DE1764977C2 - Verfahren zum Herstellen einer Kunststoff-Schutzschicht auf der Oberfläche eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Description

verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht (30') ein Polyimidharz folgender Strukturformel verwendet wird, wobei R und R' Alkyl- bzw. Arylradikale bedeuten:

50 O O

■R'—N

N-

55

60

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß der betreffende Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers (2, 4) zunächst mit einer Passivierungsschicht (18) aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrit überzogen wird, daß auf dieser fts Passivierungsschicht (18) Metallfilme (20, 22, 24, 26, 28) als Schaltungsverbindungen abgelagert werden, die durch öffnungen in der Passivierungsschicht Kontakt mit dem Halbleiterkörper machen, daß die MetallFilme und die Passivierungsschicht anschließend mit der Schicht (30) aus dem teilweise ausgehärteten Polyimidharz überzogen werden und daß nach Herstellung der Öffnungen die übriggebliebenen Teile der Polyimidharzschicht (30) durch 2 Stunden bzw. 10 Minuten dauerndes Erhitzen auf eine Temperatur von 200° bzw. 400° C ausgehärtet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der betreffende Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers (2, 4) mit einer ersten Schutzschicht (5) aus teilweise ausgehärtetem Polyimidharz überzogen wird, daß diese erste Schutzschicht mit einer Photolackschicht überzogen und im Zuge eines üblichen photolithographischen Verfahrens ein Teil der Photolackschicht und ein entsprechender Teil der ersten Schutzschicht (5) unter Bijdung von öffnungen in dieser Schutzschicht durch Ätzen entfernt werden, daß die erste Schutzschicht gehärtet wird, daß auf der ersten Schutzschicht (5) in einige der öffnungen reichende Metallfilme (22,24,26), die als Schaltungsverbindungen dienen, niedergeschlagen werden, daß auf diese Metallfilme (22, 24, 26) und die erste Schutzschicht (5) eine zweite Schicht (7) aus teilweise ausgehärtetem Polyimidharz aufgebracht wird, daß in diese zweite Polyimidharz-Schicht (7) Öffnungen geätzt werden, die eine Verbindung mit anderen der Öffnungen in der ersten Schutzschicht (5) herstellen, daß das Polyimidharz der zweiten Schicht (7) gehärtet wird und daß das Metall (38, 40) und das Lotmaterial (42, 44) zur Herstellung von äußeren elektrischen Anschlüssen in den durch die erste und zweite Schutzschicht (5, 7) gehenden öffnungen abgelagert werden.

40 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kunststoff-Schutzschicht auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Halbleiterkörpers eines Halbleiterbauelements, welcher Teil ein zur Oberfläche reichendes Schaltungselement enthält, bei welchem eine Kunststoffschicht auf den betreffenden Teil der Oberfläche aufgebracht und anschließend die Kunststoffschicht zur Freilegung einer Kontaktfläche für das Schaltungselement teilweise wieder entfernt wird.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen oder mikrominiaturisierten Schaltungen mit Halbleiterbauelementen verwendet man häufig Abdeckfilme oder -schichten, in welchen zu verschiedenen Zwecken öffnungen ausgebildet werden. Diese Schichten dienen zum Schutz der Halbleiteranordnung vor äußeren Einflüssen oder als Passivierungsschicht, wie sie für mikrominiaturisierte monolithische Siliziumschaltungen bekannt ist. Bei solchen Schaltungen werden die Schaltungselemente in einem Halbleiterkörper aus Silizium ausgebildet, und über der Schaltung läßt man eine Schutzschicht beispielsweise aus Siliziumdioxyd entstehen. Zu den einzelnen Schaltungselementen — und gegebenenfalls zwischen ihnen — werden durch Aufdampfen leitender Filme, beispielsweise aus Aluminium, Schaltungsverbindungen hergestellt. Zur Begrenzung derjenigen Bereiche, an welchen der Aluminiumfilm mit äußeren Teilen oder anderen Schaltungsteilen verbunden werden soll, hat man Photolacke verwendet,

