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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Verbindungsstrukturen für den Signalaustausch in komplexen integrierten Schaltungen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen ist eine sehr große Anzahl einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren in Form von CMOS-, NMOS-, PMOS-Elementen, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen, auf einer einzelnen Chipfläche ausgebildet. Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente bei der Einführung jeder neuen Schaltungsgeneration verringert, so dass aktuell verfügbare integrierte Schaltungen, die durch Massenherstellungsverfahren produziert werden, mit kritischen Abmessungen von 50 nm und weniger verfügbar sind und einen besseren Grad an Leistungsverhalten im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme besitzen. Eine Verringerung der Größe von Transistoren ist ein wichtiger Aspekt beim stetigen Verbessern des Verhaltens komplexer integrierter Schaltungen, etwa von CPU's. Die Verringerung der Größe ist üblicherweise mit einer Zunahme der Schaltgeschwindigkeit verknüpft, wodurch das Signalverarbeitungsverhalten auf Transistorebene verbessert wird.
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Zusätzlich zu der großen Anzahl an Transistorelementen sind typischerweise viele passive Schaltungselemente, etwa Kondensatoren, Widerstände, Verbindungsstrukturen und dergleichen in integrierten Schaltungen ausgebildet, wie sie durch den grundlegenden Schaltungsaufbau erforderlich sind. Auf Grund der geringeren Abmessungen der aktiven Schaltungselemente wird nicht nur das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente verbessert, sondern auch die Packungsdichte steigt an, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, immer mehr Funktionen in eine vorgegebene Chipfläche zu integrieren. Aus diesem Grunde wurden sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedliche Schaltungsarten, etwa Analogschaltungen, Digitalschaltungen und dergleichen, enthalten, wodurch vollständige Systeme auf einem einzelnen Chip (SOC) bereitgestellt werden.
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Obwohl Transistorelemente die wichtigste Schaltungselementart in komplexen integrierten Schaltungen sind, die auch das Gesamtverhalten dieser Bauelemente wesentlich beeinflussen, sind auch andere Komponenten, etwa Kondensatoren und Widerstände und insbesondere ein komplexes Verbindungssystem oder Metallisierungssystem erforderlich, wobei die Größe dieser passiven Schaltungselemente ebenfalls im Hinblick auf die Größe der Transistorelemente anzupassen ist, um nicht in unerwünschter Weise wertvolle Chipfläche zu vergeuden.
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Wenn die Anzahl der Schaltungselemente, etwa der Transistoren und dergleichen, pro Einheitsfläche in der Bauteilebene eines Halbleiterbauelements ansteigt, muss typischerweise auch die Anzahl der elektrischen Verbindungen, die den Schaltungselementen in der Bauteilebene zugeordnet sind, erhöht werden, typischerweise sogar in einer überproportionalen Weise, wodurch eine sehr komplexe Verbindungsstruktur erforderlich ist, die in Form von Metallisierungssystemen mit einer Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten bereitgestellt wird. In diesen Metallisierungsschichten sind Metallleitungen, die für die Verbindung innerhalb der Ebene sorgen, und Kontaktdurchführungen, die für die Verbindung zwischen den Ebenen sorgen, auf der Grundlage gut leitender Metalle, etwa Kupfer und dergleichen, in Verbindung mit geeigneten dielektrischen Materialien gebildet, um die parasitären RC-(Widerstand/Kapazitäts-)Zeitkonstanten zu verringern, da in komplexen Halbleiterbauelementen typischerweise die Signalausbreitungsverzögerung im Wesentlichen durch das Metallisierungssystem anstatt durch die Transistorelemente in der Bauteilebene beschränkt ist. Das Erweitern des Metallisierungssystems in der Höhenrichtung zur Bereitstellung der gewünschten Dichte an Verbindungsstrukturen ist jedoch durch die parasitären RC-Zeitkonstanten, durch Beschränkungen, die durch die Materialeigenschaften von komplexen Dielektrika mit kleinem ε auferlegt sind, und durch die Wärmeableiteigenschaften begrenzt. D. h., typischerweise ist eine kleinere Dielektrizitätskonstante mit einer reduzierten mechanischen Stabilität dieser dielektrischen Materialien verknüpft, wodurch auch die Anzahl an Metallisierungsschichten begrenzt wird, die aufeinander gestapelt werden, ohne während der diversen Fertigungsschritte ausgeprägte Ausbeuteverluste bleiben und ohne die Zuverlässigkeit während des Betriebs des Halbleiterbauelements zu beeinträchtigen. Die ansteigende Stromdichte in der Metallleitung in Verbindung mit einer erhöhten Abwärme, die in der Bauteilebene erzeugt wird, erfordert eine bessere Wärmeleitfähigkeit, die ggf. nicht mit der hohen Packungsdichte von Metallleitungen und einer geringeren Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Materialien des Metallisierungssystems kompatibel ist.
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Die Druckschrift
US 2008/0 181 557 A1 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit einem in tiefen Schichten ausgebildeten Lichtleiter, der optische Signale, die von elektrischen Signalen von in einer oberen Schicht liegenden Bauelementen abgeleitet sind, verteilt.
