DE69525501T2

DE69525501T2 - Halbleiterbauelement mit Passivierungsschicht aus einem Benzocycobuten-Polymer und Siliziumpulver

Info

Publication number: DE69525501T2
Application number: DE69525501T
Authority: DE
Inventors: Koji Matsui; Tadanori Shimoto
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2015-10-27
Also published as: DE69525501D1; JPH08124919A; KR100194313B1; EP0709882A2; EP0709882B1; KR960015696A; JP2773660B2; EP0709882A3; US5712506A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere eine verbesserte Passivierungsschicht davon.

Beschreibung des Standes der Technik

In einer Halbleitervorrichtung sind Dotierungsdiffusionsbereiche bzw. Verunreinigungsdiffusionsbereiche in einem Halbleitersubstrat ausgebildet und Metallschichten werden darauf ausgebildet, um die Dotierungsdiffusionsbereiche miteinander verbinden zu können. Eine Oberfläche der Vorrichtung wird durch eine dielektrische Abdeckung geschützt, die als Passivierungsschicht bezeichnet wird. Das heißt, dass die Passivierungsschicht die Vorrichtung gegen eine äußere mechanische Belastung schützt und verhindert, dass die Vorrichtung durch externe Feuchtigkeit und Ionen verunreinigt wird.
Eine erste Passivierungsschicht des Standes der Technik besteht aus einem Polyimidharz (vgl. JP-A-2-30171). Dies wird nachfolgend im Detail erläutert.
In der zuvor beschriebenen ersten Passivierungsschicht des Standes der Technik kann die Passivierungsschicht jedoch, wenn die Halbleitervorrichtungen fein strukturiert worden sind, die Grobheit einer stufenweisen Oberfläche, die durch vielzählige Metallschichten verursacht wird, nicht ausgleichen, so dass die Flachheitseigenschaften der Oberfläche der Passivierungsschicht nicht erhalten werden können. In einer nachfolgenden Stufe nach der Ausbildung der Passivierungsschicht können deshalb Risse und Stiftlöcher in der Passivierungsschicht durch thermische Belastung, mechanische Belastung und Umwelteinwirkungen, die auf die grobe, stufige Oberfläche einwirken, erzeugt werden und die Metallschichten können durch Wasser und Ionen erodiert werden, die in der Passivierungsschicht aufgrund ihrer schwachen Feuchtigkeitsbeständigkeit bzw. -dichtigkeit absorbiert werden.
Um die Feuchtigkeitsbeständigkeit der ersten Passivierungsschicht des Standes der Technik verbessern zu können, hat eine zweite Passivierungsschicht des Standes der Technik einen Doppelschichtaufbau, der durch eine Polyimidharzschicht und eine Siliziumnitridschicht darauf (vgl. JP-A-62-293726) ausgebildet ist. Dies wird nachfolgend auch im Detail erläutert.
In der vorstehend beschriebenen, zweiten Passivierungsschicht des Standes der Technik sind jedoch, obwohl die Siliziumnitridschicht eine gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit hat, die Kontakteigenschaften zwischen der Siliziumnitridschicht und der Polyimidschicht derart verschlechtert, dass Wasser und Ionen von dem Übergang zwischen der Siliziumnitridschicht und der Polyimidschicht in den Metallschichten und in den Dotierungsdiffusionsbereichen der Vorrichtung absorbiert werden können, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung vermindert wird.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Passivierungsschicht bereitzustellen, die gute Flachheitseigenschaften und gute Eigenschaften bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit oder -dichtigkeit hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Passivierungsschicht aus einem Benzocyclobutenpolymer und aus einem Siliziumpulver hergestellt. Der Benzocyclobutenpolymer ist an und für sich flexibel, so dass der Benzocyclobutenpolymer mechanische Spannungen, die auf ihn einwirken, aufnehmen kann. Auch hat der Benzocyclobutenpolymer nur geringe Wasseraufnahmeabsorptionseigenschaften, so dass er gute Eigenschaften bezüglich Feuchtigkeitsdichtigkeit zeigt. Zudem macht das Hinzufügen von Siliziumpulver zu dem Benzocyclobutenpolymer die thermische Ausdehnung der Passivierungsschicht im Wesentlichen gleich zu der thermischen Ausdehnung eines Halbleitersubstrats, zum Beispiel eines Siliziumsubstrats.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung, wenn sie mit dem Stand der Technik verglichen wird, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht ist, die eine erste Halbleitervorrichtung des Standes der Technik zeigt;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht ist, die eine zweite Halbleitervorrichtung des Standes der Technik zeigt;
Fig. 3A ein Diagramm mit Strukturformel von Benzocyclobuten ist;
Fig. 3B ein Diagramm zum Erläutern einer Vernetzungsreaktion des Benzocyclobutens ist;
Fig. 4A ein Kurvenverlauf ist, der eine Restspannungseigenschaft einer Mischung aus Benzocyclobutenpolymer und Siliziumpulver zeigt;
Fig. 4B ein Kurvenverlauf ist, der einen Zugspannungswert beim Bruch einer Mischung aus Benzocyclobutenpolymer und Siliziumpulver zeigt;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht ist, die eine erste Ausführungsform der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 6 eine Querschnittsansicht ist, die eine zweite Ausführungsform der Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevor die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben werden, werden die Halbleitervorrichtungen des Standes der Technik mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläutert.
