-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ganz allgemein ein Bauelement mit Mitteln zum Reduzieren von montagebedingten mechanischen Spannungen. Das Bauelement umfasst mindestens eine elektrische und/oder mikromechanische Funktionalität umfasst und eine Verdrahtungsebene, die in einem Schichtaufbau auf einer Hauptoberfläche des Bauelementsubstrats ausgebildet ist, wobei in der Verdrahtungsebene mindestens eine Montagefläche zum Herstellen einer mechanischen und/oder elektrischen Verbindung des Bauelements mit einem Träger realisiert ist.
-
Der Schichtaufbau mit der mindestens einen Montagefläche in der Verdrahtungsebene kann grundsätzlich auch auf derselben Seite des Bauelements wie die elektrische und/oder mikromechanische Funktionalität angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine elektrische und/oder mikromechanische Funktionalität jedoch in einem Schichtaufbau auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrats realisiert, während die Verdrahtungsebene mit der mindestens einen Montagefläche in einem Schichtaufbau auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. In diesem Fall ist mindestens ein Durchkontakt vorgesehen ist, der eine elektrische Verbindung zwischen der Funktionalität im vorderseitigen Schichtaufbau und der Verdrahtungsebene im rückseitigen Schichtaufbau herstellt.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen solcher Bauelemente.
-
Die mikromechanische und elektrische Funktionalität von Halbleiterbauelementen wird durch mechanische Spannungen in der Struktur bzw. im Schichtaufbau des Bauelements beeinflusst und – bei unkontrolliertem Auftreten – auch beeinträchtigt. Derartige mechanische Spannungen sind häufig montagebedingt, insbesondere dann, wenn das Bauelement und der Träger unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben. Je dünner das Halbleitersubstrat des Bauelements ist, umso stärker sind die Auswirkungen auf seine elektrische oder mikromechanische Funktionalität. Deshalb treten bei kleinen bzw. dünnen siliziumbasierten MEMS-Bauelementen in der Praxis sehr häufig Störsignale auf, die auf eine montagebedingte Verbiegung der Bauelementstruktur zurückzuführen sind und die Funktion des MEMS-Bauelements deutlich beeinträchtigt.
-
Eine Möglichkeit der Stressentkopplung zwischen der im Schichtaufbau eines Bauelements realisierten elektrischen oder mikromechanischen Funktionalität und einem Montageträger besteht also in der Verwendung von Bauelementen mit einem relativ dicken Halbleitersubstrat.
-
Aus der
US 2007/0085220 ist bekannt, dass die mechanischen und ggf. auch elektrischen Verbindungen zwischen einem Halbleiterbauelement und seinem Montageträger durch thermisch bedingte mechanische Spannungen im Aufbau besonders beansprucht werden. Im Fall von Lotverbindungen können diese mechanischen Spannungen sogar zum Bruch einzelner Verbindungsstellen führen. Mit Hilfe der in der
US 2007/0085220 vorgeschlagenen Maßnahmen sollen mechanische Spannungen im Bereich von Lotverbindung zwischen Bauelement und Montageträger abgebaut werden, mit dem Ziel, die Zuverlässigkeit solcher Lotverbindungen zu verbessern. Dazu wird vorgeschlagen, die Montageflächen des Bauelements mit Federelementen auszustatten, die von der Bauelementoberfläche abragen. Diese Federelemente werden dann in die Lotverbindung zwischen dem Bauelement und dem Montageträger eingebunden und sollen so die in diesem Bereich auftretenden mechanischen Spannungen aufnehmen.
-
Die in der
US 2007/0085220 vorgeschlagenen Maßnahmen sind ausschließlich auf Lotverbindungen anwendbar. Zudem ist die Realisierung von Federelementen, die auf die Bauelementoberfläche aufgesetzt werden, so dass sie von den Montageflächen abragen, prozesstechnisch relativ aufwendig. Außerdem werden die Federelemente durch die Einbettung in das Lotmaterial versteift, was deren Elastizität stark einschränkt. Dementsprechend begrenzt ist die stressentkoppelnde Wirkung derartiger Federelemente.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Stressentkopplung zwischen einem Halbleiterbauelement und seinem Montageträger vorgeschlagen, die sich unabhängig von der Substratdicke des Bauelements sehr einfach, kostengünstig und platzsparend realisieren lassen und nicht auf Lotverbindungen beschränkt sind, sondern auch in Verbindung mit anderen Montage- und Verbindungstechniken eingesetzt werden können.
