DE10339762B4 - Chipstapel von Halbleiterchips und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Chipstapel von Halbleiterchips (1, 2), mit
– einem ersten Halbleiterchip (1) und
– mindestens einem gestapelten zweiten Halbleiterchip (2),
wobei die Halbleiterchips (1, 2) aktive Oberseiten (4, 5) mit Signalkontaktflächen (6) und Massekontaktflächen (7), aufweisen, die in einem zentralen Bondbereich (28) jeweils in Reihen angeordnet sind,
– einer Umverdrahtungslage (8) mindestens auf der aktiven Oberseite (5) des zweiten Halbleiterchips (2) mit
– einer Isolationsschicht (9) auf der aktiven Oberseite (5) des Halbleiterchips (2), und
– einer Umverdrahtungsschicht (10) auf der Isolationsschicht (9),
wobei die Umverdrahtungsschicht (10) parallel zueinander und alternierend angeordnete Signalleiterbahnen (12) und Masseleiterbahnen (13) aufweist, die annähernd gleiche Länge haben und entlang der parallelen Führung nicht wesentlich in der Breite variieren, wobei die Breite der Masseleiterbahnen (13) kleiner ist als die Breite der Signalleiterbahnen (12), und wobei sich die Signalleiterbahnen (12) von den Signalkontaktflächen (6) zu Sig nalanschlusskontaktflächen und die Masseleiterbahnen...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Chipstapel von Halbleiterchips sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben, insbesondere betrifft die Erfindung einen Chipstapel mit gleichartigen Speicherhalbleiterchips, die einen zentralen Bondkanal mit Signalkontaktflächenreihen bzw. Bondpadreihen aufweisen. Unter gleichartigen Halbleiterchips wird in diesem Zusammenhang eine möglichst ähnliche Größe, und eine möglichst ähnliche topographische Auslegung wie die Anordnung von Kontaktflächen der Halbleiterchips in den Bondkanälen mit Kontaktflächenreihen bzw. Bondpadreihen verstanden.
  • Graphikspeicherbauteile eilen den Standardspeicherbauteilen bezüglich ihrer elektrischen Anforderungen voraus. Bei angestrebten Taktfrequenzen im Gigaherzbereich werden hohe Geschwindigkeiten in den Halbleiterchips erwartet, die mit herkömmlichen Bondpadanordnungen in Form von Signalkontaktflächenreihen in einem zentralen Bondkanal nicht erreichbar sind, zumal die langen Umverdrahtungsleitungen vom zentralen Bondkanal zu den Randseiten der Speicherchips zu hohe Induktivitätswerte aufweisen, die den Scheinwiderstand erhöhen und die Taktfrequenzen vermindern. Diese Nachteile wirken sich noch verheerender aus, wenn versucht wird, derartige Halbleiterchips gleichartiger Bauart zu stapeln.
  • Für einen schnellen Zugriff auf Speicherdaten der Halbleiterchips mit Taktfrequenzen im Gigaherzbereich, wie im Falle von DDR-II(Double Data Rate II)-Speicherbausteinen oder DDR-III(Double Data Rate III) sind Chipstapel nicht geeignet. Durch die Stapelung erreichen derartige Halbleiterbauteile mit einem Halbleiterchipstapel nicht die "High Performance" – Kriterien für DDR-II beziehungsweise DDR-III-Speicherbauteile und lassen sich bisher nur unter Einbußen in der "High Performance" stapeln, was zu inakzeptablen Werten in bezug auf die Kriterien von DDR-II-Bauteilen führt.
  • Aus der US 6,376,904 B1 ein Halbleiterbauteil mit einem Chipstapel bekannt, bei dem auf den aktiven Oberseiten der Halbleiterchips Umverdrahtungslagen angeordnet sind, wobei jeder gestapelte Halbleiterchip leicht versetzt zu dem darunter angeordneten Halbleiterchip angeordnet ist, so dass ein Randbereich jedes Halbleiterchips frei bleibt und für die Anordnung von Kontaktflächen genutzt werden kann.
  • Aus der US 6,211,576 B1 ist eine Umverdrahtungsschicht bekannt, die in einer Ebene angeordnete Versorgungsleitungen, Masseleitungen und Signalleitungen aufweist.
  • Aus der DE 41 17 761 A1 und der DE 41 15 421 A1 sind Möglichkeiten zur Impedanzanpassung von Leiteranordnungen bekannt.
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  • Aufgabe der Erfindung ist es, den induktiven Anteil des Scheinwiderstands eines Halbleiterbauteils durch konstruktive Maßnahmen, soweit zu vermindern, dass ein Halbleiterbauteil mit einer Umverdrahtungslage geschaffen wird, das für Taktfrequenzen im Gigaherzbereich geeignet ist und das die DDR-III-Anforderungen erfüllt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung einen Chipstapel und ein Halbleiterbauteil mit einem Chipstapel anzugeben, welche die Kriterien einer "High Performance", wie sie für DDR-II-Speicherbausteine gefordert wird, trotz Stapelung von Halbleiterchips erfüllt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Chipstapel von Halbleiterchips mit einem ersten Halbleiterchip und mindestens einem gestapelten zweiten Halbleiterchip vorgesehen. Die Halbleiterchips weisen aktive Oberseiten mit Signalkontaktflächen und Massekontaktflächen auf. Darüber hinaus trägt mindestens das zweite der Halbleiterchips eine spezielle Umverdrahtungslage, die eine Isolationsschicht, eine Umverdrahtungsschicht und eine Abdecklage aufweist. Die Isolationsschicht ist auf die aktive Oberseite unter Freilassung der Signalkontaktflächen und der Massekontaktflächen des Halbleiterchips aufgebracht.
