專利名稱：形成半導(dǎo)體金屬化系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路，特別涉及集成電路金屬化系統(tǒng)。
在制造半導(dǎo)體器件時，金屬化系統(tǒng)一般形成于半導(dǎo)體管芯上，用以加強半導(dǎo)體管芯與如引線框等陶瓷或金屬結(jié)構(gòu)的鍵合。通常，金屬化系統(tǒng)由多層金屬構(gòu)成，如鉻、鎳、和金層(CrNiAu)，鈦、鉑和金層(TiPtAu)，或鈦、鎳、金層(TiNiAu)層。第一層一般為鉻或鈦，因為它們與半導(dǎo)體襯底的鍵合能力較強。另外，第一金屬層還用于耦連例如Ni或Pt等第二金屬層與半導(dǎo)體管芯。金保護層形成于第二金屬層上。
金屬化系統(tǒng)的主要用途是將半導(dǎo)體管芯鍵合到引線框上。實現(xiàn)鍵合步驟的一種技術(shù)是再流焊工藝。因為鍵合步驟用再流焊工藝實現(xiàn)，所以鍵合的半導(dǎo)體-引線框結(jié)構(gòu)此后必須保持低于鍵合溫度的溫度。否則，半導(dǎo)體管芯會從引線框上脫離。所以，隨后的處理步驟必須在低于最始鍵合溫度的溫度下進行。如果隨后的處理步驟需要高于再流焊工藝的溫度，那么管芯貼裝鍵合的完整性將會受損?，F(xiàn)有技術(shù)金屬化系統(tǒng)的一個缺點是管芯貼裝鍵合的溫度極限很接近或高于隨后的再流焊工藝溫度。
因此，有益的是有這樣一種半導(dǎo)體金屬化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有在形成金屬化系統(tǒng)后允許高溫處理的溫度極限。另外，有益的是具有能避免金屬在鍵合溫度溶解的金屬化系統(tǒng)。


圖1是處理中的本發(fā)明半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖2是具有形成于其上的金屬化系統(tǒng)的圖1所示半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖3是加熱使金屬合金中的各金屬再分布后圖2所示的金屬化系統(tǒng)中各金屬的分布圖。
圖1是處理中的本發(fā)明半導(dǎo)體器件23的剖面圖。更具體地，圖1示出了有上表面21和下表面22的半導(dǎo)體襯底20。半導(dǎo)體襯底20合適的材料有砷化鎵、硅、硅鍺、磷化銦等等。半導(dǎo)體襯底20上含有由其制造的半導(dǎo)體器件23。例如，半導(dǎo)體器件23為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，該晶體管具有形成于上表面21上的柵結(jié)構(gòu)24。柵結(jié)構(gòu)24包括借助柵氧化層26與上表面21隔開的柵極25。柵極端27接觸柵極25。源區(qū)28鄰接?xùn)沤Y(jié)構(gòu)24的第一側(cè)，漏區(qū)29鄰接?xùn)沤Y(jié)構(gòu)24的第二側(cè)。源極端31接觸源區(qū)28，漏極端32接觸漏區(qū)29。制造如場效應(yīng)晶體管等半導(dǎo)體器件23的技術(shù)早已是本領(lǐng)域公知技術(shù)。應(yīng)該明白，半導(dǎo)體器件23并不限于MOSFET。例如，可以是雙極晶體管、二極管、雙極互補金屬氧化半導(dǎo)體(BiCMOS)、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(MODFET)等等。
圖2是具有設(shè)置于其上的本發(fā)明金屬化系統(tǒng)36的半導(dǎo)體襯底20的剖面圖。按本發(fā)明的實施例，金屬化系統(tǒng)36是三層金屬化系統(tǒng)，其中每層皆用濺射淀積技術(shù)形成。附著層37形成或濺射淀積于半導(dǎo)體襯底20的下表面22上。附著層37合適的材料有選自元素周期表中IVB族和VB族的過渡元素。例如，附著層37為約300埃-3000埃厚的鈦。附著層37的厚度最好為500埃。附著層37用以加強半導(dǎo)體襯底20和此后將說明的隨后形成的金屬層之間的附著力。應(yīng)該注意的是，層37的熱膨脹系數(shù)應(yīng)基本上與隨后形成的金屬層匹配，這樣方可以保證在升高的溫度下機械和化學(xué)鍵合的質(zhì)量。
