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DE102005024430B4 - Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers oder Siliziumchips - Google Patents

Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers oder Siliziumchips Download PDF

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DE102005024430B4
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Stefan Dr. Wöhlert
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Abstract

Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers (2) oder Siliziumchips, der integrierte Schaltungen auf seiner Waferoberseite (3) und eine Waferrückseite (5) aufweist, mit einer mehrlagigen, mindestens ein Gold/Zinnlotmaterial (6.3), aufweisenden Rückseitenbeschichtung (4.3), wobei das Verfahren nachfolgende Verfahrensschritte aufweist:
– Herstellen eines Siliziumwafers (2), der integrierte Schaltungen auf seiner Waferoberseite (3) und eine Waferrückseite (5) aufweist;
– Aufbringen einer haftvermittelnden Metallbeschichtung (9.3) mit ohmschem Kontaktübergang zum Siliziumwafer (2), die frei von Silberbestandteilen ist, auf die Rückseite des Siliziumwafers (2);
– Aufbringen einer diffusionshemmenden Metallschicht (10.3) auf die haftvermittelnde Metallbeschichtung (9.3);
– Aufsputtern einer angepassten Goldbeschichtung (7.3) auf die diffusionshemmende Metallschicht (10.3) ohne Kühlung des Siliziumwafers (2) oder des Siliziumchips, wobei die Dicke der angepassten Goldbeschichtung (7.3) an das Goldvolumen eines Gold/Zinnlotmaterials (6.3) angepasst ist, das anschließend aufgetragen wird, wobei das Goldvolumen der angepassten Goldbeschichtung (7.3) zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial (6.3) im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers bzw. eines Siliziumchips.
  • Ein Schaltungsträger ist in diesem Zusammenhang ein Flachleiterrahmen mit Innen- und Außenflachleitern und einem Kontaktanschlussbereich für den Siliziumchip oder ein Verdrahtungssubstrat mit einem Kontaktanschlussbereich für die Rückseite eines Siliziumchips und Kontaktanschlussflächen für elektrische Anschlüsse bzw. Verbindungen zur Oberseite des Halbleiterchips.
  • Aus der Druckschrift EP 0 072 273 A2 ist ein Prozess zum Anbringen einer integrierten Schaltung bei niedriger Temperatur bekannt. Dieses Verfahren umfasst die Verfahrensschritte des Beschichtens der Rückseite der integrierten Schaltung mit Silber und des Beschichtens der Oberfläche des Kontaktanschlussbereichs eines Substrats mit mindestens einem der Metalle Gold, Silber, Platin oder Palladium und des Aufbringens der beschichteten Rückseite der integrierten Schaltung auf die beschichtete Oberseite des Substrats mit Hilfe einer geschmolzenen Zusammensetzung aus Gold und Zinn, wobei die Gold/Zinnzusammensetzung typischerweise 80 Gew.% Gold und 20 Gew.% Zinn aufweist.
  • Dazu kann das Gold/Zinnlotmaterial ungeschmolzen zwischen der Rückseite der integrierten Schaltung und der Oberseite des Substrats aufgebracht werden und anschließend auf den Schmelzpunkt des Gold/Zinnlotmaterials erwärmt werden. Das geschmolzene Gold/Zinnlotmaterial kann entweder auf der Rückseite der integrierten Schaltung oder auf der Oberseite des Schaltungsträgers gemäß der oben genannten Druckschrift aufgebracht sein. Ein Beispiel dieses Prozesses wird in 1 gezeigt.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform mit einem Siliziumwafer bzw. Siliziumchip 1, der auf seiner Oberseite 3 eine integrierte Schaltung aufweist und auf seiner Rückseite 5 gemäß einer Ausführungsform im Stand der Technik nach EP 0 072 273 A2 eine lötbare Rückseitenbeschichtung 4.1 besitzt. Diese lötbare Rückseitenbeschichtung 4.1 weist gemäß dem obigen Stand der Technik eine haftvermittelnde Metallbeschichtung 9.1 auf, die unmittelbar auf der Rückseite 5 des Halbleiterchips 1 überwiegend aus Chrom besteht mit einem Restgehalt an Silber, wobei der Silbergehalt mit zunehmender Dicke der haftvermittelnden Schicht derart zunimmt, dass sich zum Schluss eine silberhaltige Oberfläche zu einem Gold/Zinnlotmaterial 6.1 hin ausbildet.
