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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Halbleiterbauteil, das eine erhöhte Resistenz gegen strahlungsinduzierte
Fehlfunktionen aufweist und betrifft insbesondere ein Halbleiterbauteil
mit einer reduzierten Eindringrate für Alpha-Teilchen.
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Die stetig abnehmenden Strukturgrößen in modernen
integrierten Schaltungen ermöglichen
die Herstellung elektronischer Bauteile, die eine komplexe Funktionalität in einem äußerst kleinen
Volumen aufweisen. Daher werden moderne integrierte Schaltungen
zunehmend in allen Arten von elektronischen Geräten als datenverarbeitende
Einheiten oder als Speichermedien verwendet, unabhängig davon,
ob das Gerät
ein Alltagsprodukt, etwa ein Personalcomputer, oder ein Gerät ist, das
auf dem Gebiet der Medizin, der Technik oder der Wissenschaft eingesetzt wird.
Unter dieser Vielzahl möglicher
Anwendungen von integrierten Schaltungen erfordern gewisse kritische
Anwendungen, beispielsweise die Datenverarbeitung in Fahrzeugen,
in medizinischen Geräten und
dergleichen, äußerst zuverlässige Halbleiterbauelemente,
etwa Chips mit logischen und/oder Speicherfunktionen, um eine schwerwiegende
Fehlfunktion des Halbleiterbauelements und beliebiger dazu verbundener
peripherer Bauelemente zu vermeiden. Auf Grund der ständig abnehmenden
Strukturgrößen moderner
integrierter Schaltungen erweist sich jedoch die strahlungsinduzierte
Ladungsträgererzeugung
in Halbleiterbauteilelementen zunehmend als eine mögliche Fehlerquelle
für das
Bauteil, wodurch die Zuverlässigkeit
beeinträchtigt
wird oder wodurch sogar ein vollständiger Ausfall bewirkt wird
und damit eine Anwendbarkeit des Bauteils eingeschränkt wird.
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Das Problem der strahlungsinduzierten
Ladungsträgererzeugung
wird mit abnehmender Versorgungsspannung, die in modernen integrierten Schaltungen
angewendet wird, die vorzugsweise in tragbaren Geräten eingesetzt
werden, zunehmend verschärft.
Hochenergetische Partikel, die in das Halbleiterbauteil eindringen,
können
eine Vielzahl von Elektron-Loch-Paaren erzeugen, die dann in ladungsträgerempfindliche
Bereiche eindringen und Bauteilausfälle bewirken können und/oder
die sich in ladungsempfindlichen Gebieten des Halbleiterbauelements,
beispielsweise in Dielektrika von Speicherkapazitäten oder
in Gateisolationsschichten von MOS-Transistoren ansammeln können. Im
zuletzt genannteren Falle kann eine deutliche Abweichung der Schwellwertspannung
des Transistorbauelements erzeugt werden, wohingegen eine angesammelte
Ladung in einer Speicherkapazität
zu einem geänderten
logischen Zustand der Kapazität
führen kann,
woraus sich ein Fehler beim Auslesen des Speicherinhalts ergibt,
was auch als „weicher" Fehler bezeichnet
wird.
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Es hat sich gezeigt, dass eine wesentliche Quelle
strahlungsinduzierter Ladungsträgererzeugung
das Aussenden von Alpha-Teilchen von Materialien ist, aus denen
die Halbleiterbauteilelemente aufgebaut sind, oder die zum Zusammenbau
und für das
Gehäuse
verwendet werden. Insbesondere können
Bauelemente, die unter Anwendung einer Vielzahl von Löthöcker in
Gehäuse
eingebaut werden, im Allgemeinen einen großen Anteil an Blei aufweisen. Blei,
das für
gewöhnlich
für standardmäßige Lötmaterialien
verwendet wird, enthält
das Bleiisotop 210 Pb, das einen β-Zerfall
ausführt
und ein unstabiles Wismut 210 Bi-Isotop
und ein Polonium Po-Isotop bildet, das dann wiederum in stabiles
Blei 206Pb zerfällt, wobei Alpha-Teilchen mit
einer Energie von ungefähr 5.4
MeV ausgesendet werden. Alpha-Teilchen, die sich bei Zerfall eines
Bleiisotops 210 in Richtung ladungsempfindlicher Bereiche des Halbleiterbauteils bewegen,
erzeugen eine besonders große
Menge zusätzlicher
Ladungsträger
auf Grund des großen Absorptionsquerschnittes
für Alpha-Teilchen
in Materie.
