-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement
sowie ein Herstellungsverfahren für ein Leistungshalbleiterbauelement.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein neuartiges Design
für eine
Metallisierung und Passivierung für integrierte Leistungsschaltkreise.
-
Bei
der Herstellung von integrierten Leistungsschaltkreisen und von
Leistungshalbleiterbauelementen ist es wichtig, dass bei den Endprozessen des
gesamten Herstellungsverfahrens die bereits ausgebildete und dem
Leistungshalbleiterbauelement zugrunde liegende Halbleiterschaltungsanordnung
im zugrunde liegenden Halbleitermaterialbereich gegenüber bestimmten
Endprozessen und den damit verbundenen mechanischen, thermischen
und Kontaminationsbelastungen geschützt wird. Üblicherweise wird dazu nach
dem Ausbilden der zugrunde liegenden Halbleiterschaltungsanordnung der
entsprechenden obersten Metallisierung oder Topmetallisierung ein
Schutz- und Versiegelungsmaterial aufgebracht, der elektrisch isolierend
wirkt und die darunter liegenden Strukturen gegen mechanische, thermische
und Kontaminationsbeanspruchungen schützt.
-
Problematisch
bei diesem Vorgehen ist, dass die dabei verwendeten Materialschichtstapel
als zusätzliche
Maßnahmen
vorgesehen werden müssen. Dies
führt aufgrund
der höheren
Komplexität
der Strukturen zu Zuverlässigkeitseinbußen und
zu einem prozesstechnischen Mehraufwand im gesamten Herstellungsverfahren
liefern. Darüber
hinaus sind die dabei verwendeten Materialien mit einem Kostenfaktor
verbunden, der nicht unterschätzt
werden darf.
-
Die
Druckschrift
US 5,665,991
A aus dem Stand der Technik betrifft eine integrierte Schaltung auf
der Grundlage eines Halbleiterchips, bei welcher eine erste isolierende
Schicht, eine erste leitfähige Schicht,
eine zweite isolierende Schicht und eine zweite leitfähige Schicht
vorgesehen sind, wobei die zweite leitfähige Schicht über der
zweiten isolierenden Schicht liegt, um selektiv Kontakte herzustellen mit
der ersten leitfähigen
Schicht, und zwar über
so genannte Durchkontaktierungslöcher
im zweiten Isolationsmaterial. Die Kontakte werden im Halbleiterschaltungsbereich
durch die erste und zuunterst angeordnete Metallisierungsschicht
18 hergestellt.
Zur Kontaktierung und zur Einbettung oder Überdeckung der zugrunde liegenden
Struktur ist eine Mehrzahl oder Abfolge von Schichten vorgesehen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleiterbauelement
sowie entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei welchem
mit einem besonders geringen Aufwand dennoch Leistungshalbleiterbauelemente
mit verbesserter Zuverlässigkeit
bereitgestellt werden können.
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleiterbauelement
erfindungsgemäß mit dem
kennzeichnenden Merkmal des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darüber hinaus bei einem Verfahren
zum Herstellen eines Leistungshalbleiterbauelements erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
sind jeweils Gegenstand der abhängigen
Unteransprüche.
-
Erfindungsgemäß sind beim
vorgeschlagenen integrierten Leistungshalbleiterbauelement ein Halbleitermaterialbereich
oder eine grundlegende Halbleiterstruktur mit einem Oberflächenbereich
vorgesehen. Im Halbleitermaterialbereich oder in der grundlegenden
Halbleiterstruktur ist mindestens ein Halbleiterschaltungsbereich
vorgesehen. Zur Kontaktierung des Halb leitermaterialbereichs oder
der grundlegenden Halbleiterstruktur und mit diesen über Kontaktstellen
darin direkt mechanisch oder elektrisch verbunden Kontakte mit oder
aus einem obersten Metallisierungsbereich vorgesehen. Es ist ein Einbettungsmaterialbereich
zur Einbettung des Halbleitermaterialbereichs oder der grundlegenden
Halbleiterstruktur mit den Kontaktstellen und den Kontakten vorgesehen.
Direkt unter dem Einbettungsmaterialbereich ist erfindungsgemäß lateral
außerhalb
zu den Kontaktstellen und den Kontakten ein Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich
vorgesehen ist. Der oberste Metallisierungsbereich ist erfindungsgemäß lateral
auch außerhalb
zu den Kontaktstellen und den Kontakten derart ausgedehnt ausgebildet dass
dadurch der oberste Metallisierungsbereich die direkt darunter liegenden
Strukturen des integrierten Leistungshalbleiterbauelements lateral
fast vollständig
abdeckt und dass dadurch der Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich
unter Vermeidung üblicher
und zusätzlicher
elektrisch isolierender Schutz- und Versiegelungsstapelschichten
direkt durch den obersten Metallisierungsbereich ausgebildet ist.
