Полупроводниковое устройство с интеграцией по вертикали

 

Использование: при производстве полупроводниковых устройств с микрошлифованными полупроводниковыми кристаллами. Сущность изобретения: полупроводниковое устройство по меньшей мере с одним полупроводниковым кристаллом и с первой и второй основной стороной на первой и на второй основной стороне имеет активные структуры, которые соединены между собой посредством проходящих через полупроводниковый кристалл соединений, причем по меньшей мере один полупроводниковый кристалл размещен одной из своих основных сторон на первой основной стороне подложки. Подложка имеет проходящие поочередно на регулярных расстояниях от первой ко второй основной стороне межслойные соединения и непроводящие области, причем расстояние между межслойными соединениями меньше, чем расстояние между контактными выводами. Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового устройства с микрошлифованными полупроводниковыми кристаллами, которое может быть изготовлено экономичным способом. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

В рамках новых технологий вызывает интерес микрошлифование полупроводниковых кристаллов, чтобы иметь возможность создания этажерочных модулей из нескольких полупроводниковых кристаллов. С этой целью полупроводниковые кристаллы шлифуются настолько тонко, чтобы обеспечить возможность межслойного соединения для соединения двух или более слоев. Наряду с возможностью получения тем самым этажерочного модуля полупроводниковых кристаллов с очень малой высотой, межслойное соединение сошлифованных таким образом полупроводниковых кристаллов может также использоваться для того, чтобы обратную сторону полупроводникового кристалла использовать для размещения схемных структур. Это в особенности представляет интерес в области защищенных интегральных схем (ИС) и карт с микросхемами (чип-карт), так как таким способом можно реализовать активные защитные структуры, предназначенные для защиты от физических действий (например, нанесенный на обратную сторону защитный экран), имеющих своей целью неправомерное вмешательство.

Для этого используемые в настоящее время полупроводниковые кристаллы шлифуются до толщины 15-20 мкм. Вследствие этого последующая обработка полученного в результате полупроводникового кристалла становится затруднительной. С одной стороны, появляется возможность "раскатывать" ("наматывать") полупроводниковые кристаллы, а с другой стороны, монтаж на обычных подложках вызывает затруднения. Кроме того, между слоями сборки могут возникать деформации, которые в наихудшем случае приводят к снижению температурной нагрузки всего устройства.

В высокопроизводительных вычислителях вышеописанные сборки уже используются, что, однако, связано со значительными затратами при обработке и монтаже кристаллов. Чтобы избежать вышеописанных проблем при манипулировании кристаллами, т. е. при их изготовлении, вводят временные подложки, которые только при монтаже связываются с полупроводниковым кристаллом, а после сборки всего этажерочного модуля полупроводниковых кристаллов удаляются. Наряду с высокими затратами сложность способа изготовления, включающего множество этапов, исключает возможность его использования для дешевых применений.

Задача настоящего изобретения заключается в создании полупроводникового устройства с микрошлифованными полупроводниковыми кристаллами, которое может быть изготовлено экономичным способом.

Эта задача решается посредством признаков, указанных в пункте 1 формулы изобретения. Предлагается полупроводниковое устройство по меньшей мере с одной первой и одной второй главной стороной, причем полупроводниковый кристалл имеет активные структуры на первой и на второй главных сторонах, соединенные между собой посредством соединений, проходящих сквозь полупроводниковый кристалл, причем по меньшей мере один полупроводниковый кристалл одной из главных сторон размещен на одной первой главной стороне подложки.

Также предложено осуществлять монтаж микрошлифованных полупроводниковых кристаллов постоянно на подложке, изготавливаемой с малыми затратами. Благодаря этому объединяются преимущества межслойного соединения активных структур и требуемой для этого очень малой толщины материала полупроводникового кристалла с хорошей механической стабильностью. В противоположность решениям, известным из предшествующего уровня техники, подложка остается постоянно в полупроводниковом устройстве, так что обеспечивается удобство обращения в процессе изготовления. При этом имеется возможность разместить несколько кристаллов на первой основной стороне подложки. В одном из вариантов осуществления изобретения на второй основной стороне подложки, противолежащей первой основной стороне, предусмотрен по меньшей мере один другой полупроводниковый кристалл с активными структурами на своей первой и второй основной стороне, который одной из своих основных сторон обращен к подложке и который расположен противоположно полупроводниковому кристаллу на первой основной стороне подложки. В этом случае предусматривается полупроводниковое устройство в форме многослойной конфигурации ("сэндвича") по обе стороны от подложки. Тем самым обеспечивается возможность выполнения полупроводникового устройства, требующего очень мало места для своего размещения.

