DE102004041888A1 - Halbleitervorrichtung mit gestapelten Halbleiterbauelementen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung mit gestapelten Halbleiterbauelementen bereit. Zwei Halbleiterbauelemente (21, 26) sind mit ihren Kontaktbereichen (28, 22) einander gegenüberstehend angeordnet. Eine Kontaktverbindungseinrichtung (29) bildet eine elektrische Verbindung mit einer geringen Länge zwischen den beiden Kontaktbereichen (28, 22). Über eine Umverdrahtung (23) werden die Kontaktbereiche (28, 22) mit externen Kontaktbereichen (36) der Vorrichtung verbunden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit gestapelten Halbleiterbauelementen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf Speicherbauelemente beschrieben wird, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt.
  • Speicherbauelemente werden untereinander z.B. über ein Bussystem miteinander verbunden. Die vorgesehenen Verdrahtungswege insbesondere der Signalleitungen sollten möglichst kurz sein. Eine Technik sieht vor Speicherbauelemente zu stapeln. Die Länge der Verdrahtungen zwischen übereinanderliegenden Kontakten wird auf diese Weise gering gehalten. In 11 ist eine bekannte Anordnung von gehäusten Halbleiterbauelementen 5 dargestellt. Zwei gehäuste Halbleiterbauelemente werden aufeinander platziert und die externe Verdrahtung 3 miteinander elektrisch verbunden. Eine weitere Anordnung zur Stapelung ist in 12 dargestellt. Hierbei sind zwei ungehäuste Halbleiterbauelemente 2 innerhalb eines Gehäuses aufeinander platziert und werden durch eine interne Verdrahtung 1 jeweils mit der externen Verdrahtung 3 des Gehäuses elektrisch verbunden. Eine weitere Variante ist in 13 dargestellt. Hierbei sind in der Vorrichtung 8 zwei Halbleiterbauelemente 2 um eine Zwischenschicht 6 gruppiert und abermals sind die einzelnen Halbleiterbauelemente über eine interne Verdrahtung 1 mit der externen Verdrahtung 3 des Gehäuses verbunden. Eine vierte Variante ist in 14 dargestellt, welche sich von der vorhergehenden Anordnung dadurch unterscheidet, dass zwei Halbleiterbauelemente 12 innerhalb eines Gehäuses gestapelt sind, wobei eine interne Drahtverbindung 1 und ein Interposer-Substrat die Verbindung zu den externen Zuleitungen, hier in Form von Lotbällchen 16, bilden.
  • Nachteiligerweise sind in allen vier vorgestellten bekannten Halbleitervorrichtungen die Verdrahtungen zwischen den Kontaktbereichen 10 der untereinander verbundenen einzelnen Halbleiterbauelemente nicht impedanz-angepasst. Insbesondere ist keine Impedanzanpassung für die Bondingdrähte mit einer typische Länge in der Größenordnung von 1 mm vorgesehen. Kommende Speichergenerationen mit Signalanteilen im Frequenzbereich von >1 GHz sind über diese Bondingdrähte nicht übertragbar.
  • Eine weitere Problematik ergibt sich für Bussysteme, welche Verzweigungen der Signalleitungen aufweisen. Hierbei ist ein einfache Impedanzanpassung ohne zusätzliche Kapazitäten und Induktivitäten aller Verdrahtungsabschnitte nicht möglich. Deshalb weisen Bussysteme immer Abschnitte mit einer schlechten Impedanz-Anpassung auf.
  • Hieraus ergibt sich die Problematik, dass die Performance zukünftiger Speicherbauelemente mit durch Signalreflektionen und Interferenzeffekte bedingt durch die Verdrahtung beschränkt wird.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglicht, Halbleiterbauelemente zu stapeln und zugleich eine verbesserte Verdrahtung bereitzustellen.
