PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005033469A1 01.02.2007
Titel Halbleitersubstrat, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Bayerer, Reinhold, Dr., 59581 Warstein, DE;
Siepe, Dirk, Dr., 44229 Dortmund, DE;
Licht, Thomas, Dr., 59581 Warstein, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 18.07.2005
DE-Aktenzeichen 102005033469
Offenlegungstag 01.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/498(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 25/07(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 23/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01L 21/48(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Vorgeschlagen werden ein Halbleitersubstrat (1) und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei welchen ein Kontaktbereich (30) und ein entsprechendes Kontaktmaterial (30') des Halbleitersubstrats (1) bereichsweise oder vollständig mit einem Schutz (50) gegen Oxidation ausgebildet sind bzw. werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls. Die Erfindung betrifft insbesondere Verbesserungen der Bondbarkeit von Leistungshalbleitersubstraten nach Prozessen.

Bei der Weiterentwicklung der modernen Leistungshalbleiterelektronik spielen neben einer möglichen Miniaturisierung und der Verbesserung der Funktionszuverlässigkeit auch Vereinfachungen im Bereich der Herstellungsverfahren eine große Rolle, wobei möglichen Vereinfachungen keine Qualitätseinbußen entgegenstehen sollen.

Bisher werden bei bekannten Herstellungsverfahren Halbleitermodule mit Halbleitersubstraten auf Trägern dadurch hergestellt, dass die fertigen Halbleitersubstrate auf der Oberfläche des jeweils vorzusehenden Trägers angebracht und dann extern kontaktiert werden. Zwischen der eigentlichen Herstellung des Halbleitersubstrats und der Anbringung und Kontaktierung über beim Halbleitersubstrat vorgesehen Kontaktbereiche, also zwischen der eigentlichen Herstellung und dementsprechender Bestückungsverfahren beim Ausbilden der Module, können erhebliche Zeitspannen liegen, die durch einen entsprechenden Lagerungsprozess und/oder Transport für die einmal hergestellten Halbleitersubstrate überbrückt werden müssen.

Es ist nun bekannt, dass freiliegende Oberflächen der bei Halbleitersubstraten vorgesehenen Kontaktbereiche kontaminiert oder einem chemischen Umsetzungsprozess ausgesetzt sind, z.B. über oxidative Angriffe über den in der Atmosphäre vorgesehenen Luftsauerstoff.

Bei bekannten Herstellungs- und Montageverfahren wird daher eine Schutzgasatmosphäre, entweder beim Lagern und/oder beim Montierten oder Kontaktieren selbst, vorgesehen. Das Ausbilden und Gewährleisten einer entsprechenden Schutzgasatmosphäre über einen längeren Zeitraum bedeutet einen technischapparativen und auch finanziellen Mehraufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleitersubstrat sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zum Herstellen von Schaltungsmodulen anzugeben, bei welchen auf besonders einfache und doch zuverlässige Art und Weise qualitativ hochwertige Kontaktbereiche und entsprechende Kontakte realisiert und gewährleistet werden können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Halbleitersubstrat erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des Weiteren bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Gelöst wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch bei einem Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 21. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Kernidee der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form ist, dass bei einem Halbleitersubstrat ausgebildete oder auszubildende Kontaktbereiche widerstandsfähig und haltbar gemacht werden, insbesondere gegenüber oxidativen Prozessen aufgrund des in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoffs.

Demzufolge wird erfindungsgemäß ein Halbleitersubstrat vorgeschlagen, bei welchem ein Trägersubstrat mit einer Oberseite und mit einer Unterseite, mindestens eine Halbleiterschaltungsanordnung auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats und mindestens ein Kontaktbereich zum späteren externen und/oder internen Kontaktieren des Halbleitersubstrats aus oder mit einem Kontaktmaterial mit einem Oberflächenbereich auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats ausgebildet sind und bei welchem der Kontaktbereich und/oder das Kontaktmaterial bereichsweise oder vollständig mit einem Schutz gegen Oxidation ausgebildet sind.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es vorgesehen, dass der Schutz als ein oberster Materialbereich oder als eine Schutzschicht des Kontaktbereichs oder auf dem Kontaktbereich und der Oberfläche des Kontaktbereichs ausgebildet ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Schutz mehrschichtig ausgebildet ist.

Bei einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es vorgesehen, dass der Schutz als Beimischung oder als ein oder mehrere materielle Bestandteile des Kontaktbereichs und des Kontaktmaterials ausgebildet ist.

Denkbar ist es gemäß einer anderen zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es vorgesehen, dass der Schutz mit oder aus einer konformen und/oder koplanaren Schicht ausgebildet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der Schutz mit oder aus einer monomolekularen Schicht ausgebildet ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der Schutz mit oder aus einem Material oder einer beliebigen Kombination von Materialien aus der Gruppe ausgebildet ist, die gebildet wird von elektrisch isolierenden Materialien, elektrisch leitenden Materialien, organischen Materialien, Benzimidazolen, anorganischen Materialien, metallischen Materialien, Metallen, Ti, TiW, TiV, Cr, Al, Au, Ag, Pd, Ni, V, Pt, deren Legierungen und deren Oxiden.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Schutz als chemisch selektive, aufgedampfte, aufgesputterte, mittels Tauchbenetzung, mittels Sprühen und/oder mittels Drucken ausgebildete Struktur vorgesehen ist.

