DE102014221364A1 - Microelectronic component arrangement with a plurality of substrates and corresponding production method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schafft eine mikroelektronische Bauelementanordnung mit einer Mehrzahl von Substraten und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikroelektronische Bauelementanordnung umfasst ein erstes Substrat (C1); ein zweites Substrat (C2), wobei das erste Substrat (C1) und das zweite Substrat (C2) in einem Stapelaufbau miteinander verbunden sind. Das erste Substrat (C1) und/oder das zweite Substrat (C2) weist eine Ausnehmung (A) auf, innerhalb derer ein drittes Substrat (C3) zumindest teilweise untergebracht ist.The invention provides a microelectronic component arrangement with a plurality of substrates and a corresponding production method. The microelectronic component arrangement comprises a first substrate (C1); a second substrate (C2), wherein the first substrate (C1) and the second substrate (C2) are interconnected in a stacked configuration. The first substrate (C1) and / or the second substrate (C2) has a recess (A), within which a third substrate (C3) is at least partially accommodated.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektronische Bauelementanordnung mit einer Mehrzahl von Substraten und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.The present invention relates to a microelectronic component arrangement with a plurality of substrates and to a corresponding production method.
Stand der TechnikState of the art
Obwohl auf beliebige mikromechanische Bauelementanordnungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von MEMS-Substratanordnungen mit Chips auf Siliziumbasis erläutert.Although applicable to any micromechanical device arrangements, the present invention and its underlying problem will be explained with reference to MEMS substrate arrangements with silicon-based chips.
Aus der
Derartige dreidimensional integrierte mikroelektronische Bauelemente benötigen Durchkontakte durch alle Substratlagen oder setzen Interposersubstrate mit Durchkontakten ein, welche Zusatzkosten verursachen, die Bauhöhe steigern und meist die Lateralabmessungen vergrößern. Durchkontakte sind stets sehr kostenintensiv. Ebenfalls sehr kostenintensiv ist das Bonden der Substrate einzelner Bauelemente. Viel günstiger ist dagegen das Bonden von Substraten mit einer Vielzahl von Bauelementen (Waferlevel-Bonden), das bei gleicher lateraler Substratgröße auf zwei oder mehr der Substratebenen eines einzelnen Bauelements möglich wird. Bei einfachem Aufeinanderstapeln der Substrate werden die Bauelemente darüber hinaus relativ hoch, was die Flexibilität im Platzieren der Bauelemente einschränken kann.Such three-dimensionally integrated microelectronic components require through contacts through all substrate layers or use interposer substrates with through contacts, which cause additional costs, increase the overall height and usually increase the lateral dimensions. Through contacts are always very expensive. Also very expensive is the bonding of the substrates of individual components. By contrast, the bonding of substrates with a large number of components (wafer level bonding) is much more favorable, which is possible with the same lateral substrate size on two or more of the substrate planes of a single component. Moreover, by simply stacking the substrates, the devices become relatively high, which can limit the flexibility in placing the devices.
In
Das erste Substrat C10 und das zweite Substrat C20 sind mittels Bondverbindungen L5, L6 miteinander verbunden. Das erste Substrat C10 ist beispielsweise ein ASIC-Chipsubstrat und das zweite Substrat C20 ist beispielsweise ein MEMS-Sensorsubstrat, welches MEMS-Strukturen M10, M20 aufweist.The first substrate C10 and the second substrate C20 are connected to each other by means of bonding connections L5, L6. The first substrate C10 is, for example, an ASIC chip substrate, and the second substrate C20 is, for example, a MEMS sensor substrate which has MEMS structures M10, M20.
