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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Halbleiterbauelement mit bleifreien Lotkugeln zum direkten Anbringen eines geeignet gestalteten Gehäuses oder Trägersubstrats an einem Chip.
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Stand der Technik
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Bei der Herstellung integrierter Schaltungen ist es für gewöhnlich notwendig einen Chip in ein Gehäuse einzubringen und Anschlüsse und Leitungen zum Verbinden der Chipschaltung mit der Peripherie vorzusehen. In einigen Techniken zum Einbringen in ein Gehäuse werden Chips, Chipgehäuse und andere geeignete Einheiten mittels Lotkugeln verbunden, die aus sogenannten Lothöckern oder Höckern aufgebaut sind, die wiederum auf Metallgebieten des Metallisierungssystems zumindest einer Einheiten ausgebildet sind, beispielsweise in dem Metallisierungssystem des mikroelektronischen Chips. Um den mikroelektronischen Chip mit dem entsprechenden Träger zu verbinden, besitzen die Oberflächen der beiden jeweiligen Einheiten, die zu verbinden sind, d. h. ein mikroelektronischer Chip mit beispielsweise einer oder mehreren integrierten Schaltungen, und ein entsprechendes Gehäuse, darauf ausgebildete geeignete Anschlussflächenanordnungen, um die beiden Einheiten nach dem Wiederaufschmelzen der Lotkugeln elektrisch zu verbinden, wobei die Lotkugeln zumindest auf einer der Einheiten, beispielsweise auf dem mikroelektronischen Chip, vorgesehen sind. In anderen Techniken müssen Lotkugeln hergestellt werden, die mit entsprechenden Drähten in Verbindung gebracht werden, oder die Lotkugeln werden mit jeweiligen Anschlussflächen eines weiteren Substrats, das als eine Wärmesenke dient, in Verbindung gebracht. Folglich kann es notwendig sein, eine große Anzahl an Lotkugeln zu bilden, die über die gesamte Chipfläche hinweg verteilt sind, wodurch beispielsweise die I/O-Ressourcen bereitgestellt werden, die für moderne elektronische Chips erforderlich sind, die für gewöhnlich komplexe Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherschaltungen und dergleichen aufweisen, und/oder eine Vielzahl an integrierten Schaltungen enthalten, die ein vollständiges komplexes Schaltungssystem bilden.
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Um hunderte oder tausende mechanisch gut befestigter Lotkugeln auf entsprechenden Flächen vorzusehen, erfordert der Vorgang des Anbringens der Lotkugeln eine gewissenhafte Gestaltung, da das gesamte Bauelement bei einem Fehler lediglich in einer der Lotkugeln funktionsunfähig werden. Aus diesem Grunde werden eine oder mehrere spezielle Metallschichten in der Regel zwischen den Hockern, die aus den Lotkugeln durch Wiederaufschmelzen erzeugt werden, und dem darunter liegenden Substrat oder der Scheide, die die Anschlussflächenanordnung enthält, vorgesehen.
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Die Größe der Lotkugeln ist ein wichtiger Parameter während der weiteren Bearbeitung des Halbleiterbauelements, da eine zuverlässige intermetallische Verbindung beim Verbinden eines Gehäusesubstrats mit einer komplementären Anschlussflächenanordnung, die darauf ausgebildet ist, und den Lotkugeln wesentlich von einem geeigneten Kontakt der Lotkugeln und der zugehörigen Lötanschlussflächen des Gehäusesubstrats abhängt. Daher sorgen die einen oder die mehreren Metallschichten, die unterhalb der Lothöcker angeordnet sind, und die üblicherweise als Höckerunterseitenmetallisierung bezeichnet werden, für eine verbesserte Prozessgleichmäßigkeit, beispielsweise im Hinblick auf das Abscheiden des Lotmaterials durch Elektroplattierungsverfahren, das gegenwärtig die bevorzugte Abscheidetechnik für Lotmaterialien ist, da physikalische Dampfabscheidung von Lothöckermaterial, was ebenfalls häufig im Stand der Technik verwendet wird, eine komplexe Markierungsstrategie erfordert, um eine Fehljustierung auf Grund der thermischen Ausdehnung der Maske bei Kontakt mit den heißen Metalldämpfen zu vermeiden. Während der Elektroplattierungsabscheidetechnik wird ebenfalls eine Maske verwendet, die jedoch im Gegensatz zu Dampfphasenabscheidetechniken erzeugt wird, indem Photolithographie durch Strukturierung eines geeigneten Materials eingesetzt wird, das nach dem Abscheiden des Lotmaterials effizient entfernt werden kann, ohne dass das Lotmaterial unerwünscht beeinflusst wird. Auf der Grundlage der zusammenhängenden Höckerunterseitenmetallisierung kann somit das Lotmaterial in entsprechende Öffnungen, die in den Maskenmaterial ausgebildet sind, etwa in einer Photolackmaske, abgeschieden werden, die daraufhin entfernt wird, woran sich ein Strukturierungsprozess anschließt, um freiliegende Bereiche des Höckerunterseitenmetallisierungsmaterials zu entfernen, wobei die Lothöcker als effiziente Ätzmaske dienen. Während des entsprechenden Strukturierungsprozesses werden somit gut definierte Inseln unter dem Lotmaterial erzeugt, die geeignete Benetzungsschichten für den nachfolgenden Aufschmelzprozess bilden, während welchem Lothöcker in Kugeln geformt werden. Wie