JP2001502121A - 背面を金属化した半導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 支持体材料に対する付着強度が劣化されることなく、半導体ウエーハのディスク湾曲を明らかに減少するため、ろう付前にシリコンから出発して支持板の方向へアルミニウム層および拡散阻止層を設けた新規の背面金属化系を提示する。チタン層に窒化チタン層を導入する。なぜならば、上記窒化チタン層は、現れるディスク湾曲の大半を補償できるということが判明しているからである。アルミニウム層とシリコン半導体との間のオーム接触の改善のために慣用の熱処理は、半導体の金属化の完了後ではなく、シリコン半導体上に薄い第１アルミニウム層を析出させた後に実施するのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 背面を金属化した半導体 本発明は、ろう付前にシリコンから出発して支持板の方向へアルミニウム層お よび拡散阻止層を有する一連の金属層を介して金属支持板にろう付け可能である 、シリコンからなる半導体に関する。 このような半導体は、多量に市販されている半導体コンポーネント、特に、電 力用半導体コンポーネントに組込まれる。一連の金属層は、一般に、シリコン半 導体上に載るアルミニウム層を含む。アルミニウム層は、シリコンに良好に付着 し、特に、ｐドープド・シリコンとともに申し分のないオーム接点を形成する。 先行技術の場合、アルミニウム層上には、概ね、チタンまたはクロムからなる拡 散阻止層が載り、この拡散阻止層は、付着媒体としてかつ拡散阻止層上にある他 の金属層（一般に、ニッケル層）とアルミニウム層との間の背面バリヤとして役 立つ。 一方の各金属層の熱膨張係数と他方のシリコン半導体の熱膨張係数とは異なる ので、強い機械的応力が誘起される。特に、薄い半導体の場合、即ち、厚さが２ ５０μｍ以下の半導体の場合、ウエーハの強い湾曲、即ち、１０００μｍよりも 大きい湾曲が生ずる。 かくして、ウエーハの“取扱い”が困難になり、カ セットの位置決め誤差が増大し、ウエーハ加工時の破壊の危険性が増大する。 従来、ろう付部がなお十分な付着強度を示すようニッケル層の厚さをできる限 り小さくすることによって、この問題に対処することが試みられている。しかし ながら、ニッケル層厚を減少したにも拘わらず、即ち、層厚がほぼ１μｍである にも拘わらず、製造作業時、更に、ディスクの７００〜２０００μｍの湾曲が現 れ、かくして、上述の問題が生ずる。 特に、ますます薄い半導体に対する、即ち、厚さが約１００μｍの半導体に対 する要望に鑑みて、上述の問題の対策をなす金属化プロセスに関する要求が生ず る。このような半導体は、特に、電力用電界効果トランジスタおよび垂直構造の ＩＧＢＴにおいて必要とされる。 従って、本発明の課題は、ディスク湾曲が明らかに減少され、しかも、支持体 材料に対する付着強度が劣化されないよう、シリコン半導体を金属化することに ある。 ドイツ特許出願公開第３８２３３４７号明細書には、半導体の接触層構造を有 する大電流用半導体コンポーネントが記載されている。この場合、金属化層は、 アルミニウムからなる第１層と、クロムまたはチタンからなる付着層およびアル ミニウム拡散バリヤとしての第２層と、ニッケルからなるろう付可能な第３層と 、金またはパラジウムからなり成端を行う保護層と、あるいは、それぞれニッケ ルおよび銅からなる部分層を含むろう付可能な層とからなる。この場合、銅は、 同時に、最外側層であるか、更に、金またはパラジウムで被着できる。 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,1986,Vol．ED-33，No.3，p.402-408 には、段状電極構造と窒化チタン拡散バリヤとを有するシリコン・電力用トラン ジスタが記載されている。窒化チタン拡散阻止層は、金からなる電極接続とシリ コン基板との間に、チタン／窒化チタン／チタンの層系列として被着される。か くして、結合の高い信頼性および寿命が得られ、金／シリコン反応が阻止される 。 上記課題は、窒化チタン層を導入したチタン層を拡散阻止層として設けること によって、解決される。 驚くべきことには、拡散阻止層として役立つチタン層に窒化チタン層を組込む ことによって、現れるディスク湾曲の大半を補償できるということが判明した。 