mit deren Hilfe öffnungen gebildet werden, in weichen Metall zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Aluminium abgelagert wird. Diese Photolacke haben sich jedoch als Schutzschicht gegenüber äußeren Einflüssen aus einer Reihe von Gründen als nicht recht zufriedenstellend erwiesen. So sind die üblichen Photolacke gegen viele organische Lösungsmittel nicht widerstandsfähig. Auch werden die Photolackc in gewissem Umfang durch Säuren angegriffen, welche man gern fin¹ Ätzungen durch einen Siliziumoxydfilm hindurch verwenden möchte. Außerdem werden alle üblichen Photolacke bereits bei mäßig hohen Temperaturen, wie man sit; für die Herstellung von Lötverbindungen verwenden möchte, nachteilig beeinflußt oder sogar vollständig zerstört ,₅

Es hat sich ferner herausgestellt, daß dünne Schichten aus Photolack zur Bildung von Gasblasen neigen, so daß an diesen Stellen bei einer späteren Behandlung mit verdampften oder geschmolzenen Metallen oder anderen verdampften Substanzen diese in unerwünschtter Weise durch die Gasblasen in Teile der Schaltung eindringen, wo sie stören. Außerdem werden Photolakke leicht durch Kratzer oder Abschabungen beschädigt

Es ist bekannt, bei mikrominiaturisierten Halbleiterbauelementen über eine Passivierungsschicht aus Siliziumdioxyd und den darauf befindlichen, als elektrische Schaltungsverbindung dienenden Metallfilmen eine Glasschicht als Schutzschicht anzuordnen. Zur Herstellung äußerer Anschlüsse an die Metallfilrnteile werden dann öffnungen in die Glasschicht geätzt. Die Aufbringung der Glasschicht ist jedoch verhältnismäßig aufwendig, da das Wolframzusätze enthaltende Glas bei sehr hohen Temperaturen (etwa 2200⁰C) verdampft werden muß, um sich auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements niederzuschlagen. Diese Aufdampftechnik erfordert einen hohen apparativen Aufwand. Ferner muß das Glas wegen des Anbringens der äußeren Zuleitungen ätzbar sein, wodurch es zwangsläufig gegenüber bestimmten Stoffen die Funktion einer widerstandsfähigen Schutzschicht nicht übernehmen kann.

Es ist schließlich aus der DT-AS 10 78 194 bekannt, einen Körper eines Halbleiterbauelements, der Kontaktflächen hat, ganz in Isolierstoff einzubetten und erst nachträglich die Kontaktflächen auf chemischem, thermischem, elektrischem oder mechanischem Wege mindestens teilweise wieder freizulegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Schutzschicht mit Löchern zur Freilegung von Kontaktflächen anzugeben, das einfach durchgeführt werden kann, trotzdem eine sehr widerstandsfähige Schutzschicht liefert und sich auch für sehr kleine Halbleiterbauelemente, wie mikrominiaturisierte Schaltungen eignet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 unter Schutz gestellten Verfahrensmaßnahmen gelöst.

Polyimidharz kann auf einfache Weise als Lösung aufgesprüht oder aufgestrichen werden. Im ausgehärteten Zustand hat Polyimidharz die gewünschte Widerstandsfähigkeit und Temperaturstabilität. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die öffnung in der Polyimidharzschicht trotz der hervorragenden Widerstandsfähigkeit der fertigen Schutzschicht einfach auf photolithographischem Wege werden kann, denn das nur teilweise ausgehär-

tete Harz kann auf bestimmte Ätzmittel ansprechen, während das vollständig ausgehärtete Harz die für eine Schutzschicht erstrebte Widerstandsfähigkeit zeigt

Es ist zwar bekannt, als Überzug bei Halbleiterbauelementen synthetische, in der Wärme aushärtende Harze oder bestimmte thermoplastische Harze zu verwenden, jedoch hat keiner der als Überzug für Halbleiterbauelemente bisher brauchbar erkannten Stoffe alle die obenerwähnten vorteilhaften Eigenschaften des Polyimidharzes.

