Способ формирования металлизации обратной стороны кристалла полупроводникового прибора

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ КРИСТАЛЛА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ - управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Керенцев Анатолий Федорович Соловьев Ярослав Александрович Дудкин Александр Иванович Подковщиков Николай Николаевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ - управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(57) Способ формирования металлизации обратной стороны кристалла полупроводникового прибора, включающий утонение обратной стороны пластины с кристаллами полупроводникового прибора до заданной толщины, нанесение на нее адгезионного слоя металла толщиной 5-15 нм, нанесение слоя золота, отличающийся тем, что в качестве адгезионного слоя наносят слой ванадия, затем наносят первый слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 300-340 С, и дополнительно наносят второй слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 100-150 С. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии формирования металлизации обратной стороны кристаллов полупроводниковых приборов(ПП) для монтажа эвтектической пайкой, и может быть использовано в широкой гамме изделий электронной техники. 18283 1 2014.06.30 Известен способ формирования металлизации обратной стороны кристалла ПП 1,включающий утонение обратной стороны пластины с кристаллами полупроводникового прибора до заданной толщины, нанесение на нее слоя золота толщиной 0,2-2,0 мкм при температуре 200-360 С с последующим резким охлаждением. Однако данный способ характеризуется следующими недостатками. Плохая адгезия золота к кремнию, а также возможность использования относительно тонкого слоя золота толщиной менее 1,5 мкм способствует полному проникновению атомов кремния на наружную поверхность слоя золота, где они подвергаются окислению как во время хранения, так и в процессе последующего монтажа кристаллов. Окисленные слои кремния на поверхности золота действуют как барьер, который приводит к неравномерному формированию эвтектики под кристаллом и образованию пустот, приводящих к росту термических напряжений и отслаиванию кристаллов при воздействии сдвигающей нагрузки при формировании полимерного корпуса. Это приводит к ухудшению качества присоединения кристаллов и снижению выхода годных ПП с использованием указанного способа. Известен способ формирования металлизации обратной стороны кристалла ПП 2,включающий утонение обратной стороны пластины с кристаллами до заданной толщины,нанесение на нее адгезионного слоя хрома толщиной 10-20 нм, нанесение слоя золота толщиной около 1 мкм, нагрев структуры для образования эвтектики золото-кремний. Нанесение адгезионного слоя способствует улучшению адгезии слоя золота к кремнию. Однако и данный способ характеризуется недостатками. Вакуумное напыление хрома и золота при температуре менее 65 С не обеспечивает достаточно хорошую адгезию металлизации к кремниевой пластине. Нанесение слоя хрома толщиной более 15,0 нм затрудняет диффузию кремния в слой золота, снижая эффективность образования бинарной системы золото-кремний. Нанесение слоя золота толщиной около 1 мкм создает условия для быстрого проникновения кремния через слой золота и образования окислов на поверхности слоя золота. Кроме того, нанесение слоя золота толщиной 1 мкм оказывается недостаточным для образования эвтектического соединения по всей площади кристалла. Все это приводит к ухудшению качества присоединения кристаллов и снижению выхода годных ПП. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ формирования металлизации обратной стороны кристалла полупроводникового прибора 3,включающий утонение обратной стороны пластины с кристаллами ПП до заданной толщины,нанесение на нее адгезионного слоя титана толщиной 5-15 нм, нанесение слоя золота. Нанесение титана в качестве адгезионного слоя улучшает адгезию слоя золота к кремнию. Недостатком данного способа является то, что адгезионный слой титана, обладая значительным сродством к кислороду, способен формировать окисную пленку, которая,как барьер, будет затруднять диффузионное проникновение кремния в слой золота и ухудшать условия образования эвтектики золото-кремний в процессе присоединения кристалла к кристаллодержателю. Кроме