利用濺射淀積技術(shù)在附著層37上形成阻擋層38。例如，阻擋層38為約1000埃-5000埃厚的鎳釩混合物。阻擋層38的厚度最好為3000埃。根據(jù)本發(fā)明，釩在阻擋層38中的濃度在約3wt％-約31wt％范圍內(nèi)。釩的濃度最好為約7wt％，鎳的濃度最好為約93wt％。應(yīng)該明白，釩的重量百分比也可以小于3％或大于31％。鎳和釩的組合物形成用于防止再流焊工藝中鎳溶解和并隨后擴散的阻擋層。
阻擋層38其它合適的組合物有鎳合金，如，鎳-鈮(NiNb)、鎳-鉭(NiTa)、鎳-硫(NiS)、鎳-銻(NiSb)、鎳-鈧(NiSc)、鎳-釤(NiSm)、鎳-錫(NiSn)、鎳-鎂(NiMg)、鎳-釔(NiY)、鎳-鉿(NiHf)、和鎳-鋯(NiZr)等。
利用濺射淀積技術(shù)在阻擋層38上形成保護層39。保護層39合適的材料有金和金合金。例如，保護層39可以為約500埃-3000埃厚。保護層39的厚度最好為1000埃。保護層39用于防止阻擋層38中的鎳被氧化。
盡管已說明層37、38、39是利用濺射淀積技術(shù)形成的，但應(yīng)該明白，本發(fā)明并不限于此。例如，可以利用真空蒸發(fā)技術(shù)形成層37、38、39。
圖3是加熱使金屬合金層中的各金屬再分布后圖2所示金屬化系統(tǒng)36中各金屬的分布情況。根據(jù)本發(fā)明，金屬化系統(tǒng)36是三層金屬化系統(tǒng)，其中第一層37是鈦，第二層38是鎳和釩的組合物，第三層39是金。更具體地，圖3示出了金屬化系統(tǒng)36的每一層的厚度和其中各金屬的分布情況。0埃處表示的是圖2中半導(dǎo)體襯底20與附著層37間的界面。500埃處表示的是圖2中的附著層37與阻擋層38間的界面。3500埃處表示的是圖2中的阻擋層38與保護層39間的界面。4500埃處表示的是圖2中的金屬化系統(tǒng)36的邊界，這是與焊接管芯貼裝材料間的界面。
加熱使最初淀積于阻擋層38中的鎳和釩混合物重新分布，混合物的濃度達到平衡。濺射NiV混合物后的加熱或許歸因于各處理步驟或者組件的再流焊制造步驟。鎳濃度41在阻擋層38中分布，其峰值濃度大概在阻擋層38的中間。鎳濃度在靠近附著層37和阻擋層38的界面或阻擋層38與保護層39的界面處減小。釩的峰值濃度(由參考數(shù)字40表示)發(fā)生在靠近阻擋層38與保護層39的界面處。阻擋層38中，鎳濃度象釩在靠近阻擋層38和保護層39間的界面處為峰值一樣在此減小。釩的這個峰值濃度或釩的聚集避免了鎳從阻擋層38溶解到用作管芯貼裝材料的焊料中。
例如，保護層39中的金在再流焊工藝期間的高溫下溶入焊料中。阻擋金屬如鎳和釩可以防止焊料成分向下表面22擴散。一般情況下，首先把具有金屬化系統(tǒng)36的管芯貼裝到選擇地鍍有鎳的銅引線框上(未示出)，然后，或者鍍金或者鍍銀。用于將由半導(dǎo)體襯底20制作的管芯貼裝于引線框上的焊料例如有85％的鉛(Pb)/10％的銻(Sb)/5％的錫(Sn)、或80％的鉛(Pb)/10％的錫(Sn)/10％的銻(Sb)、或97.5％的鉛(Pb)/2.5％的銀(Ag)、或62％的錫(Sn)/36％的鉛(Pb)/2％的銀(Ag)等組合物。金屬化系統(tǒng)36通過約190℃(攝氏度)-410℃的溫度下的再流焊鍵合到引線框上。當溫度下降時，焊料便將金屬化系統(tǒng)36鍵合到引線框上。
至此，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了一種適于用在高溫過程的金屬化系統(tǒng)。例如，金屬化系統(tǒng)36適于用在約190-410℃溫度下的管芯貼裝工藝中。該金屬化系統(tǒng)可以采用的焊料合金、鍍有材料的引線框、鍵合技術(shù)、及半導(dǎo)體襯底材料的范圍很廣。另外，金屬化系統(tǒng)還使襯底具有良好地附著力，且在焊料-金屬系統(tǒng)界面處只形成很少的空洞。應(yīng)該明白，該實驗結(jié)果表明基本上沒形成空洞。所以，本發(fā)明提供了一種適于用在如再流焊工藝等高溫工藝的系統(tǒng)。
