DE10308275A1 - Strahlungsresistentes Halbleiterbauteil - Google Patents

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DE10308275A1
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Germany
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semiconductor device
absorption layer
bump
layer
thickness
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Withdrawn
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English (en)
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Gisela Schammler
Mathias Böttcher
Frank Kuechenmeister
Daniel Gehre
Ehrenfried Zschech
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Advanced Micro Devices Inc
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Abstract

Ein Halbleiterbauelement umfasst eine Materialschicht, die ausgebildet ist, um in wirksamer Weise Alpha-Partikel zu stoppen, die im Wesentlichen innerhalb eines Löthöckers eines Flip-Chip-Bauteils erzeugt werden. Die zum Stoppen der Alpha-Teilchen verwendeten Materialien sind mit standardmäßigen Kontaktherstellungsprozessen verträglich und beeinträchtigen nicht die Haftung des Löthöckers zu dem restlichen Substrat. Ferner wird ein geringer elektrischer Widerstand beibehalten und die Wärmeabfuhr wird verbessert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil, das eine erhöhte Resistenz gegen strahlungsinduzierte Fehlfunktionen aufweist und betrifft insbesondere ein Halbleiterbauteil mit einer reduzierten Eindringrate für Alpha-Teilchen.
  • Die stetig abnehmenden Strukturgrößen in modernen integrierten Schaltungen ermöglichen die Herstellung elektronischer Bauteile, die eine komplexe Funktionalität in einem äußerst kleinen Volumen aufweisen. Daher werden moderne integrierte Schaltungen zunehmend in allen Arten von elektronischen Geräten als datenverarbeitende Einheiten oder als Speichermedien verwendet, unabhängig davon, ob das Gerät ein Alltagsprodukt, etwa ein Personalcomputer, oder ein Gerät ist, das auf dem Gebiet der Medizin, der Technik oder der Wissenschaft eingesetzt wird. Unter dieser Vielzahl möglicher Anwendungen von integrierten Schaltungen erfordern gewisse kritische Anwendungen, beispielsweise die Datenverarbeitung in Fahrzeugen, in medizinischen Geräten und dergleichen, äußerst zuverlässige Halbleiterbauelemente, etwa Chips mit logischen und/oder Speicherfunktionen, um eine schwerwiegende Fehlfunktion des Halbleiterbauelements und beliebiger dazu verbundener peripherer Bauelemente zu vermeiden. Auf Grund der ständig abnehmenden Strukturgrößen moderner integrierter Schaltungen erweist sich jedoch die strahlungsinduzierte Ladungsträgererzeugung in Halbleiterbauteilelementen zunehmend als eine mögliche Fehlerquelle für das Bauteil, wodurch die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird oder wodurch sogar ein vollständiger Ausfall bewirkt wird und damit eine Anwendbarkeit des Bauteils eingeschränkt wird.
  • Das Problem der strahlungsinduzierten Ladungsträgererzeugung wird mit abnehmender Versorgungsspannung, die in modernen integrierten Schaltungen angewendet wird, die vorzugsweise in tragbaren Geräten eingesetzt werden, zunehmend verschärft. Hochenergetische Partikel, die in das Halbleiterbauteil eindringen, können eine Vielzahl von Elektron-Loch-Paaren erzeugen, die dann in ladungsträgerempfindliche Bereiche eindringen und Bauteilausfälle bewirken können und/oder die sich in ladungsempfindlichen Gebieten des Halbleiterbauelements, beispielsweise in Dielektrika von Speicherkapazitäten oder in Gateisolationsschichten von MOS-Transistoren ansammeln können. Im zuletzt genannteren Falle kann eine deutliche Abweichung der Schwellwertspannung des Transistorbauelements erzeugt werden, wohingegen eine angesammelte Ladung in einer Speicherkapazität zu einem geänderten logischen Zustand der Kapazität führen kann, woraus sich ein Fehler beim Auslesen des Speicherinhalts ergibt, was auch als „weicher" Fehler bezeichnet wird.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine wesentliche Quelle strahlungsinduzierter Ladungsträgererzeugung das Aussenden von Alpha-Teilchen von Materialien ist, aus denen die Halbleiterbauteilelemente aufgebaut sind, oder die zum Zusammenbau und für das Gehäuse verwendet werden. Insbesondere können Bauelemente, die unter Anwendung einer Vielzahl von Löthöcker in Gehäuse eingebaut werden, im Allgemeinen einen großen Anteil an Blei aufweisen. Blei, das für gewöhnlich für standardmäßige Lötmaterialien verwendet wird, enthält das Bleiisotop 210 Pb, das einen β-Zerfall ausführt und ein unstabiles Wismut 210 Bi-Isotop und ein Polonium Po-Isotop bildet, das dann wiederum in stabiles Blei 206Pb zerfällt, wobei Alpha-Teilchen mit einer Energie von ungefähr 5.4 MeV ausgesendet werden. Alpha-Teilchen, die sich bei Zerfall eines Bleiisotops 210 in Richtung ladungsempfindlicher Bereiche des Halbleiterbauteils bewegen, erzeugen eine besonders große Menge zusätzlicher Ladungsträger auf Grund des großen Absorptionsquerschnittes für Alpha-Teilchen in Materie.
