DE4023776C2 - Mehrschichtige Halbleiterstruktur, insbesondere Wandler und Verfahren zur Bildung von Kontaktflächen an Halbleiterbereichen solcher mehrschichtiger Halbleiterstrukturen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft mehrschichtige Halbleiterstrukturen, insbeson­ dere Wandler, sowie Verfahren zur Bildung von Kontaktflächen an Halbleiterbereichen solcher mehrschichtiger Wandlerstrukturen.

Die Erfindung soll zur Herstellung elektrischer Kontaktflächen in mehrschichtigen Halbleiterstrukturen, insbesondere Wandlern, verwendet werden, welche auf einem Wa­ fersubstrat in einer Matrix von zehn oder sogar hundert pro Wafer hergestellt werden. Nach dem Herstellungsvorgang wird der Wafer in einzelne Wandlerchips typischer­ weise mittels Sägen zerteilt. Jeder einzelne Wandler weist einige leitende Schichten auf, die sich bis zu den gesägten Oberflächen erstrecken. Die leitenden Schichten sind von­ einander galvanisch getrennt.

Normalerweise werden elektrische Kontakte zu externen Schaltkreisen über sepa­ rate Kontaktflächen hergestellt. Eine Kontaktfläche stellt eine metallisierte, im allge­ meinen quadratische Fläche dar, welche zum Bonden von elektrischen Leitungen, die von dem elektrischen Schaltkreis geführt werden, verwendet wird. Die Kontaktfläche ist innerhalb des Wandlers mit entsprechenden Teilen des Sensoraufbaues elektrisch ver­ bunden. Eine Wandlerstruktur wird in Fig. 1 gezeigt, deren Konstruktion beispielsweise aus dem US-Patent Nr. 4,597,027 bekannt ist.

Kontaktflächen des oben beschriebenen Typs liegen in einem Wandler auf einer einzigen Bondebene, welche parallel zu dem planaren Substrat liegt, weil solche Bond­ flächen beispielsweise durch Photolithographie und Vakuumabscheidung mittels Ver­ dampfens vor dem Zerteilen des Wandlerwafers in Plättchen leicht herzustellen sind. Die ebenen Bondflächen, die für die Kontaktflächen vorgesehen sind, vergrößern jedoch ganz wesentlich die äußeren Dimensionen der Wandler. Weil die Größe des Wandlers in linearem Zusammenhang mit den Stückkosten steht, liegt es im Interesse des Herstel­ lers, einen möglichst kleinflächigen Wandler zu entwickeln. Demzufolge vergrößern die vorhandenen Kontaktflächen bei der konventionellen Technologie die Kosten des Wandlers. Einen weiteren Nachteil stellt die problematische Bildung Ohmscher Kon­ takte von innerhalb des Wandlers zu den Kontaktflächen der Bondebenen dar, da das Herstellungsverfahren bestimmte Maßnahmen zur Verhinderung von Kurzschlüssen der Ohmschen Leiter zu anderen leitenden Teilen des Wandlers bereitstellen muß.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0167392 A2 ist es ferner bekannt, ein elektrostriktives Element aus einem Laminat von elektrostrik­ tivem Material und internen Elektrodenbeschichtungen aufzubauen, den Schichtenver­ band zu sintern und dann in Stücke zu schneiden, um nachfolgend an den Seitenflächen freiliegende Elektrodenschichten abwechselnd durch Isolierwerkstoff abzudecken und die nicht abgedeckten Elektrodenschichten durch Leiterbrücken zusammenzuschalten. Bei dieser bekannten Konstruktion sind es also die internen Elektroden, welche durch äußere Elektroden an den Seitenflächen oder Schnittflächen des Schichtenverbandes zusammengeschaltet werden.

