DE102016117826A1 - Elektronische vorrichtung, elektronikmodul und herstellungsverfahren dafür - Google Patents
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- H01L2224/05601—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/05611—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05639—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05644—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05647—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
- H01L2224/0554—External layer
- H01L2224/05599—Material
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- H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/05655—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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- H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29109—Indium [In] as principal constituent
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29144—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29147—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29155—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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- H01L2224/32135—Disposition the layer connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/32145—Disposition the layer connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32245—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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- H01L2924/1026—Compound semiconductors
- H01L2924/1032—III-V
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Abstract
Es werden eine elektronische Vorrichtung, ein die elektronische Vorrichtung umfassendes Elektronikmodul und Verfahren zur Herstellung dieser gezeigt. Die elektronische Vorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat und einen auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Metallstapel, wobei der Metallstapel eine erste Schicht umfasst, wobei die erste Schicht NiSi umfasst.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung, ein Elektronikmodul und Herstellungsverfahren dafür.
- STAND DER TECHNIK
- Hersteller von elektronischen Vorrichtungen versuchen andauernd, die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte zu vergrößern, und gleichzeitig die Herstellungskosten zu verringern. Ein kostenintensiver Bereich bei der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen oder Elektronikmodulen ist die Erstellung von Metallstapeln, die auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind. Eine Rückseitenmetallisierung (BSM) kann ein Beispiel für einen solchen Metallstapel sein. Solche Metallstapel können eine erste Schicht umfassen, die beim Löten des Halbleitersubstrats an einen Träger mit einer Lotschicht reagiert. Verbesserungen an solchen Metallstapeln, zum Beispiel Verbesserungen in der ersten Schicht, sowie verbesserte Lötverfahren können dabei helfen, die Herstellungskosten zu verringern, die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen zu verbessern und Waferbiegung und Chipbiegung zu verringern. Aus diesen und anderen Gründen wird die vorliegende Erfindung benötigt.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die beigefügten Zeichnungen sind vorgesehen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsformen zu gewährleisten, und sind in die vorliegende Beschreibung integriert und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung von Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen werden ohne Weiteres ersichtlich, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine elektronische Vorrichtung gemäß der Erfindung. -
2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Beispiels für ein Elektronikmodul gemäß der Erfindung. -
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung gemäß der Erfindung. -
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Elektronikmoduls gemäß der Erfindung. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
- In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es kann jedoch für Fachleute erkennbar sein, dass ein oder mehrere Aspekte der Ausführungsformen mit einem geringeren Grad dieser spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form gezeigt, um die Beschreibung eines oder mehrerer Aspekte der Ausführungsformen zu erleichtern. In dieser Hinsicht wird mit Bezug auf die Orientierung der Figur(en), die beschrieben werden, Richtungsterminologie verwendet, wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „oberes“, „unteres“ usw. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
- Während ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt einer Ausführungsform mit Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart werden kann, können zusätzlich ein solches Merkmal oder ein solcher Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wenn es für eine beliebige gegebene oder konkrete Anwendung erwünscht und vorteilhaft ist, sofern es nicht spezifisch anders erwähnt wird oder technisch eingeschränkt ist. Es können die Ausdrücke „gekoppelt“ und „verbunden“ zusammen mit ihren Ableitungen verwendet werden. Es versteht sich, dass diese Ausdrücke benutzt werden können, um anzugeben, dass zwei Elemente miteinander kooperieren oder in Interaktion treten, gleichgültig, ob sie sich in direktem physischen oder elektrischen Kontakt befinden oder sie sich nicht in direktem Kontakt miteinander befinden; es können dazwischentretende Elemente oder Schichten zwischen den „gebondeten“, „angebrachten“ oder „verbundenen“ Elementen vorgesehen sein.
