DE1943519A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE1943519A1
DE1943519A1 DE19691943519 DE1943519A DE1943519A1 DE 1943519 A1 DE1943519 A1 DE 1943519A1 DE 19691943519 DE19691943519 DE 19691943519 DE 1943519 A DE1943519 A DE 1943519A DE 1943519 A1 DE1943519 A1 DE 1943519A1
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DE
Germany
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layer
nickel
gold
electroplated
aluminum
Prior art date
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DE19691943519
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English (en)
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Blech Ilan Asriel
Duffek Jun Edward Frank
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Fairchild Semiconductor Corp
Original Assignee
Fairchild Camera and Instrument Corp
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Publication date
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Description

PATENTANWALT Dipl.-lng. FRIEDR. B. FISCHER
5039 Weiss, Kreis Köln fehanniMtrafie 4
Fairchild Camera & Instrument Corporation
464 Ellis Street Mountain View, California
Halbleiterbauelement
Die Erfindung "bezieht sich auf Halbleiterbauelemente und auf Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, und sie bezieht sich insbesondere auf das gleichzeitige Anbringen mehrerer Anschlußstücke an einem Halbleiterkörper, welcher eine größere Zahl von Halbleitereleraeiiteii enthält.
IDine integrierte Schaltung enthält eine große Zahl miteinander verbundener Elemente, z.B. Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren, die auf einer Scheibe aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, angeordnet sind. TJm nun die elektrische Verbindung mit diesen Elementen herzustellen, sind zahlreiche Metallkontakte an diesen Elementen angebracht, oder - bei Transistoren und Dioden - an den verschiedenen p- und n-Gebieten dieser Elemente. Obwohl die Metallkontaktschichten selektiv miteinander verbunden sind, um die vorgesehene Wirkungsweise der integrierten Schaltung zu erreichen, sind sie im allgemeinen voneinander und von den übrigen Teilen der Elemente auf der Halbleiterscheibe durch Isoliermaterial getrennt. Eine solche Halbleiterscheibe, einschließlich der darauf angeordneten Isolierschichten und Metallkontakte, wird nachfolgend auch als "Halbleiterkörper" (die) bezeichnet.
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-ίΤ- -λ-
Bei der Herstellung integrierter Schaltungen wird eine große Zahl von Halbleiterkörpern als Ieil eines "Grundkörpers" (wafer) aus Halbleitermaterial gewöhnlich gemeinsam bearbeitet. Nachdem die geforderten integrierten Schaltungen auf den in dem Grundkörper enthaltenen Halbleiterkörpern ausgebildet sind, wird der Grundkörper in die vorgesehenen Einzelkörper zerlegt. Die integrierte Schaltung oder die integrierten Schaltungen auf einem Halbleiterkörper müssen dann mit den anderen Schaltungen außerhalb des Halbleiterkörpers, mit denen sie zusammenarbeiten sollen, verbunden werden. In der Regel geschieht dies in der Weise, daß Verbindungsleitungen von bestimmten Metallkontakten auf dem Halbleiterkörper zu den Metallkontaktschichten auf einer Fläche einer tragenden Unterlage vorhanden sind. Eine solche Art der Verbindung, die entweder durch Ultraschall oder Thermokompressionsschweißung hergestellt wird, wird gewöhnlich Leitung für leitung hergestellt und erfordert daher viel Zeit und ist unwirtschaftlich.
Um diese Leitungsdrähte zu ersetzen, ist auch eine Lösung angegeben worden, bei der Vorstöße bzw. Teile aus Lötmaterial (solder bumps) verwendet werden. Bei der Herstellung der Lötmaterialvorstöße oder Lötmaterialteile - und dies geschieht in der Regel vor der Zerlegung des Grundkörpers in die Einzelkörper wird eine Glasschicht auf die Dünnfilm-Metallkontaktschichten aufgebracht, welche sich an den Elementen auf jedem Einzelkörper des Grundkörpers befinden. Anschließend werden Öffnungen durch die Glasschicht zu dem darunterliegenden Metall herausgeätzt und Schichten aus einem geeigneten benetzbaren Metall, z.B. Chromkupfer oder Chromnickel, auf die Glasschicht und die Öffnungen aufgedampft. Das Metall wird dann selektiv von allen Bereichen entfernt, außer über den Öffnungen in der Glasschicht, so daß
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Anschluß stücke aus' Metall über diesen Bereichen gebildet werden. Danach wird der Grundkörper in ein Bad geschmolzenen Lötmittels getaucht, welches die Bereiche der Anschlußstücke benetzt und die vorstoßenden Iiötmaterialteile bildet. Nach der Zerlegung des Grundkörpers in die Einzelkörper erfolgt der Verbindungsvorgang in der /eise, daß jeder Körper mit der Prontflache nach unten auf einer entsprechend ausgebildeten tragenden Unterlage angeordnet wird und Hitze und Druck einwirken. Halbleiterkörper, die einem solchen Verbindungsvorgang unterworfen wurden, werden auch als "Flip Chips" bezeichnet.
