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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau zur elektrischen Kontaktierung von Halbleiterbauelementen mit integrierten Schaltungselementen und integrierten Anschlussleitungen für die Schaltungselemente. Dieser Schichtaufbau umfasst mindestens eine Edelmetallschicht und mindestens einen ohmschen Kontakt zwischen der Edelmetallschicht und einer integrierten Anschlussleitung. In der Edelmetallschicht ist mindestens eine Bondinsel ausgebildet. Außerdem ist die Edelmetallschicht durch mindestens eine dielektrische Schicht gegen das Substrat des Halbleiterbauelements elektrisch isoliert.
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Bei Halbleiterbauelementen, die in sogenannten „harsh environments” eingesetzt werden, sind die an der Bauelementoberfläche ausgebildeten Bondinseln sowie die zur elektrischen Kontaktierung verwendeten Bonddrähte extremen Umweltbedingungen ausgesetzt, wie z. B. besonders hohen oder niedrigen Drücken, besonders hohen oder niedrigen Temperaturen und/oder chemisch aggressiven Medien.
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Als Beispiel für eine derartige Anwendung sei hier die Verwendung von Drucksensorelementen zur Überwachung des Rußpartikelfilters eines Kraftfahrzeugs genannt. Dazu werden die Drucksensoren im Abgasstrang des Kraftfahrzeugs vor und hinter dem Rußpartikelfilter angeordnet. Anhand des Differenzdrucks kann die Beladung des Rußpartikelfilters bestimmt werden und das Freibrennen des Filters geregelt werden.
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Eine Korrosion der Bondinseln und Bonddrähte beeinträchtigt die elektrische Kontaktierung eines Halbleiterbauelements und damit seine Funktionalität. Um dies zu vermeiden werden in der Praxis zur Kontaktierung von Halbleiterbauelementen, die für den Einsatz in aggressiven Messmedien bestimmt sind, meist Bondinseln und Bonddrähte aus Gold verwendet. Ergänzend dazu werden die Kontaktbereiche auch häufig vergelt, was allerdings die möglichen Verpackungsformen für das Halbleiterbauelement limitiert. Außerdem können sich die Materialeigenschaften der verwendeten Gele durch Alterung verändern, wodurch deren Schutzwirkung in der Regel nachlässt.
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In der
EP 1 760 442 A2 wird ein Schichtaufbau zur elektrischen Kontaktierung eines piezoresistiven Drucksensorelements beschrieben, das ausgehend von einem Siliziumsubstrat realisiert wurde. Die Piezowiderstände sind zusammen mit Anschlussleitungen in die Substratoberfläche integriert. Zum Schutz der Schaltungselemente wurde die Substratoberfläche passiviert. Dazu wurde eine Siliziumdioxidschicht als erste Passivierungsschicht auf der Substratoberfläche erzeugt und darüber eine zweite Passivierungsschicht in Form einer Siliziumnitrid oder -carbidschicht. Die elektrische Kontaktierung des Sensorelements erfolgt hier über eine Öffnung in den beiden Passivierungsschichten im Bereich der Anschlussleitung. Dafür wurde eine ohmsche Kontaktschicht aus Platinsilizid oder Tantalsilizid in der Oberflächendotierung der Anschlussleitung erzeugt. Darüber befindet sich eine dichte Tantal- oder Niobschicht, die als elektrisch leitende Haftschicht für eine Edelmetallschicht fungiert. Die Bondinseln zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements sind in dieser Edelmetallschicht ausgebildet. Dementsprechend erstrecken sich die Haftschicht und die Edelmetallschicht über den Öffnungsbereich der Passivierungsschichten, in dem die ohmsche Kontaktschicht ausgebildet ist, bis über die Bereiche der Bauteiloberfläche, in denen Bondpads angeordnet werden sollen.
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Dieser Schichtaufbau erweist sich beim Einsatz des Halbleiterbauelements in einer chemisch aggressiven Umgebung in mehrerlei Hinsicht als problematisch. So können bei Temperaturen oberhalb von 150°C Schädigungen der Tantal- oder Niob-Haftschicht auftreten, die sogar zum Ausfall des Bauelements führen können. Außerdem bildet die Edelmetallschicht zusammen mit der elektrisch leitfähigen Tantal- oder Niob-Haftschicht in einem chemisch aggressiven Medium eine galvanisch Zelle, wenn die Tantal- oder Niob-Haftschicht an irgend einer Stelle der Bauteiloberfläche, beispielsweise im Randbereich des Schichtaufbaus oder aufgrund von Schichtdefekten, mit dem Medium in Kontakt tritt. Die dabei auftretende Umwandlung von chemischer in elektrische Energie wirkt sich ebenfalls beeinträchtigend auf die Funktionsfähigkeit des Bauteils aus.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Schichtaufbau zur elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements vorgeschlagen, der sich besonders für den Einsatz in einer chemisch aggressiven Umgebung und bei hohen Temperaturen, also in sogenannten „harsh-environments”, eignet und dabei einfach zu realisieren ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Edelmetallschicht unmittelbar, also ohne eine elektrisch leitende, als Haftschicht fungierende Zwischenschicht, auf die ohmsche Kontaktschicht aufgebracht wird.
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Da der Schichtaufbau erfindungsgemäß ausschließlich Edelmetalle zur elektrischen Kontaktierung umfasst, wird eine besonders hohe Medienresistenz erreicht, so dass auf eine zusätzliche Vergelung verzichtet werden kann. Außerdem kann sich in dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schichtaufbau auch keine galvanische Zelle ausbilden.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus zur elektrischen Kontaktierung eins Halbleiterelements, solange auf die Anordnung einer elektrisch leitfähigen, aber nicht aus einem Edelmetall bestehenden Haftschicht zwischen dem ohmschen Kontakt und der Edelmetallschicht, in der die Bondinseln ausgebildet sind, verzichtet wird.