В другом варианте осуществления изобретения подложка имеет контактные выводы первой и/или второй основных сторон, которые соединены с контактами полупроводниковых кристаллов активной структуры. Подложка может тем самым использоваться таким образом, чтобы на ней размещались простые пассивные соединительные структуры, что, с одной стороны, снижает сложность активных слоев, а с другой стороны, обеспечивает высокую надежность по отношению к развязке активных структур относительно подложки. Тем самым имеется возможность соединять контакты полупроводникового кристалла посредством пассивных соединительных структур в подложке или также соединять контакты различных полупроводниковых кристаллов посредством пассивных соединительных структур в положке. Соединительные структуры могут быть предусмотрены в одной или нескольких плоскостях в положке.

Для этого либо контактные выводы на первой основной стороне положки соединены друг с другом, и/или контактные выводы на второй основной стороне подложки соединены друг с другом, и/или контактные выводы на первой и второй основной стороне подложки соединены между собой посредством межслойного соединения. Электрическое соединение между двумя полупроводниковыми кристаллами, которые находятся на противолежащих основных сторонах подложки, может быть реализовано посредством межслойного соединения. В применениях, связанных с обеспечением защиты, предпочтительно, если функциональные возможности полупроводникового устройства обеспечиваются только в том случае, когда по меньшей мере два полупроводниковых кристалла электрически соединены между собой. Соединяемые друг с другом контакты полупроводниковых кристаллов предпочтительно находятся соответственно на сторонах полупроводниковых кристаллов, которые обращены к подложке. Если бы контакты между одним из полупроводниковых кристаллов и подложкой были разъединены, то схема, реализованная на полупроводниковых кристаллах, стала бы неработоспособной. Тем самым можно предотвратить возможность анализа потенциалов зарядов, возникающих в проводниках.

В предпочтительном варианте осуществления подложка имеет межслойные соединения и непроводящие области, проходящие на регулярных расстояниях от первой и второй основных сторон. Преимущество состоит в том, что может быть использована универсальная подложка, которая может применяться независимо от положения контактов на активных плоскостях полупроводниковых кристаллов, если поддерживаются соответствующие минимальные расстояния до контактов полупроводниковых кристаллов.

Предпочтительным образом подложка в одном из вариантов осуществления изобретения выполнена в виде полупроводниковой пластины. Полупроводниковая пластина, служащая в качестве подложки, изготавливается экономичным образом и имеет то преимущество, что толщина слоя может выбираться в соответствии с механическими требованиями и при этом не оказывается влияние на технологические граничные условия активного слоя. Это справедливо, разумеется, и для любого другого типа подложки, например, из пластика или из керамики. Полупроводниковая пластина в качестве подложки имеет еще и то преимущество, что она особенно простым образом соединяется с полупроводниковыми кристаллами. К тому же их тепловые коэффициенты расширения согласованы друг с другом.

Изобретение и его преимущества поясняются ниже со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее: фиг.1 - первый пример выполнения соответствующего изобретению полупроводникового устройства с полупроводниковым кристаллом на одной основной стороне подложки, фиг.2 - второй пример выполнения соответствующего изобретению полупроводникового устройства с полупроводниковым кристаллом на обеих основных сторонах подложки, фиг. 3 - третий пример выполнения соответствующего изобретению полупроводникового устройства с особым выполнением межслойного соединения подложки.

На фиг.1 представлен простейший вариант выполнения соответствующего изобретению полупроводникового устройства. На первой основной стороне 8 подложки 7 размещен полупроводниковый кристалл 1. Полупроводниковый кристалл 1 имеет на первой основной стороне 2 активную структуру 4. На второй основной стороне 3 также имеется активная структура 5. Вторая активная сторона 3 полупроводникового кристалла 1 при этом соединена с первой основной стороной 8 подложки 7. Активные структуры 4, 5 полупроводникового кристалла 1 соединены между собой посредством множества соединений, которые проходят от первой основной стороны 2 ко второй основной стороне 3.

