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Allgemeiner Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft Halbleiter-Bauelemente und insbesondere die Technik
des Herstellens eines Kondensators in einem Halbleiter-Bauelement.
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Halbleiter-Bauelemente
enthalten einen oder mehrere Halbleiterchips, die interne Halbleiterstrukturen
und möglicherweise
interne mechanische Strukturen besitzen können. In der Regel weisen die Halbleiterchips
von solchen Bauelementen Chip-Pads auf, die durch eine leitende
Umverteilungsschicht an externe Halbleiter-Bauelementkontakte angeschlossen
sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
beiliegenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein eingehenderes
Verständnis
von Ausführungsformen
zu vermitteln, und sind in diese Spezifikation aufgenommen und stellen
einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen
und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung von Prinzipien von
Ausführungsformen.
Andere Ausführungsformen
und viele der damit einhergehenden Vorteile von Ausführungsformen
lassen sich ohne weiteres verstehen, wenn sie durch Bezugnahme auf
die folgende ausführliche
Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen
sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Bauelements
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Bauelements
gemäß einem zweiten
Ausführungsbei spiel;
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3 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht des in 1 gezeigten
Halbleiter-Bauelements in einem Verfahren zum Herstellen des in 5 gezeigten
Halbleitermoduls;
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4 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht des in 3 gezeigten
Halbleiter-Bauelements in einem Verfahren zum Herstellen des in 5 gezeigten
Halbleitermoduls;
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5 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines auf der Basis des in 1 gezeigten Halbleiter-Bauelements
hergestellten Halbleitermoduls;
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6 zeigt
eine Perspektivansicht eines Halbleiterchips, der Chip-Pads (Chip-Anschlussflecken)
und eine untere Elektrode eines Kondensators enthält;
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7 zeigt
eine Perspektivansicht eines Halbleiter-Bauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
das den in 6 gezeigten Halbleiterchip enthält;
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8 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht des in 7 gezeigten
Halbleiter-Bauelements entlang der Linie A-B;
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9 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines in 8 gezeigten
Details X;
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10 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Moduls, das ein
Halbleiter-Bauelement gemäß einer
Ausführungsform
enthält;
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11 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Moduls, das
ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer
Ausführungsform
enthält;
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12 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines in 11 gezeigten
Details Y;
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13 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiter-Bauelements
gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
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14–16 zeigen
schematische Darstellungen von Fabrikationsprozessen zum Herstellen
des Halbleiter-Bauelements von 13 und
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17–20 zeigen
schematische Querschnittsansichten, die Fabrikationsprozesse zum Herstellen
eines dritten Moduls zeigen, das ein Halbleiter-Bauelement wie in 13 dargestellt
enthält.
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Ausführliche Beschreibung
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In
der vorliegenden ausführlichen
Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen,
die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung
spezifische Ausführungsformen
gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In
dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „Oberseite", „Unterseite", „Vorderseite", „Rückseite", „vorderer", „hinterer" usw. unter Bezugnahme
auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) benutzt. Weil Komponenten
von Ausführungsformen
in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert sein können, wird
die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und
ist in keinerlei Weise beschränkend.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle
oder logische Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die
folgende ausführliche
Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen, und
der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Es
versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen
Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden können,
sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
im Allgemeinen gleiche Bezugzahlen zur Bezugnahme insgesamt auf
gleiche Elemente in der Beschreibung verwendet werden und wobei
die verschiedenen Strukturen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu
gezeichnet sind. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken
zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis eines
oder mehrerer Aspekt von Ausführungsformen
der Erfindung zu vermitteln. Es kann jedoch einem Fachmann klar
sein, dass einer oder mehrere Aspekte der Ausführungsformen der Erfindung
mit einem geringeren Grad dieser spezifischen Details praktiziert
werden kann. In anderen Fällen
sind bekannte Strukturen und Einrichtungen in einer vereinfachten
Darstellung veranschaulicht, um das Beschreiben eines oder mehrerer
Aspekte der Ausführungsformen
der Erfindung zu erleichtern. Die folgende Beschreibung ist deshalb
nicht in einem begrenzenden Sinne zu verstehen und der Schutzbereich
der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Halbleiter-Bauelemente
mit einem eingebetteten Kondensator sind unten beschrieben. Die
Halbleiter-Bauelemente enthalten einen Halbleiterchip, der von extrem
unterschiedlichen Arten sein kann, über verschiedene Technologien
hergestellt sein kann und beispielsweise integrierte elektrische Schaltungen,
elektrooptische Schaltungen, mikromechanische Strukturen wie etwa
Brücken,
Membranen oder Zungenstrukturen und passive Elemente enthalten kann.
