-
Gebiet der vorliegenden Erfindung
-
Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung integrierte Schaltungen
und betrifft insbesondere Techniken zur Verringerung der Wechselwirkung zwischen
einem Chip und einem Gehäuse,
die durch eine thermische Fehlanpassung zwischen dem Chip und dem
Gehäuse
hervorgerufen wird.
-
Beschreibung des Stands der
Technik
-
Halbleiterbauelemente
werden typischerweise auf im Wesentlichen scheibenförmigen Substraten hergestellt,
die aus einem geeigneten Material aufgebaut sind. Der Hauptanteil
an Halbleiterbauelementen mit sehr komplexen elektronischen Schaltungen wird
gegenwärtig
in der absehbaren Zukunft auf der Grundlage von Silizium hergestellt,
wodurch Siliziumsubstrate und siliziumenthaltende Substrate, etwa SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrate,
zu geeigneten Trägermaterialien
werden, um Halbleiterbauelemente, etwa Mikroprozessoren, SRAM, ASIC's (anwendungsspezifische
IC's) Systeme auf
einem Chip (SoC) und dergleichen herzustellen. Die einzelnen integrierten
Schaltungen sind in einem Array auf der Scheibe angeordnet, wobei
die meisten Fertigungsschritte, die sich auf einige 100 oder mehr
einzelne Prozessschritte in komplexen integrierten Schaltungen belaufen
können,
gleichzeitig für
alle Bereiche auf dem Substrat ausgeführt werden, mit Ausnahme von
Photolithographieprozessen, Messprozessen und dem Einbringen der
einzelnen Bauelemente in ein Gehäuse,
nach der Vereinzelung des Substrats. Daher zwingen ökonomische
Rahmenbedingungen die Halbleiterhersteller dazu, die Substratabmessungen
ständig
zu verringern, wodurch auch die Fläche vergrößert wird, die zum Herstellen
der eigentlichen Halbleiterbauelemente verfügbar ist, und wodurch somit
die Produktionsausbeute gesteigert wird.
-
Zusätzlich zum
Vergrößern der
Substratfläche
ist es auch wichtig, die Ausnutzung der Substratfläche bei
einer vorgegebenen Substratgröße zu optimieren,
um möglichst
viel Substratfläche
für Halbleiterbauelemente
und/oder Teststrukturen, die für
Prozesssteuerungszwecke verwendet werden, auszunutzen. In dem Versuch,
die nutzbare Oberfläche
bei einer gegebenen Substratgröße zu maximieren,
werden die Strukturgrößen von
Schaltungselementen ständig
in der Größe verringert.
Auf Grund dieser vorhandenen Anforderung zum Verringern der Strukturgrößen in komplexen
Halbleiterbauelementen wird Kupfer in Verbindung mit dielektrischen
Materialien mit kleinem ε häufig als
Alternative bei der Herstellung sogenannter Verbindungsstrukturen
eingesetzt, die Metallleitungsschichten und dazwischen liegende Kontaktdurchführungsschichten
enthalten und damit Metallleitungen als Verbindungen innerhalb der
Ebenen und Kontaktdurchführungen
als Verbindung zwischen den Ebenen aufweisen, wobei diese Strukturen
die einzelnen Schaltungselemente in Bezug auf die erforderliche
Funktion der integrierten Schaltung miteinander verbinden. Typischerweise
ist eine Vielzahl von Metallisierungsschichten und Kontaktdurchführungsschichten
in gestapelter Weise erforderlich, um die Verbindung zwischen allen
internen Schaltungselementen und den I/O-(Eingabe/Ausgabe-), Leistungs-
und Masseanschlussflächen
des betrachteten Schaltungsaufbaus einzurichten.
-
Für äußerst größenreduzierte
integrierte Schaltungen ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht
mehr durch die Schaltungselemente selbst, etwa durch die Feldeffekttransistoren
und dergleichen begrenzt, sondern ist auf Grund der erhöhten Dichte
an Schaltungselementen, die wiederum eine noch höhere Anzahl an elektrischen
Verbindungen erfordert, durch den geringen Abstand der Metallleitungen
beschränkt,
da die Kapazität
zwischen den Leitungen sich vergrößert und zudem eine geringere Leitfähigkeit
der Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsfläche auftritt.
Aus diesem Grunde werden übliche
Dielektrika, etwa Siliziumdioxid (ε > 4) und Siliziumnitrid (ε > 7) durch dielektrische
Materialien mit einer geringeren Permittivität ersetzt, die daher als Dielektrika
mit kleinem ε mit
einer relativen Permittivität
von 3 oder weniger bezeichnet werden. Jedoch sind die Dichte und
die mechanische Stabilität
oder Festigkeit der Materialien mit kleinem ε deutlich geringer im Vergleich
zu gut erprobten Dielektrika wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid.
Während
der Herstellung des Metallisierungssystems und nachfolgender Fertigungsprozesse
der integrierten Schaltungen hängt
somit die Ausbeute von den mechanischen Eigenschaften dieser empfindlichen
dielektrischen Materialien und ihrer Haftung an andere Materialien
ab.
