DE102004059389A1

DE102004059389A1 - Kontaktierung eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102004059389A1
Application number: DE102004059389A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dr. Bayerer
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: DE102004059389B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem eine erste Kontaktfläche (41) aufweisenden Halbleiterkörper (40) und einem eine zweite Kontaktfläche (52) aufweisenden Anschlusselement (50), wobei DOLLAR A die erste Kontaktfläche (41) und die zweite Kontaktfläche (52) in einer vertikalen Richtung (v) voneinander beabstandet sind, die erste Kontaktfläche (41) in einer horizontalen Richtung (r, r1, r2) einen ersten Rand (411) und die zweite Kontaktfläche (52) in der horizontalen Richtung (r, r1, r2) einen zweiten Rand aufweist, DOLLAR A zwischen der ersten Kontaktfläche (41) und der zweiten Kontaktfläche (52) eine zwischen diesen angeordnete Ausgleichsmetallisierung (10) zum Ausgleich thermomechanischer Spannungen mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist, und DOLLAR A die Ausgleichsmetallisierung (10) eine Dicke von wenigstens 10 mum aufweist und wenigstens zwei in der vertikalen Richtung (v) stufig aufeinander folgend angeordnete Vertikalabschnitte (1, 2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft die Kontaktierung eines Halbleiterbauelements. Halbleiterbauelemente enthalten typischer Weise einen oder mehrere Halbleiterkörper, die an bestimmten Bereichen Ihrer Oberfläche elektrisch leitend mit einem Anschlusselement kontaktiert sind. Solche Anschlusselemente sind aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit überwiegend aus Metallen wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer gebildet.
Der thermische Längenausdehnungskoeffizient dieser wie auch anderer für solche Anschlusselemente verwendete Metalle unterscheidet sich stark vom thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörper. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer beispielsweise beträgt 17 ppm/K, der von Aluminium sogar 25 ppm/K. Im Vergleich dazu ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von Silizium mit ca. 3 ppm/K sehr gering.
In Folge dieser stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kommt es im Bereich der Kontaktstelle zwischen einem Anschlusselement und einem Halbleiterkörper zu hohen thermomechanischen Spannungen, die insbesondere bei häufigen Temperaturwechseln mit hohen Temperaturunterschieden, wie sie beispielsweise bei Leistungshalbleiterbauelementen häufig vorkommen, zu einer Ablösung des Anschlusselements vom Halbleiter.

Ein Querschnitt durch eine typische Kontaktstelle gemäß dem Stand der Technik ist in 1a dargestellt. Ein Halbleiterkörper 40 weist an seiner Oberfläche eine erste Kontaktfläche 41 auf, die mit einer zweiten Kontaktfläche 52 eines Anschlusselementes 50 elektrisch leitend verbunden ist. Hierzu ist eine dünne erste Verbindungsschicht 3 vorgesehen, die zwischen der auf die erste Kontaktfläche 41 und der zweiten Kontaktfläche 52 angeordnet ist und diese mechanisch und elektrisch leitend verbindet. Die erste Verbindungsschicht 3 ist typischer Weise aus Aluminium gebildet und weist eine Dicke d3 von etwa 3 μm auf.

Das Anschlusselement 50 ist als Bonddraht ausgebildet und weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der deutlich größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Halbleiterkörpers 40.

Wie aus 1b ersichtlich ist, treten an der zweiten Kontaktfläche 52 temperaturabhängige thermomechanische Spannungen σ auf, die am Rand 521 der zweiten Kontaktfläche 52 ein Maximum σ_max erreichen, wodurch es beim Betrieb des Halbleiterbauelements zu einer vom Rand 521 der zweiten Kontaktfläche 52 ausgehenden Ablösung des Anschlusselements 50 von der ersten Verbindungsschicht 3 bzw. von der ersten Kontaktfläche 41 kommen kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper bereit zu stellen, dessen Anschlusselemente zuverlässig und temperaturwechselstabil mit einer Kontaktfläche des Halbleiterkörpers verbunden sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper mit einer ersten Kontaktfläche sowie ein Anschlusselement mit einer zweiten Kontaktfläche auf. Die erste Kontaktfläche weist in einer horizontalen Richtung einen ersten Rand und die zweite Kontaktfläche in der horizontalen Richtung einen zweiten Rand auf.

Die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche sind in einer vertikalen Richtung voneinander beabstandet und mittels einer zwischen diesen angeordneten Ausgleichsmetallisierung zum Ausgleich thermomechanischer Spannungen mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Die Ausgleichsmetallisierung weist eine Dicke von wenigstens 10 μm auf sowie wenigstens zwei Vertikalabschnitte, die in der vertikalen Richtung stufig aufeinanderfolgend angeordnet sind, wodurch ein Großteil der auftretenden thermomechanischen Spannungen innerhalb der Ausgleichsmetallisierung abgebaut wird. Des Weiteren weist die erste Kontaktfläche in der horizontalen Richtung einen Rand auf.