  • 2 zeigt einen Kontaktanschlussbereich 8.2 eines Schaltungsträgers, auf welchem die Rückseitenbeschichtung 4.1 mit Hilfe des Gold/Zinnlotmaterials 6.1 aufgelötet werden soll. Dazu weist der Kontaktanschlussbereich 8.2 der 2 eine diffusionshemmende Beschichtung 10.2 auf, die verhindern soll, dass das Material des Kontaktanschlussbereichs 8.2 in das Gold/Zinnlotmaterial 6.1 eindiffundiert. Diese diffusionshemmende Metallbeschichtung 10.2 weist gemäß dem Stand der Technik Silber, Platin, Gold oder Palladium auf. Beim Aufbringen des Siliziumchips 1 mit integrierter Schaltung auf seiner Oberseite 3 und Rückseitenbeschichtung 4 auf den Kontaktanschlussbereich 8.2 mit der diffusionshemmenden Metallbeschichtung 10.2 werden die zu fügenden Teile soweit er hitzt, dass das Gold/Zinnlotmaterial schmilzt und beim Abkühlen den Siliziumchip 1 auf der diffusionshemmenden Metallbeschichtung 10.2 im Kontaktanschlussbereich 8.2 eines Schaltungssubstrats fixiert.
  • Bei dem damit verbundenen Prozess der Siliziumchipmontage auf einen Kontaktanschlussbereich 8.2 mit einer diffusionshemmenden Metallbeschichtung 10.2 treten zwei gravierende Fehlermechanismen auf. Zum einen kommt es zu einem so genannten "poor melting". Dieses "poor melting" ist eine Fehlerart, bei der die Gold/Zinnlotschicht nicht im erforderlichen Ausmaß aufschmilzt. Daraufhin erfolgt entweder der sofortige Verwurf eines gesamten Montageloses, wenn nicht durch eine Erhöhung der Prozesstemperatur eine bessere Aufschmelzung erzielt werden kann. Diese Erhöhung der Prozesstemperatur kann jedoch nicht auf großflächige Siliziumchips übertragen werden, da mit der Erhöhung der Prozesstemperatur die Gefahr der spannungsinduzierten Rissbildung steigt.
  • Der zweite Fehlermechanismus wird "peeling" genannt und besteht darin, dass sich das kalt aufgebrachte Gold/Zinnlotmaterial von der darunter liegenden Silberschicht löst. Auch in diesem Fall muss das gesamte Montagelos verworfen werden. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die Gefahr der Lunkerbildung nach dem Aufbringen des Siliziumchips mit seiner Rückseitenbeschichtung auf den beschichteten Kontaktanschlussbereich erheblich ist, so dass die elektrische und auch die thermische Kopplung zwischen Siliziumchip und Schaltungssubstrat nachteilig durch den erhöhten thermischen und elektrischen Übergangswiderstand in den Lotgrenzschichten beeinträchtigt ist.
  • Da nach Fertigstellung einer Rückseitenbeschichtung des Siliziumwafers keine Möglichkeit mehr besteht, die Rückseitenbeschichtung aus einem Gold/Zinnlotmaterial auf mögliche Fehler zu überprüfen und bei einem erkannten Fehler auch keine Nachbearbeitung durchgeführt werden kann, erscheint es entscheidend, dass der Prozess des Beschichtens des Siliziumwafers fehlerfrei durchgeführt wird. Da jedoch die Fehlerbilder, die oben beschrieben wurden, bei Losen mit unauffälligen Prozessparametern auftreten, erscheint der gesamte Prozess grenzlagig zu sein.
  • Aus der US 62 55 002 B1 und der US 62 94 402 B1 sind weitere Verfahren zum Anbringen von Halbleiterchips bzw. integrierten Schaltungen auf Substraten bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers oder Siliziumchips anzugeben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die praktische Prozesstemperatur beim Auflöten des Siliziumchips auf einen Kontaktanschlussbereich eines Schaltungsträgers um mehrere 10°C herabzusetzen und dennoch eine zuverlässige, fehlerfreie Verbindung der Siliziumchiprückseite mit einer Kontaktanschlussfläche zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • In einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel wird ein Siliziumwafer mit integrierter Schaltung auf seiner Waferoberseite und einer lötbaren Beschichtung auf seiner Waferrückseite geschaffen. Dabei enthält die lötbare Rückseitenbe schichtung mindestens eine Lage aus einem Gold/Zinnlotmaterial. Ferner bleibt die Rückseitenbeschichtung frei von Silberbestandteilen in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Gold/Zinnlotmaterial. Das Gold/Zinnlotmaterial ist auf einer angepassten Goldbeschichtung angeordnet, wobei das Goldvolumen der angepassten Goldbeschichtung zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in dem Lotmaterial dem eutektischen Schmelzsystem aus Gold und Zinn im thermodynamischen Gleichgewicht entspricht.