-
Zusätzlich zu
den Problemen einer geringeren mechanischen Stabilität komplexer
dielektrischer Materialien mit einer Dilektrizitätskonstante von 3,0 und deutlich
weniger wird auch die Bauteilzuverlässigkeit durch diese Materialien
während
des Betriebs komplexer Halbleiterbauelemente auf Grund einer Wechselwirkung
zwischen dem Chip und dem Gehäuse beinflusst,
die durch eine thermische Fehlanpassung der entsprechenden thermischen
Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlichen Materialien hervorgerufen
wird. Beispielsweise wird bei der Herstellung komplexer integrierter
Schaltungen zunehmend eine Kontakttechnologie bei der Verbindung des
Gehäusesubstrats
mit dem Chip angewendet, die als Flip-Chip-Gehäuse-Technik bzw. Gehäusetechnik
mit umgedrehten Chip bekannt ist. Im Gegensatz zu gut bekannten
Drahtverbindungstechniken, in denen geeignete Kontaktanschlussflächen am
Rand der letzten Metallschicht des Chips vorgesehen sind und die
mit entsprechenden Anschlüssen
des Gehäuses
mittels eines Drahtes verbunden werden, wird in der Flip-Chip-Technik
eine entsprechende Höckerstruktur
auf der letzten Metallisierungsschicht vorgesehen, beispielsweise
unter Anwendung von Aluminium als abschließendes Metall in Verbindung mit
einem Lotmaterial, wobei diese Struktur mit zugehörigen Kontaktanschlussflächen des
Gehäuses
in Kontakt gebracht wird. Nach dem Aufschmelzen des Lotmaterials
wird somit eine zuverlässige
elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Abschlussmetall,
das auf der letzten Metallisierungsschicht gebildet ist, und den
Kontaktanschlussflächen
des Gehäuseträgers erreicht.
Auf diese Weise kann eine große
Anzahl elektrischer Verbindungen über die gesamte Chipfläche hinweg
in letzten Metallisierungsschicht bei geringem Kontaktwiderstand und
geringer parasitärer
Kapazität
hergestellt werden, wodurch die I/O-(Eingabe/Ausgabe-)Ressourcen
bereitgestellt werden, die für
komplexe integrierte Schaltungen, etwa CPU's, Speicherbauelemente und dergleichen
erforderlich sind. Während
der jeweiligen Prozesssequenz zum Verbinden der Höckerstruktur
mit einem Gehäuseträger wird
ein gewisses Maß an
Druck und/oder Wärme
auf das Verbundbauelement ausgeübt,
um damit eine zuverlässige Verbindung
zwischen jedem Höcker,
der auf dem Chip gebildet ist, und den Höckern oder Anschlussflächen, die
auf dem Gehäusesubstrat
vorgesehen sind, einzurichten. Die thermisch oder mechanisch hervorgerufene
Verspannung kann jedoch auch auf die darunter liegenden Metallisierungsschichten
einwirken, die typischerweise Dielektrika mit kleinem ε oder dielektrische
Materialien mit sehr kleinem ε (ULK)
aufweisen, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Defekten
in Form von Rissen, Materialablösungen
und dergleichen auf Grund der geringen mechanischen Stabilität und der
geringeren Haftung zu anderen Materialien deutlich erhöht wird.
-
Während des
Betriebs des fertig gestellten Halbleiterbauelements, das an einem
entsprechenden Gehäusesubstrat
angebracht ist, kann auch eine beträchtliche mechanische Verspannung
auf Grund einer ausgeprägten
Fehlanpassung im thermischen Ausdehnungsverhaltens des siliziumbasierten
Halbleiterchips und des Gehäusesubstrats
auftreten, da in der Massenproduktion komplexer integrierter Schaltungen ökonomische
Vorgaben typischerweise die Verwendung spezieller Substratmaterialien
für das
Gehäuse
erfordern, etwa in Form organischer Materialien, die eine deutlich
unterschiedliche thermische Leitfähigkeit und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
im Vergleich zu Siliziumchip besitzen.
-
Mit
Bezug zu den 1a und 1b wird ein
typischer konventioneller Aufbau eines Halbleiterbauelements mit
einer Lothöckerstruktur
nachfolgend detaillierter beschrieben.
-
1a zeigt
schematisch eine Draufsicht des Aufbaus oder der Gestaltung eines
Halbleiterbauelements 100, in welchem die mechanischen
und elektrischen Verbindungen zwischen ein Gehäuse und dem Bauelement 100,
d. h. einen speziellen Chip oder Chipbereich 101, auf der
Grundlage einer Lothöckerstruktur
einzurichten ist. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Verteilung
von Kontaktelementen 110 über die gesamte Fläche des
Chips 101 bereitgestellt, wobei, wie zuvor erläutert ist,
nahezu die gesamte Fläche
des Chips 101 für
das geeignete Anordnen der Kontaktelemente 110 verfügbar ist.
Auf diese Weise kann eine sehr komplexe Kontaktstruktur erreicht
werden, wobei jedes der Kontaktelemente 110 mit einem Gegenstück einer
Anschlussfläche oder
eines Höckers
eines entsprechenden Gehäusesubstrats
während
eines einzelnen Fertigungsprozesses verbunden wird im Gegensatz
zu den entsprechenden Drahtverbindungstechniken, in denen ein Verbindungsdraht
mit den Verbindungsanschlussflächen
des Chips und des Gehäuses
in einer im Wesentlichen sequenziellen Weise zu verbinden ist.
-
1b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements 100 gemäß dem Schnitt
IIb in 1a. Wie gezeigt, umfasst das
Bauelement 100 den Chip 101, der als das grundlegendste
Substrat zu verstehen ist, über
welchem Schaltungselemente und dergleichen gebildet werden. Das
Substrat 101 ist typischerweise in Form eines isolierenden
Substrats, eines Halbleitermaterials und dergleichen vorgesehen.