Полупроводниковый кристалл 1 представляет собой микрошлифованный полупроводниковый кристалл, который имеет толщину, например, от 15 до 20 мкм. Подложка имеет толщину, например, 100 мкм. Толщина слоя подложки может при этом выбираться соответственно механическим требованиям. Так как подложка 7 является непроводящей, не требуется при этом принимать во внимание технологические граничные условия активного слоя 5.

Подложка 7 согласно фиг.1 имеет, кроме того, соединительную структуру 18, которая в предлагаемом примере соединяет друг с другом контакты (не показаны) полупроводникового кристалла 1. Подложка 7 может иметь также один или несколько дополнительных плоскостей монтажа. Тем самым можно снизить сложность монтажа в активной структуре полупроводникового кристалла 1. Соединение между подложкой 7 и полупроводниковым кристаллом 1 может, например, осуществляться посредством приклеивания или ламинирования. Соединение может также осуществляться любым другим подходящим способом.

Существенным в настоящем изобретении является тот факт, что микрошлифованный полупроводниковый кристалл и подложка 7 могут находиться в соединении продолжительное время. Тем самым обеспечивается возможность простого обращения с полупроводниковым кристаллом. Недостатки, свойственные предшествующему уровню техники, преодолеваются, и благодаря этому полупроводниковый кристалл и соответственно сборка в виде стопки (этажерочный модуль) с активным слоями на обеих основных сторонах становится пригодной для использования и в применениях низкой стоимости.

На фиг.2 представлен второй пример осуществления полупроводникового устройства, соответствующего изобретению. На подложке 7, в данном случае как на первой основной стороне 8, так и на второй основной стороне 9 размещен полупроводниковый кристалл 1 и соответственно полупроводниковый кристалл 10. Подложка в данном варианте имеет контактные выводы 15, 16 как на первой основной стороне 8, так и на второй основной стороне 9. Контактные выводы 15, 16 соединены между собой посредством межслойных соединений и образуют электрическое соединение между активной структурой 5 полупроводникового кристалла 1 и активной структурой 14 полупроводникового кристалла 10. Между полупроводниковыми кристаллами 1, 10 и подложкой 7 ввиду наличия контактных выводов 15, 16 образуется промежуток, который может быть заполнен заполнителем (не показан).

Полупроводниковый кристалл 1 и полупроводниковый кристалл 10 размещены на подложке 7 таким образом, что их края расположены друг против друга, т.е. края соответствующих полупроводниковых кристаллов точно совмещены друг с другом. Тем самым можно изготовить полупроводниковое устройство с малыми внешними габаритами.

В примерах осуществления, представленных на фиг. 1 и 2, на основных сторонах подложки 7 показано только по одному полупроводниковому кристаллу. Разумеется, можно как на первой, так и на второй основной стороне 8, 9 разместить рядом друг с другом несколько полупроводниковых кристаллов. Они могут соединяться между собой, например, посредством соединительной структуры в подложке 7. Соединительные структуры могут быть при этом выполнены таким образом, что они соединяют между собой контакты множества полупроводниковых кристаллов на основной стороне подложки. Соединительная структура может также быть выполнена так, что она, как показано на фиг.1, соединяет друг с другом только контакты одного полупроводникового кристалла.

Возможно также расположить друг над другом в стопку несколько полупроводниковых устройств, показанных на фиг.1 и 2. При этом активные структуры двух полупроводниковых кристаллов соединяются друг с другом. Последовательность слоев подобного полупроводникового устройства состояла бы в таком случае из следующих элементов: полупроводниковый кристалл, подложка, полупроводниковый кристалл, полупроводниковый кристалл, подложка, полупроводниковый кристалл. Так как каждый из "основных модулей" (состоящих из носителя и полупроводникового кристалла, размещенного с одной стороны или с обеих сторон), рассматриваемый сам по себе, имеет высокую стабильность, в данном случае появляется возможность непосредственного соединения между собой активных структур двух полупроводниковых кристаллов.