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Die Druckschrift
US 5 987 196 A beschreibt ein Bauelement, in welchem ein optischer Signalweg im Substrat angeordnet ist. Zudem beschreiben die Druckschriften
US 6 806 111 B1 und
DE 38 34 335 A1 Bauelemente mit integrierten optischen Signalwegen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Halbleiterbauelemente bereitzustellen, in denen eine optische Signalübermittlung mit effizientem Gesamtaufbau der elektronischen und optischen Elemente ermöglicht wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen siliziumbasierte optoelektronische Komponenten, d. h. lichtemittierende Elemente und lichtempfangende Elemente für einen bauteilinternen Signalaustausch und in einigen anschaulichen Ausführungsformen für den chipinternen Signalaustausch verwendet werden. Wie zuvor erläutert ist, ergeben sich durch die zunehmende Komplexität von Metallisierungssystemen und Verbindungssystemen komplexer integrierter Schaltungen wesentliche Einschränkungen im Hinblick auf das schließlich erreichte Bauteilleistungsverhalten, beispielsweise im Hinblick auf das thermische Budget, die Arbeitsgeschwindigkeit, das Anpassen von Schaltungsbereichen an unterschiedlich Versorgungsspannungen und dergleichen. Aus diesem Grunde stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente bereit, in denen optische Signalübertragungseigenschaften in integrierten Schaltungsbauelementen oder sogar innerhalb eines einzelnen Halbleiterchips vorgesehen werden, indem monolithisch implementierte optoelektronische Komponenten verwendet werden. Zu diesem Zweck werden siliziumbasierte lichtemittierende Bauelemente, beispielsweise auf der Grundlage von Dislokationsschleifen oder anderen absichtlich erzeugten Modifizierungen des Siliziumbasismaterials vorteilhaft während der Prozesssequenz zur Herstellung von Schaltungselementen einer komplexen Schaltung, etwa eines Mikroprozessors, und dergleichen, erzeugt, um die Funktion der Umwandlung elektrischer Signale in optische Signale und umgekehrt einzurichten. Ferner werden geeignete optische Kommunikationswege, etwa Wellenleiter und dergleichen, eingerichtet, um unterschiedliche Schaltungselemente funktionsmäßig über den optischen Signalaustausch miteinander zu verbinden. In einigen anschaulichen Aspekten wird ein optischer Kommunikationsweg in Form eines halbleiterbasierten Wellenleiters bereitgestellt, der auf der Grundlage von Fertigungstechniken hergestellt wird, die nicht in unnötiger Weise zu einer erhöhten Gesamtprozesskomplexität beitragen. In anderen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten werden die optischen Signalaustauscheigenschaften auf der Grundlage monolithisch implementierter optoelektronischer Komponenten für eine Zwischenchipkommunikation eines dreidimensionalen integrierten Schaltungsbauelements angewendet, wodurch eine bessere Entwurfsflexibilität erreicht wird und wodurch auch ein insgesamt besseres Bauteilleistungsverhalten erzeugt wird. Somit kann ein effizienter Signalaustausch auf der Grundlage monolithisch implementierter optoelektronischer Komponenten erreicht werden, wodurch Anforderungen im Hinblick auf das thermische Budget entschärft werden, während gleichzeitig eine größere Entwurfsflexibilität möglich ist. Des weiteren wird das Gesamtbauteilleistungsverhalten auf Grund der besseren Signalausbreitungsgeschwindigkeiten auf der Grundlage einer elektrisch entkoppelten Kommunikationsweges erreicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a bis 1j schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen beim Einrichten von optischen Signalaustauscheigenschaften in einem Halbleiterbauelement auf der Grundlage monolithisch eingerichteter optoelektronischer Komponenten in einem Siliziumbasismaterial unter anderem gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
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1k schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt, in dem ein optischer Signalaustauschpfad in der gleichen Bauteilebene wie die Schaltungselemente einer komplexen integrierten Schaltung vorgesehen ist; und
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1l schematisch eine Querschnittsansicht einer dreidimensionalen Chipkonfiguration zeigt, in der eine Zwischenchipkommunikation zumindest teilweise auf der Grundlage von Wellenleitern und monolithischen siliziumbasierten optoelektronischen Komponenten bewerkstelligt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente bereit, in denen siliziumbasierte optoelektronische Komponenten, etwa lichtemittierende Elemente und lichtempfangende Elemente, für den optischen Signalaustausch zwischen Schaltungselementen einer komplexen Schaltung, etwa in einem Mikroprozessor und dergleichen verwendet werden. Zu diesem Zweck werden die optoelektronischen Siliziumkomponenten auf der Grundlage von Materialien und Fertigungsstrategien hergestellt, wie sie auch zur Herstellung der eigentlichen Schaltungselemente verwendet werden, wodurch insgesamt die Prozesskomplexität nicht unnötig ansteigt. Gleichzeitig erweitern die optischen Signalaustauscheigenschaften, die auf der Grundlage der monolithisch implementierten optoelektronischen Komponenten erhalten werden, deutlich die Funktionsvielfalt und das Leistungsverhalten von siliziumbasierten Halbleiterbauelementen, beispielsweise im Hinblick auf die Bandbreite und die Signalausbreitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellen Verbindungsstrukturen und Metallisierungssystemen. Auf Grund der Fähigkeit des