-
Kernidee
der vorliegenden Erfindung ist bei einem Leistungshalbleiterbauelement
das Vorsehen eines ausgedehnt ausgebildeten obersten Metallisierungsbereichs,
welcher sich über
die Kontakte zur Kontaktierung der Kontaktstellen der zugrunde liegenden
Halbleiterschaltungsanordnung und des zugrunde liegenden Halbleiterschaltungsbereichs
lateral hinaus erstreckt, so dass dadurch inhärent der Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich
und dessen Funktionalität
mit ausgebildet sind. Dadurch wird die Notwendigkeit des Vorsehens üblicher
und zusätzlicher
elektrisch isolierender Schutz- und Versiegelungsstapelschichten
vermieden, so dass gegenüber
dem Stand der Technik sich einfachere und kostengünstigere
Materialstrukturen mit entsprechend vereinfachen Herstellungsverfahren
ergeben.
-
Im
Sinne der Erfindung kann die vorgestellte Struktur jeweils auf einem
Halbleitermaterialbereich oder auf einer grundlegenden Halbleiterstruktur
basieren. Darunter kann z. B. jeweils verstanden werden ein Halbleitersubstrat,
in oder auf welchem jeweils Grundstrukturen, z. B. für Source,
Drain, Gate, Kontaktierungen und/oder dergleichen, ein- oder aufgebracht
sind, so dass der oberste Metallisierungsbereich z. B. eine zweite
Metallisierung oder Metallisierungslage ist. Insbesondere kann unter
der grundlegenden Halbleiterstruktur verstanden werden eine Struktur,
die komplexer aufgebaut ist und z. B. bereits eine Mehrzahl von
n Metallisierungen besitzt, so dass der oberste Metallisierungsbereich
z. B. eine (n + 1)-te Metallisierung oder Metallisierungslage ist.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements sind
der oberste Metallisierungsbereich insgesamt und mithin die Kontakte
und der Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich miteinander einstückig als durchgehender
Materialbereich ausgebildet.
-
Alternativ
oder zusätzlich
sind bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements
zur elektrischen Isolation elektrisch voneinander zu isolierender
Bereiche oder Kontakte elektrisch isolierende Grabenstrukturen ausgebildet,
die sich vom Oberflächenbereich
des obersten Metallisierungsbereichs durchgehend bis zum Oberflächenbereich
eines jeweils direkt unter dem obersten Metallisierungsbereich liegenden
Materialsbereichs erstrecken.
-
Bei
einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements
ist die Grabenstruktur jeweils mit einem elektrisch isolierenden
Material gefüllt
ist.
-
Alternativ
oder zusätzlich
dazu kann die Grabenstruktur jeweils mit dem Material des Einbettungsmaterialbereichs
gefüllt
sein.
-
Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements
sind zur externen elektrischen Kontaktierung von Halbleiterschaltungsbereichen
der zugrunde liegenden Halbleiterschaltungsanordnung Kontaktelemente
oder Bonddrähte
vorgesehen, die mit den Kontakten elektrisch kontaktiert sind, die
zum Teil im Einbettungsmaterialbereich eingebettet sind und die
nach außen
hin außerhalb
des Einbettungsmaterialbereichs einen elektrischen Anschluss bilden oder
haben.
-
Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements
ist zur Verbesserung der Adhäsion
mit dem Einbettungsmaterialbereich der Oberflächenbereich des obersten Metallisierungsbereichs
zusätzlich
oder alternativ oberflächenbehandelt.
-
Zur
Verbesserung der Adhäsion
mit dem Einbettungsmaterialbereich kann zusätzlich oder alternativ bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements
der Oberflächenbereich
der Kontaktelemente oder Bonddrähte
oberflächenbehandelt
sein.
-
Der
oberste Metallisierungsbereich kann z. B. durch Sputtern, Bedampfen,
Galvanik, Autogalvanik oder CVD ausgebildet sein.
