WO2005001933A2 - Multichip semi-conductor component and method for the production thereof - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a multichip semi-conductor component (1) comprising at least one group of chips which is made of at least two semi-conductor chips (2, 3) having a first and a second surface side, whereby the first surface sides thereof face each other. The adjacent surface sides of the semi-conductor chips (2, 3) respectively have a spatial structure (7) and the spatial structures (7) engage with each other in a positive fit in such a manner that the geometric arrangement of the surface sides of the semi-conductor chips (2, 3), facing each other, is distinct and the metal connection of the semi-conductor chips (2, 3) facing each other is reliably conductive. The semi-conductor chips (2, 3) are mounted by vibrating said semi-conductor chips (2, 3) on a machine system.
Description
Multichip-Halbleiterbaustein und Verfahren zu seiner HerstellungMultichip semiconductor device and method for its production
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Multichip- Halbleiterelement und auf ein Verfahren zur Herstellung des Multichip-Halbleiterelements . In der Mikroelektronik sind Silizium Chips und andere, z.B. GaAs Chips und/oder passive Bauelemente häufig in mehrfacher Anordnung - auch gemischt - mit einander verbunden. Das Bestreben immer dichtere Baugruppen zu konzipieren führt dazu, diese Chips zu immer kompakteren Paketen zu sammeln und mit möglichst geringer Leitungskapazität miteinander zu verbinden .The present invention relates to a multichip semiconductor element and to a method for producing the multichip semiconductor element. In microelectronics, silicon chips and others, e.g. GaAs chips and / or passive components are often connected to one another in a multiple arrangement - also mixed. The endeavor to design ever denser assemblies leads to the collection of these chips in ever more compact packages and the interconnection with the lowest possible line capacity.
Zu diesem Thema gibt es viele Ansätze, im Fachjargon sind diese Verfahren als „Flip Chip", „Face to Face", „Multi Chip Module (MCM)", „System in Package" usw. bekannt. Als Beispiel sei auf die Internetseite des Unternehmens „Binder Elektronik GmbH" htt : //www .binder-elektronik . de/ verwiesen. Dort wird unter dem Begriff „Flip-Chip Technologie" folgendes veröffentlicht: „Mit dem Flip-Chip lasst sich der größtmögliche Miniaturisierungsgrad erreichen. Die Abmessung des Flip- Chips beschränken sich auf die Größe des nackten Silizium- Chips . Der nackte Chip wird kopfüber (face-down) auf ein Substrat (z. B.: eine Leiterplatte) montiert. Einer der Fügepartner muss Bu ps besitzen, die Landeflächen auf dem Sub- strat sind spiegelbildlich zu den Chipkontakten angeordnet.There are many approaches to this topic, in technical jargon these methods are known as "flip chip", "face to face", "multi chip module (MCM)", "system in package" etc. One example is the website of the company "Binder Elektronik GmbH" htt: // www .binder-elektronik. De /. The following is published under the term "flip-chip technology": "The flip-chip can be used to achieve the greatest possible degree of miniaturization. The dimensions of the flip chip are limited to the size of the bare silicon chip. The bare chip is mounted upside down (face-down) on a substrate (e.g. a circuit board). One of the joining partners must have Bu ps, the landing areas on the substrate are arranged in mirror image to the chip contacts.
Flip-Chip Attach (FAC) ein von IBM eingeführter Prozess beschrieben, bei dem ein „Solder-Bump" aus einem höher schmelzendem Lot besteht und bei dem die Verbindung zum Substrat mit eutektischem Lot realisiert werden kann, wobei dieser
Prozess in gewöhnlichen SMD-Fertigungslinien integriert werden kann.Flip-Chip Attach (FAC) describes a process introduced by IBM, in which a "solder bump" consists of a higher melting solder and in which the connection to the substrate can be realized with eutectic solder, whereby this Process can be integrated in ordinary SMD production lines.
Dort wird auch beschrieben, dass es für manche Anwendungen nötig ist, das Löten von Chips zu vermeiden, da die Sσhaltun- gen beispielsweise nicht den zum Löten nötigen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen. In diesen Fällen bleibt als einzige Verbindungstechnik die Verwendung von leitfähigen Klebern o- der Film übrig . "There it is also described that for some applications it is necessary to avoid soldering chips, since, for example, the brackets must not be exposed to the temperatures required for soldering. In these cases the only connection technique left is the use of conductive glue or film. "
Durch die räumlich erhöhten „Bumps" kann es wegen des erforderlichen Prozessdrucks zu Verspannungen und Mikrorissen des afers und/oder der Chips kommen; die Zuverlässigkeit und die Ausbeute ist nicht zufrieden stellend. Oftmals sind die Prozesskosten hoch da ein extra Gerätepark erforderlich ist.Due to the spatially increased "bumps", tension and microcracks of the afers and / or the chips can occur due to the required process pressure; the reliability and the yield are unsatisfactory. The process costs are often high because an additional equipment park is required.