Während herkömmliche erste Verbindungsschichten lediglich dazu dienen, eine Kontaktierbarkeit des Halbleiterkörpers zu ermöglichen, ist eine Ausgleichsmetallisierung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements zum Ausgleich thermomechanischer Spannungen vorgesehen und weist daher eine erheblich größere Dicke auf. Je dicker eine solche Ausgleichsmetallisierung ausgebildet ist, desto geringer ist der Gradient der thermomechanischen Spannung, die im Bereich der Kontaktierung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Anschlusselement abgebaut werden muss.

Bevorzugt weisen erste Verbindungsschichten Dicken zwischen 1 μm und 20 μm auf. Die Ausgleichsmetallisierung und die erste Verbindungsschicht können optional einstückig ausgebildet sein.

Die mechanische und elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Anschlusselement und der Ausgleichsmetallisierung erfolgt im Bereich der zweiten Kontaktfläche. Dabei kann das Anschlusselement unmittelbar mit der Ausgleichsmetallisierung verbunden sein, wie dies z.B. beim Ultraschallbonden des Anschlusselementes der Fall ist.

Optional kann jedoch auch zusätzliches Material, beispielsweise ein Lot, verwendet werden, das zwischen der Ausgleichsmetallisierung und dem Anschlusselement angeordnet ist.

Um die bei der Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche und dem Anschlusselement an den Rändern der zweite Kontaktfläche auftretenden maximalen thermomechanischen Spannung, wie diese anhand der 1a und 1b erläutert wurden, weiter zu reduzieren, ist eine zwischen zwei Vertikalabschnitten der Ausgleichsmetallisierung angeordnete Stufe vorgesehen. Die Stufe entsteht dadurch, dass der horizontale Abstand der Ausgleichsmetallisierung in einer zur vertikalen Richtung senkrecht verlaufenden Schnittebene der Ausgleichsmetallisierung mit zunehmendem vertikalem Abstand der Schnittebene monoton zunimmt.

Bei der stufigen Ausgleichsmetallisierung ist vorzugsweise zumindest ein Vertikalabschnitt in der horizontalen Richtung weiter vom Rand der ersten Kontaktfläche beabstandet als jeder andere in der vertikalen Richtung näher an der ersten Kontaktfläche angeordnete Vertikalabschnitt.

Besonders bevorzugt ist jeder der Vertikalabschnitte in der horizontalen Richtung weiter vom Rand der ersten Kontaktfläche beabstandet als jeder andere in der vertikalen Richtung näher an der ersten Kontaktfläche angeordnete Vertikalabschnitt. Dadurch wird erreicht, dass zwischen zwei beliebigen in der vertikalen Richtung benachbarten oder aneinander grenzenden Vertikalabschnitten jeweils eine Stufe ausgebildet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Vertikalabschnitt in allen seinen zur vertikalen Richtung senkrechten Schnittebenen in der horizontalen Richtung gleich weit vom Rand der ersten Kontaktfläche beabstandet. In gleicher Weise kann dies auch für mehrere oder für alle Vertikalabschnitte der Ausgleichsmetallisierung zutreffen, wobei ver schiedene Vertikalabschnitte in der horizontalen Richtung vorzugsweise unterschiedlich weit vom Rand der ersten Kontaktfläche beabstandet sind.