Diese integrierte Schaltung, falls innerhalb des Chips vorgesehen,
kann eine erste Elektrode eines Kondensators enthalten. Die erste
Elektrode kann z. B. aus dem Metall hergestellt sein, das verwendet
wird, um die in terne Verdrahtung des Halbleiterchips zu erzeugen,
wie etwa Kupfer oder Aluminium. Weiterhin enthält das Halbleiter-Bauelement eine zweite
Elektrode, die durch eine Isolierschicht von der ersten Elektrode
getrennt ist. Diese zweite Elektrode des Kondensators ist über dem
Halbleiterchip angeordnet, das heißt, sie bildet keinen Teil
der internen Chip-Verdrahtung
oder -Metallisierung des Halbleiterchips. Die zweite Elektrode kann
aus einem beliebigen geeigneten Material, z. B. einem Metall, einem
leitenden Polymer usw., hergestellt sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die die erste Elektrode und die zweite Elektrode trennende Isolierschicht
aus einem anorganischen Material hergestellt. In der Technik der
Halbleiterverarbeitung wird üblicherweise
eine Isolierschicht aus anorganischem Material (sogenannte Passivierungsschicht) auf
der Halbleiterchipoberfläche
aufgebracht. Diese Passivierungsschicht kann als die Isolierschicht
verwendet werden, die die erste und zweite Elektrode des Kondensators
trennt.
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Die
Isolierschicht kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt
sein, wie etwa z. B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Oxynitrid, ein
einen niedrigen k-Wert aufweisendes dielektrisches Material (d. h.
ein dielektrisches Material mit einer kleineren Dielektrizitätskonstante
als Siliziumdioxid) und ferroelektrisches Material. Ferner sind
Mischungen aus solchen Materialien möglich.
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Je
dünner
die Isolierschicht zwischen der ersten und zweiten Elektrode, umso
höher ist
die Kapazität
des Kondensators. Die Dicke der Isolierschicht auf der ersten Elektrode
kann unter 300 nm liegen, insbesondere unter 200 nm. In der Regel
besitzen bei der Halbleiterverarbeitung verwendete harte Passivierungsschichten
eine Dicke von 100 nm oder mehr. Es ist deshalb möglich, eine
solche harte Passivierungsschicht ohne weitere Verarbeitung als die
in dem Kondensator verwendete Isolierschicht zu verwenden. Es ist
jedoch auch möglich,
dass die Isolierschicht auf der ersten Elektrode eine Dicke von unter
50 nm besitzt, insbesondere unter 30 nm. In diesem Fall ist es möglich, einen
dünneren
Abschnitt der Passivierungsschicht als die Isolierschicht innerhalb
des Kondensators zu verwenden. Weiterhin ist anzumerken, dass die
Isolierschicht aus einem anorganischen Material (wie etwa den oben
erwähnten anorganischen
Materialien) hergestellt sein kann, das von dem für die Passivierungsschicht
verwendeten anorganischen Material verschieden ist. Dazu kann die
Passivierungsschicht über
der ersten Elektrode geöffnet
und durch die Isolierschicht ersetzt werden. Darüber hinaus ist auch möglich, dass
die Isolierschicht aus einer über
der ersten Elektrode des Halbleiterchips angeordneten Polymerschicht
hergestellt wird.
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Herkömmliche
Halbleiter-Bauelemente verwenden Kondensatoren, die entweder vollständig in den
Halbleiterchip integriert sind (beide Elektroden davon sind durch
Metallschichten des Halbleiterchips ausgebildet) oder vollständig in
einer Umverteilungsschichtstruktur etabliert sind, die Polymerschichten und
Metallschichten enthält,
die zum Führen
von elektrischen Signalen zwischen externen Kontaktpads des Halbleiter-Bauelements und Chip-Pads
des Halbleiterchips verwendet werden. Vollständig in die Umverteilungsschichtstruktur
eingebettete Kondensatoren besitzen Kapazitäten pro Fläche von in der Regel etwa 3
bis 5 pF/mm2. Zudem können hohe Toleranzen von in
der Regel 3 bis 5% oder mehr auftreten. Andererseits können Kondensatoren
gemäß unten
beschriebener Ausführungsformen
eine signifikant höhere
Kapazität
pro Fläche
von etwa 100 bis 550 pF/mm2 oder sogar noch
mehr aufweisen. Weiterhin sind Toleranzen signifikant niedriger,
weil die erste Elektrode, die während
der Frontend-Waferverarbeitung hergestellt wird, mit einer viel
höheren
Genauigkeit als jede Elektrode implementiert werden kann, die in
dem Umverteilungsschichtsystem während
der Backend-Verarbeitung hergestellt wird.
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Bei
allen Ausführungsformen
können
die Chip-Pads des Halbleiterchips aus der gleichen Metallschicht
wie die erste Elek trode des Kondensators hergestellt werden. Diese
Metallschicht kann die während
der Frontend-Verarbeitung aufgebrachte oberste Metallschicht des
Halbleiterchips sein.
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Andererseits
kann die zweite Elektrode aus der gleichen Metallschicht wie eine
Leitung hergestellt sein, die Kontaktpads, die externe Anschlüsse des
Halbleiter-Bauelements darstellen, mit den Chip-Pads des Halbleiterchips
verbindet. Somit wird die zweite Elektrode in der Regel im Rahmen
der Herstellung des Umverteilungsschichtsystems während der
Backend-Verarbeitung
hergestellt. Deshalb wird die durch die Frontend-Verarbeitungstechnologie
zur Verfügung
stehende hohe Positionsgenauigkeit mit der in den Backend-Prozessen
verfügbaren Kosteneffizienz
kombiniert.