zuvor erläutert ist, sind die Größe und somit die Höhe dieser Lotkugeln entscheidend für die eigentliche Anbringung des Chips an dem Gehäusesubstrat, da jegliche Schwankungen in der Höhe zu einem beeinträchtigten Kontakt in dem abschließenden Aufschmelzvorgang zum Verbinden mit den zugehörigen Lötflächen des Gehäusesubstrats führen können. Während des Wiederaufschmelzens des Lotmaterials zur Erzeugung der Lotkugeln bildet insbesondere der Zinnanteil eine intermetallische Phase mit der darunter liegenden Höckerunterseitenmetallisierungsschicht, wodurch eine zuverlässige Metallgrenzfläche geschaffen wird. Ferner wird während des Aufschmelzprozesses eine Oxidschicht, die aus Zinn und anderen Komponenten, etwa Blei und dergleichen, aufgebaut ist, an der Oberfläche der Lotkugeln erzeugt und verleiht den Lotkugeln eine glänzende Oberflächenerscheinung. Die Oxidschicht dient als eine Passivierungsschicht während der nachfolgenden Bearbeitungsprozesse, d. h. beim Schneiden des Substrats, beim Substrattransport und dergleichen, wobei diese Prozesse moderat lange Lagerzeiten beinhalten können, wobei dennoch die Integrität der Lotkugeln beizubehalten ist, um zusätzliche Ungleichmäßigkeiten der Lotkugeln im Wesentlichen zu vermeiden. Daher weist die Oxidschicht wünschenswerter Weise eine hohe Stabilität während der weiteren Fertigungsprozesse auf, während andererseits die Oxidschicht mittels eines Flussmaterials leicht entfernbar sein soll, das während und vor dem endgültigen Lötprozess zum Anbringen des Halbleiterchips an dem Gehäusesubstrat bereitgestellt wird. Während des Entfernens der Oxidschicht durch das Flussmaterial können jedoch jegliche nicht entfernte Reste des Oxids wesentlich den Lötprozess beeinflussen, was zu einem nicht benetzten Kontakt zu der Anschlussfläche des Gehäusesubstrats führen kann. In diesem Falle wird eine weniger zuverlässige Verbindung oder ein vollständiger Kontaktausfall hervorgerufen. Folglich hängt die gesamte Produktionsausbeute in dieser sehr späten Fertigungsphase wesentlich von der Gleichmäßigkeit der Lotkugeln und somit von der Gleichmäßigkeit und Entfernbarkeit der darauf ausgebildeten Oxidschicht ab, da sogar eine weniger zuverlässige Verbindung oder der Ausfall einer einzigen Lotkugel zu einem Gesamtausfall des Halbleiterbauelements führen kann. Aus diesem Grunde gilt in gut etablierten Fertigungsstrategien unter Anwendung von Lotmaterialien auf der Grundlage von Blei häufig ein spezieller Oxidationsprozess unmittelbar nach dem Wiederaufschmelzvorgang eingerichtet, um damit eine bessere Gleichmäßigkeit der resultierenden Oxidschicht zu erreichen, wobei auch die Dicke der Oxidschicht so eingestellt wird, dass ein zuverlässiges Entfernen während des abschließenden Lötvorganges auf der Grundlage des Flussmaterials erreicht wird. In jüngsten Entwicklungen werden jedoch Lotmaterialien, die darin eine gewisse Menge an Blei enthalten, zunehmend vermieden, beispielsweise auf Grund von Umweltvorgaben, die das Bleimaterial betreffen. Ferner kann das Bleimaterial auch eine Quelle „weichen” Fehlern des Halbleiterbauelements während des Betriebs sein, beispielsweise auf Grund von radioaktiven Fällen von nicht-stabilen Isotopen, die häufig in dem Bleimaterial enthalten sind. Daher werden zunehmend bleifreie Lotmaterialien in der Höckerverbindungstechnologie, beispielsweise in Form von zinn- und silberenthaltenden Materialien, zinn- und kuperenthaltenden Höckermaterialien und dergleichen verwendet. Es sollte beachtet werden, dass in diesem Zusammenhang ein „bleifreies” Lotmaterial als jegliches metallenthaltendes Lotmaterial verstanden wird, das eine Aufschmelztemperatur von ungefähr 300 Grad C und weniger besitzt, wobei ein Anteil von Bleimaterial, die etwa durch ungewollte Fehler während des Fertigungsprozesses und dergleichen eingebaut wird, 0,1 Gewichtsprozent oder deutlich weniger beträgt. Während eines bleifreien Fertigungsvorganges zur Bereitstellung von Lotkugeln werden grundsätzlich die gleichen Prozessschritte angewendet, wie sie auch zuvor beschrieben sind, wobei jedoch beim Wiederaufschmelzen der Lothöcker zur Erzeugung der Lotkugeln entsprechend erhöhte Temperaturen anzuwenden sind, da typischerweise die Aufschmelztemperatur der bleifreien Lotmaterialien, etwa von Sn/Ag (Zinn/Silber), höher ist im Vergleich zu den bleienthaltenden Lotmaterialien. Auch in diesem Aufschmelzvorgang kann sich eine Oxidschicht an Oberflächen der Lotkugeln ausbilden, die somit als eine Passivierungsschicht dient, wie dies zuvor erläutert ist. Obwohl die Oxidschicht die Integrität der Lotkugeln während der weiteren Bearbeitung bewahren kann, wie dies auch zuvor erläutert ist, erweist es sich dennoch, dass jegliche Ungleichmäßigkeiten des Oxidmaterials zu ausgeprägten Ausbeuteverlusten führen. Andererseits ist ein gut gesteuerter thermischer Re-Oxidationsvorgang, unmittelbar nach dem Wiederaufschmelzvorgang ausgeführt wird, wie dies zuvor beschrieben ist, für bleifreie Lotmaterialien schwierig umzusetzen, da die für eine geeignete Steuerung des thermischen Oxidationsprozesses erforderliche Prozesstemperatur über der Schmelztemperatur des bleifreien Lotmaterials liegen würde. Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken zum geeigneten Passivieren von Lotkugeln im Zusammenhang mit einem bleifreien Kontaktschema, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest reduziert wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken und Strategien bereit, in denen bleifreie Lotmaterialien effizient passiviert werden, indem eine Passivierungsschicht mit gut gesteuerter Dicke und Gleichmäßigkeit nach dem Wiederaufschmelzvorgang zur Erzeugung der Lotkugeln gebildet wird. Dazu wird ein plasmabasierter Prozess angewendet, um freiliegende Oberflächenbereiche der Lotkugeln zu behandeln, wodurch erhöhte Prozesstemperaturen vermieden werden. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird die plasmagestützte Oberflächenbehandlung auf der Grundlage eines Sauerstoffplasmas durchgeführt, was zu der Erzeugung einer Oxidschicht mit verbesserter Gleichmäßigkeit führt, wobei eine Dicke der Oxidschicht auf der Grundlage des Steuerns zumindest eines Prozessparameters der Plasmabehandlung bestimmt ist. Auf diese Weise kann eine Fülle von bleifreiem Lotmaterialien behandelt werden, etwa Lotmaterialien, die Zinn und Silber enthalten, Lotmaterialien, die Zinn und Kupfer enthalten, und dergleichen, so dass die resultierende Passivierungsschicht für eine bessere Integrität während der weiteren Fertigungsprozesse sorgt, die nach dem Wiederaufschmelzvorgang zur Erzeugung der Lotkugeln durchzuführen sind, während gleichzeitig ein effizientes Entfernen der Passivierungsschicht während des abschließenden Lotvorganges unter Anwendung gut etablierter Flussmaterialien ermöglicht wird.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden mehrerer Lothöcker über einem Substrat und das Bilden von Lotkugeln durch Wiederaufschmelzen der mehreren Lothöcker. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden einer Oxidschicht auf freiliegenden Oberflächenbereichen der Lotkugeln durch Einwirken auf die Lotkugeln mit einer sauerstoffenthaltenden Plasmaatmosphäre.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft die Passivierung bleifreier Lotkugeln in einem Halbleiterbauelement. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen mehrerer bleifreier Lotkugeln derart, dass diese einen freiliegenden Oberflächenbereich besitzen. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Passivierungsschicht auf dem freiliegenden Oberflächenbereich mit einer Dicke von ungefähr 50 nm oder weniger, indem eine Plasmabehandlung unter Anwendung einer sauerstoffenthaltenden Plasmaatmosphäre ausgeführt wird.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden mehrerer Kontaktelemente in einem Metallisierungssystem eines Halbleiterbauelements auf der Grundlage bleifreier Materialien, wobei die Kontaktelemente ausgebildet sind, mit einem Gehäusesubstrat verbunden zu werden. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Passivierungsschicht auf freiliegenden Oberflächenbereichen der Kontaktelemente durch Einwirken auf die Kontaktelemente mittels einer Plasmaatmosphäre. Des weiteren umfasst das Verfahren das Verbinden jedes der Kontaktelemente, die die Passivierungsschicht enthalten, mit einer Kontaktstruktur, die auf dem Gehäusesubstrat ausgebildet ist, indem zumindest ein Teil der Kontaktelemente wieder aufgeschmolzen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der eine Höckerstruktur als ein Teil eines Metallisierungssystems vorgesehen ist, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein bleifreies Lotmaterial zur Herstellung von Lothöckern oder Kontaktelementen, die ein bleifreies Lothöckermaterial aufweisen, gemäß anschaulicher Ausführungsformen verwendet wird;
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1b schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements während eines Wiederaufschmelzprozesses zeigt, um Lotkugeln auf der Grundlage des Lotmaterials der Kontaktelemente oder Lothöcker gemäß anschaulicher Ausführungsformen zu bilden;
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1c schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in einer Prozessphase nach dem Wiederaufschmelzprozess zeigt, wobei eine Plasmabehandlung so ausgeführt wird, dass freiliegende Oberflächenbereiche der Lotkugeln oder Kontaktelemente zur Herstellung einer gewünschten Passivierungsschicht gemäß anschaulicher Ausführungsformen konditioniert werden;
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1d schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der alternativ oder zusätzlich zu dem vorhergehenden Plasmaprozess eine weitere Plasmaatmosphäre eingerichtet wird, um eine zuverlässige Passivierungsschicht mit einer gut steuerbaren Dicke und Gleichmäßigkeit anschaulicher Ausführungsformen zu erzeugen; und
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1e schematisch das Halbleiterbauelement in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der ein Lotprozess so ausgeführt wird, dass der Halbleiterchip mit dem Gehäusesubstrat verbunden wird, und gleichzeitig zuverlässig die Passivierungsschicht auf der Grundalge eines Flussmaterials gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen entfernt wird.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