典型的には、このように処理した拡散阻止層上に、次いで、ニッケル層を被着 し、ニッケル層上に、付着媒体層を析出させるとともにまたは付着媒体層なしで 、酸化防止層（好ましくは、銀層）を被着する。 本発明の他の実施例の場合、好ましくは錫または鉛またはガリウムからなるろ う付材料層をチタン層上に直接に析出させる。この操作態様にもとづき、支持板 上で約２５０℃以上の温度に加熱することによって半導体を支持板に直接にろう 付けでき、しかも、別個のろう付材料層をニッケル層にろう付けする必要はない 。この場合、他のろう付剤および融剤の添加は、不要である。 かくして形成されたろう層は、ほぼ無応力状態であるので、基板縁部が湾曲す るに過ぎない。 本発明に係るシリコンからなる半導体は、典型的に、下記方法で製造される。 本発明に係る方法は、下記工程を含む： ａ）半導体上にアルミニウム層を析出させる工程； ｂ）アルミニウム層上にチタン層を析出させる工程； ｃ）チタン層上に窒化チタン層を析出させる工程； ｄ）窒化チタン層上に、再び、チタン層を析出させる工程。 半導体上に、まず、薄いアルミニウム層を被着し、次いで、このように処理し た半導体を、好ましくは、約３５０℃で熱処理すれば、特に良好な背面金属化を 達成できる。熱処理を行った後、第１アルミニウム層上に他のアルミニウム層を 析出させる。 アルミニウム被着プロセスおよびアルミニウム被着した半導体の“現場熱処理 ”の２つの部分によって、チタン層に組込まれた窒化チタン層の作用が、特に安 定化される。即ち、熱処理工程を金属化プロセスの終了時点からアルミニウム被 着プロセスにずらすことに よって、窒化チタン層の好適な性質が十分に得られるということが判明した。 金属化終了時に熱処理を実施すれば、窒化チタン層の好適な性質が、マイナス の影響を受け、即ち、最悪な場合には、窒化チタン層の応力補償性質のほぼ５０ ％が喪失される。 熱処理工程を金属化終了時点からアルミニウム被着プロセスにずらすことによ って、金属化プロセス全体が不利な影響を受けることはない。なぜならば、熱処 理工程は、アルミニウムとシリコンとを特に良好に接触させるのに役立つに過ぎ ないからである。 本発明に係る方法の場合、典型的に、すべての金属層を蒸着する。 操作工程ｄ）の実施後、所望の操作態様に応じて、チタン層上にニッケル層を 析出させ、次いで、酸化防止層を析出させることができる。酸化防止層の析出操 作とニッケル層の析出操作との間に、任意に、付着媒体層を析出させることがで きる。この場合、上記付着媒体層は、同じく、チタンから構成できる。 しかしながら、他の実施例にもとづき、操作工程ｄ）において直ちに、錫、鉛 またはガリウムからなるろう付材料層の被着を行う。 すべての金属層は、典型的に、蒸着される。 第１図に、ろう付前の一連の金属層を示した。一連の金属層は、シリコン半導 体１上に蒸着したアルミニ ウム層３を含む。アルミニウム層３は、シリコンに良好に付着し、特に、ｐドー プドシリコンと完璧なオーム接触を形成する。アルミニウム層３は、厚さ約３０ ｎｍの第１アルミニウム層３ａと、厚さ約７０ｎｍの第２アルミニウム層３ｂと からなる。アルミニウム層３ａの析出操作とアルミニウム層３ｂの析出操作との 間で、被着したシリコン半導体１をほぼ３５０℃の温度において１０〜９０分間 熱処理する。シリコン半導体１のこの“現場熱処理”によって、シリコン上のア ルミニウム層３ａの特に良好な付着が達成される。 アルミニウム層３上には、チタン層４が載り、このチタン層４は、チタン層４ 上に載るニッケル層５とアルミニウム層３との間の付着媒体および拡散バリヤと して役立つ。 チタン層４は、厚さがほぼ３０ｎｍの第１チタン層４ａと、厚さが同じくほぼ ３０ｎｍの第２チタン層４ｂとからなる。第１チタン層４ａと第２チタン層４ｂ との間には、厚さがほぼ４０ｎｍの窒化チタン層５がある。窒化チタン層５は、 異なる熱膨張係数によって現れるディスクの湾曲の大半を補償する。 チタン層４ｂ上には、ほぼ１０００ｎｍの厚さを有するニッケル層６が被着さ れている。このニッケル層６は、図示の実施例の場合、好ましくは銅からなる金 属支持板２とのろう付に役立つ。ニッケル層６上には、同じく、ほぼ４ｎｍの厚 さを有するチタンからなる 付着媒体層７が被着されている。しかしながら、付着媒体層７は、他の金属（特 に、クロム）から構成することもできる。この場合、付着媒体層７上には、貴金 属からなる酸化防止層８（図示の実施例の場合は、銀からなる酸化防止層８）が 被着されている。