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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit mindestens zwei Halbleiter-Bauelementen, die über eine strukturierte Verbindungsschicht miteinander verbunden sind, wobei diese Verbindungsschicht aus mindestens einer strukturierten Ausgangsschicht aus einem metallischen Schichtmaterial und mindestens einer weiteren strukturierten Ausgangsschicht gebildet ist, deren Schichtmaterialien in einem Bondprozess unter Druckeinwirkung eine Verbindung eingegangen sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
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Bondverbindungen werden beispielsweise zum Aufbau von vertikal hybrid integrierten Bauteilen genutzt. Derartige Bauteile umfassen in der Regel mehrere MEMS- und/oder ASIC-Bauelemente, deren Bauelementfunktionen sich ergänzen. Von besonderer Bedeutung sind vertikal hybrid integrierte Sensorbauteile mit einem MEMS-Bauelement und einem ASIC-Bauelement. Derartige Bauteile sind beispielsweise in der Druckschrift
US 2014/0 061 730 A1 offenbart. Die mikromechanische Struktur des MEMS-Bauelements wird zum Erfassen einer Messgröße genutzt, die mit Schaltungselementen des MEMS-Bauelements in ein elektrisches Messsignal umgewandelt wird. Diese Messsignale werden dann mit den Schaltungsfunktionen des ASIC-Bauelements verarbeitet und ggf. ausgewertet.
Die Bauelemente eines vertikal hybrid integrierten Bauteils sind in Form eines Chipstapels übereinander angeordnet und so miteinander verbunden, dass es keiner weiteren Umverpackung für die 2nd-Level-Montage auf einer Anwendungsplatine bedarf. Dazu muss die mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Bauelementen zum einen dauerhaft stabil sein und zum anderen auch umlaufend dicht, um die Bauelementfunktionen vor schädlichen Umwelteinflüssen, wie z.B. Staubpartikeln, Feuchtigkeit und Gasen, zu schützen.
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Bei der Herstellung von vertikal hybrid integrierten Bauteilen werden in der Regel nicht nur die einzelnen Bauelementkomponenten im Waferverbund gefertigt. Auch deren Montage erfolgt im Waferverbund in einem Waferbondprozess. Vereinzelt werden die Bauteile oftmals sogar erst nach dem Testen und Abgleichen am Ende des Fertigungsprozesses.
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In der Praxis werden meist Waferbondverfahren eingesetzt, bei denen eine oder auch beide zu verbindenden Bauelement- bzw. Waferoberflächen mit einer strukturierten Bondschicht versehen werden. Zu diesen Bondverfahren zählt Glas-Frit-Bonden, bei dem niedrigschmelzendes Bleiglas als Bondschicht verwendet wird, und metallische Bondverfahren, wie die Thermokompressionsbondverfahren Au-Au-Bonden, Cu-Cu-Bonden und AI-AI-Bonden, die eutektischen Bondverfahren Au-Si-Bonden, Al-Ge-Bonden, Al-Au-Bonden und Al-Si-Bonden sowie Solid-Liquid-Inter-Diffusion(SLID)-Bonden mit Cu/Sn und Au/Sn.
Da die Glas-Frit-Technik eine relativ große Chipfläche benötigt, um eine hermetisch dichte und dauerhaft stabile Verbindung zu gewährleisten, kommen zunehmend metallische Bondverfahren zum Einsatz. Der Platzbedarf für eine hermetisch dichte und mechanisch feste Verbindung ist bei dieser Technik zwar deutlich geringer. Dafür stellt sie wesentlich höhere Anforderungen an die zu verbindenden Waferoberflächen, insbesondere an deren Planarität und Reinheit. Da die Waferverbindung hier durch Interdiffusion oder durch ein Aufschmelzen der
Bondflächen hergestellt wird, müssen diese in innigen Kontakt gebracht werden. Dazu werden während des gesamten Bondprozesses und auf die gesamte Bondfläche sehr hohe Anpressdrücke in der Größenordnung von bis zu 100 kN appliziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Verbesserung und Vereinfachung metallischer Bondverfahren vorgeschlagen, die eine zuverlässige Initiierung des Bondprozesses ermöglichen und damit zu einer gleichmäßigen Bondung beitragen. Außerdem wird mit der vorliegenden Erfindung eine weitere Nutzungsmöglichkeit von Bondschichten vorgeschlagen.
