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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Flipchipkontakten
und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Halbleiterbauelemente
mit Flipchipkontakten sind durch die Entwicklung neuer elektrischer
Materialien für
Halbleiterwafer neuen Problemen ausgesetzt. Diese aus der Druckschrift "Addressing packaging
conerns low-k silicon" von
Greg Hotchkips etal, in EE TIMES, Global news for the creators of technology
(02/11/2004) bekannten, sogenannten "low-k-Materialien" ermöglichen
Isolationsdicken von weniger als 100 Nanometern auf Halbleiterwafern von
300 Millimetern Durchmesser. Gegenüber dem traditionellen thermischen
Gateoxiden sind die neuen Materialien aufgrund ihrer äußerst niedrigen
Dielektrizitätskonstanten,
die kleiner ist, als die Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid
in der Lage, noch dünnere
Gatedielektrika bei gleicher Spannungsfestigkeit zu verwirklichen,
so dass verbesserte Eigenschaften für derartige Halbleiterbauelemente
möglich werden.
Auch Schichtfolgen für
Verdrahtungsstrukturen auf Halbleiterchips können mit low-k Materialien kompakter
hergestellt werden.
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Ein
Nachteil dieser Halbleiterbauelemente mit Isolationsschichten aus "low-k-Material" liegt jedoch darin,
dass die Delaminationsgefahr derartiger Schichten bei thermischer
Belastung deutlich höher liegt,
als bei den herkömmlichen
Isolationsschichten aus thermischen Siliziumoxid- und/oder Siliziumnitridschichten
auf Siliziumhalbleiterwafern. Darüber hinaus zeigt dieses neue
Material, obgleich es weicher und schwammiger bzw. poröser ist
als bisherige Isolationsmaterialien, neben der Delaminationsgefahr eine
erhöhte
Brüchigkeit,
welche die Spannungsbelastungsmöglichkeit
nach einer Bruchbelastung vermindert.
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Die
Probleme mit dem neuen Isolationsmaterial in Form von "low-k-Material" werden noch verstärkt durch
die Forderungen des Umweltschutzes, weiche bleihaltige Lotmaterialien
für Flipchipkontakte zu
vermeiden, und diese Lotmaterialien durch härtere bleifreie Lote zu ersetzen,
deren Fließtemperatur mit
210°C bis
250°C deutlich
höher liegt,
als bei den bisher eingesetzten Flipchipkontakten aus bleihaltigen
Lotmaterialien, die bereits bei 150°C in den Fließzustand übergehen.
Versuche, die erhöhte
Delaminations- und Bruchgefahr der neuen Isolationsschichtmaterialien
durch Unterfüllmaterialien,
die zwischen einem Halbleiterchip mit Flipchipkontakten und einem
Schaltungssubstrat angeordnet werden, und einen verminderten Elastizitätsmodul
aufweisen, auszugleichen, haben jedoch bisher nicht den gewünschten
Erfolg und die erwünschte
Zuverlässigkeit für Flipchipkontakte
aus bleifreiem Lotmaterial erreicht.
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Die
Probleme, welche bei herkömmlichen Bauelementen
mit Flipchipkontakten auftreten, werden mit den 7 bis 9 verdeutlicht.
Dazu zeigt
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7 einen schematischen Querschnitt durch
ein Halbleiterbauelement mit Flipchipkontakten herkömmlicher
Bauart, bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur;
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8 einen schematischen Querschnitt durch
das Halbleiterbauelement gemäß 7 bei Raumtemperatur;
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9 einen schematischen Querschnitt durch
das Halbleiterbauelement gemäß 8 oberhalb der Raumtemperatur.
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Bei
Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, wie es 7 zeigt, treten bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen 10 aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips 4 und
des Verdrahtungssubstrats 12 Verwölbungen, wie sie 7 zeigt, auf. Diese Verwölbungen
sind nur teilweise durch ein Unterfüllmaterial 17 im Zwischenraum 16 mit
einem hohen Elastizitätsmodul
ausgleichbar. Bei Raumtemperatur hingegen sind die thermischen Verspannungen
gering, so dass Verwölbungseffekte
und Scherspannungen minimiert sind, wie es 8 zeigt. Bei Temperaturen über Raumtemperatur
dehnt sich das Verdrahtungssubstrat 12 stärker aus,
als der Halbleiterchip 4, so dass die Flipchipkontakte 2 auf
Scherspannung beansprucht werden und auch Verwölbungen trotz des Unterfüllmaterial 17 auftreten
können.