  • US 5,965,945 richtet sich an die Problematik von Alpha-Teilchen, die im Inneren durch den Zerfall von 210Pb-Isotopen, die in den Löthöckern enthalten sind, erzeugt werden und schlägt eine verbesserte Löthöckerzusammensetzung vor, in der eine dünne Bleischicht mit geringem Alpha-Teilchenanteil über Bauteilen, die für Alpha-Teilchen sensitiv sind, abgeschieden wird, während gewöhnliches, d. h. kostengünstiges Blei, für den Hauptteil des Löthöckers verwendet wird. Obwohl dieser Ansatz es ermöglicht, in effizienter Weise die von dem kostengünstigen Blei ausgesandten Teilchen zu absorbieren, ist das Bereitstellen von Blei mit geringem Alpha-Teilchenanteil teuer und es ist schwierig während des Verflüssigens des Löthöckers bei der Bildung eines Lötballs, das Mischen des Bleis mit geringem Alpha-Anteil und des kostengünstigen Bleis zu vermeiden.
  • US 6,043,429 offenbart einen Flip-Chip und ein Flip-Chip-Gehäuse, die von Alpha-Teilchen abgeschirmt sind, indem die Löthöcker mit einer Schicht aus Alpha-Teilchen absorbierenden Material beschichtet sind, oder indem eine geeignete Menge Alpha-Teilchen absorbierendes Material in dem Füllmaterial zwischen dem Flip-Chip und dem Gehäusesubstrat vorgesehen ist. In dieser Anordnung wird das Eindringen von Alpha-Teilchen deutlich reduziert, wobei jedoch das Eindringen von Alpha-Teilchen, die im Inneren durch den Zerfall von alphaaktiven Isotopen erzeugt werden und die sich direkt von dem Löthöcker in die darunter liegenden Bauteilgebiete bewegen, nicht in effizienter Weise unterbunden werden kann.
  • Mit Bezug zu 1 wird die Problematik des Eindringens hochenergetischer Teilchen in ladungsträgerempfindliche Gebiete nunmehr detaillierter beschrieben, wobei ein typisches konventionelles Halbleiterbauelement mit beispielsweise MOS-Transistoren oder Speicherkapazitäten, beschrieben wird.
  • In 1 umfasst ein Halbleiterbauelement 100 ein Substrat 101, das ein oder mehrere funktionale Elemente (nicht gezeigt) aufweist, die für strahlungsinduzierte Ladungsträger sensibel sind. Eine Kontaktfläche 103 ist über dem Substrat 101 gebildet und ist typischerweise in elektrischer Verbindung mit dem funktionalen Element. Die Anschlussfläche 102 ist elektrisch durch eine erste Isolierschicht 103 und eine zweite Isolierschicht 104 isoliert. Auf der Kontaktfläche 102 und teilweise auf der zweiten Isolierschicht 104 ist eine Metall- oder Metallverbindungsschicht 105, die auch als Höckeruntermetallisierung bezeichnet wird, gebildet und trennt eine Lötkugel 106 mit einem wesentlichen Anteil an Blei von den darunter liegenden Materialschichten.
  • Prozessabläufe zur Herstellung des Halbleiterbauelements 100 sind im Stand der Technik gut bekannt und eine detaillierte Beschreibung davon ist hier weggelassen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Lötkugel 106 aus einem Löthöcker gebildet ist, der über der Höckeruntermetallisierung und teilweise über der zweiten Isolierschicht 104 mittels Elektroplattierens oder einem anderen geeigneten Abscheideverfahren, wobei eine zur geeigneten Dimensionierung des Löthöckers ausgebildete Maske verwendet wurde, abgeschieden werden kann. Nach entfernen der Maske wird der Löthöcker verflüssigt, um die Lötkugel 106 zu bilden, die sich auf Grund von Oberflächenspannung im Wesentlichen auf die Höckeruntermetallisierung 105 zurückzieht. Die Höckeruntermetallisierung 105 dient im Wesentlichen zwei Zwecken. Erstens, ist die Höckeruntermetallisierung 105 vorgesehen, um im Wesentlichen eine Diffusion von Lötmaterial in die darunter liegenden Gebiete des Halbleiterbauelements 100 zu verhindern. Zweitens, muss die Höckeruntermetallisierung 105 ausreichend Haftung zu den Materialien über und unter der Höckeruntermetallisierung aufweisen, um eine erforderliche mechanische Stabilität zu erzeugen und um die erforderliche Zuverlässigkeit sicherzustellen.