Es sollte beachtet werden, dass in und über dem Substrat 101 typischerweise
eine Vielzahl an Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren,
Widerständen
und dergleichen, vorgesehen ist gemäß der Schaltungsfunktion, die
in dem Bauelement 100 einzurichten ist. Der Einfachheit
halber sind derartige Schaltungselemente, die Elemente mit kritischen
Abmessungen von 50 nm und weniger in komplexen Bauelementen enthalten
können,
nicht in 1b gezeigt. Wie zuvor erläutert ist,
wird auf Grund der komplexen Gestaltung elektronischer Schaltungen,
die in dem Halbleiterbauelement 100 eingerichtet sind,
auch ein komplexes Metallisierungssystem 120 typischerweise
erforderlich, das eine Vielzahl von Metallisierungsschichten aufweist, die übereinander
gestapelt sind, wobei der Einfachheit halber eine Metallisierungsschicht 130 und
eine Metallisierungsschicht 140 gezeigt sind. Z. B. weist die
Metallisierungsschicht 130 ein dielektrisches Material 131,
etwa ein dielektrisches Material mit kleinem ε, ein ULK-Material und dergleichen
auf, in welchem Metallleitungen und Kontaktdurchführungen 132 eingebettet
sind, die typischerweise auf Kupfer in Verbindung mit geeigneten
leitenden Barrierenmaterialien aufgebaut sind, um damit einen zuverlässigen Kupfereinschluss
zu erreichen. Zu beachten ist, dass nicht notwendigerweise jede
Metallisierungsschicht 120 ein empfindliches dielektrisches
Material mit kleinem ε enthält, da unterschiedliche
Metallisierungsebene unterschiedliche Leistungseigenschaften erfordern
können,
beispielsweise im Hinblick auf Strombelastung und die Signalausbreitungsverzögerung. Jedoch
sind in jedem Fall typischerweise mehrere Metallisierungsschichten
mit einem empfindlichen dielektrischen Material mit kleinem ε versehen,
wodurch die gesamte mechanische Stabilität verringert wird, wie zuvor
beschrieben ist. Die Metallisierungsschicht 140 repräsentiert
die „letzte” Metallisierungsschicht
und weist ein geeignetes dielektrisches Material 141 mit
Metallgebieten 142 auf, die Kontaktanschlussflächen zur
Anbindung an eine Kontaktstruktur oder eine Höckerstruktur 150 repräsentieren,
die eigentliche Schnittstelle für
das Verbinden des Bauelements 100 mit einem Gehäusesubstrat
(nicht gezeigt) repräsentiert.
Die Kontakt- oder Höckerstruktur 150 umfasst
typischerweise eine Passivierungsschicht 151, die somit
das Metallisierungssystem 120 „passiviert”, wobei
typischerweise mehrere dielektrische Materialien, etwa Siliziumdioxid,
Siliziumoxinitrid, Siliziumnitrid, verwendet werden, um die gewünschten
Eigenschaften im Hinblick auf die chemische und mechanische Stabilität zu erreichen.
Ein weiteres dielektrisches Material, etwa Polyimid 152 ist
auf dem Passivierungsmaterial 151 gebildet. Die Materialien 151 und 152 sind
so strukturiert, dass eine Öffnung 150a zumindest
zu einem Teil der Kontaktanschlussfläche 142 der letzten
Metallisierungsschicht 140 ausgerichtet ist. Wie zuvor
erläutert
ist, wird in komplexen Metallisierungssystemen, etwa dem System 120,
Kupfer vorzugsweise eingesetzt, das ggf. nicht kompatibel ist mit
gut etablierten Prozesstechniken und Materialien, die in komplexen
Metallisierungssystemen verwendet wurden, die auf der Grundlage
von Aluminium aufgebaut sind. Aus diesem Grunde wird häufig ein
weiteres Metallmaterial 153, das auch als Abschlussmetall
bezeichnet wird, in Form von Aluminium vorgesehen, um als eine Schnittstelle
zwischen dem empfindlichen Kupfermaterial der Anschlussfläche 142 und
dem Kontaktelement 110 zu dienen. Auf diese Weise können gut
etablierte Materialien und Techniken für die Herstellung des Kontaktelements 110 eingesetzt
werden, beispielsweise durch Bereitstellen effizienter Metallisierungssysteme
unterhalb des Höckers 154,
beispielsweise auf der Grundlage von Chrom, Kupfer, Wolfram und
dergleichen. Andererseits erfordert das Vorsehen von Aluminium als
das Abschlussmetall 153 zusätzliche Ressourcen zum Abscheiden,
Strukturieren und Reinigen des Bauelements 100 vor dem
eigentlichen Bilden des Kontaktelements 110. D. h., nach
der Herstellung des Metallisierungssystems 120 auf der
Grundlage gut etablierter Prozesstechniken wird das Passivierungsmaterial 151 abgeschieden
und strukturiert, woran sich das Abscheiden des Aluminiummaterials
anschließt,
das mit dem Abscheiden einer geeigneten Barrierenmaterialschicht, etwa
Titan, Titannitrid und dergleichen verbunden sein kann. Daraufhin
wird ein komplexer Strukturierungsprozess angewendet, etwa durch
Anwenden einer Ätzchemie
auf der Grundlage von Brom und dergleichen. Folglich müssen entsprechende
Vorstufenmaterialien und Abscheide- und Ätzanlagen für das Bereitstellen des Abschlussmetalls 153 verfügbar sein.
Daraufhin wird eine gut etablierter Prozesssequenz angewendet, um
das Polyimidmaterial 152 abzuscheiden und dieses zu strukturieren,
woran sich das Abscheiden der Höckerunterseitenmaterialien 154 anschließt. Danach
wird typischerweise eine Abscheidemaske aufgebracht und es wird
ein Lothöckermaterial
in Form eines bleienthaltenden Materials auf der Grundlage von Elektroplattiertechniken abgeschieden,
woran sich das Entfernen der Abscheidemaske und das Strukturieren
des Höckerunterseitenmaterials 154 anschließt. Nach
dem Separieren des Halbleiterbauelements 100 in die einzelnen
Chips 101, wir das Anbinden eines geeigneten Gehäusesubstrats
bewerkstelligt, indem das Bauelement 100 und das Gehäusesubstrat
mechanisch gekoppelt werden und indem das Kontaktelement 110 wieder
aufgeschmolzen wird, wodurch die gewünschte intermetallische Verbindung
zwischen dem Element 110 und der entsprechenden Kontaktanschlussfläche des
Gehäusesubstrats
hergestellt wird, das ebenfalls einen Lothöcker abhängig von der gesamten Prozessstrategie
aufweisen kann. Schließlich
wird ein geeignetes Füllmaterial
zwischen dem Chip 101, d. h. der Kontaktstruktur 150,
und dem Gehäusesubstrat
vorgesehen, um damit die mechanische, chemische und thermische Stabilität des Verbundbauelements
zu verbessern.
