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DE10131011A1 - Anordnung eines Halbleiterbauelementes auf einem Substrat - Google Patents

Anordnung eines Halbleiterbauelementes auf einem Substrat

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DE10131011A1
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electrically connected
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Holger Huebner
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Die Erfindung schlägt eine Anordnung eines Halbleiterbauelementes auf einem Substrat vor, bei der das Substrat (30) auf einer Bestückungsseite (31) Kontaktflächen (32) aufweist. Das Halbleiterbauelement besteht aus einem ersten Chip (10) und zumindest einem zweiten Chip (20), wobei der zweite Chip (20) auf dem ersten Chip (10) angeordnet ist. Der erste und der zweite Chip (10, 20) sind dabei elektrisch miteinander verbunden. Darüber hinaus weist der erste Chip (10) auf seiner ersten Hauptseite (11) Kontaktflächen (12) auf, mit der er der Bestückungsseite (31) des Substrates (30) zugewandt ist. Die Kontaktflächen des ersten Chips (10) sind mit einander zugeordneten Kontaktflächen (32) des Substrates (30) über ein Verbindungsmittel elektrisch miteinander verbunden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Halbleiterbauelementes aus zumindest zwei Halbleiterchips auf einem als Chipträger vorgesehenen Substrat.
  • Halbleiterbauelemente, welche aus einem ersten Chip und zumindest einem zweiten Chip bestehen, wobei der zweite Chip auf dem ersten Chip angeordnet ist und wobei der erste und der zweite Chip elektrisch miteinander verbunden sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der zweite Chip, welcher üblicherweise auf einer ersten Hauptseite mit Kontaktflächen des ersten Chips angeordnet ist, ist regelmäßig über Bonddrähte mit einigen der Kontaktflächen des ersten Chips elektrisch verbunden. Der zweite Chip wird folglich mit seiner Rückseite, also der Seite, die keine Kontaktflächen aufweist, auf der ersten Hauptseite des Chips angeordnet.
  • Das so beschaffene Halbleiterbauelement wird seinerseits wiederum auf einem Substrat angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden. Üblicherweise wird der erste Chip mit seiner Rückseite - also der der ersten Hauptseite gegenüberliegenden Hauptseite - auf dem Substrat angeordnet. Auf der ersten Hauptseite des ersten Chips befindliche Kontaktflächen können dann über Bonddrähte mit entsprechenden Kontaktflächen auf der Bestückungsseite des Substrates verbunden werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Lösung für die Anordnung eines gattungsgemäßen Halbleiterbauelementes auf einem Substrat anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung schlägt eine Anordnung eines Halbleiterbauelementes auf einem Substrat vor, bei der das Substrat auf einer Bestückungsseite Kontaktflächen aufweist. Das Halbleiterbauelement besteht aus einem ersten Chip und zumindest einem zweiten Chip, wobei der zweite Chip auf dem ersten Chip angeordnet ist und wobei der erste und der zweite Chip elektrisch miteinander verbunden sind. Der erste Chip weist auf seiner ersten Hauptseite Kontaktflächen auf, über die der erste Chip elektrisch mit zugeordneten Kontaktflächen des Substrates verbunden werden kann. Die Erfindung sieht vor, daß die auf der ersten Hauptseite des ersten Chips gelegenen Kontaktflächen, den Kontaktflächen des Substrates zugewandt sind und über ein Verbindungsmittel mit den Kontaktflächen des Substrates verbunden sind.