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist dieses zusätzlich oder alternativ als DCB-Substrat, als DAB-Substrat und/oder als AMB-Substrat ausgebildet.

Ferner ist es bei einer anderen Fortbildung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats zusätzlich oder alternativ denkbar, dass die Halbleiterschaltungsanordnung auf einem ersten Teil eines Kontaktbereichs und somit indirekt auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats ausgebildet ist und dass nur ein nicht von der Halbleiterschaltungsanordnung bedeckter zweiter Teil des Kontaktbereichs mit dem Schutz oder einem Teil des Schutzes ausgebildet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrat geschaffen, bei welchem ein Trägersubstrat mit einer Oberseite und mit einer Unterseite, mindestens eine Halbleiterschaltungsanordnung auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats und mindestens ein Kontaktbereich zum späteren externen und/oder internen Kontaktieren des Halbleitersubstrats aus oder mit einem Kontaktmaterial mit einem Oberflächenbereich auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats ausgebildet werden und bei welchem der Kontaktbereich und/oder das Kontaktmaterial bereichsweise oder vollständig mit einem Schutz gegen Oxidation ausgebildet werden.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es vorgesehen, dass der Schutz als ein oberster Materialbereich oder als eine Schutzschicht des Kontaktbereichs oder auf dem Kontaktbereich und der Oberfläche des Kontaktbereichs ausgebildet wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Schutz mehrschichtig ausgebildet wird.

Bei einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es vorgesehen, dass der Schutz als Beimischung oder als ein oder mehrere materielle Bestandteile des Kontaktbereichs und des Kontaktmaterials ausgebildet wird.

Denkbar ist es gemäß einer anderen zusätzlichen oder alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es vorgesehen, dass der Schutz mit oder aus einer konformen und/oder koplanaren Schicht ausgebildet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der Schutz mit oder aus einer monomolekularen Schicht ausgebildet wird.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der Schutz mit oder aus einem Material oder einer beliebigen Kombination von Materialien aus der Gruppe ausgebildet wird, die gebildet wird von elektrisch isolierenden Materialien, elektrisch leitenden Materialien, organischen Materialien, Benzimidazolen, anorganischen Materialien, metallischen Materialien, Metallen, Ti, TiW, TiV, Cr, Al, Au, Ag, Pd, Ni, V, Pt, deren Legierungen und deren Oxiden.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass der Schutz als chemisch selektive, aufgedampfte, aufgesputterte, mittels Tauchbenetzung, mittels Sprühen und/oder mittels Drucken ausgebildete Struktur vorgesehen wird.

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats wird dieses zusätzlich oder alternativ als DCB-Substrat, als DAB-Substrat und/oder als AMB-Substrat ausgebildet.

Ferner ist es bei einer anderen Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats zusätzlich oder alternativ denkbar, dass die Halbleiterschaltungsanordnung auf einem ersten Teil eines Kontaktbereichs und somit indirekt auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats ausgebildet wird und dass nur ein nicht von der Halbleiterschaltungsanordnung bedeckter zweiter Teil des Kontaktbereichs mit dem Schutz oder einem Teil des Schutzes ausgebildet wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls mit den Schritten geschaffen: (a) Bereitstellen mindestens eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats mit einer Halbleiterschaltung auf einem Trägersubstrat mit einer Unterseite, (b) Bereitstellen mindestens eines Trägers mit einer Oberseite oder Oberfläche, (c) Anbringen und Fixieren des Halbleitersubstrats mit der Unterseite des Substrats bzw. des Halbleitersubstrats auf der Oberseite oder Oberfläche des Trägers und (d) elektrisches Kontaktieren des Halbleitersubstrats durch Ausbilden eines elektrischen Kontakts zum Kontaktbereich, bei welchem bei Vorhandensein einer elektrisch isolierenden Schicht als Schutz des Kontaktbereichs oder eines Teils davon vor dem elektrischen Kontaktieren (d) die elektrisch isolierende Schutzschicht des Schutzes zunächst vollständig oder teilweise vom Kontaktbereich oder des Teils des Kontaktbereichs entfernt und dann beim elektrischen Kontaktieren (d) auf die freie Oberfläche des Kontaktbereichs aufkontaktiert wird oder bei welchem bei Vorhandensein einer elektrisch isolierenden Schicht als Schutz des Kontaktbereichs oder eines Teils davon beim elektrischen Kontaktieren (d) durch die Schutzschicht des Schutzes zum Kontaktbereich hin durchkontaktiert wird oder bei welchem bei Vorhandensein einer elektrisch leitenden Schutzschicht als Schutz des Kontaktbereichs oder eines Teils davon beim elektrischen Kontaktieren (d) auf die Schutzschicht des Schutzes auf kontaktiert wird.

Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden mit anderen Worten anhand der nachstehenden Bemerkungen weiter erläutert:

Schaltungsmodule und insbesondere Leistungshalbleitermodule sind elektronische Module die Schaltungen auf isolierenden Substraten beinhalten. Die Schaltungen bestehen sowohl aus Steuerelektronik als auch aus Leistungshalbleitern. Die Leistungshalbleiterschaltungen werden in der Regel auf sog. DCB- oder AMB-Substraten aufgebaut. Diese Substrate bestehen aus Keramiken zur Isolation und beidseitig dicken Cu-Schichten oder Al (typisch im Bereich von etwa 300 µm, also z.B. minimal im Bereich von etwa 50 µm und maximal im Bereich von etwa 1 mm), die im DCB-, DAB- oder AMB-Verfahren mit den Keramiken verbunden werden (DCB: direct copper bonding, DAB: direct Aluminium bonding; AMB: active metal brazing). Die Oberseite ist im allgemeinen Fall strukturiert. Darauf sind auch die Leistungshalbleiterchips montiert (Löten, NTV, Kleben, o. andere). Die mit Leistungshalbleitern bestückten Substrate werden häufig in einem eigenen Löt- oder sonstigem Verbindungsprozess hergestellt, während dem auch Verbindungen von den Chipoberseiten zu den zugeordneten Substratkontaktflächen gezogen werden. Diese Verbindungen erfolgen in der Regel mit Ultraschalldrahtbonden. In diesem Zustand sind diese Substrate bereits elektrisch testbar. Somit können schadhafte Substrate für Module mit mehreren Substraten vor dem Zusammenbau (durch Löten, NTV, Kleben auf dem Träger) aussortiert werden und die Ausbeute des gesamten Moduls steigt. Nach dem Zusammenbau in Modulen sind in der Regel noch weitere elektrische Verbindungen zwischen den Substraten eines Moduls herzustellen. Diese werden häufig ebenfalls mit Drahtbonds, Löt-, Laserschweißen oder anderen Schweißverfahren hergestellt. Zwischen den Herstellprozessen der Substrate inkl. der elektrischen Tests und dem Zusammenbau mit Verbindung im Modul lagern Substrate einige Zeit. Sie werden zum Teil auch thermischen Prozessen unterzogen oder sogar an andere Fertigungslinien übersandt. Auch der elektrische Test läuft unter hoher Temperatur (70°–200°C) ab und stellt einen der thermischen Prozesse dar. Um Oxidation der freien Metalloberflächen (Cu, Ni) der Substrate zu vermeiden, geschieht die Lagerung in N2-Atmosphäre. Heißprozesse werden unter Schutzgas (N2, H2/N2 oder ähnlichem) durchgeführt. Der Transport geschieht in vakuumdichten Behältern. Die Bereitstellung von Schutzgas-Atmosphäre macht hohen apparativen Aufwand und erzeugt Kosten durch den Verbrauch der Gase. Vakuumdichte Behälter für den Transport sind sehr aufwändig. Diese Nachteile sollen dadurch vermieden werden, dass die Substrate resistent gegen thermische Prozesse, Lagerung und Transport an Luft werden. Resistent heißt, die Verbindungsprozesse im Modul sind mit hoher Qualität und Ausbeute durchführbar ohne Verminderung der Qualität.

Bisher erfolgte ein Schutz durch Lagerung, Zwischenprozesse und Transport unter Schutzgas oder Vakuum.

Die Substrate sollen entsprechend vor der Bestückung mit Chips vorbehandelt werden, dass die nach der Bestückung freiliegenden Metalloberflächen, die für die spätere Montage und Verbindung im Modul benötigt werden, ausreichend rein bleiben und ausreichend geringe Oxidation zeigen. Alternativ werden die Substrate direkt nach oder in dem Herstellprozess der Substrate behandelt, um sie "frisch" zu halten.

Ein Aspekt der Erfindung besteht also darin, dass Substrate durch Vorbehandlung gegen Luftatmosphäre (Oxidation) resistent gemacht werden.

