DE3805490A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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inorganic polymer
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Shigeru Harada
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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, insbesondere eine Anordnung mit einer verbesserten Schicht, die als Pufferschicht bzw. Entspannungsschicht oder als α-Strahlen- Abschirmung für eine Halbleitervorrichtung dient, die in ein Formharz eingekapselt ist.
Eine herkömmliche Halbleitervorrichtung, die in ein Formharz eingekapselt ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben, die Teilschnittansichten einer derartigen Vorrichtung zeigt. Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Halbleiterelement, wie z. B. ein Transistorbereich 2, auf einem Substrat 1 ausgebildet, der beispielsweise ein Halbleiterchip ist. Eine Aluminiumverdrahtung 4 ist auf dem Substrat 1 durch eine dielektrische Trägerschicht 3 vorgenommen, und ein Bondingdraht 6 ist mit der Aluminiumverdrahtung 4 verbunden.
Der Transistorbereich 2 und die Aluminiumverdrahtung 4 sind mit einer Schutzschicht 5 geschützt, die praktisch über der gesamten Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet ist. Eine Schicht 7 aus einem organischen Polymer, z. B. aus Polyimid, ist auf einem Teil der Schutzschicht 5 ausgebildet. Sämtliche Elemente sind mit einem Formharz 8 eingekapselt. Das Formharz 8 enthält einen Füllstoff 9 aus einer festen Substanz, die damit vermischt ist. Da ein Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Formharzes 8 einerseits und des Substrats 1 andererseits vorhanden ist, werden mechanische Spannungen erzeugt, wie es mit einem Pfeil 10 angedeutet ist.
Die mechanische Spannung, die aus der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Formharz 8 und dem Substrat 1 der Halbleitervorrichtung resultiert, ist sehr groß. Infolgedessen können Risse 11 in der Schutzschicht 5 ausgebildet werden, und ein Bereich 12 der Aluminiumverdrahtung 4 kann dadurch verformt werden. Die Ausbildung solcher Risse ist nachteilig, da das Problem auftritt, daß irgendwelche Substanzen, wie z. B. Wasser, welches in das Harz eindringt, die Halbleitervorrichtung durch die Risse 11 durchdringen kann und dadurch eine Korrosion der Aluminiumverdrahtung 4 hervorruft und damit die Leistungsfähigkeit des Elementes in nachteiliger Weise beeinträchtigt.
Derartige Probleme können somit die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelementes verschlechtern. Die Deformation der Aluminiumverdrahtung 4 kann zu Kurzschlüssen zwischen der Aluminiumverdrahtung 4 und der benachbarten Aluminiumverdrahtung 4 a und/oder zu einer Verringerung des Druckwiderstandes zwischen den Verdrahtungen 4 und 4 a führen. Ein weiteres Problem tritt bei einem Halbleiter dieser Bauart auf, die mit der festen Substanz zusammenhängt, die in das Formharz 8 als Füllstoff 9 hineingemischt ist, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Formharzes 8 an den des Halbleiterchips anzunähern. Der Füllstoff 9 kann nämlich lokal gegen das Oberteil des Transistorbereiches 2 drücken und dadurch eine Fehlfunktion des Transistorbereiches 2 hervorrufen. Derartige Fehlfunktionen eines Transistors sind gravierend, insbesondere dann, wenn es sich bei der Anordnung um einen MOS-Speicher handelt.
Zur Lösung dieser Probleme ist man in der Praxis dazu übergegangen, eine herkömmliche Halbleitervorrichtung mit der Schicht 7 aus einem organischen Polymer, wie z. B. Polyimid, zu versehen, das die Oberfläche des Halbleiterchips bzw. des Substrats 1 überzieht, wie es Fig. 1 zeigt, und das als Entspannungsschicht dient, die nachstehend auch als Dämpfungs- oder Pufferschicht bezeichnet ist. Da die Polyimidschicht 7 relativ weich ist und eine Entlastung bzw. Entspannung der innerhalb des Formharzes 8 herrschenden Spannung 10 bewirkt, kann verhindert werden, daß große Spannungen auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats bzw. Halbleiterchips 1 wirken, was wiederum die Bildung von Rissen in der Schutzschicht 5 sowie Deformationen der Aluminiumverdrahtung 4 verhindert. Die Anbringung der Schicht 7 ermöglicht es außerdem, Fehlfunktionen im Transistorbereich 2 durch den Füllstoff 9 zu verhindern. Wenn die Polyimidschicht 7 als Pufferschicht verwendet wird, so beträgt die Schichtdicke üblicherweise 2 bis 10 µm. Wenn die Schicht 7 als α-Strahlen-Abschirmung verwendet werden soll, muß ihre Dicke mindestens 20 µm ausmachen.
Bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung mit einem derartigen Aufbau wird die Schicht 7, die oft aus Polyimid besteht, als Pufferschicht verwendet. Die Verwendung von Polyimid bringt jedoch verschiedene Probleme mit sich. Beispielsweise ist Polyimid ein organisches Hochpolymer, das eine 5%-Zersetzungsanfangstemperatur von 400°C bis 500°C hat, was nicht sehr hoch ist. Außerdem wird NMP (N-Methyl-2-Pyrolidon), das eine starke Polarität hat, als Lösungsmittel für das Polyimid verwendet, wobei aber dieses Lösungsmittel einen hohen Feuchtigkeitsabsorptionskoeffizienten hat und somit schwierig zu handhaben ist. Weiterhin hat das Molekulargewicht des Vorproduktes von Polyimid eine geringe Stabilität, und das Polyimid muß gekühlt werden, wenn es gelagert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, zur Lösung dieser Probleme eine Halbleitervorrichtung anzugeben, die eine anorganische Polymerschicht mit ausgezeichnetem Wärmewiderstand und ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften aufweist, wie z. B. eine niedrige dielektrische Konstante und einen geringen dielektrischen Verlustfaktor, so daß sich diese anorganische Polymerschicht als Pufferschicht oder a-Strahlen-Abschirmung verwenden läßt.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender und vorteilhafter Weise erreicht, wobei die Halbleitervorrichtung ein hohes Maß an Zuverlässigkeit aufweist sowie einen Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten bei niedrigem Stromverbrauch ermöglicht.
Gemäß der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung angegeben, die folgende Komponenten aufweist: ein Substrat; Halbleiterelemente, die auf dem Substrat angeordnet sind; eine anorganische Polymerschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist und zumindest die Halbleiterelemente überdeckt; und ein Formharz, welches das Substrat, die Halbleiterelemente und die anorganische Polymerschicht einkapselt.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung,
Fig. 2 eine Teilschnittansicht einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung zur Erläuterung von Rissen in der Schutzschicht und Deformationen in der Verdrahtung, und in
Fig. 3 eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung im Teilschnitt zeigt, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 auch gleiche oder entsprechende Komponenten bezeichnen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist ein Halbleiterelement, z. B. ein Transistorbereich 2, auf dem Substrat 1 ausgebildet, der beispielsweise ein Halbleiterchip ist. Die Aluminiumverdrahtung 4 ist auf dem Substrat 1 durch eine dielektrische Trägerschicht 3 zwischen ihnen ausgebildet, und ein Bondingdraht 6 ist mit der Aluminiumverdrahtung 4 verbunden. Der Transistorbereich 2 und die Aluminiumverdrahtung 4 sind mit einer Schutzschicht 5 geschützt, die praktisch über der gesamten Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet ist.
Eine anorganische Polymerschicht 13 aus einem anorganischen Polymeren, wie z. B. einem Siliziumleiterpolymeren, ist auf einem Teil der Schutzschicht 5 ausgebildet und wirkt als Pufferschicht zur Entspannung und/oder als α-Strahlen- Abschirmung, um eine vollständige Abschirmung gegenüber α-Strahlen zu erzielen. All diese Komponenten sind mit einem Formharz 8 eingekapselt. Das Formharz 8 enthält einen Füllstoff 9 einer festen Substanz, die mit ihm vermischt ist. Mechanische Spannungen oder Belastungen, die mit einem Pfeil 14 angedeutet sind, werden durch die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Formnharz 8 und dem Substrat 1 hervorgerufen.
Beispielsweise kann das Siliziumleiterpolymer, welches die anorganische Polymerschicht 13 bildet, die nachstehende Molekularstruktur haben:
wobei Ph eine Phenylgruppe bezeichnet.
Wenn die als Siliziumleiterpolymer ausgebildete Schicht 13 als Pufferschicht verwendet wird, hat die Schicht 13 normalerweise eine Dicke von 2 bis 10 µm. Wenn andererseits die Schicht 13 als α-Strahlen-Abschirmung verwendet wird, um eine vollständige Abschirmung gegenüber α-Strahlen zu erzielen, muß die Schicht 13 eine Dicke von mindestens 20 µm haben.
Bei der Halbleitervorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau können die Spannungen 14 innerhalb des Formharzes 8 abgebaut werden, in ähnlicher Weise wie in dem Falle, wo die Polyimidschicht 7 verwendet wird, so daß verhindert wird, daß große Belastungen und Spannungen auf die Oberfläche des Substrats 1 wirken. Somit ist es möglich, die Bildung von Rissen 11, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt sind, in der Schutzschicht 5 sowie die Bildung von mechanisch deformierten Bereichen 12 der Aluminiumverdrahtung 4 zu verhindern, wie es ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Weiterhin ist es möglich, Fehlfunktionen im Transistorbereich 2 durch den Füllstoff 9 zu verhindern.
