gold, wenn die Dotierung des Halbleiters 1 hoch genug ist, oder eine Gold-Zink-Verbindung zur p-Dotierung des Halbleiters 1 oder eine Gold-Germanium-Verbindung zur n-Dotierung des Halbleiters 1 oder Silber im Verbund mit anderen, Metallen zur optischen Reflexion (optischer Spiegel) bei Optohalbleiterbauelementen, beispielsweise bei Optohalbleitersendedioden, mit transparentem Halbleiter-Material. Beim Die-Bonden ist typi scherweise das zweite Metall 4 ein Eutektikum wie z.B. AuGe 88:12 zum Zwecke des Die-Bondens durch Legieren (eutectic bonding).
• Typische, nicht gewünschte Eigenschaften des direkten Verbunds des ersten Metalls des zweiten Metalls 4 ergeben sich durch den Übergang des Eutektikums in die flüssige Phase beim Legierprozess: Die p-Dotierung wird gestört, da Germanium n-dotierend wirkt und die AuGe-Schmelze des zweiten Metalls 4 den Halbleiter 1 anlöst; die optische Reflexion an der Grenzfläche (Interface) zwischen Halbleiter 1 und erstem Metall 2 wird gestört, da das flüssige Eutektikum des zweiten Metalls 4 das Silber des ersten Metalls 2 und den Halbleiter 1 anlöst und da bei der Erstarrung des flüssigen Eutektikums stark absorbierende Bereiche an der Rückseite des Halbleiterbauelements entstehen.
• Bekannt ist ein Metallisierungsaufbau mit passiver Sperre 3. Dabei werden die Metallisierungsschichten in zwei Schritten aufgebracht: In einem ersten Schritt wird das erste Metall aufgebracht und strukturiert. In einem zweiten Schritt wird Nickelchrom als passive Sperre 3 aufgebracht und wird auf die Sperre 3 das zweite Metall 4 aufgebracht und werden die Sperre 3 und das zweite Metall 4 gemeinsam strukturiert.
• Mit der passiven Sperre 3 aus Nickelchrom gibt es vielfältige Probleme: Um eine gute Sperrwirkung zu erzielen, sind gewisse Mindestdicken ab 0,2 μm, besser ab 0,5 μm, erforderlich. Diese dicken Nickelchrom-Schichten üben starke Verspannungen auf die Halbleiterscheiben, zu denen die Halbleiter 1 gehören, aus. Diese Verspannungen machen sich beim Vereinzeln der Halbleiterchips mittels Sägen durch nicht tolerierbare Ausbrüche auf der Rückseite der Halbleiterbauelemente bemerkbar; ein Strukturieren mittels Ätzen ist nur unter hohem Aufwand möglich und die Einhaltung der Maßhaltigkeit ist nur eingeschränkt möglich; die Sperrwirkung ist nicht sicher genug, so dass immer wieder Ausfälle auftreten, z.B. Umdotierungen, die zu unerwünscht hohen Widerständen führen, oder Anlösungen der reflektierenden Metalle, die zu Verlusten der Lichtausbeute bei optischen Halbleiterbauelementen, beispielsweise bei lichtemittierenden Dioden (LED, IRED), führen.
• Die Druckschrift von Thomson etal. "Use of Diffusion Barriers for improved Reliability 6' als FETs". In: J. Elektrochem. Soc.: Accelerated Brief Communication, Dezember 1997, Seiten 3205 bis 3206, beschreibt eine Titanwolframnitrid-Diffusionsbarriere zwischen einer TiPtAu-Schicht und einer unterliegenden Al/Ti-Gate-Elektrode sowie einer NiAuGeTi-Source-Elektrode.
• Die Druckschrift JP 52-33 48 8 A2 beschreibt eine Mo-Barriere, die zwischen einer Platin-Schicht die auf einen GaAs-Wafer aufgebracht ist und einer Ni-Schicht, auf die eine Au-Ge-Lotschicht aufgebracht ist, angeordnet ist. Die Mo-Schicht soll dabei die Platin-Schottky-Schicht vor einer Beeinträchtigung durch die AuGe-Lotschicht schützen. Die Ni-Schicht erhöht die Haftung zwischen der Mo-Barriere und der Lotschicht.
• Aus der Druckschrift US 4,553,154 ist ein Vorderseitenkontakt bekannt, mit einer Barrierenschichtfolge aus TiN/Ti/TiN zwischen einer aufliegenden Aluminiumschicht und einer unterliegenden AuBe-Schicht, die auf ein GaAs-Substrat aufgebracht ist. Die TiN/Ti/TiN-Schichtfolge dient dabei als Diffusionsbarriere.