Ausführungsbeispiele

  • a. Im Fall von Substraten, die eine blanke Cu-Oberfläche haben, wird durch einen Monolayer bzw. eine kopolanare Schicht die Reaktion der Kupferoberfläche mit Sauerstoff unterbunden. Diese ist zwischen einigen Nanometern und ca. 2 µm dick und besteht beispielsweise aus Benzimidazolen (darauf basierendes Produkt z.B. die Entek Plus Familie von Enthone). Diese Schicht kann für Lötverbindungen auf der Oberfläche verbleiben, wird beim US-Bonden durchstoßen und kann auch selektiv aufgebracht werden. Diese Schichten zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie mittels Lösungsmitteln entfernt werden können. Die Benetzungsfähigkeit der Kupferoberfläche wird nicht verändert. Der Auftrag dieser Schicht erfolgt mit üblichen Beschichtungsverfahren für wässrige Substanzen, hervorzuheben sind hier die Tauchbenetzung, Sprühverfahren oder Druckverfahren (Schablonendruck, Tampondruck, Walzendruck). Alternativ oder auch ergänzend kann eine Schicht mittels eines Sol-Gel-Verfahrens erzeugt werden. Diese dient neben dem Oxidationsschutz auch der Realisierung einer guten Haftung für anschließende Schichten bzw. Klebeschichten o.Ä.
  • b. Im Fall von vernickelten Oberflächen kann das gleiche wie unter a. beschriebene Verfahren verwendet werden.
  • c. Substrate, die eine Cu- (DCB) oder Ni-Oberfläche haben, werden mit einer dünnen Schicht (2 nm,..., 100 nm) Ti, TiW, TiV, V, Cr, Pt, deren Legierungen oder deren Oxide selektiv dort besputtert oder bedampft, wo keine Chips aufgelötet werden sollen. Die aufgetragenen Schichten verhindern eine Oxidation der Oberflächen und erlauben Verbindungen z.B. per Ultraschall, Laserschweißen o.ä. Außerdem stellen die Schichten einen Lötstopp dar, so dass Lot, das zum Auflöten der Chips benötigt wird, nicht ausfließen kann. Die Zusatzschichten werden mit Hilfe von Schablonen, die zumindest die Chiplötflächen abdecken, selektiv aufgetragen.
  • d. Die dünnen Schichten unter c. werden mit besonders gut bondbaren (Ultraschall) nicht oxidierenden Oberflächen z.B. Al erstärkt (Sputtern, Aufdampfen) – 100 nm,..., 20 µm – typisch: 3 µm.
  • e. Für den Fall, dass die Rückseiten der Substrate durch Kleben im Modul montiert werden sollen und es sich um Cu- oder Ni-Oberflächen handelt, werden die Schichten unter c., oder auch noch wie unter d. auch auf die Rückseite aufgetragen. Dies ermöglicht eine bessere Haftung der Klebstoffe und eine dauerhafte Klebekraft, weil die Oxidation der Metalloberfläche an der Klebergrenzschicht dadurch auch dauerhaft vermieden wird.
  • f. Substrate, die mit Al als Leiterbahnen hergestellt sind, werden vor der Verarbeitung auf den zu lötenden Flächen mit Ti,... oder Cr besputtert oder bedampft mit Ni verstärkt um eine lötbare Oberfläche zu schaffen. Die frei bleibenden Al-Oberflächen oxidieren auch an Luft nicht weiter, so dass diese fertigen Substrate später ohne Mehraufwand geklebt werden können und/oder mit Drahtbonds per Ultraschall verbunden werden können.
  • g. Substrate mit dickem Al, können neben Ti,..., Cr und Ni, NiP, NiB auch noch mit weiteren Schichten auf den Lötflächen aufmetallisiert werden: z.B. Ag, Pd, Au.
  • h. Alternativ können die Zusatzschichten auch chemisch selektiv aufgebracht werden.
  • i. Substrate, auf denen Chips mit NTV (Niedertemperatur-Sinterverfahren mit Silberpaste) montiert werden, werden im Fall von dick mit Al beschichteten Substraten, die Montageflächen wie f oder g selektiv versilbert oder vergoldet. Die restlichen Bereiche behalten ihre Al-Oberflächen.
  • j. Sollen die Substrate auf der Rückseite gelötet werden, werden Al-Substrate auf der Rückseite vernickelt und versilbert oder vergoldet.
  • k. Substrate mit dicken Cu-Schichten (DCB, AMB) werden zur Verbindung mit NTV oben komplett vergoldet oder versilbert. Sollen sie auf der Rückseite gelötet oder ebenfalls mit NTV verbunden werden, werden diese auch auf der Rückseite versilbert oder vergoldet. Der darunter liegende Aufbau erfolgt wie unter c und g.

Die Substrate werden entweder selektiv beschichtet oder nach den Herstellungsprozessen konserviert, so dass Lagerung, Transport und thermische Prozesse vor Herstellung der Verbindungen im Modul auch Luftatmosphäre möglich sind.

Nachfolgend werden diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen weiter erläutert.

1 ist eine geschnittene und schematische Seitenansicht einer Vorstufe einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats.

2 ist eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats.

3, 4 sind schematische und geschnittene Seitenansichten von Anwendungen des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats aus 2.

5AB sind schematische und geschnittene Seitenansichten von Anwendungen des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats aus 2.

6AC sind schematische und geschnittene Seitenansichten, die verschiedene Zwischenstadien eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats zeigen.

7AC sind schematische und geschnittene Seitenansichten, die verschiedene Zwischenstadien eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats zeigen.

8 ist eine schematische und geschnittene Seitenansichten, die eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats zeigt.

Nachfolgend werden strukturell und/oder funktionell ähnliche oder vergleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte Beschreibung wiederholt wird.

1 zeigt eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer Vorstufe eines Halbleitersubstrats 1', wie es einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auch zugrunde gelegt werden kann. Entsprechend kann die Anordnung des Halbleitersubstrats 1' aus 1 auch als Halbleitersubstrat 1' aus dem Stand der Technik bezeichnet werden.