  • Die vorstehende Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannte Vorrichtung gelöst. Des Weiteren wird die Vorrichtung durch das in Anspruch 6 genannte Verfahren hergestellt.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwei Halbleiterbauelemente mit ihren aktiven Flächen einander zugewandt angeordnet sind. Dabei ergibt sich, dass die Kontaktbereiche der jeweiligen Halbleiterbauelemente sehr nahe aneinander platzierbar sind. Damit befindet sich die Aufspaltung der elektrischen Leitungen zu den Halbleiterkontakten in unmittelbarer Nähe der Halbleiterkontakte. Die Länge der nicht angepassten Verdrahtungsstücke nach der Aufspaltung ist dementsprechend vernachlässigbar kurz.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Signalführenden Verdrahtungen beabstandet zu einer Massenfläche geführt, von welcher sie durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Der Querschnitt der Signalverdrahtung, der Abstand der Signalverdrahtungen zu den Masseflächen sowie das Dielektrikum sind derart gewählt, dass eine optimale Impedanzanpassung für die typischen Frequenzen der Halbleitervorrichtung vorhanden sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Halbleiterbauelemente in einer Vergussmasse oder einem Rahmen eingebettet. Die Vergussmasse kann polymerhaltig sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Kontaktverbindungseinrichtung ein Lotdepots und/oder eine leitfähigen Kleber auf.
  • Das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung löst die Aufgabe dadurch, dass ein Halbleiterbauelement in eine Vergussmasse eingebettet und eine Umverdrahtung aufgebracht wird und in einem nachfolgenden Schritt ein zweites Halbleiterbauelement dem ersten Halbleiterbauelement gegenüberliegend derart angeordnet wird, dass sich deren Kontaktbereiche einander gegenüberstehen und die zuvor aufgebrachte Umverdrahtung zwischen den beiden Halbleiterbauelementen befindet. Die beiden Kontaktbereiche werden über eine Kontaktverbindungs-einrichtung miteinander verbunden.
    •
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren im Detail erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1–6 schematische Darstellungen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
  • 7 und 8 schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens und einer Impedanz-angepassten Halbleitervorrichtung;
  • 9 und 10 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens und einer Impedanz angepassten Halbleitervorrichtung; und
  • 11–14 schematische Darstellungen gestapelter Halbleiterbauelementvorrichtungen nach dem Stand der Technik.
  • In den 1–6 wird eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Auf detaillierte Beschreibungen von Maskierungs- und Ätztechniken wird verzichtet, da davon ausgegangen wird, dass diese Techniken hinreichend bekannt sind.
  • In einem ersten Schritt, in 1 dargestellt, wird ein erstes Halbleiterbauelement 21 in eine Vergussmasse oder Rahmen 20 eingebettet. Diese Vergussmasse besteht typischerweise aus einem Polymer. Das erste Halbleiterbauelement 21 weist einen Kontaktbereich 22 auf. Dieser Kontaktbereich befindet sich entlang einer Mittellinie auf einer aktiven Seite 25 des Halbleiterbauelements. Diese aktive Seite 25 wird nicht durch die Vergussmasse 20 bedeckt. Vorteilhafterweise bildet die aktive Fläche 25 mit einer oberen Fläche 24 der Vergussmasse 20 eine Ebene. In einem weiteren Schritt, in 2 darge stellt, wird eine Umverdrahtung 23 auf das erste Halbleiterbauelement und der Vergussmasse aufgebracht. Diese Umverdrahtung 23 ist in Kontakt mit dem Kontaktierungsbereich 22 des ersten Halbleiterbauelements 21. Die Umverdrahtung 23 wird bei einreihiger Kontaktanordnung typischerweise entlang des Kontaktbereiches abwechselnd auf die linke und rechte Seite vorgenommen. In einem nachfolgenden Schritt, in 3 dargestellt, werden adhäsive Erhebung 27 in einem Teilbereich des ersten Halbleiterbauelements, sowie eine Kontaktverbindungseinrichtung 29 auf die einzelnen Kontakte in dem Kontaktbereich 22 aufgebracht. Die Kontaktverbindungseinrichtung 29 kann Lotdepots und/oder Leitkleber aufweisen.