того, нанесение тонкого слоя золота толщиной 0,51,5 мкм способствует проникновению атомов кремния на наружную поверхность слоя золота, которые, подвергаясь окислению, действуют как барьер, что приводит к неравномерному формированию эвтектики под кристаллом с образованием пустот, росту термических напряжений и отслаиванию кристаллов под воздействием деформации при выполнении последующих операций технологического процесса. Это приводит к ухудшению качества присоединения кристаллов и снижению выхода годных ПП с использованием данного способа. Заявляемый способ решает задачу улучшения качества присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора и повышения выхода годных ПП. Поставленная задача решается тем, что в способе формирования металлизации обратной стороны кристалла ПП, включающем утонение обратной стороны пластины с кристаллами 2 18283 1 2014.06.30 ПП до заданной толщины, нанесение на нее адгезионного слоя металла толщиной 5-15 нм,нанесение слоя золота, в качестве адгезионного слоя наносят слой ванадия, затем наносят первый слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 300-340 С и дополнительно наносят второй слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 100-150 С. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве адгезионного слоя наносят слой ванадия, затем наносят первый слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 300-340 С и дополнительно наносят второй слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 100-150 С. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Нанесение в качестве адгезионного слоя ванадия обеспечивает адгезию золота к кремнию с минимальным образованием возможных окисных прослоек, что способствует более эффективному диффузионному проникновению кремния в слой золота. Это приводит к улучшению качества присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора и повышению выхода годных ПП. Нанесение первого слоя золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 300-340 С способствует частичному проникновению кремния в слой золота, что улучшает качество присоединения кристаллов к кристаллодержателю. При толщине первого слоя золота менее 0,75 мкм образуется малое количество эвтектики золото-кремний, что приводит к снижению качества присоединения кристаллов к кристаллодержателю. При толщине слоя золота более 0,95 мкм и температуре его нанесения менее 300 С содержание кремния в слое золота резко снижается, что приводит к снижению качества присоединения кристаллов к кристаллодержателю. Нанесение слоя золота при температуре более 340 С приводит к глубокому диффузионному проникновению атомов кремния в слой золота и выходу на его наружную поверхность, где они подвергаются окислению. Присутствие окисленных слоев кремния на поверхности золота действует как барьер, который приводит к неравномерному формированию эвтектики под кристаллом, образованию пустот, что способствует росту термических напряжений и отслаиванию кристаллов. Нанесение второго слоя золота толщиной 0,75-0,95 мкм при температуре 100-150 С защищает первый слой золота с кремнием, представляющий собой золото-кремниевую структуру, от окисления при взаимодействии с окружающей средой. Нанесение слоя золота толщиной менее 0,75 мкм приводит к образованию малого количества эвтектики золотокремний. При этом суммарной толщины золота оказывается недостаточно для качественного присоединения кристаллов к кристаллодержателю из-за малого количества эвтектики золото-кремний, что приводит к снижению выхода годных ПП из-за возможности отслаивания кристаллов при воздействии термических напряжений на стадии выполнения операций сборки. Нанесение слоя золота толщиной более 0,95 мкм экономически нецелесообразно. Нанесение второго слоя золота при температуре более 150 С способствует значительному проникновению атомов кремния во второй слой золота с образованием пересыщенного раствора, который подвержен окислению в условиях внешней среды. Это приведет к неравномерному формированию эвтектики под кристаллом с образованием пустот, росту термических напряжений и отслаиванию кристаллов под воздействием термических деформаций на технологических операциях сборки ПП. При температуре менее 100 С ухудшается адгезия между первым и вторым слоями золота. Это также способствует ухудшению качества присоединения