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Generell betrifft die vorliegende Erfindung die Problematik erhöhter Ausbeuteverluste, die insbesondere während der Bearbeitung von bleifreien Lotkugeln bei der Verbindung von Halbleiterchips mit einem Gehäuse oder einem Trägersubstrat beobachtet werden. Dazu stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken bereit, um eine zuverlässige aber leicht entfernbare Passivierungsschicht auf Lotkugeln insbesondere auf bleifreien Lotkugeln bereitzustellen, um damit die Integrität der Lotkugeln während der weiteren Fertigungsprozesse, etwa während des Substrattransports, der Substratlagerung, dem Schneiden der Substrate und dergleichen zu bewahren, während gleichzeitig ein effizientes Entfernen der Passivierungsschicht vor oder während des Lötvorganges zum Verbinden des Halbleiterchips mit einem entsprechenden Träger- oder Gehäusesubstrats ermöglicht wird. Zu diesem Zweck werden definiert Prozessbedingungen auf der Grundlage einer Plasmaumgebung eingerichtet, um äußerst hohe Temperaturen zu vermeiden, während dennoch bessere Bedingungen zur Erzeugung der Passivierungsschicht mit einer gewünschten Dicke und Gleichmäßigkeit geschaffen, wie dies zum Bewahren der Integrität der Lotkugeln während der weiteren Bearbeitung erforderlich ist. Die verbesserte Gleichmäßigkeit der Passivierungsschicht, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Oxidschicht ist, wird erreicht, indem gut definierte Prozessbedingungen während des Wiederaufschmelzen des Lotmaterials geschaffen werden, wenn die Lotkugeln erzeugt werden. Dazu wird eine geeignete Prozessatmosphäre eingerichtet, etwa eine inerte Umgebung, beispielsweise auf der Grundlage von Wasserstoff, Wasserstoff und Stickstoff, und dergleichen, um unerwünschte Oberflächenreaktionen zu vermeiden, beispielsweise um eine unkontrollierte Oxidation beim Wiederaufschmelzen des Hockermaterials zu vermeiden. Zu beachten ist, dass der Begriff „inerte Prozessatmosphäre”, wie er hierin verwendet ist, in dem Sinne zu verstehen ist, dass insbesondere der Sauerstoffanteil in der Prozessatmosphäre deutlich geringer ist im Vergleich zu jeglichen anderen „inerten” Gaskomponenten, etwa zu Wasserstoff, Stickstoff und dergleichen, obwohl die Anwesenheit winziger Mengen an Sauerstoff in der inerten Prozessatmosphäre dennoch beobachtbar sein kann auf Grund unvermeidbarer Fehlerquellen von Materialressourcen und Prozessanlagen, wobei ein Anteil von 0,1 Volumenprozent Sauerstoff im Hinblick auf andere Gaskomponenten im Weiteren als eine inerte Prozessatmosphäre betrachtet wird. Typischerweise kann der Anteil an Sauerstoff weiter verringert werden, wobei dies von den verfügbaren Prozessanlagen und der Qualität der Prozessgase, etwa des Stickstoffs, des Wasserstoffs und dergleichen abhängt. Folglich kann durch die Anwendung gut definierter Prozessatmosphären während des Wiederaufschmelzvorganges eine unkontrollierte Oberflächenbehandlung, insbesondere eine Oxidation im Wesentlichen vermieden werden, so dass gut definierte Oberflächenbedingungen während der weiteren Bearbeitung der Lotkugeln angetroffen werden. Daraufhin wird in einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen der Oberflächenzustand der Lotkugeln in geeigneter Weise konditioniert unter Anwendung einer geeigneten Plasmaumgebung, beispielsweise auf der Grundlage von Argon und dergleichen, um Oberflächenunregelmäßigkeiten, etwa Oxidreste und dergleichen zu entfernen. In diesem Falle kann selbst eine moderat „fehlerhafte” inerte Prozessatmosphäre während des Wiederaufschmelzvorganges zur Erzeugung der Lotkugeln zu im Wesentlichen gleichmäßigen Oberflächenbedingungen der Lotkugeln während der nachfolgenden Ausbildung einer geeigneten Passivierungsschicht mit besserer Gleichmäßigkeit führen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine weitere Plasmabehandlung so ausgeführt, dass eine chemische Reaktion bei geeigneten Temperaturen, beispielsweise im Bereich von Raumtemperaturen bis ungefähr 250 Grad C in Gang gesetzt wird, was unterhalb der Verflüssigungstemperatur des betrachteten Lotmaterials liegt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Plasmabehandlung auf der Grundlage eines Sauerstoffplasmas durchgeführt, wodurch ein Oxidationsprozess in Gang gesetzt wird, wobei die Prozessparameter in geeigneter Weise so gesteuert sind, dass eine gewünschte Schichtdicke mit einem hohen Grad an Gleichmäßigkeit erreicht wird, d. h. die Schichtdicke variiert um ungefähr weniger als 10% in Bezug auf einen mittleren Dickenwert, der über die gesamte Oberfläche der Lotkugel erhalten wird. Ferner kann die Dicke weniger als ungefähr 10% über das gesamte Halbleiterbauelement hinweg schwanken, so dass damit bessere Prozessbedingungen während eines abschließenden Lötvorganges geschaffen werden, wenn die Lotkugeln mit einem entsprechenden Gehäuse oder Trägersubstrat verbunden werden.
