DE102011079835B4 - Method for reducing the mechanical strain in complex semiconductor devices during chip-substrate bonding by means of a multi-stage cooling scheme - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Zusammenbauen wenigstens eines Halbleiterchips und eines Gehäusesubstrats, umfassend: Heizen eines Verbundbauelements über eine Schmelztemperatur eines zwischen einer Kontaktstruktur des Gehäusesubstrats und einer Kontaktstruktur des wenigstens eines Halbleiterchips ausgebildeten Lotmaterials, wobei das Verbundbauelement wenigstens einen Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat umfasst; Anwenden einer ersten Abkühlphase mit wenigstens einer zeitlich gemittelten ersten Kühlrate zur Kühlung auf eine Kornstabilisierungstemperatur des Verbundbauelements und Veranlassung einer Verfestigung des Lotmaterials, wobei die räumlich gemittelte Temperatur des wenigstens einen Halbleiterchips am Ende der ersten Abkühlphase im Bereich von 80°C bis 150°C liegt, so dass eine Durchschnittskorngröße der Kontaktstruktur in einem Bereich von 1 μm bis 39 μm liegt; und Anwenden einer zweiten Abkühlphase nahe der ersten Abkühlphase mit einer zweiten zeitlich gemittelten Kühlrate, die geringer ist als die erste Kühlrate, wobei die erste Kühlrate mindestens das doppelte der zweiten Kühlrate beträgt und wobei die zweite Abkühlphase mechanische Verspannung in der Kontaktstruktur des wenigstens einen Halbleiterchips verringert.A method of assembling at least one of a semiconductor chip and a package substrate, comprising: heating a composite device above a melting temperature of a solder material formed between a contact structure of the package substrate and a contact structure of the at least one semiconductor chip, the composite device comprising at least one semiconductor chip and the package substrate; Applying a first cooling phase having at least one time-averaged first cooling rate for cooling to a grain stabilization temperature of the composite component and causing solidification of the solder material, wherein the spatially averaged temperature of the at least one semiconductor chip is in the range of 80 ° C to 150 ° C at the end of the first cooling phase such that an average grain size of the contact structure is in a range of 1 μm to 39 μm; and applying a second cooling phase near the first cooling phase at a second time-averaged cooling rate that is less than the first cooling rate, wherein the first cooling rate is at least twice the second cooling rate, and wherein the second cooling phase reduces mechanical stress in the contact structure of the at least one semiconductor chip ,

Description

Gebiet der vorliegenden ErfindungField of the present invention

Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung integrierte Schaltungen und insbesondere komplexe Halbleiterbauelemente, die ein komplexes Metallisierungssystem umfassen, welches empfindliche Dielektrika und/oder eine dreidimensionale Chipkonfiguration aufweist, was eine ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Verspannung während des Verbindungsverfahrens des Chipgehäusebauelements ergibt.In general, the present invention relates to integrated circuits, and more particularly, to complex semiconductor devices comprising a complex metallization system that includes sensitive dielectrics and / or a three-dimensional chip configuration, resulting in significant sensitivity to mechanical stress during the bonding process of the chip package device.

Beschreibung des Stands der TechnikDescription of the Related Art

Halbleiterbauelemente, wie etwa Mikroprozessoren, SRAM's, ASIC's (Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), Ein-Chip-Systeme oder Systems-on-a-Chip (SoC) und dergleichen werden typischerweise auf geeigneten Substratmaterialien, wie z. B. Silizium und dergleichen, gebildet, wobei die einzelnen integrierten Schaltungen derart auf einem Wafer in einem Array angeordnet werden, dass die meisten Herstellungsschritte komplexer integrierter Schaltungen mit Ausnahme von Fotolithographieprozessen, Messprozessen und der Hausung der einzelnen Elemente nach dem Zerteilen des Substrats für alle Chipbereiche gleichzeitig ausgeführt werden. Daher treiben ökonomische Rahmenbedingungen die Halbleiterhersteller dazu an, die Substratabmessungen stetig zu erhöhen, wodurch sich auch die für die Produktion derzeitiger Halbleiterbauelemente verfügbare Fläche vergrößert und sich demzufolge die Produktionsausbeute erhöht.Semiconductor devices, such as microprocessors, SRAMs, ASICs (application specific integrated circuits), single-chip systems or systems-on-a-chip (SoC), and the like, are typically mounted on suitable substrate materials, such as silicon dioxide. Silicon, and the like, with the individual integrated circuits arranged on a wafer in an array such that most manufacturing steps involve complex integrated circuits except for photolithography processes, measurement processes, and the packaging of the individual elements after dicing the substrate for all chip areas be executed simultaneously. As a result, economic constraints are driving semiconductor manufacturers to steadily increase substrate dimensions, thereby also increasing the area available for the production of current semiconductor devices and, consequently, increasing the production yield.

Zusätzlich zum Vergrößern der Substratfläche, ist es auch wichtig, die Nutzung der Substratfläche für eine vorgegebene Größe derart zu optimieren, dass soviel Substratfläche wie möglich für Halbleiterbauelemente und/oder Teststrukturen verwendet werden, die bei der Prozesssteuerung eingesetzt werden können. Bei dem Versuch, die nutzbare Oberfläche für eine vorgegebene Größe zu maximieren, werden die Strukturgrößen von Schaltungselementen ständig verringert. Kupfer in Verbindung mit Dielektrika mit niedrigem ε, sogenannter low-k Dielektrika, wurde aufgrund dieser ständigen Forderung nach einer Verringerung der Strukturgrößen zu einer häufig verwendeten Alternative bei der Herstellung komplexer Verbindungsstrukturen. Diese Verbindungsstrukturen umfassen Metallleitungsschichten und Kontaktdurchführungsschichten, die Metallleitungen als Verbindungen innerhalb einer Schicht und Kontaktdurchführungen zwischen den Schichten aufweisen, welche im Allgemeinen zur Bereitstellung der erforderlichen Funktion der integrierten Schaltung einzelne Schaltkreiselemente verbinden. Typischerweise ist eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Metallleitungsschichten und Kontaktdurchführungsschichten nötig, um die Verbindungen zwischen allen internen Schaltkreiselementen und I/O-(Eingabe/Ausgabe-), Versorgungs- und Masseanschlüsse des betreffenden Schaltungsaufbaus zu implementieren.In addition to increasing the area of the substrate, it is also important to optimize the utilization of the substrate area for a given size such that as much substrate area as possible is used for semiconductor devices and / or test structures that can be used in process control. In an attempt to maximize the usable surface area for a given size, the feature sizes of circuit elements are constantly being reduced. Copper in conjunction with low ε dielectrics, so-called low-k dielectrics, has become a commonly used alternative in the fabrication of complex interconnect structures due to this constant demand for reducing feature sizes. These interconnect structures include metal line layers and via layers having metal lines as interconnects within a layer and vias between the layers, which generally interconnect individual circuit elements to provide the required function of the integrated circuit. Typically, a plurality of stacked metal line layers and via layers are necessary to implement the interconnections between all of the internal circuit elements and I / O (input / output), supply, and ground connections of the related circuitry.

Die Verzögerung der Signalausbreitung ist bei extrem skalierten integrierten Schaltungen nicht mehr durch die Schaltkreiselemente, wie z. B. Feldeffekttransistoren und dergleichen, begrenzt, sondern ist durch die, durch die erhöhte Dichte von Schaltkreiselemente, die sogar eine erhöhte Zahl von elektronischen Verbindungen erfordert, bedingte, unmittelbare Nähe der Metallleitungen begrenzt, da sich die Leitungs-zu-Leitungs-Kapazität erhöht, wohingegen sich eine verringerte Leistungsfähigkeit der Leitungen aufgrund der reduzierten Querschnittsfläche der Metallbereiche ergibt. Aus diesem Grunde werden herkömmliche Dielektrika, wie z. B. Siliziumdioxid (ε > 4) und Siliziumnitrid (ε > 7) durch Dielektrika ersetzt, welche eine geringe Permitivität aufweisen, die deshalb auch als Dielektrika mit niedrigem ε, oder low-k Dielektrika, bezeichnet werden, die eine relative Permitivität kleiner gleich 3 aufweisen. Die Dichte und die mechanische Festigkeit oder Beanspruchbarkeit von Dielektrika mit niedrigem ε, oder low-k Dielektrika, kann im Vergleich zu den erprobten Dielektrika, wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid, jedoch bedeutend geringer sein. Während der Herstellung des Metallisierungssystems und nachfolgender Fertigungsprozesse integrierter Schaltungen hängt die Produktionsausbeute folglich von den mechanischen Eigenschaften dieser empfindlichen Dielektrika und ihrer Haftung an anderen Materialien ab.The delay of signal propagation is no longer limited by the circuit elements in extremely scaled integrated circuits such. But limited by the immediate proximity of the metal lines, due to the increased density of circuit elements requiring even an increased number of electronic connections, as the line-to-line capacitance increases, whereas, reduced line performance is due to the reduced cross-sectional area of the metal regions. For this reason, conventional dielectrics, such as. As silicon dioxide (ε> 4) and silicon nitride (ε> 7) replaced by dielectrics, which have a low permittivity, which are therefore also referred to as dielectrics with low ε, or low-k dielectrics, which has a relative permittivity less than or equal to 3 exhibit. However, the density and mechanical strength or strength of low ε, or low-k dielectrics may be significantly less compared to the prior art dielectrics, such as silicon dioxide and silicon nitride. Consequently, during the fabrication of the metallization system and subsequent integrated circuit fabrication processes, the production yield will depend on the mechanical properties of these sensitive dielectrics and their adhesion to other materials.

Zusätzlich zu den Problemen der geringen mechanischen Festigkeit, die bei modernen Dielektrika mit Dielektrizitätskonstanten bzw. Permeabilitäten von 3,0 oder deutlich geringer auftreten, kann die Zuverlässigkeit der Bauteile während der finalen Montage komplexer Halbleiterbauelemente durch diese Materialien aufgrund einer Wechselwirkung zwischen dem Chip und dem Gehäuse in deutlichem Maße beeinflusst werden, hervorgerufen durch die thermische Fehlanpassung der entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien. Bei der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen wird beispielsweise zunehmend eine Kontakttechnologie zum Verbinden des Gehäuseträgers mit dem Chip eingesetzt, die als Flip-Chip-Montagetechnik bekannt ist. Im Gegensatz zu etablierten Drahtbondtechniken, bei denen geeignete Kontaktflächen an der Peripherie der allerletzten Metallschicht des Chips angeordnet sind und die Kontaktflächen mit entsprechenden Anschlüssen des Gehäuses mittels eines Drahts verbunden werden, wird bei der Flip-Chip-Technik auf der letzten Metallschicht eine entsprechende Hügelstruktur ausgebildet, die mit entsprechenden Kontaktflächen des Gehäuses in Kontakt gebracht werden kann, welche darauf aus einem Lotmaterial gebildet sind. Demzufolge kann eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem auf der letzten Metallisierungsschicht ausgebildeten Anschlussmetall und den Kontaktflächen des Gehäuseträgers ausgebildet werden, nachdem die Lotmaterialien aufgeschmolzen werden. Auf diese Art kann eine große Anzahl elektrischer Verbindungen entlang der ganzen Chip-Fläche der letzten Metallisierungsschicht mit einem geringen Kontaktwiderstand und parasitärer Kapazität geschaffen werden, wodurch die I/O-(Eingabe/Ausgabe)Ressourcen bereitgestellt werden, die für komplexe integrierte Schaltungen, wie z. B. CPU's und dergleichen, erforderlich sind. Während der entsprechenden Prozesssequenz zum Verbinden der Hügelstruktur mit einem Gehäuseträger werden zu einem gewissen Maße Druck und Wärme auf das zusammengesetzte Bauteil derart ausgeübt, dass eine zuverlässige Verbindung zwischen jedem der auf dem Chip ausgebildeten Hügel und der auf dem Gehäusesubstrat vorgesehenen Hügel oder Anschlussflächen ausgebildet wird. Die thermisch oder mechanisch induzierte Verspannung kann jedoch auch auf die darunter liegenden Metallisierungsschichten wirken, die typischerweise low-k Dielektrika oder sogar Dielektrika mit sehr geringem ε, sogenannte ultra low-k Dielektrika (ULK), umfassen, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Defekten in Form von Rissen, Materialablösungen und dergleichen aufgrund der reduzierten mechanischen Stabilität und Haftung an anderen Materialien deutlich erhöht.In addition to the low mechanical strength issues encountered with modern dielectrics with dielectric constants or permeabilities of 3.0 or significantly lower, the reliability of the components during final assembly of complex semiconductor devices by these materials may be due to interaction between the chip and the package be influenced to a significant extent, caused by the thermal mismatch of the corresponding thermal expansion coefficients of the different materials. In the manufacture of complex integrated circuits, for example, a contact technology for connecting the package carrier to the chip, which is known as a flip-chip mounting technique, is increasingly being used. In contrast to established wire bonding techniques in which suitable pads are disposed on the periphery of the very last metal layer of the chip and the pads are connected to respective terminals of the package by means of a wire, in the flip-chip technique a corresponding bump structure is formed on the last metal layer , which can be brought into contact with corresponding contact surfaces of the housing, which are formed on it from a solder material. As a result, a reliable electrical and mechanical connection can be formed between the terminal metal formed on the last metallization layer and the contact surfaces of the package carrier after the solder materials are fused. In this way, a large number of electrical connections can be made along the entire chip area of the last metallization layer with a low contact resistance and parasitic capacitance, thereby providing the I / O (input / output) resources required for complex integrated circuits such as z. As CPU's and the like, are required. During the corresponding process sequence for connecting the mound structure to a housing support, pressure and heat are to some extent applied to the assembled component such that a reliable connection is formed between each of the on-chip mounds and mounds or lands provided on the housing substrate. However, the thermally or mechanically induced stress can also act on the underlying metallization layers, which typically include low-k dielectrics or even very low-k dielectrics, so-called ultra low-k dielectrics (ULK), thereby increasing the likelihood of defect formation in the form of cracks, material separation and the like due to the reduced mechanical stability and adhesion to other materials significantly increased.