Bei dieser Art des Vorgehens treten jedoch in nachteilige?? "Jeiae häufig unzuverlässige Verbindungen auf, da die :;remdnetalle, z.B. Ghrom oder ITiokel, die bei der Herstellung solcher vorstoßender ' Lötmaterialteile verwendet werden, die unter ihnen liegenden dünnen Metallkontakte schädigen oder aufmehren und die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieeer Kontakte erheblich beeinträchtigen können·
Zweck der Erfindung ist, diese Nachteile der bisherigen Art der Herstellung elektrischer Kontakte auf integrierten Schaltungen zu beheben. Die vorstoßenden lötoaterialteile oder Anschlußstücke
gemäß der Erfindung ^sollen so hergestellt werden, daß sie eine lange lebensdauer und gute elektrische und mechanische Eigenschaften haben« Außerdem soll die Erfindung ermöglichen, daß Anschlußstücke gleichzeitig in jeder gewünschten geometrischen Anordnung angebracht\erden können, und swar auf genau anzuhebenden Bereichen einer integrierten Schaltung, wenn der Einzelkörper noch Teil des Halbleitergrundkörpers ist. Da die Erfindung die Herstellung von vorstoßenden Lötmittelteilen ermöglicht, welche geringe Bindun^skräfte und niedrige Bindungstenperaturen in der Größenordnung von 315° 0 bis 345° 0 (600° F bis 650° J1)
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-H-
erfordern - und das ist etwa 40° 0 (100° ]?) weniger als die Temperatur für die Thermokompressionsbindung der Flip Glaips «- ist der Grad der Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und TöTwendungsfähigkeit der integrierten Schaltung infolge der Bindungstemperaturen erheblich geringer im Vergleich zu dem Umfang der Verschlechterung der Eigenschaften, wie sie bei den bisher verwendeten höheren Bindungstemperaturen auftrat* Da außerdem die gemäß der Erfindung hergestellten vorstoßenden Lötmaterialteile während des Bindungsvorganges schmelzen und "fließen", und dadurch Unebenheiten der Oberfläche der darunterliegenden Unterlage ausgeglichen werden, hat eine solche Unebenheit nur geringen Einfluß auf die Zuverlässigkeit und Wirksamkeit des Bindungsvorganges. Man kann daher eine große Zahl von Anschlußstücken je Halbleiterkörper ausbilden, ohne daß allzu große Rücksicht auf die Ebenheit der tragenden Unterlage oder Bruchstellen der Halbleiterkörper genommen zu werden braucht. Schließlich haben die vorstoßenden Lötmaterialteile gemäß der Erfindung den Vorteil, daß sie auf dem darunterliegenden Material haften, ohne daß die Haftkraft mit der Zeit nennenswert nachläßt.
Bei der Herstellung von Lötmaterialvorstößen bzw. vorstoßenden Lötmaterialteilen gemäß der Erfindung wird ein Grundkörper mit mehreren Einzelkörpern, die jeweils mit einer Isolierung und einer Schicht oder Schichten aus Kontaktmetall bedeckt sind, z.B. Aluminium, mit einer zweiten Isolierschicht versehen, z.B. Siliziumdioxid. In diese zv/eite Isolierschicht werden geeignete Öffnungen geätzt. Anschließend wird eine verhältnismäßig starke ■ Schicht aus leitfähigera I-ietall, z.B. Aluminium, in einer Stärke von vorzugsweise 6 bis 10 Mikron auf den Grundkörper aufgebracht, und sofort anschließend folgt eine Hiekelschicht. Es ist zweckaäßig, diese beiden Schichten unter Vakuum arf den Grundkörper
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aufzubringen. Daraufhin wird eine fotoempfindliche Maske auf der Hiekelschicht so ausgebildet, daß die Nickelgebiete, auf denen die Lötmittelvorstöße anzuordnen sind, unmaskiert bleiben. Nach sorgfältiger Reinigung werden mehrere Schichten aus gewählten Metallen, die das Lötmaterial einschließen, auf diese Nickelschicht aufgebracht. Vorzugsweise bestehen diese Schichten aus einer verhältnismäßig starken sperrenden Schicht aus Nickel, gefolgt Ton Schichten aus Gold, Zinn und Gold, obwohl - wie noch beschrieben werden wird - auch andere lötmittel verwendet werden können. Nach einer bevorzugten Aujführungsform der Erfindung werden die erwähnten Schichten durch Slektroplattierung auf die Nickelschicht aufgebracht. Schließlich werden die ITotoresistschicht und !eile der zuerst ausgebildeten Nickelschicht und der starken Schicht aus leitendem Metall entfernt, um die gewünschte Form der vorstoßenden lötmaterialteile zu erhalten.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine genaue gleichzeitige Herstellung vieler vorstoßender Lötmaterialteile. Die kräftige vakuumaufgetragene Aluminiuraschichü setzt dis elektrische und mechanische Beeinträchtigung des vorstoßenden Lötmaterialteiles mit der Zeit infolge der Wanderung von Nickel durch das Aluminium erheblich herab, und die sperrende Schicht aus ITickel verhindert die Ausbildung von Gold-Aluminium-Verbindungen. Jenn auch die Herstellung der vorstoßenden Lötmaterialteile gemäß der Erfindung etwas aufwendiger ist als die Herstellung der nach dem Stande der Technik bekannten Kontakte, sind sie doch viel einfacher und kostensparender mit äußeren Schaltungen zu verbinden als die bis jetzt verwendeten Leitungsdrähte, und sie sind wesentlich zuverlässiger und betriebssicherer als die Lötmaterialteile nach älteren Vorschlägen. Wenn sich auch der Bindungsvorgang bei Temperaturen in der Größenordnung von 315° C bis 345° ö (600° 1 bin 650 1?) abspielt, erhält man eine Bindung, die diesen
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Temperaturen widersteht, da die Lötmaterialteile, einmal geschmolzen, eine Legierung bilden, die nur bei einer wesentlich höheren Temperatur wieder schmelzflüssig wird.
Hach einer anderen Ausführungsform der Erfindung können für die Herstellung -von vorstoßenden Lötmaterialteilen auf einer integrierten Schaltung auch Aufdampfverfahren verwendet werden. Dabei gelangen gewählte Metalle, die nacheinander von einem kleinen Vorrat verdampft werden, durch genau ausgebildete Öffnungen in einer Maske aus Metallfolie. Der Halbleiterkörper befindet sich unmittelbar hinter der Maske. Die verdampften Hetalle werden daher schichtweise auf diejenigen Gebiete des Halbleiterkörper aufgetragen, die durch die Maskenöffnungen definiert sind, und es werden so die gewünschten Lötmittelteile gebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Pig. 1 zeigt einen Seil eines typischen Halbleitergrundkörpers mit darauf angeordneten Isolier- und Aluminiuaschichten.