Austauschens von Signalen über einen optischen Kommunikationsweg in siliziumbasierten Halbleiterbauelementen über beliebige erforderliche Strecken ohne Beeinträchtigung der Arbeitsgeschwindigkeit wird ein höherer Grad an Entwurfsflexibilität, etwa im Hinblick auf eine effizientere Verteilung kritischer Schaltungsbereiche, erreicht, die ansonsten mit einem großen Anteil zur Verlustwärme während des Betriebs des Bauelements beitragen. Ferner kann die Wärmeerzeugung in dem Metallisierungssystem selbst deutlich im Vergleich zu einem konventionellen Metallisierungssystem verringert werden, das ansonsten die gleiche Signalaustauschfähigkeit besitzt. Da ferner effiziente Wellenleiterzweige auf der Grundlage siliziumbasierter Materialien, etwa Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen erhalten werden, kann ein gewünschter Grad an Komplexität des optischen Kommunikationssystems innerhalb eines einzelnen Halbleiterchips oder innerhalb diverser Halbleiterchips einer einzelnen dreidimensionalen Chipkonfiguration eingerichtet werden. Beispielsweise können Bauteilgebiete, etwa ein Substratbereich und dergleichen effizient für den optischen Signalaustausch verwendet werden, ohne dass im Wesentlichen zusätzliche Fläche im Halbleiterchip erforderlich ist. In anderen Fällen können komplexe Spannungsanpassstufen in Anzahl und/oder Komplexität reduziert werden, da Signale über das optische Kommunikationssystem unabhängig von dem eigentlichen Potential der jeweiligen Schaltungsbereiche ausgetauscht werden können.
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Wie zuvor dargestellt ist, können empfindliche lichtempfangende Elemente, etwa Photodioden und dergleichen effizient in einem siliziumbasierten Material, etwa auf der Grundlage von Silizium/Silizium/Germanium-Heterostrukturen hergestellt werden, die effiziente und schnelle Wandler für das Umwandeln eines optischen Signals in ein elektrisches Signal repräsentieren. Ferner wurden kürzlich lichtemittierende Dioden entwickelt, die eine geeignete Intensität bereitstellen, um damit einen effizienten Signalaustausch entlang von Strecken ermöglichen, wie sie typischerweise in integrierten Schaltungen und Einzelchipbauelementen auftreten. Beispielsweise können in einem kristallinen Siliziumbasismaterial Kristalldefekte beabsichtigt eingeführt werden, beispielsweise in Form von Dislokationsschleifen und dergleichen, wobei die Verformung in der Umgebung des gesteuerten Siliziumkristalls zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für das Auftreten strahlender Elektronen-Loch-Rekombinationsereignisse führt. Geeignete Dislokationsschleifen oder andere Kristallmodifizierungen können effizient auf der Grundlage etablierter Prozesstechniken erzeugt werden, etwa durch die Implantation von Bor in Verbindung mit einer geeigneten Wärmebehandlung, um die gewünschte Größe und Dichte an Kristallunregelmäßigkeiten auf der Grundlage von Dislokationen zu erhalten. Folglich können derartige Halbleiterbereiche an einer geeigneten Stelle innerhalb einer siliziumbasierten Halbleiterschicht eingebracht werden und können dann optisch mit einem lichtempfangenden Element gekoppelt werden, was bewerkstelligt werden kann, indem ein geeigneter Pfad, beispielsweise ein Wellenleiter unter Anwendung geeigneter Materialien bereitgestellt wird, etwa in Form eines Kernmaterials mit einem größeren Brechungsindex im Vergleich zu einem „Mantelmaterial”, das einen geringeren Brechungsindex besitzt. Beispielsweise ist Siliziummaterial im nahen Infrarotbereich, beispielsweise bei ungefähr 1 μm, durchsichtig und besitzt einen Brechungsindex von ungefähr 4. Somit können Materialien, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid und dergleichen effizient als ein Mantelmaterial auf Grund des kleineren Brechungsindex eingesetzt werden. In anderen Fällen können andere dielektrische Materialien, die einen unterschiedlichen Brechungsindex besitzen, als Kern- und Mantelmaterial des entsprechenden Wellenleiters vorgesehen werden, wenn das Bereitstellen eines halbleiterbasierten Kernmaterials eines Wellenleiters als ungeeignet erachtet wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der optische Weg zwischen dem lichtemittierenden Element und dem lichtempfangenden Element in der gleichen siliziumbasierten Halbleiterschicht eingerichtet, wodurch eine effiziente Kopplung der optoelektronischen Komponenten mit dem optischen Weg, der diese beiden optoelektronischen Komponenten verbindet, erreicht wird. Eine derartige Konfiguration kann auch als eine zweidimensionale Konfiguration bezeichnet werden, da die gleiche Siliziumbasisschicht für die optoelektronischen Komponenten und dem optischen Pfad verwendet wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird eine „dreidimensionale” Konfiguration verwendet, wenn die optoelektronischen Komponenten in unterschiedlichen siliziumbasierten Halbleitermaterialien hergestellt sind, die in einer späteren Fertigungsphase, beispielsweise durch Scheibenverbundtechniken, und dergleichen miteinander verbunden werden. In dreidimensionalen Konfigurationen und auch in zweidimensionalen Aufbauten kann der optische Wellenleiter unterschiedliche Wellenleiterzweige besitzen, die miteinander mittels geeignet gestalteter lenkender Bereiche gekoppelt sind, wenn eine Änderung der allgemeinen Ausbreitungsrichtung des optischen Signals erforderlich ist. Zu diesem Zweck können spiegelähnliche Komponenten, Bragg-Gitter und dergleichen effizient in jeweiligen Wellenleiterabschnitten verwendet werden.