- Die nachfolgend weiter beschriebenen Halbleitersubstrate oder Halbleiterchips können verschiedene Typen aufweisen und können durch verschiedene Technologien hergestellt werden. Die Ausführungsformen einer elektronischen Vorrichtung und eines Elektronikmoduls und eines Verfahrens zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung und eines Elektronikmoduls können verschiedene Arten von Halbleiterchips oder Schaltungen, die in den Halbleiterchips enthalten sind, verwenden, darunter Wechselstrom-Gleichstrom- oder Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltungen, Leistungs-MOS-Transistoren, Leistungs-Schottky-Dioden, JFETs (Sperrschicht-Gate-Feldeffekttransistoren), Leistungs-Bipolartransistoren, integrierte Logikschaltungen, analoge integrierte Schaltungen, integrierte Mischsignalschaltungen, Sensorschaltungen, MEMS (mikroelektromechanische Systeme), integrierte Leistungsschaltungen, Chips mit integrierten passiven Elementen usw. Die Ausführungsformen können auch Halbleiterchips benutzen, die MOS-Transistorstrukturen oder Vertikal-Transistorstrukturen umfassen, wie zum Beispiel IGBT-Strukturen (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), Dioden oder im Allgemeinen Transistorstrukturen, bei denen mindestens eine elektrische Kontaktstelle auf einer ersten Hauptseite des Halbleiterchips angeordnet ist und mindestens eine andere elektrische Kontaktstelle auf einer zweiten Hauptseite des Halbleiterchips gegenüber der ersten Hauptseite des Halbleiterchips angeordnet ist. Außerdem können die Ausführungsformen von Isolationsmaterialien zum Beispiel zur Bereitstellung von Isolationsschichten in verschiedenen Arten von Gehäusen und Isolation für elektrische Schaltungen und Komponenten und/oder zur Bereitstellung von Isolationsschichten in verschiedenen Arten von Halbleiterchips oder Schaltungen, die in Halbleiterchips enthalten sind, verwendet werden, darunter die oben erwähnten Halbleiterchips und Schaltungen.
- Die hier betrachteten Halbleitersubstrate oder Halbleiterchips können dünn sein. Die Halbleitersubstrate oder Halbleiterchips können aus spezifischen Halbleitermaterialien, zum Beispiel Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, oder aus einem beliebigen anderen Halbleitermaterial hergestellt werden und können ferner ein oder mehrere anorganische oder organische Materialien enthalten, die nicht Halbleiter sind, wie zum Beispiel Isolatoren, Kunststoffe oder Metalle.
- Die Halbleitersubstrate oder Chips können Kontaktstellen (oder Elektroden) aufweisen, die das Herstellen von elektrischem Kontakt mit den in den Halbleitersubstraten oder Chips enthaltenen integrierten Schaltungen erlauben. Die Elektroden können alle auf einer Hauptseite der Halbleitersubstrate oder Chips oder auf beiden Hauptseiten angeordnet sein. Sie können eine oder mehrere Elektrodenmetallschichten umfassen, die auf das Halbleitermaterial aufgebracht werden. Die Elektrodenmetallschichten können mit einer beliebigen gewünschten geometrischen Form und einer beliebigen gewünschten Materialzusammensetzung hergestellt werden. Sie können zum Beispiel ein Material umfassen oder daraus hergestellt sein, das aus der Gruppe Cu, Ni, NiSn, Au, Ag, Pt, Pd, einer Legierung eines oder mehrerer dieser Metalle, einem elektrisch leitenden organischen Material oder einem elektrisch leitenden Halbleitermaterial ausgewählt ist.
- Die Halbleitersubstrate oder Chips können an einen Träger gebondet sein. Der Träger kann ein (permanenter) Vorrichtungsträger sein, der zur Kapselung verwendet wird. Der Träger kann eine beliebige Art von Material umfassen oder daraus bestehen, wie zum Beispiel keramisches oder Metallmaterial, Kupfer oder Kupferlegierung oder Eisen-Nickel-Legierung. Der Träger kann ein Leistungs-Elektroniksubstrat, einen Leiterrahmen, ein Substrat des Typs DCB (Direct Copper Bond), DAB (Direct Aluminum Bond) oder AMB (Active Metal Braze), ein IMS (Insulated Metal Substrate) oder eine PCB (Printed Circuit Board) umfassen. Der Träger kann mechanisch und elektrisch mit einem Kontaktelement der Halbleitersubstrate oder Chips verbunden sein. Die Halbleitersubstrate oder Chips können durch Löten mit dem Träger verbunden werden, zum Beispiel durch Wiederaufschmelzlöten und/oder Vakuumlöten und/oder Diffusionslöten. Wenn Diffusionslöten als die Verbindungstechnologie zwischen den Halbleitersubstraten oder Halbleiterchips und dem Träger verwendet wird, können Lotmaterialien verwendet werden, die aufgrund von Grenzflächendiffusionsprozessen nach dem Lötprozess zu intermetallischen Phasen an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Träger führen. Es kann ein Weichlötmaterial oder insbesondere ein zur Bildung von Diffusionslötbondungen fähiges Lötmaterial verwendet werden, zum Beispiel ein Lötmaterial, das ein oder mehrere Metallmaterialien umfasst, ausgewählt aus der Gruppe von Sn, SnAg, SnAu, SnCu, In, InAg, InCu und InAu. Das Lötmaterial kann Pb umfassen oder es kann ein Pb-freies Lötmaterial verwendet werden.
