DE10244446A1 - Semiconductor chip or semiconductor chip stack - Google Patents
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Abstract
Zur Anwendung in Chipkarten gedünnte Halbleiterchips (1) oder Halbleiterchipstapel besitzen Anordnungen der Richtungen (A, B) von Abschnitten der Leiterbahnen (2) auf einer (1,0,0)-Oberseite, die mit den {0,1,0}-Ebenen und den {0,0,1}-Ebenen des Siliziumkristalls Winkel (6, 7) von mindestens 10 DEG einschließen, um die Bruchsicherheit zu erhöhen.Semiconductor chips (1) or semiconductor chip stacks thinned for use in chip cards have arrangements of the directions (A, B) of sections of the conductor tracks (2) on a (1,0,0) upper side, which correspond to the {0,1,0} - Include planes and the {0,0,1} planes of the silicon crystal angles (6, 7) of at least 10 ° in order to increase the safety against breakage.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterchip oder Halbleiterchipstapel mit einer integrierten Schaltung, die zum Einsatz in einer Chipkarte vorgesehen ist.The present invention relates to a semiconductor chip or semiconductor chip stack with an integrated Circuit which is intended for use in a chip card.
In Chipkarten, aber beispielsweise auch in elektronischen Briefsortieranlagen, werden die IC-Chips starken Biegungen ausgesetzt. Die mechanische Stabilität vieler Chips ist dafür nicht ausreichend. Wenn die Chips in ein stabilisierendes Gehäuse eingebaut werden, ist das zwangsläufig mit einer Erhöhung der Gesamtdicke verbunden. Im Chipkartenbereich ist die Dicke der Chips auf 185 μm begrenzt. Die Chipfläche wird hier zur Verminderung der Bruchgefahr auf maximal 25 mm2 begrenzt.In chip cards, but also in electronic letter sorting systems, for example, the IC chips are exposed to sharp bends. The mechanical stability of many chips is not sufficient for this. If the chips are installed in a stabilizing housing, this inevitably involves an increase in the overall thickness. In the chip card area, the thickness of the chips is limited to 185 μm. The chip area is limited to a maximum of 25 mm 2 to reduce the risk of breakage.
Wegen der Beschränkung der maximal zulässigen Dicke muss zum Einbau zweilagiger Chipstapel in Chipkarten der kleinere Chip bis auf 60 μm gedünnt werden. In Zukunft werden Chipstapel mit mehr als zwei Lagen verwendet, deren Chips sogar bis auf unter 20 μm gedünnt werden. Derart stark gedünnte Chips haben eine wesentlich geringere mechanische Stabilität als dicke Chips und neigen zu Kerbbrüchen am Chiprand, die sich über den gesamten Chip ausbreiten können.Because of the limitation of the maximum allowable thickness For the installation of two-layer chip stacks in chip cards the smaller one Chip can be thinned down to 60 μm. In the future, chip stacks with more than two layers will be used, whose chips are even thinned to less than 20 μm. Such thinned chips have a much lower mechanical stability than thick ones Chips and tend to break on the edge of the chip, which is over can spread the entire chip.
