DE19649652C2 - Verfahren zum Herstellen wenigstens einer Schutzschicht auf einem Halbleiterchip oder Wafer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen wenig­ stens einer Schutzschicht auf Halbleiterchips oder Wafern wie beispielsweise aus der DE 42 12 999 A1 bekannt.

Derartige Schutzschichten dienen dazu, den Halbleiterchip vor Beschädigung oder Zerstörung durch aggressive Chemikalien wie beispielsweise rauchenden Ammoniak oder ähnliches zu schüt­ zen, welche bei der Chipherstellung und -montage eingesetzt werden. Außerdem reduziert die Schutzschicht die optische Sichtbarkeit der aktiven Schaltungsstrukturen auf dem Chip und erschwert das mechanische Abtragen der Chipoberfläche zum Zweck der unlauteren Detektion des Schaltungssystems.

Als Schutzschicht sind grundsätzlich chemisch möglichst iner­ te und vor allem feuchtigkeitsbeständige Materialien geeig­ net. Keramische Materialien können hier beispielhaft genannt werden.

In der Praxis bereitet das Aufbringen derartiger keramischer Schutzschichten jedoch erhebliche Probleme. Üblicherweise werden diese Schichten dadurch erzeugt, daß die Keramik wäh­ rend der Modulmontage (Befestigung des Halbleiterchips auf Anschlußrahmen oder Träger, Kontaktierung des Halbleiterchips durch Drahtbonden usw.) durch Dispensen auf die Oberfläche des bereits montierten Halbleiterchips aufgebracht und an­ schließend ausgehärtet wird. Zum Aushärten ist jedoch eine Temperatur von mindestens 250°C und ein Zeitraum von mehre­ ren Stunden erforderlich. In der Regel wird eine Temperatur von ca. 400°C benötigt. Hieraus ergeben sich erhebliche praktische Schwierigkeiten.

Zum einen ist es im Interesse einer schnellen und wirtschaft­ lichen Modulmontage erforderlich, daß die Keramik möglichst schnell formstabil aushärtet. Ein Zeitraum von deutlich unter einer Minute ist hier wünschenswert. Anderenfalls ist eine automatisierte "inline"-Montage, möglichst über ein sogenann­ tes "hot plate curing"-Verfahren, nicht durchführbar. Wenn diese Vorgaben eingehalten werden sollen, führt dies je­ doch dazu, daß die schnellhärtende Keramik die Zufuhrkanäle, Düsen und andere Teile der Dispense-Ausrüstung verstopft, da die Keramik bereits hier auszuhärten beginnt. Ständige War­ tung der Dispense-Vorrichtung ist daher notwendig, wodurch sich die Modulmontage erheblich verlangsamt und verteuert, so daß sie letztendlich wirtschaftlich nicht mehr durchführbar ist.

Auch die Aufbereitung der Keramik und insbesondere die Ein­ stellung und Beibehaltung einer für den Dispense-Vorgang ge­ eigneten Viskosität bereiten bei einer Anwendung dieses Ver­ fahrens bei der automatisierten Modulmontage große Schwierig­ keiten.

Die beim Aushärten der Keramik erforderliche hohe Temperatur, die über einen längeren Zeitraum beibehalten werden muß, führt zudem zu einer im allgemeinen irreversiblen Zerstörung der im Halbleitermodul enthaltenen Kunststoffteile. Hier sind vor allem Kunststoffträger, welche üblicherweise aus Epoxid­ harz bestehen, und Laminierklebstoffe anzusprechen. Auch die Chipoberfläche selbst, hier insbesondere die Chip­ passivierung, und die Leiterbahnen aus Aluminium werden durch die zur Aushärtung der Keramik benötigte hohe Temperatur ge­ schädigt.

Aus den oben genannten Gründen stellte die Aufbringung stabi­ ler Schutzschichten und insbesondere von Schutzschichten aus Keramik ein großes Problem dar.