- Die Elektronikmodule können ein Einkapselungsmaterial umfassen, das den Halbleiterchip bzw. die Halbleiterchips bedeckt. Das Einkapselungsmaterial kann elektrisch isolierend sein. Das Einkapselungsmaterial kann ein beliebiges geeignetes Kunststoff- oder Polymermaterial umfassen oder daraus bestehen, wie z.B. ein Silikongel, ein duroplastisches, thermoplastisches oder thermisch härtendes Material oder Laminat (Prepreg) und kann z.B. Füllmaterialien enthalten. Es können verschiedene Techniken verwendet werden, um den Halbleiterchip bzw. die Halbleiterchips mit dem Einkapselungsmaterial einzukapseln, wie zum Beispiel Formpressen, Spritzguss, Pulverguss, Flüssigguss oder Lamination. Es können Wärme und/oder Druck verwendet werden, um das Einkapselungsmaterial aufzubringen.
- Bei mehreren Ausführungsformen werden Schichten oder Schichtstapel aufeinander aufgebracht oder Materialien auf Schichten aufgebracht oder abgeschieden. Es versteht sich, dass Ausdrücke wie „aufgebracht“ oder „abgeschieden“ praktisch alle Arten und Techniken des Aufbringens von Schichten aufeinander abdecken sollen. Insbesondere sollen sie Techniken abdecken, bei denen Schichten auf einmal als Ganzes aufgebracht werden, wie zum Beispiel Laminierungstechniken sowie Techniken, bei denen Schichten in einer sequentiellen Weise abgeschieden werden, wie zum Beispiel Sputtern, Plattieren, Gießen, CVD usw.
- Im Folgenden werden Beispiele für eine elektronische Vorrichtung mit einem auf einem Halbleitersubstrat oder einem Halbleiterchip angeordneten Metallstapel offenbart. Der Metallstapel kann auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet werden. Der Metallstapel kann auf einem Chippad des Halbleitersubstrats angeordnet werden und kann dafür ausgelegt werden, eine elektrische Verbindung zwischen dem Chippad und einem Träger, an dem das Halbleitersubstrat angebracht ist, bereitzustellen. Der Metallstapel kann eine einzige Metallschicht umfassen oder kann mehrere Metallschichten umfassen, zum Beispiel zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten oder mehr als vier Schichten. Der Metallstapel kann eine beliebige geeignete Größe oder Form aufweisen. Der Metallstapel kann eine Oberfläche des Halbleitersubstrats vollständig bedecken oder kann die Oberfläche nur teilweise bedecken.
- Der Metallstapel kann eine erste Schicht umfassen, die dafür ausgelegt ist, als Reaktionspartner für eine Lotabscheidung während des Lötens zu fungieren. Die erste Schicht kann eine Verbindung aus Nickelsilizium (NiSi) umfassen und kann insbesondere aus NiSi bestehen. NiSi kann verglichen mit anderen Materialien wie zum Beispiel reinem Nickel oder einer Verbindung aus Nickelvanadium (NiV) überlegene Eigenschaften als eine erste Schicht aufweisen. Zum Beispiel kann NiSi während des Lötens verglichen mit Ni oder NiV langsamer mit Sn reagieren. Insbesondere kann etwa zweimal mehr NiV als NiSi aufgebraucht werden, wenn derselbe Lötprozess ausgeführt wird. Deshalb kann verglichen mit NiV eine dünnere Schicht bzw. können dünnere Schichten aus NiSi in einem Metallstapel verwendet werden. Dies kann die Herstellungszeit und die Kosten des Metallstapels verringern und kann auch Waferbiegung oder Chipbiegung minimieren, die durch die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des Halbleitersubstrats und des Metallstapels verursacht wird.