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Aus
der US 2003/0042620 A1 ist ein Halbleiterbauteil mit einer Passivierungsschicht
aus Polyimid bekannt, das Kontakthöcker mit einem Polymerkern
aufweist.
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Aus
der US 2003/020233 A1, der
US 6,073,829
A und der US 5,971,253 A sind bleifreie Flip-Chip-Kontakte
mit Polymerkern bekannt. Auch die
US 6,337,445 B1 offenbart derartige Flip-Chip-Kontakte.
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Anwendungen
von low-k-Dielektika in der Halbleitertechnologie werden auch in
der
EP 0 977 253 A2 und
im Beitrag „Novel
Microelectronic Packaging Method für Reduced Thermomechanical Stresses
on Low Dielectric Constant Materials" von R. Emery et al. zur Advanced Metallization
Conference, Montreal, Canasa, 9.10.2001, diskutiert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit Flipchipkontakten
zu schaffen, dass die Vorteile der niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten
des neuen "low-k-Materials" nutzt, und gleichzeitig
die Gefahr der Delamination beim Aufbringen von Flipchipkontakten
aus bleifreiem Lot auf entsprechende Verdrahtungssubstrate verringert
und die Zuverlässigkeit
derartiger Halbleiterbauelemente erhöht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Halbleiterbauelement mit Flipchipkontakten auf einer Verdrahtungsstruktur
eines Halbleiterchips angegeben, wobei die Verdrahtungsstruktur
Metallisie rungsschichten und dazwischen angeordnete dielektrische
Isolationsschichten aus einem sogenannten "low-k-Material" aufweist, dessen relative Dielektrizitätskonstante εr niedriger
ist, als die relative Dielektrizitätskonstante eines Siliziumoxids.
Dazu weist das Halbleiterbauelement Flipchipkontakte auf Kontaktflächen einer oberen
Metallisierungsschicht auf, die einen Polymerkern aufweisen, der
von einem bleifreien Lotmaterial umgeben ist.
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Dieses
Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass Spannungsbelastungen
durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchipmaterials
sowie des Verdrahtungssubstrats ausgeglichen werden, ohne die Metallisierungsschichten
und die dazwischen angeordneten dielelektrischen Isolationsschichten
aus einem "low-k-Material" derart zu belasten,
dass Delaminationen und/oder Mikrorisse in den Isolationsschichten
auftreten.
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Dazu
wird ein Polmerkern eingesetzt, der einen niedrigen Elastizitätsmodul
aufweist und zusätzlich
eine geringe Glasübergangstemperatur
und damit eine niedrige Erweichungstemperatur aufweist. Die Nachgiebigkeit
derartiger Flipchipkontakte aus einem Polymerkern mit einem metallischem Überzug aus
bleifreiem Lotmaterial wird gegenüber der Nachgiebigkeit von
Flipchipkontakten aus bleihaltigem Lotmaterial derart verbessert,
dass die Spannungsbelastung bei thermischer Wechselbeanspruchung deutlich
vermindert wird, sodass die bisher auftretende Delaminationsgefahr
des neuen Isolationsmaterials von dem Siliziumhalbleitermaterial
vermindert wird.
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Als "low-k-Materialien" können vorzugsweise Kupferoleate,
Aluminiumoleate, oder sogenannter schwarzer Diamant sowie bevorzugt
poröses
SiO2 eingesetzt werden. Bei den Oleaten
han delt es sich um metallorganische Verbindungen, die eine relative Dielektrizitätskonstante εr unter
3,0 aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das "low-k-Material" einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auf, der niedriger ist, als der thermische
Ausdehnungskoeffizient herkömmlicher
Isolationsmaterialien. Außerdem
ist es von Vorteil, dass das "low-k-Material" eine höhere Duktilität als herkömmliche
Isolationsmaterialien aufweist. Jedoch bedeutet die höhere Duktilität auch eine
größere Empfindlichkeit
der Ausbreitung von Mikrorissen in dem neuen Isolationsschichtmaterial.