In Fig. 1, die eine erste Halbleitervorrichtung des Standes der Technik (vgl. JP-A-2-30171) zeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein monokristallines Siliziumsubstrat vom N-Typ, das als ein Kollektorbereich dient, bezeichnet 2 einen Dotierungsdiffusionsbereich vom P-Typ, der als ein Basisgebiet dient, bezeichnet 3 einen Dotierungsdiffusionsbereich vom N&spplus;-Typ, der als ein Emitterbereich dient, und bezeichnet 4 einen Dotierungsdiffusionsbereich vom N&spplus;-Typ, der als ein Kollektorausgangsbereich dient. Auf dem Siliziumsubstrat 1 ist eine Siliziumoxidschicht 5 mit Kontaktlöchern ausgebildet, die in ihr ausgebildet sind. Eine Basiselektrode 6B, eine Emitterelektrode 6E und eine Kollektorelektrode 6C sind auch auf der Siliziumoxidschicht 5 ausgebildet und sind mit dem Basisbereich 2, dem Emitterbereich 3 bzw. dem Kollektorausgangsbereich 4 verbunden. Weiterhin ist ein Eingangs/Ausgangs-Anschluss 6P auf der Siliziumoxidschicht 5 ausgebildet.
Auf der gesamten Oberfläche ist auch eine Polyimidharzschicht 7 vorgesehen, die als Passivierungsschicht dient.
In Fig. 1 kann, wenn die Metallschichten wie zum Beispiel die Elektroden 6B, 6E, 6C und 6P zahlreicher und komplexer sind, die Polyimidharzschicht 7 eine Rauhigkeit bzw. Grobheit einer gestuften Oberfläche der Metallschichten nicht mehr aufnehmen bzw. ausgleichen. Der Grund dafür liegt darin, dass der Polyimidharz durch Dehydrieren einer Polykondensation eines Polyimidvorgängers ausgebildet wird und deshalb in dem dehydrierenden Polykondensationsprozess die Passivierungsschicht im Volumen reduziert wird. Im Ergebnis sind die Flachheitseigenschaften der Polyimidharzschicht 7 verschlechtert. In einer nachfolgenden Stufe der Polyimidharzschicht 7 können deshalb Brüche und Stiftlöcher in der Polyimidharzschicht 7 durch thermische Belastung, mechanische Spannung und Umweltbelastung erzeugt werden, die auf die rauhe, stufige Oberfläche davon wirken. Die Elektroden 6B, 6E, 6C und der Anschluss 6P können auch durch Wasser und Ionen erodiert werden, die in der Polyimidharzschicht 7 absorbiert werden.
In Fig. 2, die eine zweite Halbleitervorrichtung des Standes der Technik zeigt (vgl. JP-A-62-293726), ist eine Siliziumnitridschicht 8 den Elementen der Vorrichtung von Fig. 1 hinzugefügt und dementsprechend dienen sowohl die Siliziumnitridschicht 8 als auch die Polyimidharzschicht 7 als Passivierungsschicht.
In Fig. 2 sind jedoch, obwohl die Siliziumnitridschicht 8 eine gute Feuchtigkeitsdichtigkeit hat, die Kontakteigenschaften zwischen der Siliziumnitridschicht 8 und der Polyimidschicht 7 derart verschlechtert, dass Wasser und Ionen von der Schnittstelle zwischen der Siliziumnitridschicht 8 und der Polyimidschicht 7 in den Elektroden 6B, 6E, 6C und dem Anschluss 6P und in den Dotierungsdiffusionsbereichen 2, 3 und 4 absorbiert werden. Die Zuverlässigkeit der Vorrichtung ist deshalb verschlechtert.
Als nächstes wird ein Benzocyclobutenpolymer unter Bezugnahme auf Fig. 3A und 3B erläutert.
Der Benzocyclobutenpolymer wird unter Verwendung eines Benzocyclobutenmonomers mit einer Strukturformel, wie sie in Fig. 3A gezeigt ist, ausgebildet. Das heißt, dass der Benzocyclobutenmonomer derart erwärmt wird, dass Cyclobutenabschnitte des Benzocyclobutenmonomers durch einen ring-öffnenden Polymerisationsprozess, wie in Fig. 3B gezeigt ist, ring-geöffnet werden. In einem solchen ring-öffnenden Polymerisationsprozess wird Benzocyclobuten nie im Volumen reduziert, wodurch es eine Rauhigkeit oder Grobheit bzw. Welligkeit aufgrund einer stufigen Oberfläche von darunterliegenden Schichten ausgleichen kann.
In der vorliegenden Erfindung wird Siliziumpulver, dessen Partikeldurchmesser zum Beispiel ungefähr 1 um beträgt, den Benzocyclobutenpolymer als Passivierungsschicht derart hinzugefügt, dass die thermische Ausdehnung der Passivierungsschicht im wesentlichen gleich der thermischen Ausdehnung des Siliziumsubstrats ist.
Das Gewichtsverhältnis von Siliziumpulver zu Benzocyclobutenpolymer ist bevorzugt größer als ungefähr 1%. Das heißt, wie in Fig. 4A gezeigt ist, die Restspannungseigenschaften einer Mischung aus Benzocyclobuten und Siliziumpulver zeigt, dass, wenn das Gewichtsverhältnis von Siliziumpulver kleiner als ungefähr 1% ist, die Restspannung merklich erhöht ist, wodurch die Zuverlässigkeit der Passivierungsschicht insbesondere in einem Chip großer Integrationsdichte reduziert wird.
Das Gewichtsverhältnis von Siliziumpulver zu Benzocyclobutenpolymer ist auch bevorzugt kleiner als ungefähr 90%. Das heißt, wie in Fig. 4B gezeigt ist, die Zugdehnungseigenschaften bei Bruch der Mischung aus Benzocyclobutenpolymer und Siliziumpulver zeigt, dass, wenn das Gewichtsverhältnis von Siliziumpulver größer als ungefähr 90% ist, der Zugdehnungswert bei Bruch ungefähr 0% ist, so dass Risse und Stiftlöcher leicht in der Passivierungsschicht erzeugt werden können, die aus Benzocyclobutenpolymer und Siliziumpulver besteht.
In Fig. 5, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, ist eine Passivierungsschicht 9 aus einem Benzocyclobutenpolymer und Siliziumpulver hergestellt.