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Ausführungsformen
des Halbleiter-Bauelements können
so gut wie in allen Arten von Modulen implementiert werden. Beispielhaft
können
weiter unten beschriebene Ausführungsformen
des Halbleiter-Bauelements in Modulen vom „Fan-Out"-Typ implementiert werden, bei denen
der Halbleiterchip in ein Formmaterial eingebettet ist, das den
Halbleiterchip seitlich umgibt. Weiterhin können Mehrchipmodule (z. B.
vom Fan-Out-Typ) bereitgestellt werden, bei denen mehrere Chips
in ein Formmaterial eingebettet sind, das die Halbleiterchips seitlich
umgibt. Bei solchen Mehrfachchipmodulen enthalten möglicherweise
nur einige der Halbleiterchips eine erste Elektrode eines Kondensators
gemäß der Erfindung.
Genauer gesagt kann ein erster Halbleiterchip eine integrierte Schaltung
(und optional keine erste Elektrode eines Kondensators gemäß der Erfindung)
enthalten, und ein zweiter Halbleiterchip kann eine derartige erste
Elektrode eines Kondensators und ein mit der ersten Elektrode verbundenes
Chip-Pad enthalten, optional jedoch keine integrierte Schaltung
(d. h. Transistoren usw.).
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1 zeigt
ein Halbleiter-Bauelement 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Das Halbleiter-Bauelement 100 enthält einen Halbleiterchip 1 mit
einer ersten Hauptoberfläche 2.
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Chip-Pads 3, 4 sind
an der ersten Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchip 1 exponiert. Ferner wird eine erste Elektrode 5 eines
Kondensators 6 an der ersten Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1 bereitgestellt. Die Chip-Pads 3, 4 und
die erste Elektrode 5 können
aus der gleichen Metallschicht strukturiert sein. Diese Metallschicht
kann die während
der Frontend-Wafer-Level-Verarbeitung aufgebrachte oberste Metallschicht
sein. Ähnlich
den Chip-Pads 3, 4 bildet die erste Elektrode 5 einen
Teil der ersten Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1. Wie in der Technik bekannt, werden während der
Frontend-Waferverarbeitung integrierte Schaltungen (mit Funktionselementen
wie etwa z. B. Transistoren, Dioden, chipinternen Kondensatoren
usw. und eine interne Chipverdrahtung) in den Halbleiterchips ausgebildet, wobei
die Chip-Pads 3, 4 durch die interne Chipverdrahtung
an die Funktionselemente der integrierten Schaltung angeschlossen
werden.
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Die
erste Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1 ist mit einer Isolierschicht 7 bedeckt.
Diese Isolierschicht 7 kann auch während der Frontend-Verarbeitung
eines Wafers, bei der mehrere Halbleiterchips 1 hergestellt
werden, aufgebracht werden. Die Isolierschicht 7 kann eine
aus einem anorganischen Material wie etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid,
Oxynitrid usw. hergestellte harte Passivierungsschicht sein. In
der Regel bedeckt diese Isolierschicht 7 im Wesentlichen
die ganze erste Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1, das heißt, wird nur über den
Chip-Pads 3, 4 entfernt, um einen elektrischen
Kontakt dorthin zu gestatten.
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Eine
zweite Elektrode 8 des Kondensators 6 wird auf
der Isolierschicht 7 aufgebracht und kann in direktem Kontakt
dazu stehen. Somit kann die Dicke der Isolierschicht 7 den
Abstand zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten
Elektrode 8 des Kondensators 6 definieren. Die
zweite Elektrode 8 kann wie zuvor erwähnt aus einem beliebigen leitenden
Material hergestellt sein. Es ist anzumerken, dass diese zweite
Elektrode 8 nicht zu der Halbleiterchip-Metallisierung
gehört, das
heißt,
keinen Teil irgendeiner während
der Frontend-Waferverarbeitung
aufgebrachten Metallschicht bildet. In der Regel wird die zweite
Elektrode 8 während
der Backend-Verarbeitung
aufgebracht und bildet einen Teil der leitenden Umverteilungsstruktur.
Dies wird unten weiter erläutert.
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Die
Fläche
der zweiten Elektrode 8 kann mindestens in einer seitlichen
Abmessung größer sein
als die Fläche
der ersten Elektrode 5. Beispielsweise kann die überschüssige Länge d zwischen
einer Rand-zu-Rand-Projektion der ersten und zweiten Elektrode 5, 8 größer sein
als 0,2 μm,
insbesondere größer als
0,4 μm.
Da typische Positionstoleranzen während der Backend-Verarbeitung
etwa 4 μm
betragen, garantiert die Übergröße der zweiten
Elektrode 8 relativ zu der ersten Elektrode 5,
dass Herstellungstoleranzen während
der Backend-Verarbeitung nicht zu einem ernsthaften Positionsversatz
der ersten und zweiten Elektrode 5, 8 führen. Ein
derartiger Versatz würde
die Kapazität
des Kondensators 6 signifikant herabsetzen.