Insbesondere wird die Phase, in der das Gehäusesubstrat tatsächlich mit dem Halbleiterchip durch das Aufschmelzen des Lotmaterials und des darauf folgenden Verfestigens des Lotmaterials zur Ausbildung einer zwischenmetallischen Verbindung zwischen der auf dem Halbleiterchip ausgebildeten Hügelstruktur und der auf dem Gehäusesubstrat ausgebildeten Hügelstruktur als ein ausgeprägter Fehlermechanismus angesehen. Bei diesem Vorgang werden der Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat mechanisch miteinander gekoppelt und über die Schmelztemperatur des Lotmaterials hinaus erwärmt, wodurch das Lotmaterial schmilzt und eine intermetallische Verbindung bildet. Daraufhin wird das zusammengesetzte Bauelement, d. h. der Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat, abgekühlt, wobei jedoch ein ausgeprägter Ausbeuteverlust entstehen kann.In particular, the phase in which the package substrate is actually regarded with the semiconductor chip by melting the solder material and then solidifying the solder material to form an intermetallic bond between the bump structure formed on the semiconductor chip and the bump structure formed on the package substrate is considered to be a pronounced failure mechanism. In this process, the semiconductor chip and the package substrate are mechanically coupled to each other and heated above the melting temperature of the solder material, whereby the solder material melts and forms an intermetallic compound. Then the composite component, i. H. the semiconductor chip and the package substrate, cooled, but a pronounced yield loss may arise.

Ausgeprägte Ausbeuteverluste werden auch in komplexen Halbleiterbauelementen beobachten, in denen zwei oder mehrere Halbleiterchips in einer Stapelchipkonfiguration dazu vorgesehen sind, die gesamte Volumendichte des Gehäuses in einem gehausten Halbleiterbauelement zu erhöhen. Aufgrund der allgemeinen Entwicklung zur Erhöhung der Funktionalität komplexer Halbleiterbauelemente und angesichts der bedeutenden Schwierigkeiten, die bei der ständigen Verringerung der Strukturgrößen komplexer Schaltkreiselemente auf Halbleiterbasis und der Metallstrukturen in komplexen Metallisierungssystemen auftreten wurden wie vorangehend erläutert, in zunehmendem Maße dreidimensionale Chipkonfigurationen entwickelt, um die ”dritte” Dimension in einem Halbleitergehäuse zu nutzen. Dazu können zwei oder mehr Halbleitersubstrate derart verarbeitet werden, dass sie geeignete Schaltkreiselemente und entsprechende Metallisierungssysteme aufnehmen, wodurch die verschiedenen Funktionen der gesamten integrierten Schaltung über zwei oder mehr einzelne Halbleiterchips verteilt werden. In jeder dieser dreidimensionalen Gehäusestrategien können die Verbindungen zwischen den einzelnen Halbleiterchips typischerweise dadurch realisiert werden, dass geeignete Dielektrika, wie z. B. Siliziumdioxid, Polyimide und dergleichen, bereitgestellt werden, die dann als passivierende Puffermaterialien zwischen den einzelnen Halbleiterchips wirken. Auf der anderen Seite stellen diese Materialschichten die mechanische Beanspruchbarkeit der dreidimensionalen Chipkonfiguration bereit. Nachdem letztendlich die dreidimensionale Chipkonfiguration eingehaust wurde, wird jedoch bedeutende mechanische Verspannung in diese Zwischen-Chip-Schichten eingebracht, wodurch sich eine Materialablösung, die Ausbildung von Spalten oder dergleichen, ergeben kann.Pronounced yield losses will also be observed in complex semiconductor devices in which two or more semiconductor chips in a stacked-die configuration are designed to increase the overall bulk density of the package in a thinned semiconductor device. Due to the general trend towards increasing the functionality of complex semiconductor devices and the significant difficulties that have been encountered in constantly reducing the feature sizes of complex semiconductor-based circuit elements and metal structures in complex metallization systems, as previously discussed, three-dimensional chip configurations are being developed to an increasing extent "Dimension in a semiconductor package to use. For this, two or more semiconductor substrates may be processed to receive suitable circuit elements and corresponding metallization systems, thereby distributing the various functions of the entire integrated circuit over two or more individual semiconductor chips. In each of these three-dimensional housing strategies, the connections between the individual semiconductor chips can typically be realized by using suitable dielectrics, such as, for example, silicon dioxide. As silicon dioxide, polyimides and the like, are provided, which then act as passivating buffer materials between the individual semiconductor chips. On the other hand, these layers of material provide the mechanical strength of the three-dimensional chip configuration. However, after the three-dimensional chip configuration has finally been housed, significant mechanical stress is introduced into these inter-chip layers, which may result in delamination, the formation of gaps, or the like.

Mit Bezug auf die 1a1c wird nun eine herkömmliche Prozessabfolge beschrieben, in welcher eine Chip-Gehäuse-Verbindung auf der Basis eines Lötprozesses gebildet werden kann, welche zu bedeutenden mechanischen Verspannungskräften in empfindlichen Bauelementflächen, wie beispielsweise komplexen Metallisierungssystemen und/oder dielektrischen Puffermaterialien, die zwischen einzelnen Halbleiterchips der dreidimensionalen Chipkonfiguration vorgesehen sind, führen kann.With reference to the 1a - 1c A conventional process sequence will now be described in which a die-body connection may be formed based on a soldering process resulting in significant mechanical stress forces in sensitive device surfaces, such as complex metallization systems and / or dielectric buffer materials, between individual semiconductor chips of the three-dimensional chip configuration are intended to lead.

1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 150 in einem Zustand, der der Ausbildung eines Halbleiterchips 100 und eines Gehäusesubstrats 160 vorausgeht. In dem dargestellten Fertigungszustand kann der Halbleiterchip 100 ein geeignetes Substrat 101, wie beispielsweise ein Siliziummaterial oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial, umfassen, in welchem und über welchem halbleiterbasierte Schaltungselemente (nicht dargestellt) entsprechend den gesamten Geräteanforderungen bereitgestellt sind. Kritische Abmessungen der halbleiterbasierten Schaltkreiselemente können in komplexen Anwendungen, wie sie voranstehend diskutiert wurden, 50 nm oder bedeutend weniger betragen, wodurch typischerweise auch eine ausgeprägte Komplexizität in einem auf dem Substrat 101 ausgebildeten Metallisierungssystem 115 erforderlich ist. Das Metallisierungssystem 115 umfasst typischerweise eine Vielzahl an Metallisierungsschichten, wie z. B. die Metallisierungsschichten 110, 120 und 130, die wiederum aus einem geeigneten dielektrischen Material oder Materialsystem und entsprechenden Metallgebieten bestehen. Die Metallisierungsschicht 110 umfasst z. B. ein Dielektrikum 111, in das Metallleitungen 112 eingebettet sind. Gleichermaßen umfasst die Metallisierungsschicht 120 ein dielektrisches Material oder ein Materialsystem 121 in Verbindung mit geeigneten Metallleitungen und -gebieten 122. Auch die Metallisierungsschicht 130 umfasst ein Dielektrikum 131 in Verbindung mit Metallgebieten 132, die wiederum zum Verbinden an eine die Kontaktstruktur zur Verbindung an das Gehäusesubstrat 160 repräsentierenden Hügelstruktur oder Kontaktstruktur 140 geeignet ausgelegt sein können. In komplexen Metallisierungssystemen umfassen wenigstens einige der Metallisierungsschichten typischerweise das Dielektrikum in Form eines low-k Dielektrikum oder eines ultra low-k Dielektrikum (ULK), um die gesamte parasitäre Kapazität im Metallisierungssystem 115 zu reduzieren. Die überdurchschnittliche elektrische Leistungsfähigkeit des empfindlichen Dielektrikums wird jedoch begleitet von einer bedeutend verringerten mechanischen Robustheit, die demzufolge eine mehrfach erhöhte Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Verspannung im Vergleich zu herkömmlichen Dielektrika, wie z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, ergeben kann. Da weiterhin die gesamte Komplexizität der elektrischen Schaltung auf dem Halbleiterlevel des Halbleiterchips 100 zunimmt, muss auch die Anzahl und demzufolge die Komplexizität der elektrischen Verbindungen innerhalb des Metallisierungssystems 115 in ihrer Komplexizität zunehmen, wodurch typischerweise eine erhöhte Anzahl an Metallisierungsschichten erfordert wird, die wiederum zusätzlich zu einer reduzierten gesamten mechanischen Festigkeit beitragen. Darüber hinaus wird die Kontaktstruktur 140 z. B. auf der Basis von geeigneten Dielektrika, wie z. B. Siliziumdioxid, Siliziumoxynitrid, Polyamid und dergleichen, umgesetzt, wie durch 141 angedeutet ist, um die erforderte I/O-Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Dieses Material ist geeignet strukturiert gestaltet, um einen Kontakt zu den Metallbereichen 132 der allerletzten Metallisierungsschicht 130 zu ermöglichen, die demzufolge in Verbindung mit Kontaktelementen 142 wie Kontaktflächen wirken. Diese umfassen typischerweise ein Lotmaterial, das zur Verbindung mit den Metallbereichen 162 des Gehäusesubstrats 160 aufgeschmolzen werden muss. Es wird angemerkt, dass die Kontaktflächen 162 der Übersicht halber so dargestellt sind, dass sie in einem geeigneten Dielektrikum 161 des Gehäusesubstrats 160 eingebettet sind, während jegliche andere Metallbereiche und Metallleitung zur Verbindung mit weiteren anderen Anschlüssen des Gehäusesubstrats 160 nicht dargestellt sind. Darüber hinaus sind in dem in 1a dargestellten Beispiel die Kontaktelemente 142 in Form von Löthügeln oder Lötkugeln dargestellt, die auf einem geeigneten Metallisierungssystem 143 ausgebildet sind. Das Metallisierungssystem 143 wird häufig als Metallisierung unter einem Löthügel (Underbumpmetallisierung, UBM) bezeichnet und umfasst eine beliebige geeignete Anzahl und Art von Materialschichten, um die gewünschten elektrischen und mechanischen Charakteristika zum Ausbilden einer Schnittstelle zwischen den Kontaktflächen oder Metallbereichen 132 bereitzustellen, die häufig aus Kupfer gebildet sind, und den eigentlichen Kontaktelementen 142 bereitzustellen. Es wird angemerkt, dass bei komplexen Montagetechniken ein bedeutender Teil der Kontaktelemente 142 in Form von Metallsäulen, wie z. B. Kupfersäulen, bereitgestellt ist, um die Packungsdichte der Kontaktstruktur 140 zu vergrößern und auch eine überdurchschnittliche elektrische Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Auf der anderen Seite kann ein Bereitstellen von Metallsäulen in der Kontaktstruktur 140 die Wahrscheinlichkeit eines Entstehens von bedeutenden Schäden in einer oder mehrerer der darunter liegenden Metallisierungsschichten des Systems 115 aufgrund der vergrößerten Steifheit der Metallsäulen im Vergleich mit Kontaktelementen vergrößern, die im Wesentlichen vollständig aus einem Lotmaterial gebildet sind. 1a schematically shows a cross-sectional view of a semiconductor device 150 in a state of the formation of a semiconductor chip 100 and a package substrate 160 precedes. In the illustrated manufacturing state, the semiconductor chip 100 a suitable substrate 101 , such as a silicon material or other suitable semiconductor material, in which and over which semiconductor-based circuit elements (not shown) are provided according to the overall device requirements. Critical dimensions of the semiconductor-based circuit elements can be as much as 50 nm or significantly less in complex applications as discussed above, thereby typically also having a pronounced complexity in one on the substrate 101 trained metallization system 115 is required. The metallization system 115 typically includes a variety of Metallization layers, such as. B. the metallization layers 110 . 120 and 130 which in turn consist of a suitable dielectric material or material system and corresponding metal regions. The metallization layer 110 includes z. B. a dielectric 111 , in the metal lines 112 are embedded. Likewise, the metallization layer comprises 120 a dielectric material or a material system 121 in connection with suitable metal pipes and areas 122 , Also the metallization layer 130 includes a dielectric 131 in connection with metal areas 132 which in turn is for connecting to a contact structure for connection to the housing substrate 160 representing hill structure or contact structure 140 may be designed suitable. In complex metallization systems, at least some of the metallization layers typically include the dielectric in the form of a low-k dielectric or an ultra-low-k dielectric (ULK) to eliminate all parasitic capacitance in the metallization system 115 to reduce. The above-average electrical performance of the sensitive dielectric, however, is accompanied by a significantly reduced mechanical robustness, which consequently a multiple increased sensitivity to mechanical stress compared to conventional dielectrics, such as. As silicon dioxide, silicon nitride and the like may result. Furthermore, since the entire complexity of the electrical circuit at the semiconductor level of the semiconductor chip 100 The number and, consequently, the complexity of the electrical connections within the metallization system must also increase 115 in their complexity, which typically requires an increased number of metallization layers, which in turn, in addition, contribute to reduced overall mechanical strength. In addition, the contact structure 140 z. B. based on suitable dielectrics, such as. As silicon dioxide, silicon oxynitride, polyamide and the like, implemented as by 141 to provide the required I / O performance. This material is suitably structured designed to make contact with the metal areas 132 the very last metallization layer 130 as a result, in conjunction with contact elements 142 how contact surfaces act. These typically comprise a brazing material suitable for bonding to the metal areas 162 of the package substrate 160 must be melted. It is noted that the contact surfaces 162 for the sake of clarity, they are shown in a suitable dielectric 161 of the package substrate 160 while any other metal portions and metal line are for connection to other other terminals of the package substrate 160 are not shown. In addition, in the in 1a illustrated example, the contact elements 142 presented in the form of solder bumps or solder balls on a suitable metallization system 143 are formed. The metallization system 143 is often referred to as underbump metallization (UBM) metallization and includes any suitable number and type of material layers to provide the desired electrical and mechanical characteristics to form an interface between the pads or metal regions 132 provide, which are often formed of copper, and the actual contact elements 142 provide. It is noted that in complex assembly techniques, a significant portion of the contact elements 142 in the form of metal columns, such. As copper pillars, is provided to the packing density of the contact structure 140 to increase and also provide above average electrical performance. On the other hand, there may be provision of metal columns in the contact structure 140 the likelihood of significant damage occurring in one or more of the underlying metallization layers of the system 115 due to the increased stiffness of the metal columns in comparison with contact elements that are substantially completely formed of a solder material.