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In anderen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird die Oberfläche der Lotkugeln mit einer Plasmaatmosphäre behandelt, etwa einem Sauerstoffplasma, ohne dass ein vorhergehender „Konditionierungsvorgang” erforderlich ist, wodurch ebenfalls eine Passivierungsschicht mit geeigneter Dicke und mit hoher Gleichmäßigkeit geschaffen wird. Beispielsweise kann auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Prinzipien eine große Bandbreite an Lotmaterialien bearbeitet werden, um damit eine Passivierungsschicht zu erzeugen, etwa bleienthaltende Lotmaterialien, wobei ein Oxidationsprozess mit hoher Temperatur weggelassen wird und durch eine oder mehrere Plasmabehandlungen ersetzt wird. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Lotkugeln oder Kontaktelemente unter Anwendung eines bleifreien Lotmaterials bereitgestellt, etwa mittels Sn/Ag, Siliziumnitrid/Cu und dergleichen, wobei die Zusammensetzung jeglicher bleifreier Lotmaterialien auch variieren kann, und dies von den Prozess- und Bauteilgegebenheiten abhängt. Auf der Grundlage der Plasmabehandlung wird somit eine effektive Maskierungsschicht für jedes dieser bleifreien Lotmaterialien geschaffen, die eine ausgeprägte Menge an Zinn aufweisen können, indem in geeigneter Weise die Prozessparmeter angepasst werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Beispielsweise wird insbesondere an oder in der Nähe der eutektischen Zusammensetzung dieser Lotmaterialien eine zuverlässige und dennoch gut entfernbare Passivierungsschicht in Form einer Oxidschicht auf der Grundlage der hierin offenbarten Prinzipien geschaffen. Z. B. wird eine Schichtdicke von ungefähr 5 bis 50 nm mit einem hohen Grad an Gleichmäßigkeit bereitgestellt, wie dies zuvor erläutert ist, so dass damit zuverlässig die Integrität der Lotkugeln bewahrt werden kann, ohne dass unerwünschte Materialreste während eines nachfolgenden Wiederaufschmelzvorganges oder Lötvorganges erzeugt werden.
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Mit Bezug zu den 1a bis 1e werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 ein Substrat 101, das eine beliebige Art an Substrat repräsentiert, das zur Erzeugung von Schaltungselementen integrierter Schaltungen geeignet ist. Beispielsweise ist das Substrat 101 ein Halbleitervollsubstrat, auf welchem eine geeignete Halbleiterschicht ausgebildet ist, um darin und darüber Schaltungselemente, etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, und dergleichen zu erzeugen. In anspruchsvollen Anwendungen können die Schaltungselemente (nicht gezeigt) auf der Grundlage kritischer Abmessungen von 50 nm und weniger hergestellt werden, beispielsweise in Bezug auf die Gatelänge von ebenen Feldeffekttransistoren, wobei zu beachten ist, dass die hierin offenbarten Prinzipien auch auf jegliche Mikrostrukturbauelemente angewendet werden können, in denen eine zuverlässige Verbindung an das Gehäusesubstrat mittels eines Wiederaufschmelzvorganges erforderlich ist. In anderen Fällen ist das Substrat 101 ein SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat, das eine vergrabene isolierende Materialschicht (nicht gezeigt) enthält, während in noch anderen Fällen das Substrat ein beliebiges isolierendes Material ist, auf welchem ein geeignetes Halbleitermaterial in amorpher oder kristalliner Form aufgebracht ist. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ferner ein Metallisierungssystem 110, das über dem Substrat 101 ausgebildet ist, wobei das Metallisierungssystem 110 einen geeigneten Aufbau besitzt, wie dies zur Verbindung der einzelnen Schaltungselemente, die in und über dem Substrat 101 ausgebildet sind, erforderlich ist. Beispielsweise umfasst das Metallisierungssystem 110 typischerweise eine oder mehrere Metallisierungsschichten, die auf der Grundlage geeigneter dielektrischer Materialien und Metalle, etwa Aluminium, Kupfer, und dergleichen, aufgebaut sind. Der Einfachheit halber ist die Metallisierungsschicht 110 so dargestellt, dass diese ein dielektrisches Material 111 enthält, in welchem mehrere Metallgebiete 112, etwa Gebiete 112a, 112b, 112c vorgesehen sind, so dass eine Verbindung zu darunter liegenden Metallleitungen und Kontaktdurchführungen (nicht gezeigt) besteht. Ferner wird zumindest ein Teil der Metallgebiete 112 so verwendet, dass entsprechende Kontaktelemente 113 oder Lothöcker darauf ausgebildet sind, die auf den Metallgebieten 112 auf Basis eines geeigneten Höckerunterseitenmetallisierungssystems 114 angeordnet sind, das wiederum aus einer oder mehreren speziellen Materialschichten aufgebaut ist. Beispielsweise ist die Höckerunterseitenmetallisierung 114 aus Titan, Kupfer, Nickel und dergleichen aufgebaut, wobei diese Materialien als eine Kombination aus Materialien und/oder als spezielle Materialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung vorgesehen sein können. Die Kontaktelemente 113 repräsentieren geeignete Metallstrukturelemente, die zumindest eine gewisse Menge an Lotmaterial aufweisen, etwa ein bleienthaltendes Lotmaterial oder in anderen anschaulichen Ausführungsformen, ein