  • Während des Betriebs des Halbleiterbauelements 100 können unstabile Bleiisotope, etwa das Isotop 210 Pb zerfallen und als Ergebnis dieses Zerfalls können Alpha-Teilchen erzeugt werden. Zum Beispiel ist in 1 ein Zweig des Zerfalls des 210Pb-Isotops dargestellt. Wenn die Alpha-Teilchen ausreichend nahe an der Grenzfläche der darunter liegenden Materialschichten, etwa der Höckeruntermetallisierung 105, erzeugt werden, können die Alpha-Teilchen ebenso in das Substrat 101 eindringen und eine Vielzahl von Elektron-Loch-Paaren bilden, bis das Alpha-Teilchen schließlich gestoppt ist. Wie zuvor erläutert ist, kann ein Teil dieser zusätzlich erzeugten Ladungsträger in ladungsträgerempfindliche Bereiche eindringen, etwa in die Übergänge zwischen invers dotierten Gebieten, oder in dünne dielektrische Schichten, die elektrisch aktive Gebiete voneinander trennen. Damit kann diese zusätzliche Ladung eine deutliche Verschiebung der Betriebsbedingungen bewirken, insbesondere, wenn die Strukturgrößen gering sind und die entsprechenden Betriebsspannungen niedrig sind.
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  • Angesichts der zuvor dargelegten Probleme besteht daher ein Bedarf für ein verbessertes Halbleiterbauelement, in welchem das Eindringen hochenergetischer Teilchen, insbesondere von Alpha-Teilchen deutlich reduziert ist.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Um das strahlungsinduzierte Erzeugen von Ladungsträger zu verringern, stellt die vorliegenden Erfindung gemäß einer Ausführungsform ein Halbleiterbauelement bereit, das ein Substrat mit einer Anschlussfläche und einem auf der Anschlussfläche gebildeten Löthöcker aufweist. Des weiteren ist eine Absorptionsschicht zwischen der Kontaktfläche und dem Löthöcker angeordnet, wobei eine Dicke der Absorptionsschicht so ausgebildet ist, um Alpha-Teilchen von mindestens 5,4 MeV im Wesentlichen vollständig zu stoppen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein Substrat mit einer Kontaktfläche und einem auf der Kontaktfläche gebildeten Löthöcker. Eine Höckeruntermetallisierung ist zwischen der Kontaktfläche und dem Löthöcker gebildet, wobei die Höckeruntermetallisierung im Wesentlichen eine Diffusion von Material des Löthöckers in das Substrat verhindert und eine Naftung des Löthöckers zu dem Substrat herstellt. Die Höckeruntermetallisierung weist eine Dicke auf, die ausreichend ist, um Alpha-Teilchen mit einer Energie von ungefähr 5.4 MeV zu stoppen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement ein Substrat mit einem funktionalen Element und einem Mehrschichtmetallstapel, der über dem Substrat gebildet ist, wobei der Mehrschichtmetallstapel eine intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate von weniger als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde aufweist und eine Dicke von 1 μm oder mehr, abhängig von der Art des Materials. Das Halbleiterbauteilelement umfasst ferner einen Löthöcker, der über dem Mehrschichtmetallstapel gebildet ist.
  • Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements das Bereitstellen eines Substrats mit einem darauf ausgebildeten Schaltungselement und das Bilden einer Kontaktfläche über dem Substrat. Anschließend wird eine elektrisch leitende Absorptionsschicht über der Kontaktfläche mit einer vordefinierten Dicke gebildet, die es ermöglicht, Alpha-Teilchen mit einer Energie von ungefähr 5.4 MeV zu stoppen. Schließlich wird ein Löthöcker über der Absorptionsschicht gebildet.
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  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
  • 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines typischen konventionellen Halbleiterbauelements;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3a und 3b schematisch Querschnittsansichten eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements während gewisser Phasen der Herstellung.