- Die erste Schicht kann unter Verwendung verschiedener in der Technik bekannter Abscheidungstechniken hergestellt werden. Zum Beispiel kann die erste Schicht unter Verwendung von Magnetronsputtern hergestellt werden. Im Gegensatz zu reinem Ni ist NiSi nicht ferromagnetisch und stört deshalb nicht das Magnetron einer Abscheidungskammer.
- Magnetronsputtern kann in Gegenwart eines Prozessgases ausgeführt werden. Das Prozessgas kann ein Edelgas umfassen, zum Beispiel Ar, Xe, Kr oder Ne. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Prozessgas N (Stickstoff) umfassen. Das Prozessgas kann zum Beispiel N in der Menge von etwa 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder sogar mehr als 80% umfassen. Der Rest des Prozessgases kann aus Ar bestehen. Die Gegenwart von N im Prozessgas während des Magnetronsputterns kann die Integration von N-Unreinheiten in dem Metallstapel verursachen. Zum Beispiel können N-Unreinheiten in die erste Schicht integriert werden. N kann in eine erste Schicht mit NiSi integriert werden, so dass in der ersten Schicht NiN und/oder SiN gebildet werden. N kann sich positiv auf die Leistungsfähigkeit des Metallstapels, zum Beispiel die Qualität einer Lötverbindung zwischen dem Metallstapel und einem Träger, auswirken.
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1 zeigt ein Beispiel für eine elektronische Vorrichtung100 gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung. Die elektronische Vorrichtung100 umfasst ein Halbleitersubstrat110 und einen auf einer ersten Oberfläche110A des Halbleitersubstrats angeordneten Metallstapel120 . Das Halbleitersubstrat110 kann einen Halbleiterwafer oder einen einzelnen Halbleiterchip umfassen. Die erste Oberfläche110A kann eine Rückseite des Halbleitersubstrats110 sein. Das Halbleitersubstrat kann ein auf der ersten Oberfläche110A angeordnetes (nicht gezeigtes) Chippad umfassen, und der Metallstapel120 kann auf dem Chippad angeordnet und elektrisch damit verbunden sein. - Der Metallstapel
120 kann die erste Oberfläche110A vollständig bedecken oder kann die erste Oberfläche110A nur teilweise bedecken, wie in1 gezeigt. Der Metallstapel120 kann eine beliebige geeignete Form und eine beliebige geeignete Abmessung lateral oder vertikal mit Bezug auf die erste Oberfläche110A aufweisen. Der Metallstapel120 kann strukturiert oder unstrukturiert sein. Der Metallstapel120 kann N-Unreinheiten wie oben beschrieben umfassen. - Der Metallstapel
120 kann eine erste Schicht126 umfassen, wobei die erste Schicht126 NiSi umfasst oder daraus besteht. Die erste Schicht126 kann abhängig von den jeweiligen Anforderungen an die erste Schicht126 eine beliebige geeignete Dicke aufweisen, wobei die Dicke entlang einer zu der ersten Oberfläche110A senkrechten Richtung gemessen wird. Die erste Schicht126 kann eine Dicke im Bereich von 50nm bis 2000nm aufweisen, insbesondere 100nm bis 1000nm, genauer 200nm bis 600nm und noch genauer 400nm bis 500nm. Die Dicke der ersten Schicht126 kann auch etwa 300nm oder genau 300nm betragen. - Die erste Schicht
126 kann eine Menge an Si im Bereich von 2 Gew.-% bis 50 Gew.-% umfassen, insbesondere 2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, genauer 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, genauer 4 Gew.-% bis 5 Gew.-% und noch genauer etwa 4,5 Gew.-% oder genau 4,5 Gew.-% der Gesamtmenge an Material der ersten Schicht126 . - Der Metallstapel
