Lasergestützte Herstellung von vertikalen Durchkontaktierungen für AlGaN/GaN-Leistungstransistoren
Abb. 1: Schematische Darstellung des Prozessablaufes zur lasergestützten Herstellung von VIAs. (a) Laserbohren von der Waferrückseite, (b) Metallabscheidung von Gold zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen Vorder- und Rückseite.
Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnittes eines lasergebohrten Loches durch 380 µm dickes SiC (Probe geneigt, Blick auf Laseraustritt).
Abb. 3: Mapping des elektrischen Widerstandes der einzelnen VIAs mit Durchmessern von 150 µm (linke Probenhälfte) und 200 µm (rechte Hälfte).
Im Zusammenhang mit der wachsenden Integrationsdichte in elektronischen Bauelementen kommt der vertikalen Integration eine Schlüsselrolle zu. Dadurch können Bauelemente mit kleineren Abmessungen und geringeren elektrischen Verlusten realisiert werden. Die vertikale Integration ermöglicht eine effektive Ausnutzung des Halbleitervolumens und damit eine hohe flächenspezifische Leistungsdichte. Durch die kleinen Induktivitäten der elektrischen Verbindungen werden Schaltverluste minimiert. Vertikale elektrische Kontakte (VIAs), die durch das Substrat bis zur Rückseite hindurchgeführt werden, ermöglichen eine einfache, platzsparende Ankontaktierung der Bauelemente im Gehäuse.
Hochleistungsbauelemente auf Basis des AlGaN/GaN-Materialsystems werden üblicherweise auf Siliziumcarbid (SiC) hergestellt. Die Herstellung von VIAs ist jedoch wegen der mechanischen Härte und chemischen Stabilität des SiC-Substratmaterials sehr schwierig und zeitaufwändig. Eine trockenchemische Ätzung der Löcher setzt das mechanische Abdünnen des Wafers auf ca. 100 µm voraus. Die Ätzung von VIAs durch dickeres SiC ist bislang nicht möglich. Am FBH wurde ein lasergestützter Herstellungsprozess für VIAs entwickelt, der es ermöglicht, elektrische Kontakte von der Vorderseite der Bauelemente durch 350 - 400 µm dickes SiC bis zur Rückseite zu erzeugen. Das patentierte Verfahren wurde bereits vor einigen Jahren entwickelt [PAT] und jetzt für Anwendungen in der Leistungselektronik mit größeren VIA-Durchmessern von 150 - 200 µm optimiert.
Die Prinzipskizze in Abb. 1 zeigt den Prozessablauf schematisch. Die Laserbearbeitung erfolgt von der Waferrückseite. Ein Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 355 nm, der eine Durchschnittsleistung von 4,5 W bei einer Puls-Wiederholfrequenz von 25 kHz und Impulslängen von < 30 ns liefert, wird zur Erzeugung der Durchgangslöcher benutzt. Der Laser ist integriert in eine kommerzielle Laser-Bearbeitungsstation (ILS 500 Air), die eine mikrometergenaue Platzierung des Laserstrahls auf der Waferrückseite ermöglicht, damit die Bohrlöcher die gewünschten Kontaktflächen auf der Wafervorderseite präzise treffen. Der Laserstrahl hat einen Durchmesser von ca. 15 µm und wird in geeigneter Weise auf der Probenoberfläche bewegt. Damit können Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt werden, die sich sehr flexibel den Anforderungen des Bauelementes oder der Montage anpassen lassen (Abb. 2). Je nach Durchmesser dauert der Bohrprozess ca. 3 - 5 s pro Loch. Die elektrische Verbindung wird durch eine ca. 5 µm dicke Goldbeschichtung auf der Wand des Loches realisiert. Aus dem ohmschen Strom-Spannungs-Verlauf lässt sich der elektrische Widerstand einzelner VIAs ermitteln. Abb. 3 zeigt ein repräsentatives Mapping der erzielten Widerstandswerte der einzelnen VIAs in 380 µm dickem SiC. Die dargestellte Test-Probe besitzt auf der linken Hälfte VIAs mit 150 µm Durchmesser und auf der rechten Hälfte VIAs mit 200 µm Durchmesser. Wegen der kleineren Mantelfläche der Bohrlöcher haben die 150-µm-VIAs mit 10 mΩ einen etwas größeren Durchgangswiderstand als die 200-µm-VIAs mit 8 mΩ. Der für diese größeren VIA-Durchmesser optimierte Prozess wird nun auf AlGaN/GaN-Leistungstransistoren angewendet.
[PAT] Krüger, O.; Würfl, J.; Schöne, G.: Verfahren zur Erzeugung von vertikalen elektrischen Kontaktverbindungen in Halbleiterwafern. Europäische Patentschrift
EP 1 891 670 B1, 03.02.2010 (Patentblatt 2010/05).
FBH-Forschung: 17.06.2011