在展示和說明了本發(fā)明的具體實施例后，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說由此可以做出進一步的改型和改進。例如，本發(fā)明說明了金屬化系統(tǒng)用作背面金屬。然而，應(yīng)該明白，本發(fā)明也可以用作正面金屬系統(tǒng)?？梢詫饘倩到y(tǒng)構(gòu)圖，然后用作襯底20上表面21的互連。例如，可以按倒裝芯片封裝形式焊接帶有互連半導(dǎo)體器件的金屬化系統(tǒng)、且具有上表面鍵合焊盤的襯底。
權(quán)利要求
1.一種金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有表面(22)的襯底(20)；設(shè)置在表面(22)上的第一層(37)；及設(shè)置于第一層(37)上的第二層(38)，第二層(38)含鎳合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二層(38)是選自由鎳-釩(NiV)、鎳-鈮(NiNb)、鎳-鉭(NiTa)、鎳-硫(NiS)、鎳-銻(NiSb)、鎳-鈧(NiSc)、鎳-釤(NiSm)、鎳-錫(NiSn)、鎳-鎂(NiMg)、鎳-釔(NiY)、鎳-鉿(NiHf)、和鎳-鋯(NiZr)組成的組中的一種組合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二層是一種按重量計釩約占3％-31％的組合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一層(37)是選自IVB和VB族的一種過渡元素。
5.一種半導(dǎo)體器件，該器件包括具有第一表面(21)和第二表面(22)的半導(dǎo)體襯底(20)，第一表面(21)具有由其形成的晶體管；設(shè)置于第一表面(21)和第二表面(22)中至少一個上的附著層(37)；及設(shè)置于附著層(37)的阻擋層(38)，阻擋層(38)含鎳合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其特征在于，阻擋層(38)是選自由鎳-釩(NiV)、鎳-鈮(NiNb)、鎳-鉭(NiTa)、鎳-硫(NiS)、鎳-銻(NiSb)、鎳-鈧(NiSc)、鎳-釤(NiSm)、鎳-錫(NiSn)、鎳-鎂(NiMg)、鎳-釔(NiY)、鎳-鉿(NiHf)、和鎳-鋯(NiZr)組成的組中的一種組合物。
7.一種用于引線框的金屬化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)置于引線框上的第一層(37)；設(shè)置于第一層(37)上的第二層(38)，第二層(38)含鎳合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二層(38)是選自由鎳-釩(NiV)、鎳-鈮(NiNb)、鎳-鉭(NiTa)、鎳-硫(NiS)、鎳-銻(NiSb)、鎳-鈧(NiSc)、鎳-釤(NiSm)、鎳-錫(NiSn)、鎳-鎂(NiMg)、鎳-釔(NiY)、鎳-鉿(NiHf)、和鎳-鋯(NiZr)組成的組中的一種組合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二層(38)是一種按重量計釩約占3％-31％的組合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的金屬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，第一層(37)是選自IVB和VB族的一種過渡元素。
全文摘要
一種用于半導(dǎo)體器件(23)的高溫金屬化系統(tǒng)。半導(dǎo)體器件(23)具有多層金屬化系統(tǒng)(36)。金屬化系統(tǒng)(36)的附著層(37)形成于半導(dǎo)體襯底(20)上。含鎳合金的阻擋層(38)形成于附著層(37)上。保護層(39)形成于阻擋層(38)上。阻擋層(38)可以防止高溫處理過程中焊料成分向半導(dǎo)體襯底(20)擴散。
文檔編號H01L21/52GK1174408SQ9711661
公開日1998年2月25日 申請日期1997年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月5日
發(fā)明者韋恩·A·克羅寧, 布賴恩·L·斯克里夫納, 柯比·F·克茨, 小約翰·M·帕爾西 申請人:摩托羅拉公司