120 kann außer der ersten Schicht126 zusätzliche Schichten umfassen. Zum Beispiel kann der Metallstapel eine auf der ersten Schicht126 angeordnete dritte Schicht128 umfassen. Die dritte Schicht128 kann dafür ausgelegt sein, die erste Schicht126 vor Korrosion zu schützen. Die dritte Schicht128 kann ein beliebiges geeignetes Material oder eine beliebige geeignete Materialzusammensetzung umfassen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann die dritte Schicht128 eines oder mehrere von Ag, Pt, Pd und Au umfassen oder daraus bestehen. Die dritte Schicht128 kann eine beliebige geeignete Dicke aufweisen und kann zum Beispiel eine Dicke im Bereich von 50 nm bis 2000 nm, insbesondere 100nm bis 1000nm, genauer 150nm bis 500nm und noch genauer 200nm bis 300nm aufweisen. Die Dicke der dritten Schicht128 kann auch etwa 200nm oder genau 200nm betragen. - Der Metallstapel
120 kann eine zweite Schicht124 umfassen, wobei die zweite Schicht124 zwischen der ersten Schicht126 und dem Halbleitersubstrat110 angeordnet ist. Die zweite Schicht124 kann als Barrierenschicht wirken und die Diffusion von Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat110 verhindern. Die zweite Schicht124 kann eine beliebige geeignete Dicke aufweisen, zum Beispiel eine Dicke von etwa oder genau 200nm. Die zweite Schicht124 kann ein beliebiges geeignetes Material umfassen und kann zum Beispiel eines oder mehrere von Ti, WTi, Ta oder eine mindestens eines dieser Materialien umfassende Legierung umfassen oder daraus bestehen. - Der Metallstapel
120 kann eine zwischen der ersten Schicht126 und dem Halbleitersubstrat110 angeordnete vierte Schicht122 umfassen. Falls der Metallstapel120 eine zweite Schicht124 umfasst, ist die vierte Schicht122 zwischen der zweiten Schicht124 und dem Halbleitersubstrat110 angeordnet. Die vierte Schicht122 kann eine beliebige geeignete Dicke aufweisen, zum Beispiel eine Dicke im Bereich von 50nm bis 2000nm, insbesondere 100nm bis 1000nm, genauer 200nm bis 600nm und noch genauer insbesondere 300nm bis 500nm. Die Dicke der vierten Schicht122 kann auch etwa oder genau 400nm betragen. Die vierte Schicht122 kann ein beliebiges geeignetes Material umfassen und kann zum Beispiel Al und/oder Ti umfassen oder daraus bestehen. -
2 zeigt ein Beispiel für ein Elektronikmodul200 gemäß der Erfindung. Das Elektronikmodul200 umfasst eine elektronische Vorrichtung100 (die ein Halbleitersubstrat110 und einen Metallstapel120′ umfasst) und einen Träger240 , an dem die elektronische Vorrichtung100 angebracht ist. Das Elektronikmodul200 kann ferner einen Einkapselungskörper250 umfassen, der das Halbleitersubstrat110 einkapselt. - Das Elektronikmodul
200 umfasst ferner eine Lotschicht230 , die auf dem Träger240 angeordnet ist und an den Metallstapel120′ gelötet wird. Die Lotschicht230 kann zum Beispiel SnAg oder Sn umfassen. - Der Metallstapel
120′ des Elektronikmoduls200 kann mit dem Metallstapel120 der elektronischen Vorrichtung100 von1 identisch sein, mit der Ausnahme von Änderungen, die durch Anlöten der elektronischen Vorrichtung100 an die Lotschicht230 eingeführt werden. Gemäß einem Beispiel für ein Elektronikmodul200 kann die erste Schicht126 nach dem Löten dünner als vor dem Löten sein. Die erste Schicht126 kann zum Beispiel ein Viertel dünner, die Hälfte dünner, drei Viertel dünner sein oder es kann sogar nach dem Löten keine erste Schicht in dem Metallstapel120′ vorliegen. Die erste Schicht126 kann auch fast völlig durch den Lötprozess verbraucht werden, mit Ausnahme einiger Flecken232 , die NiSi umfassen, die im Metallstapel120′ nach dem Löten verbleiben. Die Flecken232 können sich an einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht126 und der Lotschicht230 befinden. Die Flecken232 können eine höhere Konzentration von Si als die erste Vorläuferschicht126 umfassen, weil Ni während des Lötens „herausgezogen“ werden kann. Falls zum Beispiel die erste Schicht126 4,5% Si umfasste, können die Flecken232 etwa viermal mehr Si, oder anders ausgedrückt etwa 20% Si, umfassen. - Gemäß einem Beispiel für ein Elektronikmodul