Zwischen den Bondverbindungen L1, L2 ist ein drittes Substrat C30 an der dem Bauelementträger T zugewandten Seite des ersten Substrats C10 mittels Bondverbindungen L3, L4 aufgehängt. Eine derartige Aufhängung bringt eine kritische Toleranz KT zwischen den Bondverbindungen L1, L2 und dem dritten Substrat C30 mit sich. Zudem müssen diese eine bestimmte Höhe aufweisen, damit das dritte Substrat C30 nicht den Bauelementträger T berührt.Between the bonding connections L1, L2, a third substrate C30 is suspended on the side of the first substrate C10 facing the component carrier T by means of bonding connections L3, L4. Such a suspension brings a critical tolerance KT between the bonds L1, L2 and the third substrate C30 with it. In addition, they must have a certain height so that the third substrate C30 does not touch the component carrier T.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikroelektronische Bauelementanordnung mit einer Mehrzahl von Substraten nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 14.The present invention provides a microelectronic component arrangement having a plurality of substrates according to claim 1 and a corresponding production method according to claim 14.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, eine kostengünstige und kompakte Stapelbauweise für mikroelektronische Bauelemente bereitzustellen, wobei ein teilweises Waferlevel-Bonden möglich wird.The present invention makes it possible to provide a low cost and compact stacking structure for microelectronic devices, allowing for partial wafer level bonding.
Insbesondere lässt sich auf Durchkontaktierungen im dritten Substrat verzichten, welches zumindest teilweise in einer Aussparung vom ersten und/oder zweiten Substrat untergebracht ist. Somit ist im einfachsten Fall ein Waferlevel-Bonden zwischen dem ersten und zweiten Substrat möglich, was die Herstellungskosten senkt. Es lässt sich z. B. ein Solid-Liquid-Interdiffusionsbondverfahren anwenden, bei dem eine entstehende höherschmelzende intermetallische Verbindung entsteht, die bei folgenden Bondschritten nicht wieder aufschmilzt. Durch Mehrfachverwendung desselben Bondmetallisierungssystems lassen sich die Herstellungskosten ebenfalls verringern.In particular, it is possible to dispense with plated-through holes in the third substrate, which is accommodated at least partially in a recess of the first and / or second substrate. Thus, in the simplest case, a wafer level bonding between the first and second substrate is possible, which reduces the manufacturing cost. It can be z. B. apply a solid-liquid interdiffusion bonding process in which a resulting higher melting intermetallic compound is formed, which does not melt again in subsequent bonding steps. By multiple use of the same bonding metallization system, the manufacturing costs can also be reduced.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein kleineres Substrat in einer Ausnehmung eines größeren Substrats zumindest teilweise unterzubringen.The idea underlying the present invention is to at least partially accommodate a smaller substrate in a recess of a larger substrate.
Bei gleichen lateralen Dimensionen vom ersten Substrat und zweiten Substrat kann bei gleicher Wafergröße das kostengünstigere Wafer-Wafer-Bondverfahren eingesetzt werden. Durch die Platzersparnis lassen sich herkömmliche Lotbumps durch Cu-Studbumps flächensparend ersetzen.With the same lateral dimensions of the first substrate and the second substrate, the more cost-effective wafer-wafer bonding method can be used with the same wafer size. By saving space, conventional solder bumps can be replaced by Cu-Studbumps to save area.