Dieses Problem hat seine Ursache vor allem darin, dass das kristalline Silizium des Chipsubstrates am leichtesten entlang der Hauptebenen des Kristallgitters bricht. Die Lage der Hauptebenen in dem Kristallgitter des Siliziums (Diamantstruktur) wird mit den Miller-Indizes der betreffenden Äquivalenzklassen {1,0,0}, (0,1,0} und {0,0,1} angegeben. Bei Sechs-Zoll-Wafern aus (1,0,0)-Material ist eine obere Hauptseite des Wafers eine (1,0,0)-Ebene. Die senkrecht dazu verlaufenden Hauptebenen der anderen Äquivalenzklassen stehen somit senkrecht aufeinander und auf der oberen Hauptseite des Wafers. Diese Tatsache wird dazu benutzt, Sollbruchstellen des Wafers zu präparieren. Zu diesem Zweck wird am Rand der Siliziumscheibe ein kleiner Kratzer erzeugt, der als Störung wirkt und einen Kerbbruch hervorruft. Beim Verbiegen des Wafers läuft von dieser Stelle ausgehend der Bruch durch den ganzen Wafer. Der Wafer kann so in einzelne Halbleiterchips vereinzelt werden.There is a cause for this problem especially in that the crystalline silicon of the chip substrate most easily breaks along the main planes of the crystal lattice. The location of the main planes in the crystal lattice of silicon (diamond structure) will with the Miller indices of the relevant equivalence classes {1,0,0}, (0,1,0} and {0,0,1}. For six-inch wafers made from (1,0,0) material an upper main side of the wafer is a (1,0,0) plane. The vertical the main levels of the other equivalence classes that run along this line perpendicular to each other and on the upper main side of the wafer. This fact is used to break down the wafer prepare. For this purpose, a small scratch is created on the edge of the silicon wafer, the as a disturbance works and causes a notch break. When bending the wafer runs from at this point, the break through the entire wafer. The wafer can be separated into individual semiconductor chips.
Die jeweils von Ritzrahmen umgebenen Chips werden üblicherweise so auf dem Wafer angeordnet, dass die internen Halbleiterstrukturen der integrierten Schaltungen, die Gräben zur elektrischen Isolation oder zur Ausbildung von Speicherzellentransistoren, die oberseitig aufgebrachten Leiterbahnen und dergleichen jeweils entlang der Hauptrichtungen des Kristalls ausgerichtet sind. Diese Strukturelemente verstärken daher die Bruchgefahr des Halbleiterchips zusätzlich. Das gilt insbesondere im Fall stark gedünnter Halbleiterchips.The chips surrounded by the scoring frame are common arranged on the wafer so that the internal semiconductor structures of the integrated circuits, the trenches for electrical isolation or to form memory cell transistors on the top applied conductor tracks and the like in each case along the main directions of the crystal are aligned. These structural elements therefore reinforce the risk of breakage of the semiconductor chip additionally. This is especially true in the case of much thinner Semiconductor chips.
Dieses Problem tritt verstärkt auf, wenn mehrere Halbleiterchips im Zuge der vertikalen oder kubischen Integration zu Halbleiterchipstapeln, so genannten Stacks, verbunden werden. Bei der vertikalen Integration müssen die Chips besonders dünn geschliffen werden, insbesondere wenn ein Einsatz in einer Chipkarte vorgesehen ist. Wenn die Chips der vertikalen Integration wie herkömmlich hergestellt werden, setzt sich die Bruchneigung durch den gesamten Chipstapel verstärkt fort.This problem is increasing if multiple semiconductor chips in the course of vertical or cubic Integration connected to semiconductor chip stacks become. With vertical integration, the chips have to be ground particularly thin are provided, in particular if use is made in a chip card is. If the vertical integration chips are made as conventional, the tendency to break continues through the entire stack of chips.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie zum Einsatz im Chipkartenbereich die Bruchgefahr gedünnter Chips, insbesondere bei vertikaler Integration, verringert werden kann.Object of the present invention It is necessary to state how the risk of breakage is to be used in the chip card area thinned Chips, especially with vertical integration, can be reduced can.
Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterchip oder dem Halbleiterchipstapel mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 3 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is done with the semiconductor chip or the semiconductor chip stack with the features of claim 1 or 3 solved. Refinements result from the dependent claims.