кристаллов и снижению выхода годных ПП. Сущность изобретения поясняется фигурой, где изображен кристалл полупроводникового прибора (1), содержащий на обратной стороне адгезионный слой ванадия (2), первый слой золота (3), область диффузии атомов кремния в слой золота (5) и второй слой золота (4). Предложенный способ формирования металлизации обратной стороны кристалла ПП может быть использован для изготовления таких изделий, как диоды, биполярные и ДМОП-транзисторы, интегральные схемы. В качестве примера показано его использова 3 18283 1 2014.06.30 ние для изготовления диода Шоттки КДШ 142 А 9 в полимерном корпусе КТ-46 А (-23). Кремниевую пластину с диодными структурами (1) подвергали механическому утонению до толщины 270 мкм путем шлифовки связанным абразивом. После химобработки пластины, включающей травление поверхностного слоя обратной стороны в травителе, содержащем плавиковую кислоту, наносили адгезионный слой металла (2) электроннолучевым испарением при заданной температуре на установке УВНРЭ.Э 60 при давлении не более 510-4 Па, затем сразу же наносили первый слой золота (3) заданной толщины резистивным испарением при этой же температуре. После этого снижали температуру пластин до требуемого уровня и резистивным испарением наносили второй слой золота (4) заданной толщины. При этом образовался диффузионный слой атомов кремния (5) в первом слое золота (3) и частично во втором слое золота (4). Присоединение кристаллов к кристаллодержателю с серебряным покрытием выполняли на автомате монтажа кристаллов ЭМ-4105. Оценка качества монтажа кристаллов проводилась путем визуального осмотра и воздействием нормированной нагрузки на сдвиг, равной 2 Н. На выборке оценивался ресурс механической прочности путем воздействия на боковую поверхность кристалла сдвигающей нагрузкой до разрушения с помощью динамометра 7820-8228-01 с последующим определением остаточной площади кремния в зоне расположения кристалла. Критерием качества присоединения являлись удельная механическая прочность крепления кристалла к кристаллодержателю не менее 12,5 Н/мм 2 и остаточная площадь кремния не менее 50 после воздействия сдвигающей нагрузки до разрушения. Присоединение проволочных перемычек из золота диаметром 30 мкм осуществляли на автомате ЭМ 4260 Т при температуре 250 С методом термозвуковой сварки, а для герметизации полимерного корпуса использовали пресс-материал типа -300 при температуре 175 С. После прохождения по полному маршруту и измерения электрических параметров определяли процент выхода годных ПП с учетом оценки механической прочности присоединения кристалла и остаточной площади кремния после воздействия нагрузки на сдвиг. Результаты использования различных вариантов соотношения слоев ванадия и золота при разных температурах в процессе формирования металлизации на обратной стороне пластины представлены в таблице. Сравнительные данные по качеству присоединения кристаллов КДШ 142 А 9 с использованием различных вариантов нанесения адгезионного слоя и слоя золота при формировании металлизации на обратной стороне пластины ТемпераТемпера- ТолщиУдельная Матери- Толщина тура Относитура нане- на втомеханическая ал адге- первого нанесетельная сения рого прочность ВГ/ВГп 2), п/п зионного слоя ния втоостаточная первого слоя напаянного отн. ед. слоя ме- золота,рого слоя площадь слоя золо- золота,кристалла,талла 1) мкм золокремния,та, С мкм Н/мм 2 та, С Толщина адгезионного слоя металла для всех вариантов составляет 10 нм. ВГ/ВГп - отношение выхода годных согласно заявляемому способу к выходу годных по прототипу. Анализ таблицы показывает, что заявляемый способ позволяет улучшить удельную механическую прочность напаянных кристаллов с 1-30 до 40-50 Н/мм 2, увеличить остаточную площадь кремния после воздействия нагрузки на сдвиг с 20-50 до 60-100 , а также увеличить выход годных в 1,22-1,24 раза. Таким образом, предлагаемый способ формирования металлизации обратной стороны кристалла полупроводникового прибора позволяет решить задачу улучшения качества присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю и повышения выхода годных ПП. Источники информации 1. Патент 4702941, МПК 23 16/00, 1987. 2. Патент 3785892, МПК 01 21/00,01 21/52,01 21/60, 1974. 3. Патент 2007/0231954 1, МПК 01 21/00, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5