Der Halbleiterchip 100 kann basierend auf jeglicher etablierten Prozessstrategie zur Umsetzung halbleiterbasierter Schaltkreiselemente in und auf den Substraten 101 ausgebildet sein, die hochkomplexe Prozesstechniken wie Lithografie, Ätzverfahren, Implantationstechniken, Ablagerungstechniken, Ausheiltechniken und dergleichen umfassen. Wenn Metallbereiche auf Kupferbasis bereitzustellen sind, dann können die Metallisierungsschichten 110, 120, 130 unter Verwendung komplexer Inlaid-Techniken gebildet werden. In diesem Fall ist das Dielektrikum oder Materialsystem auf dem Substrat 101 ausgebildet und weiterhin derart ausgestaltet, dass es geeignete Öffnungen bildet, welche wiederum mit geeigneten Metallsystemen aufgefüllt sind, wie z. B. Metallsysteme, die ein leitendes Barrierematerial oder Materialsystem und ein hoch leitendes Metall, wie beispielsweise Kupfer, eine Kupferlegierung und dergleichen, umfassen. Wie vorangehend erläutert wurde, kann, um die gesamte elektrische Leistungsfähigkeit zu erhöhen, typischerweise wenigstens ein in dem Metallisierungssystem 115 bereitzustellender Bereich des Dielektrikums eine im Vergleich zu etablierten herkömmlichen Dielektrika in bedeutendem Maße reduzierte mechanische Stabilität aufweisen. Nachdem die allerletzte Metallisierungsschicht 130 fertig gestellt wurde, wird die Kontaktstruktur 140 beispielsweise durch Ablagerung des einen Dielektrikum oder der mehreren Dielektrika 141 und Strukturieren derselben ausgebildet, gefolgt von der Ablagerung des Materialsystems 143. Daraufhin können nasschemische Ablagerungstechniken angewandt werden, um ein geeignetes Materialsystem für die Kontaktelemente 142 bereitzustellen, welches beispielsweise hoch leitende Materialien, wie z. B. Kupfer und dergleichen umfasst, falls Metallsäulen auszubilden sind, gefolgt von der Ablagerung eines Lotmaterials. In anderen Fällen können die Kontaktelemente 142 vollständig auf der Basis eines Lotmaterials hergestellt werden. Danach werden etablierte Lithografie- und Ablagerungstechniken angewandt. Daraufhin wird jegliches Maskenmaterial entfernt und die Schicht 143 wird derart strukturiert, dass elektrisch isolierende Kontaktelemente in der Struktur 140 bereitgestellt werden. Ein Reflow-Prozess kann, falls nötig, angewendet werden, um die finale Form der Kontaktelemente 142, beispielsweise in der Form von Lotkugeln und dergleichen, auszubilden.The semiconductor chip 100 based on any established process strategy for implementing semiconductor-based circuit elements in and on the substrates 101 be formed, the highly complex process techniques such as lithography, etching, implantation techniques, deposition techniques, annealing techniques and the like include. If copper-based metal regions are to be provided, then the metallization layers 110 . 120 . 130 be formed using complex in-laid techniques. In this case, the dielectric or material system is on the substrate 101 formed and further configured such that it forms suitable openings, which in turn are filled with suitable metal systems, such. Metal systems comprising a conductive barrier material or material system and a highly conductive metal such as copper, a copper alloy, and the like. As previously explained, in order to increase overall electrical performance, typically at least one in the metallization system may be used 115 region of the dielectric to be provided have significantly reduced mechanical stability compared to established conventional dielectrics. After the very last metallization layer 130 has been completed, the contact structure 140 for example, by deposition of the one or more dielectrics 141 and structuring them, followed by deposition of the material system 143 , Thereafter, wet-chemical deposition techniques may be employed to provide a suitable material system for the contact elements 142 to provide which For example, highly conductive materials such. As copper and the like, if metal columns are to be formed, followed by the deposition of a solder material. In other cases, the contact elements 142 be made entirely on the basis of a solder material. Thereafter, established lithographic and deposition techniques are used. Then any mask material is removed and the layer 143 is structured such that electrically insulating contact elements in the structure 140 to be provided. A reflow process can be applied, if necessary, to the final shape of the contact elements 142 For example, in the form of solder balls and the like, form.

Das Gehäusesubstrat 160 kann auf der Basis von etablierten Verfahrenstechniken ausgebildet sein, um in Abhängigkeit von der gesamten Prozessstrategie eine komplementäre Kontaktstruktur in der Form von Kontaktflächen 162 einzurichten, die möglicherweise auch ein Lotmaterial enthalten. Nach der Trennung einzelner Halbleiterchips von einem Halbleiterwafer kann der Chip 100 an dem Gehäusesubstrat 160 mittels mechanischen Kontaktierens der Kontaktflächen 162 mit den Kontaktelementen 142 und durch Anwendung erhöhter Temperaturen zum Aufschmelzen der das Lotmaterial enthaltenden Kontaktelemente 142 oder wenigstens eines Teils davon, angebracht werden, um letztendlich eine intermetallische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 162 und den Kontaktelementen 142 zu erhalten. Nach der Verfestigung des geschmolzenen Lotmaterials in den Kontaktelementen 142 kann typischerweise eine übermäßige mechanische Verspannung in dem Metallisierungssystem 115 induziert werden, wie später im Detail erklärt wird.The housing substrate 160 may be formed on the basis of established process techniques to provide a complementary contact structure in the form of contact surfaces depending on the overall process strategy 162 which may also contain a solder material. After the separation of individual semiconductor chips from a semiconductor wafer, the chip can 100 on the housing substrate 160 by mechanical contacting of the contact surfaces 162 with the contact elements 142 and by using elevated temperatures for melting the contact material containing the solder material 142 or at least a portion thereof, to ultimately form an intermetallic bond between the contact surfaces 162 and the contact elements 142 to obtain. After solidification of the molten solder material in the contact elements 142 may typically have excessive mechanical stress in the metallization system 115 be induced as will be explained in detail later.