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US
5,965,945 richtet sich an die Problematik von Alpha-Teilchen,
die im Inneren durch den Zerfall von
210Pb-Isotopen,
die in den Löthöckern enthalten sind,
erzeugt werden und schlägt
eine verbesserte Löthöckerzusammensetzung
vor, in der eine dünne Bleischicht
mit geringem Alpha-Teilchenanteil über Bauteilen, die für Alpha-Teilchen
sensitiv sind, abgeschieden wird, während gewöhnliches, d. h. kostengünstiges
Blei, für
den Hauptteil des Löthöckers verwendet
wird. Obwohl dieser Ansatz es ermöglicht, in effizienter Weise
die von dem kostengünstigen
Blei ausgesandten Teilchen zu absorbieren, ist das Bereitstellen
von Blei mit geringem Alpha-Teilchenanteil teuer und es ist schwierig
während
des Verflüssigens des
Löthöckers bei
der Bildung eines Lötballs,
das Mischen des Bleis mit geringem Alpha-Anteil und des kostengünstigen
Bleis zu vermeiden.
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US
6,043,429 offenbart einen Flip-Chip und ein Flip-Chip-Gehäuse, die
von Alpha-Teilchen
abgeschirmt sind, indem die Löthöcker mit
einer Schicht aus Alpha-Teilchen absorbierenden Material beschichtet
sind, oder indem eine geeignete Menge Alpha-Teilchen absorbierendes Material in
dem Füllmaterial
zwischen dem Flip-Chip und dem Gehäusesubstrat vorgesehen ist.
In dieser Anordnung wird das Eindringen von Alpha-Teilchen deutlich
reduziert, wobei jedoch das Eindringen von Alpha-Teilchen, die im
Inneren durch den Zerfall von alphaaktiven Isotopen erzeugt werden
und die sich direkt von dem Löthöcker in
die darunter liegenden Bauteilgebiete bewegen, nicht in effizienter
Weise unterbunden werden kann.
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Mit Bezug zu 1 wird die Problematik des Eindringens
hochenergetischer Teilchen in ladungsträgerempfindliche Gebiete nunmehr
detaillierter beschrieben, wobei ein typisches konventionelles Halbleiterbauelement
mit beispielsweise MOS-Transistoren oder Speicherkapazitäten, beschrieben
wird.
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In 1 umfasst
ein Halbleiterbauelement 100 ein Substrat 101,
das ein oder mehrere funktionale Elemente (nicht gezeigt) aufweist,
die für
strahlungsinduzierte Ladungsträger
sensibel sind. Eine Kontaktfläche 103 ist über dem
Substrat 101 gebildet und ist typischerweise in elektrischer
Verbindung mit dem funktionalen Element. Die Anschlussfläche 102 ist
elektrisch durch eine erste Isolierschicht 103 und eine
zweite Isolierschicht 104 isoliert. Auf der Kontaktfläche 102 und
teilweise auf der zweiten Isolierschicht 104 ist eine Metall-
oder Metallverbindungsschicht 105, die auch als Höckeruntermetallisierung bezeichnet
wird, gebildet und trennt eine Lötkugel 106 mit
einem wesentlichen Anteil an Blei von den darunter liegenden Materialschichten.
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Prozessabläufe zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100 sind
im Stand der Technik gut bekannt und eine detaillierte Beschreibung
davon ist hier weggelassen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass
die Lötkugel 106 aus
einem Löthöcker gebildet ist,
der über
der Höckeruntermetallisierung
und teilweise über
der zweiten Isolierschicht 104 mittels Elektroplattierens
oder einem anderen geeigneten Abscheideverfahren, wobei eine zur
geeigneten Dimensionierung des Löthöckers ausgebildete
Maske verwendet wurde, abgeschieden werden kann. Nach entfernen
der Maske wird der Löthöcker verflüssigt, um
die Lötkugel 106 zu
bilden, die sich auf Grund von Oberflächenspannung im Wesentlichen
auf die Höckeruntermetallisierung 105 zurückzieht.