-
Als
Metallisierungsmaterial für
den obersten Metallisierungsbereich bieten sich Metalle, Halbmetalle,
Metalllegierungen, elektrisch leitende Materialien allgemein oder
Verbindungen oder Gemische daraus an, z. B. Aluminium, Kupfer, Aluminium-Kupfer oder AlCu,
AlCuSi, AlSiCu, Wolfram, Nickel, Nickel-Phosphor oder NiP, Palladium, Gold,
Molybdän, Silber,
Zink, dotiertes Polysilizium oder Gemische oder Verbindungen daraus.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen eines integrierten Leistungshalbleiterbauelements vorgeschlagen,
- – bei
welchem ein Halbleitermaterialbereich oder eine grundlegende Halbleiterstruktur
mit einem Oberflächenbereich
vorgesehen werden,
- – bei
welchem im Halbleitermaterialbereich oder in der grundlegenden Halbleiterstruktur
mindestens ein Halbleiterschaltungsbereich vorgesehen wird,
- – bei
welchem zur Kontaktierung des Halbleiterschaltungsbereichs im Oberflächenbereich
des Halbleitermaterialbereichs oder der grundlegenden Halbleiterstruktur
und mit diesen über
Kontaktstellen darin direkt mechanisch oder elektrisch verbunden
Kontakte mit oder aus einem obersten Metallisierungsbereich vorgesehen
werden,
- – bei
welchem ein Einbettungsmaterialbereich zur Einbettung des Halbleitermaterialbereichs
oder der grundlegenden Halbleiterstruktur mit den Kontaktstellen
und den Kontakten vorgesehen wird und
- – bei
welchem direkt unter dem Einbettungsmaterialbereich lateral außerhalb
zu den Kontaktstellen und den Kontakten ein Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich
vorgesehen wird,
- – wobei
der oberste Metallisierungsbereich lateral auch außerhalb
zu den Kontaktstellen und den Kontakten derart ausgedehnt ausgebildet
wird,
- – dass
dadurch der oberste Metallisierungsbereich die direkt darunter liegenden
Strukturen des integrierten Leistungshalbleiterbauelements lateral
fast vollständig
abdeckt und
- – dass
dadurch der Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich unter Vermeidung üblicher
und zusätzlicher
elektrisch isolierender Schutz- und Versiegelungsstapelschichten
direkt durch den obersten Metallisierungsbereich ausgebildet wird.
-
In
vorteilhafter Weise können
der oberste Metallisierungsbereich insgesamt und mithin die Kontakte
und der Schutz- und Versiegelungsmaterialbereich miteinander einstückig als
durchgehender Materialbereich ausgebildet werden.
-
Alternativ
oder zusätzlich
ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass zur elektrischen Isolation elektrisch voneinander
zu isolierender Bereiche oder Kontakte elektrisch isolierende Grabenstrukturen
ausgebildet werden, die sich vom Oberflächenbereich des obersten Metallisierungsbereichs
durchgehend bis zum Oberflächenbereich
eines jeweils direkt unter dem obersten Metallisierungsbereich liegenden
Materialsbereichs erstrecken.
-
Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es alternativ oder zusätzlich
vorgesehen, dass die Grabenstruktur jeweils mit einem elektrisch
isolierenden Material gefüllt
wird.
-
Dabei
kann die Grabenstruktur jeweils mit dem Material des Einbettungsmaterialbereichs
gefüllt werden.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es alternativ oder zusätzlich
vorgesehen, dass zur externen elektrischen Kontaktierung von Halbleiterschaltungsbereichen
der zugrunde liegenden Halbleiterschaltungsanordnung Kontaktelemente
oder Bonddrähte vorgesehen
werden, die mit den Kontakten elektrisch kontaktiert sind, die zum
Teil im Einbettungsmaterialbereich eingebettet sind und die nach
außen
hin außerhalb
des Einbettungsmaterialbereichs einen elektrischen Anschluss bilden
oder haben.
-
Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es alternativ oder zusätzlich
vorgesehen, dass zur Verbesserung der Adhäsion mit dem Einbettungsmaterialbereich
der Oberflächenbereich
des obersten Metallisierungsbereichs oberflächenbehandelt wird.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann es vorgesehen sein, dass zur Verbesserung der Adhäsion mit dem
Einbettungsmaterialbereich der Oberflächenbereich der Kontaktelemente
oder Bonddrähte
oberflächenbehandelt
werden.
-
Es
ist denkbar, dass der oberste Metallisierungsbereich durch Sputtern,
Bedampfen, Galvanik, Autogalvanik oder CVD ausgebildet wird.
-
Als
Metallisierungsmaterial für
den obersten Metallisierungsbereich können Metalle, Halbmetalle, Metalllegierungen,
e lektrisch leitende Materialien allgemein oder Verbindungen oder
Gemische daraus, z. B. Aluminium, Kupfer, Aluminium-Kupfer oder AlCu,
AlCuSi, AlSiCu, Wolfram, Nickel, Nickel-Phosphor oder NiP, Palladium, Gold,
Molybdän,
Silber, Zink, dotiertes Polysilizium oder Gemische oder Verbindungen
davon verwendet werden.