  • Der wesentliche Vorteil dieses Siliziumwafers ist es, dass sich die Rückseitenbeschichtung, soweit es das Gold/Zinnlotmaterial und die benachbarte Goldbeschichtung bzw. die benachbarten Goldbeschichtungen betrifft, im thermodynamischen Gleichgewicht ist. Nur damit können die Vorteile des Gold/Zinndiffusionslotsystems voll ausgenutzt werden. Der exakte eutektische Schmelzpunkt liegt bei 278°C. Doch das aus dem Stand der Technik bekannte System ist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht, was das damit verbundene erste Fehlerbild "poor melting" bewirkt, zumal sich hochschmelzende intermetallische Phasen, die Silber aufweisen, bilden können.
  • Deshalb wird in den darunter liegenden benachbarten Lagen der Rückseitenbeschichtung des Siliziumwafers bzw. des Siliziumchips der Silbergehalt völlig vermieden und anstelle dessen eine Lage aus Gold vorgesehen, wobei die Dicke der Goldschicht so gewählt ist, dass das Gesamtsystem aus aufgetragener angepasster Goldbeschichtung und aufgetragener Schicht aus einem Gold/Zinnlotmaterial der eutektischen Zusammensetzung des Gold/Zinnsystems mit 20 Gew.% Zinn und 80 Gew.% Gold entspricht. Die Substitution der silberhaltigen Schicht durch Gold ermöglicht zum einen die exakte Einstellung der eutektischen Zusammensetzung und verhindert zum anderen die Ausbil dung von intermetallischen binären Silber/Zinn- bzw. ternären Gold/Silber/Zinn-Phasen in den Grenzschichten. Wie eingehende Untersuchungen zeigen konnten, verschiebt das Auftreten dieser Phasen den Schmelzpunkt des Systems zu höheren Temperaturen, so dass eine derartige Rückseitenbeschichtung eines. Halbleiterwafers nicht mehr zuverlässig mit einem Kontaktanschlussbereich eines Schaltungsträgers verbindbar ist.
  • Die Phasenbildung wird beim oben erwähnten Prozess im Stand der Technik zwar durch Kühlung des Wafers verhindert, so dass sich eine Reduktion der Silberdiffusion in das Gold/Zinnlotmaterial ergibt, jedoch erhöht sich durch das kalte Aufbringen der Gold/Zinnlötschicht die Gefahr einer schlechten Haftung der Gold/Zinnlötschicht auf dem Silber, da für ein kaltes Aufbringen der Gold/Zinnschicht eine Waferkühlung erforderlich ist, die nun aber den zweiten Fehlermechanismus, das "peeling" hervorruft.
  • Somit ermöglicht der Siliziumwafer mit der Rückseitenbeschichtung eine problemlose und erfolgreiche Weiterverarbeitung desselben zu Halbleiterchips und schließlich deren problemlose und zuverlässige Montage auf einem entsprechenden Kontaktanschlussbereich eines Schaltungsträgers für den Aufbau eines zuverlässigen und funktionsfähigen Halbleiterbauteils.
  • In einem Beispiel weist somit das Goldvolumen der Goldbeschichtung zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in dem Lotmaterial eine Materialzusammensetzung von 80 Gew.% Gold und 20 Gew.% Zinn auf. Dieses erfordert, dass der Zinngehalt im Gold/Zinnlotmaterial entsprechend höher angesetzt wird.
  • Vorzugsweise bezieht sich das Beispiel auf einen Siliziumchip mit integrierter Schaltung auf seiner aktiven Oberseite und einer lötbaren Beschichtung auf seiner Rückseite, die eine Lage aus einem Gold/Zinnlotmaterial aufweist. Dabei ist die Rückseitenbeschichtung des Siliziumchips frei von Silberbestandteilen in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Lotbeschichtung, und das Gold/Zinnlotmaterial ist auf einer angepassten Goldschicht angeordnet. Das Goldvolumen der angepassten Goldbeschichtung ist zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in dem Lotmaterial im thermodynamischen Gleichgewicht für ein eutektisches Schmelzsystem aus Gold und Zinn.