Pig. 2 zeigt den Grundkörper nach Pig. 1, auf de α eine zusätzliche dielektrische Schicht angeordnet ist.
Pig. 3 zeigt den Grundkörper nach Pig. 2 mit einer verhältnismäßig starken Aluminiumschicht und einer darauf aufgedampften Έ±ekelschicht.
Pig. 4 zeigt den Grundkörper nach Pig. 3 mit einer Potoresistschicht, welche in einem vorgegebenen Muster auf der Mkkelschicht angeordnet ist.
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Pig. 5 zeigt den Grundkörper nach Pig. 4 mit Schichten aus Nickel, Gold, Zinn und Gold, die in dieser Reihenfolge über den in der Potoresistschicht ausgesparten Öffnungen durch Elektroplattierung angeordnet sind.
Pig. 6 zeigt den Grundkörper nach Pig. 5 nach Entfernung der Potoresistsohicht und gewählter Schichten aus Aluminium und Nickel·
Anhand der Figuren 1 bis 6 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeippiel eines Verfahrens zur Darstellung der Erfindung beschrieben. Dieses Verfahren sieht Gold-Sinn-Lötmaterialteile vor, welche sich auf einem von einsc Siliziurascliiclit und einer Aluroiniumschioht bedeckten Silisiumgrundkörper befinden; im Hahnen der Erfindung ' können jedoch auch andere geeignete Lütmc.terial-Halbleiter-IIor:binationen Anwendung finden. Bei diesen anderen Systemen können beispielsweise Gold-Germanium Lötmaterial über einer sperrenden Germaniumschicht auf verhältnismäßig starken Aluainiumkontakten vorgesehen sein. Außerdem ist in den ITiguren zur -Vereinfachung der Darstellung die Erfindung nur in Hinblick auf einen Teil eines Halbleitergrundkörpers beschrieben, auf dem sich ein einzelne^ Lötmaterialteil befindet; es ist also nicht der vollständige Grundkörper gezeigt. Bei der praktischen Anwendung der Erfindung werden mehrere vorstoßende Lotmaterialteile auf jedem SinzelkÖrper eines jeweils bearbeiteten. Grundkörpers angeordnet, nicht aber nur ein einzelner Lötmaterialteil.jPig. 1 zeigt einen Teil eines Grundkörpers 10 aus Silizium 11 mit einer darauf angeordneten isolierenden Schicht 12 aus Siliziumdioxid. Eine Schicht 13 aus Aluminium, die vorzugsweise eine Stärke von 1 Mikron hat, befindet sich über dem Siliziumdioxid. Die Schicht 13» welche aus vielen elektrisch isolierten Aluminiuingebieten zusammengesetzt ist, stellt selektiv bestimmte elektrische Eontakte zu den
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Elementen oder den p- und η-Gebieten der (nicht dargestellten) Transistoren und Dioden her, die vorher innerhalb des Siliziums 11 ausgebildet wurden. Der Grundkörper 10 ist seiner Art nach in der Halbleitertechnik bekannt, so daß er nicht näher beschrieben zu werden braucht. In der Regel enthält er mehrere Halbleiterkörper mit integrierten Schaltungen. .
Wie Pig. 2 zeigt, wird anschließend eine zweite Isolierschicht 14, vorzugsweise eine Glasschicht von etwa 1 Mikron Stärke, auf den Grundkörper 10 aufgebracht. Um die Aluminiumschicht 13 an vorgesehenen Stellen freizulegen, werden geeignete Öffnungen, z.B. Öffnung 23, in bekannter Weise in die Schicht H eingeätzt.
■Pig. 3 zeigt, wie anschließend eine verhältnismäßig dicke Schicht 15 aus Aluminium auf den Grundkörper 10 aufgedampft ist. Die Schichtstärke beträgt vorzugsweise 6 bis 10 Mikron. Unmittelbar danach wird eine Kickelschicht 16 auf die Aluminiumschicht 15 aufgedampft. Die Schicht 16 hat vorzugsweise eine Schichtstärke von 0,3 Mikron. Dadurch, daß die ITickelschicht unmittelbar nach dem Aufdampfen der Aluminium sollicht auf den Grundkörper aufgedampft
—6 —7 wird, und zwar in einem Vakuum von etwa 10 bis 10 Torr, tritt kein störender elektrischer Widerstand zwischen dem Aluminium und dea ITickel durch Oxydation der Aluminiumschicht 15 auf. Es ist so in vorteilhafter 'weise sichergestellt, daß der spezifische Widerstand des Eontaktgebietes zwischen Aluminiumschicht 15 und nickelschicht 16 vernachlässigbar klein ist. Vor dem Aufdampfen wird der Grundkörper in H^PO^-lösung etwa 10 see lang bei etwa60° C (HO P) gereinigt, in entionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Die H^PO^-Lösung reinigt die freigelegte Aluminiumfläche der Schicht 13 und verbessert dadurch die Haftung der Aluminiumschicht 15 an der Schicht 13, ohne daß die Isolierschicht 14 angegriffen wird.
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Da das Verfahren des Vakuumaufdampfens von Metallen in der Halbleitertechnik bekannt ist, wird es nicht näher beschrieben. Zu beachten ist jedoch im vorliegenden Zusammenhang, daß die Oberfläche des Grundkörpers auf einer Temperatur zwischen 100 0 und 300° G gehalten werden sollte, vorzugsweise etwa 200° 0, um eine gute Haftung der Aluminium- und Mckelschichten 15 und 16 an der Aluminiumschicht 13 und untereinander zu erreichen, ohne daß unerwünschte Legierungsvorgänge auftreten.