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2 veranschaulicht
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Halbleiter-Bauelements 200. Gleiche Teile wie in 1 sind
mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Die Beschreibung in Verbindung
mit 1 gilt größtenteils
auch für 2 und wird
in diesem Ausmaß weggelassen,
um eine Wiederholung zu vermeiden. Das Halbleiter-Bauelement 200 ist ähnlich dem
Halbleiter-Bauelement 100, außer dass die Isolierschicht 7 in
einem Gebiet 7a zwischen der ersten und zweiten Elektrode 5, 8 dünner ist
als in einem Gebiet außerhalb
der ersten und zweiten Elektrode 5, 8. Die Dicke
der Isolierschicht 7 im Gebiet 7a kann etwa 20
nm oder 50 nm klein sein. Auf diese Weise kann die Kapazität des Kondensators 6 im
Vergleich zu der Kapazität
des in 1 dargestellten Kondensators 6 signifikant
erhöht
sein (vorausgesetzt die seitlichen Abmessungen der ersten und zweiten
Elektrode 5, 8 sind identisch).
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Ähnlich wie
in 1 kann die Isolierschicht 7, 7a aus
einer herkömmlichen
Passivierungsschicht von gleichförmiger
Dicke (die in der Regel mehr als 100 nm beträgt) hergestellt werden, außer dass
bei dem Gebiet 7a der Isolierschicht 7 eine zusätzliche Verarbeitung
erforderlich ist, um für
die reduzierte Dicke zu sorgen. Das Gebiet 7a reduzierter
Dicke kann beispielsweise durch einen Ätzprozess hergestellt werden,
der die Dicke der Isolierschicht 7 über der ersten Elektrode 5 auf
die Dicke der Isolierschicht 7 im Gebiet 7a reduziert.
Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Isolierschicht 7 über der ersten Elektrode 5 gleichzeitig
mit dem öffnen
der Isolierschicht 7 über
den Chip-Pads 3, 4 zu öffnen und dann selektiv eine
dünne Isolierschicht 7a über der
ersten Elektrode 5 aufzubringen. In diesem Fall kann die
Isolierschicht 7a über
der ersten Elektrode 5 aus einem anderen Material bestehen
als die die Passivierungsschicht des Halbleiterchips 1 bildende
Isolierschicht 7. Beispielsweise kann in diesem Fall die
Isolierschicht innerhalb des Kondensators 6 aus einem einen
niedrigen k-Wert aufweisenden Material oder einem ferroelektrischen
Material hergestellt sein, während
die Isolierschicht 7 außerhalb des Kondensators 6 eine
zum Beispiel aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Oxynitrid usw. hergestellte übliche Passivierungsschicht
sein kann.
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Weiterhin
wird angemerkt, dass die Isolierschicht 7 aus einem organischen
Polymermaterial hergestellt sein kann, das während der Backend-Verarbeitung
aufgebracht werden kann. Eine solche dielektrische Polymerschicht
kann eine aus einem Photolack oder einem anderen Ätzlack hergestellte Schicht
sein und kann z. B. durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase
(CVD), physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD) oder Aufschleudern
abgeschieden werden. In diesem Fall ist es möglicherweise nicht notwendig,
eine anorganische Passivierungsschicht aufzubringen.
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Die 3 bis 5 zeigen
Herstellungsprozesse zum Herstellen eines das Halbleiter-Bauelement 100 verkörpernden
Halbleiter moduls 300. Analog könnte ein Halbleitermodul gemäß dem Halbleitermodul 300 hergestellt
werden, das das Halbleiter-Bauelement 200 verkörpert.
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5 zeigt
eine leitende Umverteilungsstruktur 20, die eine erste
Polymerschicht 21, eine zweite Polymerschicht 22 und
eine zwischen der ersten Polymerschicht 21 und der zweiten
Polymerschicht 22 angeordnete Metallschicht 23 enthält. Die zweite
Polymerschicht 22 enthält Öffnungen 22.1, 22.2,
durch die ein Kontakt zwischen externen Kontaktelementen 25.1, 25.2 (z.
B. Lötkugeln)
und der Metallschicht 23 hergestellt wird. Die Metallschicht 23 wird
in der Technik oftmals als Umverteilungsschicht (Umverdrahtungsschicht)
bezeichnet.
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Der
Herstellungsprozess des Halbleitermoduls 300 wird durch 3 und 4 in
beispielhafter Weise veranschaulicht. Die erste Polymerschicht 21 wird
auf dem Halbleiter-Bauelement 100 abgeschieden. Die Dicke
der ersten Polymerschicht 21 kann zwischen 2 und 10 μm betragen,
in der Regel etwa 5 μm.
Ein standardmäßiger CVD-Prozess
oder Aufschleuderprozess kann verwendet werden. Die erste Polymerschicht 21 kann
aus einem Photolack oder aus irgendeinem anderen Ätzlack hergestellt
sein.
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Danach
wird die erste Polymerschicht 21 strukturiert (3).
Das Strukturieren kann durch in der Technik bekannte photolithographische
Techniken erfolgen. Während
des Strukturierens werden Durchgangslöcher 21.1, 21.2, 21.3 in
der ersten Polymerschicht 21 hergestellt. Am Boden der
Durchgangslöcher 21.1 und 21.3 werden
die Chip-Pads 3, 4 (z. B. aus Aluminium hergestellt)
freigelegt. Der Boden des Durchgangslochs 21.2 wird durch
die obere Oberfläche
der Isolierschicht 7 gebildet.
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Als
nächstes
wird die Metallschicht 23 auf der ersten Polymerschicht 21 aufgebracht
und strukturiert. In Durchgangslöchern 21.1 und 21.3 stellt
die Metallschicht 23 einen Kontakt zu den Chip-Pads 3 bzw. 4 her.