-
Die Stressentkopplung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die mindestens eine Montagefläche des Bauelements selbst federnd gelagert wird und dazu zumindest bereichsweise aus dem rückseitigen Schichtaufbau herausgelöst wird.
-
Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in der Verdrahtungsebene der Montagefläche eine freitragende und federnde Stressentkopplungsstruktur zu realisieren. Die Wirkungsweise einer derartigen Stressentkopplungsstruktur hängt im Wesentlichen nur vom Layout der Verdrahtungsebene und der unmittelbar angrenzenden Schichten des Schichtaufbaus ab, die die Einbindung der Montagefläche in den Schichtaufbau bestimmen. Die elastischen Eigenschaften der Stressentkopplungsstruktur lassen sich deshalb sehr gut beeinflussen und vorgeben. Außerdem werden zur Herstellung einer solchen Stressentkopplungsstruktur ausschließlich Standardverfahren der Halbleiterprozessierung benötigt, die sich ohne Weiteres in die Fertigung eines Halbleiterbauelements der hier in Rede stehenden Art integrieren lassen.
-
Über das Layout der Verdrahtungsebene und der unmittelbar angrenzenden Schichten kann insbesondere vorgegeben werden, ob die federnd gelagerte Montagefläche im Wesentlichen innerhalb der Verdrahtungsebene und/oder senkrecht zur Verdrahtungsebene auslenkbar sein soll.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Montagefläche über eine Federaufhängung in den Schichtaufbau eingebunden, die zusammen mit der Montagefläche in der Verdrahtungsebene realisiert wird. In diesem Fall kann die Federwirkung über die Anzahl, Anordnung, Dicke, Breite und Form der Federelemente sehr differenziert variiert werden.
-
Fungiert die Montagefläche auch als Anschlusspad zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements, so erweist es sich oftmals als sinnvoll, mindestens eine dielektrische Schicht vorzusehen, durch die die federnd gelagerte Montagefläche und das Halbleitersubstrat gegeneinander elektrisch isoliert sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
-
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vertikal hybrid integrierten MEMS-Bauteils 100 mit einem MEMS-Bauelement 110 und einem ASIC-Bauelement 120, wobei das MEMS-Bauelement 110 face-down auf dem ASIC-Bauelement 120 montiert ist und das ASIC-Bauelement 120 mit einer erfindungsgemäßen Stressentkopplungsstruktur zur Montage auf einem Bauteilträger ausgestattet ist.
-
2a bis 2d veranschaulichen eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements mit einer solchen Stressentkopplungsstruktur anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch das Bauelementsubstrat während der Herstellung.
-
3a bis 3c veranschaulichen eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch ein Bauelementsubstrat.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei dem in 1 dargestellten Bauteil 100 um ein vertikal hybrid integriertes Bauteil mit einer MEMS-Funktion, die in einem MEMS-Bauelement 110 realisiert ist, und Schaltungsfunktionen, die in einem eigenen ASIC-Bauelement 120 realisiert sind. Die MEMS-Funktion besteht hier im Erfassen von Beschleunigungen mit Hilfe einer Sensorstruktur 112, die in einem Schichtaufbau auf dem MEMS-Substrat 111 realisiert ist. Die Auswertung der Sensorsignale erfolgt mit Hilfe der Schaltungsfunktionen, die in der Vorderseite des ASIC-Bauelements 120 ausgebildet sind, hier aber nicht im Einzelnen dargestellt sind. Die Sensorstruktur 112 wird hier praktisch durch das ASIC-Bauelement 120 verkappt, da das MEMS-Bauelement 110 face-down auf der Vorderseite des ASIC-Bauelements 120 montiert ist.
-
Das Bauteil 100 ist für eine ASIC-seitige Montage auf einem hier nicht dargestellten Träger, wie z.B. einer Leiterplatte, ausgelegt. Da auch die elektrische Kontaktierung des Bauteils 100 über die Rückseite des ASIC-Bauelements 120 erfolgt, sind im ASIC-Bauelement 120 Durchkontakte 123 ausgebildet, die die Schaltungsfunktionen in der Vorderseite des ASIC-Bauelements 120 mit einer Verdrahtungsebene 124 elektrisch verbinden. Die Verdrahtungsebene 124 ist in einem rückseitigen Schichtaufbau 122 auf dem ASIC-Substrat 121 realisiert. In dieser Verdrahtungsebene 124 sind Montageflächen 125 in Form von Anschlusspads ausgebildet. Erfindungsgemäß sind diese Anschlusspads 125 federnd gelagert, indem sie zumindest bereichsweise aus dem Schichtaufbau 122 herausgelöst sind.