-
Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung mit anderen Worten weiter erläutert:
Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein neuartiges Metallisierungs-
und Passivierungsdesign für
integrierte Leistungsschaltkreise und Leistungshalbleiterbauelemente.
-
Einleitung
-
Der
Aufbau und die Herstellung hochzuverlässiger und robuster BEOL-Stapelelemente
(BEOL: Back-End-Of-Line) für
integrierte Leistungsschaltkreise oder Leistungshalbleiter ist ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung. Es handelt sich dabei
insbesondere um ICs mit Einrichtungen, die dazu ausgelegt sind,
hohe Spannungen und/oder elektrische Ströme zu handhaben. Der Begriff
BEOL oder Back-End-Of-Line bezieht sich auf Vorgänge und Prozessabschnitte und
entsprechende Strukturen nach dem Ausbilden von Devices im Halbleitersubstrat.
-
Technischer
Hintergrund
-
BEOL-Stapelelemente
für Leistungs-ICs
bestehen typischerweise aus zwei Metallschichten. Es sind jedoch
auch eine höhere
Mehrzahl von Metallschichten denkbar. Die erste der Metallschichten
ist eine dünne
Metallschicht und bildet feine Strukturen aus. Über dieser ersten Metallschicht
wird ein Intermetalldielektrikum ausgebildet. Die oberste Metallschicht
oder Metalllage – das
so genannte Powermetall – kon taktiert
die erste Metallschicht oder Metalllage durch so genannte Durchkontaktierungsöffnungen
oder Via-Öffnungen.
Die Zielsetzung der obersten Metallisierungsschicht besteht gewöhnlich darin, hohe
elektrische Ströme
zu leiten und zu verteilen, die beim Betrieb von Leistungseinrichtungen
des ICs auftreten, insbesondere von so genannten DMOS-Transistoren übertragen
und geschaltet werden. Daher wird die oberste Metallschicht oder
oberste Metallisierungsschicht im Vergleich zu anderen Metall- oder
Metallisierungsschichten mit einer höheren Schichtstärke ausgebildet.
-
Des
Weiteren werden die Kontaktierungspads zur elektrischen Analyse
oder für
elektrische Tests und die Drahtanbindungen in der obersten Metallisierungsschicht
strukturiert. Dies bedeutet, dass typischerweise nur der Bereich
oder die Fläche
der Leistungseinrichtungen des ICs und die so genannten Pads oder
Kontaktflecken mit der obersten Metallisierungsschicht, die auch
als Top-Metal-Layer bezeichnet wird, beschichtet werden, während die
Logikanteile des Chips von der so genannten Powermetallisierung
frei bleiben.
-
Nachdem
die stärker
ausgebildete Topmetallisierung ausgebildet wurde, wird ein Passivierungsschichtstapel
abgeschieden, z.B. bestehend aus einer Siliziumnitridschicht und
einer so genannten Imidschicht, die abgeschieden und danach strukturiert
werden. Der Passivierungsschichtstapel arbeitet mit folgenden Zielsetzungen:
- 1) Der Passivierungsschichtstapel schützt die
Einrichtungen vor Verunreinigungen, Kontaminationen sowie Feuchte.
- 2) Der Passivierungsschichtstapel puffert die thermomechanischen
Spannungen, die durch das Package oder das so genannte Gehäuse auf
den Chip ausgeübt
werden.
- 3) Der Passivierungsschichtstapel gewährleistet eine gute Adhäsion zwischen
dem Chipmaterial und dem Einbettungsmaterial des Gehäuses.
-
Das
Nitrid muss abgeschieden werden, weil beispielsweise die Adhäsion des
Imids am Metall vergleichsweise schlecht ist. Andererseits haftet
die Einbettungsschicht vergleichsweise schlecht am Metall selbst
an.
-
Dies
bedeutet, dass eine Hauptzielsetzung insbesondere der Imidschicht
darin besteht, die Adhäsion
zu unterstützen.