Um die im Bereich der Kontaktstelle auftretenden thermomechanischen Spannungen ausreichend abzubauen, ist es vorteilhaft, wenn die in der horizontalen Richtung gemessene Breite einer Stufe wenigstens das Doppelte von deren Höhe, d.h. der Dicke des betreffenden Vertikalabschnitts, beträgt. Entsprechendes gilt auch für die Stufe, die zwischen der zweiten Kontaktfläche und dem von der ersten Kontaktfläche am weitesten beabstandeten Vertikalabschnitt ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1a einen Querschnitt durch eine Kontaktstelle eines Halbleiterbauelements gemäß dem Stand der Technik, bei der ein Anschlusselement elektrisch leitend mit einer ersten Kontaktfläche eines Halbleiterkörpers verbunden ist,
1b den Verlauf der aufgrund einer Temperaturänderung vorliegenden thermomechanischen Spannung einer Kontaktstelle gemäß 1a,
2 einen Querschnitt durch eine Kontaktstelle eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, bei der ein als Bonddraht ausgebildetes Anschlusselement mittels einer Ausgleichsmetallisierung mit einer ersten Kontaktfläche eines Halbleiterkörpers verbunden ist,
3 einen Querschnitt durch eine Kontaktstelle eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, bei dem das Anschlusselement als Anschlussclip ausgebildet ist, die mittels einer Lot-Verbindungsschicht mit einer auf einer ersten Kontaktfläche angeordneten Ausgleichsmetallisierung eines Halbleiterkörpers verbunden ist,
4 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit einer zwei Vertikalabschnitte aufweisenden, stufig ausgebildeten Ausgleichsmetallisierung,
5 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der mehrere mittels einer Leiterbahn verbundene erste Kontaktflächen aufweist, wobei zwischen jeder der ersten Kontaktflächen und der Leiterbahn eine gestufte Ausgleichsmetallisierung angeordnet ist,
6 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit mehreren ersten Kontaktflächen, die jeweils mittels einer erfindungsgemäßen Ausgleichsmetallisierung mit Leiterbahnen verbunden sind, und
7 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, das mittels eines pyramidenförmig aufgebauten Verbindungsgefüges mit einem Anschlusselement 50 verbunden ist.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper 40, der eine auf seiner Oberfläche angeordnete erste Kontaktfläche 41 aufweist. Auf der ersten Kontaktfläche 41 sind in einer vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend eine Ausgleichsmetallisierung 10 sowie ein Anschlusselement 50 angeordnet und fest miteinander verbunden. Die Ausgleichsmetallisierung 10 um fasst zwei in der vertikalen Richtung v stufig aufeinanderfolgend angeordnete Vertikalabschnitte 1, 2. Optional kann die Ausgleichsmetallisierung 10 auch mehr als zwei stufig, beispielsweise pyramidenartig, aufeinander angeordnete Vertikalabschnitte aufweisen.
Infolge der stufigen Anordnung verteilen sich die aus 1b bekannten thermomechanischen Spannungen auf die verschiedenen Stufen, d.h. anstelle der in 1b am Rand der zweiten Kontaktfläche 52 auftretenden maximalen thermomechanischen Spannung σ_max weist die thermomechanische Spannung an der Kontaktstelle bei 2 durch die stufig ausgebildete Ausgleichsmetallisierung 10 zwei Maxima auf: ein erstes Maximum am Rand 521 der zweiten Kontaktfläche 52 sowie ein zweites Maximum am Rand 112 des Übergangsbereichs zwischen dem ersten Vertikalabschnitt 1 und dem zweiten Vertikalabschnitt 2. Da das erste Maximum und das zweite Maximum jeweils niedriger ist als das Spannungsmaximum σ_max gemäß 1b, weist die Verbindung zwischen dem Anschlusselement 50 und der ersten Kontaktfläche 41 insgesamt eine wesentlich höhere Temperaturwechselfestigkeit auf als die Anordnung gemäß 1a.
Die erste Kontaktfläche 41 erstreckt sich in der horizontalen Richtung r über einen bestimmten Bereich, der in 2 durch eine mit dem Bezugszeichen 41 versehene geschweifte Klammer angedeutet ist, und weist in der horizontalen Richtung r einen Rand 411 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel fällt dieser Rand 411 mit dem horizontalen Erstreckungsbereich der Ausgleichsmetallisierung 10 zusammen. Abweichend davon kann die Ausgleichsmetallisierung 10 in der horizontalen Richtung r auch teilweise oder vollständig innerhalb der horizontalen Begrenzungen der ersten Kontaktfläche 41 angeordnet sein.
Das Anschlusselement 50 weist eine zweite Kontaktfläche 52 auf, an der es mechanisch und elektrisch leitend mit der Ausgleichsmetallisierung 10 verbunden ist. Die zweite Kontakt fläche 52 erstreckt sich in der horizontalen Richtung r über den Bereich, in dem das Anschlusselement 50 und die Ausgleichsmetallisierung 10 kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Anschlusselement 50 ein Bonddraht.