Im Durchgangsloch 21.2 wird die zweite Elektrode 8 auf
der Isolierschicht 7 ausgebildet.
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Viele
Techniken stehen zur Verfügung,
um die strukturierte Metallschicht 23 herzustellen, und anderem
galvanische Abscheidung, stromlose Abscheidung, Drucken usw. Beispielhaft
wird eine der verfügbaren
Techniken in Verbindung mit 7 bis 9 ausführlicher
erläutert.
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Dann
wird die zweite Polymerschicht 22 über der Metallschicht 23 abgeschieden
(5). Die zweite Polymerschicht 22 kann
aus dem gleichen Material wie die erste Polymerschicht 21 hergestellt
sein, und die Dicke der zweiten Polymerschicht 22 kann
im gleichen Bereich wie die Dicke der ersten Polymerschicht 21 liegen.
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Die
zweite Polymerschicht 22 wird dann z. B. durch photolithographische
Techniken strukturiert, um für
die Öffnungen 22.1, 22.2 zu
sorgen. Die externen Kontaktelemente 25.1, 25.2 werden
aufgebracht (z. B. Lötkugelanbringung).
Somit wird das erste externe Kontaktelement 25.1 über einen
Abschnitt der Metallschicht 23 mit dem ersten Chip-Pad 3 verbunden
und das zweite externe Kontaktelement 25.2 wird über einen
Abschnitt der Metallschicht 23 mit der zweiten Elektrode 8 des
Kondensators 6 und mit dem zweiten Chip-Pad 4 verbunden.
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Es
ist anzumerken, dass die in 3 bis 5 dargestellten
Verfahren (außer
der Kugelanbringung) Dünnfilmprozesse
sind, die Techniken wie etwa CVD, Aufschleudern, galvanische Beschichtung,
stromlose Beschichtung, Drucken, Photolithographie usw. verwenden,
die typische Dünnfilmprozesse
sind. Diese Maßnahmen
sind Teil des Backend-Fabrikationsprozesses, das heißt, sie
sind Fabrikationsprozesse, die angewendet werden, nachdem die integrierte
Schaltung fertiggestellt und getestet worden ist (sogenannte Frontend-Verarbeitung).
Es ist anzumerken, dass die in 3 bis 5 dargestellten
Backend- Prozesse
immer noch auf der Waferebene durchgeführt werden können, d.
h. vor der Trennung des Wafers in Einzelchips.
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Wenngleich
einige Technologien (wie z. B. lithographische Prozesse), die während der
Frontend-Verarbeitung und Backend-Verarbeitung verwendet werden, vom ähnlichen
Typ sind, unterliegen Frontend-Prozesse und Backend-Prozesse oftmals stark
unterschiedlichen Anforderungen. Beispielsweise muss die während der
lithographischen Frontend-Strukturierung erforderliche Positionsgenauigkeit
viel höher
sein als die in der Regel während
der Backend-Strukturierung erhaltene Positionsgenauigkeit. Deshalb
können
verschiedene Anlagen verwendet werden, was dazu führt, dass
die lithographische Backend-Strukturierung
weit weniger kostspielig ist als die lithographische Frontend-Strukturierung.
Beispielsweise kann während
der lithographischen Backend-Strukturierung der ganze Wafer durch
Verwendung der gleichen Maske der gleichen Zeit exponiert werden.
Da die Expositionsfläche
so groß ist
wie die ganze nutzbare Fläche
des Wafers, können
Maskenausrichtungstoleranzen zu Positionstoleranzen von etwa 4 μm führen. Andererseits
sind während
der lithographischen Frontend-Strukturierung
solche großen
Positionstoleranzen inakzeptabel, und deshalb müssen Stepper-Einrichtungen
(Schrittmotor-Einrichtungen)
verwendet werden, um Teilflächen
des Wafers sequenziell zu exponieren. Da die erste Elektrode 5 während der
Frontend-Verarbeitung strukturiert wird und die zweite Elektrode 8 während der
Backend-Verarbeitung strukturiert wird, wird die hohe Positionsgenauigkeit
der Frontend-Verarbeitung
mit der Kosteneffizienz der Backend-Verarbeitung kombiniert.
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Die 6 bis 9 zeigen
die Fabrikationsprozesse eines in 8 dargestellten
Halbleiter-Bauelements 400. Ähnliche Teile wie in 1 bis 5 gezeigt
sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Beschreibung in Verbindung mit 1 bis 5 gilt
größtenteils
für das Halbleiter-Bauelement 400 und
entfällt
deshalb, um eine Redundanz zu vermeiden. 6 zeigt
den Halbleiterchip 1 am Ende der Frontend-Verarbeitung.
Die Isolierschicht 7 ist bereits auf der ersten Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1 aufgebracht und strukturiert, um Chip-Pads 3, 4 zu
exponieren. Die Chip-Pads 3, 4 verlaufen entlang
eines Außenbereichs
des Halbleiterchips 1. Die erste Elektrode 5 wird
durch eine Umrisslinie dargestellt, weil sie von der Isolierschicht 7 bedeckt
ist. Wie bereits erwähnt kann
die Isolierschicht 7 eine harte Passivierungsschicht sein,
und sie bedeckt im Wesentlichen die ganze erste Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1 (außer
den Chip-Pads 3, 4). Wie bereits erwähnt können die
Chip-Pads 3, 4 und die erste Elektrode 5 aus dem „finalen
(letzten) Metall" des
Halbleiterchips 1 hergestellt sein.