Unabhängig
davon trägt
aber gerade das Imid aufgrund der damit verbundenen hohen Materialkosten
einen hohen Kostenanteil bei der Chipherstellung
-
Aspekte der
Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
sowie die erfindungsgemäße Struktur
unterscheiden sich von herkömmlichen
Verfahren und von der herkömmlichen
Struktur insbesondere im Hinblick auf das Design der stärker ausgebildeten
obersten Metallschicht. Dies bedeutet insbesondere, dass erfindungsgemäß die oberste
Metallschicht oder die von der obersten Metallschicht bedeckten
Bereiche oder Flächen
im Vergleich zum Stand der Technik erweitert ausgebildet sind, so
dass fast die gesamte Oberfläche
des Chips damit bedeckt ist, insbesondere also auch diejenigen Bereiche,
die nicht von DMOS-Einrichtungen eingenommen werden. Dies bedeutet,
dass so viel Oberfläche
des Chips wie nur irgend möglich
von einer dicken Metallschicht, nämlich der Powermetallschicht,
bedeckt wird. Um dennoch die notwendigen Isolationsmechanismen und elektrisch
isolierenden Strukturen zwischen Schaltungsanteilen zu gewährleisten,
die nicht miteinander elektrisch verbunden werden dürfen, sind
Grabenstrukturen ausgebildet, die sich von der Oberfläche der
obersten Metallisierungsschicht bis vollständig zu einer unter der obersten
Metallisierungsschicht liegenden Material schicht erstrecken und
insbesondere eine minimale Ausdehnung besitzen, also z.B. in der Größenordnung
der minimalen Strukturgröße, die
die Strukturierungsmethoden der verwendeten Technologien zulassen.
-
Die
Zielsetzung des Schützens
und Versiegelns der der Halbleiterschaltungsanordnung zugrunde liegenden
Einrichtungen im Hinblick auf die Umgebung wird dabei von der Schutz-
und Passivierungsschicht aus dem Stand der Technik auf die oberste
Metallisierungsschicht übertragen.
Das Abdecken der Chipoberfläche
schafft somit den Schutz der darunter liegenden Einrichtungen wie
bei einer herkömmlichen
Schutz- und Passivierungsschicht, jedoch ohne den Einsatz von Imidschichten
oder Nitridschichten notwendig werden zu lassen.
-
Wie
oben bereits erwähnt
wurde, sind die Adhäsionseigenschaften
des Einbettungsmaterials, also z.B. einer Pressmasse zur Ausbildung
eines Packages oder eines Gehäuses,
im Hinblick auf die Oberfläche
des Metalls eher schlecht. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um
diesem Problem Herr zu werden. Es ist z.B. vorgesehen, die Adhäsion der
Pressmasse oder des Packagematerials am Metall der obersten Metallisierungsschicht
dadurch zu verbessern, dass im Hinblick auf die Oberfläche des obersten
Metallisierungsbereichs durchgeführt
wird, der insbesondere darin besteht, eine dendritische Cr/Zn-Schicht
direkt vor dem Einbetten mit dem Einbettungsmaterial an der Metalloberfläche abzuscheiden.
Ein anderes Verfahren zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften des Einbettungsmaterials am
obersten Metall besteht darin, ein organisches Polymer, welches
auch Primer genannt wird, auf der Oberfläche des Lead Frames, auf der
Oberfläche
des gelöteten
Chips und der Oberfläche
der Anbindungsdrähte
(Bond Wire) aufzubringen.
-
Dies
bedeutet, dass eine große
Metalloberfläche,
die in der oben beschriebenen Art und Weise ausgebildet wurde, die
dar unter liegende Einrichtung nicht nur schützt, sondern auch eine gleichförmige Fläche oder
einen gleichförmigen
Bereich aus Metall bereitstellt, auf welchen die Einbettungsschicht
nach einer speziellen Behandlung im Endfertigungsprozess besonders
gut anhaften kann. Im Gegensatz dazu zeigt das herkömmliche
Design der Topmetallisierung und der Passivierungsschicht, bei welchem mehrere
Oberflächen – z.B. aus
Metall, Imid, Nitrid – und
Grenzflächen
vorliegen, wobei das beschriebene Verfahren in geeigneter Weise
zu einem einfachen und daher robusten und verlässlichen Stapel an Materialschichten
führt.