In der DE 42 14 102 C2 ist ein Multichip-Halbleiterbaustein und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Dort wird ausgeführt, das ein Multichip-Halbleiterbaustein aus mindestens einer Gruppe von Chips besteht, wobei sich ein erster und ein zweiter Chip so gegenüberliegen, dass eine erste Seite des ersten Chips und eine erste Seite des zweiten Chips einander zugewandt sind (face to face) , wobei die erste Seite des ersten Chips und die erste Seite des zweiten Chips darauf ausgeformte erste und zweite Löthöcker aufweisen, und dass Zuleitungen vorhanden sind deren äußere Abschnitte aus einer Umkapselung der Chipgruppe herausragen. Weitere Ausführungen befassen sich mit der Herstellung eines solchen Multi- chip-Halbleiterbausteins und mit seinem Chipaufbau und dessen AnschlussVariationsmöglichkeiten.DE 42 14 102 C2 describes a multichip semiconductor device and a method for its production. There, it is stated that a multichip semiconductor component consists of at least one group of chips, a first and a second chip lying opposite one another such that a first side of the first chip and a first side of the second chip face one another (face to face). , wherein the first side of the first chip and the first side of the second chip have first and second solder bumps formed thereon, and that leads are present whose outer sections protrude from an encapsulation of the chip group. Further explanations deal with the manufacture of such a multi-chip semiconductor component and with its chip structure and its connection variation options.
Über einen Multichip-Halbleiterbaustein ohne interne Verbindungsleitungen wird dort nichts ausgesagt und die gegenseitige Justierung der miteinander zu verbindenden Chipbausteine ist in der Druckschrift auch nicht abgehandelt.Nothing is said there about a multichip semiconductor module without internal connecting lines and the mutual adjustment of the chip modules to be connected to one another is not dealt with in the publication either.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Multichip-Halbleiterbaustein zu schaffen, dessen einzelne
Chip-Bausteine mit Standard Technologien der Fertigung von integrierten Schalkreisen ohne weiteres herstellbar sind und der eine Vielzahl von unterschiedlichen Chip-Bausteinen enthalten kann. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Multichip-Halbleiterbausteins angegeben werden.The present invention is based on the object of creating a multichip semiconductor module, the individual of which Chip modules with standard technologies for manufacturing integrated circuit circuits can be easily produced and which can contain a large number of different chip modules. Furthermore, a method for producing such a multichip semiconductor module is to be specified.
Diese Aufgabe wird mit einem Multichip-Halbleiterbaustein gelöst, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Ab Anspruch 15 werden die Schritte zur Herstellung eines derarti- gen Multichip-Halbleiterbausteins angegeben.This object is achieved with a multichip semiconductor module which has the features of claim 1. From claim 15, the steps for producing such a multi-chip semiconductor device are specified.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Multichip- Halbleiterbausteins liegen in einer optimalen Verbindung der einzelnen Chip-Bausteine, der einfachen Herstellung und der hohen Zuverlässigkeit. Es werden nur Standard Technologien für die Montage der Halbleiterchips benötigt. Viele unterschiedliche Halbleiterchips können auf einer Unterlage montiert werden. Zwischen den Halbleiterchips kann eine optimale metallische Verbindung geschaffen werden. Es lassen sich be- liebig kleine Verbindungen realisieren, die nur von der Randbedingung abhängen, welche Ströme zwischen den Halbleiterchips fließen müssen. Die Auswahl der Kontaktflächen (Pads) , die elektrisch miteinander verbunden werden sollen, ist beliebig. Durch die geringe Gefahr der Chipverspannung wird ei- ne hohe Zuverlässigkeit erzielt.The advantages of the multichip semiconductor module according to the invention lie in an optimal connection of the individual chip modules, the simple manufacture and the high reliability. Only standard technologies are required for the assembly of the semiconductor chips. Many different semiconductor chips can be mounted on a base. An optimal metallic connection can be created between the semiconductor chips. Any number of small connections can be realized which only depend on the boundary condition which currents have to flow between the semiconductor chips. The choice of contact surfaces (pads) that are to be electrically connected to one another is arbitrary. The low risk of chip tension ensures high reliability.