Um die Gebiete festzulegen, auf denen die vorstoßenden Lötmaterialteile anzubringen sind, wird eine fotoempfindliche Maske 17 auf der Hickelschicht 16 angeordnet, wie Pig. 4 zeigt. Diese Potoresistmaske ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine Negativmaske, z.B. "Kodak Thin PiIm Resist"; sie wird in bekannter ,/eise auf bestimmten Gebieten der Hickelschicht 16 angeordnet und definiert dadurch die Gebiete-der Schicht 16, auf denen vorstoßende Lötmaterialteile anzuordnen sind. Da die Öffnungen in der Maske 17 mit einer Genauigkeit von - 5 Mikron festgelegt v/erden können, kann die Anordnung der vorstoßenden Lötmaterialteile dem-entsprechend mit etwa gleicher Genauigkeit dimensioniert werden. Vor dem Aufbringen der Maske 17 wird jedoch der Grundkörper 10 gereinigt, indem er 10 see lang bei einer Temperatur von etwa 25° C (77° P) in 10$ige HlTO3 getaucht, in entionisiertem Ifasser gespült und getrocknet wird. Durch diese Reinigung wird die Haftung der Maske 17 an der Oberfläche der Nickel-Schicht 16 verbessert.
Entsprechend der Darstellung in Pig. 5 wird nun eine Nickel-Schicht 1G von 8 bis 10 Mikron Stärke durch Elektroplattierung über denjenigen Bereichen der aufgedampften Nickelschicht 16 angeordnet, welche durch die Öffnungen in der Fotoresistschicht 17 freiliegen. Vor der Elektroplattierung wird die Oberfläche der
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FiekelSchicht 16 sorgfältig vorbereitet, um eine saubere Sindung mit geringem Widerstand zwischen der vakuumaufgetragenen und der elektroplattierten llickelschioht zu erhalten. Anschließend werden Schichten 19, 20 und 21 aus Gold, Zinn und Gold über der ificlcelschicht 18 durch Elektroplattierung angeordnet. Die Schichten 19, 20 und 21 sind vorzugsweise 1,25 bzw. 5 bzw. 2,5 I-Iikron stark. Die ITickelschicht 13 dient als harte 'Grundlage und Diffusionssperre zwischen den Gold-, Zinn- und Joldschichten 19, 20 und einerseits und der Aluminiumschicht 15 andererseits.
3?ig. 6 zeigt, wie schließlich die Pot ores istschicht 17 und bestimmte Teile der Aluminiumschicht 15 und der ITickelccuicht 16 durch Atzen entfernt werden. 3s ergibt sich dann entsprechend, der Darstellung in Pi". 6 der gewünschte vorstoßende Lötmaterialteil.
Die Verfahren der Elektroplattierung, wie sie im Zusammenhang mit der Erfindung angewandt werden, sind in der Praxis bewährt, und man erreicht durch diese Verfahren gut haftende, stabile Hetallbeläge; eine Beschreibung der Praxis findet sich beispielsweise in dem "Electroplating Engineering Handbook" von A.IC. Graham (Reinhold Publishing Co., Hew York, 1955). Demgegenüber ist die Behandlung der Oberfläche der Fickelschicht 16, um eine gleichmäßige, mit hoher Qualität plattierte zusätzliche ITickelschicht 18 zu erhalten, ein sehr spezielles, kompliziertes Verfahren. Bevor die Elektroplattierung beginnt, wird ein organischer Schutzlack (Resistmaterial) als Überzug auf die Ränder und die Rückseite des G-rundkörpers 10 aufgebracht, um zu verhindern, daß diese Plächen während der Elektroplattierung der vorstoßenden Lötmaterialteile auf der Vorderseite des Grundkörpers ebenfalls elektroplattiert werden.
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-Vf- .-11.
Anschließend wird die Schicht 16 gründlich gereinigt. Durch diese Reinigung werden alle Verschmutzungen durch "Fotoresistbestandteile, organische und atmosphärische Verunreinigungen und öle, Oberfläohenoxydation usw. entfernt. Bei der Durchführung dieser Reinigung wird der Grundkörper 10 zuerst für eine Dauer von etwa 5 see in eine alkalische Reinigungsflüssigkeit getaucht, welche ein alkalisches Metall-Reinigungsmittel mit einem pH-Wert von etwa 13 "bis 14 enthält. Diese Reinigungslösung entfernt bei ei-ner Temperatur von etwa 43° C (110° P) organische Verbindungen. Der Grundkörper 10 v/ird dann in Leitungswasser während einer Dauer von e.twa 5 see gespült und für etwa 5 see in eine lO^ige Salzsäurelösung bei etwa 25° C (77° 3?) getaucht. In diesem Säurebad werden alle Verunreinigungen entfernt, die bei der alkalischen Reinigung abgelagert oder nach dieser Reinigung zurückgeblieben ' sind, !fach Spülen in ent ionisiertem Nasser wird der Grundkörper 10 in eine 1O.'i~e ;ialpetersäurelöGung bei etwa 25° 0 (77° P) für etwa 5 see getaucht, um die freiliegende Oberfläche der ITickelschicht 16 zu reinigen. Durch die Salpetersäure wird diese Oberfläche wirksam geätzt, und es ist sichergestellt,' daß sich vor dem Elektroplattieren reines Nickel an der Oberfläche der Schicht 16 befindet. Anscliließend wird dieser lieinigungsproseß, beginnend mi^t der alkalischen Reinigung, aber unter Portlassen der Salpeter-Fäurereinigung, wiederholt. 3ei dieeen zweiten Mal ist jedoch die alkalische Reinigung elektrolytisch, wobei das Wickel kathodisch ist.