Dem Halbleitersubstrat 1' aus dem Stand der Technik als Vorstufe einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens liegt ein Keramiksubstrat als Träger 20 zugrunde. Es kann sich aber auch um einen beliebigen anderen Isolator handeln. Der Träger 20 besitzt eine Oberseite oder Oberfläche 20a sowie eine Unterseite 20b, die gleichzeitig auch die Unterseite 1b des herkömmlichen Halbleitersubstrats 1' bildet. Auf der Oberseite 20a des Trägers 20 ist ein Kontaktbereich 30 eines Kontaktmaterials 30' ausgebildet, der seinerseits ebenfalls eine Oberfläche 30a oder eine Oberseite 30a aufweist, die der Oberseite 20a des Trägers 20 abgewandt ist. Auf der Oberfläche oder Oberseite 30a und das Kontaktbereichs 30 ist eine Halbleiterschaltungsanordnung 20 in Form eines Chips C ausgebildet. Ein erster Teil 30-1 des Kontaktbereichs 30 wird vom Chip C der Halbleiterschaltungsanordnung 10 abgedeckt, während ein zweiter Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 im Hinblick auf seine Oberseite 30a frei bleibt. Angedeutet ist auch eine optionale Rückseitenmetallisierung 31, die auf der Unterseite 20b des Trägers 20 ausgebildet ist und der späteren Kontaktierung und thermischen Anbindung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 vom Zusammenfügen (Löten, NTV, Kleben) zu einem Halbleitermodul 100 dienen kann.

Die in 2 gezeigte Situation, ebenfalls in Form einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht spiegelt im Wesentlichen die Verhältnisse der Anordnung aus 1 wieder. Insgesamt gesehen ist dort eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 dargestellt.

Auf einem Träger 20 mit einer Oberseite 20a oder Oberfläche 20a und einer Unterseite 20b, die auch die Unterseite 1b des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 bildet, ist ein Kontaktbereich 30 auf einem Kontaktmaterial 30' mit einer Oberseite 30a oder Oberfläche 30a vorgesehen. Auf der Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 ist ein Chip für eine Halbleiterschaltungsanordnung 10 derart vorgesehen, dass ein erster Teil 30-1 des Kontaktbereichs 30 und somit ein erster Teil der entsprechenden Oberfläche 30a vom Chip C abgedeckt wird, während ein zweiter Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 und somit der Oberfläche 30a frei bleiben.

Der frei bleibende Bereich 30-2 des Kontaktbereichs 30 ist bei der Ausführungsform der 2 mit einem Schutz 50 oder Schutzbereich 50 in Form einer Schutzschicht 50s mit einer Oberfläche 50a abgedeckt, so dass bei der Lagerung oder auch bei Weiterverarbeitungsschritten diese Schutzschicht 50s als Diffusionsbarriere für schädliche Atmosphärenbestandteile zum Kontaktbereich 30 und des entsprechenden Kontaktmaterials 30' dient, so dass eine Verschlechterung durch eine chemische Umsetzung mit dem Kontaktmaterial 30' vermieden wird und somit das erfindungsgemäße Halbleitersubstrat 1 insgesamt gesehen resistent gemacht wird.

3 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht die Verwendung der in 2 gezeigten Anordnung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 bei einem Schaltungsmodul 100.

Dabei ist die in 2 gezeigte Anordnung für das erfindungsgemäße Halbleitersubstrat 1 mit der Unterseite 20b, 1b und der entsprechenden Rückseitenmetallisierung 31 auf der Oberfläche 40a eines Trägersubstrats 40 angebracht und fixiert.

Die Anordnung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten Anordnung.

Auf einem Träger 20 mit einer Oberseite 20a oder Oberfläche 20a und einer Unterseite 20b, die auch die Unterseite 1b des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 bildet, ist ein Kontaktbereich 30 auf einem Kontaktmaterial 30' mit einer Oberseite 30a oder Oberfläche 30a vorgesehen. Auf der Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 ist ein Chip für eine Halbleiterschaltungsanordnung 10 derart vorgesehen, dass ein erster Teil 30-1 des Kontaktbereichs 30 und somit ein erster Teil der entsprechenden Oberfläche 30a vom Chip C abgedeckt wird, während ein zweiter Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 und somit der Oberfläche 30a frei bleiben.

Der frei bleibende zweite Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 ist an seiner Oberfläche 30a wiederum mit einer Schutzschicht 50s als Schutz 50 und der Schutzbereich 50 mit der entsprechenden Oberfläche 50a ausgebildet.

Vorgesehen ist hier ein Kontakt 60 in Form eines Bonddrahtes 61 dessen Kontaktende 62 als Aufkontaktierung auf der Oberfläche 50a der Schutzschicht 50s des Schutzbereichs 50 angebracht ist. Dies setzt voraus, dass das Material der Schutzschicht 50s des Schutzbereichs 50 elektrisch leitfähig ist.

Bei der Ausführungsform der 4 kann dagegen das Material der Schutzschicht 50s des Schutzbereichs 50 auch elektrisch isolierend ausgebildet sein, da die Kontaktstelle 62 des als Kontakt 60 dienenden Bonddrahts 61 hier in einer Durchkontaktierung bis auf die Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 und insbesondere des zweiten Teils 30-2 davon reicht, um eine elektrische Kontaktierung zu erreichen.