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Um
die Eigenschaften und die Nachgiebigkeit der Flipchipkontakte an
dieses empfindliche Isolationsmaterial anzupassen wird für die Flipchipkontakte
ein Polymerkern aus Silikonen eingesetzt. Jedoch sind auch Polymerkerne
aus Thermoplasten oder aus Elastomeren von Vorteil. Dazu kann der
Polymerkern eine Kugelform aufweisen, wie er heute bereits im Handel
verfügbar
ist, oder die Polymerkerne können
in Höckerform
ausgebildet sein, wie sie schon heute bei elastischen Kontakten
für BGA-Gehäusen eingesetzt
wird.
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Vorzugsweise
sind die Flipchipkontakte interne Verbindungselemente des Halbleiterbauelements
zu einem Verdrahtungssubstrat, wobei die Flipchipkontakte mit ihrem
Außenmantel
aus bleifreiem Lot auf Kontaktanschlussflächen einer Verdrahtungsstruktur
auf der Oberseite eines Verdrahtungssubstrats des Halbleiterbauelements
fixiert sind. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ist es nicht vorgesehen, den Zwischenraum zwischen
dem Halbleiterchip und dem Verdrahtungssubstrat durch eine Unterfüllmaterial
aufzufüllen,
zumal die nachgiebigen Flipchipkontakte mit einem Polymerkern sich
nun frei und nachgiebig verformen können.
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Ist
jedoch ein Unterfüllmaterial
erforderlich, um keine Hohlräume
in dem Halbleiterbauelement entstehen zu lassen, so wird vorzugsweise
ein Unterfüllmaterial
eingesetzt, das einen niedrigeren Elastizitätsmodul als bisherige Unterfüllmaterialien
und eine niedrigere Glasübergangstemperatur
als herkömmliche
Unterfüllmaterialien
aufweist. Damit wird erreicht, dass die Nachgiebigkeit der Flipchipkontakte
durch das Unterfüllmaterial
weiter unterstützt
und nicht unterbunden wird.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit Flipchipkontakten
weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden Halbleiterchips
mit einer Verdrahtungsstruktur hergestellt, die Metallisierungsschichten
und dazwischen angeordnete dielektrische Isolationsschichten aus
einem sogenanntem "low-k-Material" aufweisen, dessen
relative Dielektrizitätskonstante εr niedriger
ist, als die relative Dielektrizitätskonstante eines Siliziumdioxids.
Dabei weist die obere Metallisierungsschicht Kontaktflächen für Flipchipkontakte
auf. In einem weiteren Schritt werden auf die Kontaktflächen Flipchipkontakte
aufgebracht, wobei die Flipchipkontakte einen Polymerkern aufweisen,
der von einem bleifreien Lotmaterial umgeben ist. Dieses Aufbringen
erfolgt bei Fließtemperaturen
des bleifreiem Lotmaterials im Bereich von 210 bis 250°C.
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Dennoch
kommt es bei dem Abkühlungsprozess
nach dem Auflöten
der Flipchipkontakte auf das interne Verdrahtungssubstrats des Halbleiterbauelementes
nicht zu Verwölbungen,
zumal die Flipchipkontakte mit ihrem polymeren Kern derart nachgiebig sind,
dass die Delaminationsgefahr zwischen dem Siliziumhalbleitermaterial
und der nur wenige 10 Nanometer dicken Isolationsschicht aus "high-k-Material" vermindert ist.
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Nach
dem Auflöten
der Flipchipkontakte des Halbleiterchips auf ein Verdrahtungssubstrat
des Halbleiterbauelements kann vorzugsweise der Zwischenraum zwischen
dem Halbleiterchips mit Flipchipkontakten und der Oberseite des
Verdrahtungssubstrats mit einem Unterfüllmaterial aufgefüllt werden,
dessen Elastizitätsmodul
und dessen Glasübergangstemperatur
geringer sind, als der Elastizitätsmodul
und die Glasübergangstemperatur
herkömmlicher
Unterfüllmaterialien.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Lösung folgende Vorteile aufweist:
- 1. Durch das Herabsetzen des Elastizitätsmoduls aufgrund
von polymerhaltigen Flipchipkontakten wird ein flexibleres Verhalten
und ein Abfedern der auftretenden Belastungen ermöglicht;
- 2. Durch ein Anpassen der Ausdehnungskoeffizienten von Halbleiterchips,
Flipchipkontakten und Verdrahtungssubstrat werden thermische Spannungen
bei Temperaturwechselbelastungen vermindert;
- 3. Für
die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes
sind keine Prozessänderungen
erforderlich, so dass der Lotkugelauftrag und die Verarbeitung unter
Standardbedingungen erfolgen können;
- 4. Durch Anpassen der Eigenschaften der Flipchipkontakte können verbesserte
Unterfüllmaterialien
im Hinblick auf die Zuverlässigkeit
für das Halbleiterbauelement
gewählt
werden, indem Unterfüllmaterialien
mit geringem Elastizitätsmodul und
geringer Glasübergangstemperatur
eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement,
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, bei verminderter Temperatur unterhalb der Raumtemperatur;
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement bei
Raumtemperatur;
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 2 bei
erhöhter
Temperatur oberhalb der Raumtemperatur;
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung bei verminderter Temperatur unterhalb der Raumtemperatur;
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5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 4 bei
Raumtemperatur;
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6 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 5 bei
erhöhter
Temperatur oberhalb der Raumtemperatur.