  • Die Kontaktflächen auf der ersten Hauptseite des ersten Chips sind bevorzugt als sogenannte SOLID-Metallisierung ausgeführt, die an sich bekannt ist. Gegenüber konventionellen Bondpads in der obersten Metallage eines Chips weisen diese SOLID-Metallisierungen den Vorteil auf, daß diese wesentlich größer ausgeführt werden können. Die Bondpads bei konventionellen Chips sind üblicherweise in der obersten Metallebene auf der ersten Hauptseite des Chips ausgeführt. Die zur Verfügung stehende Fläche für das Bondpad ist deshalb aus Design-Gründen begrenzt. Die SOLID-Metallisierung hingegen ist auf der ersten Hauptseite des ersten Chips angeordnet und über eine wesentlich kleinere Durchkontaktierung mit dem Bondpad in der obersten Metallage des Chips elektrisch verbunden. Hierdurch kann fast die gesamte Fläche für die Bondpads im ersten Chip entfallen, da die zur Kontaktierung benötigte Fläche durch die SOLID-Metallisierung direkt auf der Passivierungsschicht des Chips bereitgestellt wird.
  • SOLID-Metallisierungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sie hoch temperaturfest sind. Die Metallisierungen überstehen unbeschadet Temperaturen über 600°C. Diese Eigenschaften erlauben es, bei der Kontaktierung des Halbleiterbauelementes mit einem Substrat anstatt der üblicherweise verwendeten Bondverbindungen kostengünstige Lötverfahren anzuwenden.
  • Die Kontaktflächen bestehen beispielsweise aus AlSiCu oder sind bereits mit einer lötbaren Oberfläche, zum Beispiel Kupfer, metallisiert.
  • Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden wird, ermöglicht es die Erfindung, das Halbleiterbauelement, das heißt insbesondere den ersten Chip, nach dem Prinzip des "Flip-Chip" mit dem Substrat zu kontaktieren.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zumindest eine zweite Chip auf der ersten Hauptseite des ersten Chips angeordnet. Vorzugsweise befindet sich der zweite Chip folglich auf der Seite, auf der die mit dem Substrat zu verbindenden Kontaktflächen vorgesehen sind. Dieses Vorgehen ermöglicht, die Herstellung des Halbleiterbauelementes, solange die ersten Chips noch im Waferverbund vorliegen.
  • Vorzugsweise ist der zumindest eine zweite Chip so zu dem ersten Chip hin angeordnet, daß einander zugeordnete Kontaktflächen des ersten und des zweiten Chips einander zugewandt und elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der Abstand zwischen einer jeweiligen Kontaktfläche des ersten und des zweiten Chips weniger als 10 µm beträgt. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist dieser Abstand nur höchstens halb so groß oder besser nur höchstens ein Viertel so groß. Ein typischer Abstand von 2 µm zwischen den Kontaktflächen bei gleichzeitig hoher Kontaktdichte kann durch das Verfahren der Diffusionslöttechnik (SOLID), die an sich bekannt ist, erreicht werden.
  • Diese erfindungsgemäße Anordnung mit einem geringen Abstand zwischen einer jeweiligen Kontaktfläche des ersten und des zweiten Halbleiterchips ist insbesondere vorteilhaft bei einer Verwendung eines dünnen, flexiblen zweiten Chips. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Chip ebenfalls dünn und flexibel ausgeführt ist. Es wurde in Versuchen nachgewiesen, daß eine ganzflächige Verbindung von erstem und zweitem Chip zu einer zuverlässigen Kontaktierung führt, auch wenn der Abstand weniger als 10 µm beträgt und die Verbindungszone oder Verbindungsschicht aus einem Material besteht, das kein plastisches Fließen ermöglicht, wie zum Beispiel die intermetallischen Phasen des Verbindungsmaterials, das beim Diffusionslöten eingesetzt wird.
  • Die so übereinander angeordneten ersten und zweiten Chips sind hinsichtlich ihres Biegeverhaltens optimiert. Darüber hinaus ergibt sich ein äußerst dünner Schichtstapel, welcher in allen zu miniaturisierenden Anordnungen vorteilhaft eingesetzt werden kann.
  • Gemäß dem Gedanken der Erfindung werden die Kontaktflächen des ersten Chips und des Substrates über ein Verbindungsmittel miteinander verbunden.