Die Ausgleichsmetallisierung 10 weist eine Dicke d10 von wenigstens 10 μm auf und erstreckt sich in der horizontalen Richtung r mit ihrem Rand 101 weiter bis zum Rand 411 der ersten Kontaktfläche 41 als die zweite Kontaktfläche 52. Durch die verglichen mit einer einfachen ersten Verbindungsschicht gemäß dem Stand der Technik große Dicke d10 der Ausgleichsmetallisierung 10 können thermomechanische Spannungen auch sehr gut innerhalb der Ausgleichsmetallisierung 10 abgebaut werden. Daher werden bevorzugt auch dickere Ausgleichsmetallisierungen 10 mit einer Dicke d10 von wenigstens 20 μm, wenigstens 30 μm oder gar wenigstens 50 μm eingesetzt.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der thermomechanischen Spannungen im Bereich der Stufenübergänge zu erhalten ist es vorteilhaft, wenn die Dicken d1, d2 der Vertikalabschnitte 1, 2 möglichst gleich gewählt sind oder sich paarweise um weniger als 10% der Dicke des jeweils dickeren Vertikalabschnitts 1, 2 voneinander unterscheiden. Die Dicken d1, d2 betragen vorzugsweise jeweils wenigstens 15 μm, besonders bevorzugt jeweils zwischen 20 μm und 200 μm.
Besonders gute Verhältnisse betreffend die Dauerhaftigkeit einer temperaturwechselfesten Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche 41 und dem Anschlusselement 501 werden dann erreicht, wenn dessen minimale Dicke d501 innerhalb der horizontalen Abmessungen der zweiten Kontaktfläche 52 identisch ist mit der Dicke d10 der Ausgleichsmetallisierung 10 oder sich um weniger als 20% oder besonders bevorzugt um weniger als 10% von dieser unterscheidet. Die Dicke d501 beträgt bevorzugt zwischen 15 μm und 100 μm.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement im Bereich einer Kontaktstelle. Auch hier ist zwischen einer ersten Kontaktfläche 41 eines Halbleiterkörpers 40 und einer zweiten Kontaktfläche 52 eines Anschlusselements 50 eine stufige Ausgleichsmetallisierung 10 angeordnet, die die erste Kontaktfläche 51 und die zweite Kontaktfläche 52 elektrisch leitend und mechanisch miteinander verbindet.
Im Unterschied zu der Kontaktstelle gemäß 2 ist das Anschlusselement 50 nicht als Bonddraht sondern als Anschlussclip ausgebildet. Des Weiteren ist zwischen der ersten Kontaktfläche 41 und der Ausgleichsmetallisierung 10 eine optionale erste Verbindungsschicht 3 sowie zwischen der zweiten Kontaktfläche 52 und der Ausgleichsmetallisierung 10 eine optionale zweite Verbindungsschicht 4 angeordnet. Die erste und/oder die zweite Verbindungsschicht 3, 4 sind aus einem Material, beispielsweise einem Lot oder einer gesinterten Silberschicht (NTV-Verfahren) gebildet, das zwischen die Ausgleichsmetallisierung 10 und die erste Kontaktfläche 41 bzw. zwischen die Ausgleichsmetallisierung 10 und die zweite Kontaktfläche 52 eingebracht ist.
Die Dicke d3 der ersten Verbindungsschicht 3 beträgt vorzugsweise weniger als 20 μm, die Dicke d4 der zweiten Verbindungsschicht 4 vorzugsweise weniger als 100 μm.
Der Aufbau der Ausgleichsmetallisierung 10 entspricht, insbesondere in Bezug auf deren stufige Anordnung, deren Dicke d10 sowie in Bezug auf die Dicken d1, d2 von deren Vertikalabschnitten, der Ausgleichsmetallisierung 10 gemäß 2.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch zwischen der zweiten Verbindungsschicht 4 und der Ausgleichsmetallisierung 10 eine Stufe ausgebildet, wodurch es zu einer weiteren Verteilung der thermomechanischen Spannungen kommt. Die zweite Verbindungsschicht 4 ist in der ho rizontalen Richtung r weiter vom Rand 411 der ersten Kontaktfläche 41 beabstandet als die der zweiten Verbindungsschicht 4 zugewandte Seite des am weitesten von der ersten Kontaktfläche 41 beabstandeten Vertikalabschnitts 1.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist in 4 gezeigt. Ein aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial gebildeter Halbleiterkörper 40 ist mittels eines Lotes 61 mit einem Substrat 60, beispielsweise einem Keramiksubstrat, verbunden. Hierzu kann das Substrat 60 eine nicht dargestellte Metallisierung, beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung aufweisen, die zwischen dem Halbleiterkörper 40 und dem Substrat 60 angeordnet ist.
Auf seiner dem Substrat 60 abgewandten Seite weist der Halbleiterkörper 40 an seiner Oberfläche eine erste Kontaktfläche 41 auf, die zu ihrer elektrischen Kontaktierung leitend mit einer zweiten Kontaktfläche 52 eines Anschlusselements 50 verbunden ist. Das Anschlusselement 50 ist beispielhaft als Leiterbahn ausgebildet.
Zur elektrisch leitenden und mechanischen Verbindung des Halbleiterkörpers 40 und des Anschlusselementes 50 ist eine entsprechend der Ausgleichsmetallisierung 10 gemäß den 2 und 3 stufig ausgebildete Ausgleichsmetallisierung 10 vorgesehen, die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktfläche 41, 52 angeordnet.
Während die Ausgleichsmetallisierung 10 die zweite Kontaktfläche 52 unmittelbar kontaktiert, ist zwischen der ersten Kontaktfläche 41 und der Ausgleichsmetallisierung 10 eine optionale erste Verbindungsschicht 3 vorgesehen. Im Unterschied zu 3 überragt diese erste Verbindungsschicht 3 die Ausgleichsmetallisierung 10, insbesondere den der ersten Kontaktfläche 41 nächstgelegenen Vertikalabschnitt 2, in der ho rizontalen Richtung, wodurch es an der ersten Verbindungsschicht 3 zur Ausbildung einer Stufe 35 kommt.