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Dann
wird die erste Polymerschicht 21 z. B. durch Aufschleudern
aufgebracht und wie in 4 und 7 gezeigt
z. B. durch lithographische Techniken wie oben erläutert strukturiert.
Auf diese Weise werden Öffnungen 21.1 und 21.3 für die Verbindungen
zu der Metallschicht 23 (Umverteilungsschicht) und Öffnungen 21.2 für die erste
Elektrode 8 hergestellt.
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Dann
wird die Metallschicht 23 zusammen mit der zweiten Elektrode 8 z.
B. durch Sputtern, Strukturieren eines Beschichtungslacks und Elektroplattieren
abgeschieden. 8 zeigt eine Schnittansicht
entlang der Linie A-B in 7. Weiterhin wird die interne
Metallschicht unter der finalen Metallschicht, aus der die Chip-Pads 3, 4 und
die erste Elektrode 5 hergestellt sind, dargestellt.
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Ein
Beispiel für
den Kondensator 6 innerhalb des Details X ist in 9 gezeigt.
Die zweite Elektrode 8 enthält eine Klebeschicht 8.1,
eine Keimschicht 8.2 und eine elektroplattierte Metallschicht 8.3.
Die Klebeschicht kann aus gesputtertem TiW bestehen und kann eine
typische Dicke von 50 nm besitzen. Die Keimschicht 8.2 kann
aus gesputtertem Kupfer bestehen und kann eine typische Dicke von
etwa 150 nm besitzen. Auch die elektroplattierte Metallschicht 8.3 kann
aus Kupfer bestehen und kann eine gewünschte Dicke von z. B. 2 bis
7 μm oder
mehr besitzen. Zuerst wird die Klebeschicht 8.1 abgeschieden, um
den ganzen Halbleiterchip 1 zu bedecken. Dann wird die
Keimschicht 8.2 abgeschieden, und sie bedeckt ebenfalls
die ganze Oberfläche
des Halbleiterchips 1. Dann wird ein nicht gezeigter Photolack strukturiert,
um solche Teile der Keimschicht 8.2 zu bedecken, wo kein
Metall der Metallschicht 8, 23 aufgebracht werden
soll. Mit anderen Worten werden Teile über dem Halbleiterchip 1,
wo Leitungen und die zweite Elektrode 8 aufgebracht werden
sollen, unbedeckt gelassen. Dann wird die den ganzen Wafer bedeckende
Keimschicht 8.2 als Kathode in einem galvanischen Abscheidungsprozess
verwendet. Auf diese Weise wird das elektroplattierte Kupfer 8.3 auf
den unbedeckten Teilen der durchgehenden Keimschicht 8.2 aufgebracht.
Später
wird der Photolack entfernt. Dies führt dazu, dass die ganze Waferoberfläche nun mit
Metall bedeckt ist, nämlich
dem gesputterten Metall (z. B. Kupfer) der Keimschicht 8.2 und,
wo aufgebracht, dem elektroplattierten Metall (z. B. Kupfer) des
elektroplattierten Metalls 8.3. Mit anderen Worten sind
die Leitungen und die zweiten Elektroden 8, die in der
Umverteilungsschicht herzustellen sind, vorstehende Teile einer
Wafer-Metalltopographie.
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Dann
werden die Keimschicht 8.2 und die Klebeschicht 8.1 durch
einen Ätzprozess
entfernt. Dieser Ätzprozess
kann üblicherweise
auch einen oberen Teil des elektroplattierten Metalls 8.3 entfernen.
Am Ende des Ätzprozesses
erhält
man die strukturierte Metallschicht 23 (d. h. die strukturierte Umverteilungsschicht).
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Es
wird angemerkt, dass alternative Techniken zur Verfügung stehen,
um die strukturierte Metallschicht 23 zu produzieren. Beispielsweise
kann die strukturierte Metallschicht 23 durch einen stromlosen
Beschichtungsprozess oder durch einen Druckprozess usw. hergestellt
werden.
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Wie
bereits in Verbindung mit 5 erwähnt, wird
die strukturierte Metallschicht 23 dann von einer zweiten
Polymerschicht 22 bedeckt. Es ist anzumerken, dass die
leitende Umverteilungsstruktur 20 mehr als eine strukturierte
Metallschicht 23 und mehr als zwei Polymerschichten 21, 22 enthalten
kann.
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Die
Halbleiterchips 1 werden dann getrennt, indem der Wafer
in Einzelchips 1 zerlegt wird. 10 zeigt
ein Modul 500, das einen Chip 1, eine leitende Umverteilungsstruktur 2 und
externe Kontaktelemente (z. B. Lötkugeln) 25 enthält. Dieses
Modul 500 enthält
einen oder mehrere Kondensatoren 6 gemäß der obigen Beschreibung.
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11 zeigt
ein weiteres Modul 600. Das Modul 600 ist ähnlich dem
Modul 500, außer
dass der Halbleiterchip 1 in ein Formmaterial 60 eingebettet ist.