  • Es sollte beachtet werden, dass die Figuren in dieser Anmeldung lediglich schematische Darstellungen der interessierenden Bauelemente sind. Ein Fachmann erkennt leicht, dass die in den Figuren gezeigten Abmessungen nicht maßstabsgetreu sind und das unterschiedliche Bereiche oder Schichten nicht durch scharte Grenzen getrennt sind, wie dies in den Zeichnungen gezeigt ist, sondern das diese kontinuierliche Übergänge aufweisen können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
  • Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein Halbleiterbauelement bereit, in welchem eine zusätzliche Absorptionsschicht enthalten ist, um das Eindringen hochenergetischer Teilchen, insbesondere von Alpha-Teilchen, deutlich zu reduzieren, die im Inneren in einem Löthöcker durch Zerfall radioaktiver Isotope und/oder durch Materialien, die zum Zusammenbauen und Einfügen in ein Gehäuse des Halbleiterbauelements verwendet werden, erzeugt werden können. Die Dicke der Absorptionsschicht ist so gewählt, dass zumindest Alpha-Teilchen mit einer Energie 5.4 MeV, die im Wesentlichen durch bleienthaltende Materialien erzeugt werden, im Wesentlichen vollständig innerhalb der Absorptionsschicht gestoppt werden, um die Teilchen im Wesentlichen daran zu hindern, Gate- oder Kondensatordielektrika oder ladungsempfindliche Gebiete zu erreichen, selbst wenn das Alpha-Teilchen nahe an der Oberfläche der Absorptionsschicht erzeugt wird und seine Bewegungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Absorptionsschicht verläuft. D. h., die Dicke der Absorptionsschicht ist ausreichend, um Alpha-Teilchen zu stoppen, die eine minimale Strecke in dem Löthöcker zurücklegen, ohne die Haftung des Löthöckers zu den darunter liegenden Materialschichten und die Barrierenqualität zum Vermeiden einer Diffusion von Löthöckermaterial in darunter liegende Bauteilgebiete zu beeinträchtigen. Wie später erläutert ist, ist, entgegen konventioneller Lösungsansätze, das Herstellen der Absorptionsschicht mit der Endbearbeitung des Bauelements kompatibel.
  • Mit Bezug zu 2 wird nunmehr eine anschauliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die zuvor dargelegten Erfordernisse erfüllt, beschrieben. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201, das ein funktionales Element (nicht gezeigt) aufweist, das ladungsträgerempfindliche Bereiche besitzt. Eine Anschlussfläche 202, die über dem Substrat 201 und teilweise über einer ersten Isolierschicht 203 gebildet ist, kann elektrisch mit dem funktionalen Element verbunden sein. Der Einfachheit halber ist eine entsprechende elektrische Verbindung in 2 nicht gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann die Kontaktfläche 202 elektrisch nicht mit einem funktionalen Element verbunden sein und kann als eine zusätzliche Kontaktfläche zum Aufnehmen eines „Dummy"-Löthöckers dienen, der die mechanische Stabilität und/oder die thermische Leitfähigkeit und/oder das Stoppen hochenergetischer Strahlung und dergleichen verbessern kann. Eine zweite Isolierschicht 204 ist über der ersten Isolierschicht 203 und teilweise über der Kontaktfläche 202 gebildet. Eine Absorptionsschicht 210 ist über der Kontaktfläche 202 gebildet, und gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform bedeckt die Absorptionsschicht 210 einen Teil der zweiten Isolierschicht 204. Die Absorptionsschicht 210 weist eine minimale Dicke auf, die ausreichend ist, um Alpha-Teilchen mit einer Energie von ungefähr mindestens 5.4 MeV zu stoppen, selbst wenn das Alpha-Teilchen sehr nahe an der Absorptionsschicht 210 erzeugt wird und in diese im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Oberfläche eindringt. In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Absorptionsschicht 210 im Wesentlichen aus Kupfer aufgebaut und besitzt eine minimale Dicke von ungefähr 5 μm, was entsprechend den Experimenten der Erfinder ausreichend ist, um Alpha-Teilchen von ungefähr 5.4 MeV zu stoppen.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Absorptionsschicht 210 eine Barrierenschicht 214, beispielsweise eine Titanwolframschicht, aufweisen, um eine Diffusion von Atomen der Absorptionsschicht 210 in die Kontaktfläche 202 und die zweite Isolierschicht 204 zu vermeiden. Die Barrierenschicht 214 kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Absorptionsschicht 210 Kupfer aufweist, da Kupfer leicht in Siliziumdioxid und Silizium diffundiert. Zu anderen geeigneten Materialien für die Absorptionsschicht 210 gehören Nickel, Chrom, Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal und Verbindungen dieser Materialien. Andere elektrisch leitfähige Materialien können ebenso verwendet werden, solange die effektive Dicke ausreichend ist, um Alpha-Teilchen mit einer Energie von wenigsten ungefähr 5.4 MeV zu stoppen. Die minimale Dicke der Absorptionsschicht 210 hängt von der Art des Materials ab, auf Grund der unterschiedlichen Absorptionsquerschnitte für Alpha-Teilchen dieser Materialien. Eine geeignete Dicke für alle oben genannten Materialien liegt im Bereich von ungefähr 1 μm bis 10 μm, wobei für schwerere Elemente, etwa Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal und Verbindungen davon eine Dicke von ungefähr 1 μm bis 4 μm ausreichend sein kann, um die erforderliche Wirkung zu erreichen. In einer Ausführungsform kann ein Mehrschichtstapel vorgesehen sein, wobei die Absorptionsschicht 214 und/oder die Barrierenschicht 214 eine oder mehrere Teilschichten aufweisen können. Der Mehrschichtmetallstapel kann so ausgebildet sein, dass er eine intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate von weniger als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde und eine Dicke von einem 1 μm und mehr, abhängig von der Art des verwendeten Materials, aufweist.