So ist ein Multichip-Halbleiterbaustein mit mindestens einer Chipgruppe von Vorteil, die aus wenigstens zwei Halbleiterchips besteht, welche eine erste und eine zweite Oberflächen- seite aufweisen und deren erste Oberflachenseiten einander zugekehrt sind, und bei dem die einander zugewandten Oberflachenseiten der Halbleiterchips jeweils eine räumliche Struktur aufweisen, und dass die räumlichen Strukturen formschlüssig derart ineinander greifen, dass die geometrische Zuordnung der einander zugekehrten Oberflachenseiten derA multichip semiconductor module with at least one chip group, which consists of at least two semiconductor chips, which have a first and a second surface side and whose first surface sides face each other, and in which the mutually facing surface sides of the semiconductor chips in each case have a spatial, is advantageous Have structure, and that the spatial structures interlock positively in such a way that the geometrical assignment of the facing surface sides of the
Halbleiterchips eindeutig und die metallische Verbindung der einander zugekehrten Halbleiterchips sicher leitend ist.
Ferner ist ein Multichip-Halbleiterbaustein von Vorteil, bei dem die räumlich Struktur der ersten Oberfläche des einen Halbleiterchips aus Gräben und/oder Löchern mit nach außen sich weitenden Wänden besteht, und dass die räumliche Struktur der Oberfläche des weiteren Halbleiterchips aus Stegen und/oder Säulen besteht, deren Wände im Wesentlichen senkrecht zum Substrat verlaufen.Semiconductor chips clearly and the metallic connection of the mutually facing semiconductor chips is safely conductive. A multichip semiconductor module is also advantageous, in which the spatial structure of the first surface of the one semiconductor chip consists of trenches and / or holes with walls that widen outwards, and the spatial structure of the surface of the further semiconductor chip consists of webs and / or columns exists, the walls of which are essentially perpendicular to the substrate.
Weiter ist ein Multichip-Halbleiterbaustein von Vorteil, bei dem die Stege und/oder Säulen des weiteren Halbleiterchips in die Gräben und/oder Löcher des ersten Halbleiterchips formschlüssig eingreifen.A multichip semiconductor component is also advantageous, in which the webs and / or pillars of the further semiconductor chip engage in a form-fitting manner in the trenches and / or holes of the first semiconductor chip.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die räumlichenAnother advantage is that the spatial
Strukturen aus metallisch leitenden FunktionsStrukturen und metallisch nicht leitenden Justier-Strukturen bestehen.Structures consist of metallic conductive functional structures and metallic non-conductive adjustment structures.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die metallisch nicht leitenden Justierstrukturen in ihrer Höhe und Breite so dimensioniert sind, dass sie bei einem entsprechenden Montageschritt eher in einander greifen, als die metallisch leitenden Funktionsstrukturen.In addition, it is advantageous that the height and width of the metallically non-conductive adjustment structures are dimensioned such that they engage in one another in a corresponding assembly step rather than the metallically conductive functional structures.
Ein einfacher Aufbau ist dann möglich, wenn die Strukturen mit lithographischen Methoden aus einem Mehrschichtsystem herausgearbeitet sind und die Höhe der Justierstruktur durch die Dicke der Passivierungsschicht einstellbar ist.A simple construction is possible if the structures are worked out from a multilayer system using lithographic methods and the height of the adjustment structure can be adjusted by the thickness of the passivation layer.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die FunktionsStruktur aus einem metallischen Mehrschichtaufbau wie Ti/TiN/AlCu oder Ti/W/AlCu oder Ti/Pt/AlCu nach eines Sandwich oder aus einem Oxid/Nitrid Mehrschichtaufbau mit einem metallischen Überzug besteht, wobei der metallische Überzug aus Gold bestehen sollte.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn zur Phasenbildung und innigen metallischen Verbindung der Strukturen ein Lot vorhanden ist.It is also advantageous if the functional structure consists of a metallic multilayer structure such as Ti / TiN / AlCu or Ti / W / AlCu or Ti / Pt / AlCu after a sandwich or of an oxide / nitride multilayer structure with a metallic coating, the metallic one Plating should be made of gold. It is also advantageous if a solder is present for the phase formation and intimate metallic connection of the structures.
Besonders günstig ist es, wenn die Justierstrukturen in den Ecken der Halbleiterchips angeordnet sind.It is particularly favorable if the adjustment structures are arranged in the corners of the semiconductor chips.