-
Wie
zuvor erläutert
ist, kann während
der Herstellung des Bauelements 100, während des Vorgangs des Verbindens
des Bauelements 100 mit einem Gehäusesubstrat und schließlich auch
während des
Betriebs des Verbundhalbleiterbauelements eine beträchtliche
mechanische Verspannung auf das Metallisierungssystem 120 über die
Kontaktstruktur 150, d. h. über die Kontaktelemente 110,
ausgeübt
werden, wobei ein gewisser Grad an Nachgiebigkeit der Kontaktelemente 110,
d. h. des bleienthaltenden Lotmaterials, zu einem gewissen Grad
an „Pufferwirkung” führt.
-
Bei
der Einführung
sogenannter bleifreier Lotmaterialien, etwa im Hinblick auf Umweltregularien
und dergleichen und auch im Versuch, das thermische und elektrische
Leistungsverhalten der Kontaktstruktur 150 weiter zu verbessern,
etwa durch Bereitstellen von Kupfersäulen anstelle der Kontaktelemente 110,
wird jedoch die mechanische Verspannung in dem Metallisierungssystem 120 noch
weiter verstärkt,
da diese Materialien typischerweise einen geringern Grad an Nachgiebigkeit
besitzen, wodurch deutlich größere Scherungskräfte in die
letzte Metallisierungsschicht 140 übertragen werden.
-
Folglich
wird in vielen konventionellen Vorgehensweisen die Erhöhung der
mechanischen Belastung des Metallisierungssystems 120 die
Verwendung von dielektrischen Materialien mit einer größeren mechanischen
Stabilität,
wodurch jedoch die Dielektrizitätskonstante
typischerweise erhöht
wird und wodurch somit das gesamte elektrische Leistungsverhalten
des Metallisierungssystems 120 verringert wird.
-
Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung
Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen eine Kontaktstruktur,
etwa eine Höckerstruktur
oder eine Säulenstruktur
auf der Grundlage eines bleifreien Materials bereitgestellt wird,
wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder
zumindest in deren Auswirkung reduziert werden.
-
Überblick über die Erfindung
-
Im
Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente
und Fertigungstechniken bereit, in denen die mechanische Verspannung, die über eine
Kontaktstruktur, die auf der Grundlage eines bleifreien Materials
hergestellt ist, in ein Metallisierungssystems eines komplexen integrierten Schaltungsbauelements übertragen
wird, entsprechend aufgenommen oder „gepuffert”, indem eine Pufferschicht
vorgesehen wird, die „dicke” Puffergebiete
mit größeren lateralen
Abmessungen enthält, auf
denen entsprechende Lothöcker
oder Metallsäulen
herzustellen sind. Auf diese Weise kann den Vorgang des Verbindens
eines Halbleiterchips mit einem Gehäusesubstrat und die während des
Betriebs des Verbundhalbleiterbauelements hervorgerufenen mechanischen
Verspannungen effizient über
im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Chips verteilt werden,
ohne dass spezielle Modifizierungen in dem Metallisierungssystem
erforderlich sind, beispielsweise ohne Verringerung der Menge an
dielektrischem Material mit kleinem ε, das darin vorgesehen ist.
In einigen anschaulichen offenbarten Aspekten wird die Pufferschicht
auf der Grundlage eines Kupfermaterials ohne Verwendung von Aluminium
hergestellt, wodurch das Erfordernis für Ressourcen vermieden wird,
wie sie typischerweise unter Anwendung von Aluminium als Abschlussmetall
erforderlich sind. Zu diesem Zweck wird das Puffergebiet so gebildet,
dass es mit entsprechenden Kontaktanschlussflächen der letzten Metallisierungsschicht
des Metallisierungssystems in Kontakt ist, wobei die größeren lateralen
vertikalen Abmessungen des Kupferkontaktgebiets für die gewünschte mechanische
Antwort auf eine thermische Fehlanpassung zwischen dem Halbleiterchip
und dem Chipgehäuse
sorgen.
-
Ein
anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein
Metallisierungssystem, das über
einem Substrat gebildet ist, wobei das Metallisierungssystem mit
mehreren Metallisierungsschichten enthält, wovon zumindest einige
ein dielektrisches Material mit kleinem ε enthalten. Das Halbleiterbauelement
umfasst ferner eine Verspannungspufferschicht, die über einer
letzten Metallisierungsschicht des Metallisierungssystems gebildet
ist, wobei die Verspannungspufferschicht ein pufferenthaltendes
Puffergebiet aufweist, das mit einer kupferenthaltenden Kontaktanschlussfläche in Verbindung steht,
die in der letzten Metallisierungsschicht des Metallisierungssystems
vorgesehen ist. Das Bauelement umfasst ferner ein bleifreies Kontaktelement, das
auf einem Teil des kupferenthaltenden Puffergebiets gebildet ist.
Des weiteren umfasst das Bauelement ein Gehäusesubstrat, das mit dem Metallisierungssystem über das
bleifreie Kontaktelement verbunden ist.
-
Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer
ersten Öffnung
in einer Passivierungsschicht, die über einem Metallisierungssystem
eines Halbleiterbauelements gebildet ist, wobei das Metallisierungssystems
eine letzte Metallisierungsschicht mit einer Kontaktanschlussfläche aufweist,
die zu der ersten Öffnung
ausgerichtet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer
Abscheidemaske über
der Passivierungsschicht, wobei die Abscheidemaske eine zweite Öffnung aufweist, die
zu der ersten Öffnung
justiert ist. Des weiteren tritt ein kupferenthaltendes Material
der ersten und der zweiten Öffnung gebildet
und die Abscheidemaske wird entfernt. Des weiteren umfasst das Verfahren das
Bilden eines Kontaktelements auf einem Teil des kupferenthaltenden
Materials.