Die Ausgleichsmetallisierung 10 umfasst zwei schichtartig ausgebildete Vertikalabschnitte 1, 2, die in der vertikalen Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. In entsprechender Weise kann eine Ausgleichsmetallisierung 10 beliebig viele solcher stufig aufeinander angeordneter Vertikalabschnitte 1, 2 aufweisen.
Zwischen der Ausgleichsmetallisierung 10 und der ersten Kontaktfläche 41 ist des Weiteren eine optionale erste Verbindungsschicht 3 angeordnet. Die erste Verbindungsschicht 3 weist eine im Vergleich zur Dicke d10 der Ausgleichsmetallisierung 10 geringe Dicke d3 von vorzugsweise weniger als 10 μm, bevorzugt etwa 3 μm auf.
Das Verbindungsgefüge ausgehend von der ersten Kontaktfläche 41 bzw. der ersten Verbindungsschicht 3 über die Vertikalabschnitte 1, 2 der Ausgleichsmetallisierung 10 sowie die zweite Verbindungsschicht 4 bis hin zur zweiten Kontaktfläche 52 ist vorzugsweise stufig ausgebildet. Das bedeutet, dass insbesondere an jeweils zwei in der vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend angeordneten Vertikalabschnitten 1, 2 eine Stufe 25 ausgebildet ist.
Weiterhin kann auch an der Ausgleichsmetallisierung 10 im Bereich der zweiten Kontaktfläche 52 eine Stufe 15 zum Anschlusselement 50 ausgebildet sein.
Ist zwischen der Ausgleichsmetallisierung 10 und der zweiten Kontaktfläche 52 eine nicht dargestellte optionale zweite Verbindungsschicht 4 entsprechend der Verbindungsschicht 4 gemäß 3 angeordnet, so kann die Ausgleichsmetallisierung 10 eine Stufe zu dieser Verbindungsschicht 4 hin und die Verbindungsschicht 4 eine Stufe zum Anschlusselement hin aufweisen.
Insgesamt umfasst das Verbindungsgefüge bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 drei Stufen 15, 25, 35.
In der horizontalen Richtung r weist die erste Kontaktfläche 41 einen Rand 411 auf. Die dem Rand 411 zugewandte Seite 12 des Vertikalabschnitts 1 weist in der horizontalen Richtung r einen Abstand x1 von dem Rand 411 auf. Entsprechend weist der Vertikalabschnitt 2 auf seiner dem Rand 411 zugewandten Seite 22 in der horizontalen Richtung r einen Abstand x2 zum Rand 411 der ersten Kontaktfläche 41 auf. Des Weiteren weist die zweite Kontaktfläche 52 auf ihrer dem Rand 411 der ersten Kontaktfläche 41 zugewandten Seite in der horizontalen Richtung r einen Abstand x52 auf.
Die Ausgleichsmetallisierung 10 weist auf ihrer dem Rand 411 der ersten Kontaktfläche 41 zugewandten Seite in einer Schnittebene E, die in einem Abstand d0 von der ersten Kontaktfläche 41 senkrecht zur vertikalen Richtung v verläuft, in der horizontalen Richtung r einen Abstand xE vom Rand 411 auf, der mit dem Abstand d0 der Schnittebene E monoton zunimmt. Dabei kann der horizontale Abstand innerhalb eines Vertikalabschnitts 1, 2 konstant sein. Die Stufen 15, 25, 35 müssen jedoch – abweichend von den Darstellungen gemäß den 2, 3 oder 4 – nicht notwendigerweise rechtwinkelig ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Ausgleichsmetallisierung 10 zwei oder mehr Vertikalabschnitte 1, 2 auf. Die Vertikalabschnitte 1, 2 können sich insbesondere durch unterschiedliche Materialien und/oder durch unterschiedliche horizontale Erstreckungsbereiche unterscheiden.
Die Vertikalabschnitte 1, 2 in der Ausgleichsmetallisierung 10 sind vorzugsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupfer-Aluminium- Legierung gebildet. Besonders bevorzugt ist der am weitesten von der ersten Kontaktfläche 41 beabstandete Vertikalabschnitt 1 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil gebildet.
Auf den Halbleiterkörper 40 ist eine Passivierung 51, beispielsweise ein Imid, so aufgebracht, dass es sich ausgehend vom Halbleiterkörper 40 über den horizontalen Rand der ersten Verbindungsschicht 3 erstreckt und diesen überdeckt. An diese Passivierung 51 schließt sich an der Oberfläche der gestuften Ausgleichsmetallisierung 10 eine zur Herstellung der Ausgleichsmetallisierung 10 verwendete Metallmaskierung 54 an.
Eine Isolierfolie 55, die im Bereich der zweiten Kontaktfläche 52 eine Öffnung aufweist, erstreckt sich – vorzugsweise vom Substrat 60 – über den Halbleiterkörper 40, die Passivierung 51, die Metallmaskierung 54 sowie den oberen Rand der Ausgleichsmetallisierung 10. Die Isolierfolie 55 dient zur elektrischen Isolierung eines auf diese aufgebrachten und als Leiterbahn ausgebildeten Anschlusselements 50. In Folge der einer der Isolierfolie 55 oberhalb der Ausgleichsmetallisierung 10 angeordneten Öffnung kontaktiert die Leiterbahn 50 das Anschlusselement 50. Damit ist eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Kontaktfläche 41 und der Anschlusselement 50 hergestellt. Die Isolierfolie 55 kann auch zur Isolation für weitere optionale auf dem Substrat 60 angeordnete Leiterbahnen verwendet werden.