  • Der Vorteil, das Gold/Zinnlotmaterial und die Goldbeschichtung in der Weise aufeinander abzustimmen bzw. anzupassen und daraus die Dicken von Goldbeschichtung und die Beschichtungsdicke und die Zusammensetzung des Gold/Zinnlotmaterials abzuleiten, hat den Vorteil, dass eine zuverlässige Möglichkeit besteht, einen derartigen Halbleiterchip in einem entsprechenden Gehäuse eines Halbleiterbauteils zuverlässig unterzubringen und mit einem Kontaktanschlussbereich eines Schaltungsträgers sowohl in Bezug auf den thermischen als auch auf den elektrischen Übergangswiderstand hin zu optimieren. Ferner hat es den Vorteil, dass das Verwerfen ganzer Montagelose in der Fertigung vermieden werden kann, da das Wiederaufschmelzen der eutektischen Gold-Zinn Lotbeschichtung im thermodynamischen Gleichgewicht und ohne silberhaltige intermetallische Phasen bei niedriger eutektischer Schmelztemperatur reproduzierbar erfolgen kann.
  • In diesem Zusammenhang wird unter einem Montagelos die Gesamtzahl der Halbleiterbauteile verstanden, die auf der Grundlage eines einzelnen Halbleiterwafers hergestellt ist.
  • Ein Montagelos kann darüber hinaus auch eine komplette Siliziumwafercharge umfassen, die unter gleichen Bedingungen in einer Aufdampfanlage oder einer Sputteranlage beschichtet wird.
  • Auch für den Siliziumchip gilt das Gleiche wie für den Siliziumwafer, nämlich dass das Goldvolumen der Goldbeschichtung zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in dem Lotmaterial eine Materialzusammensetzung von 80 Gew.% Gold und 20 Gew.% Zinn aufweist, um das thermodynamische Gleichgewicht zu erreichen.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Halbleiterbauteil, das einen auf einem Kontaktanschlussbereich mit seiner Rückseite aufgelöteten Siliziumchip aufweist, wobei zwischen dem Kontaktanschlussbereich und der Rückseite des Halbleiterchips ein Gold/Zinnlotmaterial angeordnet ist, und wobei weder der Kontaktanschlussbereich noch die Rückseite des Siliziumchips, benachbart zu der Gold/Zinnlotschicht, eine silberhaltige Beschichtung aufweist. Vorzugsweise weist der Siliziumchip in dem Halbleiterbauteil eine haftvermittelnde elektrisch leitende Metallschicht aus Aluminium auf, die von einer diffusionshemmenden Metallbeschichtung aus Titan bedeckt ist.
  • Auf dieser Titanschicht ist vorzugsweise die angepasste Goldbeschichtung aufgebracht, auf der sich weiterhin eine Lage aus dem Gold/Zinnlotmaterial befindet, dessen Zinngehalt sich nach dem Gesamtgehalt von Gold in der Goldschicht und in dem Gold/Zinnlotmaterial richtet. In die Menge des zu berücksichtigenden Goldes kann auch eine Goldschicht einbezogen werden, die sich auf dem Kontaktanschlussbereich des Schaltungsträgers des Halbleiterbauteils befindet, wobei zwischen dieser zusätzlichen Goldbeschichtung und dem Metall des Kontaktan schlussbereichs eine diffusionshemmende elektrisch leitende Schicht aus Nickelphosphid angeordnet sein kann, wenn vorzugsweise der Kontaktanschlussbereich Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist.
  • Dieses Beispiel hat den Vorteil, dass die Rückseitenbeschichtung und auch die Beschichtung des Kontaktanschlussbereichs in dem Halbleiterbauteil völlig frei von Silber ist und sich somit keine sprödenden oder die Schmelztemperatur heraufsetzenden und die Funktionsfähigkeit des Halbleiterbauteils gefährdenden binären oder ternären intermetallischen Phasen zwischen Silber, Gold und/oder Zinn gebildet werden können.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers oder Siliziumchips, der integrierte Schaltungen auf seiner Waferoberseite und eine Waferrückseite aufweist, die eine mehrlagige, mindestens ein Gold/Zinnlotmaterial aufweisende Rückseitenbeschichtung besitzt, ist durch die nachfolgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet.