  • Über der Absorptionsschicht 210 ist eine Höckeruntermetallisierung 205 ausgebildet, auf der eine Lötkugel 206 angeordnet ist. Die Höckeruntermetallisierung 205 kann mehrere Metallschichten, etwa Chrom/Kupfer, Kupfer, Titan/Wolfram und andere aufweisen.
  • Wie zuvor erläutert ist, wird die Zusammensetzung der Höckeruntermetallisierung 205 so gewählt, um eine ausreichende Haftung der Lötkugel 206 zu dem darunter liegenden Substrat 201 zu erhalten und um im Wesentlichen eine Diffusion von Atomen der Lötkugel 206 in die darunter liegenden Gebiete zu vermeiden. Ferner kann die Zusammensetzung und die Dicke der einzelnen Schichten der Unterhöckermetallisierung 205 so gewählt werden, um mechanische Spannungen, die durch Erhitzen des Substrats 201 erzeugt werden, im Wesentlichen auszugleichen.
  • Während der Anwendung des Halbleiterbauelements 200 werden Alpha-Teilchen, die aus dem Zerfall von unstabilen Bleiisotopen und anderen unstabilen schweren Atomen herrühren, bei der Bewegung der Richtung auf die Absorptionsschicht 210 innerhalb dieser absorbiert, selbst wenn die Alpha-Teilchen an der Grenzfläche zu der Höckeruntermetallisierung 205 erzeugt werden und sich im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Absorptionsschicht 210 bewegen. Beim Stoppen der Alpha-Teilchen wird eine große Anzahl von Atomen innerhalb der Absorptionsschicht 210 ionisiert und abhängig von den Betriebsbedingungen können die durch das Ionisieren der Metallatome erzeugten Ladungsträger abwandern, wenn die Lötkugel im Kontakt mit einer externen Stromversorgung ist, oder die zusätzlichen Ladungsträger können nach einer gewissen Relaxationszeit wieder eingefangen werden. Alpha-Teilen, die an einem Randbereich der Lötkugel 206 ausgesendet werden und die sich in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung im Bezug auf die in 2 gezeigten Darstellung bewegen, werden im Wesentlichen von dem Erreichen des funktionalen Elements innerhalb des Substrats 201 abgehalten, da diese Teilchen sich über eine relativ lange Distanz durch ein Füllmaterial (nicht gezeigt) bewegen müssen und dann auf die zweite Isolierschicht 204 unter einem kleinen Winkel auftreffen. Folglich ist die effektive Weglänge eines Alpha-Teilchens innerhalb des Füllmaterials und der zweiten Isolierschicht 204 und der ersten Isolierschicht 203 relativ groß, wodurch die Wahrscheinlichkeit deutlich verringert wird, dass das Alpha-Teilchen das Substrat 201 erreicht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit Bezug zu den 3 beschrieben wird, kann die seitliche Ausdehnung der Absorptionsschicht 210 deutlich über die seitlichen Abmessungen der Lötkugel 206 hinausgehen, um Alpha-Teilchen zu absorbieren, die unter einem weiten Winkelbereich ausgesendet werden.