Im Übrigen entspricht die in 4 gezeigte Anordnung den Gegebenheiten aus den 2 und 3.

Auf einem Träger 20 mit einer Oberseite 20a oder Oberfläche 20a und einer Unterseite 20b, die auch die Unterseite 1b des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 bildet, ist ein Kontaktbereich 30 auf einem Kontaktmaterial 30' mit einer Oberseite 30a oder Oberfläche 30a vorgesehen. Auf der Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 ist ein Chip für eine Halbleiterschaltungsanordnung 10 derart vorgesehen, dass ein erster Teil 30-1 des Kontaktbereichs 30 und somit ein erster Teil der entsprechenden Oberfläche 30a vom Chip C abgedeckt wird, während ein zweiter Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 und somit der Oberfläche 30a frei bleiben.

Die Unterseite 20b, 1b des Substrats 20 bzw. des Halbleitersubstrats 1 ist wieder mit der Unterseitenmetallisierung 31 dazwischen auf der Oberfläche 40a eines vorgesehenen Trägersubstrats 40 des ausgebildeten Schaltungsmoduls 100 angeordnet.

Die 5A und 5B zeigen vergleichbare Anordnungen, bei welchen, ausgehend von einer Anordnung gemäß der 2 für ein Halbleitersubstrat 1, das Halbleitersubstrat 1 zunächst mit der Unterseite 20b, 1b und der dazwischen vorzusehenden Rückseitenmetallisierung 31 auf der Oberfläche 40a eines Trägersubstrats 40 für ein Schaltungsmodul 100 angeordnet wird. Gemäß der Darstellung der 5A wird dann die Schutzschicht 50s des Schutzbereichs 50 vom zweiten Teil 30-2 und der entsprechenden Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 entfernt, wobei dies vorzugsweise kurz vor der Ausbildung einer Kontaktierung geschieht. Durch diesen Vorgang liegt dann die Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 im Bereich des zweiten Teils 30-2 wieder frei, so dass im Übergang zu der in 5B gezeigten Situation eine direkte Kontaktierung eines Kontakts 60 in Form eines Bonddrahts 61 mit einem Kontaktende 62 direkt auf der Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 erfolgen kann.

Die Abfolge der 6A bis 6C zeigen die Ausbildung einer anderen Art Schutz 50 bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1.

In der 6A ist zunächst der Träger 20 mit seiner Oberseite 20a und seiner Unterseite 20b dargestellt, wobei auf der Oberseite 20a großflächig das Material 30' für den Kontaktbereich 30 mit einer entsprechenden Oberfläche 30a vorgesehen ist.

Im Übergang zu dem in 6B gezeigten Zwischenzustand wird dann im Bereich eines ersten Teils 30-1 des Kontaktbereichs 30 der Chip C für die Halbleiterschaltungsanordnung 10 derart aufgebracht, dass ein zweiter Teil 30-2 des Kontaktbereichs frei bleibt.

Im Übergang zu dem in 6C gezeigten Zwischenzustand wird dann über die frei gebliebene Oberfläche 30a des zweiten Teils 30-2 des Kontaktbereichs 30 eine Art Dotierung in das Material 30' eingebracht. Durch diese Dotierung wird die Resistenz gegenüber den atmosphärischen Bestandteilen, insbesondere gegenüber Luftsauerstoff, erreicht. Es ergibt sich also hier der vorteilhafte Schutz 50 durch eine Materialkombination des ursprünglichen Materials 30' für den Kontaktbereich in Kombination mit dem entsprechend vorzusehenden Dotierstoff.

Bei der Ausführungsform, die gemäß der Abfolge der 7A bis 7C ausgebildet wird, findet keine nachträgliche Dotierung eines einmal abgeschiedenen Materials 30' für den Kontaktbereich 30 statt, sondern durch ein simultanes Abscheiden des Materials 30' für den Kontaktbereich 30 und eines entsprechenden Dotierstoffs.

Dies bedeutet im Detail, dass zunächst, ausgehend vom Zustand der 7A, bei welchem das Substrat 20 mit der Oberfläche 20a und der Unterseite 20b vorgesehen wird im Überspann zu den in 7B gezeigten Zwischenzustand simultan ein Stoffgemisch aus dem eigentlichen Kontaktmaterial 30' und einem Dotierstoff als Kontaktbereich 30 abgeschieden wird. Durch die materielle Kombination des eigentlichen Kontaktmaterials 30' mit dem Dotierstoff ergibt sich bereits die Beständigkeit gegenüber den bisher schädlichen atmosphärischen Bestandteilen.

Nach Fertigstellung des so bereits geschützten Kontaktbereichs 30, nämlich durch inhärentes und durch Materialmischen ausgebildeten Schutzes 50, findet dann das Aufbringen des Chips C für die Halbleiterschaltungsanordnung 10 in einem ersten Teil 30-1 des Kontaktbereichs 30 statt, so dass wiederum der zweite Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 für eine spätere Kontaktierung frei bleibt.