Aus der DE 39 00 654 A1 ist es bekannt, eine Drucksensoranordnung aus einer durch Isolierstege unterteilten elektrisch leitfähigen Siliziumschicht, einer diese über­ deckenden Isolationsschicht, einer ersten Kondensatorelektrode und einer diese überla­ gernden und über einen Kammerraum von ihr getrennten Membranelektrode aufzu­ bauen, wobei Kontaktbereiche der durch die Isolierstege getrennten leitfähigen Basis­ schicht sowie ein leitfähiges Basiselement der Membranelektrode am Rand der Druck­ sensoranordnung freiliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mehrschichtige Halbleiterstruktur mit Kontaktflä­ chen in solcher Weise auszubilden, daß die äußeren Dimensionen der Halbleiterstruktur durch diese Kontaktflächen nicht wesentlich vergrößert werden, wobei die Gefahr von Kurzschlüssen zu anderen leitenden Teilen der Halbleiterstruktur verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine mehrschichtige Halbleiterstruktur mit den Merk­ malen des Anspruches 1, und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 2 gelöst.

Die Erfindung basiert im wesentlichen darauf, die Kontaktflächen bzw. Bondflächen an denjenigen senk­ rechten Wänden der leitenden Schichten des Wandlers auszubilden, welche gebildet werden, wenn der Wandler von dem hergestellten Wafer letztlich in die einzelnen Chips zerschnitten wird. Mit anderen Worten, die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die für das Bonden verwendeten Flächen der leitenden Schicht auf solchen Oberflächen hergestellt werden, die keine von den ursprünglichen Oberflächen bei den planaren bzw. waferartigen Basismateria­ lien darstellen.

Die Erfindung weist signifikante Vorzüge auf.

Erstens kann die Fläche eines Wandlerchips um ein Drittel vermindert werden, was eine entsprechende Verringerung der Herstellungskosten für den Wandler zur Folge hat. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn der Wandler unter Verwen­ dung von Massenproduktionsverfahren hergestellt wird. Zwei­ tens ist die Bauweise des Wandlers vereinfacht, weil die Ohmschen Kontakte des Wandlers nach außerhalb des Sensorbe­ reiches nicht geführt werden müssen. Ein dritter Vorteil ist, daß die erfindungsgemäße Wandlerstruktur beispielsweise durch Oberflächenmontierung mit einem Schaltkreisteil gebon­ det werden kann, während eine herkömmliche Struktur mit Draht gebondet werden muß.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen herkömmlichen Wandler in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wandler in perspektivischer Ansicht; und

Fig. 3 in Draufsicht ein planares Substrat, von dem der Wandler erfindungsgemäß in Chips zerteilt werden kann.

In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Wandler 1 dargestellt, wel­ cher eine erste halbleitende Schicht 2 und eine zweite halbleitende Schicht 4 aufweist, sowie eine Isolierschicht 3 zwischen den halbleitenden Schichten. Über der Bondebene 6 sind Kontaktflächen 5 ausgebildet. Die Bondebene 6 stellt strukturell eine Erweiterung der zweiten halbleitenden Schicht 4 dar, und die Ohmschen Kontakte werden beispiels­ weise von der ersten halbleitenden Schicht 2 in der Wandler­ struktur zur Bondebene 6 geführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Kontaktbildung ist in Fig. 2 dargestellt. Ein typischer Wandlerchip 1' weist zwei oder mehrere leitende Halbleiterschichten 2' und 4' auf, bei denen Kontaktflächen 5' auf einer senkrechten Seite 7 des Wandlerchips gebildet werden. Eine Schicht 3' stellt eine elektrisch isolierende Schicht zwischen den Halbleiter­ schichten 2' und 4' dar.

In Fig. 3 ist ein typischer mehrschichtiger Wafer 8 mit einem Matrixmuster gezeigt, wobei die Matrixelemente 1' die einzelnen Wandlerelemente darstellen. Die Wandlerelemente 1' werden typischerweise von dem Wafer 8 mittels mechanischer Mittel durch Sägen entlang der Linien 9 und 10 abgetrennt. Alternativ kann für das Abtrennen der Wandler 1' ein Laser verwendet werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Struktur weist keine Kontaktflächen im Sinne der herkömmlichen Technologie auf, sondern die Kon­ taktflächen 5' werden direkt an der Seitenoberfläche 7 des Wandlerchips beispielsweise unter Verwendung von laserunter­ stützten Abscheideprozessen von metallischen Schichten her­ gestellt. Die Seitenoberfläche 7 wird als die ausgesetzte Oberfläche bestimmt, wenn die Wandlerchips 1' einzeln von­ einander entlang der Linien 9 und 10 von dem mehrschichtigen Wafer 8, welche in Fig. 3 gezeigt ist, abgesägt wurden.