Die Ausbildung der Passivierungsschicht 9 wird nachfolgend erläutert.
Zuerst wird ein Benzocyclobutenoligomer in einer Mesitylenlösung gelöst und es wird Siliziumpulver mit einem Partikeldurchmesser von 1 um in die Mesitylenlösung gegeben. In diesem Fall beträgt das Gewichtsverhältnis des Siliziumpulvers zu dem Benzocyclobutenoligomer ungefähr 40%. Dann wird die Lösung aus Benzocyclobutenoligomer und Mesitylen mit Siliziumpulver gerührt und ein fotoempfindlicher Vernetzer wird hinzugefügt, um ein fotoempfindliches Abdeckmittel zu erhalten.
Das zuvor beschriebene fotoempfindliche Abdeckmittel wird durch ein Schleuderverfahren als Passivierungsschicht 9 auf die gesamte Oberfläche aufgetragen, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und wird bei einer Temperatur von ungefähr 80ºC für ungefähr 20 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre ausgebacken.
Als nächstes wird Licht auf das fotoempfindliche Abdeckmittel mit einer Maske (wie gezeigt) geworfen und das fotoempfindliche Abdeckmittel wird unter Verwendung eines Entwicklers auf der Basis von Kerosin entwickelt, um eine Öffnung für den Eingangs/Ausgangs-Anschluss 6P offenzulegen.
Schließlich wird ein Wärmebetrieb bei einer Temperatur von ungefähr 200ºC bis 250ºC für ungefähr 30 Minuten ausgeführt, um das fotoempfindliche Abdeckmittel auszuhärten, damit die Passivierungsschicht 9 ausgebildet werden kann, die ungefähr 2 um in der Dicke beträgt.
In Fig. 6, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wird eine weitere Passivierungsschicht 10, die aus einem Polyimidharz hergestellt ist, den Elementen der Fig. 5 hinzugefügt. Das heißt, dass die zusätzliche Passivierungsschicht 10 zwischen der Passivierungsschicht 9 und der Siliciumoxidschicht 5 von Fig. 5 eingefügt wird.
Die Ausbildung der Passivierungsschichten 9 und 10 wird nachfolgend erläutert.
Zuerst wird ein Polyimid-Abdeckmittel auf der Basis eines Polyimidvorgängers auf die gesamte Oberfläche aufgetragen, wie in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall wird Siloxan dem Polyimid-Abdeckmittel hinzugefügt, um gute Kontakteigenschaften mit der Siliziumoxidschicht 5 erhalten zu können.
Als nächstes wird nach dem Ausbackbetrieb ein Erwärmungsbetrieb ausgeführt, um eine Vernetzungsreaktion in dem Polyimidvorgänger zu erzeugen. Die Passivierungsschicht 10, die eine Dicke von ungefähr 1,5 um hat, wird somit erhalten.
Als nächstes wird das fotoempfindliche Abdeckmittel, das in der ersten Ausführungsform verwendet wird, durch ein Schleuderverfahren als Passivierungsschicht 9 auf der Passivierungsschicht 10, wie in Fig. 6 gezeigt ist, aufgetragen und wird bei einer Temperatur von ungefähr 80ºC für ungefähr 20 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre ausgebacken.
Als nächstes wird ein Erwärmungsbetrieb bei einer Temperatur von ungefähr 200ºC bis 250ºC für ungefähr 30 Minuten ausgeführt, um das fotoempfindliche Abdeckmittel auszuhärten, damit die Passivierungsschicht 9 ausgebildet werden kann, die ungefähr 0,5 um in der Dicke beträgt.
Schließlich wird eine Öffnung für den Eingangs/Ausgangs-Anschluss 6P in der Passivierungsschicht 9 und 10 unter Verwendung eines Fotolithografieprozesses und eines Sauerstoffplasmaätzprozesses ausgebildet.
In der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die schlechten Kontakteigenschaften der Passivierungsschicht 9 (Benzocyclobutenpolymer/Siliziumpulver) mit anorganischem Material wie zum Beispiel Siliziumoxid durch die zusätzliche Passivierungsschicht 10 (Polyimid) kompensiert, die gute Kontakteigenschaften mit anorganischem Material hat.
Der Siloxanrest, der in der Passivierungsschicht enthalten ist, verbessert auch die Kontakteigenschaften mit anorganischen Materialien. Es wird darauf hingewiesen, dass die Polyimidschicht, die den Siloxanrest enthält, höhere Wasserabsorptionseigenschaften hat. Diese werden jedoch durch die Passivierungsschicht 9 (Benzocyclobutenpolymer/Siliziumpulver) ausgeglichen.
Desweiteren wird in dem Aushärtungsprozess der Passivierungsschicht 9 (Benzocyclobutenpolymer/Siliziumpulver) der Benzocyclobutenpolymer mit dem Polyimid derart kombiniert, dass die zwei Passivierungsschichten 9 und 10 eng in Kontakt miteinander sind.
Wie zuvor erläutert wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da die Passivierungsschicht aus einem Benzocyclobutenpolymer hergestellt ist, der flexibel ist, die Passivierungsschicht Spannung, die auf sie ausgeübt wird, absorbieren und flacher gemacht werden. Da der Benzocyclobutenpolymer geringe Wasserabsorptionseigenschaften hat, zeigt die Passivierungsschicht auch gute Feuchtigkeitsdichteeigenschaften. Des Weiteren kann, da das Siliziumpulver in der Passivierungsschicht enthalten ist, die thermische Ausdehnung der Passivierungsschicht der thermischen Ausdehnung des Halbleitersubstrats derart angenähert werden, dass die mechanische Festigkeit der Halbleitervorrichtung verbessert werden kann.
Die zusätzliche Passivierungsschicht, die aus Polyimid hergestellt ist, stellt auch gute Kontakteigenschaften mit anorganischen Materialien derart bereit, dass die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung verbessert werden kann.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, die aufweist:

ein Halbleitersubstrat (1);

eine anorganische Isolationsschicht (5), die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist; und

eine erste Passivierungsschicht (9), die aus einer Mischung aus einem Benzocyclobutenpolymer und einem Siliziumpulver hergestellt ist und auf der anorganischen Isolationsschicht ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Gewichtsverhältnis des Siliziumpulvers zu dem Benzocyclobutenpolymer ungefähr 0,01 bis 0,90 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Passivierungsschicht weiterhin einen photoempfindlichen Vernetzer aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine zweite Passivierungsschicht (10) aufweist, die aus einen Polyimidharz besteht und zwischen der anorganischen Isolationsschicht und der ersten Passivierungsschicht ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die zweite Passivierungsschicht weiterhin einen Siloxanrest aufweist.

6. Material zur Verwendung in einer Passivierungsschicht (9) einer Halbleitervorrichtung, das eine Mischung aus einem Benzocyclobutenpolymer und einem Siliziumpulver aufweist.

7. Material nach Anspruch 6, worin das Gewichtsverhältnis des Siliziumpulvers zu dem Benzocyclobutenpolymer ungefähr 0,01 bis 0,90 beträgt.

8. Material nach Anspruch 6, das weiterhin einen photoempfindlichen Vernetzer aufweist.