  • Zunächst wird ein Siliziumwafer, der integrierte Schaltungen auf seiner Waferoberseite und eine Waferrückseite aufweist, hergestellt. Anschließend wird auf die Siliziumwaferrückseite eine haftvermittelnde Metallbeschichtung mit ohmschem Kontaktübergang, die frei von Silberbestandteilen ist, aufgebracht. Danach wird eine diffusionshemmende Metallschicht auf der leitfähigen Metallschicht abgeschieden. Schließlich wird eine angepasste Goldbeschichtung auf die diffusionshemmende Metallbeschichtung aufgebracht, wobei die Dicke der angepassten Goldbeschichtung an das Goldvolumen eines Gold/Zinnlotmaterials angepasst ist, das anschließend aufgetragen wird, und wobei das Goldvolumen der angepassten Goldbeschichtung zusammen mit dem Goldvolumen des Gold/Zinnlotmaterials in einem eutektischen Schmelzsystem aus Gold und Zinn im thermodynamischen Gleichgewicht ist.
  • Beim Aufbringen der angepassten Goldbeschichtung und/oder beim Aufbringen der Gold/Zinnlotbeschichtung wird darauf geachtet, dass der Siliziumwafer oder der Siliziumchip nicht gekühlt wird, so dass die kinetische Energie, die beim Auftreffen der abgeschiedenen Metallpartikel auf die zu beschichtenden Oberflächen in Wärme umgesetzt wird und zu einer oberflächennahen Erwärmung führt, die ein Aufschmelzen des Gold/Zinnlotmaterials bewirkt und somit die Fehlerursache "peeling" vermeidet.
  • Vorzugsweise wird als haftvermittelnde Metallbeschichtung mit ohmschem Kontaktübergang zum Siliziumwafer eine Aluminiumschicht oder eine Aluminiumlegierungsschicht aufgebracht. Derartige Rückseitenbeschichtungen aus Aluminium haben sich in der Halbleitertechnologie als ohmsche Kontaktübergänge bewährt.
  • Vorzugsweise wird als diffusionshemmende Metallschicht eine Titanschicht aufgebracht. Derartige Titanschichten verhindern, dass das Metall der haftvermittelnden Schicht in den Bereich der Lotschicht beim Löten eindiffundieren kann.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils mit einem Schaltungsträger, der eine Kontaktfläche zum Auflöten eines Siliziumchips aufweist, ist durch die nachfolgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet.
  • Zunächst wird ein Siliziumchip, der integrierte Schaltungen auf seiner aktiven Oberseite und eine Rückseite aufweist, durch Auftrennen eines entsprechenden Halbleiterwafers hergestellt. Dabei weist die Rückseite eine haftvermittelnde und leitfähige Metallbeschichtung auf, die frei von Silberbestandteilen ist und die eine darauf angeordnete diffusionshemmende Metallschicht besitzt. Ferner wird auf den Kontaktanschlussbereich des Schaltungsträgers ebenfalls eine diffusionshemmende Metallschicht aufgebracht. Anschließend wird eine angepasste Goldbeschichtung auf eine der diffusionshemmenden Metallschichten aufgebracht, wobei die Dicke der angepassten Goldbeschichtung an das Goldvolumen eines Gold/Zinnlotmaterials angepasst ist, das anschließend aufgetragen wird, wobei das Goldvolumen der angepassten Goldbeschichtung zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in dem Lotmaterial dem eutektischen Schmelzsystem aus Gold und Zinn in dem thermodynamischen Gleichgewicht ist.
  • Beim Aufbringen des Gold/Zinnlotmaterial wird vorzugsweise ein Sputterverfahren eingesetzt, wobei sich durch Weglassen einer Waferkühlung während des Sputterverfahrens eine schmelzflüssige Phase aus Goldbeschichtung und dem Gold/Zinnlotmaterial bildet, so dass sich nach dem Abkühlen eine Gold/Zinnschicht ausbildet, bei der sich das thermodynamische Gleichgewicht einstellt. Diese Zusammensetzung hat einen definierten Schmelzpunkt bei 278°C und bildet eine wesentlich verbesserte Haftung zur darunter liegenden diffusionshemmenden Schicht aus, so dass die "peeling"-Gefahr deutlich verringert wird.
  • In einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird der Siliziumchip auf den Kontaktanschlussbereich des Schaltungsträgers mit Hilfe des vorgesehenen Gold/Zinnlotmaterials gelötet. Dazu wird das Gesamtsystem auf eine Tempe ratur TP zwischen 280°C ≤ TP ≤ 340°C, vorzugsweise zwischen 280°C ≤ TP ≤ 320°C aufgeheizt.