-
Ein
noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft
die Herstellung eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst
das Bilden einer Passivierungsschicht über einer letzten Metallisierungsschicht
eines Metallisierungssystems, wobei die Passivierungsschicht mehrere
erste Öffnungen
aufweist, um eine Verbindung zu kupferenthaltenden Kontaktanschlussflächen herzustellen,
die in der letzten Metallisierungsschicht gebildet sind. Das Verfahren
umfasst ferner das Bilden einer Opferabscheidemaske über der
Passivierungsschicht, wobei die Opferabscheidemaske mehrere zweite Öffnungen
enthält,
um die mehreren ersten Öffnungen freizulegen.
Des weiteren werden mehrere lateral isolierte kupferenthaltende
Gebiete auf der Grundlage der ersten und zweiten Öffnungen
hergestellt. Die Opferabscheidemaske wird entfernt und es wird ein dielektrisches
Materialstapel über
den kupferenthaltenden Gebieten hergestellt. Des weiteren umfasst das
Verfahren das bilden mehrerer dritter Öffnungen im dem dielektrischen
Materialstapel, um zumindest einen Teil der ersten Öffnung freizulegen,
wobei eine laterale Größe der dritten Öffnungen
kleiner ist als eine laterale Größe der zweiten Öffnungen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird,
in denen:
-
1a schematisch
eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements mit einer Lothöckerstruktur zeigt,
die gemäß einer
gewünschten
Gestaltung darauf ausgebildet ist;
-
1b schematisch
eine Querschnittsansicht eines konventionellen Halbleiterbauelements zeigt,
das ein komplexes Metallisierungssystem und eine Höckerstruktur
auf der Grundlage von Aluminium als Abschlussmaterial einen bleienthaltenden Lotmaterial
enthält;
-
2a schematisch
eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements mit einer Kontaktstruktur
zur Anbindung an ein Gehäusesubstrat
zeigt, wobei eine gewünschte
Gestaltung in kupferenthaltenden Puffergebieten mit größeren lateralen
Abmessungen vorgesehen ist, um damit gemäß anschaulicher Ausführungsformen
die mechanische Verspannung zu verringern, die in das tiefer liegende
Metallisierungssystem übertragen
wird; und
-
2b bis 2i schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements aus 2a während diverser
Fertigungsphasen zeigen, wenn eine Kontaktstruktur hergestellt wird
und diese mit einem Gehäusesubstrat
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
verbunden wird.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende
detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen,
die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten
Ausführungsformen
einzuschränken, sondern
die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
-
Im
Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente
und Techniken bereit, in denen komplexe Metallisierungssystem mit
empfindlichen dielektrischen Materialien mit kleinem ε eine Höckerstruktur
oder eine Säulenstruktur
erhalten, die auf der Grundlage eines bleifreien Materials hergestellt
wird, wobei mechanische Verspannungen verringert werden, indem eine
geeignete Pufferschicht mit lateral isolierten Metallpuffergebieten
mit moderat großen
Abmessungen in der „vertikalen” und lateralen
Richtung vorgesehen wird. Folglich kann die resultierende mechanische
Verspannung durch ein großes
Volumen aufgenommen werden, das in der Verspannungspufferschicht
vorgesehen ist und Verspannung kann über im Wesentlichen die gesamte Chipoberfläche verteilt
werden.
-
In
diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, dass ein bleifreies
Material als eine Materialzusammensetzung zu verstehen ist, in der
Blei nicht in der stoichiometrischen Zusammensetzung des Materials
enthalten ist, so dass geringe Mengen an Blei, die unbeabsichtigt
in das betrachtete Material eingebaut sind, weniger als ungefähr 105 Atomprozent
im Hinblick auf die gesamte Materialzusammensetzung ausmachen. Beispielsweise
werden bleifreie Lotmaterialien in Form von Zinn und einer weiteren Mischung,
einer Zinn/Silber/Kupfer-Mischung und dergleichen bereitgestellt,
wobei eine Bleiverunreinigung kleiner ist als dies zuvor angegeben
ist. In ähnlicher
Weise wird auch ein Kupfermaterial als ein bleifreies Material bezeichnet,
wenn der Grad der Reinheit im Hinblick auf die Bleiverunreinigungen
kleiner ist als dies zuvor angegeben ist.
-
In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird das Metallisierungssystem in Verbindung mit einer Kontaktstruktur
ohne Verwendung von Aluminium vorgesehen, wodurch ein besseres elektrisches
Leistungsverhalten des Metallisierungssystems erreicht wird, wobei
zusätzlich
der Aufwand für Ressourcen
vermieden wird, die zum Herstellen und Strukturieren von Aluminiummaterial
benötigt
werden. Somit kann eine bessere Effizienz des gesamten Prozessablaufs
erreicht werden, wobei auch ein gewünschter hoher Grad an elektrischer
Leistungsfähigkeit
des Metallisierungssystems erreich wird, da mechanische Verspannung,
die durch die Wechselwirkung durch Chip und Gehäuse hervorgerufen wird, effizient
innerhalb des empfindlichen Metallisierungssystems verringert werden
kann.
-
Mit
Bezug zu den 2a bis 2i werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter
beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a und 1b verwiesen
wird.
