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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil und ein dafür geeignetes
Herstellungsverfahren.
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In
der Halbleitertechnik sind so genannte "Chip-on-Chip"-Bauteile
seit langem bekannt und werden zu unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt. Diese
Halbleiterbauteile zeichnen sich dadurch aus, dass sie wenigstens
zwei übereinander
geschichtete Chips bzw. Halbleiterelemente aufweisen, die miteinander
durch entsprechende Kontaktierungsbereiche elektrisch verbunden
sind. Die Übereinanderschichtung
der Chips/Halbleiterelemente ermöglicht
die Herstellung äußerst kompakter
Halbleiterbauteile.
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Im
Folgenden soll unter Bezugnahme auf 4 ein
derartiges "Chip-on-Chip"-Halbleiterbauteil beschrieben
werden. Ein Halbleiterbauteil 1' weist ein Gehäuse 2 auf, aus dem
erste und zweite elektrische Leitungen 3a und 3b,
die als externe Anschlüsse
dienen, herausgeführt
werden. In dem Gehäuse 2 ist
eine Montageeinrichtung 4 vorgesehen, die gleichzeitig
als Kühlkörper und
als Kontaktbereich für einen
Drainanschluss sowie als Träger
der gesamten darauf montierten Anordnung dient. Auf der Montageeinrichtung 4 ist
ein erster Chip 5 aufgebracht, der beispielsweise mehrere
Transistoren enthält.
Auf dem ersten Chip 5 sind ein zweiter Chip 6 sowie
ein dritter Chip 7 aufgebracht, die jeweils durch einen Kontaktierungsbereich
(hiers eine erste Kontaktierungsschicht 8 und eine zweite
Kontaktierungsschritt 9) mit dem ersten Chip 5 elektrisch
verbunden sind. Die Oberflächen
des zweiten und dritten Chips 6, 7 bilden jeweils
Sourcekontakte, wobei der Sourcekontakt des zweiten Chips 6 durch
einen ersten Bonddraht 10 mit der ersten elektrischen Leitung 3a verbunden ist.
Entsprechend hierzu ist der Sourcekontakt des dritten Chips 7 durch
einen zweiten Bonddraht 11 mit der zweiten Leitung 3b verbunden.
Die erste Kontaktierungsschicht 8 ist mittels eines dritten Bonddrahts 12 mit
der ersten Leitung 3a verbunden, entsprechend hierzu ist
die zweite Kontaktierungsschicht 9 mittels eines vierten
Bonddrahts 13 mit der zweiten Leitung 3b verbunden.
Die erste Kontaktierungsschicht 8 bildet einen Sourcekontakt
für den ersten
Chip 5 und gleichzeitig den Drainkontakt für den zweiten
Chip 6. Entsprechend bildet die zweite Kontaktierungsschicht 9 einen
Sourcekontakt für
den ersten Chip 5 und den Drainkontakt für den dritten Chip 7.
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Das
in 4 beschriebene Halbleiterbauteil weist
den Nachteil auf, dass eine erste Kontaktierungsfläche 14 auf
der ersten Kontaktierungsschicht 8 zum Ausbilden eines
Kontakts zwischen dem dritten Bonddraht 12 und der ersten
Kontaktierungsschicht 8 relativ groß ist, so dass eine Ausdehnung des
zweiten Chips 6 horizontal in Richtung der ersten Leitung 3a begrenzt
ist. Analoge Überlegungen
gelten für
eine zweite Kontaktierungsfläche 15 auf
der zweiten Kontaktierungsschicht 9.
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In
der Druckschrift
DE
196 35 582 C1 ist ein entsprechendes Halbleiterbauteil
gezeigt, dessen Kontaktierungsbereich aus Kontaktierungsflächen
4 bzw.