Aus der DE 42 12 999 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner keramischen Beschichtung auf einem Substrat bekannt, wo­ bei zunächst eine präkeramische Beschichtung und ein Kataly­ sator abgeschieden werden. Anschließend wird die präkerami­ sche Beschichtung in einer Inertathmosphäre pyrolysiert. Hierzu sind jedoch Temperaturen von typischerweise 300 bis zu 1000°C erforderlich.

Aus der DE 43 30 975 A1 ist die Verwendung von Flammspritz- und Plasma-Spritzverfahren in Zusammenhang mit dem Aufbringen von Schichten auf Halbleiterchips bekannt. Dabei handelt es sich jedoch um leitende Schichten, die zur Kontaktierung und Montage des Bauelements dienen und dazu auf die Rückseite aufgebracht werden. Insbesondere befinden sich keine Schal­ tungsstrukturen auf der zu beschichtenden Seite, so daß die Anforderungen an die Spritztechnik vergleichsweise niedrig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und ko­ stengünstiges Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf wenigstens einer Oberfläche von Halbleiterchips und Wa­ fern bereitzustellen. Das Verfahren soll sich vorzugsweise dazu eignen, die Schutzschicht automatisiert und insbesondere während der inline-Modulmontage aufzubringen.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit dem Verfahren gemäß An­ spruch 1. Weitere Verfahrensvarianten ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Schutzschicht auf wenigstens einer Oberfläche der Halb­ leiterchips und Wafer mit Hilfe eines Flamm-Spritzverfahrens oder eines Plasma-Spritzverfahrens aufgebracht wird. Das Aufbringen der Schutzschicht erfolgt zweckmäßig mit einer Spritzpistole oder einer anderen zur Anwendung in den genann­ ten Spritzverfahren geeigneten Vorrichtung. Das Spritzgut wird üblicherweise in Pulverform zugeführt. Die Zufuhr in an­ derer Form, beispielsweise in Drahtform, ist jedoch grund­ sätzlich ebenfalls möglich. Das Spritzgut wird im allgemeinen mit Hilfe von Prozeßgasen in eine gekühlte Düse eingebracht. Durch Zufuhr elektrischer Energie oder Verbrennung von Brenn­ gasen, wie z. B. Sauerstoff oder Acetylen, wird das Spritzgut zum Schmelzen gebracht und beschleunigt, so daß es mit hoher kinetischer Energie auf die Chip- oder Waferoberfläche auf­ trifft. Die Geschwindigkeit der auftreffenden Partikeln kann beispielsweise etwa 800 m/s betragen. Die Partikeln treffen im allgemeinen in zähflüssigem Zustand auf die Oberfläche auf und bilden hier eine porenarme bis porenfreie und festhaften­ de Schicht.

Plasma- und Flamm-Spritzverfahren eignen sich zum Aufbringen einer Vielzahl unterschiedlicher Schutzschichten, beispiels­ weise aus Metall oder Keramik. Hochgeschwindigkeits-Spritz- oder Lichtbogen-Spritzverfahren sind grundsätzlich weniger geeignet, da sie zur Beschädigung oder Zerstörung des Halb­ leiterchips führen können.

Das in den Spritzverfahren eingesetzte Spritzgut kann einer­ seits aus demselben Material bestehen, das die Schutzschicht bilden soll, oder aus einer oder mehreren Vorstufen dieses Materials.

Im Falle von Oxidkeramiken können als Spritzgut beispielswei­ se Metalle eingesetzt werden, die im Spritzverfahren mit Sau­ erstoff, welcher im Prozeßgas enthalten ist, zum Metalloxid reagieren. Bei Aluminiumoxid-Keramiken wird allerdings zweck­ mäßiger Aluminiumtrioxid anstelle von Aluminium als Spritzgut eingesetzt, da sich in letzterem Fall nicht erwünschte Neben­ produkte bilden können. Dagegen kann z. B. Siliciumdioxid- Keramik mit Silicium als Spritzgut hergestellt werden, wel­ ches während des Spritzverfahrens mit Sauerstoff aus dem Pro­ zeßgas zu Siliciumdioxid reagiert.

Alternativ kann anstelle des Metalls eine geeignete Metall­ verbindung als Spritzgut eingesetzt werden.

Bei der Herstellung von Keramikschutzschichten kann grund­ sätzlich jedes keramische Material oder jede Mischung kerami­ scher Materialien verwendet werden. Beispiele geeigneter Ma­ terialien sind Al₂O₃, Al₂O₃/TiO₂, Cr₂O₃, Chromcarbid, Wolfram­ carbid oder eine Mischung mehrerer dieser Materialien.

Geeignete Schichtdicken der Schutzschicht liegen zwischen 20 und 50 µm. Eine gezielte Steuerung der Schichtdicke und eine gleichmäßige Auftragung sind durch die vorliegende Erfindung auf einfache Weise gewährleistet.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, daß die Schutzschicht bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur auf die Oberfläche von Halbleiterchip oder Wafer aufgebracht werden kann. Zweckmäßig kann die Chip- oder Waferoberfläche während des Spritzvorgangs gekühlt wer­ den. Hierzu eignet sich beispielsweise das Aufblasen von Druckluft. Die Oberflächentemperatur kann so auf etwa 70°C heruntergekühlt werden. Eine Beschädigung der Chip- oder Wa­ feroberfläche, der auf dieser befindlichen Leiterbahnstruktur und gegebenenfalls auf der Oberfläche befindlicher Passivie­ rungsschichten kann somit vermieden werden. Im Halbleitermo­ dul befindliche Kunststoffteile, wie Träger aus Epoxid oder Klebemittelauftragungen, werden gleichfalls nicht beeinträch­ tigt. Auch mechanische Verspannungen und Änderungen der elek­ trischen Funktionswerte, die durch überhöhte Temperaturen hervorgerufen werden können, treten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzschicht nicht auf.

Die Schutzschicht wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf wenigstens eine der Oberflächen des Halbleiterchips oder Wafers aufgetragen. Zweckmäßig ist dies die Oberfläche, wel­ che die Schaltungsstruktur trägt, die auf diese Weise vor chemischer und mechanischer Beschädigung geschützt wird. Die Schutzschicht bildet außerdem einen Sichtschutz gegen unlau­ tere Detektion des Schaltungssystems des Halbleiterchips.

Zur Verbesserung des Schutzes kann zwischen Chip- oder Wafer­ oberfläche und Schutzschicht eine Zwischenschicht aufgebracht werden. Die Zwischenschicht besteht zweckmäßig aus einem elektrisch nichtleitenden und feuchtigkeitsbeständigen Mate­ rial, das besonders bevorzugt chemisch möglichst inert ist. Als Materialien für die Zwischenschicht sind solche geeignet, die auf dem Gebiet der Halbleitertechnik üblicherweise als sogenannte Softpassivierung und/oder Hartpassivierung einge­ setzt werden. Beispielsweise können hier Siliciumnitrid und Polyimid genannt werden.

Die Zwischenschicht dient ebenfalls der Verbesserung der Haf­ tung der Schutzschicht. Besteht die Schutzschicht aus einem metallischen Material, dient die Zwischenschicht außerdem der elektrischen Isolierung. Zweckmäßig weist sie eine Dicke von 1 bis 3 µm auf.

Die Schutzschicht und gegebenenfalls die Zwischenschicht kann vor oder während der Modulmontage auf die Chipoberfläche(n) aufgebracht werden. Es ist beispielsweise möglich, Zwischen- und Schutzschicht bereits vor dem Anbringen des Halbleiter­ chips auf einem Anschlußrahmen oder Träger und vor der Kon­ taktierung des Chips durch Drahtbonden oder ähnliches aufzu­ tragen. In diesem Fall bleiben die Kontaktierungsstellen auf der Chipoberfläche zweckmäßig frei. Dies kann z. B. durch An­ bringen einer geeigneten Maske auf der Chipoberfläche gesche­ hen, die die Kontaktstellen während des Plasma- oder Flamm- Spritzverfahrens abdeckt.

Alternativ kann die Schutzschicht, gegebenenfalls nach Auf­ tragung der Zwischenschicht, erst aufgebracht werden, wenn der Chip bereits befestigt und kontaktiert ist. Falls ge­ wünscht, kann der Halbleitermodul mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht zusätzlich auf bekannte Weise abgedeckt werden, z. B. durch Spritzpreß- oder Spritzgußmassen, UV-Globetops, thermisch aushärtende Kunststoffe oder ähnliches.

Alle beschriebenen Varianten lassen sich problemlos in die bekannten automatisierten Modulmontageverfahren integrieren und eignen sich für die massentechnische Herstellung. Dies gilt auch für die folgende Variante, bei der Schutzschicht und gegebenenfalls Zwischenschicht noch vor Vereinzelung der Halbleiterchips auf wenigstens eine Oberfläche eines Wafers aufgebracht werden.

Das Aufbringen von Zwischen- und Schutzschicht erfolgt hier zweckmäßig so, daß Kontaktierungspads und Ritzrahmen - d. h. diejenigen Bereiche des Wafers, in denen die Trennung der einzelnen Halbleiterchips erfolgt - nicht beschichtet werden. Die erforderlichen Aussparungen von der Beschichtung können, wie schon im Fall der Aufbringung auf den einzelnen Halblei­ terchip, durch Anbringen einer geeigneten Maske auf der Wa­ feroberfläche erreicht werden.

Teilung des Wafers in einzelne Chips, Vereinzelung und Wei­ terverarbeitung der Chips können nach Aufbringen der Schutz­ schicht und gegebenenfalls der Zwischenschicht auf an sich bekannte Weise erfolgen. Zur Erleichterung dieser Verfahrens­ schritte kann es jedoch vorteilhaft sein, auf der Waferober­ fläche bzw. den Oberflächen der vereinzelten Chips zusätzli­ che Kontrastbereiche für das Chipidentsystem vorzusehen. Ins­ besondere das Diebonden (Befestigung des Chips auf Träger oder Anschlußrahmen) und Drahtbonden (Kontaktierung des Halb­ leiterchips) lassen sich dann einfacher durchführen, und die üblicherweise bei der Modulmontage eingesetzten Fertigungs­ schritte können praktisch unverändert beibehalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also, auf Halblei­ terchips und Wafern eine Schutzschicht aufzubringen, insbe­ sondere auf einfache und effektive Weise unter Verwendung herkömmlicher Verfahrensschritte, ohne daß es dabei zu Be­ schädigungen des Halbleiterchips oder anderer Komponenten im Halbleitermodul kommt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen wenigstens einer Schutzschicht auf einer Oberfläche eines Halbleiterchips oder eines Wa­ fers, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht durch ein Flamm- oder Plasma-Spritz­ verfahren aufgetragen wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Metall oder Keramik hergestellt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Aluminiumoxid-Titanoxid-, Alumi­ niumoxid-, Chromoxid-, Chromcarbid- oder Wolframcarbid- Keramik oder Mischungen derselben hergestellt wird.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht in einer Dicke zwischen 20 und 50 µm aufgebracht wird.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht auf derjenigen Oberfläche angeordnet wird, welche eine Schaltungsstruktur trägt.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schutzschicht und Chipoberfläche wenigstens eine Zwischenschicht angeordnet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zwischenschicht aus einem elek­ trisch nichtleitenden und feuchtigkeitsbeständigen Materi­ al und insbesondere aus Siliciumnitrid oder Polyimid her­ gestellt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht in einer Dicke von 1 bis 3 µm auf­ gebracht wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht vor dem Kontaktieren des Halbleiter­ chips unter Aussparung der Kontaktierungsstellen aufge­ bracht wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht nach dem Kontaktieren des Halblei­ terchips aufgebracht wird.