Die Höckeruntermetallisierung 105 dient
im Wesentlichen zwei Zwecken. Erstens, ist die Höckeruntermetallisierung 105 vorgesehen,
um im Wesentlichen eine Diffusion von Lötmaterial in die darunter liegenden
Gebiete des Halbleiterbauelements 100 zu verhindern. Zweitens,
muss die Höckeruntermetallisierung 105 ausreichend
Haftung zu den Materialien über
und unter der Höckeruntermetallisierung
aufweisen, um eine erforderliche mechanische Stabilität zu erzeugen
und um die erforderliche Zuverlässigkeit
sicherzustellen.
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Während
des Betriebs des Halbleiterbauelements 100 können unstabile
Bleiisotope, etwa das Isotop 210 Pb
zerfallen und als Ergebnis dieses Zerfalls können Alpha-Teilchen erzeugt
werden. Zum Beispiel ist in 1 ein
Zweig des Zerfalls des 210Pb-Isotops dargestellt.
Wenn die Alpha-Teilchen ausreichend nahe an der Grenzfläche der
darunter liegenden Materialschichten, etwa der Höckeruntermetallisierung 105,
erzeugt werden, können
die Alpha-Teilchen ebenso in das Substrat 101 eindringen
und eine Vielzahl von Elektron-Loch-Paaren bilden, bis das Alpha-Teilchen
schließlich
gestoppt ist. Wie zuvor erläutert
ist, kann ein Teil dieser zusätzlich
erzeugten Ladungsträger
in ladungsträgerempfindliche
Bereiche eindringen, etwa in die Übergänge zwischen invers dotierten
Gebieten, oder in dünne
dielektrische Schichten, die elektrisch aktive Gebiete voneinander trennen.
Damit kann diese zusätzliche
Ladung eine deutliche Verschiebung der Betriebsbedingungen bewirken,
insbesondere, wenn die Strukturgrößen gering sind und die entsprechenden
Betriebsspannungen niedrig sind.
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Angesichts der zuvor dargelegten
Probleme besteht daher ein Bedarf für ein verbessertes Halbleiterbauelement,
in welchem das Eindringen hochenergetischer Teilchen, insbesondere
von Alpha-Teilchen deutlich reduziert ist.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Um das strahlungsinduzierte Erzeugen
von Ladungsträger
zu verringern, stellt die vorliegenden Erfindung gemäß einer
Ausführungsform
ein Halbleiterbauelement bereit, das ein Substrat mit einer Anschlussfläche und
einem auf der Anschlussfläche
gebildeten Löthöcker aufweist.
Des weiteren ist eine Absorptionsschicht zwischen der Kontaktfläche und dem
Löthöcker angeordnet,
wobei eine Dicke der Absorptionsschicht so ausgebildet ist, um Alpha-Teilchen
von mindestens 5,4 MeV im Wesentlichen vollständig zu stoppen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein
Substrat mit einer Kontaktfläche
und einem auf der Kontaktfläche
gebildeten Löthöcker. Eine
Höckeruntermetallisierung
ist zwischen der Kontaktfläche
und dem Löthöcker gebildet,
wobei die Höckeruntermetallisierung
im Wesentlichen eine Diffusion von Material des Löthöckers in
das Substrat verhindert und eine Naftung des Löthöckers zu dem Substrat herstellt.
Die Höckeruntermetallisierung
weist eine Dicke auf, die ausreichend ist, um Alpha-Teilchen mit
einer Energie von ungefähr
5.4 MeV zu stoppen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein
Substrat mit einem funktionalen Element und einem Mehrschichtmetallstapel,
der über
dem Substrat gebildet ist, wobei der Mehrschichtmetallstapel eine
intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate von weniger als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde aufweist und eine Dicke von
1 μm oder
mehr, abhängig
von der Art des Materials. Das Halbleiterbauteilelement umfasst
ferner einen Löthöcker, der über dem
Mehrschichtmetallstapel gebildet ist.