200 kann der Metallstapel120′ zwischen der ersten Schicht126 und der Lotschicht230 gebildete intermetallischen Phasen umfassen. - Gemäß einem Beispiel für eine elektronische Vorrichtung
200 kann der Metallstapel120′ N Verunreinigungen umfassen. N kann die Qualität der zwischen dem Metallstapel120′ und der Lotschicht230 gebildeten Lötverbindung verbessern. Falls zum Beispiel die erste Schicht126 durch den Lötprozess völlig verbraucht wird, zeigt das Elektronikmodul200 keine Delaminationsprobleme, wobei sich der Metallstapel120′ von der Lotschicht230 delaminiert, weil N im Metallstapel120′ der Delamination entgegenwirken kann. Falls der Metallstapel120′ die Flecken232 umfasst, können die Flecken232 N zum Beispiel in Form von NiN und/oder SiN umfassen. - Das Halbleitersubstrat
110 des Elektronikmoduls200 kann eine erste Elektrode auf der ersten Oberfläche110A und eine zweite Elektrode auf der zweiten Oberfläche110B gegenüber der ersten Oberfläche110A umfassen. Das Elektronikmodul200 kann für einen elektrischen Stromfluss vertikal von der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode und ferner durch den Metallstapel120′ zum Träger240 ausgelegt sein. - Das in
2 gezeigt Elektronikmodul200 zeigt nur ein Halbleitersubstrat110 , einen Metallstapel120′ und einen Träger240 . Andere Beispiele für das Elektronikmodul200 können natürlich zusätzliche Komponenten umfassen, wie zusätzliche Halbleitersubstrate, zusätzliche Metallstapel oder zusätzliche Träger oder andere geeignete zusätzliche Komponenten. Die zusätzlichen Komponenten können mit Bezug auf die in2 gezeigten Komponenten nebeneinander und/oder vertikal gestapelt angeordnet werden. -
3 zeigt ein Verfahren300 zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung wie der elektronischen Vorrichtung100 von1 . Das Verfahren300 umfasst einen ersten Prozessschritt301 , wobei der erste Prozessschritt301 das Bereitstellen eines Halbleitersubstrats wie des Halbleitersubstrats110 umfasst. Das Verfahren300 umfasst ferner einen zweiten Prozessschritt302 , wobei der zweite Prozessschritt302 das Anordnen eines Metallstapels wie des Metallstapels120 auf dem Halbleitersubstrat umfasst. - Das Anordnen des Metallstapels
120 in dem zweiten Prozessschritt302 kann Sputtern einer ersten Schicht auf das Halbleitersubstrat umfassen. Sputtern kann bei Anwesenheit eines Prozessgases durchgeführt werden, das wie oben beschrieben N umfasst. - Das Anordnen des Metallstapels
120 in dem zweiten Prozessschritt302 kann ferner eine Integration von N-Unreinheiten in den Metallstapel120 wie oben beschrieben umfassen. -
4 zeigt ein Verfahren400 zur Herstellung eines Elektronikmoduls wie des Elektronikmoduls200 von2 . Das Verfahren400 umfasst einen ersten Prozessschritt401 , wobei der erste Prozessschritt401 das Bereitstellen eines Halbleitersubstrats und eines Trägers umfasst. Das Verfahren400 umfasst einen zweiten Prozessschritt402 , wobei der zweite Prozessschritt402 das Anordnen eines Metallstapels auf dem Halbleitersubstrat umfasst. Das Verfahren400 umfasst einen dritten Prozessschritt403 , wobei der dritte Prozessschritt403 das Anordnen einer Lotschicht auf dem Träger umfasst. Das Verfahren400 umfasst einen vierten Prozessschritt404 , wobei der vierte Prozessschritt404 Löten des Halbleitersubstrats auf den Träger umfasst. - Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere sollen hinsichtlich der verschiedenen durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführten Funktionen die Ausdrücke (einschließlich einer Erwähnung eines „Mittels“), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, sofern es nicht anders angegeben wird, einer beliebigen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie der offenbarten Struktur, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt, nicht strukturell äquivalent ist.