bleifreies Lotmaterial. Beispielsweise werden die Elemente 113 in Form von Lothöckern vorgesehen, d. h. in Form von Metallelementen mit einer geeigneten lateralen Größe und einer gewünschten Höhe, die im Wesentlichen eine homogene Mischung aus Materialien darstellen, etwa aus Zinn und Silber, Zinn und Kupfer, und dergleichen. In anderen Fällen wird das Lotmaterial der Elemente 113 nur in einem Teil der Elemente 113 vorgesehen, beispielsweise an einem oberen Bereich (nicht gezeigt), während der verbleibende Teil der Elemente 113 aus einem Nicht-Lotmaterial hergestellt ist, d. h. aus einem metallenthaltenden Material mit einem Schmelzpunkt deutlich über 300 Grad C. Die Abmessungen und die Abstände zwischen den Kontaktelementen 113 sind im Wesentlichen durch Bauteilerfordernisse vorgegeben, wobei in anspruchsvollen Anwendungen eine laterale Abmessung der Elemente 113 im Bereich von mehreren Mikrometern bis mehreren 100 Mikrometer und mehr liegen kann, während der Abstand zwischen den Lothöckern oder Elementen 113 ungefähr 100 nm oder deutlich weniger in dicht gepackten Bauteilbereichen betragen kann.
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Ein Prozessablauf zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 100, wie es in 1a gezeigt ist, kann grundsätzlich die gleichen Prozesstechniken beinhalten, wie sie auch zuvor beschrieben sind. D. h., nach der Herstellung von Schaltungselementen und des Metallisierungssystems 110, was auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken bewerkstelligt werden kann, wird die Höckerunterseitenmetallisierung 114 auf dem dielektrischen Material 111 und den Metallgebieten 112 vorgesehen, während in anderen Fällen eine zusätzliche dielektrische Passivierungsschicht (nicht gezeigt) über dem dielektrischen Material 111 vorgesehen werden kann. Daraufhin wird eine geeignete Abscheidemaske, etwa eine Lackmaske, und dergleichen, so geschaffen, dass die laterale Größe und die Lage der Elementen 113 festgelegt wird. Als nächstes wird ein geeigneter Abscheideprozess ausgeführt, etwa ein Elektroplattierungsprozess, in welchem die entsprechenden Öffnungen in der Maske bis zu einer gewünschten Höhe mit einem Lotmaterial aufgefüllt werden. Nachfolgend wird das Maskenmaterial entfernt und die Höckerunterseitenmetallisierung 114 wird gemäß gut etablierter nasschemischer Ätzrezepte, plasmaunterstützter Ätzrezepte und dergleichen strukturiert wird. Zu beachten ist, dass ein gewisser Grad an Unterätzung auftreten kann, wenn isotrope Ätzrezepte zum Strukturieren der Höckerunterseitenmetallisierung 114 unter Nutzung der Kontaktelemente 113 als eine Ätzmaske angewendet werden.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Das Halbleiterbauelement 100 unterliegt der Einwirkung einer Prozessumgebung 102, in der erhöhte Temperaturen so angewendet werden, dass zumindest ein Teil der Kontaktelemente 113 wieder aufgeschmolzen wird, der aus einem Lotmaterial aufgebaut ist. In der in 1b gezeigten Ausführungsform sind die Elemente 113 (siehe 1a) aus einem homogenen Lotmaterial ausgebildet, das somit geschmolzen wird, so dass entsprechende Lotkugeln 115, etwa Lotkugeln 115a, 115b, 115c erzeugt werden. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Umgebung 102 auf der Grundlage einer inerten Prozessatmosphäre eingerichtet, die beispielsweise Wasserstoff oder Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff enthält, oder eine andere inerte Gasumgebung enthält, um damit eine unerwünschte chemische Reaktion an einer Oberfläche 115s der Lotkugeln 115 zu vermeiden. Z. B. wird die Umgebung 102 mit einem reduzierten Sauerstoffanteil eingerichtet, so dass eine übermäßige Oxidation der Oberflächenbereiche 115s unterdrückt wird. Beispielsweise beträgt in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Sauerstoffanteil weniger als ungefähr 100 Teile pro Million (ppm). Dazu wird die Umgebung 102 unter Anwendung eines oder mehrerer Spülschritte vor dem Erzeugen der erhöhten Temperatur eingerichtet, um damit den Sauerstoffanteil auf eine gewünschte Menge zu verringern. Die Temperatur während des Prozesses 102 wird auf eine Temperatur von 250 Grad C bis 350 Grad C und höher eingerichtet, wobei dies von der Schmelztemperatur des betrachteten Lotmaterials abhängt.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Phase, in der gemäß anschaulicher Ausführungsformen eine reaktive Prozessatmosphäre 103 auf der Grundlage eines Plasmas eingerichtet wird, um die Oberflächenbereiche 115s der Lotkugeln 115 zu „konditionieren” oder vorzubereiten. Die Umgebung 103 kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf der Grundlage einer geeigneten Gaskomponente, etwa Argon, und auf der Grundlage von Prozessparametern eingerichtet werden, um in gewünschter Weise Materialreste zu entfernen, die durch 115r angegeben sind, die sich auf den Oberflächenbereichen 115s während der vorhergehenden Bearbeitung, etwa während des Prozesses 102 (siehe 1b) oder während nachfolgender Prozesse und Substrathantierungsaktivitäten, beispielsweise wie sie durch den Kontakt mit Sauerstoff und dergleichen hervorgerufen werden können, gebildet haben.