Das Anschlusselement 50 ist vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet und mittels eines Galvanisier- oder Kaltgasspritzverfahrens hergestellt. Die Herstellung derartiger Isolierfolien-Leiterbahn-Anordnungen ist in der WO 03/030247 A2 näher beschrieben.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements. Ein Halbleiterkörper 40 ist mittels eines Lotes 61 mit einem Substrat 60 verbunden. Der Halblei terkörper 40 weist mehrere Paare einander gegenüberliegender erster und zweiter Kontaktflächen 41, 52 auf, zwischen denen jeweils eine Ausgleichsmetallisierung 10 angeordnet ist. Eine derartige Ausgleichsmetallisierung 10 kann entsprechend den in den 2, 3 und 4 dargestellten Ausgleichsmetallisierungen 10 ausgebildet sein.
Ein als Leiterbahn ausgebildetes Anschlusselement 50 stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Ausgleichsmetallisierungen 10 und damit der ersten Kontaktflächen 41 untereinander her. Des Weiteren kann das Anschlusselement 50 dazu verwendet werden, den Halbleiterkörper 40 nach Außen zu kontaktieren.
Die Ausgleichsmetallisierungen 10 sind innerhalb eines Bereichs, der in horizontaler Richtung durch die jeweils innerhalb der horizontalen Abmessungen der zweiten Kontaktfläche 52 begrenzt ist, mit dem Anschlusselement 50 verbunden. Innerhalb dieses Bereichs weist das Anschlusselement 50 eine minimale Dicke d501 auf. Im Idealfall ist diese minimale Dicke d501 identisch mit der Dicke d10 der Ausgleichsmetallisierung 10 oder weicht vorzugsweise um weniger als 20% von der Dicke d10 der Ausgleichsmetallisierung 10 ab.
Um eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit des Anschlusselements 50 zu erreichen, ist es vorteilhaft, in einem in der horizontalen Richtung r an die zweite Kontaktfläche 52 der jeweiligen Ausgleichsmetallisierung 10 angrenzenden Abschnitt eine Dicke d502 des Anschlusselements 50 zu wählen, die größer ist als die minimale Dicke d501. Die Dicke d502 beträgt vorzugsweise zwischen 50 μm und 500 μm, besonders bevorzugt zwischen 50 μm und 100 μm.
Eine zu 5 ähnliche Anordnung zeigt 6. Auch hier sind auf einem Halbleiterkörper 40 mehrere mit Ausgleichsmetallisierungen 10 versehene erste Kontaktflächen 41 angeordnet. Die in 6 dargestellten Ausgleichsmetallisierungen 10 sind nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Zur elektrischen Kontaktierung der verschiedenen Ausgleichsmetallisierungen 10 sind daher voneinander unabhängige Anschlusselemente 50a, 50b, 50c und 50d vorgesehen. Diese unabhängigen Anschlusselemente 50a, 50b, 50c, 50d sind vorzugsweise als Leiterbahnen entsprechend 3 ausgebildet. Auch hier weisen die Anschlusselemente 50a–50d innerhalb der horizontalen Abmessungen der jeweiligen zweite Kontaktfläche 52 minimale Dicken d501 sowie in den in der horizontalen Richtung r daran angrenzenden Abschnitten Dicken d502 auf, deren Abmessungen bevorzugt gemäß den in 5 beschriebenen Abmessungen gewählt sind.
Die anhand der 5 und 6 vorgestellten Varianten zur Kontaktierung mehrerer Ausgleichsmetallisierungen 10 können selbstverständlich auch gemischt angewendet werden. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mehrere elektrisch voneinander isolierte Anschlusselemente aufweisen, die jeweils wenigstens eine Ausgleichsmetallisierung 10 bzw. eine erste Kontaktfläche 41 elektrisch leitend kontaktieren. Des Weiteren müssen die erste Kontaktflächen 41 bzw. die Ausgleichsmetallisierungen 10 nicht notwendigerweise auf demselben Halbleiterkörper 40 angeordnet sein. Vielmehr ist es auch möglich, auf einem gemeinsamen Substrat 60 mehrere nebeneinanderliegende Halbleiterkörper 40 anzuordnen, von denen jeder mit Ausgleichsmetallisierungen 10 versehene erste Kontaktflächen 41 aufweist. Dabei können ein oder mehrere Anschlusselemente 50 Ausgleichsmetallisierungen 10 bzw. erste Kontaktflächen 41 verschiedener Halbleiterkörper 40 elektrisch leitend miteinander verbinden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Parallelschaltung von Halbleiterchips erreichen, um die Schaltleistung des betreffenden Halbleiterbauelements zu erhöhen.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wurde der gestufte Aufbau eines Verbindungsgefüges ausgehend von einer Kontaktstelle über eine optionale erste Verbindungsschicht, eine Ausgleichsmetallisierung, eine optionale zweite Verbindungsschicht mit einem Anschlusselement in Bezug auf eine horizontale Richtung r bezogen. In entsprechender Weise kann der Aufbau des Verbindungsgefüges auch in einander entgegengesetzten horizontalen Richtungen r jeweils gestuft gewählt sein.
Wie in 7 anhand eines pyramidenförmigen Verbindungsgefüges, bei dem zwischen der ersten Kontaktfläche 41 eines Halbleiterkörpers 40 und der zweiten Kontaktfläche 52 eines Anschlusselementes 50 in der vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend eine optionale erste Verbindungsschicht 3 sowie eine Ausgleichsmetallisierung 10 mit Vertikalabschnitten 2 und 1 angeordnet sind, gezeigt ist, kann ein gestufter Aufbau des Verbindungsgefüges auch in beliebigen horizontalen Richtungen r1, r2 sowie in deren Gegenrichtungen vorhanden sein.
Die Breiten aller vorhandenen Stufen, von denen in 7 die Stufen 15, 25, 35 dargestellt sind, können in unterschiedlichen horizontalen Richtungen r1, r2 insbesondere unterschiedliche Stufenbreiten aufweisen.