Das Formmaterial 60 kann irgendein geeignetes thermoplastisches
oder wärmehärtendes
Material sein. Das Formmaterial besitzt eine Hauptoberfläche 61,
die mit der ersten Hauptoberfläche 2 des
Halbleiterchips 1 bündig
ist. Die leitende Umverteilungsstruktur 20 verläuft in einer
seitlichen Richtung über den
Umriss des Halbleiterchips 1 auf der Hauptoberfläche 61 hinaus.
Somit gestattet das Formmaterial 60, die Bodenfläche des
Moduls 600 so zu vergrößern, dass
externe Kontaktelemente 25 außerhalb des Umrisses des Halbleiterchips 1 liegen
können. Solche
Module werden in der Technik als „Fan-Out"-Strukturen bezeichnet.
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12 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Fan-Out-Gebiets von Modul 600. Die zweite Elektrode 8 des
Kondensators 6 kann durch die Metallschicht 23 direkt
mit einem über
dem Formmaterial 60 angeordneten externen Kontaktelement 25 verbunden
sein.
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Verschiedene
Techniken können
eingesetzt werden, um den Halbleiterchip 1 mit dem Formmaterial 60 zu
bedecken. Eine dieser Techniken wird in Verbindung mit den 17 und 18 später ausführlicher
beschrieben. Kurz gesagt kann beispielsweise nach der Frontend-Verarbeitung
der die fertigen Halbleiterchips 1 enthaltende Wafer in
die einzelnen Halbleiterchips 1 zerlegt werden. Dann können die
Halbleiterchips 1 in einer beabstandeten Beziehung auf
einem Träger
platziert werden. Das Formmaterial 60 wird dann in flüssiger Form
aufgebracht, und ein rekonstituierter (neu zusammengesetzter) oder
künstlicher
Wafer wird z. B. durch Formpressen oder Spritzgießen ausgebildet.
Dieser rekonstituierte Wafer wird dann Backend-Fabrikationsprozessen unterzogen, durch
die die leitende Umverteilungsstruktur 20 gemäß der obigen
Beschreibung hergestellt wird. Diese Backend-Fabrikationsprozesse
werden auf die gemeinsame Ebene angewendet, die durch die ersten
Hauptoberflächen 2 der
Halbleiterchips 1 und die Oberfläche 61 des die Halbleiterchips 1 einbettenden
Formmaterials 60 ausgebildet ist. Am Ende der Backend-Fabrikation
wird der rekonstituierte Wafer in mehrere Module 600 zerlegt.
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13 zeigt
ein Halbleiter-Bauelement 700 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Das Halbleiter-Bauelement 700 ist ähnlich dem Halbleiter-Bauelement 100 von 1 mit
der Ausnahme, dass der Halbleiterchip 1.1 kein aktives
Element ist, das heißt,
er enthält
keine integrierte Schaltung mit Transistoren usw. Beispielhaft kann
der Halbleiterchip 1.1 nur die „finale" Metallschicht enthalten, aus der die
erste Elektrode 5, das Chip-Pad 4 und eine Metallleitung
(in der Schnittansicht von 13 nicht sichtbar),
die die erste Elektrode 5 und das Chip-Pad 4 verbindet,
hergestellt sind. Somit kann der Halbleiterchip 1.1 des
Bauelements 700 durch ein Stück aus massivem Silizium dargestellt
werden, das mit einem „Hybrid"-Kondensator 6 wie
oben erläutert
ausgestattet ist. Es ist anzumerken, dass das Halbleiter-Bauelement 700 auch
mit einer Isolierschicht 7 ausgestattet sein kann, die,
wie in 2 dargestellt, in einem Gebiet zwischen der ersten
und zweiten Elektrode dünner
ist.
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Die 14 bis 16 zeigen
Fabrikationsprozesse zum Herstellen des in 13 gezeigten Bauelements 700 außer der
zweiten Elektrode 8, die später aufgebracht wird.
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Während der
Frontend-Verarbeitung wird das „finale Metall" (das hier optional
das einzige Metall sein kann) als eine Metallschicht auf einem Wafer 1000 aufgebracht.
Diese Metallschicht wird strukturiert, um die erste Elektrode 5,
das Chip-Pad 4 und die die erste Elektrode 5 und
das Chip-Pad 4 verbindende Metallleitung 9 herzustellen.
Somit können
die erste Elektrode 5, das Chip-Pad 4 und die
Metallleitung 9 in einem völlig parallelen Prozess auf
Waferebene hergestellt werden.
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Dann
wird, wie in 15 gezeigt, die Isolierschicht 7 wie
etwa zum Beispiel eine anorganische harte Passivierung in der gewünschten
Dicke wie oben erläutert
aufgebracht. Die Isolierschicht 7 wird an den Positionen
des Chip-Pad 4 geöffnet.
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Wie
in 16 gezeigt, wird der Wafer 1000 dann
in einzelne Halbleiterchips 1.1 zersägt. Diese Halbleiterchips 1.1 können eine
einzelne erste Elektrode 5 oder mehrere erste Elektroden 5 enthalten. Im
letzteren Fall werden auch mehrere Metallleitungen 9 (eine
für jede
erste Elektrode 5), die jeweils mit einem der mehreren
Chip-Pads 4 verbinden, bereitgestellt.
