DE4023776A1 - Mehrschichtiger wandler mit gebondeten kontakten und verfahren zur durchfuehrung des bondens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Wandler mit gebondeten Kontakten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, und ein Verfahren zur Durchführung des Bon­ dungsvorganges gemäß Oberbegriff des Anspruches 2.

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

Normalerweise werden elektrische Kontakte zu externen Schaltkreisen über separate Kontaktflächen hergestellt. Eine Kontaktfläche stellt eine metallisierte, im allgemeinen qua­ dratische Fläche dar, welche zum Bonden von elektrischen Leitungen, die von dem elektrischen Schaltkreis geführt wer­ den, verwendet wird. Die Kontaktfläche ist innerhalb des Wandlers mit entsprechenden Teilen des Sensoraufbaues elek­ trisch verbunden. Eine Wandlerstruktur wird in Fig. 1 gezeigt, deren Konstruktion beispielsweise aus dem US-Patent Nr. 45 97 027 bekannt ist.

Kontaktflächen des oben beschriebenen Typs liegen in einem Wandler auf einer einzigen Bondebene, welche parallel zu dem planaren Substrat liegt, weil solche Bondflächen beispiels­ weise durch Photolithographie und Vakuumabscheidung mittels Verdampfen vor dem Zerteilen des Wandlerwafers in Plättchen leicht herzustellen sind. Die ebenen Bondflächen, die für die Kontaktflächen vorgesehen sind, vergrößern jedoch ganz wesentlich die äußeren Dimensionen der Wandler. Weil die Größe des Wandlers in linearem Zusammenhang mit den Stück­ kosten steht, liegt es im Interesse des Herstellers, einen möglichst kleinflächigen Wandler zu entwickeln. Demzufolge vergrößern die vorhandenen Kontaktflächen bei der konventio­ nellen Technologie die Kosten des Wandlers. Einen weiteren Nachteil stellt die problematische Bildung Ohmscher Kontakte von innerhalb des Wandlers zu den Kontaktflächen der Bondebenen dar, da das Herstellungsverfahren bestimmte Maß­ nahmen zur Verhinderung von Kurzschlüssen der Ohmschen Lei­ ter zu anderen leitenden Teilen des Wandlers bereitstellen muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der oben dargelegten, im Stand der Technik bekannten Technologie zu überwinden, und einen neuen Typ eines mehrschichtigen Wandlers mit gebondeten Kontakten, sowie ein Verfahren zur Durchführung der Bondung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen mehrschichtigen Wandler der eingangs erwähnten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1, und durch ein Verfahren gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruches 2.

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

Die Erfindung weist signifikante Vorzüge auf.

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

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

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 das Ohmsche Bonden eines herkömmlichen Wandlers in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wandler in perspektivischer Ansicht; und

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

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

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

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

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

Die Ohmschen Kontaktflächen 5′ werden einzeln bei jedem getrennten Chip beispielsweise mittels der oben erwähnten laserunterstützten Abscheideprozesse von metallischen Schichten hergestellt, welche zum Beispiel bei den folgenden Publikationen beschrieben sind: R. Solanki et al. "Low-Temperature Refractory Metal Film Deposition", Appl. Phys. Lett., 41, (11), 1. Dezember 1982 R. M. Osgood et al. "Laser Microchemistry for Direct Writing of Microstructures", Proc. SPIE, 385, 112 bis 117, 1983.

Dieter Bäuerle, "Laser-Induced Chemical Vapor Deposition", in "Laser Processing and Diagnostics", ed. D. Bäuerle, Springer Verlag 1984.

T. Cacouris et al. "Laser Direct Writing of Aluminium Con­ ductors", Appl. Phys. Lett., 52, (22), 30. Mai 1988.

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

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

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

Claims (9)

1. Wandler (1′) mit elektrischen Kontakten (5′), welcher durch Abscheidung von planaren leitenden und isolieren­ den Schichten (2′, 3′, 4′) in einen Wafer (8) mit einem Matrixmuster, aus dem jedes Matrixelement durch eine senkrecht zur Waferebene (8) angewandte Verarbeitung in einzelne Wandler (1′) getrennt werden kann, hergestellt wird, wobei sich einige der galvanisch voneinander getrennten leitenden Schichten bis zu senkrechten Ober­ flächen der getrennten Wandler erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (5′) des Wandlers (1′) an denjenigen leitenden Teilen der senkrechten Oberflächen (7) des Wandlers (1′) angeordnet sind, welche ausgebil­ det sind, wenn der Wandler (1′) von dem Wafer (8) getrennt ist.

2. Verfahren zur Bildung elektrischer Kontakte einer Wand­ lerstruktur, die mittels Abscheidung planarer leitender und isolierender Schichten in einen Wafer (8) mit einem Matrixmuster, aus dem jedes Matrixelement durch eine senkrecht zur Waferebene (8) angewandte Verarbeitung in einzelne Wandler (1′) getrennt werden kann, wobei einige der galvanisch voneinander getrennten leitenden Schichten sich zu den senkrechten Oberflächen der getrennten Wandler erstrecken, hergestellt wird, gekennzeichnet durch Anordnen der elektrischen Kontakte (5′) des Wandlers (1′) auf denjenigen leitenden Teilen der senkrechten Oberflächen (7) des Wandlers (1′), die gebildet werden, wenn der Wandler (1′) von dem Wafer (8) getrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5′) mittels eines laserunterstütz­ ten Abscheideverfahrens gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (1′) in eine gasdichte Kammer eingebracht wird, die mit einem Gas gefüllt ist, welches ein gewünschtes Metall enthält, wobei die Kammer ein laser­ strahldurchlässiges oberes Fenster enthält, und die Seitenoberfläche (7) des Wandlers (1′) mit einem Laser­ strahl an einer gewünschten Stelle (5′) erhitzt wird, wodurch das metallhaltige Gas an der erhitzten Stelle (5′) pyrolysiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5′) unter Verwendung eines Dampfab­ scheideverfahrens gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5′) unter Verwendung eines Sput­ terabscheideprozesses gebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5′) unter Verwendung eines elektro­ lytischen Galvanisierungsverfahrens gebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5′) unter Verwendung eines autoka­ talytischen Galvanisierungsverfahrens gebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5′) bei den gewünschten Flächen durch eine Maske hindurch gebildet werden, welche bei­ spielsweise aus einem fotoempfindlichen Polymerkunst­ stoff durch Belichten und Entwickeln der gewünschten Öffnungen der Maske hergestellt wird.