  • Ein typischer Prozessablauf zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200 kann die folgenden Prozessschritte aufweisen. Nach der Herstellung der Kontaktfläche 202, die im Wesentlichen Aluminium oder in Hochleistungsbauelementen im Wesentlichen Kupfer oder Legierungen davon aufweisen kann, auf dem Substrat 201 und teilweise auf der ersten Isolierschicht 203, die aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid aufgebaut sein kann, wird die zweite Isolierschicht 204 beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid abgeschieden und durch gut bekannte Verfahren strukturiert. Anschließend wird eine relativ dicke metallenthaltende Schicht, d. h. in der Größenordnung von einigen Mikrometer abhängig von der Art des Materials, beispielsweise durch physikalische Dampfabscheidung, Elektroplattieren, und dergleichen abgeschieden. Wenn beispielsweise eine Kupferabsorptionsschicht gebildet wird, kann vorzugsweise die dünne Barrierenschicht 214 mit beispielsweise Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid und dergleichen abgeschieden werden, wobei eine Saatschicht (nicht gezeigt) folgt, die durch Sputter-Abscheidung vor der Ausbildung der dicken Kupferschicht mittels Elektroplattierens gebildet wird. Während des Abscheidens des Volumenmaterials der Absorptionsschicht 214 werden Prozessparameter, etwa Abscheidezeit, Abscheiderate und dergleichen so gesteuert, um eine endgültige Dicke der Absorptionsschicht 214 zu erreichen, die das erforderliche Stopvermögen sicherstellt. Typischerweise ist eine Dicke von ungefähr 1 μm bis 10 μm geeignet für eine Vielzahl geeigneter Materialien, wobei beispielsweise ein 1 μm bis 4 μm für schwere Elemente, etwa Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal, und ungefähr 5 μm und mehr für Kupfer, Nickel und dergleichen gewählt werden. Es ist zu beachten, dass die obigen Werte entsprechend anzupassen sind, wenn die obigen Materialien in Verbindungen verwendet werden, die Komponenten aufweisen, die ein weniger wirksames Stopvermögen als die oben spezifizierten reinen Materialien besitzen. Anschließend wird die Höckeruntermetallisierung 205 auf der Absorptionsschicht 210 gebildet und darauf wird eine Photolackmaske hergestellt, um eine Öffnung zu definieren, in die das Löthöckermaterial einzufüllen ist. Danach wird Löthöckermaterial in die Öffnung mittels geeigneter Abscheideverfahren, etwa chemische Dampfabscheidung, eingefüllt, um einen Löthöcker zu bilden. Nach dem Entfernen der Photolackmaske kann die Absorptionsschicht 214 so strukturiert werden, dass diese eine laterale Ausdehnung aufweist, die mit der lateralen Ausdehnung des Löthöckers übereinstimmt, oder die die laterale Ausdehnung des Löthöckers übertreffen kann. Vor dem Strukturieren der Absorptionsschicht 210 kann die Höckeruntermetallisierung 205 selektiv geätzt werden, wobei das Maß an Unterätzung des Löthöckers die endgültige laterale Ausdehnung der Lötkugel 206 definiert, die durch Verflüssigen des Löthöckers gebildet wird. Nach dem Herstellen der Lötkugel 206 können die freigelegten Oberflächenbereiche der Absorptionsschicht 210 mit einer geeigneten Passivierungsschicht beschichtet werden, wie dies durch die peripheren Bereiche 212, die als gestrichelte Linien in 2 gezeigt sind, dargestellt ist.
  • Mit Bezug zu den 3 wird nunmehr eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 3a und 3b zeigen schematisch Querschnittsansichten bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements 300, das in der fertiggestellten Form eine ähnliche Konfiguration wie das Halbleiterbauelement 200 aufweist.
  • In 3a ist das Halbleiterbauelement 300 in einem Herstellungsstadium gezeigt, wobei ein Halbleitersubstrat 201 mit einem funktionalen Element (nicht gezeigt) eine auf dem Substrat ausgebildete erste Isolierschicht 203 und eine Kontaktfläche 202 aufweist. Eine zweite Isolierschicht 304 ist über der ersten Isolierschicht 303 und teilweise über der Kontaktfläche 302 gebildet. Eine erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a gefolgt von einer Absorptionsschicht 310 und einer z weiten Höckeruntermetallisierungsschicht 305b sind über dem Substrat 301 ausgebildet. Eine Photolackmaske 311 definiert eine Öffnung, in die Löthöckermaterial 306 einzufüllen ist. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Kontaktfläche 302 und die erste und zweite Isolierschicht 303 und 304 gemäß Photolithographie- und Ätzverfahren gebildet, die im Stand der Technik gut bekannt sind. Anschließend wird die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a, beispielsweise eine Titanwolframschicht, mittels CVD oder Sputter-Abscheidung gebildet. Danach wird die Absorptionsschicht 301 mit einer vordefinierten Dicke, beispielsweise durch physikalische Dampfabscheidung oder Elektroplattieren abgeschieden, wobei die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a als eine Stromverteilungsschicht dient. Anschließend wird die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305b auf der Absorptionsschicht 310 durch beispielsweise physikalische Dampfabscheidung gebildet. Die erste und die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305a und 305b und die Absorptionsschicht 310 können als ein Höckeruntermetallstapel angesehen werden, dessen gesamte Dicke so gewählt ist, um die geforderten Stopqualitäten für Alpha-Teilchen bereitzustellen. Nach der Herstellung der Photolackmaske 311 durch bekannte Photolithographie- und Ätzverfahren, kann das Löthöckermaterial 306 durch Elektroplattieren abgeschieden werden, wobei die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a, die Absorptionsschicht 310 und die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305b als eine Stromverteilungsschicht dienen. Aufgrund der relativ großen Dicke der Absorptionsschicht 310, beispielsweise ungefähr 5 μm für eine Kupferschicht, wird eine gleichförmige Stromverteilung über die gesamte Substratfläche erreicht, so dass damit gleichförmige Anteile des Löthöckermaterials 306 innerhalb der Photolackmaske 311 abgeschieden werden, selbst wenn ein großflächiges Substrat 301 verwendet wird, das eine große Anzahl von Öffnungen aufweist, die mit dem Lötmaterial 306 zu füllen sind. Ferner erlaubt die große Dicke der Absorptionsschicht 310 relativ hohe Ströme beim Elektroplattieren des Höckermaterials, wodurch eine erhöhte Abscheiderate erzeugt wird.