In der US-PS 31 79 634 und anderen Veröffentlichungen betreffend Polyimide werden als Vorteile nur die hohe Temperaturbeständigkeit und die Beständigkeit gegen die meisten organischen Lösungsmittel erwähnt Bed den zahlreichen Anwendungen, zu denen auch Substrate für gedruckte Schaltungen gehören (die wegen der hohen Temperaturbeständigkeit des Polyimid-Substrats eine Tauchlötung zulassen), kommt immer nur voll ausgehärtetes Polyimidharz zum Einsatz. Demgegenüber besteht der nicht ohne weiteres vorhersehbare technische Fortschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung darin, mit dem Polyimidharz einen Stoff als Schutzschicht für Halbleiterbauelemente zu verwenden, der im nur teilweise ausgehärteten Zustand geätzt werden kann und im ausgehärteten Zustand unempfindlich gegenüber Ätzmaterialien ist

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Schutzschicht aus dem Polyimidharz auf einer die Oberfläche des Halbleiterkörpers teilweise bedeckenden weiteren Passivierungsschicht aufgebracht. Entsprechend wird der Halbleiterkörper zuerst mit einer Passivierungsschicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid überzogen, ehe die teilweise gehärtete Schutzschicht aus dem Polyimidharz aufgetragen wird. Es können auch mehrere Schichten aus Polyimidharz aufgebracht werden.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Schaltung, bei der aktive und passive Schaltungselemente durch Eindiffusion von Dotiermaterialien in die Oberfläche eines Siliziurnkörpers ausgebildet sind, während eines anfänglichen Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2, 3, 4 und 5 entsprechende Schnitte während folgender Verfahrensschritte und

F i g. 6 einen Querschnitt durch eine integrierte Schaltung gemäß einer anderen Ausführungsform.

Die Erfindung ist an Hand einos Verfahrens zur Herstellung elektrischer Lötverbindungen an bestimmten Stellen einer mikrominiaturisierten Siliziumhalbleiterschaltung veranschaulicht, jedoch läßt sie sich auch für andere Anwendungsfälle verwenden.

F i g. 1 veranschaulicht im Querschnitt einen Teil einer typischen in einem Siliziumkörper monolitisch aufgebauten integrierten Schaltung mit einem Träger 2 aus N +leitendem einkristallinem Silizium, auf dem eine N leitende, ebenfalls einkristalline Schiebt 4 epitaktisch gewachsen ist, in welcher einige Schaltungselemente ausgebildet sind: Durch Eindiffundieren P leitenden Dotiermaterials in die epitaktische Schicht 4 ist ein Widerstand 6 ausgebildet, ferner ist ein Transistor 8 mit einer N leitenden Emitterzone 10, einer P leitenden Basiszone 12 und einer Kollektorzone 14 durch Eindiffundieren von Dotiermaterialien geeigneten Leitungstyps in die Oberfläche der epitaktischen Schicht 4 ausgebildet. Ferner ist ein weiterer Widerstand 16

dargestellt, der durch Diffusion von P leitendem Dotiermaterial in die epitaktische Schicht 4 entstanden ist.

Die Schaltungselemente und praktisch die gesamte Oberfläche der epitaktischen Schicht 4 sind mit einer Passivierungsschicht 18 aus Siliziumdioxyd überzogen, das in üblicher Weise auf der Schicht 4 gewachsen oder abgelagert ist.