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Die 17 bis 20 zeigen
Herstellungsprozesse zum Herstellen eines das Halbleiter-Bauelement 700 verkörpernden
Halbleitermoduls 800 (20). Die
Halbleiterchips 1.1 (mit aufgebrachter Isolierschicht 7)
können
auf einem Träger 40 platziert werden.
Weiterhin werden andere Halbleiterchips 1.2, die mit einer
integrierten Schaltung ausgestattet sind (d. h. aktive integrierte
Funktionselemente wie etwa Transistoren, Dioden usw. besitzen),
in einer beabstandeten Beziehung bei den Halbleiterchips 1.1 (die
passive Elemente sind) auf dem Träger 40 platziert.
Ein Klebeband 50 kann den Träger 40 bedecken und
die Halbleiterchips 1.1 und 1.2 festhalten. Die aktiven
Halbleiterchips 1.2 können
von einem beliebigen Typ sein, das heißt, sie können von dem oben in Verbindung
mit 1 bis 12 beschriebenen und mit dem
Bezugszeichen 1 bezeichneten Typ sein (d. h., sie können eine
erste Elektrode 5 aufweisen, um einen Kondensator 6 zu
bilden) oder sie können
vom herkömmlichen
Typ ohne eine erste Elektrode 5 eines Kondensators 6 sein.
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Das
Formmaterial 60 wird dann in flüssiger Form aufgebracht und
ein rekonstituierter oder künstlicher
Wafer 70 wird zum Beispiel durch Formpressen oder Spritzgießen ausgebildet.
Bei dem rekonstituierten Wafer 70 sind ein oder mehrere
Halbleiterchips 1.1 um eine oder entlang einer oder mehreren
Seiten nahe jedem Halbleiterchip 1.2 angeordnet. Die Halbleiterchips 1.1 können in
ihren seitlichen Abmessungen und/oder in ihrer Dicke erheblich kleiner
sein als die aktive Funktionselemente enthaltenden Halbleiterchips 1.2.
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Nach
dem Härten
des Formmaterials 60 wird der rekonstituierte Wafer 70 aus
dem Träger 40 herausgenommen
und das Klebeband 50 wird entfernt (19). Der
rekonstituierte Wafer 70 wird dann Backend-Fabrikationsprozessen
unterzogen, durch die die leitende Umverteilungsstruktur 20 gemäß der vorausgegangenen
Beschreibung hergestellt wird. Wie aus 19 ersichtlich
ist, werden diese Backend-Fabrikationsprozesse auf eine gemeinsame
Ebene angewendet, die durch die Hauptoberflächen der Halbleiterchips 1.1 und 1.2 und
eine Oberfläche 61 des die
Halbleiterchips 1.1 und 1.2 einbettenden Formmaterials 60 ausgebildet
ist. Die vorausgegangene Beschreibung der Dünnfilmtechnologie, die während der
Backend-Verarbeitung des Wafers (oder des rekonstituierten Wafers)
verwendet wird, gilt auch für die 19 und 20.
Somit kann die leitende Umverteilungsstruktur 20 erzeugt
werden, indem zwei Polymerschichten 21, 22 und
die strukturierte Metallschicht 23, die die zweite Elektrode 8 des
Kondensators 6 enthält,
aufgebracht werden. Somit verbindet die strukturierte Metallschicht 23 ein
nicht gezeigtes erstes Chip-Pad des aktiven Halbleiter chips 1.2 mit einem
Chip-Pad 4 (13) des passiven Halbleiterchips 1.1 und
verbindet weiterhin ein nicht gezeigtes zweites Chip-Pad des aktiven
Halbleiterchips 1.2 mit der zweiten Elektrode 8 (13),
die über
dem passiven Halbleiterchip 1.1 angeordnet ist und z. B.
integral mit der strukturierten Metallschicht 23 ausgebildet
ist. Auf diese Weise wird die integrierte Schaltung des aktiven
Halbleiterchips 1.2 mit dem Kondensator 6 des
passiven Halbleiterchips 1.1 verbunden.
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Nach
oder vor dem Aufbringen von externen Kontaktelementen 25 wird
der rekonfigurierte Wafer 70 an Trennlinien 71 in
einzelne Halbleitermodule 800 zerlegt. Bei dem in 20 gezeigten
Halbleitermodul muss für
die erste Elektrode 5, d. h. zum Implementieren der Kondensatoren 6,
keine oder weniger der teuren Halbleiterfläche des aktiven Halbleiterchips 1.2 verwendet
werden. Weiterhin kann sich die elektrische Leistung des Moduls 800 verbessern durch
Umsetzen der Kondensatoren 6 in „Satelliten"-Halbleiterchips 1.1.
Auf diese Weise wird der Fan-Out-Bereich des Halbleitermoduls 800,
der bei herkömmlichen
Modulen möglicherweise
nur dazu dient, die Grundfläche
des Moduls zu vergrößern, um eine
ausreichend große
Fläche
für die
externen Kontaktelemente 25 bereitzustellen, im Hinblick
auf zusätzlichen
Vorzug ausgenutzt.
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Wenngleich
hierin spezifische Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann,
dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen
anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen
verwendet werden können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Anmeldung soll alle Adaptationen oder Variationen
der hierin erörterten
spezifischen Ausführungsformen
abdecken. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und
die Äquivalente
davon beschränkt werden.