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Es sollte beachtet werden, dass im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Licht” so zu verstehen ist, dass dieses elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von Infrarot bis zu sichtbarem Licht und den nahen Ultraviolettbereich mit einschließt. Folglich werden elektromagnetische Strahlungen mit einer Wellenlänge von beispielsweise 10 μm bis 300 nm als „Licht” bezeichnet.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei die 1a bis 1j Ausführungsformen bezeichnen, in denen monolithisch implementierte optoelektronische Komponenten und der optische Pfad innerhalb eines gemeinsamen siliziumbasierten Halbleitermaterials erzeugt werden. Andererseits betrifft 1l Ausführungsformen, in denen die optoelektronischen Komponenten in einem siliziumbasierten Material unterschiedliche Substrate hergestellt werden, die in einem separaten Fertigungsprozess miteinander verbunden werden.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines siliziumbasierten Halbleiterbauelements 100 in einer frühen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 ein Substrat 101, etwa ein Siliziumsubstrat, ein isolierendes Substrat und dergleichen. Das Bauelement 100 umfasst ferner eine erste siliziumbasierte Halbleiterschicht 110 und eine zweite siliziumbasierte Halbleiterschicht 120, die als eine gestapelte Konfiguration vorgesehen sind. D. h., die Schicht 110 ist „über” der Schicht 120 gebildet, wobei zu beachten ist, dass jegliche Positionszuweisungen oder Angaben sich auf das Substrat 101 beziehen. D. h., eine „laterale” Richtung ist als eine Richtung zu verstehen, die sich parallel zu einer Oberfläche 101s des Substrats 101 erstreckt. Eine „vertikale” Richtung und zugehörige Begriffe, etwa „über”, „unter”, „auf”, und dergleichen beziehen sich auf eine Richtung, die senkrecht zur Oberfläche 101s orientiert ist. In dem Bereich des Halbleiterbauelements 100, der in 1a gezeigt ist, ist eine optische Kommunikation auf der Grundlage monolithisch hergestellter optoelektronischer Komponenten in der Halbleiterschicht 120 eingerichtet, während „elektrische” Schaltungselemente vorzugsweise in der Halbleiterschicht 110 gebildet sind. Es ist jedoch zu beachten, dass andere „elektrische” Schaltungselemente ebenfalls an geeigneten Stellen innerhalb der Halbleiterschicht 120 und/oder innerhalb des Substrats 101 vorgesehen sein können, wenn dies als geeignet erachtet wird. Ferner ist in dem gezeigten Beispiel eine erste vergrabene isolierende Schicht 103 zwischen den Halbleiterschichten 110 und 120 gebildet, während eine zweite vergrabene isolierende Schicht 102 zwischen dem Substrat 101 und der Halbleiterschicht 120 angeordnet ist. Z. B. sind die vergrabenen isolierenden Schichten 103, 102 aus einem geeigneten dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid und dergleichen aufgebaut. Folglich besitzen die Schichten 103, 102 einen Brechungsindex, der kleiner ist als ein Brechungsindex der siliziumbasierten Schichten 110, 120 bei einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich. In diesem Falle können die vergrabenen isolierenden Schichten 102, 103 als ein Mantelmaterial der Halbleiterschicht 120 dienen, das als das Kernmaterial eines ebenen Wellenleiterabschnitts betrachtet werden kann. Wie nachfolgend detaillierter erläutert ist, wird ein lateraler Einschluss des Lichtes durch das Erzeugen entsprechender Gräben in der Halbleiterschicht 120 und durch das Fehlen dieser Gräben mit einem geeigneten Material, etwa Siliziumdioxid, und dergleichen bewerkstelligt, um damit geeignete Wellenleiter Zweige oder Abschnitte in der Schicht 120 zu bilden.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden die „Schichten” 102 und/oder 103 als zusammenhängende Materialschichten bereitgestellt, sondern diese repräsentieren Schichtbereiche, die so vorgesehen sind, dass ein gewünschter optischer Pfad auf der Grundlage der Halbleiterschicht 120 gebildet wird. Beispielsweise können lokal beschränkte Streifen aus isolierendem Material vorgesehen werden, um als vertikale Einschlüsse eines entsprechenden Wellenleiterabschnitts in der Halbleiterschicht 120 zu dienen.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden das Substrat 101, die vergrabene isolierende Schicht 102 und die Halbleiterschicht 120 in Form eines SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrats bereitgestellt, während die Schicht 110 in Form eines zusätzlichen separaten Substrats, möglicherweise in Verbindung mit der Schicht 103 oder zumindest einem Teil davon, bereitgestellt wird. Daraufhin werden die beiden Substrate durch gut etablierte Scheibenverbundtechniken verbunden, wobei ein nicht erforderlicher Bereich des zusätzlichen Substrats entfernt werden kann, beispielsweise durch Scheibenspalttechniken und dergleichen, wodurch die Schicht 110 über dem Substrat 101 bereitgestellt wird. Daraufhin können weitere Behandlungen zur Verbesserung der Oberflächenqualität und dergleichen gemäß gut etablierter Prozesstechniken durchgeführt werden. Es sollte beachtet werden, dass eine Dicke der einzelnen Schichten 110, 103, 120 und 102 auf der Grundlage von Bauteilerfordernissen, beispielsweise im Hinblick auf das Herstellen von Feldeffekttransistoren in der Schicht 110 und das Herstellen siliziumbasierter optoelektronischer Komponenten in der Schicht 120 eingestellt wird, während gleichzeitig geeignete Dickenwerte für die vergrabenen isolierenden Materialien 102 und 103 erreicht werden.