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Bei Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis, bei denen die Schaltungselemente und die Anschlussleitungen in einem Siliziumsubstrat integriert sind, erweist es sich als vorteilhaft, den ohmschen Kontakt in Form eines Platinsilizidbereichs innerhalb eines hochdotierten Oberflächenbereichs der Anschlussleitung zu realisieren. Zum einen ist der Kontaktwiderstand bei dieser Variante besonders niedrig. Zum anderen lässt sich ein derartiger ohmscher Kontakt auch einfach herstellen. Dazu wird zunächst eine Platinschicht auf die dotierte Substratoberfläche aufgebracht. In einem anschließenden Temperschritt bildet sich dann an der Grenzfläche zwischen dem hochdotierten Silizium und dem Platin Platinsilizid. Bei dieser Prozessfolge zur Herstellung eines ohmschen Kontakts bietet es sich an, die bereits vorhandene Platinschicht auch zur externen elektrischen Kontaktierung zu nutzen und dazu Bondinseln innerhalb dieser Platinschicht auszubilden.
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Medienresistente Bondverbindungen werden in der Praxis häufig mit Hilfe von Golddrähten und sogenannten Gold-Bondballs hergestellt. Derartige Gold-Bondverbindungen haften besonders gut auf Bondinseln mit einer Goldoberfläche. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Platinschicht deshalb mit einer Goldbeschichtung versehen, die dann zusammen mit der Platinschicht strukturiert wird, um Bondinseln mit einer Goldoberfläche auszubilden. In diesem Fall wirkt die Platinschicht auch als Diffusionsbarriere gegen das Eindringen von Gold in die Substratoberfläche.
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Bei Applikationen, bei denen ein Eindringen von Gold in das Substrat weniger kritisch ist, kann auch ganz auf die Platinschicht verzichtet werden. In diesem Fall besteht die Metallisierung der Bondinseln lediglich aus einer Goldschicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Schichtaufbaus zur elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements,
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Schichtaufbaus zur elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements, und
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Schichtaufbaus zur elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In allen drei Figuren ist lediglich der Anschlussbereich eines Halbleiterbauelements dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein mikromechanisches Sensorelement oder auch um ein elektronisches Bauelement mit einer anderen Funktionalität handeln. Diese Bauelemente wurden jeweils ausgehend von einem Siliziumsubstrat 1 realisiert und umfassen integrierte Schaltungselemente, wie z. B. Piezowiderstände, mit ebenfalls integrierten Anschlussleitungen. In den 1 bis 3 ist jeweils ein Kontaktbereich 2 einer solchen Anschlussleitung dargestellt. Der Kontaktbereich 2 ist als hoch dotierter Bereich in der Substratoberfläche ausgebildet. Er weist Dotierstoffkonzentrationen größer 1E20 auf. Bei allen drei Ausführungsbeispielen wurde die Substratoberfläche zunächst mit einer ersten dielektrischen Schicht 3 passiviert. Dabei handelt es sich typischerweise um eine Siliziumoxidschicht. Auf diese erste dielektrische Schicht 3 wurde eine zweite dielektrische Schicht 4 aus Siliziumnitrid aufgebracht, die hier nicht nur als Passivierung sondern auch als dielektrische Haftschicht fungiert. Lediglich über dem Kontaktbereich 2 wurde das dielektrische Material der Schichten 3 und 4 wieder entfernt, um hier einen ohmschen Kontakt auszubilden. Dazu wurde eine Platinschicht 6 über der Öffnung in den Schichten 3 und 4 abgeschieden. In einem anschließenden Temperschritt hat sich dann an der Grenzfläche zwischen der Platinschicht 6 und dem hochdotierten Silizium des Kontaktbereichs 2 Platinsilizid 5 gebildet, das einen niederohmigen Anschluss an das Substrat 1 sicherstellt.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Platinschicht 6 dann strukturiert, um eine Bondinsel 61 für einen Gold-Drahtbond 8 auszubilden, die rechts neben dem Kontaktbereich 2 auf der Bauteiloberfläche angeordnet ist. Der Golddraht wird hier direkt auf die Platinoberfläche gebondet.
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Zum mechanischen Schutz und auch als Schutz gegen Feuchtigkeit wurde die Bauteiloberfläche dann noch mit einer geschlossenen Passivierung 7, beispielsweise in Form einer Siliziumnitridschicht, versehen.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass – je nach Anwendung und Einsatzort des Halbleiterbauelements – auch auf eine derartige Passivierung verzichtet werden kann oder statt dessen eine Vergelung der Bauteiloberfläche vorgenommen werden kann.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde auf die Platinschicht 6 eine zusätzliche Goldschicht 9 aufgebracht. Die Platinschicht 6 und die Goldschicht 9 wurden dann in einem Ätzschritt strukturiert, um eine Bondinsel 91 mit einer Goldoberfläche auszubilden. Die Bondverbindung zwischen der Bondinsel 91 und dem Gold-Drahtbond 8 ist dadurch wesentlich stabiler als im Fall der 1.
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In 3 ist eine Kontaktierungsvariante dargestellt, bei der gänzlich auf die Platinschicht verzichtet wurde. Hier wurde das überschüssige Platin nach der Ausbildung des Platinsilizid-Kontakts 5 im hochdotierten Kontaktbereich 2 entfernt. Statt dessen wurde eine Goldschicht 9 über dem Platinsilizid-Kontakt 5 abgeschieden und strukturiert, um eine Bondinsel 81 aus Gold für den Gold-Drahtbond 8 zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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