Darüber hinaus hat die aus dem Siliziumleiterpolymer bestehende Schicht 13 der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung die folgenden Vorteile. Da das Siliziumleiterpolymer ein anorganisches Polymer ist, besitzt es einen höheren Wärmewiderstand als Polyimid. Beispielsweise beträgt die 5%-Zersetzungsanfangstemperatur von Polyimid 400°C bis 500°C, während der entsprechende Wert beim Siliziumleiterpolymer 500°C bis 550°C beträgt. Außerdem hat das Siliziumleiterpolymer eine Dielektrizitätskonstante ε r von 3,2 sowie einen dielektrischen Verlustfaktor tan δ von 0,04% (1 kHz), die nur etwas geringer sind als die entsprechenden Werte von Polyimid.
Das Siliziumleiterpolymer hat außerdem ausgezeichnete elektrische Eigenschaften beispielsweise hinsichtlich der dielektrischen Durchbruchfeldstärke und des Volumenwiderstands ρ. Somit ist es mit der Schicht 13 aus dem Siliziumleiterpolymer möglich, der Halbleitervorrichtung bessere Eigenschaften in der Leistungsfähigkeit zu verleihen, beispielsweise die Betriebsgeschwindigkeit der Bauelemente zu erhöhen sowie den elektrischen Stromverbrauch zu verringern.
Wenn Polyimid verwendet wird, um die oben beschriebene Schicht zu bilden, bringt die Schicht verschiedene Probleme mit sich, wie z. B. eine verringerte Stabilität der Dicke des beschichteten Harzes, da das Molekulargewicht der Beschichtungsflüssigkeit per se eine geringe Stabilität hat und da außerdem das verwendete Lösungsmittel ein Lösungsmittel, wie z. B. NMP (N-Methyl-2-Pyrolidon) ist, das eine Polarität und somit einen hohen Feuchtigkeitsabsorptionskoeffizienten hat.
Wenn im Gegensatz dazu ein Siliziumleiterpolymer verwendet wird, um die Schicht zu bilden, kann ein nicht-polares organisches Lösungsmittel, wie z. B. Anisol, THF oder Toluol verwendet werden, die einen niedrigen Feuchtigkeitsabsorptionskoeffizienten haben; darüber hinaus ist das Molekulargewicht des Siliziumleiterpolymers sehr stabil. Wenn daher eine Schicht aus Siliziumleiterpolymer als Pufferschicht oder α-Strahlen- Abschirmung verwendet wird, kann diese Schicht für verbesserte elektrische Eigenschaften und Zuverlässigkeit sorgen.
Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die hinzugefügten funktionalen Gruppen der Siliziumleiterstruktur Phenylgruppen sind, handelt es sich dabei lediglich um ein Beispiel, und es können auch andere funktionale Gruppen verwendet werden, wie z. B. Alkylgruppen oder Methylgruppen. Auf diese Weise können die Eigenschaften des Polymers weiter verbessert werden, indem man die funktionalen Gruppen in geeigneter Weise wählt. Außerdem kann die anorganische Polymerschicht alternativ eine Schicht aus Silizium enthaltendem Polymer sein, wie z. B. Silanol (Si(OH)₄), das keine Leiterstruktur hat und bei dem ein Teil der Hydroxylgruppen durch funktionale Gruppen substituiert sind, wie z. B. Alkylgruppen oder Phenylgruppen.

Claims (12)

1. Halbleitervorrichtung, mit einem Substrat und Halbleiterelementen, die auf dem Substrat angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine anorganische Polymerschicht (13) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und zumindest die Halbleiterelemente (2) überdeckt;
und daß das Substrat (1), die Halbleiterelemente (2) und die anorganische Polymerschicht (13) mit einem Formharz (8) eingekapselt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht (13) als Entspannungsschicht ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht als α-Strahlen-Abschirmung ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht eine Silizium enthaltende Polymerschicht ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht (13) als Siliziumleiterpolymer- Schicht ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht eine Molekularstruktur mit folgendem Aufbau hat: wobei Ph eine funktionale Gruppe ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substituenten des Siliziumleiterpolymeren Phenylgruppen sind
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substituenten des Siliziumleiterpolymeren Alkylgruppen sind
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht eine Silanolpolymerschicht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substituenten der Silanolpolymerschicht Phenylgruppen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substituenten der Silanolpolymerschicht Alkylgruppen sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Polymerschicht eine Dicke von mindestens 2 µm hat
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