  • Die Umverdrahtungsschicht auf mindestens dem zweiten Halbleiterchip ist derart strukturiert, dass sie mit entsprechenden Umverdrahtungsleitungen die Signalkontaktflächen und die Massekontaktflächen kontaktiert. Darüber hinaus weist die Umverdrahtungsschicht in einem Randbereich der Umverdrahtungslage Signalanschlusskontaktflächen und Masseanschlusskontaktflächen auf, welche über die Umverdrahtungsleitungen mit den Signalkontaktflächen und den Massekontaktflächen des Halbleiterchips verbunden sind. Die Umverdrahtungsschicht mit ihren elektrisch leitenden Strukturen wird von einer ein Isolationsmaterial aufweisenden Abdecklage geschützt.
  • Erfindungsgemäß sind die Umverdrahtungsleitungen parallel zueinander angeordnet, wobei alternierend Signalleiterbahnen und Masseleiterbahn auf der Isolationsschicht der Umverdrahtungslage angeordnet sind. Diese Signalleiterbahnen beziehungsweise Masseleiterbahnen verbinden parallel verlaufend die Signalkontaktflächen mit den Signalanschlusskontaktflä chen im Randbereich der Umverdrahtungsschicht und entsprechend verbinden die Masseleiterbahnen die Massekontaktflächen des Halbleiterchips mit am Rand der Umverdrahtungslage angeordneten Masseanschlusskontaktflächen. Das Anordnen von Signalanschlußkontaktflächen und Masseanschlußkontaktflächen in den Randbereichen der Umverdrahtungschicht hat den Vorteil, dass die Anschlusskontaktflächen für eine Weiterverdrahtung leichter zugänglich sind.
  • Ein derartiger Chipstapel mit einer derartigen Umverdrahtungsstruktur hat darüber hinaus den Vorteil, dass benachbart zu jeder Signalleiterbahn eine Masseleiterbahn in der Umverdrahtungsschicht angeordnet ist. Dieser alternierende Wechsel von Masseleiterbahnen und Signalleiterbahnen vermindert die Induktivitätskomponente des komplexen Scheinwiderstandes der Leiterbahnen und trägt dazu bei, dass der Anschlusswiderstand oder der Widerstand der Zuleitungen gegenüber herkömmlich gestapelten Halbleiterchips praktisch halbiert werden kann und somit die Kriterien der DDR-II-Speicherbausteine erfüllt. Außerdem ist die kapazitive Kopplung der Leiterbahnen äußerst gering, da nur die Querschnittsdicke von Signalleiterbahn und Masseleiterbahn die Größe der kapazitiven Kopplung bestimmt. Die zwischen jeweils zwei Signalleiterbahnen angeordneten Masseleiterbahnen haben außerdem den Vorteil, dass ein Übersprechen zwischen Signalleiterbahnen vermindert wird.
  • Durch die Parallelführung und die annähernd gleiche Länge der Signalleiterbahnen in der Umverdrahtungsschicht wird außerdem erreicht, dass Laufzeitunterschiede von Signalleiterbahn zu Signalleiterbahn vermindert werden. Damit wird ebenfalls die Performance verbessert. Die Erfindung ist besonders für identische Chips geeignet, weil dann eine kostengünstige Ferti gung möglich ist. Weiterhin wird die Performance verbessert, und es werden Speicherbausteine mit hoher Speicherkapazität durch die Stapelung und mit hoher Laufzeitkonstanz bei minimalen Laufzeitunterschieden und für hohe Taktfrequenzen im Gigaherzbereich durch die Gestaltung der Umverdrahtungschicht verwirklicht.
  • Unter Masseleiterbahnen und Massekontaktflächen sowie Masseanschlusskontaktflächen werden in diesem Zusammenhang Strukturen der gestapelten Halbleiterchips und der entsprechenden Umverdrahtungslagen bezeichnet, die über mindestens einen entsprechenden Außenkontakte des Halbleiterbauteil mit gestapelten Halbleiterchips auf das Massepotential bzw. Erdpotential der Schaltung gelegt werden. Signalleiterbahnen, Signalkontaktflächen und Signalanschlusskontaktflächen sind hingegen dafür ausgelegt, dass sie Daten in schneller Folge und binär übertragen können, wobei positive oder negative Impulse vorzugsweise Pulse-Code-Modulation über derartige Flächen beziehungsweise Leiterbahnstrukturen übertragen werden.
  • Bei alternierenden Signalleiterbahnen und Masseleiterbahnen ist es von Vorteil, dass die Masseleiterbahnen eine kleinere Breite aufweisen als die Signalleiterbahnen. Die größere Breite der Signalleiterbahnen trägt zur geringeren Induktivität und zu einem geringen Widerstand bei. Für die Masseleiterbahnen genügt ein kleiner Querschnitt zur Stromrückkopplung gemäß den koplanaren Streifen.
  • Die Chipstapel können zwischen den gestapelten Halbleiterchips doppelt klebende Folien aufweisen, um den Chipstapel zusammenzuhalten und zu stabilisieren. Dabei lassen diese Zwischenfolien die Anschlusskontaktflächen in den Randbereichen der jeweiligen Umverdrahtungschicht frei.