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden eine oder beide Schichten 103, 102 auf der Grundlage von Ionenimplantationstechniken hergestellt. Beispielsweise werden das Substrat 101, das aus einem kristallinen Siliziummaterial aufgebaut sein kann und der Schicht 103 in Verbindung mit der Halbleiterschicht 110 als ein SOI-Substrat vorgesehen, das einem Ionenimplantationsprozess unterzogen wird, beispielsweise auf der Grundlage von Sauerstoff, um damit die Sauerstoffsorte durch die Schicht 103 und durch einen Teil des Substrats 101 einzubauen, der nunmehr die Schicht 120 repräsentiert, wodurch die Schicht 102 in Verbindung mit einer entsprechenden Wärmebehandlung gebildet wird. Wie zuvor erläutert ist, wird in diesem Falle eine geeignete Implantationsmaske vorgesehen, um ein gewünschtes Muster unterhalb der Halbleiterschicht 120 bei Bedarf zu erzeugen. Beispielsweise werden entsprechende Streifen oder andere Muster an sauerstoffbasierten isolierenden Materialien in der Schicht 102 gebildet. Zu beachten ist, dass eine entsprechende Technik auch zur Herstellung der Schicht 103 bei Bedarf eingesetzt werden kann. Der Einbau einer Sauerstoffsorte in Verbindung mit einer entsprechenden Wärmebehandlung ist im Stand der Technik gut bekannt und kann effizient eingesetzt werden, um die in 1a gezeigte Struktur des Bauelements 100 zu erhalten.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 eine Ätzmaske 130 mit Öffnungen 130a, 130b, um damit die laterale Größe und die Lage eines Mantelmaterials zu definieren, das in der Schicht 120 zu erzeugen ist, um damit die laterale Abmessung und die Form eines entsprechenden Wellenleiters zu bestimmen, der in der Halbleiterschicht 120 herzustellen ist. Die Ätzmaske 130 kann auf der Grundlage gut etablierter Lithographietechniken hergestellt werden und daraufhin wird eine Ätzsequenz 131 ausgeführt, um durch die Schicht 110, die vergrabene isolierende Schicht 103 und die Halbleiterschicht 120 zu ätzen. Zu diesem Zweck können gut etablierte isotrope Ätztechniken, die verfügbar sind, angewendet werden, wobei die Ätzchemie geeignet so angepasst wird, dass durch die unterschiedliche Materialien geätzt wird. Beispielsweise können Silizium, Siliziumdioxid und dergleichen effizient auf der Grundlage von fluorbasierten Ätzchemien unter Anwendung gut etablierter Rezepte geätzt werden.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement während eines Abscheideprozesses 132 zum Abscheiden eines Materials 104a, um die Öffnungen 121a, 121b zu füllen. Die Materialschicht 104a repräsentiert ein beliebiges geeignetes Material, das als ein Mantelmaterial 104 in den Öffnungen 131a dienen kann, um somit ein Gebiet 120a in der Halbleiterschicht 120 lateral zu begrenzen und somit zu definieren. In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Materialschicht 104a aus Siliziumdioxid aufgebaut, das auf Basis plasmaunterstützter CVD-(chemische Dampfabscheide-) oder thermisch aktivierte CVD-Techniken gemäß gut etablierter Prozessrezepte aufgebracht werden kann. In anderen Fällen werden andere Materialien, etwa Siliziumoxinitrid, siliziumnitridbasierte Materialien, siliziumkarbidbasierte Materialien und dergleichen verwendet, solange ein Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Gebiets 120a.
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1d zeigt schematisch das Bauelement 100, wenn es einem Materialabtragungsprozess 133 unterliegt, der auch in Form eines CMP-(chemisch-mechanischer Polier-)Prozesses angewendet, wobei überschüssiges Material der Schicht 104 (siehe 1c) abgetragen wird. Wie in 1d gezeigt ist, wurde in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Stoppschicht 105 während einer frühen Fertigungsphase vorgesehen, beispielsweise vor dem Herstellen der Öffnungen 120a, 120b, um in geeigneter Weise den Abtragungsprozess 133 zu steuern. Beispielsweise wird ein Siliziumnitridmaterial für die Schicht 105 verwendet, das während des Prozesses 133 im Vergleich zu dem Material 104 einen höheren Widerstand gegen das Abtragen ersetzt. Daraufhin wird die Stoppschicht 105 entfernt, beispielsweise durch effiziente nasschemische Ätzprozesse auf der Grundlage heißer Phosphorsäure und dergleichen.