-
2a zeigt
schematisch eine Draufsicht eines Teils eines Halbleiterbauelements 200,
wobei der Einfachheit halber ein einzelnes Chipgebiet 201 oder ein
Substratbereich in Verbindung mit einer entsprechenden Konfiguration
von Kontaktelementen, etwa Lothöckerelementen,
Metallsäulen
und dergleichen dargestellt ist. Der Einfachheit halber ist die
grundlegende Gestaltung der Kontaktelemente 210 so gewählt, dass
die gleich ist zu dem konventionellen Bauelement 100, wie
es zuvor mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben
ist. Des weiteren umfasst das Bauelement 200 eine Verspannungspufferschicht 260,
in der mehrere Puffergebiete 265 in Form von Metallgebieten
vorgesehen sind, wobei die laterale Größe, d. h. die Oberfläche, der
Puffergebiete größer ist
im Vergleich zu der lateralen Größe der Kontaktelemente 210.
Beispielsweise ist in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Oberfläche der
Puffergebiete 265 zumindest zwei mal so groß wie die
Oberfläche
der Kontaktelemente 210. Auf diese Weise kann eine mechanische
Spannungskomponente, die über
die Kontaktelemente 210 übertragen wird, effizient von
der Verspannungspufferschicht 260 aufgenommen und über einen
großen Bereich
des gesamten Chips 201 verteilt werden. Beispielsweise
kann die laterale Größe der Puffergebiete 265 regelmäßig für Kontaktelemente 210 sein, während in
anderen Fällen
die Kontaktgebiete 265 in der lateralen Größe an eine
spezielle Position eines Kontaktelements innerhalb des Chips 201 angepasst sind.
Beispielsweise ist, wie für
ein Kontaktgebiet 265a gezeigt ist, eine laterale Abmessung
in einer Richtung, die als Y bezeichnet ist, größer, um einen größeren Oberflächenbereich
des Chips abzudecken. Andererseits ist die laterale Erstreckung
in der X-Richtung
durch einen gewünschten
Mindestisolationsabstand zwischen benachbarten Kontaktgebieten 265 beschränkt. Beispielsweise
wird ein lateraler Abstand zwischen zwei benachbarten Kontaktgebieten, etwa
den Gebieten 265, 265a auf ungefähr 5 μm oder weniger,
etwa 1 μm
und weniger eingestellt, wodurch eine sehr effiziente Abdeckung
des Oberflächenbereichs
des Chips 201 durch die Puffergebiete 265 erreich
wird. Wie nachfolgend detaillierter erläutert ist, können entsprechende
Isolationsgräben 266 mit
einem geeigneten dielektrischen Material, etwa Siliziumnitrid, Polyimid
und dergleichen gefüllt
werden.
-
2b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements 200 entlang
des Schnittes IIb aus 2a. Wie gezeigt, umfasst das
Bauelement 200 ein Substrat, das auch als Basismaterial 201 bezeichnet
werden kann, in und über
welchem Schaltungselemente nach Bedarf ausgebildet sind. Ferner
ist ein Metallisierungssystem 220 über dem Substrat 201 ausgebildet
und weist mehrere gestapelte Metallisierungsschichten auf, wie dies
auch zuvor mit Bezug zu dem Metallisierungssystem 120 des Bauelements 100 beschrieben
ist, wenn auf die Metallisierungsschichten 130 und 140 verwiesen
wurde (siehe 1b). Zu beachten ist, dass das
Metallisierungssystems 220 einem beliebigen geeigneten
Aufbau aufweist, wobei jedoch eine entsprechende Anpassung im Hinblick
auf das Verringern der Menge an dielektrischem Material mit kleinem ε nicht erforderlich
ist, wenn die Kontaktelemente 210 (siehe 2a)
auf der Grundlage eines bleifreien Materials hergestellt werden.
Der Einfachheit halber ist lediglich die letzte Metallisierungsschicht 240 des
Metallisierungssystems in 2b gezeigt,
die ein geeignetes elektrisches Material 241 und Metallgebiete 242 aufweist,
die aus einem geeigneten leitenden Metall, etwa Kupfer, Silber und
dergleichen aufgebaut sind, möglicherweise
in Verbindung mit geeigneten leitenden Barrierenmaterialien, etwa
Tantal, Tantalnitrid und dergleichen. Zu beachten ist, dass die
Metallgebiete 242 in 2b so
gezeigt sind, dass sie entsprechende Kontaktanschlussflächen repräsentieren,
um eine Verbindung zu Kontaktelementen 210 (siehe 2a)
herzustellen, die noch zu bilden sind. Ferner ist eine Passivierungsschicht 250,
die in Form eines Schichtstapels mit Materialschichten 251a, 251b bereitgestellt
werden kann, auf der Metallisierungsschicht 240 ausgebildet
und enthält Öffnungen 241c, 241d,
um einen Teil der Kontaktanschlussflächen 242 freizulegen.
Die dielektrischen Materialien 251a, 251b und andere
Materialschichten sind so hergestellt, dass sie den Erfordernissen
im Hinblick auf das Passivieren der Schicht 240 genügen. Beispielsweise
wird Siliziumnitrid für
die Schicht 251a eingesetzt, woran sich ein Siliziumoxidmaterial
oder ein Siliziumoxinitridmaterial anschließt, während in anderen Fällen eine
andere Zusammensetzung des Schichtstapels 251 angewendet
wird.
-
Das
in 2b gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann
auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Fertigungstechniken
zur Herstellung von Schaltungselementen und zur Ausbildung des Metallisierungssystems 220 mit
der gewünschten
geringen gesamten Signalausbreitungsverzögerung hergestellt werden,
wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist.
Nach dem Vorsehen der letzten Metallisierungsschicht 240 wird somit
die Passivierungsschicht 251 auf der Grundlage einer geeigneten
Abscheidetechnik hergestellt, woran sich ein Lithographieprozess
zur Bildung einer Ätzmaske
(nicht gezeigt) und zum Strukturieren der Schicht 251 durch
Verwendung gut etablierter Rezepte anschließt.