Um zu gewährleisten, daß die ITickeloberfläche vollständig sauber ist, wird anschließend ein elektrolytisches, nickelaktivierendes Bad benutzt. Während dieses !auchvorganges wird die Nickeloberflache kathodisch gemacht, indem sie an eine 3-Volt-Spannungsquelle angeschlossen wird· Dabei wird eine Anode aus Stahl oder
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Nickel verwendet» Der Mckelaktivator reduziert alle oxydierten Gebiete auf der freiliegenden Oberfläche der Nickelsohicht 16 in wirksamer Weise. Die Dauer des Eintauchens beträgt 15 see. Als Aktivatorlösung wird vorzugsweise G-12 Aktivatorlösung verwendet, wie sie von der Millhorn Chemical and Supply Go*, geliefert wirdj diese Lösung ist auf dem" technischen Gebiet der Elektroplattierung üblich und bekannt. Während seiner Anwesenheit in dem Aktivatorbad wird der Grundkörper geprüft und überwacht, um die Reinigung durch Beobachtung der Ausbildung von Wasserstoffgas über den freiliegenden ITi ekel flächen der Schicht 16 sicherzustellen. Eine ungleichmäßige Gasbildung über diesen Flächen zeigt an, daß die Nickelflache nicht sauber ist, so daß keine Haftung der Flächen eintritt. Wenn eine solche ungleichmäßige Gasbildung eintritt, wird die Fotoresistschicht 17 von dem Grundkörper entfernt, und die Bearbeitung beginnt mit neuem Fotoresist in der beschriebenen Weise von neuem.
Hach der Behandlung mit dem Aktivator ist die Oberfläche der ITi ekel schicht 16. fast fertig für die Elektroplattierung. "Zunächst wird der Griindkörper 10 jedoch noch in eine 2$ige Schwefelsäurelösung für die Dauer von etwa 5 see getaucht, um alle alkalischen Verunreinigungen zu entfernen, die sich durch den elektrolytischen ITiokelaktivator abgesetzt haben. ITaeh der Entfernung aus diesem Bad wird der Grundkörper für etwa 5 see in entionisiertem Wasser abgesprüht. Die Oberfläche der ITi ekel schicht 16 ist dann für den Torgang der Elektroplattierung vollständig vorbereitet. '
Der Grundkörper 10 wird nun in eine ITickel-Elektroplattierungslösung eingesetzt, wie sie in großer Zahl zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann eine Sulfamat-Fickelplattierüngslösung
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verwendet werden, Während der Elektroplattierung fuhrt die ITickelsohicht 16 Strom. Man kann den erforderlichen elektrischen Kontakt zu dieser Schicht dadurch herstellen, daß man die lotoresistschicht 17 (3?ig. 4-) mit einem Leiter durchbohrt.
\iewn die Nickelschieht 16 durch Elektroplattierung die gewünschte Schichtstärke erhalten hat, wird der Grundkörper 10 aus der Elektroplattierungslösung entfernt und mit entionisiertem Wasser etwa 5 see lang abgesprüht. Der Grundkörper 10 wird dann in eine 10/4ige Salzsäurelösung "bei etwa 25° C (77° ]?) etwa 5 see lang getaucht, um alkalische Verunreinigungen zu entfernen, die bei der Elektroplattierung angefallen sind. Anschließend an dieses Bad wird der Grundkörper wieder für etwa 5 see mit entionisiertem "Jasser abgesprüht, und die gereinigte Oberfläche der Nickelschicht 18 wird dann sofort für die Dauer von etwa 20 see mit 24-karätigern Gold eleMroplattiert. 51Ur diesen Elektroplattierungsvorgang wird eine saure Gold-Vorgalvanisierungslösung bei etwa 49 C (120° j?) verwendet. Nach Absprühen mit entionisiertem v/asser für die Dauer von etwa 5 see wird die Elektroplattierung der Goldschicht 19 (3?ig. 5) fortgesetzt, wobei als Elektroplattierungslösung eine saure Goldlösung von hoher Reinheit verwendet wird, wie sie üblicherweise in der elektronischen Industrie für die Plattierung elektronischer !eile Verwendung findet, Wenn die Schicht 19 vollständig elektroplattiert ist, wird der Grundkörper wieder etwa 5 see lang in entionisiertem Wasser abgesprüht und dann in eine 20^ige Schwefelsäurelösung bei etwa 25° 0 (77° I?) 5 rec lang getaucht. In dem Schwefelsäurebad werden bei den vorhersehenden Verfahrensschritten verwendete netzmittel, Glanzzufj".tze oder stabilisierende Mittel entfernt, die sich durch die yor'in^e^angene Behandlung in der Elektroplattierungslösung auf ',or.'i Orundkörper angelagert haben. Nach dem Schwefelsäurebad folgt ein .'.ij.Tprühen mit entionisiertem Wasser für die Dauer von etwa . r;oe.
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-iH-
Die Zinnschicht 20 wird auf dem Grundkörper unter Verwendung einer sauren Zinn-Elektroplattierungslösung hergestellt, wie sie in der elektronischen Industrie üblicherweise verwendet wird. Wenn die Schicht fertig ausgebildet ist, wird der Grundkörper wieder etwa 5 see lang in entionisiertem Wasser abgesprüht und dann ebenfalls 5 see lang in 20^ige Schwefelsäure getaucht. In diesem Säurebad werden wiederum netzmittel, Glanzzusätze oder stabilisierende Mittel entfernt, die von den Elektroplattierungsvorgang stammen. Anschließend folgt wieder ein Absprühen mit entionisiertem v/asser von 5 see Dauer. Sofort nach diesem Abspulen wird der Grundkörper 10 in eine Zyanid-G-old-Elektroplattierungslösung bei etwa 25° C (77° P) 30 see lang eingesetzt, und es erfolgt eine Zyanid-Gold-IIStoßbehandlung". Dadurch ist gewährleistet, daß die nachfolgende Goldschicht auf eine saubere Oberfläche aufgebracht wird. Zinn ist ein aktives Metall, und es ist nicht leicht zu elektroplattieren; die stoßartige Goldbehandlung ist daher von wesentlicher Bedeutung, um das Zinn zu bedecken, so lange es rein . ist. !lach dieser Goldbehandlung wird der Grundkörper wieder- 5 see lang mit entionisiertem Wasser abgesprüht und dann in eine saure Gold-Elektroplattierungslösung üblicher Art eingesetzt; es wird dann der Rest der Goldschicht 21 durch Elektroplattierung hergestellt. Wenn die Schicht 21 vollständig ausgebildet ist, wird der Grundkörper 10 für die Dauer von 10 see in entionisiertem Wasser abgesprüht und in Stickstoffgas getrocknet.