1: Vertikalabschnitt
2: Vertikalabschnitt
3: erste Verbindungsschicht
4: zweite Verbindungsschicht
10: Ausgleichsmetallisierung
12: dem Rand zugewandte Seite des ersten Vertikalab
: schnittes
15: Stufe
22: dem Rand zugewandte Seite des zweiten Vertikalab
: schnittes
25: Stufe
31: Kontaktierungsbereich
35: Stufe
40: Halbleiterkörper
41: erste Kontaktfläche
50: Anschlusselement
50a–d: Anschlusselemente (Leiterbahnen)
51: Passivierung
52: zweite Kontaktfläche
54: Metallmaskierung
55: Isolierfolie
60: Substrat
61: Lot
101: dem Rand der ersten Kontaktfläche zugewandte Seite
: der Metallisierungsschicht
112: Rand des Übergangsbereichs zwischen dem ersten Verti
: kalabschnitt und dem zweiten Vertikalabschnitt
411: Rand der ersten Kontaktfläche
521: dem Rand der ersten Kontaktfläche zugewandte Seite
: der ersten Grenzschicht
d0: Abstand der Schnittebene von der ersten Kontaktfläche
d1: Dicke des ersten Vertikalabschnittes
d2: Dicke des zweiten Vertikalabschnittes
d3: Dicke der ersten Verbindungsschicht
d4: Dicke der zweiten Verbindungsschicht
d10: Dicke der Ausgleichsmetallisierung
d501: Minimale Dicke des Anschlusselementes innerhalb der
: ersten Kontaktfläche
d502: Dicke des Anschlusselementes außerhalb der ersten
: Kontaktfläche
E: Schnittebene
r: horizontale Richtung
r1: horizontale Richtung
r2: horizontale Richtung
v: vertikale Richtung
x1: horizontaler Abstand zwischen dem Rand der ersten
: Kontaktfläche und dem ersten Vertikalabschnitt
x2: horizontaler Abstand zwischen dem Rand der ersten
: Kontaktfläche und dem zweiten Vertikalabschnitt
x52: horizontaler Abstand zwischen dem Rand der ersten
: Kontaktfläche und dem Rand der zweiten Kontaktfläche
xE: horizontaler Abstand zwischen der Ausgleichsmetalli
: sierung und dem Rand der ersten Kontaktfläche in ei
: ner Schnittebene der Ausgleichsmetallisierung.