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Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen handelt es sich um Layout-Vorschläge für die beiden Ausgangsschichten, die während des Bondprozesses in die Verbindungsschicht zwischen den beiden Bauelementen umgewandelt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine der beiden über die Verbindungsschicht verbundenen Bauelementoberflächen mit einem Strukturelement versehen ist, die aus mindestens einer Ausgangsschicht der Verbindungsschicht herausstrukturiert ist, wobei das Strukturelement als Standoff-Struktur fungiert, die die Dicke der Verbindungsschicht begrenzt.
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Ferner sieht das beanspruchte Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens zwei Halbleiter-Bauelementen vor, die beiden Ausgangsschichten so zu strukturieren, dass die einander zugeordneten Schichtbereiche eine unterschiedlich große flächige Ausdehnung aufweisen. Außerdem sollen die Schichtdicken der beiden Ausgangsschichten so gewählt werden, dass die einander zugeordneten Schichtbereiche das für den Bondprozess erforderliche Materialverhältnis erfüllen.
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Demnach wird mit der vorliegenden Erfindung ein asymmetrisches bzw. nicht kongruentes Layout der beiden Ausgangsschichten für die Bondverbindung vorgeschlagen. Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen den Bondmaterialien zu Beginn des Bondprozesses relativ klein. Dementsprechend ist der applizierte Druck bei gegebener Anpresskraft relativ groß, was das Aufbrechen von eventuell vorhandenen Oxiden und/oder Verunreinigungen auf den Bondoberflächen begünstigt und so den Beginn des Bondprozesses sicherstellt. Alternativ dazu kann die Anpresskraft auch reduziert werden, solange zumindest an der Kontaktstelle der für den Bondprozess erforderliche Mindestdruck appliziert wird. Mit fortschreitendem Bondprozess breitet sich die Bondfront lateral aus, was mit einer Höhenabnahme der beiden Ausgangsschichten einhergeht und mit einer zusätzlichen vertikalen Zugwirkung verbunden ist. Diese unterstützt die Anpresskraft und begünstigt eine gleichmäßige Verquetschung und Verbindung der Schichtmaterialien.
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Grundsätzlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verbindungskonzepts. So hängt das Layout der Ausgangsschichten für den Bondprozess immer auch von der Art und Funktion der beiden miteinander zu verbindenden Bauelemente ab. Die unterschiedlichen Realisierungsformen betreffen aber nicht nur Layout und Dicke der beiden Ausgangsschichten, sondern auch das Aufbringen des Schichtmaterials und die Topographie der Ausgangsschichten.
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Die Realisierung von unterschiedlichen Layouts für die beiden Ausgangsschichten des Bondprozesses gestaltet sich besonders einfach, wenn jede der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen mit einer Ausgangsschicht für das Bondverfahren versehen wird. Je nach Topographie der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen kann es aber auch sinnvoll sein, beide Ausgangsschichten auf eine der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen aufzubringen. In diesem Fall muss die erste Ausgangsschicht dann vor dem Aufbringen der weiteren Ausgangsschicht strukturiert werden.
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Je nach Größe und Form des Verbindungsbereichs zwischen den Bauelementen kann es sich als vorteilhaft erweisen, einem zusammenhängenden Schichtbereich in der einen Ausgangsschicht mehrere Schichtbereiche der anderen Ausgangsschicht zuzuordnen. Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere für Verbindungsbereiche, die nicht flächig geschlossen sind, wie z.B. ein umlaufender Bondrahmen.
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Je nach Schichtmaterial können die Schichtbereiche der beiden Ausgangsschichten auch mit einer Topographie versehen werden, um so den Anpressdruck im Verlauf des Bondprozesses bei gegebener Anpresskraft gezielt zu beeinflussen und in geeigneter Weise flächig zu verteilen.
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Erfindungsgemäß ist zudem erkannt worden, dass die nicht kongruente Ausgestaltung der Layouts der beiden Ausgangsschichten zur Realisierung von Strukturelementen mit weiteren Funktionen, wie z.B. einer Elektrode oder Standoff-Struktur, genutzt werden kann. Ein solches Strukturelement kann nämlich einfach aus einer der beiden Ausgangsschichten neben dem Verbindungsbereich herausstrukturiert werden. Dem Strukturelement darf dann aber kein Schichtbereich in der jeweils anderen Ausgangsschicht zugeordnet sein, damit hier während des Bondprozesses keine Bondverbindung entstehen kann.