1b stellt schematisch das Halbleiterelement 150 entsprechend eines anderen illustrativen Beispiels dar, in welchem eine dreidimensionale oder gestapelte Chipkonfiguration an dem Gehäusesubstrat 160 angebracht ist. Ein erster Chip 100a ist, wie dargestellt, mit dem Gehäusesubstrat 160 mittels der Kontaktstruktur 140 verbunden, die eine Konfiguration aufweisen kann, wie vorangehend mit Bezug auf das in 1a dargestellte Bauelement 100 erklärt ist. Des Weiteren ist ein weiterer Halbleiterchip 100b mit dem Chip 100a beispielsweise auf der Basis eines geeigneten Dielektrikum 102a verbunden, in welchem ein beliebiges geeignetes Kontaktregime umgesetzt sein kann, um elektrische Kontakte zwischen den Chips 100a und 100b bereitzustellen. Der Chip 100b kann beispielsweise ein geeignetes Metallisierungssystem umfassen, das geeignete Kontaktelemente aufweisen kann. Diese Kontaktelemente wiederum stellen eine Verbindung dar mit auf der Rückseite des Chips 100a ausgebildeten Kontaktflächen, wobei die Vorderseite des Chips 100a ein komplexes Metallisierungssystem umfasst, wie es z. B. vorangehend mit Bezug auf das Bauelement 100 erklärt ist. Darüber hinaus kann ein weiterer Halbleiterchip 100c für einen Kontakt mit dem Chip 100b vorgesehen sein. Der Kontakt wird erreicht durch das Bereitstellen geeigneter Kontaktstrukturen, wobei typischerweise die elektrischen Kontakte in einem Dielektrikum, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Polyamid und dergleichen, eingebettet sind. Nachdem wenigstens die gestapelte Konfiguration des Bauelements 150, das die zwei oder mehr Halbleiterchips 100a, ..., 100c umfasst, an dem Gehäusesubstrat 160 angebracht ist, müssen wenigstens die Kontaktelemente der Kontaktstruktur 140 konsequenterweise aufgeschmolzen und verfestigt werden, was eine bedeutende mechanische Verspannung innerhalb des Halbleiterchips 100a und auch insbesondere an den Berührmaterialien 102a, 102b ergeben kann, die zwischen den anschließenden Halbleiterchips 100b und 100c vorgesehen sind. Wenn eine gestapelte Chipkonfiguration umgesetzt wird, kann die Komplexizität der entsprechenden Metallisierungssysteme in jedem einzelnen Halbleiterchip typischerweise auf einen bestimmten Grad verringert werden, beispielsweise hinsichtlich der Anzahl der Metallisierungsschichten, der verwendeten Dielektrika und dergleichen, wodurch möglicherweise dem einzelnen Metallisierungssystem eine bessere mechanische Robustheit verliehen wird. Auf der anderen Seite können bedeutende Verspannungskräfte in den Berührmaterialien 102a, 102b induziert werden, wodurch auch diese mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zum Entstehen von Gerätefehlern bei der Verfestigung des Lotmaterials zumindest in der Kontaktstruktur 140 und möglicherweise in anderen bereitgestellten Kontaktstrukturen zwischen den einzelnen Halbleiterchips der gestapelten Konfiguration beitragen. 1b schematically represents the semiconductor element 150 according to another illustrative example, in which a three-dimensional or stacked chip configuration on the package substrate 160 is appropriate. A first chip 100a is, as shown, with the housing substrate 160 by means of the contact structure 140 connected, which may have a configuration as described above with respect to in 1a illustrated component 100 is explained. Furthermore, another semiconductor chip 100b with the chip 100a for example, based on a suitable dielectric 102 in which any suitable contact regime may be implemented to provide electrical contacts between the chips 100a and 100b provide. The chip 100b For example, it may comprise a suitable metallization system which may have suitable contact elements. These contact elements in turn make a connection with on the back of the chip 100a formed contact surfaces, with the front of the chip 100a a complex metallization system includes, as z. B. above with respect to the device 100 is explained. In addition, another semiconductor chip 100c for a contact with the chip 100b be provided. Contact is achieved by providing suitable contact structures, typically with the electrical contacts embedded in a dielectric, such as silicon dioxide, polyamide, and the like. After at least the stacked configuration of the device 150 that the two or more semiconductor chips 100a , ..., 100c includes, on the housing substrate 160 is attached, at least the contact elements of the contact structure 140 Consequently, melted and solidified, resulting in a significant mechanical stress within the semiconductor chip 100a and also especially on the contact materials 102 . 102b which can result between the subsequent semiconductor chips 100b and 100c are provided. When implementing a stacked chip configuration, the complexity of the respective metallization systems in each individual semiconductor chip can typically be reduced to a certain degree, for example, in terms of the number of metallization layers, the dielectrics used, and the like, possibly giving better mechanical robustness to the individual metallization system. On the other hand, significant stress forces in the contact materials 102 . 102b whereby these also with a certain probability to the emergence of device errors in the solidification of the solder material at least in the contact structure 140 and possibly in other provided contact structures between the individual semiconductor chips of the stacked configuration.

1c stellt schematisch einen typischen Reflow-Prozess 170 dar, wobei die horizontale Achse die Zeit in beliebigen Einheiten darstellt, während die vertikale Achse die Temperatur in °C darstellt. In einer ersten Phase 171 des Prozesses 170 wird das Verbundhalbleiterbauelement auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Lotmaterials erwärmt. Danach kann die eigentliche Reflow-Phase dadurch eingeleitet werden, dass das Verbundhalbleiterbauelement weiterhin Temperaturen über der Schmelztemperatur ausgesetzt wird, um das Aufschmelzen des Lotmaterials zu veranlassen und eine intermetallische Verbindung zu den Kontaktflächen der komplementären Kontaktstruktur auszubilden. In dem dargestellten Beispiel ist die mit 172 bezeichnete Löt- oder Aufschmelzphase durch eine im Wesentlichen konstante Temperatur dargestellt, wobei auch andere Temperaturprofile während der Phase 172 angewendet werden können. Es sollte im Allgemeinen anerkannt werden, dass das in 1c dargestellte Temperaturprofil als eine an unterschiedlichen Positionen entlang des Verbundhalbleiterbauelements ermittelte Durchschnittstemperatur zu verstehen ist, wobei die Temperatur in einem zentralen Bereich des Verbundhalbleiterbauelements typischerweise von der Temperatur an einem peripheren Bereich verschieden sein kann. Nach der Lötphase 172, die von einigen Sekunden bis zu 30 Sekunden oder mehr betragen kann, wird eine Abkühlphase 173 angewandt. Während der Abkühlphase 173 wird ein gewünschter Temperaturgradient angelegt, um eine gewünschte Abkühlrate zu erhalten, wodurch sich das zuvor geschmolzene Lotmaterial in zunehmendem Maße verfestigt. Die elektrische Leistungsfähigkeit der letztendlich erhaltenden intermetallischen Verbindung kann im Allgemeinen für eine gegebene gesamte Materialzusammensetzung des Kontaktelements 142 (siehe 1a) in bedeutendem Maße von der Kornstruktur, d. h. der Durchschnittskorngröße entsprechender Kornung und der Größenverteilung der Kornung, abhängen. Nach dem schnellen Abkühlen des geschmolzenen Lotmaterials kann beispielsweise der höchst ungeordnete Zustand des geschmolzenen Lotmaterials während der Verfestigungsphase zu einem bestimmten Grad erhalten bleiben und kann demzufolge auch in den fertigen Kontaktelementen 142 gegenwärtig sein, wodurch relativ kleine Korngrößen mit einer, um eine Durchschnittskorngröße zentrierten, relativ schmalen Verteilung entstehen. Grundsätzlich wird eine solche Konfiguration der Kontaktelemente 142 hinsichtlich einer überdurchschnittlichen Gleichförmigkeit der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit als vorteilhaft angesehen. Auf der anderen Seite kann der relativ steile Verlauf der Abkühlphase 173 eine bedeutende mechanische Verspannung ergeben, die von dem sehr verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des einen oder der mehreren Halbleiterchips und des Gehäusesubstrats hervorgerufen wird. Darüber hinaus erfolgt die Verfestigung des geschmolzenen Lotmaterials entlang des Verbundhalbleiterbauelements möglicherweise nicht gleichförmig, sondern es kann z. B. eine frühe Verfestigung des an der Peripherie des Halbleiterchips angeordneten Lotmaterials auftreten, da dort während der relativ steilen Abkühlphase 173 eine viel effizientere Wärmedissipation auftreten kann. In diesem Fall kann die Peripherie des Verbundhalbleiterbauelements schon stark mechanisch gekoppelt sein, während sich die zentrale Fläche noch verfestigt und es kann sich demzufolge zusätzliche thermische Verspannung ergeben, die dann auf Grund der reduzierten Elastizität der peripheren Fläche des Verbundhalbleiterbauelements nicht kompensiert werden kann. Die in den empfindlichen Metallisierungssystemen und/oder in jeglichen zwischengelagerten Berührflächen einer gestapelten Chipkonfiguration induzierte übermäßige mechanische Verspannung kann zu einer erhöhten Anzahl von Schäden führen, wie z. B. zur Ausbildung von Sprüngen, die sich in den empfindlichen Dielektrika bilden, Materialabblätterungen und dergleichen, die demzufolge zu einer Schädigung des Bauelementes oder wenigstens zu einer in bedeutendem Maße reduzierten Zuverlässigkeit des Verbundhalbleiterbauelements beitragen können. Dies gilt insbesondere für Prozesse, in denen bleifreie Lotmaterialien verwendet werden müssen, da hier typischerweise höhere Löttemperaturen erforderlich sind, und die resultierenden verfestigten Lotmaterialien eine im Vergleich zu etablierten Blei enthaltenen Lotmaterialien in bedeutendem Maße verringerte Elastizität aufweisen. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, die Abkühlphase 173 in beträchtlicher Weise zu verlängern, um dem sich verfestigenden Lotmaterial zu erlauben, sich an die ergebende thermische Verspannung anzupassen, so dass sich die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Geräteschäden beträchtlich verringert. Es hat sich jedoch ergeben, dass die reduzierte Abkühlrate während der Phase 173 eine nicht erwünschte Kornstruktur der sich ergebenden Lötverbindungen zur Folge haben kann, während sich der Gesamtdurchsatz des Reflow-Verfahrens im Allgemeinen verringert. 1c schematically illustrates a typical reflow process 170 where the horizontal axis represents the time in arbitrary units while the vertical axis represents the temperature in ° C. In a first phase 171 of the process 170 the compound semiconductor component is heated to a temperature above the melting temperature of the solder material. Thereafter, the actual reflow phase may be initiated by further exposing the compound semiconductor device to temperatures above the melting temperature to cause the solder material to melt and to form an intermetallic compound with the contact surfaces of the complementary contact structure. In the example shown, the with 172 designated soldering or Aufschmelzphase represented by a substantially constant temperature, wherein also other temperature profiles during the phase 172 can be applied. It should generally be acknowledged that in 1c Temperature profile is to be understood as a determined at different positions along the compound semiconductor device average temperature, the temperature in a central region of the compound semiconductor device may typically be different than the temperature at a peripheral region. After the soldering phase 172 , which can range from a few seconds to 30 seconds or more, becomes a cool down phase 173 applied. During the cooling phase 173 For example, a desired temperature gradient is applied to obtain a desired cooling rate, whereby the previously molten solder material increasingly solidifies. The electrical performance of the ultimate intermetallic compound may generally be for a given overall material composition of the contact element 142 (please refer 1a ) depend to a large extent on the grain structure, ie the average grain size of corresponding grain and the size distribution of the grain. For example, after the molten solder material cools rapidly, the highly disordered state of the molten solder material may be maintained to a certain degree during the solidification phase, and consequently may also be present in the finished contact elements 142 be present, creating relatively small grain sizes with a relatively narrow distribution centered around an average grain size. In principle, such a configuration of the contact elements 142 considered to be advantageous in terms of above-average uniformity of electrical and thermal conductivity. On the other hand, the relatively steep course of the cooling phase 173 result in significant mechanical stress caused by the very different coefficient of thermal expansion (CTE) of the one or more semiconductor chips and the package substrate. Moreover, solidification of the molten solder material along the compound semiconductor device may not be uniform, but may be e.g. B. an early solidification of the arranged on the periphery of the semiconductor chip solder material occur because there during the relatively steep cooling phase 173 a much more efficient heat dissipation can occur. In this case, the periphery of the compound semiconductor device may already be strongly mechanically coupled while the central area is still solidifying and, consequently, additional thermal stress may result, which may then not be compensated due to the reduced elasticity of the peripheral surface of the compound semiconductor device. The excessive mechanical stress induced in the sensitive metallization systems and / or in any intervening contact areas of a stacked chip configuration can lead to an increased number of damages, such For example, to form cracks that form in the sensitive dielectrics, material exfoliation, and the like, which may thus contribute to damage to the device, or at least to significantly reduced reliability of the compound semiconductor device. This is particularly true for processes in which lead-free solder materials must be used, since typically higher soldering temperatures are required, and the resulting solidified solder materials have significantly reduced elasticity compared to established lead-containing solder materials. For this reason, it was suggested the cooling phase 173 considerably elongated to allow the solidifying solder material to conform to the resulting thermal stress, thus significantly reducing the likelihood of device damage. However, it has been found that the reduced cooling rate during the phase 173 may result in an undesirable grain structure of the resulting solder joints, while generally reducing the overall throughput of the reflow process.

In der US 2009/0298206 A1 wird ein Verfahren zum Messen einer Waferdurchbiegung während eines Lötvorgangs beschrieben, das einen guten Vergleich zwischen zwei angewendeten Abkühlprofilen erlaubt. In der US 6 228 680 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung beschrieben, in dem einen Abkühlung der bearbeiteten Halbleiterstruktur mit abwechselnd fallenden, steigenden oder konstanten Abkühlraten erfolgt. In der EP 1 569 272 A2 wird ein Chipbondverfahren beschrieben, bei dem ein Chipträger durch eine Heizvorrichtung bewegt wird und Temperaturen der bearbeiteten Halbleiterstruktur in Abhängigkeit von der Position in der Heizvorrichtung dargestellt werden können. In der WO 2009/044958 A1 wird ein 3D-Chipstapel beschrieben.In the US 2009/0298206 A1 For example, a method for measuring wafer deflection during a soldering operation is described which allows a good comparison between two applied cooling profiles. In the US Pat. No. 6,228,680 B1 describes a method for producing an integrated circuit, in which a cooling of the processed semiconductor structure with alternately falling, increasing or constant cooling rates takes place. In the EP 1 569 272 A2 For example, a chip bonding method is described in which a chip carrier is moved by a heater and temperatures of the processed semiconductor structure can be represented as a function of the position in the heating device. In the WO 2009/044958 A1 a 3D chip stack is described.