Es kann nach wie vor ein Substrat aus kristallinem Silizium mit einer (1,0,0)-Ebene als Oberseite verwendet werden. Die für die integrierte Schaltung vorgesehenen metallischen Leiterbahnen auf der Oberseite werden, im Wesentlichen längs zweier zueinander senkrechter Richtungen ausgerichtet, die mit den {0,1,0}-Ebenen und den {0,0,1}-Ebenen Winkel von mindestens 10° einschließen. Wenn die Leiterbahnen daher schräg über die Hauptkristallebenen verlaufen, wirken sie mechanisch stabilisierend. Die metallischen Leiterbahnen sind außerdem polykristallin oder amorph und können daher in gewissen Grenzen verformt oder gedehnt werden. Sie wirken so zusätzlich mechanisch verstärkend, etwa vergleichbar den Fasern in einem gewebeverstärkten Verbundwerkstoff.It can still be a substrate made of crystalline silicon with a (1,0,0) plane as the top be used. The for the integrated circuit provided metallic conductor tracks become on the top, essentially along two perpendicular to each other Directions aligned with the {0,1,0} planes and the {0,0,1} planes Include an angle of at least 10 °. If the conductor tracks therefore diagonally across the Main crystal planes run, they have a mechanically stabilizing effect. The metallic conductor tracks are also polycrystalline or amorphous and can be deformed or stretched within certain limits. You act like this additionally mechanically reinforcing, roughly comparable to the fibers in a fabric-reinforced composite material.
Zusätzlich hierzu können geradlinige und ebene Strukturen von Bauelementen der integrierten Schaltung in dem Kristall ebenfalls Winkel von mindestens 10° mit den {0,1,0}-Ebenen und den {0,0,1}-Ebenen einschließen. Zu diesem Zweck werden bei der Herstellung der Halbleiterchips die Bauelemente auf dem Wafer in einem Winkel, vorzugsweise zwischen 15° und 45°, zu einer Hauptkristallebene ausgerichtet, die senkrecht auf der Oberseite des Wafers verläuft. Wegen dieser Ausrichtung können sich die bei der Strukturierung erzeugten Kanten nicht bruchauslösend auswirken.In addition to this, straight lines and flat structures of components of the integrated circuit in the crystal also angles of at least 10 ° with the Include {0,1,0} planes and the {0,0,1} planes. For this purpose in the manufacture of the semiconductor chips, the components on the Wafer oriented at an angle, preferably between 15 ° and 45 °, to a main crystal plane, that runs perpendicular to the top of the wafer. Because of this alignment can the edges created during the structuring do not cause breakage.
Da die Strukturen der Halbleiterbauelemente durch die bei der Herstellung eingesetzte Fotolithographie definiert werden, genügt es zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips im Prinzip, den Wafer bei den Belichtungsprozessen um den angegebenen Winkel verdreht in den Stepper einzulegen (d. h. Flat oder Notch nicht unten oder seitlich, sondern um 15° bis 45° verdreht). Alle anderen Prozessschritte können im Wesentlichen unverändert bleiben. Die Anordnung der Chips auf dem Wafer ist auf diese Weise gegenüber der herkömmlichen Fertigung gedreht und die Sägestraßen werden schräg zu der Apparatur ausgerichtet. Für das Design und die Leitungsführung im Halbleiterchip selbst ergeben sich keine Änderungen, die internen Strukturen der Halbleiterbauelemente können insbesondere nach wie vor parallel zur Chipkante verlaufen, die ja nicht parallel zu einer Hauptkristallebene gesägt zu werden braucht.Since the structures of the semiconductor components are defined by the photolithography used in the production, it is sufficient in principle for the production of a semiconductor chip according to the invention to insert the wafer into the stepper rotated by the specified angle during the exposure processes (i.e. flat or notch not below or to the side, but instead rotated by 15 ° to 45 °). All other process steps can remain essentially unchanged. In this way, the arrangement of the chips on the wafer is rotated compared to conventional production and the sawing lines are aligned at an angle to the apparatus. For the design and the routing in the semiconductor chip itself no changes, the internal structures of the semiconductor components can in particular still run parallel to the chip edge, which does not need to be sawed parallel to a main crystal plane.
Bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterchipstapel sind die Halbleiterchips, die die einzelnen Schaltungsebenen bilden, so zueinander ausgerichtet, dass die auf den Schaltungsebenen senkrecht stehenden Hauptkristallebenen aufeinanderfolgender Halbleiterchips von 0° und 90° verschiedene Winkel einschließen, und zwar vorzugsweise jeweils unterschiedlich große Winkel. Da jeweils zwei aufeinanderfolgend übereinander angeordnete Schaltungsebenen über eine gemeinsame Metallisierung als Interface miteinander verbunden sind, genügt es, wenn die Metallisierung zumindest des einen von zwei aufeinanderfolgenden Halbleiterchips in von 0° und 90° verschiedenen Winkeln zu den auf der Oberseite des Halbleiterchips senkrecht stehenden Hauptkristallebenen strukturiert ist. Wenn die so ausgestalteten Halbleiterchips zum Halbleiterchipstapel übereinander gesetzt und über die Metallisierung elektrisch miteinander verbunden werden, kommen die senkrecht zu den Schaltungsebenen verlaufenden Hauptkristallebenen ohne weitere Maßnahmen in von 0° und 90° verschiedenen Winkeln zueinander zu liegen. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind in dem Halbleiterchipstapel nur Halbleiterchips miteinander verbunden, die bereits jeder für sich durch die oben beschriebene Ausrichtung der Leiterbahnen bruchsicher ausgestaltet sind.In a semiconductor chip stack according to the invention are the semiconductor chips that form the individual circuit levels, aligned to each other in such a way that the vertical ones on the circuit levels Main crystal planes of successive semiconductor chips different from 0 ° and 90 ° Include angles, and preferably angles of different sizes. Since two successively arranged circuit levels over one another common metallization are connected as an interface, enough it when the metallization of at least one of two successive Semiconductor chips in from 0 ° and 90 ° different Angles to those perpendicular to the top of the semiconductor chip Main crystal planes is structured. If the semiconductor chips designed in this way to the semiconductor chip stack one above the other set and over the metallization are electrically connected the main crystal planes perpendicular to the circuit planes without further action in from 0 ° and 90 ° different Angles to each other. In another embodiment are only semiconductor chips with each other in the semiconductor chip stack connected that everyone already for is unbreakable due to the alignment of the conductor tracks described above are designed.
Wenn die Leiterbahnen zumindest eines Teils der Halbleiterchips des Halbleiterchipstapels schräg zu den Hauptkristallebenen ausgerichtet sind, aber die Seitenflächen der Chips, die Chipkanten, bei allen Halbleiterchips parallel zu den Leiterbahnabschnitten gesägt sind, dann können diese Seitenflächen coplanar zueinander ausgerichtet werden. Man erhält auf diese Weise einen eben begrenzten Chipstapel, in dem dennoch in den einzelnen Schaltungsebenen die Lagen der senkrecht zu den Schaltungsebenen liegenden Hauptkristallebenen untereinander verschieden sind. Die Hauptkristallebenen, die senkrecht auf den Schichtebenen stehen, können daher auch bei eben begrenzten Halbleiterchipstapeln von Chip zu Chip in von 0° und von 90° verschiedenen Winkeln zueinander ausgerichtet sein.If the conductor tracks at least a part the semiconductor chips of the semiconductor chip stack at an angle to the Main crystal planes are aligned, but the side faces of the Chips, the chip edges, parallel to all semiconductor chips Sawed track sections then you can these side faces coplanar with each other. You just get one in this way limited chip stack, in which nevertheless in the individual circuit levels the positions of the main crystal planes perpendicular to the circuit planes are different. The main crystal planes perpendicular to the Layer levels can therefore stand even with just limited semiconductor chip stacks from chip to chip in from 0 ° and of 90 ° different Angles to each other.
Es folgt eine genauere Beschreibung
von Beispielen der Halbleiterchips oder Halbleiterchipstapel anhand
der
Die
Die
In der
Der in der
Wenn bei einem Halbleiterchipstapel
aus zwei Halbleiterchips die Hauptkristallebenen der Halbleiterkristalle
oder Substrate zueinander einen Winkel von, in diesem Beispiel,
45° einnehmen,
falls die Leiterbahnabschnitte beider Halbleiterchips längs der
Richtungen A und B ausgerichtet sind, werden die Halbleiterchips
bei der vertikalen Integration mit ihren parallel zueinander ausgerichteten
jeweiligen Metallisierungen so miteinander verbunden, dass die Hauptkristallebenen
der Chips in einem Winkel von 45° zueinander
ausgerichtet sind und sich auf diese weise gegenseitig stabilisieren.