  • Nachfolgend wird ein zweites Halbleiterbauelement 26 mit seiner aktiven Oberfläche 30 und dem darin befindlichen Kontaktierungsbereich 28 auf den klebenden Erhebungen 27 befestigt. Dabei ist das zweite Halbleiterbauelement derart orientiert, dass dessen Kontaktierungsbereich 28 dem Kontaktierungsbereich 22 des ersten Halbleiterbauelements gegenübersteht. Eine leitfähige Verbindung zwischen den Kontaktierungsbereichen 22 des ersten und den Kontaktierungsbereichen 28 des zweiten Halbleiterbauelements wird dadurch erreicht, dass der Kontaktierungsbereich 28 mit der Kontaktverbindungseinrichtung 29 in Kontakt gebracht wird und durch Aushärten bzw. Umschmelzen der Kontaktverbindungseinrichtung 29 eine dauerhafte Verbindung hergestellt wird . Gegebenenfalls wird dabei ein Wärmeschritt ausgeführt, um z.B. das Lot zu verflüssigen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Umverdrahtung 23 mit beiden Halbleiterbauelemente 21, 26 eine Verbindung aufweist. Die Verzweigung der Umverdrahtung für die beiden Halbleiterbauelemente 21, 26 befindet sich somit unmittelbar zwischen den beiden Kontaktierungsbereichen 22 und 28. Mit einer einfachen Abschätzung, dass eine nicht angepasste Signalübertragungsstrecke kürzer als ein Zehntel der Wellenlänge des Signals in dem Medium sein muss, ergibt sich für einen Abstand der Kontaktbereiche von 100 μm zueinander eine Grenzfrequenz von 200 GHz für diese Ausführungsform. Auf diese Weise lässt sich eine sehr schnelle Kommunikation zwischen den beiden über die Kontaktverbindungseinrichtung verbundenen Halbleiterbauelemente realisieren. Des Weiteren ist gewährleistet, dass die Signalübertragungsstrecken von externen Kontakten der Vorrichtung zu den einzelnen Halbleiterbauelementen nahezu gleich lang sind, womit Signallaufsunterschiede minimiert werden.
  • In einem nachfolgenden Schritt, in 4 dargestellt, kann das Trägersubstrat des zweiten Halbleiterbauelements abgeschliffen werden. Hierbei sind Dicken von 50 μm erreichbar. Dies ist vorteilhaft, um eine geringe Bauhöhe der Halbleitervorrichtung zu erreichen.
  • Um eine mechanische Stabilität der Halbleitervorrichtung zu erreichen, wird das zweite Halbleiterbauelement in ein Substrat 34 eingebettet. Dieses Substrat kann der Vergussmasse 20 entsprechen. Durch die Einbettung können auch die Hohlräume 33 zwischen den beiden Halbleiterbauelementen gefüllt werden. Ein Bereich 35 am Rande der Umverdrahtungen wird nicht durch das Substrat 34 bedeckt. Dies kann durch nachträgliches Entfernen des Substrats bzw. durch vorheriges Aufbringen einer Maske und abschließendes Entfernen dieser Maske nach dem Aufbringen des Substrats 34 erreicht werden. Der Bereich 35, welcher nicht durch das Substrat 34 bedeckt wird, befindet sich vorteilhafter Weise in der Nähe des Randes des Substrats 20. Somit weisen die externe Kontaktierungsbereiche 36 einen Abstand zueinander auf, welcher eine einfache Montage auf einer Leiterplatte ermöglicht. In 6 ist gezeigt, dass auf den Bereich der unbedeckten Umverdrahtung 23 eine kurze Umverdrahtung 37 abgeschieden wird, welche die Kontaktierungsbereiche 36, welche sich auf einer Oberfläche des Substrats 34 befinden, kontaktiert. Hierzu wird die Umverdrahtung 37 strukturiert.
  • Die Abscheidung der Umverdrahtung 37 kann mittels Dünnschicht- und/oder Dickschichttechnologie erfolgen, wie z.B.
  • galvanisches Abscheiden und/oder Abscheiden in einer Plasmareaktionskammer.