  • Ein Halbleiterbauteil weist ein Kunststoffgehäuse, einen ersten Halbleiterchip und eine Umverdrahtungslage auf. Der Halbleiterchip des Halbleiterbauteils weist eine aktive Oberseite mit Signalkontaktflächen auf. Diese Signalkontaktflächen sind in Reihen in einem zentralen Bondkanal angeordnet. Die Umverdrahtungslage des Halbleiterbauteils ist auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet und weist als erste Schicht eine geschlossene Metallschicht auf. Diese Metallschicht kann mit Massepotential verbunden werden und vermindert somit die Induktivität der integrierten Schaltung der Halbleiterchips.
  • Ein derartiges Halbleiterbauteil weist eine verbesserte Grenzfrequenz auf und kann mit Taktfrequenzen im Gigaherzbereich betrieben werden, da der induktive Anteil des Scheinwiderstandes erheblich vermindert ist. Das Halbleiterbauteil kann somit die Anforderungen an DDR-III-Speicherbauteile erfüllen. Im Bereich des Bondkanals weist die Metallschicht eine Bondkanalöffnung auf, um den Zugriff zu den Signalkontaktflächen beim Bonden zu ermöglichen. Der Halbleiterchip ist mit einer Klebstofffolie auf der Metallschicht der Umverdrahtungslage derart fixiert, dass die Signalkontaktflächen des Halbleiterchips in der Bondkanalöffnung angeordnet sind. Die Umverdrahtungslage weist als zweite Schicht eine Isolationsschicht mit Durchkontakten von der Metallschicht zu Außenkontaktflächen für Massenanschlüsse einer dritten Schicht auf. Diese dritte Schicht ist als Umverdrahtungsschicht auf der Isolationsschicht angeordnet. Diese Umverdrahtungsschicht weist zusätzlich Umverdrahtungsleitungen auf, die sich von dem Bondkanal zu Außenkontaktflächen für Signalanschlüsse erstrecken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Signalkontaktflächen über Bonddrähte im Bondkanal mit den Umverdrahtungsleitungen elektrisch verbunden. Dabei werden die Bonddrähte im Bondkanal durch die Bondkanalöffnung der Metallschicht geführt, die auf einem Massepotential liegt und somit die signalführenden Bonddrähte vor Steuerfeldern abschirmt.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Kunststoffgehäuse eine Kunststoffgehäusemasse aufweist, welche den Halbleiterchip auf seiner Rückseite und auf seinen Randseiten und die Metallschicht der Umverdrahtungslage, soweit sie nicht von der Klebstofffolie abgedeckt ist, bedeckt. Somit sind die aktiven Komponenten des Halbleiterbauteils aus sprödem Halbleitermaterial vor mechanischer Beschädigung geschützt. Auch die Bondkanalöffnung in der Umverdrahtungslage ist mit Kunststoffgehäusemasse, soweit aufgefüllt, dass sämtliche Bondverbindungen des zentralen Bondkanals in Kunststoffgehäusemasse eingebettet und vor mechanischer Beschädigung geschützt sind.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einer Metallschicht und einer Umverdrahtungsschicht einer Umverdrahtungslage weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Metallfolie mit Bauteilpositionen bereitgestellt, wobei in den Bauteilpositionen Bondkanalöffnungen vorgesehen sind. Anschließend wird eine Isolationsschicht auf die Metallfolie aufgebracht, in die dann Durchkontakte eingebracht werden. Danach wird eine strukturierte Umverdrahtungsschicht auf die Isolationsschicht aufgebracht.
  • Die Umverdrahtungsschicht weist Umverdrahtungsleitungen und Außenkontaktflächen auf, wobei sich die Umverdrahtungsleitungen von dem Bereich der vorgesehenen Bondkanalöffnungen zu den Außenkontaktflächen erstrecken. Nun wird die vorgesehene zentrale Bondkanalöffnung in die Ümverdrahtungslage an den Bauteilpositionen eingebracht. Daraufhin wird eine Klebstofffolie mit Bondkanalöffnungen auf die Metallfolie aufgebracht und auf dieser werden Halbleiterchips unter Ausrichten der zentralen Bondkanäle der Halbleiterchips auf die Bondkanalöffnungen in der Umverdrahtungslage, fixiert. Danach werden Bondverbindungen zwischen den Signalkontaktflächen und den Umverdrahtungsleitungen hergestellt.
  • Als nächstes wird die Umverdrahtungslage mit einer Kunststoffgehäusemasse, unter Einbetten der Halbleiterchips in die Kunststoffgehäusemasse, beschichtet, wobei eine Verbundplatte entsteht. Die Bondkanäle werden schließlich mit Kunststoffmasse abgedeckt und die Verbundplatte zu einzelnen Halbleiterbauteilen aufgetrennt.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Metallfolie, die bei Verfahren zur Herstellung herkömmlicher Bauteile weggeätzt wird, als Bestandteil oder als Schicht der Umverdrahtungslage erhalten bleibt und zusätzlich einen die Hochfrequenzeigenschaften verbessernden Effekt für das Halbleiterbauteil bewirkt. Das Einbringen eines Bondkanals in die Umverdrahtungslage mit Metallschicht kann dadurch erleichtert werden, wenn noch vor dem Aufbringen der Isolationsschicht auf die Metallfolie, die Bondkanalöffnungen in die Metallschicht an den Bauteilpositionen gestanzt werden.
  • Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Umverdrahtungslage auf den gestapelten Halbleiterchips in der Weise strukturiert ist, dass zunächst wieder eine Isolationsschicht auf den aktiven Oberseiten der Halbleiterchips angeordnet ist. Die Umverdrahtungsschicht weist hauptsächlich parallel ver laufende, nebeneinander angeordnete Signalleiterbahnen auf, zwischen denen keine Masseleiterbahnen angeordnet sind. Außerdem ist die Abdecklage mehrschichtige und derart strukturiert, dass zunächst eine Abdeckisolationsschicht auf der Umverdrahtungsschicht angeordnet ist und der gesamte Halbleiterchip von einer elektrisch leitenden Schicht auf der Abdeckisolationsschicht abgedeckt beziehungsweise geschützt wird. Diese elektrisch leitende Schicht liegt auf Massepotential.
  • In einer derartigen Anordnung sind die Signalleitungen von dem Massepotential nur durch die Abdeckisolationsschichtdicke getrennt. Somit ist die Fläche der Induktionsschleife für jede der Signalleitungen äußerst gering, womit die induktive Komponente des Scheinwiderstands deutlich vermindert wird und der gesamte komplexe Scheinwiderstand mehr als halbiert werden kann, obgleich die kapazitive Komponente gegenüber dem ersten Aspekt der Erfindung vergrößert ist. Dabei wird durch die gleichförmige parallele Führung der Signalleitungen von den Signalkontaktflächen auf dem Halbleiterchip zu Signalanschlusskontaktflächen im Randbereich der Umverdrahtungsschicht eine vergleichmäßige Laufzeit der hochfrequenten Signale für jede der angeschlossenen Signalkontaktflächen auf dem Halbleiterchip erreicht.
  • Die gestapelten Halbleiterchips sind auf einem mehrschichtigen Substrat angeordnet. Dabei weist das Substrat einen Randbereich mit Substratanschlussflächen auf, die nicht von einem Chipstapel bedeckt sind. Somit kann auf diese Substratanschlussflächen zugegriffen werden. Damit ist es möglich, die Signalanschlusskontaktflächen des Chipstapel mit entsprechenden Substratanschlussflächen und ebenso die Masseanschlusskontaktflächen des Chipstapels mit entsprechenden anderen Substratanschlussflächen zu verbinden. Dabei können noch auf dem Substrat über Umverdrahtungsleitungen sämtliche Substratanschlussflächen, die mit den Masseanschlusskontaktflächen zusammenwirken, kurzgeschlossen und zu einem einzelnen Außenkontakt des Substrats geführt werden. Dazu weist das Substrat eine Substratumverdrahtungsschicht auf.
  • Umverdrahtungsleitungen der Umverdrahtungschicht verbinden außerdem die Substratanschlussflächen über Durchkontakte durch das Substrat hindurch mit Außenkontaktflächen des Halbleiterbauteil. Während die Umverdrahtungslagen, die auf den Halbleiterchips angeordnet sind, ohne Durchkontakte auskommen, sind für das mehrschichtige Substrat Durchkontakte vorgesehen, um von den im Randbereich angeordneten Substratkontaktflächen zu der auf der Unterseite des Substrats ringförmig oder gleichmäßig verteilten Außenkontaktflächen zu gelangen. Auf den Außenkontaktflächen können Lothöcker oder Lotbälle als Außenkontakte aufgebracht sein. Andererseits ist es möglich, Außenkontaktflächen vorzusehen, so dass SMD-Anordnungen (Surface Mounted Device Anordnungen) auf entsprechenden übergeordneten Schaltungssubstraten möglich sind.
  • In bezug auf den Chipstapel weist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils die nachfolgenden Verfahrensschritte auf:
    Zunächst werden mehrere zu stapelnde Halbleiterchips mit einer aktiven Oberseite und mit Signalkontaktflächen und Massekontaktflächen bereitgestellt. Anschließend wird eine Isolationsschicht als Teil einer Umverdrahtungslage auf die aktiven Oberseiten der Halbleiterchips aufgebracht. Dabei werden die Signalkontaktflächen und die Massekontaktflächen von Isolationsmaterial freigelassen, um beim Aufbringen der Um verdrahtungsschicht diese mit den Leiterbahnen einer strukturierten Umverdrahtungsschicht zu kontaktieren.
  • Die aus einem leitenden Material bestehende Umverdrahtungsschicht auf der Isolationsschicht der Umverdrahtungslage weist parallel verlaufende Signalleiterbahnen auf, zwischen denen Masseleiterbahnen vorgesehen sind. Dabei weisen die Masseleiterbahnen eine geringere Breite als die Signalleiterbahnen auf. Diese parallel verlaufenden Leiterbahnen erstrecken sich von den Kontaktflächen des Halbleiterchips zu den Anschlusskontaktflächen in Randbereichen der Umverdrahtungsschicht. Somit ergibt sich zu jeder Signalleitung ein die Signalleitung umgebendes Massepotential, was aufgrund des geringen Abstands von Signalleiterbahnen und Masseleiterbahnen eine Verminderung der induktiven Komponente des Scheinwiderstandes der Zuleitungen bewirkt.