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In einer anschaulichen Ausführungsform wird der plasmabasierte Prozess 103 auf der Grundlage der folgenden Prozessparameterwerte ausgeführt. Ein Druck der Atmosphäre 103 wird auf 1 × 10–4 bis 1 × 10–2 Millibar (0.01 bis 1 Pa) eingestellt. Beispielsweise ist ein geeigneter Wert etwa 6 × 10–4 Millibar. Die Umgebung kann unter Anwendung von Argon als Prozessgas in einer geeigneten Prozessanlage eingerichtet werden, die das Erzeugen einer Plasmaumgebung ermöglicht. Beispielsweise ist eine Vielzahl an Plasmaätzanlagen verfügbar, die beispielsweise Substrate mit einem Durchmesser von 200 mm, 300 mm und dergleichen bearbeiten können. Es ist gut bekannt, dass Prozessgase einer entsprechenden Prozesskammer zugeführt werden können, indem die Gasdurchflussrate gesteuert wird, wodurch eine gewisse Gaskonzentration in der Prozesskammer entsteht, die somit durch das Volumen der Prozesskammer und den darin resultierenden eingerichteten Druck bestimmt ist. Beispielsweise wird eine Prozesskammer verwendet, die geeignet ist zum Bearbeiten von 300 mm Substraten und es wird eine Durchflussrate von 2 bis 20 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) angewendet wird, wobei beispielsweise ungefähr 7 sccm angewendet werden. Ferner kann die RF (Hochfrequenz-)Leistung zum Erzeugen eines Plasmas in der Umgebung 103 auf 30 bis 2000 Watt eingestellt werden, wobei in einem Beispiel ungefähr 1000 Watt ausgewählt werden. In ähnlicher Weise wird eine Niederfrequenzleistung beispielsweise im Bereich von ungefähr 20 bis 1250 Watt eingesetzt, um in geeigneter Weise den Ionenbeschuss einzustellen, wobei in einem Beispiel ungefähr 1000 Watt verwendet werden. Des weiteren wird die Temperatur des Halbleiterbauelements 100 auf einen Wert zwischen 0 Grad C und einem beliebigen Wert unterhalb der Schmelztemperatur des Lotmaterials der Lotkugeln 115 festgesetzt.
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Es sollte beachtet werden, dass auf der Grundlage der oben angegebenen Parameterwerte eine geeignete Parametereinstellung für viele Prozessanlagen ermittelt werden kann, um die gewünschte konditionierende Wirkung der Behandlung 103 zu erreichen. Beispielsweise werden die zuvor genannten spezifizierten Parameterwerte mit einer Prozesszeit von 5 bis 105 Sekunden, beispielsweise in einem Beispiel mit 55 Sekunden, angewendet.
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1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine weitere Plasmabehandlung 104 angewendet wird, um eine Passivierungsschicht 116 auf freiliegenden Oberflächenbereichen der Lotkugeln 115 zu erzeugen. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Plasmabehandlung 104 in Verbindung mit dem Plasmaprozess 103 aus 1c angewendet, um in geeigneter Weise die Oberflächenbereiche 115s der Lotkugeln 115 zu präparieren oder zu konditionieren, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die Plasmabehandlung 104 ohne eine vorhergehende Plasmabehandlung, etwa die Behandlung 103 aus 1c, durchgeführt, wobei dies von dem vorherigen Prozessablauf abhängt. Beispielsweise, wie zuvor erläutert ist, das Ausbilden von Materialresten deutlich verringert wird, wenn die Prozessbedingungen während des Erzeugens der Lotkugeln 115 in geeigneter Weise ausgewählt werden. Die Plasmabehandlung 104 kann auf der Grundlage eines Sauerstoffplasmas ausgeführt werden, wodurch eine Oxidation der freiliegenden Oberflächenbereiche 115s in Gang gesetzt wird, wodurch eine entsprechende Passivierungsschicht 116 erzeugt wird. D. h, unter Anwendung eines Sauerstoffplasmas wird eine Oxidschicht bereitgestellt, wobei die gut steuerbaren Prozessbedingungen während des Prozesses 104 (und möglicherweise während des Prozesses 103 aus 1c) zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der Passivierungsschicht 116 führen. D. h., die Materialzusammensetzung kann sehr homogen sein und auch die resultierende Schichtdicke, die durch 116t angegeben ist, kann über das Halbleiterbauelement 100 hinweg sehr gleichmäßig sein. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Passivierungsschicht 116 in Form einer Oxidschicht mit einer Dicke von 5 bis 50 nm bereitgestellt, wobei eine Dickenschwankung der Schicht 116 innerhalb einer einzelnen Lotkugel 115 und über die mehreren Lotkugeln des Bauelements 100 hinweg ungefähr 10% oder weniger beträgt. In einigen beispielhaften Varianten wird die Dicke 116t auf ungefähr 10 nm oder weniger eingestellt.