  • Als Verbindungsmittel können dabei Leitkleber oder Lotbumps verwendet werden. In dieser Ausgestaltung sind, wie oben bereits erwähnt, die Kontaktflächen des ersten Chips und die des Substrates einander zugewandt. Der erste Chip wird somit über die Lotbumps oder den Leitkleber Flip-Chip mit dem Substrat kontaktiert. Wird der zweite Chip über die Diffusionslöttechnik (SOLID) mit dem ersten Chip verbunden, und ist dieser gleichzeitig auf seiner Rückseite gedünnt, so weist der zweite Chip eine geringere Dicke als die des Verbindungsmittels auf. Der beziehungsweise die zweiten Chips können somit geschützt in dem durch das Substrat, den ersten Chip und das Verbindungsmittel gebildeten Hohlraum angeordnet werden.
  • Vorzugsweise weist auch das Substrat Kontaktflächen auf, die aus einer SOLID-Metallisierung bestehen. Da bei der beschriebenen Variante die Verbindung großflächig aufgrund der großen Kontaktflächen erfolgen kann, kann auf ein zusätzliches Stabilisierungsmittel zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Substrat verzichtet werden. Üblicherweise wird als Stabilisierungsmittel ein "Underfill" verwendet. Besonders vorteilhaft ist das beschriebene Vorgehen dann, wenn das Substrat ein Folienträger ist.
  • Als Verbindungsmittel zwischen einander zugeordneten Kontaktflächen des ersten Chips und des Substrats kann auch ein Zwischenträger vorgesehen sein, der auf seiner Ober- und Unterseite Kontaktflächen aufweist, die so ausgerichtet sind, daß sie den Kontaktflächen des ersten Chips und den Kontaktflächen des Substrates zugewandt und mit diesen elektrisch verbunden sind, wobei jeweilige Kontaktflächen des Zwischenträgers über Durchkontakte elektrisch in Verbindung stehen. Bei der Verwendung eines Zwischenträgers können die einander zugeordneten Kontaktflächen auf der Oberseite und die Kontaktflächen des ersten Chips über eine Diffusionslotschicht verbunden werden, wodurch der Abstand zwischen den einander zugeordneten Kontaktflächen weniger als 10 µm beträgt. Gleiches gilt für die einander zugeordneten Kontaktflächen des Zwischenträgers und den Kontaktflächen des Substrates.
  • Ist der zweite Chip auf der ersten Hauptseite des Trägers angeordnet, so weist der Zwischenträger vorteilhafterweise eine Ausnehmung auf, in die der zumindest eine zweite Chip hineinragt.
  • Werden die Kontaktflächen des ersten Chips des Halbleiterbauelementes direkt mit den Kontaktflächen des Substrates über eine Diffusionslotschicht verbunden, so weist das Substrat vorzugsweise ebenfalls eine Ausnehmung auf, in die der zumindest eine zweite Chip hineinragt.
  • Bei einer Verbindung über eine Diffusionslotschicht ist die Dicke des zweiten Chips in jedem Fall größer als die Dicke der Diffusionslotschicht. Ohne die genannte Ausnehmung müßte der zweite Chip auf der von dem Substrat abgewandten Hauptseite des ersten Chips angeordnet werden. Hierdurch würde sich jedoch die elektrische Kontaktierung von erstem und zweitem Chip verkomplizieren.
  • Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen der erfindungsgemäßen Anordnung anhand der Fig. 1 bis 5. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung in perspektivischer Ansicht, wobei das Halbleiterbauelement über Bonddrähte mit dem Substrat verbunden ist,
  • Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der das Halbleiterbauelement über eine Diffusionslotverbindung mit dem Substrat kontaktiert ist,
  • Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Kontaktflächen des Halbleiterbauelementes und des Substrates über Leitkleber oder Lotbumps miteinander verbunden sind,
  • Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Substrat ein Zwischenträger vorgesehen ist und
  • Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem ersten Chip, der den Aufbau der SOLID-Metallisierung darstellt.
  • Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung in einer perspektivischen Darstellung. Auf der Bestückungsseite 31 eines Substrates 30 ist ein Halbleiterbauelement, bestehend aus einem ersten Chip 10 und einem auf dessen erster Hauptseite 11 aufgebrachten zweiten Chip 20 angeordnet. Der zweite Chip 20 weist, wie aus der Fig. 1 gut ersichtlich ist, eine wesentlich kleinere Fläche als der erste Chip 10 auf. Erster und zweiter Chip sind "face-to-face" elektrisch miteinander verbunden. Der erste und der zweite Chip 10, 20 weisen somit jeweils einander zugeordnete Kontaktflächen auf, die elektrisch miteinander verbunden sind. Aus der in der Fig. 1 gewählten perspektivischen Darstellung geht diese Art der Verbindung nicht hervor. Alternativ ist auch bekannt, den zweiten Chip 20 mit seiner Rückseite auf die erste Hauptseite 11 des ersten Chips 10 aufzubringen und eine elektrische Verbindung zwischen jeweiligen Kontaktflächen des ersten und zweiten Chips 10, 20 über Bonddrähte zu realisieren. In diesem Fall müßten die dem zweiten Chip zugeordneten Kontaktflächen benachbart dessen Berandung angeordnet sein.
  • Der erste Chip 10 weist auf dessen erster Hauptseite 11 Kontaktflächen 12 auf, die über Bonddrähte 51 mit Kontaktflächen 32 des Substrates 30 elektrisch verbunden sind. Die mechanische Befestigung des Halbleiterbauelementes mit dem Substrat erfolgt beispielsweise durch Klebung oder Lötung.
  • In der Fig. 1 ist beispielhaft nur ein zweiter Chip 20 auf der ersten Hauptseite 11 des ersten Chips 10 dargestellt. Es ist auch bekannt, mehrere zweite Chips 20 jeweils auf der ersten Hauptseite 11 anzuordnen. Denkbar ist auch, daß der zweite Chip 20 als Chipstapel, also als mehrere übereinander angeordnete Chips, ausgebildet ist. Derartige Chipstapel und deren Kontaktierung untereinander sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Das Halbleiterbauelement ist dabei prinzipiell wie in Fig. 1 beschrieben, aufgebaut. Der erste und der zweite Chip 10, 20 sind vorzugsweise mittels Diffusionslöttechnik (SOLID) verbunden. Die jeweiligen Kontaktflächen 12, 22 sind dabei über Durchkontaktierungen, welche wesentlich kleiner als die Kontaktfläche selber ausgeführt sind, mit jeweiligen Kontaktpads in der obersten Metallage des ersten Chips 10 bzw. zweiten Chips 20 verbunden. Dies geht beispielsweise aus der Fig. 5 der Anmeldung hervor. Der Abstand zwischen einer jeweiligen Kontaktfläche des ersten und des zweiten Chips beträgt dabei weniger als 10 µm. Der elektrische Kontakt mit Kontaktflächen 32 des Substrates 30 erfolgt nun "Flip-Chip". Im gewählten Ausführungsbeispiel werden einander zugeordnete Kontaktflächen 12, 32 über eine Diffusionslotschicht 52 miteinander verbunden. Der Abstand zwischen den einander zugeordneten Kontaktflächen 12, 32 beträgt somit maximal 10 µm. Da auch ein von seiner Rückseite her gedünnter zweiter Chip 20 eine größere Dicke D1 aufweist, ist in dem Substrat 30 eine Ausnehmung 33 vorgesehen, in die der zweite Chip 20 hineinragt. Die Ausnehmung 33 ist dabei vorteilhafterweise an die Größe des zweiten Chips 20 angepaßt. In der Fig. 2 braucht der zweite Chip 20 nicht notwendigerweise von seiner Rückseite gedünnt sein. Eine Dünnung bringt jedoch Vorteile bezüglich seiner Flexibilität und somit bezüglich seiner Zuverlässigkeit mit sich.