Die Schaltung enthält auch elektrische Verbindungen zu den Schaltungselementen, die durch Ablagerung von verdampftem Aluminium auf die Siliziumdioxydschicht durch geeignete öffnungen in dieser Schicht hergestellt sind. In den Zeichnungen verläuft eine dieser Verbindungen 20 über einen Teil der Siliziumdioxydschicht und ragt durch die Schient zum einen Ende des Widerstandes 6. Eine weitere Verbindung 22 ragt durch die Siliziumdioxydschicht zu dem anderen Ende dieses Widerstandes und verbindet ihn mit der Basiszone 12 des Transistors 8. Weiterhin ragt eine Metallverbindung 24 durch die Siliziumdioxydschicht zur Emitterzone 10 des Transistors 8. Eine weitere Verbindung 26 verbindet die Kollektorzone des Transistors 8 mit einem Ende des Widerstandes 16, dessen anderes Ende wiederum durch eine Verbindung 28, welche dann über die Siliziumdioxydschicht 18 verläuft, elektrisch bis an die Kante der Schaltung geführt ist

Einer der kostspieligsten Verfahrensschritte bei der Herstellung derartiger Schaltungen hat in der Vergangenheit in der Ausbildung solcher Verbindungen zu bestimmten Teilen der Schaltung gelegen, mit welchen sie mit anderen Schaltungen oder äußeren Schaltungsteilen zusammengeschlossen werden kann. Hierzu hat man bisher an jedem Punkt einzeln Verbindungen anlöten müssen und an diesen Punkten dann dünne Drähte befestigen müssen, die zu äußeren Verbindungsstellen verlaufen. Es besteht ein starkes Bedürfnis, daß diese manuellen Verfahren durch ein Verfahren ersetzt werden, bei welchem alle diese Verbindungen gleichzeitig hergestellt werden und welche sich insbesondere für eine maschinelle und automatische Anwendung eignet.

Bei der veranschaulichten Schaltung sollen normalerweise Lötverbindungen zu den mit 20 und 28 bezeichneten Teilen durchgeführt werden, welche üblicherweise durch Drähte mit äußeren Lötstellen verbunden werden. Wie F i g. 2 veranschaulicht, wird auf der Siliziumdioxydschicht 18 und den Metallverbindungen 20, 22, 24, 26 und 28 eine dünne Schicht 30 aus Polyimidharz in unvollständig polymerisierten Zustand aufgetragen. Das Polyimidharz ist thermoplastisch anstatt wärmehärtend und hat die folgende Struktur.

-N

O	/V ί	ο
Ii C-i		I! -C
C-J H ο	-C ό

N-h

Es kann aufgetragen werden, indem man eine Lösung des nicht gehärteten Harzes in Dimethylacetamid herstellt, die zwischen 6 und 45%. vorzugsweise jedoch zwischen 12 und 18 Gewichtsprozent Harz enthält Der Überzug wird dann unter Verwendung eines Wirbelsprühers aufgetragen, der mit 4000 Umdrehungen pro Minute umläuft Die Schicht kann eine Dicke Twischen 6000 und 22 000 Angström, vorzugsweise etwa 12 000 Angström haben. Die Dicke der auf diese Weise aufgebrachten Schicht hängt weitgehend von der Konzentration der Harzlösung und von der Drehzahl des Wirbelsprühers ab. Normalerweise wird die Schicht bei diesem Verfahren um so dicker, je konzentrierter die Lösung ist. Nach dem Aufbringen der Schicht wird sie 3 Minuten lang zum Verdunsten des Lösungsmittels bei etwa 80°C getrocknet. Anschließend wird über die Polyimidschicht eine Photoresistschicht 32 aufgebracht,

ίο indem man die Photoresistlösung bei einer Umdrehungszahl des Wirbelsprühers von 4000 Umdrehungen pro Mimre 1 Minute lang über die Oberfläche der Polyimidschicht strömen läßt. Dann wird der Aufbau bei etwa 80"C 5 Minuten lang getrocknet. Die Photoresistschicht hat eine Dicke von etwa 5000 Angström.