-
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Montage und elektrische Kontaktierung des Bauteils 100 mit Hilfe von Lotballs 126. Deshalb wird ein Bereich 1 der Verdrahtungsebene 124 bzw. der Montagefläche 125 mit guten Benetzungseigenschaften für Lot ausgestattet, während in einem Ringbereich 2 um den Bereich 1 für eine schlechte Benetzung mit Lot gesorgt wird. Dies kann entweder durch die Verwendung zweier unterschiedlich benetzender Metalle für die beiden Bereiche 1 und 2 der Verdrahtungsebene 124 erreicht werden oder durch das Aufbringen einer benetzenden bzw. einer nichtbenetzenden Schicht. Als nicht benetzende Schicht eignet sich insbesondere eine Al-Schicht, als benetzende Schichten kommen Au-, Ag oder Ni-Schichten in Frage.
-
Beide Bereiche 1 und 2 sind hier vollständig unterätzt, während die Montagefläche in dem angrenzenden Bereich 3 in den rückseitigen Schichtaufbau 122 eingebunden ist. Dadurch sind diese Bereiche 1 und 2 zusammen mit der Lotverbindung 126 beweglich gegenüber dem Bauteilaufbau und tragen so zu einer Stressentkopplung zwischen einem Bauteilträger und den MEMS- und ASIC-Funktionen des Bauteils 100 bei.
-
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer solchen Stressentkopplungsstruktur wird nachfolgend in Verbindung mit den 2a bis 2d am Beispiel eines Halbleiterbauelements beschrieben, dessen Funktionalität – wie im Fall des in 1 dargestellten ASIC-Bauelements 120 – in einem Schichtaufbau auf der Vorderseite des Bauelementsubstrats 10 realisiert ist. Diese Funktionalität ist in den 2a bis 2d nicht im Einzelnen dargestellt, da sie für die Herstellung der rückseitigen Stressentkopplungsstruktur keine Rolle spielt. Im Bauelementsubstrat 10 ist ein Durchkontakt 11 ausgebildet, der eine elektrische Verbindung zwischen der Funktionalität auf der Substratvorderseite und der Substratrückseite herstellt. Auf der Rückseite des Bauelementsubstrats 10 wird nun ein Schichtaufbau mit mindestens einer Verdrahtungsebene erzeugt. Dazu wird im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zunächst eine dielektrische Schicht 12 auf die Substratrückseite aufgebraucht. Dabei kann es sich beispielsweise um ein CVD-TEOS-Oxid handeln. Die dielektrische Schicht 12 wird im Bereich des Durchkontakts 11 geöffnet, um einen Kontaktbereich 13 zu schaffen. 2a zeigt das Bauelementsubstrat 10, nachdem über der so strukturierten dielektrischen Schicht 12 erst eine TiN-Opferschicht 14 und dann eine Al-Schicht 15 abgeschieden worden ist. Die TiN-Opferschicht 14 wirkt gleichzeitig als Barriere und Haftschicht für die Al-Schicht 15.
-
Die Al-Schicht 15 wird nun als Verdrahtungsebene konfiguriert. Dazu wird auf der Al-Schicht 15 zunächst eine Benetzungsschicht 16, beispielsweise aus Ni oder NiAu, abgeschieden und strukturiert. Danach wird die Al-Schicht 15 zusammen mit der Benetzungsschicht 16 strukturiert, um Leiterbahnen, eine Montagefläche 151 und eine Federstruktur 152 auszubilden, über die die Montagefläche 151 an die Verdrahtungsebene 15 angebunden ist. Dabei werden auch Perforationsöffnungen 17 im Bereich der Montagefläche 151 ausgebildet, die eine Unterätzung der Montagefläche 151 begünstigen sollen. Die Perforationsöffnungen 17 werden derart klein ausgelegt, dass das Lotmaterial nicht in die Perforationsöffnungen 17 eindringt, sondern diese überspannt. Das Ergebnis dieses Strukturierungsprozesses ist in 2b dargestellt.