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Gemäß einer weiteren anschaulichen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung
eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements das Bereitstellen
eines Substrats mit einem darauf ausgebildeten Schaltungselement
und das Bilden einer Kontaktfläche über dem
Substrat. Anschließend
wird eine elektrisch leitende Absorptionsschicht über der
Kontaktfläche mit
einer vordefinierten Dicke gebildet, die es ermöglicht, Alpha-Teilchen mit
einer Energie von ungefähr 5.4
MeV zu stoppen. Schließlich
wird ein Löthöcker über der
Absorptionsschicht gebildet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile, Aufgaben und 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; es zeigen:
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1 schematisch
eine Querschnittsansicht eines typischen konventionellen Halbleiterbauelements;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3a und 3b schematisch Querschnittsansichten
eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements während gewisser
Phasen der Herstellung.
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Es sollte beachtet werden, dass die
Figuren in dieser Anmeldung lediglich schematische Darstellungen
der interessierenden Bauelemente sind. Ein Fachmann erkennt leicht,
dass die in den Figuren gezeigten Abmessungen nicht maßstabsgetreu
sind und das unterschiedliche Bereiche oder Schichten nicht durch
scharte Grenzen getrennt sind, wie dies in den Zeichnungen gezeigt
ist, sondern das diese kontinuierliche Übergänge aufweisen können.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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 es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden
Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende
Erfindung ein Halbleiterbauelement bereit, in welchem eine zusätzliche
Absorptionsschicht enthalten ist, um das Eindringen hochenergetischer
Teilchen, insbesondere von Alpha-Teilchen, deutlich zu reduzieren, die
im Inneren in einem Löthöcker durch
Zerfall radioaktiver Isotope und/oder durch Materialien, die zum Zusammenbauen
und Einfügen
in ein Gehäuse
des Halbleiterbauelements verwendet werden, erzeugt werden können. Die
Dicke der Absorptionsschicht ist so gewählt, dass zumindest Alpha-Teilchen
mit einer Energie 5.4 MeV, die im Wesentlichen durch bleienthaltende
Materialien erzeugt werden, im Wesentlichen vollständig innerhalb
der Absorptionsschicht gestoppt werden, um die Teilchen im Wesentlichen daran
zu hindern, Gate- oder Kondensatordielektrika oder ladungsempfindliche
Gebiete zu erreichen, selbst wenn das Alpha-Teilchen nahe an der
Oberfläche
der Absorptionsschicht erzeugt wird und seine Bewegungsrichtung
im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Absorptionsschicht
verläuft.
D. h., die Dicke der Absorptionsschicht ist ausreichend, um Alpha-Teilchen
zu stoppen, die eine minimale Strecke in dem Löthöcker zurücklegen, ohne die Haftung des
Löthöckers zu den
darunter liegenden Materialschichten und die Barrierenqualität zum Vermeiden einer
Diffusion von Löthöckermaterial
in darunter liegende Bauteilgebiete zu beeinträchtigen. Wie später erläutert ist,
ist, entgegen konventioneller Lösungsansätze, das
Herstellen der Absorptionsschicht mit der Endbearbeitung des Bauelements
kompatibel.
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Mit Bezug zu 2 wird nunmehr eine anschauliche Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die die zuvor dargelegten Erfordernisse
erfüllt, beschrieben. 2 zeigt eine schematische
Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem
Substrat 201, das ein funktionales Element (nicht gezeigt)
aufweist, das ladungsträgerempfindliche
Bereiche besitzt. Eine Anschlussfläche 202, die über dem
Substrat 201 und teilweise über einer ersten Isolierschicht 203 gebildet
ist, kann elektrisch mit dem funktionalen Element verbunden sein.
Der Einfachheit halber ist eine entsprechende elektrische Verbindung
in 2 nicht gezeigt.
In anderen Ausführungsformen
kann die Kontaktfläche 202 elektrisch
nicht mit einem funktionalen Element verbunden sein und kann als
eine zusätzliche
Kontaktfläche zum
Aufnehmen eines „Dummy"-Löthöckers dienen, der
die mechanische Stabilität
und/oder die thermische Leitfähigkeit
und/oder das Stoppen hochenergetischer Strahlung und dergleichen
verbessern kann. Eine zweite Isolierschicht 204 ist über der
ersten Isolierschicht 203 und teilweise über der
Kontaktfläche 202 gebildet.