Während
die Sprödigkeit
des Nitrids zu spannungsbedingten oder druckbedingten Brüchen in
der Passivierungsschicht führen
kann, ist die mit höherer
Schichtstärke
und gleichmäßig ausgebildete
Metallschicht flexibel und kann daher Deformationen der Einbettungsmasse
während
Temperaturänderungen
aufnehmen und absorbieren und entkoppelt somit mechanische Spannungen
oder Drücke,
die durch das Gehäuse
oder die Einbettungsschicht auf den Chip ausgeübt werden. Dies führt des
Weiteren zu einer höheren
Robustheit und Zuverlässigkeit
der Einrichtung. Dies sind die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung,
wobei darüber hinaus
Kosteneinsparungen durch das Vermeiden von Nitridschichten und Imidschichten
hinzukommen.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung schafft unter anderem folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleiterbauelementen
oder Verfahren zu deren Herstellung:
- 1) Die
Chipoberfläche
ist fast vollständig
mit einer dicken Metallschicht bedeckt, welche die Einrichtungen
der dem Leistungshalbleiterbauelement zugrunde liegenden Halbleiterschaltungseinrichtung
von Verunreinigungen, Kontaminationen und Feuchte wie im Fall einer
zusätzlichen
und i solierenden Passivierungsschicht aus dem Stand der Technik
schützt.
- 2) Thermomechanische Beanspruchungen und Spannungen können durch
die Dicke und fast völlig
ununterbrochene Metallschicht absorbiert werden.
- 3) Durch spezielle Behandlungsschemata vor dem Einbetten in
ein Einbettungsmaterial oder in ein Gehäusematerial kann eine bessere
Adhäsion oder
Anhaftung des Einbettungsmaterials oder der damit in Zusammenhang
stehenden Pressmasse am Chip hergestellt werden, und zwar verglichen
mit einer Mehrfachschicht aus Nitrid/Imid. Zusätzlich muss eine Optimierung
eines die Adhäsion
unterstützenden
oder verstärkenden
Materials nur im Hinblick auf ein Oberflächenmaterial optimiert werden,
nämlich
in Bezug auf das Metall, welches der dicken Metallschicht zugrunde liegt,
die als oberste Metallschicht verwendet wird. Dies vereinfacht die
Anforderungen an einen derartigen Adhäsionspromoter maßgeblich.
Die strukturierten Flächenbereiche
sind vergleichsweise klein und spielen für die Haftung keine Rolle.
- 4) Durch die Vermeidung bestimmter Schichten, nämlich der
Nitridschicht und/oder der Imidschicht wird die Zuverlässigkeit
der geschaffenen Leistungshalbleiterbauelemente gesteigert, da dadurch
die Anzahl von Grenzflächen
aufeinander folgender Materialien reduziert wird.
- 5) Durch das erfindungsgemäße Vorgehen
werden zwei Lithografieschichten oder Lithografieschritte vermieden
und eliminiert, wodurch sich das Auftreten von Defekten beim Herstellungsvorgang
reduziert und sich damit die Zuverlässigkeit des Herstellungsverfahrens
und der hergestellten Leistungshalbleiterbauelemente steigert.
- 6) Die erfindungsgemäß beschriebene
BEOL-Schichtanordnung oder -Stapelanordnung verwendet weder Nitrid
noch Imid und birgt deshalb geringere Herstellungskosten, verglichen
mit herkömmlichen
Schichtsystemen oder Schichtstapeln.
-
Kernaspekte
der vorliegenden Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung beruht unter anderem insbesondere darauf,
die ohnehin vorzusehende oberste Metallisierungsschicht oder Metallschicht
lateral derart auszudehnen, dass der zugrunde liegende Halbleiterchip
im Sinne eines Halbleitermaterialbereichs mit einer dort enthaltenen
Halbleiterschaltungsanordnung fast vollständig durch eine entsprechend
dicke Metallschicht der obersten Metallisierung abgedeckt oder bedeckt
wird. Ferner wird dabei insbesondere eine spezielle Oberflächenbehandlung
in Bezug auf den Lead Frame oder Leiterrahmen, dem gelöteten Chip
und die Verbindungsdrähte
direkt vor dem Einbetten in ein Gehäusematerial, Einbettungsmaterial
oder eine Pressmasse durchgeführt,
um insbesondere die Anhaftungs- oder Adhäsionseigenschaften zu verbessern.
-
Nachfolgend
werden diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung anhand
bevorzugter Ausführungsformen
auf der Grundlage der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
-
1 ist
eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements.
-
2 ist
eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines Leistungshalbleiterbauelements
aus dem Stand der Technik.
-
3 ist
eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungs halbleiterbauelements,
wobei jedoch die der obersten Metallisierungsschicht nachfolgenden
Materialschichten fortgelassen wurden.
-
4 zeigt
in schematischer Draufsicht ein anderes Leistungshalbleiterbauelement
aus dem Stand der Technik.
-
Nachfolgend
werden funktionell und/oder strukturell ähnliche oder vergleichbare
Elemente und Strukturen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet,
ohne dass in jedem Fall des Auftretens der jeweiligen Bezugszeichen
eine detaillierte Beschreibung wiederholt wird.