Mit Hilfe einer derartigen Standoff-Struktur kann beispielsweise sehr einfach die Dicke der Verbindungsschicht begrenzt werden. Sie kann aber auch als Anschlag für eine auslenkbare mikromechanische Strukturkomponente eines der beiden Bauelemente dienen. Eine Elektrode kann je nach Anwendung zur Signalerfassung oder Ansteuerung von mikromechanischen Strukturelementen genutzt werden.
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Figurenliste
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
- 1a - 1e veranschaulichen das erfindungsgemäße Verbindungskonzept anhand von schematischen Schnittdarstellungen zweier Bauelemente 10 und 20 während des Bondprozesses;
- 2 veranschaulicht eine Layout-Variante für eine Ausgangsschicht dieses Bondprozesses anhand einer schematischen Schnittdarstellung;
- 3a, 3b veranschaulichen weitere Möglichkeiten für das Aufbringen der Ausgangsschichten des Bondprozesses anhand von schematischen Schnittdarstellungen;
- 4a, 4b zeigen Ausgangsschichten für den Bondprozess, die mit einer Topographie versehen sind; und
- 5a, 5b veranschaulichen die Realisierung einer Standoff-Struktur während des Bondprozesses anhand von schematischen Schnittdarstellungen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Bei dem in den 1a bis 1e dargestellten Ausführungsbeispiel werden die zu verbindenden Oberflächen der beiden Bauelemente 10 und 20 jeweils mit einer Ausgangsschicht, versehen, von denen zumindest eine aus einem metallischen Schichtmaterial besteht. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die eutektische Materialkombination Aluminium-Germanium, lässt sich aber auch auf andere Materialsysteme, wie Gold-Zinn oder Gold-Silizium, übertragen. Die Schichtmaterialien der beiden Ausgangsschichten sollen sich während des Bondprozesses zu einer Verbindungsschicht 30 für die beiden Bauelemente 10 und 20 verbinden. Für viele Anwendungen sollen die Bauelemente nur in einem Teilbereich der Bauelementoberflächen miteinander verbunden werden, beispielsweise über einen Bondrahmen. Dazu werden die Ausgangsschichten noch vor dem eigentlichen Bondprozess strukturiert.
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Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde aus der Ausgangsschicht des Bauelements 10 ein Schichtbereich 11 herausstrukturiert, dessen flächige Ausdehnung im Wesentlichen dem angestrebten Verbindungsbereich entspricht. Dem Schichtbereich 11 ist ein Schichtbereich 21 in der Ausgangsschicht des Bauelements 20 zugeordnet, dessen flächige Ausdehnung deutlich kleiner ist als die des Schichtbereichs 11. Dafür ist die Ausgangsschicht des Bauelements 20 aber dicker als die Ausgangsschicht des Bauelements 10, so dass das für den eutektischen Bondprozess erforderliche Mengenverhältnis der Schichtmaterialien erfüllt ist. 1a verdeutlicht diese Größenverhältnisse sowie die Anordnung der beiden Schichtbereiche 11 und 21 zueinander. Der Schichtbereich 11 hat eine Dicke D0. Sein Durchmesser ist mit B bezeichnet. Da B auch dem Durchmesser des zu erzeugenden Verbindungsbereichs entspricht, ist dieser Parameter durch die geforderte Stabilität der Verbindung vorgegeben. Über den Durchmesser b des kleineren Schichtbereichs 21 kann der effektive Anpressdruck beeinflusst werden, der zumindest zu Beginn des Bondprozesses bei gegebener Anpresskraft auf die Kontaktfläche wirkt. Je kleiner b gewählt wird, umso größer ist der lokale Anpressdruck. Die Dicke d des Schichtbereichs 21 muss dann so gewählt werden, dass eine hinreichende Menge an Schichtmaterial für die eutektische Verbindung zur Verfügung steht. Da die Dicke d also ebenfalls von der Flächenausdehnung und damit von b abhängt, bestimmt b auch den vertikalen Schrumpf der Bondverbindung während des Bondprozesses und damit den vertikalen „Zug“, der dabei auf die Bauelemente 10 und 20 ausgeübt wird.