Eine Absorptionsschicht 210 ist über der Kontaktfläche 202 gebildet,
und gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform
bedeckt die Absorptionsschicht 210 einen Teil der zweiten
Isolierschicht 204. Die Absorptionsschicht 210 weist
eine minimale Dicke auf, die ausreichend ist, um Alpha-Teilchen
mit einer Energie von ungefähr
mindestens 5.4 MeV zu stoppen, selbst wenn das Alpha-Teilchen sehr
nahe an der Absorptionsschicht 210 erzeugt wird und in
diese im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Oberfläche eindringt. In einer anschaulichen Ausführungsform
ist die Absorptionsschicht 210 im Wesentlichen aus Kupfer
aufgebaut und besitzt eine minimale Dicke von ungefähr 5 μm, was entsprechend
den Experimenten der Erfinder ausreichend ist, um Alpha-Teilchen
von ungefähr
5.4 MeV zu stoppen.
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In einer weiteren Ausführungsform
kann die Absorptionsschicht 210 eine Barrierenschicht 214, beispielsweise
eine Titanwolframschicht, aufweisen, um eine Diffusion von Atomen
der Absorptionsschicht 210 in die Kontaktfläche 202 und
die zweite Isolierschicht 204 zu vermeiden. Die Barrierenschicht 214 kann
insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Absorptionsschicht 210 Kupfer
aufweist, da Kupfer leicht in Siliziumdioxid und Silizium diffundiert.
Zu anderen geeigneten Materialien für die Absorptionsschicht 210 gehören Nickel,
Chrom, Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal und Verbindungen dieser
Materialien. Andere elektrisch leitfähige Materialien können ebenso
verwendet werden, solange die effektive Dicke ausreichend ist, um
Alpha-Teilchen mit einer Energie von wenigsten ungefähr 5.4 MeV
zu stoppen. Die minimale Dicke der Absorptionsschicht 210 hängt von
der Art des Materials ab, auf Grund der unterschiedlichen Absorptionsquerschnitte
für Alpha-Teilchen
dieser Materialien. Eine geeignete Dicke für alle oben genannten Materialien
liegt im Bereich von ungefähr
1 μm bis
10 μm, wobei
für schwerere
Elemente, etwa Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal und Verbindungen
davon eine Dicke von ungefähr
1 μm bis
4 μm ausreichend
sein kann, um die erforderliche Wirkung zu erreichen. In einer Ausführungsform
kann ein Mehrschichtstapel vorgesehen sein, wobei die Absorptionsschicht 214 und/oder
die Barrierenschicht 214 eine oder mehrere Teilschichten
aufweisen können.
Der Mehrschichtmetallstapel kann so ausgebildet sein, dass er eine
intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate
von weniger als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und
Stunde und eine Dicke von einem 1 μm und mehr, abhängig von
der Art des verwendeten Materials, aufweist.
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Über
der Absorptionsschicht 210 ist eine Höckeruntermetallisierung 205 ausgebildet,
auf der eine Lötkugel 206 angeordnet
ist. Die Höckeruntermetallisierung 205 kann
mehrere Metallschichten, etwa Chrom/Kupfer, Kupfer, Titan/Wolfram
und andere aufweisen.
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Wie zuvor erläutert ist, wird die Zusammensetzung
der Höckeruntermetallisierung 205 so
gewählt,
um eine ausreichende Haftung der Lötkugel 206 zu dem
darunter liegenden Substrat 201 zu erhalten und um im Wesentlichen
eine Diffusion von Atomen der Lötkugel 206 in
die darunter liegenden Gebiete zu vermeiden. Ferner kann die Zusammensetzung
und die Dicke der einzelnen Schichten der Unterhöckermetallisierung 205 so
gewählt
werden, um mechanische Spannungen, die durch Erhitzen des Substrats 201 erzeugt
werden, im Wesentlichen auszugleichen.