Angesichts der oben beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, in welchen Verbundhalbleiterbauelemente auf der Basis von Reflow-Verfahren gebildet werden können, während die Auswirkungen wenigstens eines der oben dargestellten Probleme verhindert oder zumindest verringert werden.In view of the situation described above, the present invention relates to methods in which compound semiconductor devices based on reflow methods can be formed while preventing or at least reducing the effects of at least one of the problems outlined above.

Überblick über die ErfindungOverview of the invention

Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Herstellungstechniken bereit, in welchen ein Reflow-Verfahren angewendet werden kann, um einen oder mehrere Halbleiterchips mit einem Gehäusesubstrat mittels eines Lotmaterials unter Verwendung einer geeignet gestalteten Abkühlphase zu verbinden, die die sich ergebende mechanische Verspannung verringert, während gleichzeitig eine gewünschte Kornstruktur der Lötverbindungen bereitgestellt wird. Somit kann eine zweistufige oder mehrstufige Abkühlphase umgesetzt werden, in welcher eine schnelle Abkühlung und demzufolge eine moderat hohe Abkühlrate nach der eigentlichen Lötphase angewendet werden kann, um es zu ermöglichen, dass sich bei einer Verfestigung eine gewünschte verbesserte Kornstruktur ergibt. Daraufhin kann wenigstens eine zweite Abkühlphase mit bedeutend verringerter Abkühlrate erfolgen, in welcher sich thermische Verspannung effizient entspannen kann. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein Fließen des Metalls der Kontaktelemente zugelassen wird, so dass eine graduelle Anpassung an die vorangehende induzierte thermische Verspannung erreicht werden kann. Auf diese Art und Weise kann eine verringerte Zuverlässigkeit oder verschiedenste Schäden der Baugruppe in komplexen Metallisierungssystemen reduziert werden, während auch das Verbinden dreidimensionaler Konfigurationen mit einem Gehäuse aufgrund des verbesserten Abkühlprozessregimes weniger kritisch erfolgen kann.In general, the present invention provides fabrication techniques in which a reflow process may be used to bond one or more semiconductor chips to a package substrate by means of a solder material using a suitably designed cooling phase that reduces the resulting mechanical stress while simultaneously providing a cooling process desired grain structure of the solder joints is provided. Thus, a two-stage or multi-stage cooling phase can be implemented, in which a rapid cooling and consequently a moderately high cooling rate after the actual Soldering phase can be applied to allow it to give a desired improved grain structure upon solidification. Thereupon, at least a second cooling phase can take place with a significantly reduced cooling rate, in which thermal stress can be relaxed efficiently. This can be done, for example, by allowing the metal of the contact elements to flow, so that a gradual adaptation to the preceding induced thermal stress can be achieved. In this way, reduced reliability or various damage of the assembly in complex metallization systems can be reduced, while also connecting three-dimensional configurations with a housing can be made less critical due to the improved cooling process regime.

Ein beispielhaftes Verfahren gemäß der Erfindung betrifft die Montage wenigstens eines Halbleiterchips und eines Gehäusesubstrats. Das Verfahren umfasst Heizen eines Verbundbauelements über eine Schmelztemperatur eines zwischen einer Kontaktstruktur des Gehäusesubstrats und einer Kontaktstruktur des wenigstens eines Halbleiterchips ausgebildeten Lotmaterials, wobei das Verbundbauelement wenigstens einen Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat umfasst; Anwenden einer ersten Abkühlphase mit wenigstens einer zeitlich gemitteiten ersten Kühlrate zur Kühlung auf eine Kornstabilisierungstemperatur des Verbundbauelements und Veranlassung einer Verfestigung des Lotmaterials, wobei die räumlich gemittelte Temperatur des wenigstens einen Halbleiterchips am Ende der ersten Abkühlphase im Bereich von 80°C bis 150°C liegt, so dass eine Durchschnittskorngröße der Kontaktstruktur in einem Bereich von 1 μm bis 39 μm liegt; und Anwenden einer zweiten Abkühlphase nahe der ersten Abkühlphase mit einer zweiten zeitlich gemittelten Kühlrate, die geringer ist als die erste Kühlrate, wobei die erste Kühlrate mindestens das doppelte der zweiten Kühlrate beträgt und wobei die zweite Abkühlphase mechanische Verspannung in der Kontaktstruktur des wenigstens einen Halbleiterchips verringert.An exemplary method according to the invention relates to the mounting of at least one semiconductor chip and one package substrate. The method comprises heating a composite device above a melting temperature of a solder material formed between a contact structure of the package substrate and a contact structure of the at least one semiconductor chip, the composite device comprising at least one semiconductor chip and the package substrate; Applying a first cooling phase having at least one time-averaged first cooling rate for cooling to a grain stabilization temperature of the composite component and causing solidification of the solder material, wherein the spatially averaged temperature of the at least one semiconductor chip is in the range of 80 ° C to 150 ° C at the end of the first cooling phase such that an average grain size of the contact structure is in a range of 1 μm to 39 μm; and applying a second cooling phase near the first cooling phase at a second time-averaged cooling rate that is less than the first cooling rate, wherein the first cooling rate is at least twice the second cooling rate, and wherein the second cooling phase reduces mechanical stress in the contact structure of the at least one semiconductor chip ,

Ein weiteres illustratives Verfahren gemäß der Erfindung umfasst Aufschmelzen eines zwischen einer Kontaktstruktur eines Halbleiterchips und einer Kontaktstruktur eines Gehäusesubstrats ausgebildeten Lotmaterials, wobei der Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat ein Verbundhalbleiterbauelement bilden; Zulassen der Verfestigung des aufgeschmolzenen Lotmaterials durch Abkühlen des Verbundhalbleiterbauelements auf eine Kornstabilisierungstemperatur des Verbundhalbleiterbauelements während einer ersten Abkühlphase, um eine Kornstruktur des Lotmaterials anzupassen, so dass eine Durchschnittskorngröße der Kontaktstruktur in einem Bereich von 1 μm bis 39 μm liegt, und wobei die Kühlrate, die während der ersten Abkühlphase angewendet wird, im Wesentlichen konstant ist; und Kühlen des Verbundhalbleiterbauelements von der Kornstabilisierungstemperatur auf Umgebungstemperatur während einer zweiten Abkühlphase, wobei die zweite Abkühlphase eine mechanische Verspannung des Verbundhalbleiterbauelements verringert, ohne im Wesentlichen die Kornstruktur des Lotmaterials zu beeinflussen, wobei die Kühlrate, die während der zweiten Abkühlphase angewendet wird, im Wesentlichen konstant ist.Another illustrative method according to the invention comprises fusing a solder material formed between a contact structure of a semiconductor chip and a contact structure of a package substrate, wherein the semiconductor chip and the package substrate form a compound semiconductor device; Allowing the solidification of the molten solder material by cooling the compound semiconductor device to a grain stabilization temperature of the compound semiconductor device during a first cooling phase to adjust a grain structure of the solder material such that an average grain size of the contact structure is in a range of 1 μm to 39 μm, and wherein the cooling rate is applied during the first cooling phase, is substantially constant; and cooling the compound semiconductor device from the grain stabilization temperature to ambient temperature during a second cooling phase, wherein the second cooling phase reduces mechanical stress of the compound semiconductor device without substantially affecting the grain structure of the solder material, wherein the cooling rate applied during the second cooling phase is substantially constant is.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den angehängten Ansprüchen definiert und ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügten Figuren erfolgt, in welchen:Further embodiments of the present invention are defined in the appended claims and will become apparent from the following detailed description made with reference to the accompanying drawings, in which:

1a und 1b schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundhalbleiterbauelements zeigen, das ein komplexes Metallisierungssystem (1a) und/oder eine gestapelte Chipkonfiguration (1b) umfasst; 1a and 1b schematically show a cross-sectional view of a compound semiconductor device comprising a complex metallization system ( 1a ) and / or a stacked chip configuration ( 1b );

1c schematisch das Temperaturprofil eines Reflow-Prozesses entsprechend herkömmlicher Strategien darstellt; 1c schematically illustrates the temperature profile of a reflow process according to conventional strategies;

2a schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundhalbleiterbauelements darstellt, das beispielsweise ein komplexes Metallisierungssystem und/oder eine gestapelte Chipkonfiguration während eines Reflow-Prozesses umfasst; 2a schematically illustrates a cross-sectional view of a compound semiconductor device including, for example, a complex metallization system and / or a stacked chip configuration during a reflow process;

2b schematisch ein Temperaturprofil darstellt, welches eine modifizierte Abkühlphase zur Einstellung einer gewünschten Kornstruktur umfasst, während die thermisch induzierten Verspannungskräfte in dem Verbundhalbleiterbauelement entsprechend beispielhafter Ausführungsformen reduziert werden; 2 B schematically illustrates a temperature profile comprising a modified cooling phase for setting a desired grain structure while reducing the thermally induced stress forces in the compound semiconductor device according to exemplary embodiments;

2c2e schematisch Temperaturprofile anderer Abkühlphasen entsprechend beispielhafter Ausführungsformen darstellen; und 2c - 2e schematically represent temperature profiles of other cooling phases according to exemplary embodiments; and

2f2i schematisch ein Reflow-System während verschiedener Phasen eines Prozesses zur Umsetzung einer verbesserten Abkühlphase darstellen. 2f - 2i schematically represent a reflow system during different phases of a process for implementing an improved cooling phase.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, bei welchen die Anbringung auf der Basis eines Reflow-Verfahrens einer oder mehrerer Halbleiterchips auf einem Gehäusesubstrat unter Anwendung einer Abkühlphase verbessert werden kann. Auf der einen Seite kann die Anwendung einer Abkühlphase die Bildung gewünschter Kornstrukturen durch eine Umsetzung einer schnellen Abkühlgeschwindigkeit oder Abkühlrate während einer ersten Phase ermöglichen, während auf der anderen Seite eine verbesserte Entspannung der Verspannung während einer moderaten Abkühlphase mit einer bedeutend reduzierten Abkühlrate erreicht werden kann, in welcher es dem Lotmaterial ermöglicht ist, sich an die vorliegenden thermischen Verspannungskräfte derart anzupassen, dass nach einer letztendlich erreichten Umgebungstemperatur die verbleibende mechanische Verspannung ohne eine wesentliche Modifizierung der zuvor ausgebildeten Kornstruktur in bedeutendem Maße verringert wird. Die erste schnelle Abkühlphase kann beispielsweise sofort nach der Beendigung der eigentlichen Lötphase umgesetzt werden, um eine Kornstabilisierungstemperatur zu erreichen, die ungefähr 80°C oder höher, beispielsweise 130°C oder höher, betragen kann, wobei das Lotmaterial in ausreichendem Maß verfestigt ist, jedoch weiterhin eine genügende Elastizität bereitstellt, um die sich ergebenden mechanischen Verspannungskräfte bereitzustellen, ohne jedoch die vorausgehend ausgebildete Kornstruktur bedeutend zu modifizieren. In der sich anschließenden moderaten Abkühlphase mit einer verringerten Durchschnittsabkühlrate kann folglich das entsprechende Kriechen des Lotmaterials und demzufolge eine Entspannung erreicht werden. Auf diese Weise können die in einem Metallisierungssystem und/oder in einem beliebigen zwischengelagerten Materialsystem, das zwischen gestapelten Halbleiterchips bereitgestellt ist, auftretenden Verspannungskräfte in bedeutendem Maße verringert werden, wodurch die in typischen herkömmlichen Prozessstrategien beobachteten Ausbeuteverluste verringert werden, wie vorangehend beschrieben ist.In general, the present invention relates to methods in which the attachment based on a reflow process of one or more semiconductor chips on a package substrate can be improved by using a cooling phase. On the one hand, the application can a cooling phase may allow for the formation of desired grain structures by reacting a rapid cooling rate or cooling rate during a first phase while on the other hand providing improved relaxation of the stress during a moderate cooling phase with a significantly reduced cooling rate in which the solder material is allowed to adapt to the present thermal stress forces such that after a final ambient temperature has been reached, the remaining mechanical stress is significantly reduced without substantial modification of the previously formed grain structure. For example, the first rapid quenching phase may be reacted immediately after completion of the actual soldering phase to achieve a grain stabilization temperature which may be about 80 ° C or higher, for example 130 ° C or higher, with the solder material sufficiently solidified, however further provides sufficient resiliency to provide the resulting tensile mechanical forces without, however, significantly modifying the previously formed grain structure. In the subsequent moderate cooling phase with a reduced average cooling rate, accordingly, the corresponding creep of the solder material and consequently a relaxation can be achieved. In this way, the tension forces occurring in a metallization system and / or in any interposed material system provided between stacked semiconductor chips can be significantly reduced, thereby reducing the yield losses observed in typical conventional process strategies, as described above.