5,
die aus einem leitfähigen
Material hergestellt sind, bestehen. Die Kontaktierungsflächen
4,
5 werden
von Bonddrähten
23,
25 kontaktiert.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauteil
sowie ein dafür
geeignetes Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem oben besagte
Probleme vermieden werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauteil gemäß Patentanspruch
1 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
eines Halbleiterbauteils gemäß Patentanspruch
3 bereit. Bevorzugte Ausfüh rungsformen
und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in jeweiligen
Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß weist
ein Halbleiterbauteil ein unteres Halbleiterelement und ein oberes
Halbleiterelement auf, wobei zwischen dem unteren und dem oberen
Halbleiterelement ein Kontaktierungsbereich vorgesehen ist, der
eine Oberseite des unteren Halbleiterelements und eine Unterseite
des oberen Halbleiterelements kontaktiert. Wesentlich ist, dass der
Kontaktierungsbereich aus Endabschnitten derjenigen Bonddrähte besteht,
die als elektrische Anschlüsse
des Kontaktierungsbereichs dienen.
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Die
bisher übliche
Kontaktierungsschicht, die zwischen dem unteren und dem oberen Halbleiterelement
vorgesehen war, wird erfindungsgemäß also durch den oder die Bonddraht/Bonddrähte ersetzt, die
zur Kontaktierung der Kontaktierungsschicht dienten.
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Der
Begriff "Halbleiterelement" umfasst hierbei
beliebige Halbleiterstrukturen, beispielsweise einen hochintegrierten
Chip oder auch eine einfache Struktur, die beispielsweise einen
einzelnen Hochleistungstransistor enthält.
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Eine
mögliche
Anwendung eines derartigen Halbleiterbauteils stellt eine Brückenschaltung
dar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
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Durch
die direkte Montage des oberen Halbleiterelements auf die Bonddrähte zur
elektrischen Kontaktierung des Kontaktierungsbereichs (Zwischenebene,
Kontaktierungsschicht) des oberen und unteren Halbleiterelements
entfällt
die Notwendigkeit einer Bonddraht-Kontaktfläche im Kontaktierungsbereich
auf der Zwischenschicht/Kontaktierungsschicht, womit die vertikale
Ausdehnung des oberen Halbleiterelements vergrößert werden kann. Dadurch kann
die räumliche
Ausnutzung des Gehäuses
des Halbleiterbauteils optimiert werden.
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Die
Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauteils
bereit, das die folgenden Schritte aufweist:
- – Aufbringen
von Bonddraht-Endabschnitten auf eine Oberseite eines unteren Halbleiterelements,
- – Aufbringen
eines oberen Halbleiterelements auf die Bonddraht-Endabschnitte,
und
- – Ausbilden
von elektrischen Kontakten zwischen den Bonddraht-Endabschnitten
und der Oberseite/Unterseite des oberen/unteren Halbleiterelements
durch Ultraschall- und/oder Temperaturbehandlung.
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Die
Erfindung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in
beispielsweiser Ausführungsform
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau
einer bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils,
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2 eine bevorzugte Ausführungsform
einer Brückenschaltung
als Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
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3A bis 3D eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
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4 den Aufbau eines Halbleiterbauelements
gemäß dem Stand
der Technik,
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5 ein Prinzipschaltbild
der erfindungsgemäßen Brückenschaltung
aus 2.
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In
den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile
bzw. Baugruppen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die
in 1 gezeigte bevorzugte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils 1 weist
einen Aufbau auf, der dem in 4 gezeigten
Aufbau sehr ähnelt.
Der einzige Unterschied ist, dass die "Kombination" aus dem dritten Bonddraht 12 und
der ersten Kontaktschicht 8 ersetzt ist durch einen ersten
verlängerten
Bonddraht 12a. Analog hierzu ist die Kombination aus viertem
Bonddraht 13 und der zweiten Kontaktschicht 9 ersetzt
durch einen zweiten verlängerten
Bonddraht 13a. Endabschnitte der verlängerten Bonddrähte 12a, 13a liegen
auf dem ersten Chip 5 auf, wobei der zweite Chip 6 und
der dritte Chip 7 direkt auf dem Endabschnitt des ersten
verlängerten
Bonddrahts 12a bzw. dem Endabschnitt des zweiten verlängerten Bonddrahts 13a aufgebracht
sind. Die Bonddraht-Endabschnitte
bilden somit eine Kontaktverbindung zwischen Drainkontakten des
zweiten und dritten Chips 6, 7 und Sourcekontakten
des ersten Chips 5. Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist, dass die horizontale Ausdehnung des ersten und zweiten Chips 6, 7 vergrößert werden kann,
da die in 4 gezeigten
Kontaktflächen 14 und 15 entfallen
können.