  • In 7 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Nachdem ein erstes Halbleiterbauelement 21 in die Vergussmasse 20 eingebettet und eine Umverdrahtung 23 ausgebildet wurde, wird eine dielektrische Schicht 40 abgeschieden. Die dielektrische Schicht 40 ist derart gestaltet, dass sie einen äußeren Bereich der Umverdrahtung 23 im Bereich des der Vergussmasse 20 nicht bedeckt. Auf die dielektrische Schicht wird eine leitfähige Schicht 41 abgeschieden. Diese leitfähige Schicht 41 bildet nachfolgend eine Äquipotential- oder eine Massefläche. Nach bekannten Techniken bzw. Kenntnissen der Elektrodynamik wird bei einer gegebenen elektrischen Konstante des Dielektrikums 40 und den typischen Frequenzen des Halbleiterbauelements die Stärke der dielektrischen Schicht 40 sowie die Breite der Verdrahtung 23 derart gewählt, dass eine optimale Impedanzanpassung möglich ist.
  • In nachfolgenden Schritten wird, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, ein zweites Halbleiterbauelement mit Hilfe von klebenden Erhebungen auf dem zweiten Halbleiterbauelement bzw. auf der dielektrischen Schicht befestigt. Eine elektrische Verbindung wird wiederum durch eine Kontaktverbindungseinrichtung 29 zwischen den beiden Kontaktierungsbereichen 22 und 28 erreicht. Nachfolgend wird ein Substrat 34 aufgebracht, um das zweite Halbleiterbauelement einzugießen. Auf das Substrat 34 wird eine leitfähige Schicht 42, typischerweise aus einem Metall, abgeschieden, welche eine Äquipotential- oder Massefläche darstellt. Auf die leitfähige Massefläche 42 wird ein Dielektrikum 43 abgeschieden. In den abschließenden Schritten erfolgt eine Umverdrahtung 48, welche die Umverdrahtung 23 mit den externen Kontaktierungsbereichen verbindet, welche sich auf einer obersten Oberfläche der dielektrischen Schicht 43 befinden. Eine Impedanzanpassung der zweiten Umverdrahtung 48 wird durch die zweite Mas sefläche 42 und die dazwischen liegende dielektrische Schicht 43 erreicht. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass im Wesentlichen eine Impedanzanpassung von der externen Kontaktierung 36 bis hin zu der Verzweigung der Umverdrahtung 23 in unmittelbarer Nähe der Kontaktierungsbereiche 22 und 28 gewährleistet ist.
  • In den 9 und 10 ist eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass in einem ersten Schritt auf das erste eingebettete Halbleiterbauelement 21 eine Äquipotential- oder Massefläche 45 aufgebracht wird. Diese Massefläche 45 berührt nicht den Kontaktierungsbereich 22. Auf die Massefläche 45 wird eine dielektrische Schicht 40 abgeschieden. Danach wird eine Umverdrahtung 44 gebildet. Diese Umverdrahtung kontaktiert den Kontaktierungsbereich 22. Eine Impedanzanpassung dieser Umverdrahtung wird durch die Massefläche 45 und die dielektrische Schicht 40 erreicht. Die nachfolgenden Schritte zur Herstellung der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen denen der zweiten Ausführungsform.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind vielfältige Techniken bekannt, um das zweite Halbleiterbauelement auf dem ersten Halbleiterbauelement zu befestigen. Weiterhin sind die Materialien für die Umverdrahtung nicht auf Metalle beschränkt sondern können ebenso aus dotierten Halbleitermaterialien bestehen.