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Für den Bondprozess werden die beiden Bauelemente 10 und 20 in Kontakt gebracht, was in 1b dargestellt ist. Die Bondreaktion hat noch nicht begonnen, beispielsweise weil die Prozesstemperatur noch unterhalb des eutektischen Punkts liegt. Der Abstand der Bauelemente 10 und 20 entspricht der Summe der beiden Schichtdicken D0+d. Die Kontaktfläche entspricht der Fläche des Schichtbereichs 21 und hat den Durchmesser b. Je kleiner b ist, umso kleiner ist auch die Kontaktfläche und umso größer ist der Anpressdruck zu Beginn des Bondprozesses bei gegebener Anpresskraft. Der vergleichsweise hohe Anpressdruck unterstützt den gezielten Beginn des Bondprozesses, wenn die dafür erforderlichen Bedingungen gegeben sind, also beispielsweise die eutektische Temperatur erreicht ist. Je höher der Anpressdruck ist, umso einfacher werden nämlich störende und den Bondprozess hemmende Schichten auf den Bondoberflächen durchbrochen, wie z.B. Oberflächenoxide oder Verschmutzungen.
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1c zeigt die beiden Bauelemente 10 und 20 nach Beginn des Bondprozesses, bei dem sich die Schichtmaterialien der beiden Ausgangsschichten 11 und 21 im eutektischen Verhältnis durchmischen. Unter der applizierten Anpresskraft breitet sich die Bondfront 31 lateral aus. Der damit einhergehende Materialtransport führt zu einer Abnahme der Gesamtdicke der beiden Ausgangsschichten. Das verfließende Schichtmaterial verursacht eine zusätzliche Kraft, die die beiden Bauelemente 10 und 20 zusammenzieht und die applizierte Anpresskraft so lokal, im Verbindungsbereich verstärkt.
In dem in 1d dargestellten Stadium des Bondprozesses ist die Bondfront 31 lateral weiter fortgeschritten. Die beiden Bauelemente 10 und 20 werden weiterhin zusammengedrückt, wobei sich der ursprüngliche Abstand D0+d zwischen den Bauelementen 10 und 20 weiter verringert.
In 1e ist der Bondprozess abgeschlossen. Das gesamte Schichtmaterial ist gleichmäßig über den gesamten Verbindungsbereich 30 verteilt, und zwar mit der Flächenausdehnung und in der eutektischen Zusammensetzung, die für die angestrebte Stabilität der Verbindung erforderlich sind. Die Bondverbindung 30 hat hier also ihre endgültige Flächenausdehnung und Höhe erreicht.
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2 zeigt eine Layout-Variante für die beiden Ausgangsschichten einer eutektischen Bondverbindung zwischen zwei Halbleiterbauelementen 10 und 20, bei der einem Schichtbereich 11 in der Ausgangsschicht des Bauelements 10 mehrere Schichtbereiche 21 in der Ausgangsschicht auf dem anderen Bauelement 20 zugeordnet sind. Die Schichtdicken der beiden Ausgangsschichten bzw. der Schichtbereiche 11 und 21 wurden auch hier jeweils so gewählt, dass die Schichtmaterialien in dem für die Bondverbindung erforderlichen Mengenverhältnis zur Verfügung stehen. Diese Layout-Variante bietet sich beispielsweise an, wenn eine Ausgangsschicht nur mit einer begrenzten Schichtdicke herstellbar ist, und/oder wenn die laterale Durchmischung bzw. Verfließung der Schichtmaterialien während des Bondprozesses begrenzt ist, aber auch wenn es die Geometrie des Verbindungsbereichs erfordert, beispielsweise im Fall eines umlaufenden Bondrahmens.
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Die beiden Ausgangsschichten für die Bondverbindung zwischen zwei Halbleiterbauelementen 10 und 20 können auch beide auf eine der beiden zu verbindenden Bauelementoberflächen aufgebracht werden, was durch die 3a und 3b veranschaulicht wird.
Im Fall der 3a wurde auf dem Bauelement 20 zunächst eine erste, dünnere Ausgangsschicht abgeschieden und strukturiert. Die Flächenausdehnung des resultierenden Schichtbereichs 11 entspricht hier im Wesentlichen der Ausdehnung des zu erzeugenden Verbindungsbereichs. Über der so strukturierten ersten Ausgangsschicht wurde dann eine zweite dickere Ausgangsschicht abgeschieden und strukturiert. Der resultierende Schichtbereich 21 ist mittig auf dem Schichtbereich 11 angeordnet, hat aber eine deutlich kleinere Flächenausdehnung.