  • Weiterhin wird vorzugsweise das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einem derartigen Halbleiterchip dadurch vollendet, dass nach dem Auflöten des Siliziumchips auf die Kontaktfläche des Schaltungsträgers die übrigen Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Siliziumchips mit entsprechenden Kontaktanschlussflächen auf dem Schaltungsträger über interne Verbindungselemente elektrisch verbunden werden. Diese elektrische Verbindung wird mit Verbindungselementen vorzugsweise aus Bonddrähten erreicht.
  • In einem weiteren Schritt zum Herstellen eines Halbleiterbauteils mit dem entsprechenden Siliziumchip werden nach dem Anbringen der internen Verbindungselemente der Siliziumchip und die Verbindungselemente sowie Teilbereiche des Schaltungsträgers in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet. Anstelle eines Eingießens oder Einbettens in eine Kunststoffgehäusemasse kann der Kontaktanschlussbereich, auf den der Halbleiterchip gelötet wird, und auch die Kontaktanschlussflächen für die übrigen, auf der aktiven Oberseite des Siliziumchips befindlichen Kontaktflächen in Aussparungen eines Keramikgehäuses angeordnet sein, wobei abschließend die Aussparung in dem Keramikgehäuse durch vorzugsweise eine Metallplatte abgeschlossen wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Siliziumwafer bzw. durch einen Siliziumchip eines Halbleiterbauteils gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kontaktanschlussbereich eines Schaltungsträgers eines Halbleiterbauteils gemäß dem Stand der Technik;
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Siliziumwafer bzw. durch einen Siliziumchip eines Halbleiterbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kontaktanschlussbereich eines Schaltungsträgers des Halbleiterbauteils;
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Siliziumchip auf einem Kontaktanschlussbereich des Schaltungsträgers des Halbleiterbauteils gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 1 und 2, die schematisch den Stand der Technik zeigen, wurden bereits oben erläutert.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Siliziumwafer bzw. einen Siliziumchip 2 eines Halbleiterbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Rückseitenbeschichtung 4.3, die auf einen Siliziumhalbleiterwafer aufgebracht wird und nach dem Trennen des Siliziumhalbleiterwafers in einzelne Siliziumchips 2 auch die Rückseitenbeschichtung 4.3 der Siliziumchips darstellt. Diese Rückseitenbeschichtung 4.3 besteht aus mehreren Beschichtungslagen, die ihrerseits unterschiedliche Dicken und unterschiedliche Metalle aufweisen. Auch die Verfahren, mit denen diese Beschichtungslagen auf die Rück seite 5 des Siliziumwafers und damit auf die Rückseite des Siliziumchips 2 aufgebracht sind, können sich voneinander unterscheiden.
  • In der Nähe der Oberseite 3 des Siliziumwafers bzw. des Siliziumchips 2 weisen diese integrierte Schaltungen auf. Die Dicke dS des Siliziumwafers kann zwischen 250 μm ≤ dS ≤ 1.500 μm liegen. Die Dicke dS eines entsprechenden Siliziumchips kann die gleichen Dicken aufweisen oder kann vor der Weiterverarbeitung dünngeschliffen sein, so dass auch Dicken zwischen 50 μm ≤ dS ≤ 1.500 μm möglich sind. Auf der Rückseite 5 des Siliziumwafers bzw. des Siliziumchips 2 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine aluminiumhaltige Schicht mit einer Dicke dM von etwa 500 nm abgeschieden.
  • Der Abscheideprozess in dieser Ausführungsform der Erfindung wird durch Aufdampfen von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung auf die Rückseite 5 des Siliziumwafers durchgeführt. Diese Aluminiumbeschichtung auf Silizium ergibt einen ohmschen Kontakt zu dem Siliziummaterial und kann zur Haftverbesserung 1 Gew.% bis 4 Gew.% Silizium in der Aluminiumlegierung aufweisen. Auf diese haftvermittelnde und ohmsche Metallbeschichtung 9.3 ist eine diffusionshemmende Beschichtung 10.3 mit einer Dicke dDS von etwa 700 nm aufgebracht, die Titan aufweist. Diese Titanschicht verhindert beim Lötprozess, dass Aluminium zu der Lötbeschichtung durchdiffundieren kann.