Mit Bezug auf die 2a2i werden nun weitere beispielhafte Ausführungsformen in größerem Detail beschrieben, wobei auch, sofern angebracht, auf die 1a1c und insbesondere auf das mit Bezug auf die 1a und 1b beschriebene Verbundhalbleiterbauelement Bezug genommen wird.With reference to the 2a - 2i Now, further exemplary embodiments will be described in more detail, wherein also, if appropriate, on the 1a - 1c and in particular that with reference to 1a and 1b described compound semiconductor device is referred to.

2a beschreibt schematisch eine Querschnittsansicht eines Verbundhalbleiterbauelements, das ein Gehäusesubstrat 260 umfassen kann, welches eine geeignete, darauf ausgebildete Kontaktstruktur 240 aufweist. Diese Kontaktstruktur 240 kann geeignete Dielektrika, Kontaktflächen oder Kontaktelemente und dergleichen umfassen, wie sie für eine geeignete Verbindung mit einer Kontaktstruktur 240 eines Halbleiterchips 200 vorausgesetzt ist. Die Kontaktstruktur 240 kann als eine abschließende Schicht eines Metallisierungssystems 215 ausgebildet sein, wenn ein einzelner Chip mit dem Gehäusesubstrat verbunden ist. In anderen Fällen kann die Kontaktstruktur 240 innerhalb eines geeigneten Dielektrikums zur Verbindung mit dem Gehäusesubstrat 260 vorgesehen sein, während ein beliebiges komplexes Metallisierungssystem an einer gegenüberliegenden Seite des Halbleiterchips 200 bereitgestellt ist. Beispielsweise kann wenigstens ein weiterer Halbleiterchip 200a zur Bildung einer gestapelten Chipkonfiguration vorgesehen sein, wobei ein beliebiges zwischengelagertes Materialsystem 210a zur Verbindung mit dem Halbleiterchip 200 vorgesehen sein kann. Dabei können geeignete Kontaktstrukturen (nicht dargestellt) beispielsweise in Form von Lotmaterial umfassenden Kontaktelementen bereitgestellt sein, die wiederum in einem geeigneten Dielektrikum eingebettet sein können. In dem dargestellten Beispiel kann ein Substrat 201 des Halbleiterchips 200 ein jegliches geeignetes Trägermaterial darstellen, innerhalb dessen und oberhalb dessen Schaltkreiselemente auf Halbleiterbasis gefolgt von dem Metallisierungssystem 215 und der Kontaktstruktur 240 vorgesehen sein können. Auf der anderen Seite kann das Substrat 201 auch eine geeignete Kontaktstruktur, beispielsweise in Form von Durchgangslochverbindungen und dergleichen umfassen, die mit einer Rückseite des Substrats 201 verbunden sein können, wodurch eine Kontaktstruktur zur Verbindung des Halbleiterchips 200a mittels des zwischengelagerten Materials oder Schichtsystems 210a bereitgestellt ist. Es wird angemerkt, dass der Halbleiterchip 200a in einigen beispielhaften Ausführungsformen nicht unbedingt vorgesehen ist, wodurch typischerweise eine komplexe Struktur des Metallisierungssystems 215 erforderlich ist, während in anderen Fällen ein oder mehrere Halbleiterchips an dem Halbleiterchip 200a angebracht sein können, abhängig von der Gesamtkomplexizität des Verbundbauelements 250. Demzufolge kann wenigstens die Kontaktstruktur 240 Kontaktelemente 242 umfassen, beispielsweise in Form von Metallsäulen, Lotkugeln oder Lotbällen oder dergleichen, wobei die Kontaktelemente 242 wenigstens eine bestimmte Menge an Lotmaterial, wie z. B. einem bleifreien Lotmaterial, enthalten kann, um eine zwischenmetallische Verbindung mit der Kontaktstruktur 240 auszubilden. 2a schematically describes a cross-sectional view of a compound semiconductor device comprising a package substrate 260 which may be a suitable contact structure formed thereon 240 having. This contact structure 240 may include suitable dielectrics, pads or contact elements, and the like, as appropriate for a connection with a contact structure 240 a semiconductor chip 200 is required. The contact structure 240 can be considered a final layer of a metallization system 215 be formed when a single chip is connected to the housing substrate. In other cases, the contact structure 240 within a suitable dielectric for connection to the package substrate 260 be provided while any complex metallization system on an opposite side of the semiconductor chip 200 is provided. For example, at least one further semiconductor chip 200a be provided for forming a stacked chip configuration, wherein any intermediately stored material system 210a for connection to the semiconductor chip 200 can be provided. In this case, suitable contact structures (not shown) may be provided, for example, in the form of contact elements comprising solder material, which in turn may be embedded in a suitable dielectric. In the illustrated example, a substrate 201 of the semiconductor chip 200 represent any suitable substrate within, and above, its semiconductor-based circuit elements followed by the metallization system 215 and the contact structure 240 can be provided. On the other hand, the substrate can 201 Also, a suitable contact structure, for example in the form of through-hole joints and the like, which with a back of the substrate 201 may be connected, whereby a contact structure for connecting the semiconductor chip 200a by means of the intermediately stored material or layer system 210a is provided. It is noted that the semiconductor chip 200a is not necessarily provided in some exemplary embodiments, thus typically resulting in a complex structure of the metallization system 215 is required, while in other cases one or more semiconductor chips on the semiconductor chip 200a be attached, depending on the overall complexity of the composite component 250 , As a result, at least the contact structure 240 contact elements 242 include, for example in the form of metal columns, solder balls or solder balls or the like, wherein the contact elements 242 at least a certain amount of solder material, such as. B. a lead-free solder material may contain, to an intermetallic compound with the contact structure 240 train.

Es wird angemerkt, dass jegliche Details der Kontaktstruktur 240 und der Struktur 140 betreffend, die gleichen Kriterien, die vorangehend mit Bezug auf das im Zusammenhang mit den 1a und 1b diskutierte Halbleiterbauelement 150 angewendet werden können. Jegliche geeignete Herstellungsstrategie kann in gleichem Maße angewandt werden, um die Halbleiterchips 200, 200a und das Gehäusesubstrat 260 auszubilden, wie beispielsweise vorangehend erklärt wurde. Nachdem der eine oder die mehreren Halbleiterchips 200, 200a an dem Gehäusesubstrat 260 angebracht wurde/n, kann ein Reflow-Verfahren durchgeführt werden. Dieses Verfahren kann jedoch mindestens mit Bezug auf die Abkühlphase in bedeutender Weise modifiziert sein, so dass eine gewünschte Kornstruktur bereitgestellt wird, während Bauelementsschäden verhindert oder wenigstens in bedeutendem Maße verringert werden, und die Gesamtzuverlässigkeit des Verbundhalbleiterbauelements 250 verbessert wird.It is noted that any details of the contact structure 240 and the structure 140 concerning the same criteria referred to above in relation to 1a and 1b discussed semiconductor device 150 can be applied. Any suitable manufacturing strategy can be equally applied to the semiconductor chips 200 . 200a and the case substrate 260 form, as previously explained, for example. After the one or more semiconductor chips 200 . 200a on the housing substrate 260 was attached / n, a reflow process can be performed. However, this process may be significantly modified, at least with respect to the cooling phase, to provide a desired grain structure while preventing or at least significantly reducing device damage and the overall reliability of the compound semiconductor device 250 is improved.

2b zeigt schematisch das Temperaturprofil wenigstens eines Teils eines Reflow-Verfahrens 270. Es wird angemerkt, dass die die Zeit darstellende horizontale Achse in beliebigen Einheiten gezeigt ist, während die Temperaturachse die Temperatur in °C zeigt. Wie dargestellt ist, kann das Verbundbauelement 250 anfänglich während einer Phase 272 über die Schmelztemperatur eines in den Kontaktelementen 242 verwendeten Lotmaterials erhitzt werden. Wie vorangehend erklärt wurde, kann die in 2 dargestellte Temperatur eine entlang des Halbleiterchips 200, 200a räumlich gemittelte Temperatur beispielsweise unter Verwendung eines im Zentrum und an der Peripherie eines oder beider dieser Halbleiterchips erfassten Temperaturwertes darstellen. Nach der Phase 272 kann eine schnelle Hochtemperaturabkühlphase 273f angewendet werden, die als eine Phase zu verstehen ist, welche sich direkt an die eigentliche Lötphase 272 oder an die Verfestigung oder wenigstens an den Beginn der Verfestigung eines Lotmaterials der Kontaktelemente 242 anschließen kann. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Abkühlphase 273f demzufolge wenigstens eine Bildung einer bestimmten Kornstruktur umfassen, die mit 242g bezeichnet ist. Die bestimmte Kornstruktur 242g kann typischerweise aufgrund der schnellen Abkühlphase eine mäßig kleine Durchschnittskorngröße und eine relativ enge Verteilung der Korngrößen mit Bezug auf die Durchschnittskorngröße ergeben. Eine Durchschnittskorngröße kann beispielsweise ungefähr 1 μm bis 39 μm betragen, abhängig von der Materialzusammensetzung und der eigentlich gewählten Abkühlrate. Es wird angemerkt, dass eine Abkühlrate oder Kühlrate als die Temperaturdifferenz zwischen einer Anfangstemperatur und einer Endtemperatur geteilt durch die zur Erreichung der Endtemperatur benötigte Zeitdauer zu verstehen ist. Während der Lötphase 272 kann beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 230 bis 270°C angewandt werden, abhängig von der Art des Lotmaterials und der Verfahrensstrategie, während eine Endtemperatur der Abkühlphase 273f zu ungefähr 130–150°C, oder in anderen Fällen zu 80°C bis 150°C oder höher gewählt sein kann, wobei die Endtemperatur auch mit TG bezeichnet sein und eine Kornstabilisierungstemperatur darstellen kann, da sich bei dieser Temperatur eine Grundkonfiguration der Kornung in den Kontaktelementen 242, wie durch 242g dargestellt ist, ausbilden kann, die von der Abkühlrate, der Materialzusammensetzung und anderen Bedingungen abhängen kann. Es wird angemerkt, dass eine geeignete Kornstruktur dadurch bestimmt werden kann, dass mit einer Vielzahl von verschiedenen Anfangs- und Endtemperaturen der Abkühlphase 273f und mit verschiedenen Abkühlraten, die durch eine geeignete Einstellung des Wärmedissipationsvermögens eines entsprechenden Reflow-Systems umgesetzt werden, experimentiert wird, wie später im Detail erklärt ist. 2 B schematically shows the temperature profile of at least part of a reflow process 270 , It is noted that the horizontal axis representing time is shown in arbitrary units while the temperature axis shows the temperature in ° C. As shown, the composite component 250 initially during a phase 272 over the melting temperature of one in the contact elements 242 used solder material to be heated. As explained above, the in 2 represented temperature along the semiconductor chip 200 . 200a spatially averaged temperature, for example, using a detected in the center and at the periphery of one or both of these semiconductor chips temperature value. After the phase 272 can be a fast high-temperature cooling phase 273f which is to be understood as a phase which directly adjoins the actual soldering phase 272 or at the solidification or at least at the beginning of the solidification of a solder material of the contact elements 242 can connect. In exemplary embodiments, the cooling phase 273f Accordingly, at least one formation of a particular grain structure include, with 242g is designated. The specific grain structure 242g Typically, due to the rapid cooling phase, it may give a moderately small average grain size and a relatively narrow distribution of grain sizes with respect to the average grain size. An average grain size may be, for example, about 1 .mu.m to 39 .mu.m, depending on the material composition and the actually selected cooling rate. It is noted that a cooling rate or cooling rate is understood as the temperature difference between an initial temperature and an end temperature divided by the time required to reach the final temperature. During the soldering phase 272 For example, a temperature of about 230 to 270 ° C may be used, depending on the type of solder material and the process strategy, during a final temperature of the cooling phase 273f may be selected to be about 130-150 ° C, or in other cases 80 ° C to 150 ° C or higher, the final temperature also being designated T G and may represent a grain stabilization temperature, since at this temperature a basic configuration of the rim in the contact elements 242 like through 242g can be formed, which may depend on the cooling rate, the material composition and other conditions. It is noted that a suitable grain structure can be determined by having a plurality of different initial and final temperatures of the cooling phase 273f and experimented with various cooling rates, which are implemented by a suitable adjustment of the heat dissipation capacity of a corresponding reflow system, as will be explained in detail later.