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Während
der Anwendung des Halbleiterbauelements 200 werden Alpha-Teilchen,
die aus dem Zerfall von unstabilen Bleiisotopen und anderen unstabilen
schweren Atomen herrühren,
bei der Bewegung der Richtung auf die Absorptionsschicht 210 innerhalb
dieser absorbiert, selbst wenn die Alpha-Teilchen an der Grenzfläche zu der
Höckeruntermetallisierung 205 erzeugt
werden und sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der
Absorptionsschicht 210 bewegen. Beim Stoppen der Alpha-Teilchen
wird eine große
Anzahl von Atomen innerhalb der Absorptionsschicht 210 ionisiert
und abhängig von
den Betriebsbedingungen können
die durch das Ionisieren der Metallatome erzeugten Ladungsträger abwandern,
wenn die Lötkugel
im Kontakt mit einer externen Stromversorgung ist, oder die zusätzlichen Ladungsträger können nach
einer gewissen Relaxationszeit wieder eingefangen werden. Alpha-Teilen, die
an einem Randbereich der Lötkugel 206 ausgesendet
werden und die sich in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung
im Bezug auf die in 2 gezeigten
Darstellung bewegen, werden im Wesentlichen von dem Erreichen des
funktionalen Elements innerhalb des Substrats 201 abgehalten,
da diese Teilchen sich über
eine relativ lange Distanz durch ein Füllmaterial (nicht gezeigt)
bewegen müssen
und dann auf die zweite Isolierschicht 204 unter einem kleinen
Winkel auftreffen. Folglich ist die effektive Weglänge eines
Alpha-Teilchens innerhalb des Füllmaterials
und der zweiten Isolierschicht 204 und der ersten Isolierschicht 203 relativ
groß,
wodurch die Wahrscheinlichkeit deutlich verringert wird, dass das Alpha-Teilchen
das Substrat 201 erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform,
die mit Bezug zu den 3 beschrieben
wird, kann die seitliche Ausdehnung der Absorptionsschicht 210 deutlich über die
seitlichen Abmessungen der Lötkugel 206 hinausgehen,
um Alpha-Teilchen zu absorbieren, die unter einem weiten Winkelbereich
ausgesendet werden.
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Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung des
Halbleiterbauelements 200 kann die folgenden Prozessschritte
aufweisen. Nach der Herstellung der Kontaktfläche 202, die im Wesentlichen
Aluminium oder in Hochleistungsbauelementen im Wesentlichen Kupfer
oder Legierungen davon aufweisen kann, auf dem Substrat 201 und
teilweise auf der ersten Isolierschicht 203, die aus Siliziumdioxid
oder Siliziumnitrid aufgebaut sein kann, wird die zweite Isolierschicht 204 beispielsweise
aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid abgeschieden und durch gut
bekannte Verfahren strukturiert. Anschließend wird eine relativ dicke
metallenthaltende Schicht, d. h. in der Größenordnung von einigen Mikrometer
abhängig von
der Art des Materials, beispielsweise durch physikalische Dampfabscheidung,
Elektroplattieren, und dergleichen abgeschieden. Wenn beispielsweise eine
Kupferabsorptionsschicht gebildet wird, kann vorzugsweise die dünne Barrierenschicht 214 mit beispielsweise
Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid und dergleichen abgeschieden
werden, wobei eine Saatschicht (nicht gezeigt) folgt, die durch
Sputter-Abscheidung vor der Ausbildung der dicken Kupferschicht
mittels Elektroplattierens gebildet wird. Während des Abscheidens des Volumenmaterials der
Absorptionsschicht 214 werden Prozessparameter, etwa Abscheidezeit,
Abscheiderate und dergleichen so gesteuert, um eine endgültige Dicke
der Absorptionsschicht 214 zu erreichen, die das erforderliche
Stopvermögen
sicherstellt. Typischerweise ist eine Dicke von ungefähr 1 μm bis 10 μm geeignet
für eine
Vielzahl geeigneter Materialien, wobei beispielsweise ein 1 μm bis 4 μm für schwere
Elemente, etwa Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal, und ungefähr 5 μm und mehr
für Kupfer,
Nickel und dergleichen gewählt
werden. Es ist zu beachten, dass die obigen Werte entsprechend anzupassen
sind, wenn die obigen Materialien in Verbindungen verwendet werden, die
Komponenten aufweisen, die ein weniger wirksames Stopvermögen als
die oben spezifizierten reinen Materialien besitzen. Anschließend wird
die Höckeruntermetallisierung 205 auf
der Absorptionsschicht 210 gebildet und darauf wird eine