  • Auf der diffusionshemmenden Metallbeschichtung 10.3 ist eine Goldbeschichtung 7.3 mit einer Dicke dGS von etwa 400 nm aufgebracht. Diese Goldbeschichtung 7.3 kann ebenfalls durch Aufdampftechnik aufgebracht werden. Anschließend ist eine Beschichtung aus einem Gold/Zinnlotmaterial 6.3 mit einer Dicke dG/Sn von etwa 1.200 nm aufgebracht, die mit Hilfe einer Sput tertechnik abgeschieden wird, bei der jedoch der Siliziumwafer nicht gekühlt wird, so dass sich eine schmelzflüssige Gold/Zinnlegierung 6.3 ausbilden kann. Beim Aufbringen des Gold/Zinnlotmaterials 6.3 mittels einer Sputter-Technik reagiert die Goldbeschichtung 7.3 und das Gold/Zinnlotmaterial im thermodynamischen Gleichgewicht zu einer eutektischen Au-Sn-Schicht 6.3 entsprechend der vorliegenden Erfindung und kann somit bei der Weiterverarbeitung in Nachfolgeprozessen bei der niedrigen eutektischen Schmelztemperatur wieder Aufgeschmolzen werden, ohne dass sich hochschmelzende intermetallische Phasen mit Silber ausgebildet haben, zumal Silber bei der erfindungsgemäßen Rückseitenbeschichtung des Siliziumwafers bzw. des Siliziumchips nicht vorhanden ist. Somit kann vorteilhafter Weise eine sichere Lötverbindung zwischen beispielsweise Flachleiterrahmen und Siliziumchip oder Verdrahtungssubstrat und Siliziumchip erreicht werden.
  • Grundlage der Bemessung der Dicke dGS der Goldbeschichtung 7.3 und der Dicke dG/Sn der Gold/Zinnlotschicht 6.3 ist die Tatsache, dass ein thermodynamisches Gleichgewicht für eine eutektische Schmelzzusammensetzung aus Gold und Zinn beim Sputtern des ungekühlten Siliziumwafers erreicht wird.
  • Ist keine zusätzliche Goldbeschichtung zum Schutz eines Kontaktanschlussbereichs auf einem Substrat oder Flachleiterrahmen vorgesehen, so wird die Dicke dGS der Goldbeschichtung derart an die Dicke dG/Sn und die Zusammensetzung der Gold/Zinnlotbeschichtung angepasst, dass bereits auf der Seite des Siliziumchips das thermodynamische Gleichgewicht zwischen dem Gehalt an Gold und dem Gehalt an Zinn eingehalten wird.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Kontaktanschlussbereich 8.4 eines Schaltungssubstrats des Halbleiterbauteils. Der Kontaktanschlussbereich 8.4 weist eine Dicke dK auf und besteht aus einem gut leitenden Metall wie Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen. Ist dieses leitende Metall wie in dieser Ausführungsform aus Kupfer, so wird als diffusionshemmende Schicht 10.4 eine Schicht aus Nickelphosphid auf das Kupfermaterial aufgebracht, die eine Dicke dDK von etwa 2 μm aufweist. Zum Schutz der Nickelphosphidschicht gegen Korrosion und Oxidation kann auch eine Goldschicht 7.4 mit einer Dicke dGK von etwa 200 nm auf die diffusionshemmende Schicht 10.4 aufgebracht sein.
  • Ein Flachleiterrahmen kann Kupfer bzw. eine Kupferlegierung und Silber-beschichtete Kontaktanschlussbereiche aufweisen. In diesem Fall kann die Silberschicht eine Dicke von etwa 5 μm aufweisen. Diese Silberschicht auf Bereichen des Flachleiterrahmens stört im Gegensatz zu einer Silberschicht auf der Siliziumrückseite nicht den Lötprozess, da diese Lötverbindung zum Flachleiterrahmen hin entgültig ist und kein erneutes Aufschmelzen eines Gold-Zinn Lotes, wie auf der Rückseite von Siliziumchips im Herstellungsprozess von Halbleiterbauteilen, erforderlich ist.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Siliziumchip 2 auf einem Kontaktanschlussbereich 8.4 eines Schaltungssubstrats des Halbleiterbauteils gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung. Dazu wurde der Siliziumchip 2, wie er in 3 gezeigt wird, mit dem Kontaktanschlussbereich 8.4, der in 4 gezeigt wird, durch Aufbringen in Pfeilrichtung A zwischen den 3 und 4 und einem anschließenden Aufheizen auf eine Prozesstemperatur TP zwischen 280°C ≤ TP ≤ 340°C aufgelötet. Dabei entsteht eine Lötschicht aus einem Gold/Zinnmaterial 6.3, die eine Dicke dG/Sn von etwa 1.600 nm aufweist und in ihrer Zusammensetzung dem thermodynamischen Gleichgewicht der eutektischen Schmelze von Zinn und Gold entspricht.