Sehr vorteilhaft gestaltet sich die Herstellung eines Multichip-Halbleiterbausteins, wenn die Montage der Halbleiter- chips auf einer Maschinenanlage durch vibrieren der Halbleiterchips erfolgt, wobei durch die Vibration der Halbleiterchips die Grob-Einfädelung mit Hilfe der Justierstrukturen erfolgt und dass die genaue Positionierung der Halbleiterchips zu einander durch die FunktionsStrukturen erfolgt.The manufacture of a multichip semiconductor module is very advantageous if the semiconductor chips are mounted on a machine system by vibrating the semiconductor chips, the coarse threading using the adjustment structures and the precise positioning of the semiconductor chips due to the vibration of the semiconductor chips each other through the functional structures.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen noch näher erläutert.The invention is explained in more detail with the aid of the drawings, using exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 einen Multichip-Halbleiterbaustein mit Strukturen aus einer Oxid-Schicht;FIG. 1 shows a multichip semiconductor module with structures made of an oxide layer;
Figur 2 einen Multichip-Halbleiterbaustein mit Struktu- ren aus einer metallischen Sandwich-Schicht;FIG. 2 shows a multichip semiconductor module with structures made of a metallic sandwich layer;
Figur 3 einen „oberen" Halbleiterchip mit einer Struktur aus teilweise metallisierten Stegen; Figur 4 einen „unteren" Halbleiterchip mit einer Struktur aus schrägwandigen Gräben;FIG. 3 shows an “upper” semiconductor chip with a structure made of partially metallized webs; FIG. 4 shows an “lower” semiconductor chip with a structure made of inclined-walled trenches;
Figur 5 einen „oberen" Halbleiterchip mit einer Struktur aus teilweise metallisierten Prismen undFIG. 5 shows an “upper” semiconductor chip with a structure made of partially metallized prisms and
Figur 6 einen „oberen" Halbleiterchip mit einer Struktur aus teilweise metallisierten Zylindern.
In Figur 1 ist ein bereits zusammengefügter Multichip- Halbleiterbaustein 1 dargestellt, welcher aus einem oberen Chip 2 und einem unteren Chip 3 besteht. Die Begriffe oberer Chip 2 und unterer Chip 3 sind willkürlich gewählt und haben keinerlei Bedeutung für die tatsächliche Anordnung der Chips 2 und 3 in dem Multichip-Halbleiterbaustein 1. Diese Begriffe dienen lediglich einer einfachen Erklärung bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen.FIG. 6 shows an “upper” semiconductor chip with a structure made of partially metallized cylinders. FIG. 1 shows an already assembled multichip semiconductor component 1, which consists of an upper chip 2 and a lower chip 3. The terms upper chip 2 and lower chip 3 are chosen arbitrarily and have no meaning for the actual arrangement of the chips 2 and 3 in the multichip semiconductor module 1. These terms serve only for a simple explanation in the description of the exemplary embodiments with the aid of the drawings.
Der in Figur 1 dargestellte Multichip-Halbleiterbaustein 1 entspricht einer Chipkombination, bei der ein nach den üblichen Prozess-Technologien bereits fertig gestellter unterer Chip 3 gemäß der Erfindung mittels eines Mehrschichtsystems 4 strukturiert worden ist, wie auch in Figur 4 dargestellt wird. Zuerst wird eine Passivierungsschicht 5 entsprechender, gleichmäßiger Dicke auf einem Wafer oder einem anderen Träger 6 aufgebracht. Das Mehrschichtsystem 4 kann von einer metallischen Schicht oder aber auch von einer Oxid/Nitrid Schicht gebildet sein, die strukturiert werden soll. Dieses Mehrschichtsystem 4 wird in an sich bekannter Weise durch Verfahrensschritte, die aus der Standard-Chip-Herstellung bekannt sind, auf den Wafer oder anderen Träger 6 aufgebracht. Die Strukturierung erfolgt durch mehrere Schritte, von denen in dem MehrschichtSystem 4 durch lithographische Schritte die gewünschten geometrischen Bedingungen der Struktur 7 festgelegt werden. Durch nachfolgende Behandlung des erwähnten Mehrschichtsystems 4 werden durch die lithographisch festgelegte Struktur 7 deren räumliche Bedingungen, d.h. deren Ver- lauf und die Tiefe der zukünftigen Struktur 7 bestimmt. Bei der anschließenden Ätzung entsteht dann die tatsächliche räumliche Struktur 7, wobei die Form der Struktur 7 nicht nur zweidimensional, sondern dreidimensional, also räumlich bestimmt wird, wodurch sich Gräben G ergeben. Dies beinhaltet, dass sowohl der Verlauf - also die zweidimensionalen geometrischen Bedingungen - erzeugt wird, als auch die räumliche Gestaltung, z.B. die Ausrichtung, d.h. gegebenenfalls die