Claims

Halbleiterbauelement mit einem eine erste Kontaktfläche (41) aufweisenden Halbleiterkörper (40) und einem eine zweite Kontaktfläche (52) aufweisenden Anschlusselement (50), wobei die erste Kontaktfläche (41) und die zweite Kontaktfläche (52) in einer vertikalen Richtung (v) voneinander beabstandet sind, die erste Kontaktfläche (41) in einer horizontalen Richtung (r, r1, r2) einen ersten Rand (411) und die zweite Kontaktfläche (52) in der horizontalen Richtung (r, r1, r2) einen zweiten Rand aufweist, zwischen der ersten Kontaktfläche (41) und der zweiten Kontaktfläche (52) mittels einer zwischen diesen angeordneten Ausgleichsmetallisierung (10) zum Ausgleich thermomechanischer Spannungen mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist, und die Ausgleichsmetallisierung (10) eine Dicke (d10) von wenigstens 10 μm aufweist und wenigstens zwei in der vertikalen Richtung (v) stufig aufeinanderfolgend angeordnete Vertikalabschnitte (1, 2) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der horizontale Abstand zwischen der Ausgleichsmetallisierung (10) und dem ersten Rand (411) in allen zu der ersten Kontaktfläche (41) parallelen Schnittebenen (E) der Ausgleichsmetallisierung (10) mit zunehmendem Abstand (d0) dieser Schnittebenen (E) von der ersten Kontaktfläche (41) monoton zunimmt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein Vertikalabschnitt (2) in der horizontalen Richtung (r) weiter vom ersten Rand (411) beabstandet ist als jeder andere in der vertikalen Richtung (v) näher an der ersten Kontaktfläche (41) angeordnete Vertikalabschnitt (2).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem jeder Vertikalabschnitt (2) in der horizontalen Richtung (r) weiter vom ersten Rand (411) beabstandet ist als jeder andere in der vertikalen Richtung (v) näher an der ersten Kontaktfläche (41) angeordnete Vertikalabschnitt (2).
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Vertikalabschnitt (1, 2) in allen seinen zur ersten Kontaktfläche (41) parallelen Schnittebenen (E) in der horizontalen Richtung (r) gleich weit vom ersten Rand (411) beabstandet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem jeder Vertikalabschnitt (1, 2) in allen seinen zu der ersten Kontaktfläche (41) parallelen Schnittebenen (E) in der horizontalen Richtung (r) gleich weit von dem ersten Rand (411) beabstandet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich die Abstände (x1, x2) zweier Vertikalabschnitte (1, 2) in der horizontalen Richtung (r) jeweils von dem ersten Rand (411) um wenigstens das Doppelte der Dicke (d2) des von den beiden Vertikalabschnitten (1, 2) näher an der ersten Kontaktfläche (41) angeordneten Vertikalabschnittes (2) unterscheiden.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vertikalabschnitte (1, 2) als Schichten ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Vertikalabschnitt (1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Vertikalabschnitt (2) aus Alumini um, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer Aluminium-Kupfer-Legierung gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem ersten Vertikalabschnitt (1), der in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d1) von wenigstens 15 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem der erste Vertikalabschnitt (1) eine Dicke (d1) zwischen 20 μm und 200 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12 mit einem zweiten Vertikalabschnitt (2), der in der vertikalen Richtung (v) näher an der ersten Kontaktfläche (41) angeordnet ist als der erste Vertikalabschnitt (1) und der in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d2) von wenigstens 15 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem der zweite Vertikalabschnitt (2) eine Dicke (d2) zwischen 20 μm und 200 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen der ersten Kontaktfläche (41) und der Ausgleichsmetallisierung (10) eine erste Verbindungsschicht (3) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement Anspruch 15, bei dem die erste Verbindungsschicht (3) in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d3) von höchstens 10 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Ausgleichsmetallisierung (10) in der horizontalen Richtung (r) weiter vom ersten Rand (411) beabstandet ist als die erste Verbindungsschicht (3).
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen der zweiten Kontaktfläche (52) und der Ausgleichsmetallisierung (10) eine zweite Verbindungsschicht (4) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Verbindungsschicht (4) ein Lot oder als gesinterte Silberschicht ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Anschlusselement (50, 50a, 50b, 50c, 50d) innerhalb der horizontalen Abmessungen der ersten Kontaktfläche (41) in der vertikalen Richtung (v) eine minimale Dicke (d501) zwischen 15 μm und 100 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 20, bei dem sich die minimale Dicke (d501) des Anschlusselements (50, 50a, 50b, 50c, 50d) innerhalb der horizontalen Abmessungen der ersten Kontaktfläche (41) um weniger als 20% von der Dicke (d10) der Ausgleichsmetallisierung (10) unterscheidet.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Anschlusselement (50, 50a, 50b, 50c, 50d) innerhalb der horizontalen Abmessungen der ersten Kontaktfläche (41) eine geringere minimale Dicke (d501) aufweist als außerhalb der horizontalen Abmessung der ersten Kontaktfläche (41).
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Anschlusselement (50, 50a, 50b, 50c, 50d) zumindest in einem in der horizontalen Richtung (r) an die erste Kontaktfläche (41) angrenzenden Abschnitt in der vertikalen Richtung (v) eine Dicke (d502) zwischen 50 μm und 500 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in der horizontalen Richtung (r) außerhalb der horizontalen Abmessungen der ersten Kontaktfläche (41) zwischen der Leiterbahn (50a, 50b, 50c, 50d) und dem Halbleiterkörper (40) zumindest abschnittweise eine Isolierfolie (55) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, bei dem sich die Isolierfolie (55) in der horizontalen Richtung (r) über den Rand der Ausgleichsmetallisierung (10) hinaus bis hin zu der zweiten Kontaktfläche (52) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Anschlusselement (50) ein Bonddraht oder ein Anschlussclip ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem das Anschlusselement (50) eine Leiterbahn (50a, 50b, 50c, 50d) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, bei dem die Leiterbahn (50, 50a, 50b, 50c, 50d) durch Galvanisieren oder mittels eines Kaltgasspritzverfahrens hergestellt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich der Abstand (x1) in der horizontalen Richtung (r) des dem Anschlusselement (50) nächstgelegenen Vertikalabschnittes (1) vom ersten Rand (411) und der Abstand (x52) in der horizontalen Richtung (r) der zweiten Kontaktfläche (52) um wenigstens das Doppelte der Dicke (d1) des dem Anschlusselement (50) nächstgelegenen Vertikalabschnittes (1) unterscheiden.