  • 3b zeigt das Halbleiterbauelement 300 in einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium. In 3b ist die Photolackmaske 311 entfernt und die zweite Höckeruntermetallisierungsschicht 305b kann so strukturiert sein, dass diese die seitliche Ausdehnung des Löthöckers 306 aufweist. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Metallisierungsschicht 305b zusammen mit der Absorptionsschicht 310 strukturiert werden. Ferner sind die Absorptionsschicht 310 und die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a so strukturiert, um sich lateral über den Löthöcker 306 bis zu einem Maße hinaus zu erstrecken, das mit den Entwurfserfordernissen übereinstimmt. In einer speziellen Ausführungsform werden die Absorptionsschicht 310 und die erste Höckeruntermetallisierungsschicht 305a so strukturiert, um im Wesentlichen die gesamte Substratoberfläche so zu bedecken, um benachbarte Löthöcker durch enge Gräben 320 mit einer Breite in der Größenordnung von 1 μm bis 100 μm zu trennen. Es sollte erwähnt werden, dass, wie zuvor erläutert ist, ein beliebiger Betrag für die seitliche Ausdehnung gewählt werden kann. Ferner kann, wie zuvor beschrieben ist, die freigelegte Oberfläche der Absorptionsschicht 310 mit einer geeigneten Passivierungsschicht, beispielsweise Siliziumnitrid, beschichtet sein, um eine chemische Reaktion oder ein Ausdiffundieren aus der Absorptionsschicht 310 zu vermeiden.
  • Anschließend kann der Löthöcker 306 verflüssigt werden, um eine Lötkugel ähnlich zu jener in 2 gezeigten Lötkugel zu bilden.
  • Es gilt also, die vorliegende Erfindung stellt ein Halbleiterbauteil bereit, das eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber der Erzeugung strahlungsinduzierter Ladungsträger zeigt, die insbesondere durch innerhalb der Löthöcker erzeugte Alpha-Teilchen hervorgerufen werden kann. Somit kann eine Wechselwirkung dieser zusätzlich erzeugten Ladungsträger in Gate- und/oder Kondensatordielektrika und in ladungsträgerempfindlichen Gebieten deutlich verringert werden. Die für eine effektive Absorptionsschicht verwendeten Materialien, etwa Kupfer, Nickel, Wolfram, Gold, Silber, Platin, Tantal und andere Metalle, oder beliebige Verbindungen davon, können zumindest teilweise mit standardmäßigen Halbleiterprozessschritten kompatibel sein und ferner eine gute Haftung und einen geringen elektrischen Widerstand sicherstellen. Durch Bereitstellen einer entsprechenden Absorptionsschicht zwischen dem Löthöcker und dem Substrat wird ferner ein effektiverer Wärmetransportmechanismus erzeugt und somit wird die Wärmeabfuhr aus dem Bauteil im Vergleich zu konventionellen Bauteilen deutlich verbessert. Ferner kann die Zusammensetzung der Absorptionsschicht so gewählt werden, um in effizienter Weise durch Aufheizen des Substrats induzierte thermische Spannungen während der Herstellungsprozesse oder während des Betriebs auszugleichen.
  • Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (29)

  1. Halbleiterbauelement mit: einem Substrat mit einer Anschlussfläche; einem Löthöcker, der auf der Anschlussfläche gebildet ist; und einer Absorptionsschicht, die zwischen der Anschlussfläche und dem Löthöcker angeordnet ist, wobei die Absorptionsschicht eine Dicke aufweist, die geeignet ist, um Alpha-Teilchen mit mindestens 5.4 MeV im Wesentlichen zu stoppen.
  2. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Absorptionsschicht Kupfer und/oder Nickel und/oder Chrom und/oder Wolfram und/oder Gold und/oder Silber und/oder Platin und/oder Tantal und/oder Verbindungen davon aufweist.
  3. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Absorptionsschicht zwei oder mehr Teilschichten aufweist.
  4. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Absorptionsschicht ausgebildet ist, um den Durchgang von Alpha-Teilchen auf eine Rate von weniger als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde zu reduzieren.
  5. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Absorptionsschicht sich lateral über den Löthöcker hinaus erstreckt.
  6. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, das ferner eine Passivierungsschicht aufweist, die einen peripheren Bereich der Absorptionsschicht bedeckt.