Darüber hinaus wird in der dargestellten Ausführungsform eine weitere Abkühlphase 273r angewendet, die auf das Erreichen der Kornstabilisierungstemperatur TG folgt, wobei die Durchschnittskühlrate bedeutend geringer ist als im Vergleich mit der Kühlrate der Phase 273f. Das heißt, dass die Temperaturdifferenz, insbesondere die Differenz zwischen der Kornstabilisierungstemperatur TG und der Umgebungstemperatur geteilt durch die Zeitdauer wenigstens bei 50% oder weniger liegt, als im Vergleich mit der Kühlrate der Phase 273f. In anderen beispielhaften Ausführungsformen beträgt die Durchschnittskühlrate der schnellen Abkühlphase 273f wenigstens zweimal der der Kühlrate der moderaten Entspannungsabkühlrate 273r. Es wird angemerkt, dass dies für die zeitlich gemittelten Kühlraten zutrifft, die unter Verwendung der Anfangstemperatur und der Endtemperatur einer jeglichen entsprechenden Abkühlphase und durch Dividieren der entsprechenden Temperaturdifferenz durch die aufgewendete Zeitdauer erhalten werden.In addition, in the illustrated embodiment, a further cooling phase 273r applied, following the achievement of the grain stabilization temperature T G , the average cooling rate being significantly less than that of the cooling rate of the phase 273f , That is, the temperature difference, in particular the difference between the grain stabilization temperature T G and the ambient temperature divided by the time period is at least 50% or less, as compared with the cooling rate of the phase 273f , In other exemplary embodiments, the average cooling rate is the fast cooling phase 273f at least twice the cooling rate of the moderate flash cooling rate 273r , It is noted that this is true for the time-averaged cooling rates obtained using the initial temperature and the end temperature of any corresponding cooling phase and dividing the corresponding temperature difference by the amount of time spent.

Unter Anwendung des in 2b dargestellten Temperaturprofils wird folglich die Kornstruktur der Kontaktelemente 242 oder wenigstens des Lotmaterials der Kontaktelemente 242 erhalten oder wenigstens während der Phase 273f thermisch stabilisiert, während die nachfolgende verringerte Kühlrate die vorausgehend umgesetzte Kornstruktur erhält und ein Kriechen des Lotmaterials zulässt. Dabei stellt die reduzierte Kühlrate und demzufolge die verlängerte Zeitdauer einen genügenden Spielraum zur Anpassung der sich ergebenden thermisch induzierten mechanischen Verspannungskräfte bereit.Using the in 2 B shown temperature profile is thus the grain structure of the contact elements 242 or at least the solder material of the contact elements 242 or at least during the phase 273f thermally stabilized while the subsequent reduced cooling rate maintains the previously reacted grain structure and allows creep of the solder material. In doing so, the reduced cooling rate, and consequently the extended time, provides sufficient latitude to accommodate the resulting thermally induced mechanical stress forces.

2c stellt schematisch ein Temperaturprofil eines Reflow-Verfahrens 270 dar, in welchem die Entspannungsabkühlphase 273r die erwünschte verringerte Durchschnittskühlrate aufweisen kann, welche unter Umsetzung eines Temperaturplateaus 273p, gefolgt von einem eigentlichen Temperaturabfall während einer Phase 273s, erhalten werden kann. In der gezeigten Ausführungsform entspricht das Temperaturplateau 273p der Endtemperatur und demzufolge der Kornstabilisierungstemperatur der Phase 273f, wodurch eine geeignete Anpassung an jegliche existierende thermisch induzierte Verspannungskomponenten ermöglicht wird. Daraufhin kann die Temperatur beispielsweise um eine beliebige geeignete Rate verringert werden, so dass die Durchschnittskühlrate während der gesamten Phase 273r, insbesondere während der dem Plateau 273p und dem Temperaturabfall 273s entsprechenden Zeitdauer bedeutend geringer ist als im Vergleich mit der Abkühlrate während der Phase 273f. Es wird angemerkt, dass die Zeitdauer des Plateaus 273p auf der Basis von Experimenten angepasst werden kann, so dass es möglich wird einen gewünschten Grad von Entspannung der Verspannung zu bestimmen, ohne die vorangehend umgesetzte Kornstruktur wesentlich zu beeinflussen. 2c schematically illustrates a temperature profile of a reflow process 270 in which the relaxation cooling phase 273r which may have the desired reduced average cooling rate which results from the reaction of a temperature plateau 273p , followed by an actual temperature drop during one phase 273s , can be obtained. In the embodiment shown, the temperature plateau corresponds 273p the final temperature and, consequently, the grain stabilization temperature of the phase 273f , thus allowing suitable adaptation to any existing thermally induced stress components. Thereafter, for example, the temperature may be decreased by any suitable rate such that the average cooling rate throughout the phase 273r especially during the plateau 273p and the temperature drop 273s corresponding time is significantly less than in comparison with the cooling rate during the phase 273f , It will noted that the duration of the plateau 273p can be adjusted on the basis of experiments, so that it becomes possible to determine a desired degree of stress relaxation without significantly affecting the previously implemented grain structure.

2d stellt schematisch das Temperaturprofil des Reflow-Verfahrens 270 entsprechend weiterer beispielhafter Ausführungsformen dar, in welchen eine Vielzahl von Temperaturplateaus 273n, 2730, 273p, bei entsprechenden Temperaturen zusammen mit dazwischen liegenden Abkühlphasen umgesetzt sind, wie durch 273s dargestellt ist. In diesem Fall ist auch die zeitlich gemittelte Abkühlrate während der Phase 273r im Vergleich zu der Kühlrate der Phase 273f, wie vorangehend erklärt wurde, verringert, wobei verschiedene Temperaturplateaus eine überdurchschnittliche Anpassung an die vorangehend induzierte Verspannung in dem Metallisierungssystem und/oder einer jeglichen zwischengelagerten Materialschicht ergeben kann, wie vorangehend erklärt wurde. Es wird angemerkt, dass der Temperaturunterschied zwischen den verschiedenen Plateaus nicht notwendigerweise konstant ist, sondern auch variiert werden kann, während auch die Anzahl der Plateaus auf der Basis von Experimenten oder dergleichen bestimmt werden kann. 2d schematically illustrates the temperature profile of the reflow process 270 According to further exemplary embodiments in which a plurality of temperature plateaus 273n . 2730 . 273p , are reacted at appropriate temperatures together with intervening cooling phases, as by 273s is shown. In this case, the time-averaged cooling rate during the phase is also 273r compared to the cooling rate of the phase 273f As explained above, various temperature plateaus may result in an above-average fit to the previously induced stress in the metallization system and / or any intervening material layer, as previously explained. It is noted that the temperature difference between the various plateaus is not necessarily constant but may be varied while also the number of plateaus may be determined on the basis of experiments or the like.

2e stellt schematisch ein Temperaturprofil des Verfahrens 270 dar, in welchem die Entspannungsphase 273r als eine Phase umgesetzt sein kann, in welcher wenigstens über einen ausgedehnten Abschnitt dieser Phase hinweg eine kontinuierliche Veränderung der Temperatur auftreten kann. Beispielsweise kann ein im Wesentlichen ”exponentieller” Abfall der Temperatur umgesetzt sein, während in anderen Fällen eine jegliche andere im Wesentlichen kontinuierliche Variation angewendet werden kann. Auch in diesem Falle ist die zeitlich gemittelte Abkühlrate während der Phase 273r bedeutend geringer als im Vergleich zu der Kühlrate der Phase 273f. 2e schematically illustrates a temperature profile of the method 270 in which the relaxation phase 273r may be implemented as a phase in which a continuous change in temperature may occur over at least an extended portion of this phase. For example, a substantially "exponential" drop in temperature may be implemented, while in other cases any other substantially continuous variation may be employed. Also in this case, the time-averaged cooling rate during the phase 273r significantly lower than compared to the cooling rate of the phase 273f ,

Mit Bezug auf die 2f2i werden nun Beispiele beschrieben, in welchen ein Reflow-System einen darin umgesetzten Mechanismus zur Ausbildung eines Temperaturprofils aufweist, das eine erste Abkühlphase und eine zweite Entspannungsabkühlphase mit bedeutend verringerter Abkühlrate aufweist, wie vorangehend erklärt wurde.With reference to the 2f - 2i Examples will now be described in which a reflow system has a temperature profile-forming mechanism implemented therein having a first cooling phase and a second expansion cooling phase with a significantly reduced cooling rate, as previously explained.

2f stellt schematisch ein Reflow-System 290 dar, welches einen Substratträgermechanismus 291 umfasst, der zur Aufnahme der einzelnen Teile des Verbundhalbleiterbauelements 250 konfiguriert ist, um einen mechanischen Kontakt der Komponenten zu ermöglichen. Ein oder mehrere geeignete Prozessbereiche 292 sind zur Umsetzung des Reflow-Verfahrens 270 vorgesehen, wie voran mit Bezug auf die 2c2e erklärt wurde. In dem in 2f dargestellten Arbeitsabschnitt ist in dem Prozessbereich 292 eine Heizzone ausgebildet, um ein Heizverfahren 271 des Reflow-Verfahrens anzuwenden, so dass die verschiedenen Komponenten des Verbundbauelementes 250 in einer geeigneten Weise auf die gewünschte Löttemperatur gebracht werden. Bis dahin kann ein herkömmlicher Heizmechanismus verwendet werden. 2f schematically represents a reflow system 290 which is a substrate carrier mechanism 291 comprising, for receiving the individual parts of the compound semiconductor component 250 is configured to allow mechanical contact of the components. One or more suitable process areas 292 are to implement the reflow process 270 provided as above with respect to the 2c - 2e was declared. In the in 2f shown working section is in the process area 292 a heating zone formed to a heating method 271 apply the reflow method, so that the various components of the composite component 250 be brought in a suitable manner to the desired soldering temperature. Until then, a conventional heating mechanism can be used.

2g stellt das System 290 in einer weiter fortgeschrittenen Phase des Reflow-Verfahrens dar, in welcher in der Verfahrensfläche 292 eine Lötzone ausgebildet sein kann, um die Lötphase 272 durchzuführen. 2g represents the system 290 in a more advanced phase of the reflow process, in which in the process area 292 a soldering zone may be formed to the soldering phase 272 perform.

2h stellt schematisch das System 290 in einer weiter fortgeschrittenen Phase des Reflow-Verfahrens dar, wobei basierend auf dem Prozessbereich 292 eine Abkühlzone ausgebildet ist, um die schnelle Abkühlphase 273f umzusetzen, in welcher von dem Verbundbauelement 250 Wärme effizient dissipiert wird. Dabei wird ein entsprechender Temperaturgradient aus zwischen dem Verbundhalbleiterbauelement 250 und der umgebenden Abkühlzone in der Fläche 252 ausgebildet, um die gewünschte Kühlrate zu erhalten, wie vorangehend erklärt wurde. In dieser Phase kann folglich eine gewünschte Kornstruktur ausgebildet und auf der Basis der schnellen Abkühlrate stabilisiert werden. 2h schematically represents the system 290 in a more advanced phase of the reflow process, based on the process area 292 a cooling zone is formed to the rapid cooling phase 273f implement, in which of the composite component 250 Heat is efficiently dissipated. In this case, a corresponding temperature gradient is generated between the compound semiconductor component 250 and the surrounding cooling zone in the area 252 designed to obtain the desired cooling rate, as previously explained. Thus, in this phase, a desired grain structure can be formed and stabilized based on the rapid cooling rate.