しかしながら、パラジウム、金または他の貴金属の使用も考え られる。付着媒体層７は、図示の銀層がニッケル層６から剥離するのを抑制する 。 ろう付操作時、酸化防止層８と金属支持板２との間にろう付材料９を設置する 。かくして、ろう付操作時、ニッケルと銅との間に金属結合が生ずる。 第２図に、他の金属化系を示した。この場合、しかしながら、アルミニウム層 ３およびチタン層の詳細は、図１の詳細に対応する。ここでは、アルミニウム層 ３およびチタン層５、特に、アルミニウム層３の“現場熱処理”および窒化チタ ン層６の組込および作用の検討は行わないので、上記の説明箇所を参照されたい 。 第２図の場合、第１図の金属化とは異なり、チタン層５ｂ上に、ニッケル層は 析出してなく、錫からなるろう付材料層１０が直接に被着してある。第２図に示 した錫層は、１０００〜３０００ｎｍの厚さを有することができる。約２７００ ｎｍの厚さが、特に合目的的であることが実証されている。 このように金属化したシリコン半導体１を、一般に 銅からなる金属支持板２に押圧し、保護ガス雰囲気下または真空条件下で約３０ ０℃において上記支持板に結合させる。この場合、チタン層５ｂとろう付材料層 １０と支持板２との間に、約４５０℃の温度まで安定な金属結合が生ずる。 本発明に係る方法および本発明に係る金属化によって、技術的に、シリコン半 導体基板の厚さ、特に、電力用トランジスタまたは垂直構造のＩＢＧＴのために 設けるシリコン半導体基板の厚さを更に減少する可能性が与えられ、かくして、 上記基板の導通性が改善される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンドレアス メッツラー オーストリア国 Ａ―9551 ボーデンスド ルフ ウンターベルガーヴェーク ２ (72)発明者 マーティン マチチュ オーストリア国 Ａ―9181 ファイシュト リッツ イー エル ジュートシャッハ 195 (72)発明者 ヘルベルト マシャー オーストリア国 Ａ―9640 ケチャッハ ミュンツヴェーク 221

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ろう付前にシリコンから出発して支持板の方向へアルミニウム層（３）お よび拡散阻止層を有し、金属支持板（２）にろう付可能である、シリコンからな る半導体（１）において、窒化チタン層（５）を導入したチタン層（４）が、拡 散阻止層として設けてあることを特徴とする、背面を金属化した半導体。 ２．ニッケル層（６）が、チタン層（４）上に被着されている、請求項１記載 の半導体。 ３．酸化防止層（８）が、ニッケル層（６）上に被着されている、請求項２記 載の半導体。 ４．ニッケル層（６）と酸化防止層（８）との間には、付着媒体層（７）が被 着されている、請求項３記載の半導体。 ５．ろう付材料層（１０）が、チタン層（４）上に被着されている、請求項１ 記載の半導体。 ６．錫層または鉛層またはガリウム層が、ろう付材料層（１０）として設けて ある、請求項５に記載の半導体。 ７．請求項１に記載の、金属支持板（２）にろう付け可能である、シリコンか らなる半導体（１）を製造する方法において、 ａ）半導体上にアルミニウム層を析出させる工程と、 ｂ）アルミニウム層上にチタン層を析出させる工程と 、 ｃ）チタン層上に窒化チタン層を析出させる工程と、 ｄ）窒化チタン層上に、再び、チタン層を析出させる工程 からなること特徴とする、背面を金属化した半導体の製造方法。 ８．下記工程、 ｅ）チタン層（４ｂ）上にニッケル層（６）を析出させる工程と、 ｆ）ニッケル層（６）上に酸化防止層（８）を析出させる工程 からなる、請求項７記載の方法。 ９．下記工程、 ｇ）工程ｅ）と工程ｆ）との間で、ニッケル層（６）上に付着媒体層（７）を析 出させる工程 からなる、請求項８記載の方法。 １０．下記工程、 ｅ’）チタン層（４ｂ）上にろう付材料層（１０）を析出させる工程 からなる、請求項７記載の方法。 １１．下記工程、 ａ１）半導体（１）上に薄いアルミニウム層（３ａ）を被着する工程と、 ａ２）このように処理した半導体（１）を温調する工程と、 ａ３）次いで、アルミニウム層（３ａ）上に他のアルミニウム層（３ｂ）を被着 する工程 からなる、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。