Weiterhin kann das Aufbringen der ersten und zweiten Kontaktschicht 8, 9 entfallen,
was das Herstellungsverfahren des Halbleiterbauteils vereinfacht.
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Im
Folgenden soll unter Bezugnahme auf 2 ein
Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils beschrieben
werden. Eine Brückenschaltung 20 weist
ein Gehäuse 2 auf,
in das eine Montageeinrichtung 4 aufgenommen ist. Auf der Montageeinrichtung 4 ist
ein erster Chip 5 aufgebracht, auf dem wiederum ein zweiter
Chip 6 und ein dritter Chip 7 aufgebracht sind.
Der zweite Chip 6 ist mit dem ersten Chip 5 über Teile
(Endabschnitte) von ersten verlängerten
Bonddrähten 12a elektrisch
verbunden, das heißt
die Endabschnitte der Bonddrähte 12a kontaktieren
sowohl eine Drainzone des zweiten Chips 6 als auch eine
Sourcezone des ersten Chips 5. Entsprechende Sourcekontakte
des zweiten Chips 6 sind über erste Bonddrähte 10 mit
ersten elektrischen Leitungen 3a verbunden, die aus dem
Gehäuse 2 herausführen und
die externen Anschlüsse
darstellen. Analoge Überlegungen
gelten auch für
den dritten Chip 7, der mit dem ersten Chip 5 durch
Endabschnitte von zweiten verlängerten
Bonddrähten 13a elektrisch
verbunden ist. Diese Teile der Bonddrähte 13a kontaktieren
sowohl Sourcekontakte des ersten Chips 5 als auch Drainkontakte
des dritten Chips 7. Entsprechende Sourcekontakte des dritten Chips 7 sind über zweite
Bonddrähte 11 mit
zweiten Leitungen 3b verbunden, die aus dem Gehäuse 2 herausführen und
entsprechende externe Anschlüsse bilden.
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Im
Folgenden sei anhand von 3a bis 3d eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils, beispielsweise
die in 2 gezeigte Brückenschaltung,
näher erläutert.
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In
einem ersten Schritt (3A)
wird auf dem ersten Chip 5 ein Double-Stitch-Bonddraht 13a aufgebracht.
In einem zweiten Schritt (3B)
wird auf den Double-Stitch-Bonddraht 13a ein weiterer Chip
(z.B. ein dritter Chip 7) aufgebracht, das heißt in den
Double-Stitch-Bonddraht 13a eingedrückt. In einem dritten Schritt
(3C) wird ein elektrischer Kontakt
zwischen einer Unterseite des dritten Chips 7 und einer
Oberseite des ersten Chips 5 hergestellt, indem eine Ultraschallbehandlung/Wärmebehandlung
durchgeführt
wird. In einem vierten Schritt (3D)
wird auf einer Oberseite des dritten Chips 7 ein weiterer
Bonddraht 11 aufgebracht.
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Der
Prozess zum Ausbilden des elektrischen Kontaktes zwischen dem Double-Stitch-Bonddraht 13a (der
Bonddraht-Endabschnitte) und der Oberseite des ersten Chips 5/der
Unterseite des dritten Chips 7 hängt maßgeblich vom Material des Bonddrahtes ab.
Vorzugsweise kommt für
Bonddrähte
aus Aluminium ein Ultraschall-Prozess bei Raumtemperatur zum Einsatz,
wohingegen für Bonddrähte aus
Gold vorzugsweise Ultraschallprozesse bei ca. 200°C durchgeführt werden.
Hierbei ist zu erwähnen,
dass die Härte
der Bonddrähte
Einfluss auf die maximale einzusetzende Ultraschall-Energie sowie
den Druck (beim Eindrücken)
während
des Kontaktier-Prozesses hat.