  • Auf eine derart strukturierte Umverdrahtungsschicht wird als nächstes eine Isolationsmaterial aufweisende Abdecklage aufgebracht, die erste Adhäsionsprobleme zwischen einer aufzubringenden Kunststoffgehäusemasse und den Leiterbahnen, insbesondere im Bereich der Anschlusskontaktflächen mildert. Beim Herstellen von Bondverbindungen wird darüber hinaus die Adhäsion der Anschlusskontaktflächen der Umverdrahtungsschicht stark beansprucht, so dass es zu Ablöseerscheinungen oder Delaminationserscheinungen zwischen Isolationsschicht der Umverdrahtungslage und den Anschlusskontaktflächen der Umverdrahtungslage kommen kann. Wird jedoch eine Abdecklage vorgesehen, die lediglich für ein Bonden notwendige Teilbereiche der Anschlusskontaktflächen der Umverdrahtungsschicht freilässt, wird dieses zweite Adhäsionsproblem gemildert.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der vorliegenden Erfindung eine geeignete Impedanzkontrolle und -anpassung für gestapelte Halbleiterchips mit Hilfe der besonders ausgebildeten Umverdrahtungsschichten auf jedem der Halbleiterchips und insbesondere auf dem obersten Halbleiterchip möglich ist. So kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung der Impedanzwert der Zuleitungen auf der Umverdrahtungslage mehr als halbiert werden.
  • Darüber hinaus werden Adhäsionsprobleme zwischen einer Goldplattierung der Umverdrahtungsschicht und den Isolationsschichten durch Anbringen zusätzlicher Abdeckschichten auf die Umverdrahtungschicht gelöst. Hierbei ist die Abdeckisolationsschicht besonders hilfreich, die eine Trennschicht zwischen der Kunststoffmasse des Gehäuses und der Goldbeschichtung der obersten Umverdrahtungsschicht darstellt. Kräfte, die beim Moldprozess, das heißt beim Aufbringen der Kunststoffgehäusemasse, auftreten, belasten somit nicht unmittelbar die Adhäsion der Umverdrahtungsmetallschicht auf der darunter befindlichen Isolationsschicht. Vielmehr wird durch die Abdeckisolationsschicht ein Entkoppeln der Einwirkungen der Kunststoffgehäusemasse auf die empfindlichen Struktur der Umverdrahtungsschichten erreicht.
  • Zusammenfassend ergeben sich somit die nachfolgenden Vorteile.
    • 1. Die elektrische Performance eines Halbleiterbauteils mit Umverdrahtungslagen entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird verbessert.
    • 2. Eine Steuerung der charakteristischen Impedanz für die Signalleiterbahnen bei gleichzeitiger Reduzierung der Impedanz wird möglich.
    • 3. Das Problem der Delamination der Grenzschichten zwischen einer Goldmetallplattierung und der Kunststoffgehäusemasse sowie der Goldplattierung und der Isolationsschicht der Umverdrahtungslage wird gelöst.
    • 4. Es ist nicht mehr erforderlich, kammfilterartige Strukturen bereits auf dem Halbleiterwafer vorzusehen, um die Leiterbahnimpedanz zu reduzieren.
    • 5. Es werden Planarisierungsprobleme vermieden.
  • Durch die Bildung einer zusätzlichen Massefläche innerhalb einer dreischichtigen Abdecklage zwischen der ersten Abdeckisolationsschicht und einer zusätzlichen zweiten Abdeckisolationsschicht wird eine sandwichartige Bauweise aus Isolation, Metall und erneuter Isolation erreicht, die ein einfaches Erden der Fläche über Bonddrähte an den Außenrändern der Abdecklage ermöglicht. Eine geeignete Wahl zwischen Leiterbahnbreite und Anschluss-Schrittweite für die Kontaktanschlussflächen kann eine weitere Verminderung der Impedanz der Zuleitungen bewirken.
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  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Umverdrahtungsschicht einer Umverdrahtungslage,
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil,
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil.
  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Umverdrahtungsschicht 10 einer Umverdrahtungslage. Die Umverdrahtungslage der 1 umfasst im Querschnitt gesehen drei Schichten, nämlich eine Isolationsschicht 9, auf der die hier gezeigte strukturierte Umverdrahtungsschicht 10 angeordnet ist, während die auf der Umverdrahtungsschicht 10 angeordnete Abdecklage weggelassen wurde, um die Anordnung der Leiterbahnen 29 anhand der 1 erläutern zu können.
  • Die parallel verlaufenden Leiterbahnen 29 verbinden hier nicht gezeigte Anschlusskontaktflächen in den Randbereichen der Umverdrahtungsschicht 10 mit Kontaktflächen 6 und 7 in einem zentralen Bereich 28 mit Kontaktflächenreihen beziehungsweise Bondpadreihen auf der aktiven Oberseite 5 eines Halbleiterchips. Dazu sind in dem zentralen Bereich 28 Signalkontaktflächen 6 und Massekontaktflächen 7 vorgesehen. Diese sind über Bondfinger 31 und 32 mit Signalleiterbahnen 12 und Masseleiterbahnen 13 elektrisch verbunden. Dabei liegt zwischen jeweils zwei Signalleiterbahnen 12 eine Masseleiterbahn 13, die an ein Massepotential angeschlossen ist. Außerdem ist die Zuleitungslänge 1 der Parallelführung von den Signalleiterbahnen 12 untereinander sowie von den Masseleiterbahnen 13 nahezu identisch, so dass Laufzeitunterschiede minimiert werden.
  • Ferner wird durch den Wechsel von Signalleiterbahnen 12 und Masseleiterbahnen 13 der Induktionsquerschnitt zwischen den Zuleitungen auf einen geringen Abstand zwischen den Signalleitungen und den Masseleitungen reduziert. Die induktive Komponente des Scheinwiderstands beziehungsweise der Impedanz der Zuleitungen wird verringert.