-
1 ist
eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements 1.
Dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement 1 aus 1 liegt
ein Halbleitermaterialbereich 20 zugrunde, welches auch
als Substrat bezeichnet werden kann. In diesem Substrat 20 sind
ein erster Halbleiterschaltungsbereich 31 und ein zweiter Halbleiterschaltungsbereich 32 ausgebildet,
die gemeinsam die dem Leistungshalbleiterbauelement 1 zugrunde
liegende Halbleiterschaltungsanordnung 30 bilden. Der erste
Halbleiterschaltungsbereich 31 kann z.B. eine Leistungshalbleiterschaltung
beinhalten oder bilden. Der zweite Halbleiterschaltungsbereich 32 kann
z.B. eine Halbleiterlogikschaltung beinhalten oder bilden. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf eine derartige Anzahl oder Anordnung von ersten und
zweiten Halbleiterschaltungsbereichen 31 und 32 beschränkt.
-
Der
Halbleitermaterialbereich 20 weist einen Oberflächenbereich 20a auf.
Auf diesem ist zur Kontaktierung der Halbleiterschaltungsbereiche 31, 32 der
Halbleiterschaltungsanordnung 30 eine Mehrzahl Kontaktstellen 33 und 34 vorgesehen.
Diese Kontaktstellen 33 und 34 werden z.B. von
einer ersten und unteren Metallisierungsebene und einem ersten oder unteren
Metallisierungsbereich gebildet. Abgedeckt ist die Struktur aus
Halbleiterschaltungsanordnung 30 mit dem ersten und zweiten
Halbleiterschaltungsbereichen 31 und 32 durch
einen Isolationsbereich 40, der auch als Zwischenoxid ausgebildet
sein kann oder auch als Intermetalldielektrikum bezeichnet wird.
Dieser Isolationsbereich 40 besitzt seinerseits einen Oberflächenbereich 40a und
im Bereich der ersten und zweiten Kontaktstellen 33 und 34 Ausnehmungen 42,
durch welche die ersten und zweiten Kontaktstellen 33 und 34 zumindest
zum Teil freigelegt werden, um mit einem obersten Metallmaterial 73 gefüllt zu werden,
welches den obersten Metallisierungsbereich 70 und mithin
erste und zweite Kontakte 51 und 52 für die ersten
und zweiten Kontaktstellen 33 bzw. 34 bildet und
einen Oberflächenbereich 70a aufweist.
Im Bereich der ersten und zweiten Kontakte 51 und 52 sind
am Oberflächenbereich 70a des
Metallmaterials 73 des obersten Metallisierungsbereichs 70 Kontaktelemente 55 in
der Form von so genannten Bonddrähten
angebracht. Durch diese Bonddrähte 55 wird
die dem Leistungshalbleiterbauelement 1 zugrunde liegende
Halbleiterschaltungsanordnung 30 über die ersten und zweiten
Kontakte 51 und 52 extern kontaktiert. Zum Schutze
und zur elektrischen Isolation ist die so erhaltene Struktur in
ein Einbettungsmaterial 90 eingebettet. Das Einbettungsmaterial 90 besitzt
einen Oberflächenbereich 90a und
kann auch als Pressmasse oder als Gehäuse für das Leistungshalbleiterbauelement 1 oder
als Teil davon bezeichnet werden. Zur elektrischen Isolation von
einander elektrisch zu isolierender Strukturen der dem Leistungshalbleiterbauelement 1 zugrunde
liegenden Halbleiterschaltungsanordnung 30 sind im Metallmaterial 73 des
obersten Metallisierungsbereichs 70 Ausnehmungen oder Grabenstrukturen 72 vorgesehen,
die vom Oberflächenbereich 70a durchgehend
bis zu einem Oberflächenbereich 40a eines
unter dem obersten Metallisierungsbereichs 70 liegenden
Materials reichen, wobei dieser direkt unter dem obersten Metallisierungsbereich 70 liegende
Materialbereich gebildet wird vom Intermetalldielektrikum 40.
Die Grabenstruktur 72 wird aufgefüllt durch das Einbettungsmaterial 90.
Auf diese Art und Weise ist fast die gesamte Struktur unterhalb
des obersten Metallisierungsbereichs 70 in Bezug auf ihre
laterale Ausdehnung fast vollständig
mit dem Metallmaterial 73 des obersten Metallisierungsbereichs 70 abgedeckt,
so dass vom obersten Metallisierungsbereich 70 gleichzeitig
die Funktion einer Schutz- und Versiegelungsschicht oder eines Schutz-
und Versiegelungsbereichs 60 erfüllt wird.