    • 1
    interne Verdrahtung
    2
    ungehäustes Halbleiterbauelement
    3
    externer Kontaktierungsbereich
    4
    Gehäuse
    5
    Halbleiterbauelement
    6
    Trägersubstrat
    7, 8
    Halbleitervorrichtung mit gestapelten Halbleiter
    bauelementen
    10
    Kontaktbereich von 2
    11
    Deckschicht
    12
    Halbleiterbauelement
    13
    Interposer mit interner Verdrahtung
    14
    Beabstandung
    15
    Isolierung
    16
    externer Kontakt
    17
    Kontaktierungsbereich
    20
    erstes Substrat oder Vergussmasse
    21
    erstes Halbleiterbauelement
    22
    erster Kontaktbereich von 21
    23, 44
    erste Umverdrahtung
    24
    Oberfläche von 20
    25
    erste aktive Seite von 21
    26
    zweites Halbleiterbauelement
    27
    klebende Erhebung
    28
    zweiter Kontaktbereich von 26
    29
    Kontaktverbindungseinrichtung
    30
    zweite aktive Seite von 26
    31
    zweite inaktive Seite von 26
    33
    Hohlräume
    34
    zweites Substrat
    35
    Kontaktierungsöffnung
    36
    externer Kontakt
    37, 48, 49
    zweite Umverdrahtung
    40, 43
    dielektrische Schicht
    41,42,45, 50
    Massefläche

Claims (8)

  1. Halbleitervorrichtung mit gestapelten Halbleiterbauelementen, wobei ein erstes Halbleiterbauelement (21) mit einem ersten Kontaktbereich (22) und ein zweites Halbleiterbauelement (26) mit einem zweiten Kontaktbereich (28) derart angeordnet sind, dass der erste (22) und der zweite (28) Kontaktbereich einander gegenüberliegen und wobei eine Kontaktverbindungseinrichtung (29) den ersten Kontaktbereich (22) leitend mit dem zweiten Kontaktbereich (28) verbindet und die Kontaktverbindungseinrichtung (29) mittels einer Umverdrahtung (23, 37, 48, 49) mit einem externen Kontaktierungsbereich (36) verbunden ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine parallel zu der Umverdrahtung (23, 37, 48, 49) verlaufende Massefläche (41, 42, 45, 50) vorgesehen ist, wobei zwischen der Umverdrahtung (23, 37, 48, 49) und der Massefläche (41, 42, 45, 50) eine dielektrische Schicht (40, 43) eingebracht ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste (21) und das zweite (26) Halbleiterbauelement in eine Vergussmasse oder einem Rahmen (20, 34) eingebettet sind.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat (20, 34) polymerhaltig ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktverbindungseinrichtung (29) leitfähigen Kleber und/oder Lotdepots aufweist und/oder durch Diffussionslöten hergestellt ist.
  6. Herstellungsverfahrung für eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, mit den Schritten: a) Bereitstellen eines ersten Halbleiterbauelements (21); b) Einbetten des ersten Halbleiterbauelements (21) in eine Vergussmasse (20), wobei erste Kontaktbereiche (22) des ersten Halbleiterbauelements nicht bedeckt werden; c) Aufbringen einer Kontaktverbindungseinrichtung (29) auf den ersten Kontaktbereich (22); d) Ausbilden einer ersten Umverdrahtung (23, 44) zur Kontaktierung der Kontaktverbindungseinrichtung (29), wobei die erste Umverdrahtung (23, 44) sich bis auf das Substrat (20) erstreckt; e) Anordnen eines zweiten Halbleiterbauelements (26) mit einem zweiten Kontaktbereich (28) derart, dass der zweite Kontaktbereich (28) dem ersten Kontaktbereich (22) zugewandt ist und die Kontaktverbindungseinrichtung (29) den zweiten Kontaktbereich (28) mit dem ersten Kontaktbereich (22) leitend verbindet; f) Einbetten des zweiten Halbleiterbauelements in ein zweites Substrat (34); g) Aufbringen von externen Kontakten (36) auf das zweite Substrat (34) und Ausbilden einer zweiten Umverdrahtung (37, 48, 49) zum Verbinden der externen Kontakte (36) mit der ersten Umverdrahtung (23, 44).
  7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Ausbilden der Umverdrahtung (23, 37, 44, 48, 49) eine leitfähige Schicht zum Ausbilden einer Massefläche (41, 42, 45, 50) und eine dielektrische Schicht (40, 43) abgeschieden und strukturiert werden, wobei die Reihenfolge der Abscheidungen derart gewählt ist, dass die dielektrische Schicht (40, 43) zwischen der Umverdrahtung (23, 37, 44, 48, 49) und der Massefläche (41, 42, 45, 50) angeordnet wird.
  8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das zweite Halbleiterbauelement nach dem Aufbringen gedünnt wird, um eine geringe Bauhöhe der Vorrichtung zu erreichen.
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