Schrägen der Wandungen W der Gräben G der Struktur 7. Ob die Wandungen W schräg oder gerade, d.h. anisotrop oder isotrop verlaufen richtet sich nach der Gestaltung der Gräben G der GesamtStruktur 7 und den Ätzparametern. Je nach der angewen- deten Technologie kann man die Schichten (Oxid oder Metall) in den Justiergräben JG belassen oder herausätzen.The multichip semiconductor module 1 shown in FIG. 1 corresponds to a chip combination in which a lower chip 3, which has already been completed using the customary process technologies, has been structured according to the invention by means of a multilayer system 4, as is also shown in FIG. First, a passivation layer 5 of a corresponding, uniform thickness is applied to a wafer or another carrier 6. The multilayer system 4 can be formed by a metallic layer or else by an oxide / nitride layer that is to be structured. This multilayer system 4 is applied to the wafer or other carrier 6 in a manner known per se by method steps which are known from standard chip production. The structuring is carried out by several steps, of which the desired geometric conditions of the structure 7 are determined in the multilayer system 4 by means of lithographic steps. Subsequent treatment of the multilayer system 4 mentioned determines the spatial conditions, ie the course and the depth of the future structure 7, of the lithographically defined structure 7. During the subsequent etching, the actual spatial structure 7 then arises, the shape of the structure 7 not only being determined two-dimensionally, but three-dimensionally, that is to say spatially, which results in trenches G. This means that both the course - that is, the two-dimensional geometric conditions - is generated, as well as the spatial design, for example the orientation, that is to say, if appropriate Sloping walls W of trenches G of structure 7. Whether the walls W run obliquely or straight, ie anisotropically or isotropically, depends on the design of the trenches G of the overall structure 7 and the etching parameters. Depending on the technology used, the layers (oxide or metal) can be left in the trenches JG or etched out.
Die Oberfläche des Gegenstücks, hier also die eines oberen Chips 2 wird in gleicher Weise strukturiert. Um bei der spä- ter noch zu erläuternden Zusammenfügung des oberen Chips 2 mit dem unteren Chip 3 eine einwandfreie metallische Verbindung schaffen zu können, wird bei dem Aufbau der Struktur 7 des oberen Chips 2 eine metallische Mehrschicht-Beschichtung 8, ein Sandwichaufbau , gewählt. Dieser Sandwichaufbau be- steht aus einer Barriere 9 und einer leitenden Schicht 10. Dieser Sandwichaufbau 8 kann beispielsweise aus Ti/TiN/AlCu oder Ti/W/AlCu oder Ti/Pt/AlCu bestehen. Nach der Beschichtung wird noch eine Goldbeschichtung Au zur besseren Phasenbildung aufgebracht. Ein derartiger Aufbau ist aus der Figur 3 ersichtlich, bei der eine Strukturierung durch Stege gezeigt ist.The surface of the counterpart, here that of an upper chip 2, is structured in the same way. In order to be able to create a perfect metallic connection when the upper chip 2 is joined to the lower chip 3, which will be explained later, a metallic multilayer coating 8, a sandwich structure, is selected when the structure 7 of the upper chip 2 is constructed. This sandwich structure consists of a barrier 9 and a conductive layer 10. This sandwich structure 8 can for example consist of Ti / TiN / AlCu or Ti / W / AlCu or Ti / Pt / AlCu. After the coating, a gold coating Au is applied for better phase formation. Such a structure can be seen in FIG. 3, in which a structuring by means of webs is shown.
So genannte obere Chips 2 mit gleichartigem Strukturaufbau, jedoch anderer geometrischer Ausbildung der Struktur 7 sind aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich. In Figur 5 sind vierseitige Säulen 85 als Bestandteil der Struktur 7s dargestellt. Die Säulen 75 sind mit einer Goldbeschichtung Au versehen, was der Verbesserung der metallischen Verbindung mit der Struktur 7 des jeweils unteren Chips 3 dient, die außer aus der gezeigten Struktur 7 mit Gräben G auch durch geeignet geformte Löcher bestehen kann, die hier aber nicht dargestellt wurden .So-called upper chips 2 with the same structure, but with a different geometric design of the structure 7 can be seen from FIGS. 5 and 6. In Figure 5 four-sided columns 8 5 are shown as part of the structure 7s. The columns 7 5 are provided with a gold coating Au, which improve the metallic compound represented by the structure 7 of the respective lower chip 3 is used that can be gathered from the structure shown 7 are made with grooves G by suitable shaped holes, although not here were shown.