Die Ohmschen Kontaktflächen 5' werden einzeln bei jedem getrennten Chip beispielsweise mittels der oben erwähnten laserunterstützten Abscheideprozesse von metallischen Schichten hergestellt, welche zum Beispiel bei den folgenden Publikationen beschrieben sind:
R. Solanki et al. "Low-Temperature Refractory Metal Film Deposition", Appl. Phys. Lett., 41, (11), 1048 bis 1050, 1. Dezember 1982,
R. M. Osgood et al. "Laser Microchemistry for Direct Writing of Microstructures", Proc. SPIE, 385, 112 bis 117, 1983.
Dieter Bäuerle, "Laser-Induced Chemical Vapor Deposition", in "Laser Processing and Diagnostics", ed. D. Bäuerle, Springer Verlag 1984.
T. Cacouris et al. "Laser Direct Writing of Aluminium Con­ ductors", Appl. Phys. Lett., 52, (22), 1865 bis 1867, 30. Mai 1988.

Die Wandlerchips 1' werden zur Metallisierung in eine gas­ dichte Kammer gebracht, deren Aufbau die Einführung eines geeigneten Gases erlaubt, und ein Laserstrahlfenster an der Oberseite der Kammer aufweist. Die Wandlerchips 1' werden einzeln unter dem Laserstrahl so ausgerichtet, daß der fokussierte Strahl eine der Flächen 5' der leitenden Schicht 2' treffen kann. Die beleuchtete Stelle 5' wird von dem auf­ treffenden Laserstrahl erhitzt, und das Gas, mit welchem die Kammer gefüllt ist, und das ein gewähltes Metall enthält, beispielsweise Aluminium, Gold oder Nickel, wird an der erhitzten Stelle 5' pyrolisiert (oder alternativ photo­ lysiert). Daraus ergibt sich eine Reduktion des Metalls, und demzufolge eine Metallabscheidung zur Bildung der Kontakt­ flächen 5' auf der Oberfläche des Halbleitermaterials. Die Kontaktfläche weist typischerweise einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm und eine Metallschichtdicke von 1 bis 5 µm auf. Mit Hilfe des Laserlichtes kann die Temperatur bei der erhitzten Stelle 5' genügend erhöht werden, typischerweise auf einige hundert Grad Celsius, was notwendig ist, um einen guten Ohmschen Kontakt zwischen der Metallisierung und dem Halbleitermaterial zu gewährleisten. Nach Beendigung des Metallisierungsprozesses an einer Stelle wird der Laser­ strahl auf die nächste Stelle 5' fokussiert und der Vorgang wiederholt.

Alternative Verfahren zur Metallisierung der Stelle 5' sind beispielsweise Dampfabscheidung, Sputtern und elektrolyti­ sche bzw. eigenkatalytische (stromlose Galvanisierungs-)­ Abscheidung einer Metallschicht auf der abgesägten Seiten­ oberfläche der Wandlerstruktur, wonach die gewünschte Kon­ taktflächenstrukturierung durch Entfernen der Metallisierung gewünschter Flächen mittels Nacharbeiten durch Laser, Ätzen durch eine fotoempfindliche und strukturierte Polymerlack­ schicht, bzw. mechanisches Nacharbeiten durch Sandstrahlen oder Abreiben hergestellt werden kann. Das elektrolytische Galvanisierungsverfahren kann angewandt werden, um alle lei­ tenden Oberflächen der Wandlerstruktur zu metallisieren. Diese Vorgehensweise läßt die isolierenden Schichten automa­ tisch unmetallisiert. Falls die Metallisierung großer Flä­ chen keine schädlichen Auswirkungen zur Folge hat, ist die­ ses Verfahren das einfachste mögliche Abscheideverfahren der Metallschicht. Ein alternatives Verfahren ist die direkte Metallisierung durch eine mechanisch oder auf andere Weise hergestellte Maske auf die gewünschten Flächen. Die Maske kann beispielsweise aus fotoempfindlichem Polymer durch Belichten und Entwickeln des gewünschten Musters auf dem Polymer, oder alternativ, durch Strukturieren einer Schicht aus beispielsweise Polyimidkunststoff mit Hilfe eines Excimer-Lasers oder einer ähnlichen Lichtquelle, hergestellt werden.