  • In dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind einander zugeordnete Kontaktflächen 12, 32 mit einem Leitkleber oder Lotbumps 50 miteinander elektrisch und mechanisch verbunden. Die Dicke D2 des Leitklebers beziehungsweise der Lotbumps 50 ist dabei regelmäßig größer als die Dicke D1 des zweiten Chips 20. Deshalb ist in diesem Ausführungsbeispiel das Vorsehen einer Ausnehmung in dem Substrat 30 nicht notwendig. Der zweite Chip 20 kommt somit in dem durch den ersten Chip 10, das Substrat 30 sowie den Leitkleber beziehungsweise die Lotbumps 50 gebildeten Hohlraum zum Liegen. Eine weitere mechanische Befestigung des Halbleiterbauelementes mit dem Substrat, zum Beispiel mittels eines Underfill, ist nicht notwendig, aber denkbar, da durch die in SOLID- Technik hergestellten Kontaktflächen 12, 32 bereits eine ausreichend großflächige Verbindung gegeben ist.
  • Als Verbindungsmittel zwischen den einander zugeordneten Kontaktflächen 12, 32 könnte auch jedes andere beliebige Lötverfahren eingesetzt werden. Dies ist deshalb möglich, da die SOLID-Metallisierungen eine besonders hohe Temperaturfestigkeit aufweisen. Im Gegensatz zum Stand der Technik zeichnet sich die SOLID-Metallisierung dadurch aus, daß die Kontaktpads 13 in der obersten Metallage des ersten Chips beziehungsweise des Substrates über Durchkontaktierungen 14 mit jeweiligen Kontaktflächen verbunden sind. Die Kontaktpads 13 brauchen ihrerseits nur eine geringe Fläche. Die in dem Substrat beziehungsweise Chip gewonnene Fläche in der obersten Metallage kann somit für andere Zwecke verwendet werden. Den Aufbau einer derartigen SOLID-Metallisierung zeigt die vorliegende Fig. 5.
  • Fig. 4 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Das Halbleiterbauelement, bestehend aus dem ersten und dem zweiten Chip 10, 20 ist hierbei über einen Zwischenträger 40 mit dem Substrat 30 kontaktiert. Der Zwischenträger 40 ist mit seiner Unterseite 42 mit der Bestückungsseite 31 des Substrates 30 verbunden. Auf seiner Unterseite 42 weist der Zwischenträger 40 Kontaktflächen 45 auf, die den Kontaktflächen 32 des Substrates zugeordnet sind. Die Kontaktflächen 45 sind über Durchkontaktierungen 46 mit Kontaktflächen 44 auf der Oberseite 41 elektrisch verbunden. Den Kontaktflächen 44 sind die Kontaktflächen 12 des ersten Chips 10 zugeordnet. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung jeweils zugeordneter Kontaktflächen mittels einer Diffusionslotverbindung. Aufgrund der geringen Dicke einer Diffusionslotverbindung weist der Zwischenträger 40 eine Ausnehmung 43 auf, in die der zweite Chip 20 hineinragen kann.
  • Die Verwendung eines Leitklebers anstelle der auf den Kontaktflächen aufgewachenen Kopferschicht ermöglicht ebenfalls geringe Dicken zwischen jeweils zugeordneten Kontaktflächen.