  • An die Gold/Zinnlotschicht 6.3 zwischen dem Siliziumchip 2 und dem Kontaktanschlussbereich 8.4 schließen sich die jeweiligen diffusionshemmenden Schichten 10.4 bzw. 10.3 an, die wie oben erwähnt auf der Seite des Siliziumchips eine Dicke dDS von etwa 700 nm Titan aufweisen und auf dem Kontaktanschlussbereich 8.4 eine Dicke dDK von 2 μm aus Nickelphosphid besitzen. Zwischen dem Siliziumsubstrat 2 und der diffusionshemmenden Schicht 10.3 aus Titan ist die oben erwähnte haftvermittelnde und kontaktgebende Metallbeschichtung 9.3 mit einer Dicke dM von etwa 500 nm Aluminium angeordnet.
    • 1
    Siliziumwafer bzw. Siliziumchip (gemäß Stand der Technik)
    2
    Siliziumwafer bzw. Siliziumchip (gemäß der Erfindung)
    3
    Waferoberseite bzw. Chipoberseite
    4; 4.1; 4.3
    lötbare Beschichtung bzw. Rückseitenbeschichtung
    5
    Waferrückseite bzw. Chiprückseite
    6; 6.1; 6.3
    Gold/Zinnlotmaterial bzw. Lotmaterial
    7; 7.3
    Goldbeschichtung
    8; 8.2; 8.4
    Kontaktanschlussbereich
    9; 9.1; 9.3
    haftvermittelnde Metallbeschichtung
    10; 10.2; 10.3; 10.4
    reaktionssteuernde Metallbeschichtung
    dDS
    Dicke der diffusionshemmenden Schicht des Siliziumchips
    dDK
    Dicke der diffusionshemmenden Schicht des Kontaktanschlussbereichs
    dGS
    Dicke der Goldbeschichtung des Siliziumchips
    dG/Sn
    Dicke der Gold/Zinnlotschicht
    dK
    Dicke des Kontaktanschlussbereichs
    dM
    Dicke der haftvermittelnden Metallbeschichtung
    dS
    Dicke des Siliziumwafers bzw. des Siliziumchips
    TP
    Prozesstemperatur

Claims (3)

  1. Verfahren zum Beschichten eines Siliziumwafers (2) oder Siliziumchips, der integrierte Schaltungen auf seiner Waferoberseite (3) und eine Waferrückseite (5) aufweist, mit einer mehrlagigen, mindestens ein Gold/Zinnlotmaterial (6.3), aufweisenden Rückseitenbeschichtung (4.3), wobei das Verfahren nachfolgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Siliziumwafers (2), der integrierte Schaltungen auf seiner Waferoberseite (3) und eine Waferrückseite (5) aufweist; – Aufbringen einer haftvermittelnden Metallbeschichtung (9.3) mit ohmschem Kontaktübergang zum Siliziumwafer (2), die frei von Silberbestandteilen ist, auf die Rückseite des Siliziumwafers (2); – Aufbringen einer diffusionshemmenden Metallschicht (10.3) auf die haftvermittelnde Metallbeschichtung (9.3); – Aufsputtern einer angepassten Goldbeschichtung (7.3) auf die diffusionshemmende Metallschicht (10.3) ohne Kühlung des Siliziumwafers (2) oder des Siliziumchips, wobei die Dicke der angepassten Goldbeschichtung (7.3) an das Goldvolumen eines Gold/Zinnlotmaterials (6.3) angepasst ist, das anschließend aufgetragen wird, wobei das Goldvolumen der angepassten Goldbeschichtung (7.3) zusammen mit dem Goldvolumen in dem Lotmaterial (6.3) im Verhältnis zu dem Zinnvolumen in dem Lotmaterial (6.3) dem eutektischen Schmelzsystem aus Gold und Zinn im thermodynamischen Gleichgewicht entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als haftvermittelnde Metallbeschichtung (9.3) mit ohmschem Kontaktübergang zum Siliziumwafer (2) eine Aluminiumschicht oder eine Aluminiumlegierungsschicht aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als diffusionshemmende Metallschicht (10.3) eine Titanschicht aufgebracht wird.
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