8 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 im Zusammenhang mit einem Schaltungsmodul 100.

Auf einem Träger 20 mit einer Oberseite 20a oder Oberfläche 20a und einer Unterseite 20b, die auch die Unterseite 1b des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 bildet, ist ein Kontaktbereich 30 auf einem Kontaktmaterial 30' mit einer Oberseite 30a oder Oberfläche 30a vorgesehen, und zwar in Form einer Aluminiumschicht. Auf der Oberfläche 30a des Kontaktbereichs 30 ist ein Chip für eine Halbleiterschaltungsanordnung 10 derart vorgesehen, dass ein erster Teil 30-1 des Kontaktbereichs 30 und somit ein erster Teil der entsprechenden Oberfläche 30a vom Chip C abgedeckt wird, während ein zweiter Teil 30-2 des Kontaktbereichs 30 und somit der Oberfläche 30a frei bleiben.

Der bedeckte Bereich 30-1 des Kontaktbereichs 30 ist bei der Ausführungsform der 8 mit einem Schutz 50 oder Schutzbereich 50 in Form einer Schutzschicht 50s mit einer Oberfläche 50a abgedeckt, und zwar in Form einer lötfähigen Schicht.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats 1 gemäß 8 ist auch die Rückseitenmetallisierung 31 mit einem Schutz 50 in Form einer Schutzschicht 50s aus einem Schutzmaterial 50' vorgesehen. Daran schließt sich ein Verbindungsschicht an, z.B. in Form einer Lötung, einer NTV-Schicht oder in Form einer Klebung, über welche diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats auf der Oberseite 40a des Trägers angebracht und fixiert ist.

1
Halbleitersubstrat
1b
Unterseite
10
Halbleiterschaltungsanordnung
20
Trägersubstrat
20a
Oberseite, Oberfläche
20b
Unterseite
30
Kontaktbereich
30'
Kontaktmaterial
30a
Oberfläche, Oberseite
30-1
erster Bereich, erster Teil
30-2
zweiter Bereich, zweiter Teil
31
Rückseitenmetallisierung
40
Träger eines Schaltungsmoduls
40a
Oberseite, Oberfläche
50
Schutz, Schutzbereich
50a
Oberseite, Oberfläche
50s
Schutzschicht
50'
Schutzmaterial
60
Kontakt
61
Bonddraht
62
Kontaktende, Ende
100
Schaltungsmodul
C
Chip


Anspruch[de]
Halbleitersubstrat (1),

– bei welchem ein Trägersubstrat (20) mit einer Oberseite (20a) und mit einer Unterseite (20b), mindestens eine Halbleiterschaltungsanordnung (10) auf der Oberseite (20a) und/oder auf der Unterseite (20b) des Trägersubstrats (20) und mindestens ein Kontaktbereich (30) zum späteren externen und/oder internen Kontaktieren des Halbleitersubstrats (1) aus oder mit einem Kontaktmaterial (30') mit einem Oberflächenbereich (30a) auf der Oberseite (30a) und/oder auf der Unterseite (20b) des Trägersubstrats (20) ausgebildet sind, und

– bei welchem der Kontaktbereich (30) und/oder das Kontaktmaterial (30') bereichsweise oder vollständig mit einem Schutz (50) gegen Oxidation ausgebildet sind.
Halbleitersubstrat nach Anspruch 1, bei welchem der Schutz (50) als ein oberster Materialbereich oder als eine Schutzschicht (50s) des Kontaktbereichs (30) oder auf dem Kontaktbereich (30) und der Oberfläche (30a) des Kontaktbereichs (30) ausgebildet ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schutz (50) mehrschichtig ausgebildet ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schutz (50) als Beimischung oder als ein oder mehrere materielle Bestandteile des Kontaktbereichs (30) und des Kontaktmaterials (30') ausgebildet ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schutz (50) mit oder aus einer konformen und/oder koplanaren Schicht ausgebildet ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schutz (50) mit oder aus einer monomolekularen Schicht ausgebildet ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schutz (50) mit oder aus einem Material oder einer beliebigen Kombination von Materialien aus der Gruppe ausgebildet ist, die gebildet wird von elektrisch isolierenden Materialien, elektrisch leitenden Materialien, organischen Materialien, Benzimidazolen, anorganischen Materialien, metallischen Materialien, Metallen, Ti, TiW, TiV, Cr, Al, Au, Ag, Pd, Ni, V, Pt, deren Legierungen und deren Oxiden. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schutz (50) als chemisch selektive, aufgedampfte, aufgesputterte, mittels Tauchbenetzung, mittels Sprühen und/oder mittels Drucken ausgebildete Struktur vorgesehen ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches als DCB-Substrat, als DAB-Substrat und/oder als AMB-Substrat ausgebildet ist. Halbleitersubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche,

– bei welchem die Halbleiterschaltungsanordnung (10) auf einem ersten Teil (30-1) eines Kontaktbereichs (30) und somit indirekt auf der Oberseite (20a) und/oder auf der Unterseite (20b) des Trägersubstrats (20) ausgebildet ist und