Кроме того, можно было бы на "основной модуль" согласно одному из показанных примеров выполнения поместить еще один микрошлифованный и снабженный с одной или с обеих сторон активными структурами полупроводниковый кристалл на активную структуру полупроводникового кристалла "основного модуля".

На фиг.3 представлен третий пример выполнения соответствующего изобретению полупроводникового устройства. Этот пример отличается от показанного на фиг. 2 полупроводникового устройства только тем, что подложка состоит из регулярной структуры вертикальных, т.е. проходящих от первой основной стороны 8 к второй основной стороне 9 подложки 7, чередующихся проводящих (межслойное соединение 17) и непроводящих областей. В этом случае контакты полупроводникового кристалла и контактные выводы на подложке не требуется выравнивать относительно друг друга. Можно использовать универсальную подложку, которая может применяться независимо от положения контактов на полупроводниковых кристаллах. При этом необходимо только обращать внимание на то, чтобы поддерживались соответствующие минимальные расстояния до контактов на полупроводниковых кристаллах, чтобы через межслойные соединения 17 не создавалось короткое замыкание между двумя контактами полупроводникового кристалла.

Изобретение обеспечивает возможность создания полупроводникового устройства, с помощью которого можно размещать друг над другом структурированные с обеих сторон полупроводниковые кристаллы, что обеспечивает простоту обращения и экономичность при изготовлении полупроводникового устройства. Соответствующее изобретению полупроводниковое устройство имеет хорошие механические свойства. Одновременно обеспечивается возможность достижения очень малых толщин слоя ввиду использования микрошлифованных полупроводниковых кристаллов.

Перечень обозначений на чертежах 1 - полупроводниковый кристалл 2 - первая основная сторона 3 - вторая основная сторона 4, 5 - активная структура 6 - соединение 7 - подложка
8 - первая основная сторона
9 - вторая основная сторона
10 - полупроводниковый кристалл
11 - первая основная сторона
12 - вторая основная сторона
13,14 - активная структура
15,16 - контактный вывод
17 - межслойное соединение
18 - соединительная структурал

Формула изобретения

1. Полупроводниковое устройство по меньшей мере с одним полупроводниковым кристаллом (1) с первой и второй основными сторонами (2, 3), который имеет на первой и на второй основных сторонах активные структуры (4, 5) и по меньшей мере на второй основной стороне контактные выводы (15), которые соединены между собой посредством проходящих через полупроводниковый кристалл (1) соединений (6), причем по меньшей мере один полупроводниковый кристалл (1) своей второй основной стороной (3) размещен на первой основной стороне (8) подложки (7), отличающееся тем, что подложка имеет проходящие поочередно на регулярных расстояниях от первой ко второй основной стороне (8, 9) межслойные соединения (17) и непроводящие области, причем расстояние между межслойными соединениями меньше, чем расстояние между контактными выводами (15).

2. Полупроводниковое устройство по п. 1, отличающееся тем, что на второй, противолежащей первой, основной стороне (9) подложки (7) предусмотрен по меньшей мере один дополнительный полупроводниковый кристалл (10) с активными структурами (13, 14) на своей первой и второй основных сторонах (11, 12), который обращен к подложке (7) одной из своих основных сторон (14) и который расположен противоположно первому полупроводниковому кристаллу (1) на первой основной стороне (8) подложки (7).

3. Полупроводниковое устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что подложка (7) на первой и/или на второй основных сторонах (8, 9) имеет контактные выводы (15, 16), которые соединены с контактами полупроводникового кристалла (1, 10) активной структуры (4, 5).

4. Полупроводниковое устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что подложка (7) имеет пассивные соединительные структуры.

5. Полупроводниковое устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что контактные выводы (15) на первой основной стороне (8) подложки (7) соединены между собой, и/или контактные выводы (16) на второй основной стороне (9) подложки (7) соединены между собой, и/или контактные выводы (15, 16) на первой и на второй основных сторонах подложки (7) соединены между собой посредством межслойных соединений (17).

6. Полупроводниковое устройство по любому из пп. 2-5, отличающееся тем, что подложка (7) имеет проходящие поочередно на регулярном расстоянии от первой и второй основных сторонах (8, 9) межслойные соединения (17) и непроводящие области.

7. Полупроводниковое устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что подложка (7) представляет собой полупроводниковую пластину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3