Die Ohmschen Kontakte können bei den Seitenoberflächen der Wandlerstruktur unter Verwendung von beispielsweise einer eutektischen Gold-Silizium-Legierung, die ebenso für das Bonden metallischer Leiter oder ähnlicher Elemente auf der Seite der mehrschichtigen Struktur verwendet werden, herge­ stellt werden. Anschließend kann Wärme- und Kompressionsbon­ den angewandt werden, um einen Ohmschen Kontakt mittels einer Metallegierung zwischen dem Halbleitermaterial und dem metallischen Leiter herzustellen.

Claims (9)

1. Mit elektrischen Kontaktflächen an Halbleiterbereichen (2', 4') versehene mehr­ schichtige Halbleiterstruktur, insbesondere Wandlerstruktur (1'), die als Matrixelement durch Abtrennen längs senkrechter Trennflächen (7) von einem aus abgeschiedenen planaren Halbleiterschichten (2', 4') und Isolierschichten (3') gebildeten, ein Matrixmuster von Matrixelementen aufweisenden Wafer gebildet ist, wobei sich einige der galvanisch voneinander getrennten Halbleiterschichten bis zu den senkrechten Trennflächen (7) erstrecken, und wobei die elektrischen Kontaktflächen an den Halbleiterschichten (2', 4') dort gebildet sind, wo sich diese bis zu den genannten senkrechten Trennflächen (7) erstrecken.

2. Verfahren zur Bildung von elektrischen Kontaktflächen an Halbleiterbereichen (2', 4') von mehrschichtigen Halbleiterstrukturen, insbesondere von Wandlerstruk­ turen, die als Matrixelemente durch Abtrennen längs senkrechter Trennflächen (7) von einem aus abgeschiedenen planaren Halbleiterschichten (2', 4') und Iso­ lierschichten (3') gebildeten, ein Matrixmuster von Matrixelementen aufweisen­ den Wafer gebildet werden, derart, daß sich einige der galvanisch voneinander getrennten Halbleiterschichten (2', 4') bis zu den senkrechten Trennflächen (7) erstrecken, wobei die Kontaktflächen (5') auf den senkrechten Trennflächen (7) an den Halbleiter­ schichten (2', 4') dort gebildet werden, wo sich diese bis zu den genannten senk­ rechten Trennflächen (7) erstrecken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Kontaktflächen (5') mittels eines laserunterstützten Abscheideverfahrens gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Halbleiterstruktur (1') in eine gas­ dichte Kammer eingebracht wird, die mit einem Gas gefüllt ist, welches ein ge­ wünschtes Metall enthält, wobei die Kammer ein laserstrahldurchlässiges oberes Fenster enthält, und die Trennflächen (7) der Halbleiterstruktur (1') mit einem Laserstrahl an einer gewünschten Stelle (5') erhitzt wird, wodurch das metall­ haltige Gas an der erhitzten Stelle (5') pyrolysiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Kontaktflächen (5') unter Verwen­ dung eines Dampfabscheideverfahrens gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Kontaktflächen (5') unter Verwen­ dung eines Sputterabscheideprozesses gebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Kontaktflächen (5') unter Verwen­ dung eines elektrolytischen Galvanisierungsverfahrens gebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Kontaktflächen (5') unter Verwen­ dung eines autokatalytischen Galvanisierungsverfahrens gebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Kontaktflächen (5') auf den Trenn­ flächen (7) durch eine Maske hindurch gebildet werden, welche beispielsweise aus einem fotoempfindlichen Polymerkunststoff durch Belichten und Entwickeln der gewünschten Öffnungen der Maske hergestellt wird.