  • Die Breite der Signalleiterbahnen 12 in dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 liegt zwischen 30 μm und 120 μm und die Breite der Masseleiterbahnen 13 liegt zwischen 20 μm und 100 μm. Somit ist dafür gesorgt, dass die Breite der Masseleiterbahnen 13 geringer ist als die Breite der Signalleiterbahnen 12. Dabei darf die Breite der Leiterbahnen nicht wesentlich entlang der parallelen Führung variieren, um keine Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Signalleiterbahnen 12 zu bewirken. Der Abstand zwischen den Leiterbahnen liegt bei 25 bis 50 μm, so dass sich eine Schrittweite zwischen einer Signalleiterbahn 12 und der nächsten Signalleiterbahn 12 von minimal 85 μm und maximal 270 μm ergibt. Die Impedanz konnte gegenüber herkömmlich strukturierten Umverdrahtungsschichten 10, die bei 160 bis 200 Ohm für den Impedanzwert liegen, auf 60 bis 75 Ohm reduziert werden. Dieses bedeutet eine Verminderung des Impedanzwertes auf weniger als die Hälfte mit Hilfe dieser speziellen Umverdrahtungsstruktur der Umverdrahtungsschicht 10.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 30. Dieses Halbleiterbauteil 30 weist ein Kunststoffgehäuse 41 auf in dessen Kunststoffgehäusemasse 33 ein Halbleiterchip 1 mit seiner Rückseite 42 und seinen Randseiten 43 und 44 eingebettet ist. Der Halbeiterchip 1 weist auf seiner aktiven Oberseite 4 einen zentralen Bondkanal 28 auf in dem Signalkontaktreihen mit Signalkontaktflächen 6 angeordnet sind. Die aktive Oberseite 4 ist über einen doppelseitig klebenden Klebstoff 45 auf einer Umverdrahtungslage 8 fixiert.
  • Die Umverdrahtungslage 8 weist eine Bondkanalöffnung 46 auf und besteht aus vier Schichten. Die erste Schicht ist eine elektrisch leitende Schicht 18 aus Metall, welche die gesamte Umverdrahtungslage 8 bedeckt und über Durchkontakte 25 mit einem Massepotential verbunden ist, das an die Außenkontakte 47 angelegt werden kann.
  • Als zweite Schicht weist die Umverdrahtungslage 8 eine Isolationsschicht 9 auf, die ebenfalls die Bondkanalöffnung 28 besitzt und die Durchkontakte 25 zu den Außenkontakten 47 mit Massenpotential aufweist. Auf der Isolationsschicht 9 ist als dritte Schicht eine Umverdrahtungsschicht 10 angeordnet, welche Umverdrahtungsleitungen 48 aufweist, die sich von dem Bondkanal 28, zu Außenkontaktflächen 26 auf denen die Außenkontakte 35 für Signalanschlüsse angeordnet sind, erstrecken.
  • Die Umverdrahtungsschicht 10 wird von einer vierten Schicht der Umverdrahtungslage 8 geschützt. Diese vierte Schicht, ist eine Lötstoppschicht oder Abdeckschicht 11, die lediglich die Außenkontaktflächen 26 der Umverdrahtungsschicht 10 freilässt, damit dort Außenkontakte 35 und 47 aufgebracht werden können. Eine derartige Abdeckschicht ist auch auf der elektrisch leitenden Schicht 18 vorgesehen.
  • Die Signalkontaktflächen 6 in dem Bondkanal 28 sind über Bonddrähte 27 mit den Umverdrahtungsleitungen 48 der Umverdrahtungsschicht 10 verbunden.
  • Wird die Metallschicht 18 über die Außenkontakte 47 und die Durchkontakte 25 auf Massepotential gelegt, so wird die Impedanz beziehungsweise der induktive Anteil des Scheinwiderstandes aufgrund des geringen Abstandes zwischen Metallschicht 18 vermindert und die "Hochfrequenz" Performance des Halbleiterbauteils verbessert, insbesondere wird die Hochfrequenzleistungsfähigkeit verbessert.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 50 einer Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 oder in 2 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Das in 3 abgebildete Halbleiterbauteil 50 weist einen Chipstapel 3 mit einem ersten Halbleiterchip 1 und einem gestapelten zweiten Halbleiterchip 2 auf. Diese Halbleiterchips 1 und 2 sind Speicherbausteine mit einem zentralen Bereich 28, der sowohl Signalkontaktflächen als auch Massekontaktflächen 7 aufweist. Bei diesem Querschnitt wurden lediglich Massekontaktflächen 7 geschnitten, während die Signalkontaktflächen vor und hinter der Bildebene angeordnet sind.
  • Die Halbleiterchips 1 und 2 weisen aktive Oberseiten 4 bzw. 5 auf, auf denen jeweils eine Umverdrahtungslage 8 angeordnet ist. Diese Umverdrahtungslage 8 weist mindestens zwei Schichten auf, eine Isolationsschicht 9 und eine Umverdrahtungsschicht 10 aus einer strukturierten Metallschicht. In den Randbereichen 16 der Umverdrahtungsschichten 10 der gezeigten Halbleiterchips 1 und 2 sind Anschlusskontaktflächen und in diesem Beispiel Masseanschlusskontaktflächen 15 angeordnet. Zwischen den Masseanschlusskontaktflächen 15 und den Massekontaktflächen 7 im zentralen Bereich 28 auf den Halbleiterchips 1 und 2 sind Masseleiterbahnen angeordnet, die parallel zu den hier nicht zu sehenden Signalleiterbahnen vor und hinter der Zeichenebene angeordnet sind. Das bedeutet, dass zwischen den Signalleiterbahnen jeweils eine Masseleiterbahn 13 vorhanden ist, welche die Impedanz beziehungsweise Induktivi tät der Zuleitungen im Bereich der Umverdrahtungslage 8 minimieren.