-
2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine Barrierenschicht 256 über der
Passivierungsschicht 251 und in den Öffnungen 251c, 251d gebildet
ist. Die Schicht 256 besitzt eine geeignete Materialzusammensetzung,
um einen gewünschten
Grad an Haftung eines Metalls zu ermöglichen, das über der
Passivierungsschicht 251 zu bilden ist, und um auch für die gewünschten
elektrischen Eigenschaften, etwa die Leitfähigkeit zu den Kontaktanschlussflächen 242 zu
sorgen. Ferner dient in einigen anschaulichen Ausführungsformen die
Schicht 256 als eine Stromverteilungsschicht während eines
elektrochemischen Abscheidens eines Metalls der Puffergebiete 265 (siehe 2a),
die noch zu bilden sind. Beispielsweise kann Kupfer in Verbindung
mit anderen Materialien, etwa Chrom, Tantal, Wolfram und dergleichen
effizient eingesetzt werden. Bei jedes dieser Materialien typischerweise während der
Halbleiterherstellung verwendet wird, sind entsprechende Abscheideanlagen
und Vorstufenmaterialien gut verfügbar. Die Materialschicht 256 wird
mit einer Dicke von ungefähr
50 bis mehrere 100 nm abhängig
von den gesamten Bauteilerfordernissen bereitgestellt.
-
2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer Abscheidemaske 202,
etwa einer Lackmaske, die die laterale Größe der Puffergebiete 265 (siehe 2a)
festlegt und auch zum Abdecken von Bauteilbereichen verwendet wird,
in denen entsprechende Puffergebiete nicht erwünscht sind. Wie beispielsweise
gezeigt ist, kann ein Schneidelinienbereich 203 für das Herstellen
einer Verspannungspufferschicht ausgeschlossen werden und somit
wird dieser Bereich durch die Abscheidemaske 202 bedeckt.
Somit kann die Abscheidemaske 202 entsprechende Öffnungen 202c, 202d definieren,
die zu den Öffnungen 251c, 251d ausgerichtet
sind, wobei laterale Abmessungen der Öffnungen 202c, 202d deutlich
größer gewählt sind
im Vergleich zu den Öffnungen 251c, 251d,
um in geeigneter Weise die laterale Größe der Puffergebiete 265 in 2a zu
definieren. Die Abscheidemaske 202 kann auf der Grundlage
gut etablierter Lithographietechniken strukturiert werden.
-
2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines
Abscheideprozesses 204, etwa bei einem elektrochemischen
Abscheideprozess, d. h. einem Elektroplattierprozess, einem stromlosen
Plattierprozess, oder einer Kombination davon, um ein gewünschtes
gut leitendes Metall, etwa Kupfer, Silber und dergleichen aufzubringen. Wie
zuvor erläutert
ist, kann es vorteilhaft sein, ein Metall zu verwenden, das auch
in dem Metallisierungssystem 220 eingesetzt wird, da entsprechende Abscheideanlagen
und Materialreassourcen gut verfügbar
sind. In einer anschaulichen Ausführungsform wird Kupfermaterial
aufgebracht, wodurch die Puffergebiete 265 mit den gewünschten
lateralen Abmessungen hergestellt werden, wie sie durch die Abscheidemaske 202 festgelegt
sind. Des weiteren ist eine Dicke des Metallmaterials und somit
der Puffergebiete 265 „dick”, d. h. eine Dicke beträgt ungefähr 3 μm und mehr.
Z. B. wird in anschaulichen Ausführungsformen
die Dicke 265t im Bereich von ungefähr 3 μm bis 10 μm eingestellt. Durch das Vorsehen
einer größeren Dicke über der
letzten Metallisierungsschicht 240 wird somit dem Metallisierungssystem 220 eine
höhere
mechanische Stabilität
im Hinblick auf eine mechanische Verspannung verliehen, die durch
die Wechselwirkung zwischen dem Chip 201 und einen Gehäusesubstrat,
das noch daran zu befestigen ist, hervorgerufen wird. Das moderat
große Metallvolumen,
das durch die Puffergebiete 265 erreicht wird, kann ebenfalls
für eine
bessere Wärmeabfuhrfähigkeit
sorgen, was zu einer geringeren thermisch hervorgerufenen mechanischen
Verspannung führt.
Des weiteren wird eine bessere Abschirmwirkung, etwa in Hinblick
auf Hochenergieteilchen, etwa kosmische Strahlung, Mikrowellenstrahlung
und dergleichen, erreicht. Der Abscheideprozess 204 kann auf
der Grundlage eines geeigneten Prozessrezepts ausgeführt werden,
wie es auch während
der Herstellung der Metallisierungsschicht des Metallisierungssystems 220 angewendet
wird.
-
2f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während einer
Prozesssequenz 205, um die Abscheidemaske 202 (siehe 2d)
zu entfernen und um auch ein freiliegenden Bereich der leitenden
Barrierenschicht 256 abzutragen. Folglich wird der Isoliergraben 266 zuverlässig zwischen
den Puffergebieten 265 erzeugt, wobei eine Breite 266w somit
den lateralen Abstand zwischen benachbarten Gebieten 265 festlegt.
Beispielsweise wird die Breite 266w in einem Bereich von
ungefähr
5 μm und
weniger, etwa 1 μm
und weniger, gehalten, wodurch ein hoher Grad an Abdeckung des Metallisierungssystems 220 durch
die Puffergebiete 265 erreicht wird. Die Prozesssequenz 205 kann
auf der Grundlage beliebiger geeigneter Prozesstechniken ausgeführt werden,
beispielsweise durch Entfernen von Lackmaterial auf der Grundlage
plasmaunterstützter Ätzprozesse,
nasschemischer Ätzprozesse,
woran sich das Entfernen des freiliegenden Teils der Schicht 256 anschließt, was
mittels Sputter-Ätztechniken,
nasschemischen Ätzprozessen
und dergleichen abhängig von
der Zusammensetzung der Schicht 256 gelingt. Zu beachten
ist, dass ein gewisser Grad an Materialerosion der Gebiete 265 auf
Grund der moderat großen
Dicke und den lateralen Abmessungen nicht kritisch ist.