Insbesondere ergibt sich eine Höhenersparnis der Bonds für die Verbindung mit einem Bauelementträger, wenn ein gemäß dem Stand der Technik oberhalb des Bauelementträgers aufgehängter Känguru-Chip in einer Ausnehmung im ersten Chip untergebracht wird, wodurch die Gesamtbauhöhe erheblich verringert werden kann.In particular, there is a height saving of the bonds for the connection with a Component carrier when a hung according to the prior art above the component carrier kangaroo chip is housed in a recess in the first chip, whereby the overall height can be significantly reduced.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das erste Substrat die Ausnehmung auf.According to a preferred development, the first substrate has the recess.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich die Aussparung auf der dem zweiten Substrat zugewandten Seite des ersten Substrats, wobei das dritte Substrat oberhalb der Aussparung auf das zweite Substrat gebondet ist. Eine Kontaktierung des dritten Substrats über das ausnehmungsfreie Substrat hat den Vorteil, dass auf einer planaren Oberfläche einfacher Leiterbahnen zu realisieren sind. Jedoch ist es auch möglich, die Kontaktierung des dritten Substrats in der Ausnehmung vorzunehmen, wobei das Substratmaterial und die Kontaktschicht gleichermaßen zurückgenommen werden müssen.According to a further preferred refinement, the cutout is located on the side of the first substrate facing the second substrate, wherein the third substrate is bonded to the second substrate above the cutout. Contacting the third substrate via the recess-free substrate has the advantage that simple conductor tracks can be realized on a planar surface. However, it is also possible to make the contacting of the third substrate in the recess, wherein the substrate material and the contact layer must be equally withdrawn.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich die Aussparung auf der dem zweiten Substrat zugewandten Seite des ersten Substrats, wobei das dritte Substrat innerhalb der Aussparung auf das erste Substrat gebondet ist.According to a further preferred development, the recess is located on the side of the first substrate facing the second substrate, the third substrate being bonded to the first substrate within the recess.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich die Aussparung auf der dem zweiten Substrat abgewandten Seite des ersten Substrats, wobei das dritte Substrat innerhalb der Aussparung auf das erste Substrat gebondet ist.According to a further preferred development, the recess is located on the side of the first substrate facing away from the second substrate, wherein the third substrate is bonded to the first substrate within the recess.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das zweite Substrat die Ausnehmung auf.According to a further preferred development, the second substrate has the recess.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich die Aussparung auf der dem ersten Substrat zugewandten Seite des zweiten Substrats, wobei das dritte Substrat unterhalb der Aussparung auf das erste Substrat gebondet ist.According to a further preferred refinement, the cutout is located on the side of the second substrate facing the first substrate, wherein the third substrate is bonded to the first substrate below the cutout.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befindet sich die Aussparung auf der dem ersten Substrat zugewandten Seite des zweiten Substrats, wobei das dritte Substrat innerhalb der Aussparung auf das zweite Substrat gebondet ist.According to a further preferred development, the recess is located on the side of the second substrate facing the first substrate, wherein the third substrate is bonded to the second substrate within the recess.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das erste Substrat auf einen Bauelementträger gebondet.According to a further preferred development, the first substrate is bonded to a component carrier.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das dritte Substrat vollständig in der Ausnehmung untergebracht. So läßt sich eine besonders kompakte Anordnung erzielen.According to a further preferred development, the third substrate is completely accommodated in the recess. Thus, a particularly compact arrangement can be achieved.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein viertes Substrat auf die dem zweiten Substrat abgewandte Seite des ersten Substrats gebondet.According to a further preferred development, a fourth substrate is bonded to the side of the first substrate facing away from the second substrate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das zweite Substrat ein MEMS-Sensorsubstrat. In vielen Fällen sind MEMS-Strukturen durch eine Verkappung vor äußeren Einflüssen geschützt. Eine Ausnehmung kann deshalb sehr gut in diese Verkappung hineinstrukturiert werden. According to a further preferred development, the second substrate is a MEMS sensor substrate. In many cases, MEMS structures are protected from external influences by capping. A recess can therefore be structured very well into this capping.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das erste Substrat eine integrierte Schaltungsanordnung auf. Alternativ kann die Ausnehmung auch in eine Seite eines anderen Substrats, beispielsweise eines ASIC-Substrats, hineingeätzt werden, welche keine Schaltungsanordnung aufweist.According to a further preferred development, the first substrate has an integrated circuit arrangement. Alternatively, the recess can also be etched into a side of another substrate, for example an ASIC substrate, which has no circuit arrangement.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
In
Ein zweites Substrat C2, beispielsweise ein MEMS-Sensorchipsubstrat, ist mittels Bondverbindungen L5, L8 auf die integrierte Schaltungsanordnung SE des ersten Substrats C1 gebondet. Das zweite Substrat C2 weist MEMS-Sensorstrukturen M1, M2 auf. Eine Durchkontaktierung DK2 im zweiten Substrat C2 verbindet beispielhaft die MEMS-Sensorstrukturen M1, M2 mit der Bondverbindung L8.A second substrate C2, for example a MEMS sensor chip substrate, is bonded to the integrated circuit arrangement SE of the first substrate C1 by means of bonding connections L5, L8. The second substrate C2 has MEMS sensor structures M1, M2. A through-connection DK2 in the second substrate C2 connects, by way of example, the MEMS sensor structures M1, M2 with the bonding connection L8.