Die Chipkanten
Die
Die Chipkanten
Eine senkrecht auf der Oberseite
Die Leiterbahnen der Chips des Halbleiterchipstapels sind jeweils in unterschiedlichen Winkeln zu den Hauptkristallebenen ausgerichtet. Damit ist bereits eine gewisse Bruchsicherheit gewährleistet. Die Strukturen der Halbleiterbauelemente der integrierten Schaltung selbst können dann mit ihren geradlinigen oder ebenen Strukturen parallel bzw. coplanar zu den Hauptkristallebenen des Halbleiterkristalls oder Substrates ausgerichtet sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind jedoch auch diese Strukturen der Bauelemente selbst gegenüber den Hauptkristallebenen in einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 90° ausgerichtet.The conductor tracks of the chips in the semiconductor chip stack are at different angles to the main crystal planes aligned. This already ensures a certain level of break resistance. The Structures of the semiconductor components of the integrated circuit yourself can then with their straight or flat structures parallel or coplanar to the main crystal planes of the semiconductor crystal or Be aligned substrate. In a preferred embodiment However, these structures of the components themselves are also opposite to the main crystal planes at an angle of more than 0 ° and aligned less than 90 °.
Das hat insbesondere den Vorteil, dass in diesem Fall die Leiterbahnen mit ihren beiden wesentlichen Richtungen außerhalb der senkrechten Hauptkristallebenen liegen, aber nach wie vor parallel zu den Strukturen der Halbleiterbauelemente ausgerichtet sein können. Bei einer speziellen und bevorzugten Ausgestaltung des Halbleiterchipstapels können die Halbleiterchips des Halbleiterchipstapels untereinander so ausgerichtet sein, dass die Leiterbahnen der verschiedenen Halbleiterchips in Winkeln von 0° bzw. 90° zueinander angeordnet sind, wie das auch bei herkömmlichen Chipstapeln der Fall ist.This has the particular advantage that in this case the traces with their two main ones Directions outside of the main vertical crystal planes are still parallel can be aligned with the structures of the semiconductor components. at A special and preferred embodiment of the semiconductor chip stack can Semiconductor chips of the semiconductor chip stack are aligned with one another in this way be that the conductor tracks of the various semiconductor chips in Angles of 0 ° or 90 ° to each other are arranged, as is the case with conventional chip stacks is.
Wegen der jeweils unterschiedlichen
Ausrichtung der Leiterbahnen zu den Hauptkristallebenen der einzelnen
Substrate sind innerhalb des Halbleiterchipstapels von Chip zu Chip
wechselnde Ausrichtungen der Hauptkristallebenen vorhanden. Senkrecht
zu den Oberseiten der Chips, d. h. senkrecht zu den {1,0,0}-Ebenen,
ist daher keine durch den gesamten Halbleiterchipstapel hindurchgehende einheitliche
Hauptkristallebene vorhanden. Dadurch wird die Bruchsicherheit des
Halbleiterchipstapels deutlich erhöht. Ein solcher Halbleiterchipstapel
kann daher auch mit drei und mehr Halbleiterchips auf eine Dicke
von höchstens
185 μm gebracht
werden, was den Einsatz in standardisierten Chipkarten erlaubt.
In dem Ausführungsbeispiel
der
- 11
- HalbleiterchipSemiconductor chip
- 22
- Leiterbahnconductor path
- 33
- Oberseitetop
- 44
- Chipkantechip edge
- 55
- Chipkantechip edge
- 66
- Winkelangle
- 77
- Supplementwinkelsupplementary angle
- 1111
- erster weiterer Halbleiterchipfirst another semiconductor chip
- 1212
- zweiter weiterer Halbleiterchipsecond another semiconductor chip
- AA
- Richtungdirection
- BB
- Richtungdirection
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