– bei welchem nur ein nicht von der Halbleiterschaltungsanordnung (10) bedeckter zweiter Teil des Kontaktbereichs (30) mit dem Schutz (50) oder einem Teil (30-2) des Schutzes (50) ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats (1),

– bei welchem ein Trägersubstrat (20) mit einer Oberseite (20a) und mit einer Unterseite (20b) mindestens eine Halbleiterschaltungsanordnung (10) auf der Oberseite (20a) und/oder auf der Unterseite (20b) des Trägersubstrats (20) und mindestens ein Kontaktbereich (30) zum späteren externen und/oder internen Kontaktieren des Halbleitersubstrats (1) aus oder mit einem Kontaktmaterial (30') mit einem Oberflächenbereich (30a) auf der Oberseite (30a) und/oder auf der Unterseite (20b) des Trägersubstrats (20) ausgebildet werden, und

– bei welchem der Kontaktbereich (30) und/oder das Kontaktmaterial (30') bereichsweise oder vollständig mit einem Schutz (50) gegen Oxidation ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Schutz (50) als ein oberster Materialbereich oder als eine Schutzschicht (50s) des Kontaktbereichs (30) oder auf dem Kontaktbereich (30) und der Oberfläche (30a) des Kontaktbereichs (30) ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 oder 12, bei welchem der Schutz (50) mehrschichtig ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 13, bei welchem der Schutz (50) als Beimischung oder als ein oder mehrere materielle Bestandteile des Kontaktbereichs (30) und des Kontaktmaterials (30') ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 14, bei welchem der Schutz (50) mit oder aus einer konformen und/oder koplanaren Schicht ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 15, bei welchem der Schutz (50) mit oder aus einer monomolekularen Schicht ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 16, bei welchem der Schutz (50) mit oder aus einem Material oder einer beliebigen Kombination von Materialien aus der Gruppe ausgebildet wird, die gebildet wird von elektrisch isolierenden Materialien, elektrisch leitenden Materialien, organischen Materialien, Benzimidazolen, anorganischen Materialien, metallischen Materialien, Metallen, Ti, TiW, TiV, Cr, Al, Au, Ag, Pd, Ni, V, Pt, deren Legierungen und deren Oxiden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 17, bei welchem der Schutz (50) als chemisch selektive, aufgedampfte, aufgesputterte, mittels Tauchbenetzung, mittels Sprühen und/oder mittels Drucken ausgebildete Struktur vorgesehen wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 18, bei welchem das Halbleitersubstrat (1) als DCB-Substrat, als DAB-Substrat und/oder als AMB-Substrat ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 19,

– bei welchem die Halbleiterschaltungsanordnung (10) auf einem ersten Teil (30-1) eines Kontaktbereichs (30) und somit indirekt auf der Oberseite (20a) und/oder auf der Unterseite (20b) des Trägersubstrats (20) ausgebildet wird und

– bei welchem nur ein nicht von der Halbleiterschaltungsanordnung (10) bedeckter zweiter Teil (30-2) des Kontaktbereichs (30) mit dem Schutz (50) oder einem Teil des Schutzes (50) ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmoduls (100), mit den Schritten:

(a) Bereitstellen mindestens eines Halbleitersubstrats (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10 mit einer Halbleiterschaltung (10) auf einem Trägersubstrat (20) mit einer Unterseite (20b, 1b),

(b) Bereitstellen mindestens eines Trägers (40) mit einer Oberseite oder Oberfläche (40a),

(c) Anbringen und Fixieren des Halbleitersubstrats (1) mit der Unterseite (20b, 1b) des Substrats (20) bzw. des Halbleitersubstrats (1) auf der Oberseite oder Oberfläche (40a) des Trägers (40) und

(d) elektrisches Kontaktieren des Halbleitersubstrats (1) durch Ausbilden eines elektrischen Kontakts (60, 61, 62) zum Kontaktbereich (30),

– bei welchem bei Vorhandensein einer elektrisch isolierenden Schicht (50s) als Schutz (50) des Kontaktbereichs (30) oder eines Teils (30-2) davon vor dem elektrischen Kontaktieren (d) die elektrisch isolierende Schutzschicht (50s) des Schutzes (50) zunächst vollständig oder teilweise vom Kontaktbereich (30) oder des Teils (30-2) des Kontaktbereichs (30) entfernt und dann beim elektrischen Kontaktieren (d) auf die freie Oberfläche (30a) des Kontaktbereichs auf kontaktiert wird oder

– bei welchem bei Vorhandensein einer elektrisch isolierenden Schicht (50s) als Schutz (50) des Kontaktbereichs (30) oder eines Teils (30-2) davon beim elektrischen Kontaktieren (d) durch die Schutzschicht (50s) des Schutzes (50) zum Kontaktbereich (30) hin durchkontaktiert wird oder

– bei welchem bei Vorhandensein einer elektrisch leitenden Schutzschicht (50s) als Schutz (50) des Kontaktbereichs (30) oder eines Teils (30-2) davon beim elektrischen Kontaktieren (d) auf die Schutzschicht (50s) des Schutzes (50) auf kontaktiert wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com