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7 einen
schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit Flipchipkontakten herkömmlicher
Bauart, bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur;
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8 einen
schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 7 bei Raumtemperatur;
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9 einen
schematischen Querschnitt durch Halbleiterbauelement gemäß 8 oberhalb der
Raumtemperatur.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 1,
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, bei verminderter Temperatur unterhalb der Raumtemperatur.
Dazu besteht das Halbleiterbauelement 1 aus einem Halbleiterchip 4,
der auf einem Verdrahtungssubstrat 12 angeordnet ist. Der
Halbleiterchip 4 weist auf seiner aktiven Oberseite 18 Elektroden 19 einer
integrierten Schaltung auf. Diese Elektroden 19 sind über eine Verdrahtungsstruktur 3 des
Halbleiterchips 4 und Kontaktflächen 8 mit den Flipchipkontakten 2 verbunden.
Dazu weist die Verdrahtungsstruktur 3 eine Metallschicht 5 und
Isolationsschichten 6 auf, die aus einem "low-k-Material" 7 aufgebaut
sind.
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Ein
derartiges "low-k-Material" 7 zeichnet sich
durch eine niedrige Dielektrizitätskonstante
aus, die unterhalb der Dielektrizitätskonstante von herkömmlichem
thermischen Siliziumdioxid liegt. Derartige Materialien können Kupferoleat
oder Aluminiumoleat oder schwarzes Diamantmaterial oder bevorzugt
poröses
SiO2 aufweisen. Diese Materialien zeichnen
sich durch eine höhere
Duktilität
aus, haben jedoch den Nachteil, dass die Gefahr der Delamination
zwischen der Oberseite 18 des Siliziumchips 4 und
der Isolationsschicht 6 aus "low-k-Material" besteht. Insbesondere dann, wenn das
Halbleiterbauelement 1, wie in 1 gezeigt,
einer verminderten Temperatur gegenüber der Raumtemperatur ausgesetzt
ist.
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Aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips 4 und des
Verdrahtungssubstrat 12, auf dem der Halbleiterchips 4 über seine
Flipchipkontakte 2 auf entsprechenden Kontaktanschlussflächen 13 einer
Verdrahtungsstruktur 14 der Oberseite 15 des Verdrahtungssubstrats 12 fixiert
ist, schrumpft das Verdrahtungssubstrat 12 stärker, als
der Halbleiterchip 4. Während,
bei einem herkömmlichen
Halbleiterbauelement 10 wie es 7 gemäß dem Stand
der Technik zeigt, nun eine Verwölbung
aufgrund der thermischen Belastung auftritt, ist dieses bei der
hier gezeigten Ausführungsform
der Erfindung nicht der Fall, da die Flipchipkontakte 2 aus
einem Polymerkern 9 und einer Hülle aus bleifreiem Lotmaterial 11 bestehen,
so dass die Nachgiebigkeit der Flipchipkontakte 2 deutlich
gegenüber
massiven Flipchipkontakten aus bleifreiem Material verbessert ist.
Dadurch wird auch die Delaminationsgefahr der Isolationsschichten 6 auf
dem Halbleiterchip 4 vermindert und eine Verwölbung des
Halbleiterbauelements 1 vermieden.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement,
gemäß 1,
bei Raumtemperatur. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Bei
Raumtemperatur sind die thermischen Belastungen weitestgehend ausgeglichen,
so dass sich die nachgiebigen Flipchipkontakte 2 nicht
verformen, sondern in einer neutralen Stellung verbleiben.