  • Während die Umverdrahtungslage 8 des ersten Halbleiterchips 1 unter Freilassung der Masseanschlusskontaktflächen 15 im Randbereich 16 eine Isolationsmaterial aufweisende Abdecklage 11, die auch als Klebeschicht wirkt, mit einer Abdeckisolationsschicht 17 aufweist, wird bei der oberen Umverdrahtungslage 8 diese von der Kunststoffgehäusemasse 33 gebildet, die den Chipstapel 3 aus den Halbleiterchips 1 und 2 mit ihren Umverdrahtungslagen 8 vollständig einbettet.
  • Der Chipstapel 3 ist auf einem mehrschichtigen Substrat 20 angeordnet, welches eine Substratumverdrahtungsschicht 23 mit Umverdrahtungsleitungen 24 aufweist. In einem Randbereich 21 des Substrats 20, der nicht von dem Halbleiterchipstapel 3 bedeckt ist, sind Substratanschlussflächen 22 vorgesehen. In dem gezeigten Querschnitt führen Bondverbindungen 27 für eine Masseleiterbahn 13 des unteren ersten Halbleiterchips 1 und für eine Masseleiterbahn 13 des oberen zweiten Halbleiterchips 2 zu dem Substratanschlussflächen 22. Somit verbinden die Bondverbindungen 27 die einzelnen gestapelten Halbleiterchips 1 und 2 mit entsprechenden Substratanschlussflächen 22.
  • Eine isolierende Kernschicht 34 des Substrats 20 weist Durchkontakte 25 an den Stellen auf, an denen Außenkontaktflächen 26 für Außenkontakte 35 des Halbleiterbauteils 30 vorgesehen sind. Eine Lötstopplackschicht 40 sorgt dafür, dass das Lotmaterial der Außenkontakte 35 auf die Außenkontaktflächen 26 begrenzt bleibt, indem sie die gesamte Unterseite des Halbleiterbauteiles 30 bis auf die Außenkontaktflächen 26 bedeckt.
  • In 3 wird darüber hinaus gezeigt, dass die Außenkontakte 35 auf entsprechenden Kontaktflächen 36 eines Schaltungsträgers 37 einer übergeordneten Schaltung angeordnet sind. Der Schaltungsträger 37 ist auf seiner Unterseite 38 oder in einer inneren Lage mit einer Metallschicht 39 plattiert, die ihrerseits an Massepotential angeschlossen ist. Durch die zusätzlichen Masseleiterbahnen 13 in jeder der Umverdrahtungslagen 8 der gestapelten Halbleiterchips 1 und 2 wird der Induktionsquerschnitt zwischen Massepotential führenden Leiterbahnen und Signal führenden Leiterbahnen gegenüber einem Induktionsquerschnitt zwischen Signalleiterbahnen und der Metallschicht 39 des Schaltungsträgers 37 erheblich vermindert und somit die Impedanzwerte der Signalzuleitungen zu den Signalkontaktflächen auf den Speicherchips in den entsprechenden zentralen Bereichen 28 vermindert.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 300. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 2 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Der Unterschied zwischen den Halbleiterbauteilen gemäß 4 und 3 liegt darin, dass die Abdecklage 11, die auch als Klebeschicht wirkt, der Umverdrahtungsschichten 8 auf den jeweiligen Halbleiterchips 1 und 2 eine nicht strukturierte geschlossene metallische Abdeckung aufweist, die ihrerseits über eine Masseverbindung 19 und die Bonddrähte 27 an das Massepotential eines Außenkontaktes 35 gelegt werden kann.
  • Dabei ist es ausreichend, dass eine geschlossene elektrisch leitende Schicht 18 aus Metall in der Abdecklage 11 der Halbleiterchips 1 und 2 vorgesehen wird, während die Umverdrahtungsschicht 10 der Umverdrahtungslage 8 parallel geführte überwiegend Signalleiterbahnen 6 aufweist. Während die Induktionsfläche mit einer derartigen elektrisch leitenden Schicht 18 zwischen dem Massepotential dieser Schicht und den Signalpotentialen der Signalleiterbahnen weiter vermindert wird, erhöht sich geringfügig die kapazitive Kopplung.