Im Unterschied dazu wurde im Fall der 3b zunächst die dickere Ausgangsschicht auf dem Bauelement 20 abgeschieden und strukturiert. Über dem so erzeugten Schichtbereich 21 wurde dann die dünnere Ausgangsschicht 11 abgeschieden und strukturiert. Da die Bauelementoberfläche nun eine nicht völlig planare Topographie aufweist, ist die Strukturierung dieser dünneren Schicht etwas aufwendiger. Diese Variante ist aber beispielsweise dann vorteilhaft, wenn das Material der unteren Schicht 21 chemisch leicht korrosiv ist, wie z.B. Aluminium im Fall einer Al-Ge-Verbindung oder Silizium im Fall einer Au-Si-Verbindung. Mit Hilfe der oberen abdeckenden Schicht 11 kann hier die Ausbildung von störenden Oberflächenoxiden verhindert werden.
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Zur Reduzierung der Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Bauelementoberflächen zu Beginn des Bondprozesses können zumindest bei einigen Schichtmaterialien auch die Flankenformen der Schichtbereiche der Ausgangsschichten beeinflusst werden, was in den 4a und 4b dargestellt ist.
So zeigt 4a einen Schichtbereich 22 mit abgeschrägten Flanken. Diese Flankenform kann beispielsweise entstehen, wenn die Ausgangsschicht in einem isotropen Ätzschritt strukturiert worden ist.
Im Fall der 4b sind die Flanken des Schichtbereichs 23 abgerundet. Diese Flankenform kann sich beispielsweise dann ausbilden, wenn die Ausgangsschicht in einem Siebdruckverfahren aufgerakelt worden ist und sich das Schichtmaterial dann aufgrund von Oberflächenspannung zusammenzieht, oder indem die strukturierte Ausgangsschicht nachträglich durch Aufschmelzen und Erstarren umgeformt wird.
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Wie bereits erwähnt, ist die erfindungsgemäß erzeugte Bondverbindungsschicht in der Regel dünner als die Summe der Schichtdicken der beiden Ausgangsschichten. In einer Weiterbildung der Erfindung wird dies ausgenutzt, um die miteinander zu verbindenden Bauelementoberflächen mit Strukturelementen zu versehen, die in großer Nähe zu der jeweils anderen Bauelementfunktion angeordnet sind und mit dieser zusammenwirken. Diese Strukturelemente werden einfach in einer Ausgangsschicht für die Bondverbindung ausgebildet, und zwar außerhalb eines Verbindungsbereichs. Je nach Material können so beispielsweise Elektroden zur Ansteuerung oder Signalerfassung oder auch eine Standoff-Struktur als Überlastschutz realisiert werden, was in den 5a und 5b dargestellt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde aus der Ausgangsschicht des Bauelements 20 ein Schichtbereich 21 herausstrukturiert, dessen flächige Ausdehnung im Wesentlichen dem angestrebten Verbindungsbereich entspricht. Diesem Schichtbereich 21 ist ein Schichtbereich 11 in der Ausgangsschicht des Bauelements 10 zugeordnet, dessen flächige Ausdehnung deutlich kleiner ist als die des Schichtbereichs 21. Dafür ist die Ausgangsschicht des Bauelements 10 aber dicker als die Ausgangsschicht des Bauelements 20, so dass das für den eutektischen Bondprozess erforderliche Mengenverhältnis der Schichtmaterialien gegeben ist. Neben dem Schichtbereich 11 und außerhalb der zu erzeugenden Bondverbindung wurde ein weiterer Schichtbereich 12 aus der Ausgangsschicht des Bauelements 10 herausstrukturiert. 5a verdeutlicht die Anordnung der beiden Schichtbereiche 11 und 12 sowie des Schichtbereichs 21 und die entsprechenden Schichtdicken.
5b zeigt die beiden Bauelemente 10 und 20 nach dem Bondprozess. Die Schichtmaterialien der Schichtbereiche 11 und 21 bilden die Bondverbindung 30, wobei die Dicke dieser Verbindungsschicht 30 kleiner ist als die Summe der Schichtdicken der beiden Ausgangsschichten 11 und 21. Das Material und die Dicke des Schichtbereichs 12 auf dem Bauelement 10 haben sich während des Bondprozesses nicht verändert. Dieser Schichtbereich 12 fungiert als Standoff-Struktur, die einen Mindestabstand zwischen den beiden Bauelementen 10 und 20 gewährleistet und eine weitere Verquetschung des Bondmaterials verhindert.