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Der Plasmaprozess 104 kann auf der Grundlage der folgenden Parametereinstellung eingerichtet werden. Der Druck wird auf einem Bereich von 1 × 104 bis 1 × 10–2 Millibar festgelegt, beispielsweise auf einen Wert von ungefähr 6 × 10–4 Millibar. Der Sauerstoffgasfluss kann auf der Grundlage von 2 bis 20 sccm, beispielsweise mit einem Wert von ungefähr 12 sccm eingerichtet werden. Das Plasma kann auf der Grundlage einer Frequenzhochfrequenzleistung im Bereich von 20 bis 1250 Watt, beispielsweise unter Anwendung von ungefähr 1000 Watt erzeugt werden. Mit diesen Parametern wird beispielsweise eine Prozesszeit von ungefähr 60 bis 600 Sekunden angewendet, beispielsweise in einem Beispiel von ungefähr 240 Sekunden, um damit die Schicht 116 als eine Oxidschicht mit einer Dicke zu erreichen, wie dies zuvor spezifiziert ist.
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Es sollte beachtet werden, dass diese Parametereinstellungen effizient an jede Art an Prozessanlage angepasst werden können, die zum Einrichten der Plasmaumgebung für den Prozess 104 verwendet wird. Ferner können die Prozesse 103, 104, wenn beide angewendet werden, in der gleichen Prozessanlage ausgeführt werden, wodurch ein sehr effizienter Gesamtprozessablauf erreicht wird.
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Zu beachten ist, dass die Passivierungsschicht 116 auf der Grundlage anderer Atomsorten, beispielsweise zusätzlich oder alternativ zu Sauerstoff, erzeugt werden kann, sofern das entsprechende resultierende Passivierungsmaterial auf der Grundlage erhöhter Temperaturen und eines geeigneten chemischen Mittels, etwa eines Flussmittels, in einem abschließenden Lötvorgang entfernt werden kann. Beispielsweise kann Stickstoff in die Schicht 116 eingebaut werden, beispielsweise zusätzlich zum Bereitstellen einer Sauerstoffsorte, wodurch die Gesamtrobustheit der Schicht 116 selbst bei einer geringeren Schichtdicke verbessert wird.
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1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. D. h., nach dem Vorsehen der Passivierungsschicht 116 werden weitere Prozesse, etwa der Substrattransport zu anderen Fertigungsstätten, das Schneiden des Substrats 101 in einzelne Halbleiterchips und dergleichen, in Anwesenheit der Passivierungsschicht 116 ausgeführt, wodurch eine verbessert Integrität der Lotkugeln 115 erreich wird. Während einer beliebigen geeigneten Phase wird das Bauelement 100 mit einem Gehäuse oder einem Trägersubstrat 150 verbunden, das mehrere Lötanschlussflächen 152 oder andere Kontaktelemente aufweist, die so dimensioniert angeordnet sind, dass sie in Bezug auf die Lotkugeln 115 „komplementär” sind. Beispielsweise sind die Lötanschlussflächen oder die Elemente 125a, 125b, 125c des Substrats 150 in geeigneter Weise gestaltet, so dass diese mit den jeweiligen Lotkugeln 115a, 115b, 115c verbunden werden können. Bei der Verbindung des Halbleiterbauelements 100 und des Gehäuses oder des Trägersubstrats 150 wird ein Lötvorgang 105 ausgeführt, um die Lotkugeln 115 aufzuschmelzen und um eine intermetallische Verbindung mit den jeweiligen Lötanschlussflächen 152 zu schaffen. Während des Prozesses 105 wird ein Flussmaterial 105a, etwa ein kommerziell erhältliches Flussmaterial, aufgebracht, das somit das Material der Passivierungsschicht 116 entfernt, wobei auf Grund der verbesserten Gleichmäßigkeit ein im Wesentlichen vollständiger Abtrag erreicht wird, wodurch eine zuverlässige Verbindung zwischen den Lotkugeln 115 und den Lötanschlussflächen 152 erreicht wird.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken bereit, in denen eine gleichmäßige und dünne Passivierungsschicht auf Lotkugeln oder anderen Kontaktelementen ausgebildet wird, nachdem ein Lotmaterial aufgeschmolzen wurde, etwa ein bleifreies Lotmaterial, wobei die Passivierungsschicht auf der Grundlage einer Plasmabehandlung, etwa einer Sauerstoffplasmabehandlung, erzeugt wird. Auf Grund der verbesserten Gleichmäßigkeit im Hinblick auf die Materialzusammensetzung und Schichtdicke kann die Passivierungsschicht effizient während eines abschließenden Lötvorganges auf der Grundlage von Flussmaterialien und dergleichen entfernt werden, wodurch eine zuverlässige intermetallische Verbindung zwischen den Lotkugeln und den Lötanschlussflächen des Trägersubstrats oder des Gehäusesubstrats erreicht wird. Beispielsweise wird die Passivierungsschicht in Form einer Oxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 10 nm oder weniger vorgesehen, wobei auch eine Dicke von bis zu 50 nm mit hoher Gleichmäßigkeit bereitgestellt, wenn dies im Hinblick auf die Prozessanforderungen notwendig ist.
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Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