    • 1
    erster Halbleiterchip
    2
    zweiter Halbleiterchip
    3
    Chipstapel
    4, 5
    aktive Oberseiten der Halbleiterchips
    6
    Signalkontaktflächen
    7
    Massekontaktflächen
    8
    Umverdrahtungslage
    9
    Isolationsschicht der Umverdrahtungslage
    10
    Umverdrahtungsschicht der Umverdrahtungslage
    11
    Abdeckschicht der Umverdrahtungslage
    12
    Signalleiterbahnen
    13
    Masseleiterbahnen
    15
    Masseanschlusskontaktflächen
    16
    Randbereich
    17
    Abdeckisolationsschicht
    18
    elektrisch leitende Schicht aus Metall
    19
    Masseverbindung
    20
    mehrschichtiges Substrat
    21
    Randbereich des Substrats
    22
    Substratanschlussfläche
    23
    Substratumverdrahtungsschicht
    24
    Umverdrahtungsleitungen des Substrats
    25
    Durchkontakte
    26
    Außenkontaktflächen
    27
    Bondverbindungen
    28
    zentraler Bereich mit Kontaktflächenreihen wie Signalkontaktflächen bzw. mit Bondpadreihen
    29
    Leiterbahnen
    30/50/300
    Halbleiterbauteil
    31
    Bondfinger
    32
    Bondfinger
    33
    Kunststoffgehäusemasse
    34
    isolierende Kernschicht des Substrats
    35
    Außenkontakte
    36
    Kontaktflächen des Schaltungsträgers
    37
    Schaltungsträger
    38
    Unterseite des Schaltungsträgers
    39
    Metallschicht des Schaltungsträgers
    40
    Lötstopplackschicht
    41
    Kunststoffgehäuse
    42
    Rückseite der Halbleiterchips
    43
    Randseite der Halbleiterchips
    44
    Randseite des Halbleiterchips
    45
    Klebstoff
    54
    doppelseitigklebende Klebstofffolie
    46
    Bondkanalöffnung
    47
    Außenkontakte
    48
    Umverdrahtungsleitungen
    l
    Zuleitungslänge

Claims (4)

  1. Chipstapel von Halbleiterchips (1, 2), mit – einem ersten Halbleiterchip (1) und – mindestens einem gestapelten zweiten Halbleiterchip (2), wobei die Halbleiterchips (1, 2) aktive Oberseiten (4, 5) mit Signalkontaktflächen (6) und Massekontaktflächen (7), aufweisen, die in einem zentralen Bondbereich (28) jeweils in Reihen angeordnet sind, – einer Umverdrahtungslage (8) mindestens auf der aktiven Oberseite (5) des zweiten Halbleiterchips (2) mit – einer Isolationsschicht (9) auf der aktiven Oberseite (5) des Halbleiterchips (2), und – einer Umverdrahtungsschicht (10) auf der Isolationsschicht (9), wobei die Umverdrahtungsschicht (10) parallel zueinander und alternierend angeordnete Signalleiterbahnen (12) und Masseleiterbahnen (13) aufweist, die annähernd gleiche Länge haben und entlang der parallelen Führung nicht wesentlich in der Breite variieren, wobei die Breite der Masseleiterbahnen (13) kleiner ist als die Breite der Signalleiterbahnen (12), und wobei sich die Signalleiterbahnen (12) von den Signalkontaktflächen (6) zu Sig nalanschlusskontaktflächen und die Masseleiterbahnen (13) von den Massekontaktflächen (7) zu Masseanschlusskontaktflächen (15) in einem Randbereich (16) der Umverdrahtungsschicht (10) erstrecken.
  2. Chipstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Signalleiterbahnen 30–120 μm, die Breite der Masseleiterbahnen 20–100 μm und der gegenseitige Abstand der Leiterbahnen 20–50 μm beträgt.
  3. Halbleiterbauteil mit einem Chipstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gestapelten Halbleiterchips (1, 2) auf einem mehrschichtigen Substrat (20) angeordnet sind, wobei das Substrat (20) einen Randbereich (21) mit Substratanschlussflächen (22) aufweist, die nicht von dem Chipstapel (3) bedeckt sind und mit den Signalanschlusskontaktflächen bzw. den Masseanschlusskontaktflächen (15) elektrisch verbunden sind, und wobei das Substrat mindestens eine Substratumverdrahtungsschicht (23) mit Umverdrahtungsleitungen (24) aufweist, die sich über Durchkontakte (25) in dem Substrat (20) von den Substratanschlussflächen (22) zu Außenkontaktflächen (26) des Halbleiterbauteil (30, 300) erstrecken.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (50), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen von mindestens zwei zu stapelnden Halbleiterchips (1, 2), mit einer aktiven Oberseite (4, 5) und mit Signalkontaktflächen (6) und Massekontaktflächen (7), – Aufbringen einer Isolationsschicht (9) mindestens auf die aktive Oberseite (5) des zweiten Halbleiterchips (2), – Aufbringen einer Umverdrahtungsschicht (10) auf die Isolationsschicht (9) und Strukturieren der Umverdrahtungsschicht (10) mit parallel zueinander und alternierend angeordneten Signalleiterbahnen (12) und Masseleiterbahnen (13), die annähernd gleiche Länge haben und entlang der parallelen Führung nicht wesentliche in der Breite variieren, wobei die Breite der Masseleiterbahnen (13) kleiner als die Breite der Signalleiterbahnen (12) ist und wobei sich die Signalleiterbahnen (12) von den Signalkontaktflächen (6) zu Signalanschlusskontaktflächen und die Masseleiterbahnen (13) Massekontaktflächen (7) zu Masseanschlusskontaktflächen (15) in einem Randbereich (16) der Umverdrahtungsschicht (10) erstrecken, – Aufbringen einer Isolationsmaterial aufweisenden Abdecklage (11) auf die Umverdrahtungsschicht (10), – Stapeln der Halbleiterchips (1, 2) mit mindestens einer Umverdrahtungslage (8) auf einem mehrschichtigen Substrat (20), unter Herstellung von Bondverbindungen (27) beim Stapeln zwischen den Signalanschlusskontaktflächen bzw. den Masseanschlusskontaktflächen mit entsprechenden Substratanschlussflächen (22).
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