  • Der Zwischenträger, ebenso wie die Lothöcker oder Studbumps übernehmen den Ausgleich einer thermischen Fehlanpassung zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Substrat, wie dies bei konventionellen Anordnungen üblich ist. Bezugszeichenliste 10 erster Chip
    11 erste Hauptseite
    12 Kontaktfläche
    13 Kontaktpad (in der obersten Metallage des Chips)
    14 Durchkontaktierung (Via)
    20 zweiter Chip
    21 erste Hauptseite
    22 Kontaktfläche
    30 Substrat
    31 Bestückungsseite
    32 Kontaktfläche
    33 Ausnehmung
    40 Zwischenträger
    41 Oberseite
    42 Unterseite
    43 Ausnehmung
    44 Kontaktfläche
    45 Kontaktfläche
    46 Durchkontaktierung
    50 Leitkleber, Lothöcker, Studbumps
    51 Bonddraht
    52 Diffusionslötverbindung
    D1 Dicke des zweiten Chips
    D2 Dicke des Verbindungsmittels

Claims (9)

1. Anordnung eines Halbleiterbauelementes auf einem Substrat, bei der
das Substrat (30) auf einer Bestückungsseite (31) Kontaktflächen (32) aufweist,
das Halbleiterbauelement aus einem ersten Chip (10) und zumindest einem zweiten Chip (20) besteht, wobei der zweite Chip (20) auf dem ersten Chip (10) angeordnet ist und wobei der erste und der zweite Chip (10, 20) elektrisch miteinander verbunden sind,
der erste Chip (10) auf seiner ersten Hauptseite (11) Kontaktflächen (12) aufweist und mit
seiner ersten Hauptseite (11) der Bestückungsseite (31) des Substrates (30) zugewandt ist,
die Kontaktflächen (12) des ersten Chips (10) mit einander zugeordneten Kontaktflächen (32) des Substrates (30) über ein Verbindungsmittel (40, 50, 51, 52) elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der zumindest eine zweite Chip (20) auf der ersten Hauptseite (11) des ersten Chips (10) angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zumindest eine zweite Chip (20) so zu dem ersten Chip (10) hin angeordnet ist, daß einander zugeordnete Kontaktflächen (12, 22) des ersten und des zweiten Chips (10, 20) einander zugewandt und elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der Abstand zwischen einer jeweiligen Kontaktfläche des ersten und des zweiten Chips (10, 20) weniger als 10 µm beträgt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zumindest eine zweite Chip (20) auf der seinen Kontaktflächen (22) gegenüberliegenden Hauptseite dünn geschliffen ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der als Verbindungsmittel zwischen einander zugeordneten Kontaktflächen (12, 32) des ersten Chip (10) und des Substrats (30) ein Zwischenträger (40) vorgesehen ist, der auf seiner Ober- und Unterseite (41, 42) Kontaktflächen (44, 45) aufweist, die so ausgerichtet sind, daß sie den Kontaktflächen (12) des ersten Chips (10) bzw. den Kontaktflächen (32) des Substrates (30) zugewandt und mit diesen elektrisch verbunden sind, wobei jeweilige Kontaktflächen (44, 45) des Zwischenträgers (40) über Durchkontakte (46) elektrisch in Verbindung stehen.
6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der als Verbindungsmittel zwischen einander zugeordneten Kontaktflächen (12, 44) des ersten Chip (10) und des Zwischenträgers (40) und zwischen einander zugeordneten Kontaktflächen (45, 32) des Zwischenträgers und des Substrats (32) eine Diffusionslotschicht vorgesehen ist, wodurch der Abstand zwischen den einander zugeordneten Kontaktflächen (12, 44; 45, 32) weniger als 10 µm beträgt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der als Verbindungsmittel Leitkleber, Lotbumps oder Studbumps vorgesehen ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der der zumindest eine zweite Chip (20) eine Dicke (D1) aufweist, die geringer als die Dicke des Verbindungsmittels (D2) zwischen einander zugeordneten Kontaktflächen (12, 32) des ersten Chip (10) und des Substrats (30) ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der das Substrat (30) bzw. der Zwischenträger (40) eine Ausnehmung (33, 43) aufweist, in die der zumindest eine zweite Chip (20) hineinragt.
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