In der Figur 6 besteht die Struktur 7 _ aus zylindrischen Säu- len 86, die sowohl für eine Gegenstruktur 7 am unteren Chip 2, bestehend aus Gräben G als auch aus Löchern geeignet ist. Auch hier ist an einer Säule 8g beispielhaft eine Schicht Au
aus Gold als Lot zu besseren metallischen Verbindung dargestellt .In FIG. 6, the structure 7_ consists of cylindrical columns 8 6 , which is suitable both for a counter structure 7 on the lower chip 2, consisting of trenches G, and of holes. Here, too, a layer Au is exemplary on a column 8g made of gold as solder for better metallic connection.
In den Figuren 5 und 6 sind die Elemente nur insofern gezeigt und beschrieben, wie sie von den Figuren 1, 2, 3 und 4 abweichen und die abweichenden Elemente tragen zur Verdeutlung einen Index, welcher der Figurenbezifferung entspricht.In FIGS. 5 and 6, the elements are shown and described only insofar as they differ from FIGS. 1, 2, 3 and 4, and the different elements have an index for clarification, which corresponds to the figure numbering.
Zurück zur Figur 2 - dort ist eine Variante im Aufbau der Strukturen 7 dargestellt. Der wesentlichste Unterschied besteht in dem metallischen Übergang der Verbindung des oberen Chips 2 mit dem unteren Chip 3. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 kontaktieren die Deckflächen 7D der stegförmigen Struktur 7 des oberen Chips 2 ein metallisches Gegenstück, beispielsweise ein Anschluß-Pad 11 der grabenförmigen Struktur 7 des unteren Chips 3. Die innige metallische Verbindung der Kontaktflächen 7D und 11 erfolgt beispielsweise durch geschmolzenes Lot 12, oder Gold Au.Back to FIG. 2 - there is shown a variant in the structure of the structures 7. The most important difference lies in the metallic transition of the connection of the upper chip 2 to the lower chip 3. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the cover surfaces 7 D of the web-shaped structure 7 of the upper chip 2 contact a metallic counterpart, for example a connection pad 11 of the trench-shaped one Structure 7 of the lower chip 3. The intimate metallic connection of the contact surfaces 7 D and 11 takes place, for example, by molten solder 12 or gold Au.
Beim jetzt zu erörternden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 bestehen bereits die aus dem Mehrschichtsystem 4 nach der Ätzung der Struktur 7 des unteren Chips 3 herausgearbeiteten Stege 4 aus Metall. Die Gegenstruktur 7 des oberen Chips 2 weist gemäß der Beschreibungen zu den Figuren 3, 5 und 6 eine strukturierte Barriere 8, 85, 80 mit jeweils einem leitenden Überzug Au auf, der hier aus Gold besteht. Beim Zusammenfügen des oberen Chips 2 mit dem unteren Chip 3 wird an den Wandungen der Strukturen 7 der gewünschte innige metallische Kontakt hergestellt.In the exemplary embodiment according to FIG. 2 that is now to be discussed, the webs 4 machined out of the multilayer system 4 after the etching of the structure 7 of the lower chip 3 already consist of metal. The counter structure 7 of the upper chip 2 has a structured barrier 8, 8 5 , 8 0 , each with a conductive coating Au, which here consists of gold, as described in FIGS. 3, 5 and 6. When the upper chip 2 is joined to the lower chip 3, the desired intimate metallic contact is produced on the walls of the structures 7.
Für die Zusammenfügung der oberen Chips 2 mit den unteren Chips 3 sind zusätzlich zu den vorbeschriebenen elektrischen FunktionsStrukturen F7 auch noch elektrisch nicht leitende Justierstrukturen J7 vorhanden. Diese werden mit dem gleichen Strukturierungsprozess auf den Wafer oder Träger 6 aufgebracht, wie die vorbeschriebenen elektrisch leitenden Funktionsstrukturen F7. Sie können jedoch gröberen Toleranzen un-
terliegen, da durch sie lediglich eine Hilfs-Führung bei der Justierung der oberen Chips 2 gegenüber den unteren Chips 3 erfolgt.For the assembly of the upper chips 2 with the lower chips 3, there are also electrically non-conductive adjustment structures J7 in addition to the previously described electrical functional structures F7. These are applied to the wafer or carrier 6 using the same structuring process as the previously described electrically conductive functional structures F7. However, you can Because they only provide an auxiliary guide when adjusting the upper chips 2 relative to the lower chips 3.