Auf der Oberseite der getrockneten Photoresistschicht wird dann eine Positivschablone aufgebracht, und es folgt eine einige Sekunden dauernde Ultraviolettbelichtung. Anschließend wird das Photoresistmäterial mit einer verdünnten organischen oder anorganischen Base entwickelt, so daß die belichteten Teile der Photoresistschicht 32 und die unter diesen Teilen liegenden Teile der Polyimidschicht 30 entfernt werden. In F i g. 3 sind die freigelegten Teile als öffnungen 34 und 36 dargestellt, die sich sowohl durch die Photoresistschicht 32 als auch die darunterliegende Polyimidschicht 30 erstrecken. Die Öffnung 34 ragt bis zu der metallischen Verbindungsschicht 20, die Öffnung 36 bis zu der Metallschicht 28.

Als nächstes wird die Photoresistschicht durch Auflösung in Aceton vollständig entfernt. Das Aceton greift das Polyimidharz nicht an, selbst wenn es noch nicht voll ausgehärtet ist

Der letzte Schritt besteht im vollständigen Aushärten des Polyimidharzes. Dies kann dadurch entstehen, daß man es auf einer heißen Platte auf etwa 80°C 3 Minuten lang erhim, anschließend 2 Stunden in einem Ofen auf etwa 205^cC und schließlich 10 Minuten lang auf etwa 400⁰C erhitzt. Das Harz kann auch bei niedrigeren Temperaturen, jedoch dann in längerer Zeit ausgehärtet werden. Bevorzugt wird die letztgenannte Temperatur. Gemäß F i g. 4 reichen die Öffnungen 34' und 36' zu den Verbindungen 20 bzw. 28 durch die gehärtete Polyimidschicht 30'.

Durch die Öffnungen 34' und 36' sollen elektrische Verbindungen zu den Aluminiumleitern 20 und 28 mil einem Minimum an Zeitaufwand hergestellt werden damit die Kosten für den Aufbau der Schaltung und ihre Verbindung mit anderen Teilen möglichst gering

5c gehalten werden. Dies kann durch Ablagern vor Nickelschichten 38 und 40 innerhalb der Öffnungen 34 bzw. 36' und anschließendes Eintauchen des Aufbaus ir ein Bad von geschmolzendem Blei-Zinn-Lot erfolgen bei welchem Lötperlen 42 und 44 auf den Nickelschich ten 38 und 40 entstehen. Das Lot haftet nur an der Teilen, welche eine Nickeloberfläche haben. Das Nicke kann in üblicher Weise, etwa durch Maskierung unc Abdampfen, abgelagert werden. Der Polyimidharzüber zug 30' wird bei den Temperaturen des Lotbades nich angegriffen, und obwohl er sehr dünn ist ist er frei voi Gasblase ti so daß das Lot nirgends an unerwünschtei Stellen durch die Maskenschicht 30' hindurchdringe!

kann.

Das in Fig.5 dagestellte Bauelement kann nui umgedreht und in der richtigen Lage auf eil Verdrahtungsschema aufgesetzt werden, wobei jed* Lötperle genau über eine entsprechende Metaüverbin dungsstelle zu liegen kommt so daß der gesamt*

Aufbau bei Erhitzung gerade auf die Löttemperatur in einem Schritt mit dem Verdrahtungsschema verlötet wird.

Gleich gute Ergebnisse wurden auch mit Polyimidharzen erzielt, welche den folgenden Strukturaufbau hatten

R—N

N-

Bei dieser Strukturformel stehen die Ausdrücke R und R' für Alkyl- oder Arylradikale. Die Alkylradikale sind vorzugsweise einfache Radikale, wie Methyl, Äthyl, während die Arylradikale vorzugsweise Benzolringe sind. Die C = O hängen an den Enden der Alkylradikale. Das Anwendungsverfahren ist bei diesen Harzen etwa das gleiche wie oben beschrieben. Für die Lösung können 3 Volumteile Harz mit 1 Volumteil Dimethylacetamid gemischt werden. Nach dem Entfernen des Photoresistmaterials wie im vorigen Beispiel kann das Harz bei 205⁰C 2 Stunden lang in einem Ofen ausgebacken werden. Ein noch besseres Anhaften an einer Siliziumdioxydunterlage läßt sich durch ein 10 Minuten dauerndes Ausbacken bei etwa 400°C in einer Stickstoffatmosphäre erreichen.

An Stelle des in den vorstehend beschriebenen Beispielen genannten Siliziumdioxydfilms kann bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial zum gleichen Zweck auch Silizumnitrid benutzt werden. Bei

Verwendung anderer Halbleitermaterialien können andere Passivierungsfilme Verwendung finden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in F i g. 6 dargestellt ist, wird die beispielsweise aus Silicium bestehende epitaktische Schicht 4 mit einer ersten Schutzschicht 5 aus teilweise ausgehärtetem Polyimidharz überzogen, und in dieser Schutzschicht werden dann in der beschriebenen Weise durch Ätzen öffnungen gebildet. Anschließend wird die Schutzschicht 5 gehärtet. Auf der gehärteten Schutzschicht 5 werden dann Leitungsverbindungen in Form von Metallfilmen 22, 24 und 26 niedergeschlagen, die durch einige der gebildeten öffnungen reichen. Auf die Metallfilme 22,24 und 26 sowie die erste Schutzschicht 5 wird dann eine zweite Schicht 7 aus teilweise gehärtetem Polyimidharz aufgebracht In dieser zweiten Schicht 7 werden dann durch Ätzen Öffnungen gebildet, die eine Verbindung zu Öffnungen in der ersten Schutzschicht 5, die nicht von den Metallschichten 22,24 und 26 eingenommen werden, herstellen. Anschließend wird die zweite Schicht 7 gehärtet In den letzterwähnten öffnungen, die sich durch beide Polyimidharzschichten erstrecken, werden dann Nickelschichten 38 und 40 niedergeschlagen und diese dann durch Eintauchen in geschmolzenes Blei-Zinn-Lot mit Lotperlen 42 bzw. 44 versehen.

Bei dieser Abwandlung ist die übliche Passivierungsschicht aus Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid weggelassen.

In der vorstehenden Beschreibung ist zwar eir Photoresistmaterial erwähnt, welches nach der Beiich tung stärker löslich wird, jedoch läßt sich die Erfindung auch bei Benutzung solcher Photoresistmaterialier verwenden, welche nach der Belichtung schlechte! löslich werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Kunststoff-Schutzschicht auf mindestens einem Teil der Oberfläche eines Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements, welcher Teil ein zur Oberfläche reichendes Schaltungselement enthält, bei welchem eine Kunststoffschicht auf den betreffenden Teil der Oberfläche aufgebracht und anschließend die Kunst-Stoffschicht zur Freilegung einer Kontaktfläche für das Schaltungselement teilweise wieder entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den betreffenden Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers (2, 4) eine Schicht (30) aus teilweise ausgehärtetem Polyimidhai^z aufgebracht s/ird; daß diese teilweise ausgehärtete Polyimidharzschicht mit einer Photolackschicht (32) überzogen wird; daß in die teilweise ausgehärtete Polyimidharzschicht dann mittels der üblichen Photomaskierungstechnik mindestens eine Öffnung (34', 36') geätzt wird, daß die verbliebenen Teile der Photolackschicht entfernt werden und daß die teilweise ausgehärtete Polyimidharzschicht dann durch Erhitzen ausgehärtet wird, und daß in der Öffnung (34', 36') der gehärteten Polyimidharzschicht (30) ein Metall (38, 40) und ein Lotmaterial (42, 44) zur Herstellung einer äußeren Verbindung abgelagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lotmaterial in geschmolzenem Zustand abgelagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht (30') ein Polyimidharz folgender Strukturformel

35 O O "