• Die Druckschrift US 4,772,935 beschreibt einen Die-Bondingprozess für das Bonden eines Siliziumwafers auf einen Träger. Dabei wird auf die Rückseite des Siliziumwafers eine Gold-Legierungsschicht, eine Titan-Haftschicht, eine Wolfram-Barrierenschicht und eine Goldbondschicht aufgebracht. Der auf diese Weise beschichtete Wafer wird dann mittels einer Gold- Zinn-Lotform auf den Träger gebondet. Die Wolframbarrierenschicht hat dabei die Aufgabe, die Migration von Silizium in die Goldschicht zu verhindern.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rückseitenkontakt der eingangs genannten Art anzugeben, der ein wirtschaftliches Herstellverfahren, einen kleinen elektrischen Widerstand, ein einfaches Strukturierverfahren und Stabilität während der Weiterverarbeitung und während des Betriebs des Halbleiterbauelements vor allem bei höheren Temperaturen und elektrischen Strömen, je nach Anwendungsfall unterschiedlich gewichtet, in optimaler Weise ermöglicht.
• Diese Teilaufgaben können technisch in verschiedener Art und Weise erfüllt werden: Ein wirtschaftliches Herstellverfahren kann durch Aufdampfen, Sputtern, Galvanik erzielt werden; ein kleiner elektrischer Widerstand kann durch Verwendung von Metallen, Metallverbindungen, Legierungen, Nitride, Carbide erreicht werden; ein einfaches Strukturierverfahren kann durch Fotolithographie und anschließendes Entfernen der Schicht durch Nasschemie, Plasmaätzen, Sputterätzen oder Abhebetechnik erzielt werden; Stabilität während der Weiterverarbeitung und während des Betriebs des Halbleiterbauelements vor allem bei höheren Temperaturen und elektrischen Strömen kann durch passive Sperren (passive barrier), Opfersperren (sacrificial barrier), Verfüllungssperren (stuffed barrier) erreicht werden.
• Erfindungsgemäß wird die zugrundeliegende Aufgabe durch einen Rückseitenkontakt nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
• Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
• Erfindungsgemäß wird als Sperre eine Verfüllungssperre aus Titan-Wolfram-Nitrid eingeführt. Bewährt haben sich Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Metallisierung mit Sputtertargets mit Zusammensetzungen von 10 % Titan und 90 Wolfram mit einer Stickstoffzugabe von 5–20 % im Argon-Sputtergas bei niedergeschlagenen Schichtdicken von 0,1 bis 1 μm.
• Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert.
• 1 zeigt einen Rückseitenkontakt nach der Erfindung.
• 2 erläutert das technische Problem anhand einer bekannten Metallisierung.
• 1 zeigt eine Rückseitenkontakt-Metallisierung nach der Erfindung, bei der auf einem Halbleiter 1 ein erstes Metall 2 aufgebracht ist. Auf dem ersten Metall 2 ist eine Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid vorgesehen. Auf der Sperre 5 ist ein zweites Metall 4 angeordnet. Als Haftvermittler kann zwischen der Sperre 5 und dem zweiten Metall 4 eine Schicht 6 vorgesehen sein. Im allgemeinen kann jedoch auf die Schicht 6 verzichtet werden. Als Haftvermittler für die Schicht 6 kann Titan verwendet werden. Eine Metallisierung nach 1 bietet folgende Vorteile: Geringer Aufwand beim Aufbringen der gesamten Metallisierung. Bei entsprechender Auslegung der zur Herstellung der Metallisierung verwendeten Vorrichtung können alle Schichten der Metallisierung in einer einzigen Anlage, vorzugsweise in einer Sputteranlage, aufgebracht werden; eine Metallisierung nach 1 ermöglicht ein einfaches Strukturieren der Sperre 5 mit hoher Maßhaltigkeit durch nasschemisches Ätzen mit beispielsweise H₂O₂/NH₄OH-Lösungen oder durch Plasmaätzen in CF₄/O₂-Gas; bei der Weiterverarbeitung des Halbleiterbauelements, zu dem der Halbleiter 1 gehört, besteht kein Risiko durch höhere Temperaturen, da die Titan-Wolfram-Nitrid-Schicht sich bei Temperaturen von selbst 550° nicht verändert und da solche Temperaturbelastungen bei den nachfolgenden Schritten der Bauelementeherstellung wie insbesondere beim Die-Bonden mittels Legieren nicht auftreten; die Sperre 5 separiert die flüssige Phase des Eutektikums des zweiten Metalls 4 sicher vom ersten Metall 2, so dass keine schädliche Einwirkung durch Anlösen des ersten Metalls 2 und des Halbleiters 1 entsteht; beim Vereinzeln der Halbleiter- Chips braucht nicht Rücksicht auf die Sperrschicht 5 genommen zu werden; beim Vereinzeln der Halbleiter-Chips kann ohne besonderen Aufwand gesägt werden.