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 2,
bei erhöhter
Temperatur oberhalb der Raumtemperatur. Bei erhöhten Temperaturen dehnt sich aufgrund
des größeren Ausdehnungskoeffizienten das
Substrat 12 gegenüber
dem Halbleiterchip 4 stärker
aus, so dass die nachgiebigen Flipchipkontakte mit ihrem Polymerkern
mit niedrigem Elastizitätsmodul
dem Ausdehnungsverhalten des Verdrahtungssubstrats 12 folgen,
ohne die Isolationsschichten aus "low-k-Material" auf der Oberseite 18 des Halbleiterchips 4 zu
belasten.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 20,
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung, bei verminderter Temperatur unterhalb der Raumtemperatur.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren
werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra
erörtert. Der
Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß den 1 bis 3 und der
zweiten Ausführungsform
der Erfindung gemäß den 4 bis 6 besteht
darin, dass zur Unterstützung
der nachgiebigen Flipchipkontakte 2 ein Unterfüllmaterial 17 den
Zwischenraum 16 zwischen dem Halbleiterchip 4 und
der Oberseite 15 des Verdrahtungssubstrats 12 auffüllt.
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Dieses
Unterfüllmaterial 17 wird
mittels Kapillarwirkung in den Zwischenraum 16 eingebracht und
ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen geringeren Elastizitätsmodul
und eine geringe Glasübergangstemperatur
aufweist, als herkömmliche
Unterfüllmaterialien.
Aufgrund dieser Eigenschaften des Unterfüllmaterials wird die Nachgiebigkeit
der Flipchipkontakte 2 gestützt, ohne dass bei verminderten Temperaturen
eine Verwölbung
des Verdrahtungssubstrats 12 auftritt, bzw. ohne dass erhöhte Belastungen
der delaminationsgefährdeten
Isolationsschicht 6 aus "low-k-Material" 7 in dem Grenzbereich zwischen
der Oberseite 18 des Halbleiterchips 4 und der
Isolationsschicht 6 auftritt. Lediglich das Unterfüllmaterial 17 und die
elastischen Flipchipkontakte 2 folgen dem stärkeren Schrumpfen
des Verdrahtungssubstrats 12.
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5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 20 gemäß 4 bei
Raumtemperatur. Bei Raumtemperatur sind die thermischen Spannungen
weitestgehend ausgeglichen, so dass die Flipchipkontakte 2 eine neutrale
Stellung einnehmen und auch das Unterfüllmaterial 17 in einer
unverformten Weise vorliegt.
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6 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 20 gemäß 5,
bei erhöhter
Temperatur oberhalb der Raumtemperatur. In diesem Fall dehnt sich
das Verdrahtungssubstrat 12 stärker aus, als der Halbleiterchip 4, so
dass die nachgiebigen Flipchipkontakte 2 mit ihrem Polymerkern 9 sich
zusammen mit dem Unterfüllmaterial 17 verformen,
ohne eine überhöhte Belastung
für die
empfindliche Isolationsschichten aus "high-k-Material" 7 darzustellen.
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Die 7 bis 9 verdeutlichen
Probleme wie oben bereits erörtert,
welche bei herkömmlichen Bauelementen
mit Flipchipkontakten auftreten.
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- 1
- Halbleiterbauelement
- 2
- Flipchipkontakt
- 3
- Verdrahtungsstruktur
des Halbleiterchips
- 4
- Halbleiterchip
- 5
- Metallschicht
- 6
- Isolationsschicht
- 7
- low-k-Material
- 8
- Kontaktfläche
- 9
- Polymerkern
- 10
- Halbleiterbauelement
- 11
- bleifreies
Lotmaterial
- 12
- Verdrahtungssubstrat
- 13
- Kontaktanschlussfläche
- 14
- Verdrahtungsstruktur
des Substrats
- 15
- Oberseite
des Verdrahtungssubstrats
- 16
- Zwischenraum
- 17
- Unterfüllmaterial
- 18
- aktiven
Oberseite des Halbleiterchips
- 19
- Elektroden
auf dem Halbleiterchip
- 20
- Halbleiterbauelement
(zweite Ausführungsform)