Alle Schritte des beschriebenen Verfahrens., bei dem Strom durch den Grundkörper geleitet wird, werden in Anwesenheit eines elektrischen Potentials durchgeführt, das über Anode und Kathode sowohl beim Eintauchen als auch beim Entnehmen des Grundkörpers aus der Elektroplattierungslösung anliegt. Auf diese Weise wird die Verunreinigung der Elektroplattierungslösungen sehr gering gehalten, und es wird vermieden, daß die Haftung der vorstoßenden Löt-_ materialteile nachläßt.
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-if-
Nach Abschluß der "Elektraplattierung wird die IPotoresistschicht "17 entfernt, und Seile der Schichten 15 und 16 aus Aluminium "bzw. ITickel werden fortgeätzt· Diese Ätzung muß sorgfältig ausgeführt werden, damit die Hickelschicht 18 und die Iiötaaterialsehichten 19 his 21 möglichst wenig hinterschnitten werden. Um ein Hinterschneiden zu vermeiden, ist es erforderlich, frisches Ätzmittel zu verwenden, und die Ätztemperatur sowie die Ätzzeit müssen genau überwacht werden. Vorzugsweise wird für die Atzung der Nickelsohicht 16 ein saures Ätzmittel verwendet, während ein alkalisches Ätzmittel zur Entfernung der,Aluminiumschicht 15 dient. Erforderlichenfalls kann jedoch das saure Ätzmittel auch zum Entfernen der Aluminiumsohicht verwendet werden. Das Eortätzen vorgegebener Teile der lilckelschicht 16 und der Alurainiumschicht 15 erfolgt ohne wesentliches Hinterschneiden der ITickelschicht 18 ' oder der Lötmaterialschichten 19 bis 21. Der fertig ausgebildete vorstoßende Lötmittelteil ähnelt dann in gewissen Umfang einem Pilz, dessen oberer Teil einen größeren Durchmesser als der Stamm hat.
Bei allen beschriebenen Yerfahrensschritten ist eine Verunreinigung des Siliziums durch alkalische oder andere unerwünschte Stoffe kaum zu befürchten, da sich zwischen den für die Verfahren verwendeten lösungen und der Siliziumzwischenfläche verhältnismäßig dicke Aluminium- und Siliziumdioxidschicliten befinden.
Venn man entsprechend der Darstellung in Pig. 5 (Schichten 16 und 15) ÜTickel unmittelbar auf Aluminium aufbringt, obwohl dies notwendig ist, um eine geeignete Oberfläche für die Elektroplattierung zu erhalten und eine Oxydation des Aluminiums zu vermeiden, diffundiert nickel in das Aluminium ein, und es bilden sich ITi ckel-Aluminium- Verb indungen, z.B. 2TiAl und !Ti .,Al, Diese Verbindungen erstrecken sich in das Aluminium, und bei Erreichen
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der Siliziumdioxidschicht 1.2 unmittelbar unterhalt) der Alurainiumsehicht 13 werden sowohl die elektrischen als auch dLe mechanischen Eigenschaften der Aluminium-Siliziumdioxidbindung beeinträch tigt. Gemäß der Erfindung wird daher die Aluminiumschicht 15 verhältnismäßig dick ausgebildet, um die Zeit zu erhöhen, die das llickel für die Diffundiörung durch das Aluminium benötigt, und hierdurch wird in vorteilhafter Weise.die Lebensdauer der Aluminiumbindung erhöht. .
Andererseits ist die kräftige ITickelschicht 18 erforderlich, um zu verhindern, daß Aluminium 15 sofort Verbindungen mit dem Lötmaterial bildet. Obwohl das Lötmaterial, das bei den beschriebenen Lötraaterialteilen gemäß der Erfindung verwendet wird, ein Gold-Zinn-Lötmaterial ist, besteht es aus einer sandwichartig zwischen zwei Goldschichten angeordneten Zinnschicht, also nicht nur aus einer Schicht Gold und einer Schicht Zinn. Die erste Goldschicht ist erforderlich, da Zinn nicht an Nickel haftet, jedoch an Gold. Die zweite Goldschicht verhindert,eine Oxydation des Zinns. Grundsätzlich besteht dieses Lötraaterial aus 40 — 50 $ Zinn und 60 - 50 $ Gold, und zwar in Gewichtsprozenten. Ein Lötmaterial dieser Zusammensetzung schmilzt bei etwa 340° 0 (640° Έ). 'denn einmal die Bindung erfolgt ist, ist ein erneutes Schmelzen nur bei viel höherer !Temperatur möglich, da Gold sich bei der lletallisierung der Unterlage in dem Lötraaterial lost und dabei der Schmelzpunkt erhöht wird.
Die vorstoßenden Lötmaterialteile sind bei der Erhitzung verformbar, und_sie-enthalten einen großen Teil des Materials in ihren pilzartigen Köpfen; sie besitzen daher genügend Material, das fließfähig ist und sich unebenen Unterlagen anpassen kann, so.daß die Bruchgefahr bei der Preßverbindung von Halbleiterkörpern
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mit unebenen. Unterlagen erheblich vermindert ist oder ganz entfällt. Da die Ihermokompressionsbindung bei den Flip Chips der bisherigen Art bei etwa 400° G (75O0I1) erfolgte, also etwa 40° C (100° I1) höher als die Bindungstemperaturen für die vorstoßenden Lötmaterialteile gemäß der Erfindung, ist die Möglichkeit einer Verschlechterung der Qualität der gebundenen Halbleiterkörper durch hohe Bindungstemperaturen durch die Lötmaterialteile gemäß der Erfindung wesentlich geringer als dies bei den entsprechenden, früher verwendeten Teilen der lall war.