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1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Ätzmaske 134, etwa eine Lackmaske, eine Hartmaske oder eine Kombination davon, vorgesehen, um eine laterale Größe und eine Lage einer optoelektronischen Komponente festzulegen, die in der Halbleiterschicht 120 gebildet ist. Auf der Grundlage der Ätzmaske 134 wird ein Ätzprozess angewendet, um eine Öffnung oder ein Graben 134a zu bilden, der sich durch die Schichten 110 und 130 erstreckt, wodurch eine Oberfläche eines Halbelitergebiets 121 in der Halbleiterschicht 120 freigelegt wird. Der Ätzprozess 125 kann auf der Grundlage einer geeigneten anisotropen Ätztechnik ausgeführt werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Beim Freilegen des Halbleitergebiets 121 können weitere Prozesse ausgeführt werden, um das Halbleitergebiet 121 in einer beliebigen geeigneten Weise vorzubereiten und zu modifizieren, um damit eine gewünschte Wahrscheinlichkeit des Hervorrufens von Strahlungsrekombinationsereignissen zwischen Elektronen und Löchern beim Initiieren eines Stromflusses durch das Halbleitergebiet 121 zu erreichen. Beispielsweise wird auf der Grundlage der Maske 134 oder auf der Grundlage einer neu aufgebrachten Maske ein oder mehrere Implantationsprozesse ausgeführt, beispielsweise zum Einführen von Bor mit einer gewünschten Konzentration und Eindringtiefe, um etwa Dislokationsschleifen und dergleichen zu erzeugen. Auf der Grundlage einer Implantationsenergie von ungefähr 20 bis 100 KEV mit einer typischen Dosis von 1015 cm–2 werden die Voraussetzungen zum Erzeugen der gewünschten Dislokationsschleifen eingerichtet werden. Ferner können zusätzliche Dotierstoffsorten eingebaut werden, um einen pn-Übergang zu erhalten, wie dies für das elektrische Verhalten eines lichtemittierenden Bauelements erforderlich ist. Daraufhin können Maskenmaterialien, etwa Lackmaterial und dergleichen entfernt werden und die weitere Bearbeitung wird fortgesetzt, beispielsweise auf der Grundlage einer speziell gestalteten Wärmebehandlung, wenn spezielle Prozessbedingungen erforderlich sind. In anderen Fällen wird die Wärmebehandlung in einer späteren Fertigungsphase ausgeführt, etwa in Verbindung mit dem Ausheizen anderer Schaltungselemente, die noch zu bilden sind.
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1f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einem lichtemittierenden Element 123, das in dem Halbleitergebiet 121 gebildet ist. In der in 1f gezeigten Ausführungsform repräsentiert das lichtemittierende Bauelement 123 ein kantenemittierendes Bauelement, wobei das von dem Bauelement 123 emittierte Licht direkt in das Halbleitergebiet 120 eingekoppelt wird.
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1g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine Ätzmaske so vorgesehen ist, dass die laterale Lage und die Größe eines lichtempfangenden Elements 124 festgelegt sind, das in einem zweiten Halbleitergebiet 125 der Halbleiterschicht 120 gebildet ist. Zu diesem Zweck wird die Maske auf der Grundlage etablierter Lithographietechniken bereitgestellt und es wird ein Ätzprozess 137 ausgeführt, um durch die Schichten 110 und 103 zu ätzen. Daraufhin können beliebige geeignete Prozessschritte, beispielsweise der Einbau einer Dotierstoffsorte, der Einbau anderer Halbleitersorten, etwa von Germanium und dergleichen, in Form von Ionenimplantationsprozessen, Ätzprozessen in Verbindung mit selektiven epitaktischen Aufwachsverfahren und dergleichen ausgeführt werden, um die gewünschte Schichtkonfiguration zu erhalten, die zu den gewünschten lichtempfangenden Eigenschaften führt. Es sollte beachtet werden, dass lichtempfindliche Diodenstrukturen effizient in einem siliziumbasierten Material auf der Grundlage gut etablierter Konzepte hergestellt werden können. Zu beachten ist ferner, dass Prozessschritte zur Herstellung des lichtempfangenden Elements 124 von entsprechenden Maskierungsschritten bei Bedarf begleitet sind in Verbindung mit Reinigungsprozessen und dergleichen. Ferner werden in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Öffnung 136a zum Freilegen des Halbleitergebiets 125 und die Öffnung 134a zum Freilegen des Halbleitergebiets 121 (siehe 1e) auf der Grundlage einer gemeinsamen Ätzsequenz hergestellt, wenn dies zur Herstellung der optoelektronischen Komponenten 123 und 124 als geeignet erachtet wird.