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5 zeigt eine schematische
Darstellung des Schaltungsaufbaus der in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Brückenschaltung.
Die Brückenschaltung 20 weist
eine Kühlfläche 21 auf,
auf der ein erster Chip 5 montiert ist. Der erste Chip 5 enthält zwei
sourceseitig voneinander isolierte Halbleiterschalter H1, H2. Die
beiden Drainanschlüsse
der Halbleiterschalter H1 und H2 bilden die Chiprückseite.
Der erste Chip 5 wird mit der Rückseite auf die Kühlfläche 21 montiert
und ist über
einen ersten Anschluss 22 kontaktierbar. Auf den Sourceflächen der beiden
Transistoren H1 und H2 sind zwei weitere Chips, ein zweiter Chip 6 und
ein dritter Chip 7 aufgebracht, die jeweils einen weiteren
Leistungstransistor L1 und L2, enthalten. Durch die Montage wird
der Sourcebereich des Transistors H1 mit dem Drainbereich des Transistors
L1 verbunden, sowie der Sourcebereich des Transistors H2 mit dem
Drainbereich des Transistors L2 verbunden. Jeweilige Knotenpunkte
dieser Verbindungen sind über
einen zweiten und einen dritten Anschluss 23, 24 extern
anschließbar.
Die jeweiligen Sourcebereiche der Transistoren L1 und L2 sind über einen
vierten und fünften
externen Anschluss 25, 26 ebenfalls beispielsweise
durch Bonding kontaktierbar. Ein sechster bis neunter Anschluss 27 bis 30 dienen
zur Ansteuerung jeweiliger Transistoren H1, H2, L1 und L2.
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Wie
in der vorangehenden Beschreibung deutlich wurde, bezieht sich die
Erfindung auf die Optimierung der elektrischen Kontaktierung einer
Zwischenebene von Chip-on-Chip-Bauteilen, indem der obere Chip direkt
auf den oder die Bonddrähte
zur elektrischen Kontaktierung der Zwischenebene montiert wird.
Bisher musste auf dem unteren Chip zur Kontaktierung der Zwischenebene
eine Bonddraht-Kontaktfläche
zur Verfügung
gestellt werden, welche somit nicht für die Chip-on-Chip-Montage genutzt werden
konnte. Durch die Montage des oben liegenden Chips direkt auf den
oder die Bonddrähte zur
elektrischen Kontaktierung der Zwischenebene kann diese Bonddraht-Kontaktfläche auch
für den oben
liegenden Chip verwendet werden und damit die maximale Chipfläche des
oben liegenden Chips deutlich erhöht werden. Es wird also ein
Chip direkt auf einem Bonddraht montiert, womit ein vorgegebenes
Gehäuse-Volumen optimal ausgenutzt
werden kann. Bei der in 2 gezeigten
Brückenschaltung wird
nach erfolgter Vorderseitenkontaktierung des unten liegenden Chips
mittels Double-Stitch-Aluminium-Bonddrähten der
oben liegende Chip mit seiner aus vorzugsweise Aluminium bestehenden
Rückseite
in die Bonddrähte
gedrückt
und mittels Ultraschall vergleichbar zum Standard-Aluminium-Drahtbonden kontaktiert.
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- 1,
1'
- Halbleiterbauteil
- 2
- Gehäuse
- 3a
- erste
elektrische Leitung
- 3b
- zweite
elektrische Leitung
- 4
- Montageeinrichtung
- 5
- erster
Chip
- 6
- zweiter
Chip
- 7
- dritter
Chip
- 8
- erste
Kontaktierungsschicht
- 9
- zweite
Kontaktierungsschicht
- 10
- erster
Bonddraht
- 11
- zweiter
Bonddraht
- 12
- dritter
Bonddraht
- 12a
- erster
verlängerter
Bonddraht
- 13
- vierter
Bonddraht
- 13a
- zweiter
verlängerter
Bonddraht
- 20
- Brückenschaltung
- 21
- Kühlfläche
- 22-30
- erster
bis neunter Anschluss
- H1,
H2
- Halbleiterschalter/Transistoren
- L1,
L2
- Leistungstransistoren