Tienn bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gold-Zinn-Gold~Lötmaterial verwendet wurde, so ist dies nicht als Einschränkung zn betrachten, da erforderlichenfalls auch andere geeignete Lötmaterialien verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Kombination von Blei, Zinn und Gold, vorzugsweise in Schichtstärken von 5 bzw. 5 bzw. 2,5 Mikron, verwendet werden anstelle der Gold-Zinn-Gold-Kombination. Auch ist es möglich, Golei-Indium-Gold mit Schichtstärken von 1,25 bzw. 5 bzw. 2,5 Mikron oder Zink-G-old mit Schichtstärken von 10 "bzw. 2,5 Mikron zu verwenden. Alle diese Lötmaterialien werden auf eine dicke Grundlage aus Aluminium aufgebracht, um die Zeit zu erhöhen, die die oben liegende Nickelschicht benötigt, um durch das Aluminium zu v/andern, und eine dicke sperrende Schicht aus Fiekel verhindert, daß das oben angeordnete Lötmaterial sofort Verbindungen mit der Aluminiumunterläge eingeht.
Alle beschriebenen Lötmaterialien werden auf eine sperrende Uickelcchiclit elektroplattiert. Verfahren der- i&ektroplattierung sind an sich bekannt, jedoch muß beispielsweise bei dem beschriebenen Vorfahren zur .Jlektroplattierung von Gold-Zinn-Gold-Lötmaterial auf nickel der Grundkörper in jedem Fall vor dem Elektroplattieren in geeigneter tfeise gereinigt werden, damit die zu erzeugenden
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vorstoßenden Lötmaterialteile gute mechanische und elektrische Eigenschaften haben. Bei jeder der beschriebenen Lötmittelkombinationen ist die llickelschicht erforderlich, um eine Oberfläche darzustellen, auf die die darauf angeordneten Lötmaterialien elektroplattiert werden können. ':ieim man jedoch die Aluminiumoberfläche einer Spezialbehandlung unterzieht, kann das Zink auch unmittelbar auf das Aluminium elejcfcroplattiert werden, ohne daß eine Zwischenschicht aus nickel erforderlich wäre.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die vorstoßenden Lötmaterialteile auch unter Anwendung des Verfahrens der Vakuumaufdampfung hergestellt werden. Bei dieser .art des Vorgehens wird eine Metallmaske auf den G-rundkörper fest aufgebracht, und diese legt dann die Bereiche des Grundkörpers fest, auf denen vorstoßenden Lötmaterialteile aufzubringen sind. Lie I-iaske besteht vorzugsweise aus einer 'Metallfolie, z.B. Eovar, von 5 bis 7»5 · 10"*p cm (2 - 3 mil) Stärke. Der mit der Haske versehene Grundkörper wird in einer Kammer angeordnet, und die auf den G-rundkörper aufzudampfenden Metalle werden innerhalb der Cannier in Tiegeln untergebracht. Die Tiegel werden dann nacheinander erhitzt, um das in ihnen enthaltene Metall zu schmelzen. ?/enn ein Vakuum von 10" bis 10"' Torr eingehalten wird, dampft das geschmolzene Metall schnell durch die Öffnungen der Maske auf den Grundkörper und bildet die geforderten Metallschichten aus. Ein Aufdampfverfahren, dessen Anwendung für die Ausführung der Erfindung bevorzugt wird, ist beschrieben in "Thin PiIm Microelectronics", herausgegeben von L. Holland, veröffentlicht von John Viiley and Sons, Ine, 1965 (Seiten 171 - 173).
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Claims (15)

  1. Ansprüche
    .J Halbleiterbauelement rait vorstoßenden jjötmaterialteilen zur Verbindung eines Halbleitergrundkörpers mit elektrischen leitungen, wobei die vorstoßenden lötmateiial teile jeder auf einem entsprechenden Teil einer an dem Halbleitergrundkörper angebrachten Metallkontaktschioht angeordnet und dadurch gekennzeichnet sind, daß eine Schicht aus leitendem Metall auf einem bestimmten Bereich der Metallkontaktschicht angeordnet ist, daß eine erste Nickelschicht über der Schicht aus leitendem Metall angeordnet ist, und da3 mehrere gewählte Iletalle über der ersten Ifickelschicht angeordnet sind, wobei eine oder mehrere der Schichten Lötmaterial enthalten.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge Ice ims ei dme t, daß die Schicht aus leitendem Metall und die erste Uiclrelschicht vakuumaufgedampft sind, und daß die Schichten aus gewählten Metallen auf der ersten ITickelschiclit 'elektroplattiert sind.
  3. 3.. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurcli gekennzeichnet, daß die Schicht aus leitendem Metall eine illuminiumschicht ist.
  4. 4· Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennaeiciiiiet, daß die gewählten Iletalle in folgender'^eise aufgebaut sind:
    eine zweite Nickelschicht, die auf der ersten Nickelschicht elektroplattiert ist,
    eine erste Goldschicht, die auf der zweiten liickelschicht elektroplattiert ist,
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    eine Zinnsehicht, die auf der ersten Gold Schicht elektroplattiert ist, und
    eine auf der Zinnschicht elektroplattierte zweite G-oldschicht,
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht eine Stärke von etwa 6 bis 10 Mikron und die erste Uickelschicht eine Stärke von etwa 0,3 Mikron hat.
