Способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО КРИСТАЛЛА К КРИСТАЛЛОДЕРЖАТЕЛЮ 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(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ - управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(57) Способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю 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, разделение пластины на кристаллы и присоединение кристалла к кристаллодержателю с формированием эвтектики золотокремний, 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 100150 С, а присоединение кристалла к кристаллодержателю выполняют при температуре 420-460 С. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии сборки полупроводниковых приборов (ПП) с использованием эвтектической пайки, и может быть использовано в широкой гамме изделий электронной техники. 18281 1 2014.06.30 Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП 1, включающий утонение обратной стороны пластины с кристаллами ПП до заданной толщины, нанесение на нее слоя золота толщиной 0,2-2,0 мкм при температуре 200-360 С с последующим резким охлаждением, разделение пластины на кристаллы, присоединение кристаллов к кристаллодержателю с формированием эвтектики золото-кремний. Однако данный способ характеризуется следующими недостатками. Плохая адгезия золота к кремнию и возможность использования 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 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 присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю 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 золотокремний, разделение пластины на кристаллы, присоединение кристаллов к кристаллодержателю с формированием 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 хорошую адгезию слоя хрома 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 присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю 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, разделение пластин на кристаллы, присоединение кристаллов к кристаллодержателю с образованием золото-кремниевой эвтектики. 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 менее 1,5 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. 2 18281 1 2014.06.30 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 присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, включающем утонение обратной стороны пластины с кристаллами ПП до заданной толщины, нанесение на нее адгезионного слоя металла толщиной 5-15 нм, нанесение слоя золота, разделение пластины на кристаллы, монтаж кристалла на кристаллодержатель с формированием эвтектики золото-кремний, 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, а монтаж кристалла к кристаллодержателю выполняют при температуре 420-460 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, а монтаж кристалла к кристаллодержателю выполняют при температуре 420-460 С. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Нанесение в качестве адгезионного слоя ванадия обеспечивает адгезию золота к кремнию и минимизирует образование возможных окисных прослоек, что способствует более эффективному диффузионному проникновению кремния в слой золота. Это приведет 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 нанесения менее 300 С содержание кремния в слое золота резко снижается, что приводит к снижению качества присоединения кристаллов к кристаллодержателю. Нанесение второго 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 второго 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 воздей 3 18281 1 2014.06.30 ствием термических деформаций на технологических операциях сборки ПП. При температуре нанесения второго слоя золота менее 100 С ухудшается адгезия между первым и вторым слоями золота. Это также способствует ухудшению качества присоединения кристаллов и снижению выхода годных ПП. Присоединение кристаллов к кристаллодержателю при температуре 420-460 С обеспечивает хорошее качество формирования эвтектики и получение высокого процента выхода годных. При температуре присоединения кристаллов менее 420 С наблюдается ухудшение качества присоединения кристаллов к кристаллодержателю и снижение выхода годных ПП из-за недостаточной температурной активации поверхностных слоев и отслаивания кристаллов. При температуре присоединения кристаллов более 460 С снижается качество присоединения кристаллов из-за диффузионного проникновения в зону монтажа атомов металлов (, , ) из кристаллодержателя, образующих интерметаллиды на границе раздела и оксиды на поверхности. Это приводит к снижению качества присоединения кристаллов и снижению выхода годных ПП. Сущность изобретения поясняется фигурой, где изображен кристалл полупроводникового прибора (5) после разделения пластины, содержащей на обратной стороне адгезионный слой ванадия (4), первый слой золота (3), область диффузии атомов кремния в слой золота (2) и второй слой золота (1). Предложенный способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора может быть использован для изготовления таких изделий,как диоды, биполярные и ДМОП-транзисторы, интегральные схемы. В качестве примера показано его использование для изготовления диода Шоттки КДШ 142 А 9 в полимерном корпусе КТ-46 А (-23). Кремниевая пластина, содержащая диодные структуры, подвергалась 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 электронно-лучевым испарением при заданной температуре на установке УВНРЭ.Э 60 прибавлении не выше 510-4 Па, затем сразу же наносили первый слой золота толщиной 0,75-0,95 мкм резистивным испарением при этой же температуре. После этого снижали температуру пластин до требуемого уровня и резистивным испарением наносили второй слой золота. Присоединение кристаллов к кристаллодержателю с покрытием серебром выполняли на автомате монтажа кристаллов ЭМ-4105. Оценка качества монтажа кристаллов проводилась путем визуального осмотра и воздействия 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 после воздействия сдвигающей нагрузки до разрушения не менее 50 . 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 при температуре 175 С использовали пресс-материал типа -300. 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 на обратной стороне пластины, а также выполнения операции присоединения кристаллов к кристаллодержателю ПП при разных температурах представлены в таблице. 18281 1 2014.06.30 Сравнительные данные по качеству присоединения кристаллов КДШ 142 А 9 с использованием различных вариантов нанесения слоев ванадия и золота Толщина первого слоя золота,мкм Температура нанесения первого слоя золота, С Толщина второго слоя золота,мкм Температура нанесения второго слоя золота, С Удельная механическая прочность напаянного кристалла,Н/мм 2 Примечания 1.ВГ/ВГп - отношение выхода годных согласно заявляемому способу к выходу годных по прототипу. 2. Толщина адгезионного слоя металла составляет 10 нм для всех примеров 1-7 по заявляемому способу и для прототипа. Анализ таблицы показывает, что заявляемый способ позволяет улучшить удельную механическую прочность напаянных кристаллов с 1-30 до 40-50 Н/мм 2 и остаточную площадь кремния после воздействия нагрузки на сдвиг увеличить с 20-50 до 60-100 , а также увеличить выход годных в 1,22-1,24 раза. Таким образом, предлагаемый способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора позволяет решить задачу улучшения качества присоединения кремниеваого кристалла к кристаллосодержателю и повышения выхода годных ПП. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5