  7. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das ferner einen zweiten Löthöcker aufweist, der über einer zweiten Absorptionsschicht gebildet ist, wobei die Absorptionsschicht und die zweite Absorptionsschicht lateral voneinander durch einen Abstand von ungefähr 1 μm bis 100 μm getrennt sind.
  8. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei der Abstand mit einem dielektrischen Material gefüllt ist.
  9. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Absorptionsschicht im Bereich von ungefähr 1 μm bis 10 μm liegt.
  10. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei eine intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate der Absorptionsschicht kleiner als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde ist.
  11. Halbleiterbauelement mit: einem Substrat mit einer Kontaktfläche; einem Löthöcker, der über der Kontaktfläche gebildet ist; einer Höckeruntermetallisierung, die zwischen der Kontaktfläche und dem Löthöcker angeordnet ist, wobei die Höckeruntermetallisierung im Wesentlichen eine Diffusion des Löthöckermaterials in das Substrat vermeidet und eine Haftung des Löthöckers an das Substrat bereitstellt, wobei die Höckeruntermetallisierung eine Dicke aufweist, die ausreicht, um Alpha-Teilchen von ungefähr 5.4 MeV zu stoppen.
  12. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, wobei eine intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate der Höckeruntermetallisierung kleiner als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde ist.
  13. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei eine Dicke der Höckeruntermetallisierung im Bereich von ungefähr 1 μm bis 10 μm liegt.
  14. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei die Höckeruntermetallisierung eine Absorptionsschicht mit einer Dicke von ungefähr 1 μm oder mehr aufweist.
  15. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei die Absorptionsschicht Kupfer und/oder Nickel und/oder Wolfram und/oder Gold und/oder Silber und/oder Platin und/oder Tantal und/oder eine Verbindung davon aufweist.
  16. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei eine laterale Ausdehnung der Höckeruntermetallisierung größer als eine laterale Ausdehnung des Löthöckers ist.
  17. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei eine Dicke der Absorptionsschicht im Bereich von ungefähr 1 μm bis 10 μm liegt.
  18. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei ein peripherer Bereich der Höckeruntermetallisierung mit einer Passivierungsschicht beschichtet ist.
  19. Halbleiterbauelement mit: einem Substrat mit einem funktionalen Element; einem Mehrschichtmetallstapel, der über dem Substrat gebildet ist, wobei der Mehrschichtmetallstapel eine intrinsische Alpha-Teilchenemissionsrate von weniger als 0.001 Alpha-Teilchen/cm2 und Stunde und eine Dicke von einem 1 μm und mehr aufweist; und einem Löthöcker, der über dem Mehrschichtmetallstapel gebildet ist.
  20. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei der Mehrschichtmetallstapel sich lateral über den Löthöcker hinaus erstreckt.
  21. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, das ferner eine Passivierungsschicht aufweist, die einen peripheren Bereich des Mehrschichtmetallstapels bedeckt.
  22. Das Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei der Mehrschichtmetallstapel Kupfer und/oder Nickel und/oder Wolfram und/oder Gold und/oder Silber und/oder Platin und/oder Tantal und/oder eine Verbindung davon aufweist.
  23. Verfahren zur Herstellung eines strahlungsresistenten Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einem darauf ausgebildeten Schaltungselements; Bilden einer Anschlussfläche über dem Substrat; Bilden einer elektrisch leitfähigen Absorptionsschicht über der Anschlussfläche mit einer vordefinierten Dicke, die das Stoppen von Alpha-Teilchen mit einer Energie von ungefähr 5.5 MeV ermöglicht; und Bilden eines Löthöckers über der Absorptionsschicht.
  24. Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Bilden der Absorptionsschicht abscheidende Absorptionsschicht oder Steuern mindestens eines Prozessparameters, um die vordefinierte Dicke zu erhalten, umfasst.
  25. Das Verfahren nach Anspruch 23, das ferner Bilden mindestens einer weiteren Metallschicht benachbart zu der Absorptionsschicht umfasst.
  26. Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei eine Gesamtdicke der weiteren Metallschicht und der Absorptionsschicht im Bereich von ungefähr 1 μm bis 10 μm liegt.
  27. Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die vordefinierte Dicke der Absorptionsschicht in einem Bereich von ungefähr 1 μm bis 10 μm liegt.
  28. Das Verfahren nach Anspruch 23, das ferner umfasst: Bilden eines zweiten Löthöckers über der Absorptionsschicht und bilden eines Grabens zwischen dem Löthöcker und dem zweiten Löthöcker, um dem Löthöcker und dem zweiten Löthöcker elektrisch zu isolieren.
  29. Das Verfahren nach Anspruch 28, wobei eine Breite des Grabens im Bereich von ungefähr 1 μm bis 100 μm liegt.
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