  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mickelschicht eine Stärke von etwa 8 bis 10 Mikron hat, daß die erste und zweite Goldschicht etwa 1,25 bzw. 2,5 Mikron stark sind, und daß die Zinnschicht eine Stärke von etwa 5 Mikron hat, so daß sich ein Iiötmaterial ergibt, das au etwa 40 bis 50 Gewichtsprozenten aus Zinn und im übrigen aus Gold besteht.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählten Metalle in folgender V/eise aufgebaut sind:
    eine sperrende Schicht aus Nickel, welche auf die erste Mckelschicht elektroplattiert ist,
    eine erste Goldschicht, welche auf die sperrende Mckelschicht elektroplattiert ist,
    eine Indiumschicht, welche auf die Goldschicht elektroplattiert ist, und
    eine zweite Goldschicht, welche auf die Indiumschicht elektroplattiert ist.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, · daß die gewählten Metalle in folgender Weise aufgebaut sind:
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    eine sperrende Schicht aus Nickel, welche auf die erste Nickelschicht elektroplattiert ist,
    eine auf die sperrende Schicht aus Nickel elektroplattierte Bleischicht,
    eine auf die Bleischicht elektroplattierte Zinnschicht, und eine auf die Zinnschicht elektroplattierte Goldschicht.
  9. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählten Metalle in folgender Weise ausbaut Bind:
    eine sperrende Schicht aus Nickel, welche auf der ersten Hiekelschicht elektroplattiert ist,
    eine auf der sperrenden Schicht aus Nickel elektroplattierte Zinkschicht, und
    eine auf die Zinkschicht elektroplattierte Goldschicht.
  10. 10. Aus einer SiIiζiumscheibe bestehender Körper aus Halbleitermaterial, welcher auf einer Fläche eine erste Isolierschicht aufweist und eine erste Aluminiumschicht besitzt, welche leitende Kontakt-Anschiußstücke enthält, die mit in dem Halbleiterkörper enthaltenen aktiven und/oder passiven Gebieten verbunden sind, gekennzeichnet durch mehrere vorstoßende Lötmaterialteile, welche auf der ersten Aluminiumschicht angeordnet sind und jeder aus folgenden Schichten bestehen: ·
    eine zweite, auf der ersten Aluminiuraschicht angeordnete Aluminiumschicht,
    eine auf der zweiten Aluminiumschicht angeordnete Nickelschicht,
    eine erste Goldschicht, welche auf der Nickelschicht so angeordnet ist, daß sich eine plattierbare Oberfläche ergibt,
    eine auf der ersten Goldschicht angeordnete Zinnschicht, und
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    eine auf der Zinnschicht angeordnete zweite Goldschicht.
  11. 11. Halbleiterkörper nach -Anspruch 10, dadurcli gekennzeichnet, daß die ITiekeIsdicht zwei aneinander haftende Schichten aus Nickel aufweist, "von denen die erste unter Vakuum aufgetragen und die zweite auf der ersten elektroplattiert ist.
  12. 12. Verfahren zum Aufbringen von vorstoßenden lötmaterialteilen auf einem Halbleitergrundkörper, dadurcii gekennzeichnet, daß eine erste Aluminiumschicht auf gewählten Seilen des liable itergrundkörpers unter Vakuum aufgetragen und unmittelbar danach eine Mlckelschicht auf der Aluminiumschicht unter Vakuum aufgetragen wird, so daß sich eine Bindung zwischen der Aluminiumschicht und der Hiekelsehicht von niedrigem elektrischen Widerstand ergibt, daß die ITickelschichten gereinigt werden, und daß auf der gereinigten, unter Takuuia aufgetragenen Uiekelschicht zusätzliche ITickelsciiicliten und gewählte lötfähige Bestandteile elektroplattiert werden.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeiclmet, daß die erhaltene Anordnung geätzt wird, um Teile der vakuumaufgetragenen Schichten aus Aluminium und nickel zu entfernen und dabei vorstoßende lötmaterialteile zu erzeugen, welche jeder aus überhängenden Schichten aus elektroplattieren nickel und gewählten Lötbestandteilen bestehen, die durch eine vakuumaufgetragene Grundlage aus Aluminium und ITickel gehalten sind.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reinigung der Hickelschicht die folgenden Verfahrens schritte angewandt werden:
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    a) Eintauchen des Grundkörpers in eine alkalische Reinigungslösung für eine bestimmte Zeit,
    *■ b) Spülen des Grundkörpers in entionisiertem Wasser,
    c) Einbringen des Grundkörpers für eine bestimmte Zeit in Salzsäurelösung bei bestimmter !Temperatur,
    d) Spülen des Grundkörpers in entionsiertem .fasser,
    e) Einbringen des Grundkörpers in Salpeter säurelösung für eine bestimmte Zeit und bei bestimmter Temperatur, derart, daß die Mckelschicht rein ist,
    f) Einbringen des Grundkörpers für eine bestimmte Zeit in eine elektrolytisch«, alkalische Reinigungslösung, wobei die Nickelschicht kathodisch ist,
    g) Wiederholung der Schritte b) bis ä),
    h) Einbringen des Grundkörpers in ein elektrolytisches, nickelaktivierteß Bad und Anlegen einer solchen Spannung an die Niokelschicht, daß diese Schicht kathodisch wird und auf der Oberfläche der Niekelsehieht vorhandene oxydierte Gebiete reduziert werdens
    i) Einbringen des Grundkörpers in Schwefelsäurelösung für eine bestimmte Seit, um alkalische Verunreinigungen zu entfernen, die durch das elektrolytische, nickelaktivierte 3ad erzeugt wurden, und
    k) Spülen des Grundkörpers in entioniasrtem vfasser.
  15. 15. Verfahren nach Ansprach 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Elektropiattierung auf die gereinigte, vakuumaufgetragene Nickelschicht eine zweite Hickelschieht, eine erste Goldschicht, eine Sinnschicht und eine zweite Goldschicht elektroplattiert werden, und daß die erste und die zweite Goldschicht und die Sinnschicht lötmaterial darstellen, das zu etwa 40 bis 50 Gewichtsprozenten aus Zinn und im übrigen aus Gold besteht.
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    , 2^
    L e e r s e i t e
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