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1h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase nach dem Entfernen der Maske (siehe 1g). In dieser Fertigungsphase wird ein Abscheideprozess 138 ausgeführt, um die Öffnungen 134a und 136a mit einem geeigneten Material 106, etwa Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumnitrid und dergleichen zu füllen. Zu diesem Zweck wird eine Schicht 106a während des Abscheideprozesses 138 auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik hergestellt. Daraufhin wird überschüssiges Material der Schicht 106a entfernt, beispielsweise durch CMP und dergleichen, wobei ein entsprechender Abtragungsprozess auf der Grundlage einer Stoppschicht gesteuert werden kann, was beispielsweise zuvor mit Bezug zu 1d erläutert ist, falls auf die Stoppschicht 105 Bezug genommen würde. D. h., in einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Stoppschicht 105 in einer frühen Fertigungsphase vorgesehen und wird während der nachfolgenden Schritte zur Herstellung des Bauelements 100, wie es in 1h gezeigt ist, beibehalten und wird somit während des Entfernens von überschüssigem Material der Schicht 106a erneut als Stoppmaterial verwendet. In anderen Fällen wird vor dem Strukturieren der Öffnung 126a ein Stoppmaterial aufgebracht und wird zum Entfernen von überschüssigem Material der Schicht 106a verwendet, wenn dies als geeignet erachtet wird. Zu beachten ist, dass in diesem Falle das Abscheiden eines entsprechenden Stoppmaterials, etwa von Siliziumnitrid, in der Öffnung 134a die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 nicht negativ beeinflusst.
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1i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der zuvor beschriebenen Prozesssequenz. Somit umfasst das Bauelement 100 die monolithisch eingerichteten optoelektronischen Komponenten 123, 124, die in dem Füllmaterial 105, 104 eingebettet sind. Zu beachten ist, dass das Füllmaterial 104 für die laterale Abgrenzung des Gebiets 120a innerhalb der Halbleiterschicht 120 sorgt und somit als ein „laterales” Mantelmaterial für einen optischen Wellenleiter dient, der das Halbleitergebiet 120a als Kernmaterial umfasst. Ein Bereich 103a der vergrabenen isolierenden Schicht 103 und ein Bereich 102a der vergrabenen isolierenden Schicht 102 können als vertikales „Mantelmaterial” dienen, wodurch der vertikale Einschluss eines optischen Signals 126 bewerkstelligt wird, was beim Betrieb des Bauelements 100 mittels einer Komponente 123 übertragen und von der Komponente 124 empfangen wird. Es sollte beachtet werden, dass die optoelektronischen Komponenten 123, 124 elektrisch mit anderen Schaltungselementen verbunden sind, die in der Halbleiterschicht 110 und/oder der Halbleiterschicht 120 gebildet sind, was auf der Grundlage einer geeigneten Verbindungsstruktur und/oder eines Metallisierungssystems bewerkstelligt werden kann, das noch in dem Halbleiterbauelement 100 zu bilden ist. Zu diesem Zweck können Kontaktbereiche (nicht gezeigt) Komponenten 123, 124 mit geeigneten Kontaktelementen verbunden werden, wie dies nachfolgend in größerem Detail erläutert ist. Zu beachten ist, dass Schaltungselemente des Bauelements 100 in der Halbleiterschicht 110, beispielsweise in einem Gebiet 110a und/oder einem Gebiet 110b während einer beliebigen geeigneten Phase gebildet werden können, wie dies mit der Fertigungssequenz kompatibel ist, wie dies zuvor beschrieben ist, um damit die optoelektronischen Komponenten 123, 124 in der Halbleiterschicht 120 herzustellen. Zu beachten ist, dass die optoelektronischen Komponenten 123, 124 in Kombination mit einem optischen Pfad, etwa dem Halbleitergebiet 120, als ein optisches Kommunikationssystem 120 bezeichnet werden können. In der gezeigten Ausführungsform wird der optische Pfad 120a tatsächlich in Form eines Wellenleiters 155 bereitgestellt, der das Halbleitergebiet 120a als ein Kernmaterial umfasst, während die Materialien 103a, 102 und 104 als ein Mantelmaterial dienen, wie dies zuvor erläutert ist. Abhängig von der gesamten Prozessstrategie tritt das optische Kommunikationssystem 150 während einer geeigneten Fertigungsphase bereitgestellt, beispielsweise vor dem Herstellen von Schaltungselementen in der Halbleiterschicht 110, während in anderen Fällen derartige Schaltungselemente vor dem Bereitstellen des optischen Kommunikationssystems 150 hegerstellt werden. Beispielsweise werden die Materialien 105 zum Passivieren der optoelektronischen Komponenten 123, 124 zusammen mit Isolationsstrukturen bereitgestellt, die in der Halbleiterschicht 110 zu bilden sind, um darin geeignete Halbleitergebiete für Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren und dergleichen zu erzeugen. In diesem Falle können Hochtemperaturprozesse, die während der Fertigungssequenz zum Herstellen von Transistorelementen auszuführen sind, auf der Grundlage anspruchsvoller Ausheiztechniken erfolgen, in denen eine deutliche Zunahme der Temperatur im Wesentlichen auf das Halbleitermaterial 110 beschränkt ist, während die Komponenten 123, 124 nicht wesentlich beeinflusst werden. In anderen Fällen können beliebige Hochtemperaturprozesse geeignet so ausgewählt werden, dass ein gewünschte Modifizierung der Komponenten 123, 124 erreich wird, um damit das gewünschte optische und elektrische Verhalten zu erreichen, wenn gleichzeitig geeignete Dotierstoffprofile in der Halbeiterschicht 110 eingerichtet werden.