2i stellt schematisch das System 290 dar, wenn eine weitere Kühlzone mittels des Prozessbereichs 292 umgesetzt wird, um die Entspannungsabkühlphase 273r umzusetzen, die ein geeignetes Temperaturprofil aufweisen kann, wie beispielsweise vorangehend erklärt wurde. 2i schematically represents the system 290 when another cooling zone by means of the process area 292 is implemented to the relaxation cooling phase 273r implement, which may have a suitable temperature profile, as previously explained.

Es wird angemerkt, dass wenigstens einige der Verarbeitungszonen, die basierend auf der Verarbeitungszone 292 umgesetzt sind, als räumlich getrennte Verarbeitungszonen bereitgestellt sein können, wobei das Verbundhalbleiterbauelement 250 von einer Zone in die andere Zone bewegt werden kann, wodurch insgesamt ein mäßig hoher Durchsatz erreicht wird. In anderen Fällen kann der Prozessbereich 292 physisch derselbe Prozessbereich sein, während das gewünschte Temperaturprofil nach der Ausbildung verschiedener Heiz- und Kühlzonen durch eine geeignete Steuerung beliebiger Heiz- und Kühlgeräte umgesetzt sein kann, wobei die beliebigen Heiz- und Kühlgeräte (zur besseren Übersicht nicht in den Figuren dargestellt) in dem Prozessbereich 292 bereitgestellt sind.It is noted that at least some of the processing zones based on the processing zone 292 implemented as spatially separate processing zones may be provided, wherein the compound semiconductor device 250 can be moved from one zone to the other zone, whereby a moderately high throughput is achieved. In other cases, the process area 292 physically the same process area, while the desired temperature profile after the formation of different heating and cooling zones can be implemented by a suitable control of any heating and cooling devices, wherein the arbitrary heating and cooling devices (not shown in the figures for clarity) in the process area 292 are provided.

Die vorliegende Erfindung stellt folglich Techniken zur Umsetzung einer verbesserten Abkühlstruktur bei der Anbringung eines oder mehrerer Halbleiterchips an einem Gehäusesubstrat bereit, so dass in dem Lotmaterial der Kontaktstruktur oder der Kontaktstrukturen eine gewünschte Kornstruktur ausgebildet sein kann, während die sich ergebende thermisch induzierte Verspannung in empfindlichen Metallisierungssystemen und/oder zwischenliegenden Schichten zwischen gestapelten Halbleiterchips zur gleichen Zeit in bedeutendem Maße verringert sein kann. Dazu wird ein schnelles Abkühlen umgesetzt, um die gewünschte Kornstruktur zu definieren, während eine moderate Entspannungsabkühlphase eine geeignete Anpassung der vorangehend induzierten Verspannung sicherstellt.The present invention thus provides techniques for implementing an improved cooling structure in attaching one or more semiconductor chips to a package substrate such that a desired grain structure may be formed in the solder material of the contact structure or structures while the resulting thermally induced stress is present in sensitive metallization systems and / or intermediate layers between stacked semiconductor chips may be significantly reduced at the same time. To accomplish this, rapid cooling is implemented to define the desired grain structure, while a moderate flash-down phase ensures proper matching of the previously induced strain.

Claims (14)

Verfahren zum Zusammenbauen wenigstens eines Halbleiterchips und eines Gehäusesubstrats, umfassend: Heizen eines Verbundbauelements über eine Schmelztemperatur eines zwischen einer Kontaktstruktur des Gehäusesubstrats und einer Kontaktstruktur des wenigstens eines Halbleiterchips ausgebildeten Lotmaterials, wobei das Verbundbauelement wenigstens einen Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat umfasst; Anwenden einer ersten Abkühlphase mit wenigstens einer zeitlich gemittelten ersten Kühlrate zur Kühlung auf eine Kornstabilisierungstemperatur des Verbundbauelements und Veranlassung einer Verfestigung des Lotmaterials, wobei die räumlich gemittelte Temperatur des wenigstens einen Halbleiterchips am Ende der ersten Abkühlphase im Bereich von 80°C bis 150°C liegt, so dass eine Durchschnittskorngröße der Kontaktstruktur in einem Bereich von 1 μm bis 39 μm liegt; und Anwenden einer zweiten Abkühlphase nahe der ersten Abkühlphase mit einer zweiten zeitlich gemittelten Kühlrate, die geringer ist als die erste Kühlrate, wobei die erste Kühlrate mindestens das doppelte der zweiten Kühlrate beträgt und wobei die zweite Abkühlphase mechanische Verspannung in der Kontaktstruktur des wenigstens einen Halbleiterchips verringert.A method of assembling at least one of a semiconductor chip and a package substrate, comprising: Heating a composite device above a melting temperature of a solder material formed between a contact structure of the package substrate and a contact structure of the at least one semiconductor chip, the composite device comprising at least a semiconductor chip and the package substrate; Applying a first cooling phase having at least one time-averaged first cooling rate for cooling to a grain stabilization temperature of the composite component and causing solidification of the solder material, wherein the spatially averaged temperature of the at least one semiconductor chip is in the range of 80 ° C to 150 ° C at the end of the first cooling phase such that an average grain size of the contact structure is in a range of 1 μm to 39 μm; and Applying a second cooling phase near the first cooling phase at a second time averaged cooling rate that is less than the first cooling rate, wherein the first cooling rate is at least twice the second cooling rate and wherein the second cooling phase reduces mechanical stress in the contact structure of the at least one semiconductor chip. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kontaktstruktur des Halbleiterchips als Teil eines Metallisierungssystems ausgebildet ist, wobei das Metallisierungssystem ein Dielektrikum mit niedrigem ε umfasst.The method of claim 1, wherein the contact structure of the semiconductor chip is formed as part of a metallization system, wherein the metallization system comprises a low-ε dielectric. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verbundbauelement einen ersten Halbleiterchip und einen zweiten Halbleiterchip umfasst, die mittels eines auf einer Rückseite des ersten und/oder zweiten Halbleiterchips ausgebildeten Dielektrikums verbunden sind.The method of claim 1 or 2, wherein the composite device comprises a first semiconductor chip and a second semiconductor chip, which are connected by means of a formed on a back side of the first and / or second semiconductor chip dielectric. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Kühlrate, die während der ersten Abkühlphase angewendet wird, im Wesentlichen konstant ist.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the first cooling rate, which is applied during the first cooling phase, is substantially constant. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Kühlrate, die während der zweiten Abkühlphase angewendet wird, im Wesentlichen konstant ist.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the second cooling rate, which is applied during the second cooling phase, is substantially constant. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Kühlrate, die während der zweiten Abkühlphase angewendet wird, variiert wird.The method of any one of claims 1 to 5, wherein the second cooling rate applied during the second cooling phase is varied. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Abkühlphase eine Zeitdauer umfasst, während der ein Verlauf einer räumlich gemittelten Temperatur des wenigstens einen Halbleiterchips ein im Wesentlichen konstantes Plateau aufweist.The method of claim 1, wherein the second cooling phase comprises a time period during which a profile of a spatially averaged temperature of the at least one semiconductor chip has a substantially constant plateau. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Abkühlphase zwei oder mehr Zeitdauern umfasst, wobei während einer Zeitdauer ein Verlauf einer räumlich gemittelten Temperatur des wenigstens einen Halbleiterchips ein im Wesentlichen konstantes Plateau aufweist, wobei ein jedes Plateau einer unterschiedlichen räumlichen Temperatur entspricht.The method of claim 1, wherein the second cooling phase comprises two or more periods of time, wherein during a period of time a profile of a spatially averaged temperature of the at least one semiconductor chip has a substantially constant plateau, wherein each plateau corresponds to a different spatial temperature , Verfahren, umfassend: Aufschmelzen eines zwischen einer Kontaktstruktur eines Halbleiterchips und einer Kontaktstruktur eines Gehäusesubstrats ausgebildeten Lotmaterials, wobei der Halbleiterchip und das Gehäusesubstrat ein Verbundhalbleiterbauelement bilden; Zulassen der Verfestigung des aufgeschmolzenen Lotmaterials durch Abkühlen des Verbundhalbleiterbauelements auf eine Kornstabilisierungstemperatur des Verbundhalbleiterbauelements während einer ersten Abkühlphase, um eine Kornstruktur des Lotmaterials anzupassen, so dass eine Durchschnittskorngröße der Kontaktstruktur in einem Bereich von 1 μm bis 39 μm liegt, und wobei die Kühlrate, die während der ersten Abkühlphase angewendet wird, im Wesentlichen konstant ist; und Kühlen des Verbundhalbleiterbauelements von der Kornstabilisierungstemperatur auf Umgebungstemperatur während einer zweiten Abkühlphase, wobei die zweite Abkühlphase eine mechanische Verspannung des Verbundhalbleiterbauelements verringert, ohne im Wesentlichen die Kornstruktur des Lotmaterials zu beeinflussen, wobei die Kühlrate, die während der zweiten Abkühlphase angewendet wird, im Wesentlichen konstant ist.Method, comprising: Fusing a solder material formed between a contact structure of a semiconductor chip and a contact structure of a package substrate, the semiconductor chip and the package substrate forming a compound semiconductor device; Allowing the solidification of the molten solder material by cooling the compound semiconductor device to a grain stabilization temperature of the compound semiconductor device during a first cooling phase to adjust a grain structure of the solder material such that an average grain size of the contact structure is in a range of 1 μm to 39 μm, and wherein the cooling rate is applied during the first cooling phase, is substantially constant; and Cooling the compound semiconductor device from the grain stabilization temperature to ambient temperature during a second cooling phase, wherein the second cooling phase reduces mechanical stress of the compound semiconductor device without substantially affecting the grain structure of the solder material, wherein the cooling rate applied during the second cooling phase is substantially constant , Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kühlen des Verbundhalbleiterbauelements von der Kornstabilisierungstemperatur auf eine Umgebungstemperatur während einer zweiten Abkühlphase ein Verringern der zeitlich gemittelten Kühlrate während der zweiten Abkühlphase umfasst.The method of claim 9, wherein cooling the compound semiconductor device from the grain stabilization temperature to an ambient temperature during a second cooling phase comprises decreasing the time averaged cooling rate during the second cooling phase. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die Kornstabilisierungstemperatur zu ungefähr 80°C oder mehr gewählt wird. The method of any one of claims 9 to 10, wherein the grain stabilization temperature is selected to be about 80 ° C or more. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Lotmaterial ein bleifreies Lotmaterial ist.The method of any one of claims 9 to 11, wherein the solder material is a lead-free solder material. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Halbleiterchip ein auf der Basis von Kupfer und eines Dielektrikums mit niedrigem ε gebildetes Metallisierungssystem umfasst.The method of any one of claims 9 to 12, wherein the semiconductor chip comprises a metallization system formed on the basis of copper and a low ε dielectric. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend ein Befestigen wenigstens eines zweiten Halbleiterchips mittels einer Rückseite davon, um vor dem Aufschmelzen des Lotmaterials eine gestapelte Chipkonfiguration bereit zu stellen.The method of any one of claims 9 to 13, further comprising attaching at least one second semiconductor chip by means of a back side thereof to provide a stacked chip configuration prior to reflowing the solder material.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6228680B1 (en) 1998-05-06 2001-05-08 Texas Instruments Incorporated Low stress method and apparatus for underfilling flip-chip electronic devices
EP1569272A2 (en) 2004-02-23 2005-08-31 ASM Assembly Automation Ltd. Apparatus and method for die attachement
WO2009044958A1 (en) 2007-10-05 2009-04-09 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Via using zn or zn alloys and its making method, 3d chip stack packages using thereof
US20090298206A1 (en) 2008-05-28 2009-12-03 International Business Machines Method and apparatus to minimize stress during reflow process
DE102010003562A1 (en) 2010-03-31 2011-10-06 Globalfoundries Dresden Module One Llc & Co. Kg Reduction of mechanical stress in metal stacks of complex semiconductor devices during chip-substrate soldering by means of an improved cooling scheme

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6228680B1 (en) 1998-05-06 2001-05-08 Texas Instruments Incorporated Low stress method and apparatus for underfilling flip-chip electronic devices
EP1569272A2 (en) 2004-02-23 2005-08-31 ASM Assembly Automation Ltd. Apparatus and method for die attachement
WO2009044958A1 (en) 2007-10-05 2009-04-09 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Via using zn or zn alloys and its making method, 3d chip stack packages using thereof
US20090298206A1 (en) 2008-05-28 2009-12-03 International Business Machines Method and apparatus to minimize stress during reflow process
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