• Auf einen Halbleiterkörper 1 mit einem Substrat aus Galliumarsenid und mit einer Epitaxieschicht aus Galliumarsenid kann auf die Rückseite eine Metallisierung mit einem ersten Metall 1 aus Gold mit einer Dicke von einem Mikrometer, mit einer Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid mit einer Dicke von 200 nm, ein Haftvermittler aus Titan mit einer Dicke von 30 nm und ein zweites Metall aus AuGe 88:12 mit einer Dicke von 1,8 μm aufgebracht werden. In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann das erste Metall 2 aus drei übereinanderliegenden Schichten bestehen, nämlich aus einer Gold-Germanium-Schicht mit einer Dicke von 50 nm, aus einer Silberschicht mit einer Dicke von 120 nm, aus einer Goldschicht mit einer Dicke von 230 nm. Die Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid kann eine Dicke von 200 nm aufweisen. Ein Haftvermittler 6 aus Titan kann eine Dicke von 100 nm besitzen. Das zweite Metall 4 kann aus Gold-Germanium mit einer Dicke von 1,8 μm bestehen.
• Wenn zwei übereinanderliegende Schichten der Metallisierung im wesentlichen in einem Schritt aufgebracht wird, ist die Grenzfläche (Interface) zwischen diesen beiden Schichten sauber und wohl definiert. Dabei ergeben sich auch keine Haftungsprobleme zwischen diesen beiden Schichten. Daher ist es vorteilhaft, mindestens zwei übereinanderliegende Schichten der Metallisierung, vorzugsweise jedoch sämtliche Schichten der Metallisierung im wesentlichen in einem Schritt aufzubringen, zu strukturieren und zu tempern.
• Eine Metallisierung nach 1 ist temperaturstabil.
• Die Sperre 5 aus Titan-Wolfram-Nitrid dient als Sperre zwischen einem Metall und einer Schmelze.
• Die Grenzfläche zwischen dem ersten Metall 2 und dem Halbleiter 1 beeinflußt optische Eigenschaften, wenn der Halbleiter 1 zu einem optischen Halbleiterbauelement gehört. Die Sperre 5 verhindert, daß das zweite Metall 4 in schädlicher Weise die optischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements beeinträchtigt.
• Wenn alle Schichten der Metallisierung nach 1 im wesentlichen in einem Schritt aufgebracht werden, besitzt die Metallisierung eine hohe Qualität. Da die Scheiben während des Verfahrens zur Herstellung der Metallisierung nicht aus dem Vakuum der Anlage zur Herstellung der Metallisierung kommen, können keine Kontaminationen aus der Luft auftreten, was die Bildung schädlicher Interface-Schichten zwischen den einzelnen Metallschichten verhindert. Weiterhin lassen sich die Eigenschaften der Sperre durch Änderung der Zusammensetzung und Dicke der Sperre 5 einstellen. Z. B. läßt sich der elektrische Widerstand durch den Stickstoffgehalt der Sperre 5 festlegen. Beispielsweise läßt sich die sichere Absperrung einer etwas rauheren Oberfläche eines Metalls durch Erhöhung der Dicke der Sperre erzielen.
• Die Erfindung eignet sich für Halbleiterchips, vor allem für III-V-Halbleiter, insbesondere für Halbleiterchips der Optoelektronik, beispielsweise für IRED's.
• Titan-Wolfram-Nitrid eignet sich besonders zum Trennen von Flüssigphasen und Festphasen, beispielsweise beim Legieren oder Löten.

Claims (4)

1. Rückseitenkontakt auf einem Halbleiterkörper zum elektrisch leitenden Befestigen eines Halbleiterchips auf einem Träger mittels Die-Bonden, bei dem auf der Rückseite des Halbleiterkörpers ein erstes Metall (2), eine Sperre (5) und ein zweites Metall (4) aufgebracht wird, wobei das zweite Metall (4) beim Die-Bonden in eine flüssige Phase übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperre (5) aus Titan-Wolfram-Nitrid (TiWN) besteht.
2. Rückseitenkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem III-V-Halbleitermaterial besteht.
3. Rückseitenkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sperre (5) und dem zweiten Metall (4) ein Haftvermittler (6) vorgesehen ist.
4. Rückseitenkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall (2) aus Au besteht und auf der Oberfläche eines GaAs Substrates aufgebracht ist und daß das zweite Metall (4) aus einer AuGe-Legierung besteht.