Auf der dem ersten Substrat C1 zugewandten Seite weist das zweite Substrat C2 eine Ausnehmung A auf. Innerhalb der Ausnehmung A ist ein drittes Substrat C3, beispielsweise ebenfalls ein ASIC-Chipsubstrat, untergebracht, welches unterhalb der Ausnehmung A auf die integrierte Schaltungsanordnung SE des ersten Substrats mittels Bondverbindungen L6, L7 gebondet ist. Das dritte Substrat C3, welches geringere laterale Abmessungen aufweist als das zweite Substrat C2, ist mittels Bondverbindungen L6, L7 auf die integrierte Schaltungsanordnung SE des ersten Substrats C1 gebondet. Das erste Substrat C1 weist im vorliegenden Fall dieselben lateralen Ausdehnungen wie das zweite Substrat C2 auf.On the side facing the first substrate C1, the second substrate C2 has a recess A. Within the recess A is a third substrate C3, for example, also an ASIC chip substrate accommodated, which is bonded below the recess A to the integrated circuit arrangement SE of the first substrate by means of bonds L6, L7. The third substrate C3, which has smaller lateral dimensions than the second substrate C2, is bonded by means of bonding connections L6, L7 to the integrated circuit arrangement SE of the first substrate C1. The first substrate C1 in the present case has the same lateral dimensions as the second substrate C2.
Die Durchkontaktierungen DK11, DK12 verbinden die Schaltungsebene SE des ersten Substrats C1 mit Bondverbindungen L1, L2 auf der dem dritten Substrat C3 gegenüberliegenden Seite des ersten Substrats C1. Mittels dieser Bondverbindungen L1, L2 kann das erste Substrat mit einem Bauelementträger T verbunden werden.The plated-through holes DK11, DK12 connect the circuit plane SE of the first substrate C1 with bonding connections L1, L2 on the side of the first substrate C1 opposite the third substrate C3. By means of these bond connections L1, L2, the first substrate can be connected to a component carrier T.
Zwischen den Bondverbindungen L1, L2 auf der dem dritten Substrat C3 gegenüberliegenden Seite des ersten Substrats C1 ist ein viertes Substrat C4, beispielsweise ebenfalls ein ASIC-Chipsubstrat, mittels Bondverbindungen L3, L4 auf das erste Substrat C1 in „Känguru-Manier“ gebondet.Between the bonding connections L1, L2 on the side of the first substrate C1 opposite the third substrate C3, a fourth substrate C4, for example likewise an ASIC chip substrate, is bonded to the first substrate C1 in "kangaroo fashion" by means of bonding connections L3, L4.
Um eine weitere Höhenreduktion des derart gebildeten Bauelementstapels zu erzielen, könnte das vierte Substrat C4 ebenfalls vollständig in einer weiteren Ausnehmung im ersten Substrat C1 gegenüberliegend dem dritten Substrat C3 untergebracht werden. Dies hätte zur Folge, dass die Dicke der Bondverbindungen L1, L2 reduziert werden könnte (vgl.
In
Bei der zweiten Ausführungsform weist das modifizierte erste Substrat C1' eine Ausnehmung A' auf, innerhalb derer das dritte Substrat C3 vollständig untergebracht ist.In the second embodiment, the modified first substrate C1 'has a recess A' within which the third substrate C3 is completely accommodated.
Oberhalb der Ausnehmung A' ist das dritte Substrat C3 mittels Bondverbindungen L6, L7 mit dem modifizierten zweiten Substrat C2' verbunden, welches bei dieser Ausführungsform keine Ausnehmung aufweist.Above the recess A ', the third substrate C3 is connected by means of bonding connections L6, L7 to the modified second substrate C2', which in this embodiment has no recess.