-
2g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer dielektrischen
Schicht 257, die auf Puffergebieten 265 und den
Isoliergraben 266 isoliert ist, wodurch ein zuverlässiger Einschluss
des Materials der Gebiete 265 erreicht wird und wodurch auch
eine zuverlässige
elektrische Isolierung der einzelnen Puffergebiete 265 erreicht
wird. Beispielsweise wird ein geeignetes dielektrisches Zwischenschichtmaterial
verwendet, etwa Siliziumnitrid, das auf der Grundlage gut etablierter
Abscheidetechniken, etwa plasmaunterstützter CVD, und dergleichen,
aufgebracht wird.
-
2h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement in einer weiter fortgeschrittenen
Fertigungsphase, in der ein weiteres dielektrisches Material, etwa
Polyimid 252 über
dem dielektrischen Material 257 und in dem Isoliergraben 266 gebildet
ist. Somit bilden die Puffergebiete 265 in Verbindung mit
den dielektrischen Materialien, die in dem Isoliergraben 266 vorhanden
sind, die Verspannungspufferschicht 260, die für die gewünschten
mechanischen Eigenschaften sorgt. Ferner können Öffnungen 250a so gebildet
sein, dass diese zu den Kontaktanschlussflächen 242 mit einer
geeigneten lateralen Größe ausgerichtet
sind, wie dies zur Herstellung von Höckerstrukturen, Metallsäulen und
dergleichen gemäß dem gesamten
Gestaltungsaufbau erforderlich ist, wie dies in 2a gezeigt
ist. Das Material 252 wird auf der Grundlage gut etablierter
Prozesstechniken bereitgestellt und die Strukturierung wird mittels
Lithographie auf der Grundlage von Prozessparametern bewerkstelligt,
wie sie typischerweise in konventionellen Prozesstechniken eingesetzt
werden. Daraufhin wird das Material 252 als eine Ätzmaske
verwendet, um einen Teil der Puffergebiete 265 in den Öffnungen 250a freizulegen.
Zu diesem Zweck wird ein beliebiges geeignetes plasmaunterstütztes Ätzrezept,
ein nasschemisches Ätzrezept,
und dergleichen angewendet.
-
2i zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der das Kontaktelement 210 in
der Öffnung 250a,
etwa in Form eines Lothöckers,
gebildet ist, der wiederum auf der Grundlage eines bleifreien Lotmaterials
hergestellt ist, wie dies auch zuvor erläutert ist. Bei Bedarf wird
ein zusätzliches
Barrierenmaterial 211 zwischen dem Kontaktelement 210 und
dem Puffergebiet 265 vorgesehen, wenn ein direkter Kontakt
als ungeeignet erachtet wird. In diesem Falle wird eine ähnliche
Prozessstrategie wie in konventionellen Strategien angewendet, indem
das Material 211 vorgesehen wird, eine Abscheidemaske gebildet
wird, Material des Kontaktelements 210 aufgebracht wird,
die Abscheidemaske entfernt wird und das Material 211 dann
strukturiert wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen, wie dies für das Element 210 in
gestrichelter Linie angegeben ist, wird eine Metallsäule vorgesehen,
eine Kupfersäule,
die direkt auf dem Gebiet 265 gebildet wird, indem eine geeignete
Abscheidemaske möglicherweise
in Verbindung mit einer kupferbasierten Saatschicht bei Bedarf angewendet
wird. Daher kann eine Vielzahl an gut etablierten Prozesstechniken
angewendet werden, um die Kontaktelemente 210, 210a bereitzustellen.
Es wird ein Gehäusesubstrat 270 mit
einer geeigneten Gestaltung von Kontaktanschlussflächen 271 bereitgestellt,
die mit den Elementen 210, 210a gemäß gut etablierter
Verbindungstechniken in Kontakt gebracht werden. Zu beachten ist,
dass die Kontaktanschlussflächen 271 einen
beliebigen geeigneten Aufbau besitzen, beispielsweise ein Lotmaterial, ein
Kupfermaterial und dergleichen, um damit eine intermetallische Verbindung
mit dem Kontaktelement 210 zu erzeugen.
-
Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente
und Fertigungstechniken bereit, in denen eine Kontaktstruktur auf
der Grundlage bleifreier Materialien mit besseren verspannungsverteilenden
Eigenschaften bereitgestellt wird, indem eine Verspannungspufferschicht
mit mehreren Puffergebieten mit größerer lateraler Größe und einer
Dicke im Bereich von 3 bis 10 μm
vorgesehen wird. Somit kann eine mechanische Verspannung, die während der
Verbindung eines Halbleiterchips mit einem Gehäusesubstrat und danach durch
den Betrieb des Verbundhalbleiterbauelements hervorgerufen wird, effizient über einen
großen
Oberflächenbereich
verteilt werden. Folglich können
ausgeprägte
Modifizierungen, beispielsweise die Verringerung der Menge an empfindlichen
dielektrischen Materialien mit großem ε, wie sie typischerweise inden
konventionellen Strategien erforderlich sind, vermieden werden,
wodurch ein besseres Leistungsverhalten des Metallisierungssystems
ermöglicht
wird. Ferner liefert die ausgeprägte
Abdeckung des Metallisierungssystems durch die Puffergebiete ein
besseres thermisches Verhalten und eine bessere Abschirmwirkung,
wodurch eine effiziente Anwendung in kritischen Umgebungsbedingungen
möglich
ist.
-
Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient
diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem
Fachmann die allgemeine Art und Weise vermitteln, in der die hierin
offenbarten Prinzipien ausgeführt
werden. Zu beachten ist, dass die hierin gezeigten und beschriebenen
Formen als die geenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten sind.