Photolackmaske hergestellt, um eine Öffnung zu definieren, in die
das Löthöckermaterial
einzufüllen
ist. Danach wird Löthöckermaterial
in die Öffnung
mittels geeigneter Abscheideverfahren, etwa chemische Dampfabscheidung,
eingefüllt,
um einen Löthöcker zu
bilden. Nach dem Entfernen der Photolackmaske kann die Absorptionsschicht 214 so
strukturiert werden, dass diese eine laterale Ausdehnung aufweist,
die mit der lateralen Ausdehnung des Löthöckers übereinstimmt, oder die die
laterale Ausdehnung des Löthöckers übertreffen
kann. Vor dem Strukturieren der Absorptionsschicht 210 kann
die Höckeruntermetallisierung 205 selektiv
geätzt
werden, wobei das Maß an
Unterätzung
des Löthöckers die
endgültige
laterale Ausdehnung der Lötkugel 206 definiert,
die durch Verflüssigen
des Löthöckers gebildet
wird. Nach dem Herstellen der Lötkugel 206 können die
freigelegten Oberflächenbereiche
der Absorptionsschicht 210 mit einer geeigneten Passivierungsschicht
beschichtet werden, wie dies durch die peripheren Bereiche 212, die
als gestrichelte Linien in 2 gezeigt
sind, dargestellt ist.
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Mit Bezug zu den 3 wird nunmehr eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 3a und 3b zeigen
schematisch Querschnittsansichten bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements 300,
das in der fertiggestellten Form eine ähnliche Konfiguration wie das
Halbleiterbauelement 200 aufweist.
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In 3a ist
das Halbleiterbauelement 300 in einem Herstellungsstadium
gezeigt, wobei ein Halbleitersubstrat 201 mit einem funktionalen
Element (nicht gezeigt) eine auf dem Substrat ausgebildete erste
Isolierschicht 203 und eine Kontaktfläche 202 aufweist.
Eine zweite Isolierschicht 304 ist über der ersten Isolierschicht 303 und
teilweise über
der Kontaktfläche 302 gebildet.
Eine erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a gefolgt
von einer Absorptionsschicht 310 und einer z weiten Höckeruntermetallisierungsschicht 305b sind über dem
Substrat 301 ausgebildet. Eine Photolackmaske 311 definiert eine Öffnung,
in die Löthöckermaterial 306 einzufüllen ist.
Gemäß dieser
Ausführungsform
werden die Kontaktfläche 302 und
die erste und zweite Isolierschicht 303 und 304 gemäß Photolithographie-
und Ätzverfahren
gebildet, die im Stand der Technik gut bekannt sind. Anschließend wird
die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a,
beispielsweise eine Titanwolframschicht, mittels CVD oder Sputter-Abscheidung
gebildet. Danach wird die Absorptionsschicht 301 mit einer
vordefinierten Dicke, beispielsweise durch physikalische Dampfabscheidung
oder Elektroplattieren abgeschieden, wobei die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a als
eine Stromverteilungsschicht dient. Anschließend wird die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305b auf
der Absorptionsschicht 310 durch beispielsweise physikalische
Dampfabscheidung gebildet. Die erste und die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305a und 305b und
die Absorptionsschicht 310 können als ein Höckeruntermetallstapel
angesehen werden, dessen gesamte Dicke so gewählt ist, um die geforderten
Stopqualitäten
für Alpha-Teilchen
bereitzustellen. Nach der Herstellung der Photolackmaske 311 durch
bekannte Photolithographie- und Ätzverfahren, kann
das Löthöckermaterial 306 durch
Elektroplattieren abgeschieden werden, wobei die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a,
die Absorptionsschicht 310 und die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305b als
eine Stromverteilungsschicht dienen. Aufgrund der relativ großen Dicke
der Absorptionsschicht 310, beispielsweise ungefähr 5 μm für eine Kupferschicht,
wird eine gleichförmige Stromverteilung über die
gesamte Substratfläche
erreicht, so dass damit gleichförmige
Anteile des Löthöckermaterials 306 innerhalb
der Photolackmaske 311 abgeschieden werden, selbst wenn
ein großflächiges Substrat 301 verwendet
wird, das eine große
Anzahl von Öffnungen
aufweist, die mit dem Lötmaterial 306 zu
füllen
sind. Ferner erlaubt die große
Dicke der Absorptionsschicht 310 relativ hohe Ströme beim
Elektroplattieren des Höckermaterials,
wodurch eine erhöhte
Abscheiderate erzeugt wird.