Sollte bei dieser Ausführungsform Verbindungen des dritten Substrats C3 mit der Schaltungsanordnung auf dem ersten Substrat erwünscht sein, wären diese über Durchkontaktierungen DK11, DK12 durch das erste Substrat bzw. entsprechend der (nicht dargestellten) Leiterbahnen auf der dem dritten Substrat C3 zugewandten Seite des modifizierten zweiten Substrats C2' zu realisieren.If, in this embodiment, connections of the third substrate C3 with the circuit arrangement on the first substrate are desired, these would be via plated-through holes DK11, DK12 through the first substrate or corresponding to the (not shown) printed conductors on the third substrate C3 side facing the modified second To realize substrate C2 '.
In
Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform ist ein zweites Substrat C2'' mittels der Bondverbindungen L5, L8 auf das modifizierte erste Substrat C1'' gebondet. Auch bei dieser dritten Ausführungsform weist das modifizierte zweite Substrat C2'' keine Ausnehmung auf.As in the first and second embodiments, a second substrate C2 "is bonded to the modified first substrate C1" by means of the bonds L5, L8. Also in this third embodiment, the modified second substrate C2 "has no recess.
Bei der vierten Ausführungsform weist das modifizierte erste Substrat C1''' wie bei der ersten Ausführungsform keine Ausnehmung auf und kann über die Bondverbindungen L1, L2 mit dem Bauelementträger T verbunden werden. Die Aufhängung des vierten Substrats C4 über die Bondverbindungen L3, L4 ist analog zur ersten Ausführungsform.In the fourth embodiment, the modified first substrate C1 '' 'has no recess as in the first embodiment and can be connected to the component carrier T via the bonding connections L1, L2. The suspension of the fourth substrate C4 via the bonds L3, L4 is analogous to the first embodiment.
Das modifizierte zweite Substrat C2''' ist ebenfalls wie bei der ersten Ausführungsform mit einer Ausnehmung A vorgesehen, allerdings ist hier das dritte Substrat C3 mittels Bondverbindungen L6'', L7'' innerhalb der Ausnehmung A auf das zweite Substrat C2''' gebondet.The modified second substrate C2 '' 'is likewise provided with a recess A as in the first embodiment, but here the third substrate C3 is bonded to the second substrate C2' 'within the recess A by means of bonding connections L6' ', L7' ' ,
Die Verbindung des ersten Substrats C1'' mit dem zweiten Substrat C2''' erfolgt wie bei der ersten Ausführungsform mittels der Bondverbindungen L5, L8.The connection of the first substrate C1 "to the second substrate C2 '" takes place, as in the first embodiment, by means of the bonding connections L5, L8.
Bei der fünften Ausführungsform bezeichnet Bezugszeichen C1'''' ein modifiziertes erstes Substrat, wiederum ein ASIC-Chipsubstrat, welches auf der dem Bauelementträger T zugewandten Seite eine Ausnehmung A'' aufweist. Das dritte Substrat C3 ist hier mittels Bondverbindungen L3‘, L4' derart innerhalb der Aussparung A'' auf dem ersten Substrat C1'''' angebracht, dass es vollständig innerhalb der Aussparung A'' untergebracht ist. ST1, ST2 bezeichnen Cu-Studbumps, welche als besonders flache Bondverbindungen realisierbar sind.In the fifth embodiment, reference character C1 "" designates a modified first substrate, again an ASIC chip substrate, which has a recess A "on the side facing the component carrier T. The third substrate C3 is here by means of bonds L3 ', L4' so within the recess A '' on the first substrate C1 '' '' mounted so that it is completely housed within the recess A ''. ST1, ST2 denote Cu studbumps, which can be realized as particularly flat bond connections.
C2'''' ist ein modifiziertes zweites Substrat, wiederum ein MEMS-Sensorsubstrat, welches MEMS-Strukturen M1', M2' aufweist. Es ist mittels der Bondverbindungen L5, L8 auf das erste Substrat C1'''' gebondet.C2 "" is a modified second substrate, again a MEMS sensor substrate, which has MEMS structures M1 ', M2'. It is bonded to the first substrate C1 "" by means of the bonds L5, L8.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. In particular, the materials and topologies mentioned are only examples and not limited to the illustrated examples.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |