DE2618026A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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DE2618026A1
DE2618026A1 DE19762618026 DE2618026A DE2618026A1 DE 2618026 A1 DE2618026 A1 DE 2618026A1 DE 19762618026 DE19762618026 DE 19762618026 DE 2618026 A DE2618026 A DE 2618026A DE 2618026 A1 DE2618026 A1 DE 2618026A1
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DE
Germany
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layer
covered
coating layer
protective coating
aluminum
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Application number
DE19762618026
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English (en)
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Tuh-Kai Koo
Armand Joseph Antoin Velthoven
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NCR Voyix Corp
Original Assignee
NCR Corp
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Description

NCR CORPORATION Dayton, Ohio (V.St.A«, )
Patentanmeldung
Unser Az.: Case 2143/GER
KALBLEITERVORRICKTUNG
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung bestehend aus einem Halbleitersubstrat, auf oder in dem Schaltungselemente angeordnet sind, die mit nach außen führenden Anschlußleitungen verbunden sind.
Speziell befaßt sich die Erfindung mit einer Halbleitervorrichtung der oben genannten Art, in der elektrische Leitungen gegen Feuchtigkeit und mechanische Beschädigung zu schützen sind. Für diesen Zweck ist es bereits aus der US-Patentschrift 3 330 bekannt, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit Halbleitervorrichtungen in Plastikmaterialien einzukapseln, da dies günstiger ist als die zuvor üblichen Metallschutzgehäuse. Jedoch auch die Einkapselung in Plastikmaterialien weisen Nachteile auf,und zwar kann Feuchtigkeit das Plastikmaterial durchdringen oder an den Grenzflächen zwischen dem Plastikmaterial und den nach außen geführten elektrischen Leitungen, die mit der Vorrichtung verbunden sind, hindurchkriechen. Infolge der Feuchtigkeit können somit die Anschlußleitungen korrodieren, wenn billige jedoch korrodierfähige Materialien (z. B. Aluminium) als Anschlußleitungen verwendet werden, wodurch die Halbleitervorrichtungen unzuverlässig arbeiten.
15. April 1976 6098A5/0812
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, in der keine Feuchtigkeit in die Halbleitervorrichtung eindringen kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Verbindungsstelle durch eine Schutzmantelschicht aus Siliziumdioxid bedeckt ist, die zumindest die Verbindungsstelle und den unmittelbar angrenzenden Teil der entsprechenden Zuleitung bedeckt und daß ein Schutz aus Plastikmaterial die Schutzmantelschicht bedeckt oder umschließt.
Eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Halbleitervorrichtung weist den Vorteil auf, daß sowohl das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert wird und daß ein relativ hoher Schutz gegen mechanische Beschädigung gegeben ist, wobei das Einkapseln der Vorrichtung gemäß der Erfindung relativ billig ist. Es wurde festgestellt, daß eine wirkungsvolle Abdichtung und ein wirkungsvoller Schutz in einer Halbleitervorrichtung erreicht werden kann, in der Aluminiumleiter als Anschlußleitungen verwendet werden, die mit der Anschlußseite von in der Vorrichtung vorgesehenen Aluminiumverbindungspfaden verbunden sind. Es ist offensichtlich, daß dadurch die Herstellungskosten niedrig gehalten werden können, da Aluminium sowohl für die Anschlußleitungen als auch für die Verbindungspolster verv/endet werden kann, was verglichen mit anderen korrosionsbeständigen Materialien, z. B. Gold, wesentlich billiger ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines integrierten Halbleiterchips, in dem eine Schutzschicht aus Siliziumdioxid vorgesehen ist;
Fig. 2 eine der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ähnliche Vorrichtung, die etwas modifiziert ist;
Fig. 3 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines AusfUhrungsbeispiels der Erfindung, indem das in Fig. 2 gezeigte Chip in einer Plastikschutzschicht angeordnet ist;
Fig. 4 eine zweite, der in Fig. 3 gezeigten ähnlichen Vorrichtung, die etwas modifiziert ist und ebenfalls eine Plastikschutzschicht aufweist und
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem fünf integrierte Schaltungschips gezeigt sind.
Die in Fig. 1 bis 5 gezeigten Vorrichtungen wurden in unterschiedlichen Maßstäben dargestellt, um zu betonen, daß die Elemente einer solchen Siliziumdioxidschicht verhältnismäßig extrem dünn sind.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein integrierter Schaltkreis in Form eines Chips auf einem Siliziumsubstrat 111 gezeigt ist. Auf diesem sind Quellenelektroden 112 und Senkenelektroden 113 vorgesehen, über einem Teil der Quellenelektrode 112 liegt eine Feldoxidschicht 115 und über einem Teil der Senkenelektrode 113 liegt eine Feldoxidschicht 116.
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Eine Toroxidschicht 117 bedeckt Teile der Quellenelektrode und der Senkenelektrode 113. Die Toroxidschicht 117 wird durch eine Alurcii ni umschi cht 119 bedeckt und die Feldoxidschicht wird ebenfalls von der Aluminiumschicht 119 bedeckt und ist elektrisch mit der Quellenelektrode 112 verbunden. Ein Teil der Alüminiumschicht 119 bildet eine Anschlußstelle 122, Eine Aluminiumschicht 114 ist mit der Senkenelektrode verbunden und bedeckt einen Teil der Feldoxidschicht 116. Eine Aluminiumverbindungsstelle 120 ist auf der Feldoxidschicht 116 angeordnet. Eine gedopte Si 1iziumdioxidpassivierungs· schicht 121 bedeckt alle vorangehend erwähnten Schaltungsteile außer der Verbindungsstelle 120 und der Verbindungsstelle 122, die Teile der Aluminiumschicht 119 sind. Die Schicht 121 dient zum Schutz der Schaltungsteile gegen Feuchtigkeit und andere atmosphärische Verunreinigungen und zur Stabilisierung der elektrischen Werte der Vorrichtung. Ein Aluminiumverbindungsdraht 131 ist mit der Verbindungsstelle 120 und ein Aluminiumverbindungsdraht 132 mit der Verbindungsstelle 122 verbunden. Ein ■weiterer, nicht gezeigter Aluminiumdraht ist mit der Schicht 114 verbunden. Ein nichtdotierter Schutzmantel aus Siliziumdioxid 133 umschließt die Verbindungsstelle und den Aluminiumdraht 132. In der gleichen Weise umschließt ein Schutzmantel 134 aus undotiertem Siliziumdioxid die Verbindungsstelle 120 und den Aluminiumdraht 131.
Fig. 2 zeigt eine Halbleitervorrichtung, die der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ähnlich ist, wobei die in Fig. 2 verwendeten Bezugszeichen in der Zweihunderterserie liegen, während in Fig. 1 die Bezugszeichen in der Einhunderterserie liegen. Gleiche Teile sind jeweils bezüglich der Zehnerwerte mit gleichen Bezugszeichen versehen. In dieser etwas abgewandelten
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Vorrichtung ist ein undotierter Schutzmantel aus Siliziumdioxid 240 über dem gesamten Siliziumsubstrat 211, auf dem bzw. in dem die Schaltungsteile vorgesehen sind, angeordnet,
Während die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung etwas billiger in der Herstellung ist, bietet die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung einen etwas größeren mechanischen Schutz und zusätzlichen Schutz gegen Korrosion für das gesamte Siliziumsubstrat 211.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, in der Bezugszeichen für die jeweils mit den in Fig. 2 verwendeten korrespondierenden Teilen aus der Dreihunderterserie verwendet wurden. Ein rahmenähnliches Teil, das die elektrischen Leitungen trägt, ist aus drei Teilen 350, 351 und 352 zusammengesetzt. Diese Teile können aus einem einzigen Metallteil gestanzt werden, um den genannten Rahmen zu bilden, was für den einschlägigen Fachmann ohne weitere Erklärung möglich ist. Andere Teile, wie zum Beispiel das Verbindungsteil 353, das in gestrichelten Linien dargestellt ist, vervollständigen das Gehäuse, Das Teil 353 ist mit einem äußeren Teil des Gehäuses verbunden, was in der endgültigen Herstellungsoperation ausgeschnitten wurde. Ein integriertes Schaltungschip 310, wie in Fig. 2 gezeigt, wird durch das Gehäuseteil 350 getragen. Ein Ende eines Aluminiumdrahtes 331 ist mit Hilfe von Ultraschall mit einer Aluminiumverbindungsstelle 320 auf den Chip 310 verbunden. Das andere Ende des Drahtes 331 ist ebenfalls mit Hilfe von Ultraschall mit dem Gehäuseteil 351 verbunden. In ähnlicher Weise ist ein Ende des Aluminiumdrahtes 332 mit der Anschlußstelle 322 und das andere Ende mit dem Gehäuseteil 352 verbunden. Eine Schicht aus Silizium-
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dioxid 340 bedeckt das würfelförmige Chip 310, die Drähte und 332 und die Enden der Gehäuseteile 351 und 352 in der Nähe ihrer Verbindungsstellen mit den Drähten. Die gesamte Anordnung, soweit sie hier beschrieben wurde, ist in einem Plastikblock 360 mittels eines Tauch- oder Eingießvorganges eingekapselt, um einen alles umfassenden Schutz zu gewährleisten. Dadurch wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung komplettiert.
Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen, in der in der gleichen Weise die mit Fig. 3 korrespondierenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen aus der Vierhunderterserie bezeichnet sind. Das integrierte Schaltungschip 410 ist stabil in einem Gehäuseteil 450 angeordnet. Gehäuseteile 451 und 452 sind in entsprechender Weise mit Verbindungsstellen 420 und 422 durch Drähte 431 und 432 verbunden. In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung werden die Übergänge zwischen den Drähten und den Verbindungspfaden durch eine Siliziumdioxidschicht bedeckt, die auch das Chip 410 und sein Gehäuse, das auf dem Teil 450 angeordnet ist, bedeckt.
Ein mechanisches Schutzschild, das allgemein mit 460 bezeichnet ist, ist aus einem oberen Plastikteil 471 und einem unteren Plastikteil 472 zusammengesetzt. Anschmiegsame Leitungen 473 und 475 verbinden das Teil 451 mit den oberen und unteren Teilen 471 und 472 und in der gleichen Weise verbinden anschmiegsame Schichten 474 und 476 das Teil 452 mit dem oberen Teil 471 und mit dem unteren Teil 472. Nachdem die beschriebene Anordnung gemäß der Erfindung zusammengesetzt wurde, wird der Verbindungsteil des Leiterrahmens entfernt und die Teile 451 und 452 bilden externe elektrische Kontakte,
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Das Chip 410 und sein Gehäuseteil 450 werden in ihrer Position durch das Leitungsteil (nicht gezeigt) gehalten, das sich von dem Teil 450 in das Plastikgehäuse 460 in bekannter Weise erstreckt.
Die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Vorrichtungen gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein einziges Chip. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß verschiedene oxidgeschützte bzw. -ummantelte Chips innerhalb eines Plastikschutzgehäuses angeordnet werden können.
Dies ist beispielsweise in Fig. 5 dargestellt. In dieser Figur ist eine Schaltungsplatte 500 gezeigt, auf der in herkömmlicher Weise fünf integrierte Schaltkreischips 501 bis 505 gezeigt sind, die auf dieser fest angeordnet sind. Eine Serie von Aluminiumleitern 511 bis 518 sind zwischen Aluminiumanschlußstellen auf dem Chip 501 und elektrischen (nicht gezeigten) Leitern auf Her Schaltungsplatte 500 fest angeordnet. In der gleichen Weise ist eine Serie von Aluminiumdrähten mit jedem der Chips 502 bis 505 verbunden, um eine elektrische Verbindung zu der Schalttafel 500 zu schaffen» Die gesamte obere Oberfläche der Chips 501 bis 505 ist mit einem Leiter aus Siliziumdioxid bedeckt, der alle Leiter und speziell die Obergänge zwischen den Drähten und den Anschlußstellen und zwischen Drähten und Anschlüssen der Schaltungsplatte bedeckt. Eine Abdeckplatte 520 aus Plastikmaterial wird anschließend über die Schaltungsplatte 500 angeordnet, um einen entsprechenden Schutz gegen Zerkratzen und mechanische Beschädigung der Chips und der Anschlußdrähte zu gewährleisten. Um die Art und Weise aufzuzeigen, wie gemäß der Erfindung Schutz gegen Feuchtigkeitskorrosion durch die Oxidummantelung in der vorangehend beschriebenen Weise
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erreicht wird, wurden fünf Gruppen aus integrierten Schaltkreisen gemäß der in Fig. 1 gezeigten Art hergestellt. Die erste Gruppe besitzt Verbindungsdrähte, die mit Ultraschall mit den entsprechenden Verbindungsstellen, wie in Fig. 1 gezeigt, verbunden sind, jedoch ist hier kein Schutz und keine Abdeckung zwischen den Verbindungsstellen der Anschlußstellen und der Verbindungsdrähte vorgesehen. Die vier anderen Gruppen hatten dagegen Siliziumdioxidschutzschichten, die über den Verbindungsstellen der Verbindungspfade und Verbindungsdrähte angeordnet wurden, und zwar mit folgenden Stärken:
1. 0,17 ,um aus undotiertem Siliziumdioxid
2. 1,0 ,um aus undotiertem Siliziumdioxid
3. 0,2 ,um aus 3% phosphordotiertem Siliziumdioxid
4. 1,0 ,um aus 3% phosphordotiertem Siliziumdioxid.
Die fünf Gruppen wurden in einer Atmosphäre von 85° C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit hergestellt und wurden in Intervallen von 4, 8, 16, 32, 64, 128, und 512 Stunden geprüft, und zwar mit folgendem Ergebnis:
Erste Oxidation Erste elektrische (sichtbar) (Std.) Öffnung (Std.)
Keine Schutzschicht 4 10
0,2 ,um SiO2 32 64
1,0 .um SiO2 512 256
0,2 ,um dotiertes SiO2 32 32
1,0 ,um dotiertes SiO2 256 256
Aus dem vorangehend beschriebenen Test geht hervor, daß die gezeigten (ohne Schutzmantel) Kreise eine Temperatur von 85° C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit nicht länger als 10 Stunden und in manchen Fällen auch weniger überstehen. Die Kreise, die mit
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Siliziumdioxid (SiOp) geschützt waren, lebten viel langer. Aus den vier getesteten Vorrichtungen mit Schutzschichten scheint eine Schutzschicht von undotiertem Siliziumdioxid die beste zu sein, da sie 512 Stunden in dem vorher beschriebenen Test Überlebte und nur geringe Spuren von Korrosion gefunden wurden, wie in Fig, I gezeigt. Das zweitbeste Ergebnis wurde mit einer l.um starken phosphordotierten Siliziumdioxidschicht erreicht, bei der die gleiche Korrosion bei 256 Stunden sichtbar wurde. Die dünneren Schutzschichtkonstruktionen erwiesen sich als weniger geschützt» Die ßhosphordotierte Si 1 izi umdioxidschicht war die schlechteste. Jedoch war die dünne phosphordotierte Si liziumdioxidschicht ebenfalls noch dem nicht geschützten Kreis überlegen, der, wie aus obiger Tabelle hervorgeht, bereits nach 4 Stunden eine sichtbare Oxidation und nach 10 Stunden eine elektrische Unterbrechung zeigte«
Es wurde gefunden, daß Vorrichtungen gemäß der vorangehend beschriebenen Art, bei denen die Verbindungsseiten zweifach geschützt wurden, und zwar mit einem Mantel aus Siliziumdioxid und einer Schutzschicht aus Plastikmaterial, eine extrem hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und andere Einwirkungen aufweist, wobei trotz allem eine äußerst wirtschaftliche Fertigung möglich ist.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    ( I« ) Halbleitervorrichtung bestehend aus einem Halbleitersubstrat, auf oder in dem Schaltungselemente angeordnet sind, die mit nach außen führenden Anschlußleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verbindungsstelle (322, 320 Fig. 3) durch eine Schutzmantelschicht aus Siliziumdioxid (340) bedeckt ist, die zumindest die Verbindungsstelle und den unmittelbar angrenzenden Teil der entsprechenden Zuleitung (331, 332) bedeckt und daß ein Schutz aus Plastikmaterial (360) die Schutzmantelschicht bedeckt oder umschließt.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen aus Aluminium bestehen und daß die Verbindungsstellen aus Aluminiumverbindungspolster bestehen.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierten Schaltkreiselemente durch eine gedopte Siliziumdioxidpassivierungsschicht (221, Fig. 2) bedeckt ist, die die Verbindungsstellen (222, 220) nicht bedeckt.
    4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmantelschicht aus undov-tiertem Si lizi umdoxid besteht,,
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmantelschicht die genannte Passivierungsschicht bedeckt.
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    6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Siliziumsubstrat aus einem Siliziumchip besteht.
    7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz aus plastischem Material (360 Fig. 3) aus einem Block aus plastischem Material besteht, der das die Schutzmantelschicht tragende Halbleitersubstrat umschließt.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz aus plastischem Material aus zwei Halbschalen (471, 472 Fig. 4) besteht, das die Schutzmantelschicht tragende Halbleitersubstrat umschließt.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schutzmantelschicht tragende Halbleitersubstrat eins aus einer Vielzahl von derartigen auf einem Trägerglied (500 Fig. 5) angeordneten Substraten ist, die durch eine Plastikabdeckung (520) geschützt sind.
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    Leerseite
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