-
Im
Gegensatz dazu ist es bei einem Leistungshalbleiterbauelement 1' aus dem Stand
der Technik gemäß 2 notwendig,
zum Schutz und zur Versiegelung tiefer liegender Materialstrukturen des
herkömmlichen
Leistungshalbleiterbauelements 1' einen Schutz- und Versiegelungsschichtstapel 61, 62 auszubilden,
wobei dieser auch zu strukturieren ist, um Ausnehmungen 64 für den Anschluss
der Bonddrähte 55 auf
den Oberflächenbereich 70a des obersten
Metallisierungsbereichs 70 im Bereich der ersten und zweiten
Kontakte 51 und 52 zu realisieren. Gleichzeitig
erkennt man aus 2 auch, dass keine fast vollständige Abdeckung
der unterhalb des obersten Metallisierungsbereichs 70 liegenden Struktur
des herkömmlichen
Leistungshalbleiterbauelements 1' vorliegt, da die freigelegten
Bereiche 72' dieser
Struktur, die kein Metallmaterial 73 des obersten Metallisierungsbereichs 70 abdeckt,
einen sehr viel größeren Umfang
einnehmen.
-
Im
Gegensatz zum erfindungsgemäßen Vorgehen
ist also bei der Ausführungsform
der 2 das Ausbilden einer Mehrzahl zusätzlicher
Schichten 61 und 62 im Sinne eines Schutz- und
Passivierungsschichtstapels 65 notwendig, so dass beim
Herstellen eines herkömmlichen
Leistungshalbleiterbauelements zusätzliches und teures Material
eingesetzt und in einem zusätzlichen
Verfahrensschritt strukturiert werden muss. Die unterste Schicht 61 des Schutz-
und Passivierungsschichtstapels 65 kann z.B. aus einem
Nitrid bestehen, die oberste Schicht 62 des Schutz- und
Passivierungsschichtstapels 65 kann aus einem Imid bestehen.
-
3 zeigt
eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleiterbauelement 1, welches ähnlich aufgebaut
sein kann wie das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement 1,
wobei jedoch die oberhalb des obersten Metallisierungsbereichs 70 angeordneten Materialschichten
sowie die Bonddrähte 55 aus 1 fortgelassen
sind. Man erkennt, dass fast die gesamte Fläche der unterhalb des obersten
Metallisierungsbereichs 70 liegenden Struktur mit Metallmaterial 73 des
obersten Metallisierungsbereichs 70 abgedeckt ist, so dass
die gesamte Oberfläche
des Leistungshalbleiterbauelements 1 aus 3 mit
dem ersten Halbleiterschaltungsbereich 31 und dem zweiten
Halbleiterschaltungsbereich 32 der zugrunde liegenden Halbleiterschaltungsanordnung 30 mit
dem Oberflächenbereich 70a des
obersten Metallisierungsbereichs 70 ausgebildet ist. Beim
zweiten Halbleiterschaltungsbereich 32 sind im unteren
Bereich der 3 auch entsprechende erste und
zweite Kontakte 51 und 52 gezeigt, die gegenüber dem
Rest des obersten Metallisierungsbereichs 70 durch entsprechend
vorgesehene Grabenstrukturen 72 oder Ausnehmungen 72 elektrisch
isoliert sind.
-
Im
Gegensatz dazu zeigt die herkömmliche Ausführungsform
eines Leistungshalbleiterbauelements 1' aus 4 ebenfalls
in schematischer Draufsicht, dass ausschließlich der erste Halbleiterschaltungsbereich 31 das
Metallmaterial 73 des obersten Metallisierungsbereichs 70 aufweist
und ansonsten nur im Bereich der ersten und zweiten Kontakte 51 und 52 entsprechende
Bereiche des Metallmaterials 73 vorgesehen sind, nämlich direkt
oberhalb der ersten und zweiten Kontaktstellen 33 und 34.
Ansonsten ist im Bereich der zweiten Halbleiterschaltungsanordnung 32 keine
Abdeckung mit dem obersten Metallisierungsbereich 70 und
dem entsprechenden Metallmaterial 73 vorgesehen, so dass
sich lateral vergleichsweise großräumig ausgebildete Ausnehmungen
oder Freilassungen 72' ergeben.
-
Die
in den Figuren dargestellten Kontakte 51 und 52 können eine
beliebige Grundfläche
besitzen; sie sind nicht auf die in den Figuren gezeigte achteckige
Form festgelegt.