Die Justierstrukturen J7 sind in ihrer Tiefe und Breite so dimensioniert, dass sie bereits ineinander greifen, wenn die FunktionsStrukturen F7 noch nicht in ihren gegenseitigen Ein- flussbereich gekommen sind. Mit Hilfe der Passivierungs- schicht 5 stellt man auf dem jeweiligen Träger 6 den notwen- digen Höhenunterschied der Justierstrukturen J7 zu den Funktionsstrukturen F7 ein. Durch eine Oxid- oder Nitrid-Schicht, welche partiell vor der Passivierung auf dem Träger 6 aufgebracht ist, lässt sich die Höhe einer Justierstruktur J7 e- benfalls beeinflussen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, unterschiedlich hohe Justierstrukturen J7 zu realisieren. Die Justierstrukturen J7 können in den Ecken der Chips 2 und 3 auch als Winkel oder Schrägen angeordnet sein, was hier nicht ausdrücklich dargestellt werden muss . Ihre Lage und Größe hängt von den Maschinenanlagen ab, die zur Montage der Chips 2 und 3 zu einem Multichip-Halbleiterbaustein 1 verwendet werden. Die Zusammenfügung der oberen Chips 2 mit den unteren Chips 3 erfolgt mittels derartiger Maschinenanlagen unter zu Hilfenahme der Justierstrukturen J7 durch Vibrieren der Chips 2 und 3. Durch rütteln und vibrieren finden zuerst die höchs- ten JustierStrukturen J7, dann die etwas niedrigeren Justierstrukturen J7 und anschließend die Funktionsstrukturen F7 ihre richtige Lage zueinander und können nach Erreichen dieser Endposition durch Ultraschall, Druck und/oder thermische Behandlung innig metallisch miteinander verbunden werden.
The depth and width of the adjustment structures J7 are dimensioned in such a way that they already interlock when the function structures F7 have not yet come into their mutual influence. With the aid of the passivation layer 5, the necessary height difference of the adjustment structures J7 to the functional structures F7 is set on the respective carrier 6. The height of an adjustment structure J7 can also be influenced by an oxide or nitride layer which is partially applied to the carrier 6 before the passivation. This makes it possible to implement adjustment structures J7 of different heights. The adjustment structures J7 can also be arranged in the corners of the chips 2 and 3 as angles or bevels, which need not be expressly shown here. Their position and size depends on the machine systems that are used to assemble chips 2 and 3 to form a multichip semiconductor module 1. The upper chips 2 are joined to the lower chips 3 by means of such machine systems with the aid of the adjustment structures J7 by vibrating the chips 2 and 3. By shaking and vibrating, the highest adjustment structures J7 are found first, then the somewhat lower adjustment structures J7 and then the functional structures F7 are in their correct position relative to one another and, after reaching this end position, can be intimately connected to one another by ultrasound, pressure and / or thermal treatment.
Claims
1. Multichip-Halbleiterbaustein mit mindestens einer Chip- gruppe die aus wenigstens zwei Halbleiterchips besteht, welche eine erste und eine zweite Oberflächenseite aufweisen und deren erste Oberflachenseiten einander zugekehrt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten 0- berflächenseiten der Halbleiterchips (2, 3) jeweils eine räumliche Struktur (7) aufweisen, und dass die räumlichen1. Multi-chip semiconductor module with at least one chip group consisting of at least two semiconductor chips, which have a first and a second surface side and whose first surface sides face each other, characterized in that the mutually facing 0-surface sides of the semiconductor chips (2, 3 ) each have a spatial structure (7), and that the spatial
Strukturen (7) formschlüssig derart ineinander greifen, dass die geometrische Zuordnung der einander zugekehrten Oberflachenseiten der Halbleiterchips (2, 3) eindeutig und die metallische Verbindung der einander zugekehrten Halbleiterchips (2, 3) sicher leitend ist.Structures (7) interlock positively in such a way that the geometrical assignment of the facing surface sides of the semiconductor chips (2, 3) is unambiguous and the metallic connection of the facing semiconductor chips (2, 3) is reliably conductive.
2. Multichip-Halbleiterbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich Struktur (7) der ersten Oberfläche des einen Halbleiterchips (3) aus Gräben (G) und/oder Löchern mit nach außen sich weitenden Wänden (W) besteht, und dass die räumliche Struktur der Oberfläche des weiteren Halbleiterchips (2) aus Stegen (8) und/oder Säulen (85, 8δ) besteht, deren Wände (W) im Wesentlichen senkrecht zum Substrat (β) verlaufen.2. Multichip semiconductor device according to claim 1, characterized in that the spatial structure (7) of the first surface of the one semiconductor chip (3) consists of trenches (G) and / or holes with outwardly widening walls (W), and that the spatial structure of the surface of the further semiconductor chip (2) consists of webs (8) and / or columns (85, 8 δ ), the walls (W) of which run essentially perpendicular to the substrate (β).
3. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (8) und/oder Säulen (85, 85) des weiteren Halbleiterchips (2) in die Gräben (G) und/oder Löcher des ersten Halbleiterchips (3) formschlüssig eingreifen. 3. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (8) and / or columns (8 5 , 8 5 ) of the further semiconductor chip (2) in the trenches (G) and / or holes of the first semiconductor chip (3) intervene positively.
4. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Strukturen (7) aus metallisch leitenden Funktionsstrukturen (F7) und metallisch nicht leitenden Justier-Strukturen (J7) bestehen.4. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the spatial structures (7) consist of metallic conductive functional structures (F7) and metallic non-conductive alignment structures (J7).
5. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisch nicht leitenden Justierstrukturen (J7) in ihrer Höhe und Breite so dimensioniert sind, dass sie bei einem entsprechenden Montageschritt eher in einander greifen, als die metallisch leitenden Funktionsstrukturen (F7) .5. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the height and width of the metal-non-conductive adjustment structures (J7) are dimensioned such that they engage in one another in a corresponding assembly step rather than the metal-conductive functional structures (F7 ).
6. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisch nicht leitenden Justierstrukturen (J7) in ihrer Höhe und/oder Breite gestaffelt sind, so dass sie bei den entsprechenden Montageschritten gestaffelt nach ihrer Höhe in einander greifen.6. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic non-conductive adjustment structures (J7) are staggered in height and / or width, so that they engage in one another in the corresponding assembly steps according to their height.
7 . Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z i c hn e t , dass die Strukturen (7) mit lithographischen Methoden aus einem Mehrschichtsystem (4) herausgearbeitet sind.7. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, that the structures (7) are worked out from a multilayer system (4) using lithographic methods.
8. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Justierstruktur (J7) durch die Dicke der Passivierungsschicht (5) oder durch weitere Schichten auf dem Träger (6) einstell- bar ist.8. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the height of the alignment structure (J7) is adjustable by the thickness of the passivation layer (5) or by further layers on the carrier (6).
9. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsstruktur (F7) aus einem metallischen Mehrschichtaufbau wie Ti/TiN/AlCu oder Ti/W/AlCu oder Ti/Pt/AlCu nach eines Sandwich besteht. 9. Multi-chip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the functional structure (F7) consists of a metallic multilayer structure such as Ti / TiN / AlCu or Ti / W / AlCu or Ti / Pt / AlCu after a sandwich.
10. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsstruktur (F7) aus einem Oxid/Nitrid Mehrschichtaufbau mit einem metallischen Überzug (Au) besteht.10. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the functional structure (F7) consists of an oxide / nitride multilayer structure with a metallic coating (Au).
11. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Überzug (Au) aus Gold besteht.11. Multichip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic coating (Au) consists of gold.
12. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Phasenbildung und innigen metallischen Verbindung der Strukturen (7) ein Lot (Au) vorhanden ist.12. Multichip semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that a solder (Au) is present for phase formation and intimate metallic connection of the structures (7).
13. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur innigen metallischen Verbindung beliebige Elemente und/oder Partien der Strukturen (7) ausgewählt werden können.13. Multi-chip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that any elements and / or parts of the structures (7) can be selected for the intimate metallic connection.
14. Multichip-Halbleiterbaustein nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierstrukturen (J7) in den Ecken der Halbleiterchips (2, 3) angeordnet sind.14. Multi-chip semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the adjustment structures (J7) are arranged in the corners of the semiconductor chips (2, 3).
15. Verfahren zur Herstellung eines Multichip- Halbleiterbausteins nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Montage der Halbleiterchips (2, 3) auf einer Maschinenanlage durch vibrieren der Halbleiterchips (2, 3) erfolgt.15. A method for producing a multichip semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor chips (2, 3) are mounted on a machine system by vibrating the semiconductor chips (2, 3).
16. Verfahren zur Herstellung eines Multichip- Halbleiterbausteins nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vibration der Halbleiterchips (2, 3) die Grob-Einfädelung mit Hilfe der Justierstrukturen (J7) erfolgt und dass die genaue Positionierung der Halbleiterchips (2, 3) zu einander durch die FunktionsStrukturen (F7) erfolgt. 16. A method for producing a multichip semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the coarse threading with the aid of the adjustment structures (J7) is carried out by the vibration of the semiconductor chips (2, 3) and that the exact positioning of the semiconductor chips (2 , 3) to each other through the functional structures (F7).
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