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3b zeigt
das Halbleiterbauelement 300 in einem fortgeschrittenen
Herstellungsstadium. In 3b ist
die Photolackmaske 311 entfernt und die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305b kann so
strukturiert sein, dass diese die seitliche Ausdehnung des Löthöckers 306 aufweist.
In anderen Ausführungsformen
kann die zweite Metallisierungsschicht 305b zusammen mit
der Absorptionsschicht 310 strukturiert werden. Ferner
sind die Absorptionsschicht 310 und die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a so
strukturiert, um sich lateral über den
Löthöcker 306 bis
zu einem Maße
hinaus zu erstrecken, das mit den Entwurfserfordernissen übereinstimmt.
In einer speziellen Ausführungsform
werden die Absorptionsschicht 310 und die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a so
strukturiert, um im Wesentlichen die gesamte Substratoberfläche so zu
bedecken, um benachbarte Löthöcker durch
enge Gräben 320 mit
einer Breite in der Größenordnung von
1 μm bis
100 μm zu
trennen. Es sollte erwähnt werden,
dass, wie zuvor erläutert
ist, ein beliebiger Betrag für
die seitliche Ausdehnung gewählt
werden kann. Ferner kann, wie zuvor beschrieben ist, die freigelegte
Oberfläche
der Absorptionsschicht 310 mit einer geeigneten Passivierungsschicht,
beispielsweise Siliziumnitrid, beschichtet sein, um eine chemische
Reaktion oder ein Ausdiffundieren aus der Absorptionsschicht 310 zu
vermeiden.
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Anschließend kann der Löthöcker 306 verflüssigt werden,
um eine Lötkugel ähnlich zu
jener in 2 gezeigten
Lötkugel
zu bilden.
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Es gilt also, die vorliegende Erfindung
stellt ein Halbleiterbauteil bereit, das eine erhöhte Widerstandsfähigkeit
gegenüber
der Erzeugung strahlungsinduzierter Ladungsträger zeigt, die insbesondere
durch innerhalb der Löthöcker erzeugte
Alpha-Teilchen hervorgerufen werden kann. Somit kann eine Wechselwirkung
dieser zusätzlich
erzeugten Ladungsträger
in Gate- und/oder Kondensatordielektrika und in ladungsträgerempfindlichen
Gebieten deutlich verringert werden. Die für eine effektive Absorptionsschicht
verwendeten Materialien, etwa Kupfer, Nickel, Wolfram, Gold, Silber,
Platin, Tantal und andere Metalle, oder beliebige Verbindungen davon,
können
zumindest teilweise mit standardmäßigen Halbleiterprozessschritten
kompatibel sein und ferner eine gute Haftung und einen geringen
elektrischen Widerstand sicherstellen. Durch Bereitstellen einer
entsprechenden Absorptionsschicht zwischen dem Löthöcker und dem Substrat wird
ferner ein effektiverer Wärmetransportmechanismus
erzeugt und somit wird die Wärmeabfuhr
aus dem Bauteil im Vergleich zu konventionellen Bauteilen deutlich
verbessert. Ferner kann die Zusammensetzung der Absorptionsschicht
so gewählt
werden, um in effizienter Weise durch Aufheizen des Substrats induzierte
thermische Spannungen während
der Herstellungsprozesse oder während
des Betriebs auszugleichen.
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Weitere Modifikationen und Variationen
der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser
Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich
anschaulich und für
die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des
Ausführens
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die
hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die
gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.