-
Die Montagefläche 151 wird nun erfindungsgemäß zumindest bereichsweise aus dem rückseitigen Schichtaufbau herausgelöst. Dazu wird die Montagefläche 151 unterätzt, wobei zunächst die TiN-Opferschicht 14 unter der Montagefläche 151 und der Federstruktur 152 entfernt wird. Dabei wird dann auch die dielektrische Schicht 12 angegriffen aber nicht vollständig entfernt. 2c verdeutlicht, dass das Bauelementsubstrat 10 auch nach dem Freilegen der Montagefläche 151 und der Federstruktur 152 noch durch die dielektrische Schicht 12 gegen die Montagefläche 151 und Federstruktur 152 elektrisch isoliert ist. Obwohl bei dieser Verfahrensvariante, bedingt durch die sehr dünne Opferschicht 14, nur ein vergleichsweise geringer Abstand zwischen der Montagefläche 151 und dem Bauelementsubstrat 10 erzeugt wird, können so Kurzschlüsse zwischen Montagefläche 151 und Bauelementsubstrat 10 zuverlässig vermieden werden. Aufgrund dieses geringen Abstands eignet sich die hier beschriebene Variante insbesondere für Anwendungen, bei denen die Stressentkopplung in erster Linie parallel zum Bauelementsubstrat erfolgt.
-
Für die Montage auf einem Träger wird schließlich noch Lotmaterial 18 in Form von Paste oder Lotkugeln aufgebracht und aufgeschmolzen. Dabei entsteht in dem mit der Benetzungsschicht 16 versehenen Bereich eine Lotkugel 18, was in 2d dargestellt ist.
-
In Verbindung mit den 3a bis 3c wird nun eine Verfahrensvariante zur Realisierung von Stressentkopplungsstrukturen beschrieben, die sowohl eine Stressentkopplung parallel als auch senkrecht zum Bauelementsubstrat ermöglichen. Diese Verfahrensvariante geht von einem Bauelementsubstrat 10 aus, wie es bereits in Verbindung mit den 2a bis 2d beschrieben wurde.
-
Auch in diesem Fall wird auf der Rückseite des Bauelementsubstrats 10 ein Schichtaufbau mit einer Verdrahtungsebene erzeugt, wozu zunächst eine dielektrische Schicht 12 auf die Substratrückseite aufgebraucht wird. Diese dielektrische Schicht 12 wird dann strukturiert. Dabei wird zum einen ein Kontaktbereich 13 zum Durchkontakt 11 geschaffen. Zum anderen wird die dielektrische Schicht 12 im Unterätz-Bereich für die Montagefläche und Federstruktur geöffnet. 3a zeigt das Bauelementsubstrat 10, nachdem über der so strukturierten dielektrischen Schicht 12 eine Metallschicht 25 abgeschieden und als Verdrahtungsebene strukturiert worden ist. Die Verdrahtungsebene 25 wird im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in Form einer Cu-Schicht realisiert, die eine gute Benetzung zu Lot aufweist.
-
Darüber wird eine Passivierschicht 26 mit einer schlechten Benetzung für Lot abgeschieden, wie z.B. eine SiN-Schicht. Diese Passivierschicht 26 wird in einem Strukturierungsprozess im Bereich der Montagefläche 251 geöffnet. Die dafür verwendete Maskierung 27 kann auch für den nachfolgenden Ätzprozess zum Freilegen der Montagefläche 251 und der Federstruktur 252 verwendet werden. Das Ergebnis dieses Ätzprozesses ist in 3b dargestellt. Dabei wurde unter der Montagefläche 251 eine Kaverne 28 im Bauelementsubstrat 10 erzeugt. Da bei dieser Verfahrensvariante das Bauelementsubstrat 10 als Opferschicht fungiert, können hier auch größere Abstände zwischen der federnd gelagerten Montagefläche 251 und dem Bauelementsubstrat 10 realisiert werden. Eine Isolationsschicht zum Verhindern von Kurzschlüssen ist dann nicht unbedingt erforderlich. In diesem Fall wird die Montagefläche 251 vorteilhafterweise an mehr als einer Seite in den Schichtaufbau auf der Substratrückseite eingebunden, um eine stabile Anbindung des Bauelements zu erreichen und undefinierte Schwingungen des Bauelements auf der Leiterplatte zu vermeiden. In diesem Zusammenhang erweist es sich außerdem als vorteilhaft, wenn die Verdrahtungsebene 25 zusätzlich unter Zugstress steht.
-
Schließlich wird auch hier für die Montage auf einem Träger Lotmaterial 18 in Form von Paste oder Lotkugeln aufgebracht und aufgeschmolzen. Dabei entsteht eine Lotkugel 18 auf der Montagefläche 251. 3c zeigt das Bauelementsubstrat 10 mit der Lotkugel 18, nachdem die rückseitige Maskierung 27 entfernt worden ist.
-
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Verdrahtungsebene mit der Montagefläche auch auf der Vorderseite eines Bauelements ausgebildet sein kann und/oder in einem Schichtaufbau, der noch weitere durch dielektrische Schichten gegeneinander isolierte Verdrahtungsebenen umfasst.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2007/0085220 [0006, 0006, 0007]