Claims (20)
- Elektronische Vorrichtung, umfassend: ein Halbleitersubstrat und einen auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Metallstapel, wobei der Metallstapel Folgendes umfasst: eine erste Schicht, wobei die erste Schicht NiSi umfasst.
- Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Halbleitersubstrat einen Leistungshalbleiterchip und/oder einen IGBT und/oder eine Diode umfasst und wobei der Metallstapel auf einem Chippad des Leistungshalbleiterchips, des IGBT oder der Diode angeordnet ist.
- Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallstapel N-Unreinheiten in der ersten Schicht umfasst, insbesondere in Form von NiN und/oder SiN.
- Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallstapel ferner eine zwischen der ersten Schicht und dem Halbleitersubstrat angeordnete zweite Schicht umfasst, insbesondere eine zweite Schicht, die eines oder mehrere von Ti, WTi, Ta oder eine mindestens eines dieser Materialien umfassende Legierung umfasst.
- Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallstapel ferner eine auf der ersten Schicht angeordnete dritte Schicht umfasst, insbesondere eine dritte Schicht, die eines oder mehrere von Ag, Pt, Pd und Au umfasst.
- Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallstapel ferner eine zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten Schicht angeordnete vierte Schicht umfasst, insbesondere eine vierte Schicht, die Al und/oder Ti umfasst.
- Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 50nm bis 2000nm, insbesondere 100nm bis 1000nm, genauer 200nm bis 600nm und noch genauer insbesondere 400nm bis 500nm aufweist.
- Elektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht eine Menge an Si im Bereich von 2 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 2 Gew.-% bis 20 Gew.-%, genauer 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, noch genauer 4 Gew.-% bis 5 Gew.-% und noch genauer insbesondere 4,5 Gew.-% umfasst.
- Elektronikmodul, umfassend: einen Träger, einen auf dem Träger angeordneten Halbleiterchip, einen zwischen den Träger und dem Halbleitersubstrat angeordneten Metallstapel, wobei der Metallstapel Folgendes umfasst: eine erste Schicht und eine auf der ersten Schicht angeordnete Lotschicht, wobei die erste Schicht NiSi umfasst.
- Elektronikmodul nach Anspruch 9, wobei der Träger ein Leistungselektroniksubstrat, einen Leiterrahmen, ein DCB, ein DAB, ein AMB, ein IMS oder eine PCB umfasst.
- Elektronikmodul nach Anspruch 9 oder 10, das ferner einen den Halbleiterchip einkapselnden Einkapselungskörper umfasst.
- Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Lotschicht ein auf Pb basierendes oder Pb-freies Lot umfasst.
- Elektronikmodul nach Anspruch 12, wobei die Lotschicht Sn oder SnAg umfasst.
- Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 13, das ferner zwischen der ersten Schicht und der Lotschicht gebildete intermetallische Phasen umfasst.
- Elektronikmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Metallstapel N-Unreinheiten umfasst.
- Elektronikmodul nach Anspruch 15, wobei sich N-Unreinheiten entlang einer Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der Lotschicht befinden.
- Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls, umfassend: Bereitstellen eines Trägers und eines Halbleitersubstrats, Anordnen einer ersten Schicht auf dem Halbleitersubstrat, Anordnen einer Lotschicht zwischen der ersten Schicht und dem Träger und Löten des Halbleitersubstrats auf den Träger, wobei die erste Schicht NiSi umfasst und wobei Anordnen der ersten Schicht auf dem Halbleitersubstrat Sputtern bei Anwesenheit eines N umfassenden Prozessgases umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 17, wobei Sputtern einen Magnetron-Sputterprozess umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Menge an N im Prozessgas etwa 80% oder 70% oder 60% oder 50% oder 40% oder 30% oder 20% oder 10% oder 5% beträgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Prozessgas ferner Ar, Xe, Kr oder Ne umfasst.
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