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1j zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, sind mehrere Schaltungselemente 111 an einer geeigneten Position in und über der Halbleiterschicht 110 gebildet. Z. B. ist, wie gezeigt ist, ein erstes Schaltungselement 111a in und über einem ersten Halbleitergebiet 110a gebildet, während ein zweites Schaltungselement 111b in und über einem zweiten Halbeitergebiet 110b gebildet ist. In einer anschaulichen Ausführungsform repräsentieren die mehreren Schaltungselemente 111 zumindest einen Teil eines Mikroprozessorbauelements, das typischerweise für Logikschaltungen in Verbindung mit Analogschaltungen und dergleichen umfasst. Beispielsweise repräsentieren die mehreren Schaltungselemente geschwindigkeitskritische Signalwege, wobei eine Kommunikation zwischen Schaltungsbereichen oder einzelnen Schaltungselementen auf der Grundlage einer geringeren Signalausbreitungsverzögerung erforderlich ist. Es sollte beachtet werden, dass die örtliche Verteilung der Schaltungselemente 111 in der Halbleiterschicht 110 lediglich anschaulicher Natur ist und diese Schaltungselemente typischerweise über das gesamte Chipgebiet des Bauelements 100 verteilt sind, wobei, wie zuvor erläutert ist, eine höhere Entwurfsflexibilität erreicht wird, da das optische Kommunikationssystem 150 für bessere Signalübertragungseigenschaften sorgt, selbst wenn kommunizierende Schaltungsbereiche oder Schaltungselemente durch eine moderat große Distanz entfernt sind. Beispielsweise liefert das erste Schaltungselement 111a ein elektrisches Signal, das zu der optoelektronischen Komponente 123 zu übertragen ist, um damit mit dem zweiten Schaltungselement 111b zu kommunizieren, ohne dass eine ausgeprägte Signalausbreitungsverzögerung hervorgerufen wird. Es sollte beachtet werden, dass eine Antwort der Komponenten 123, 124 deutlich weniger kritisch ist im Vergleich zu einem entsprechenden elektrischen Signalweg, der auf der Grundlage eines komplexen konventionellen Metallisierungssystems bereitgestellt wird. In der gezeigten Fertigungsphase ist ferner ein Verbindungssystem oder Metallisierungssystem 160 bereitgestellt, um damit die elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltungselementen 111 herzustellen, wie sie erforderlich sind, wodurch das Schaltungselement 111a ebenfalls elektrisch mit der Komponente 123 und das Schaltungselement 111b elektrisch mit der Komponente 124 verbunden wird. Zu diesem Zweck umfasst das System 160 mehrere Metallisierungsschichten, wobei der Einfachheit halber eine einzelne Metallisierungsschicht 161 in 1j gezeigt ist. Ferner umfasst das Verbindungssystem 160 eine Kontaktebene 140, die in geeigneter Weise mit den Schaltungselementen 111 und mit den Komponenten 123, 124 durch entsprechende Kontaktelemente 141a, 141b verbunden ist. Wie gezeigt, sind die Kontaktelemente 141b in einem dielektrischen Material 142, etwa einem Siliziumdioxidmaterial, Siliziumnitrid und dergleichen, gebildet und erstrecken sich in Kontaktbereichen der Schaltungselemente 111. Ferner kann das Kontaktelement 141b mit Metallleitungen 162a, 162b der Metallisierungsschicht 161 verbunden sein. Die Kontaktelemente 141a erstrecken sich durch das dielektrische Material 142 und erstrecken sich auch durch die Schichten 110 und 103 und bei Bedarf auch durch die Schicht 120. Es sollte beachtet werden, dass die Kontaktelemente 141a so gebildet sein können, dass sie von aktiven Bereichen der Schichten 110, 120 bei Bedarf elektrisch isoliert sind. Beispielsweise können jeweilige Isolationsstrukturen in den Schichten 110 und 120 gebildet sein, wenn ein direkter Kontakt mit den Kontaktelementen 141a zu vermeiden ist. Wie beispielhaft in 1j gezeigt ist, ist das lichtemittierende Element 123 über eines der Kontaktelemente 141a und die Metallleitung 162a mit dem Schaltungselement 111a mittels einer der Kontaktelemente 141b verbunden. In ähnlicher Weise ist das Schaltungselement 111b über eines der Elemente 141b mit der Metallleitung 162b verbunden, die wiederum mit einem der Kontaktelemente 141a verbunden ist, das mit dem lichtempfangenden Element 124 in Kontakt ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Aufbau des Verbindungssystems oder Metallisierungssystems 160 mit der Kontaktebene 140 lediglich anschaulicher Natur ist und ansonsten einen beliebigen geeigneten Aufbau besitzen kann, um damit die erforderlichen elektrischen Verbindungen einzurichten.
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Das in 1j gezeigte Halbeiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Wie zuvor erläutert ist, werden die mehreren Schaltungselemente 111 vor oder nach dem Herstellen des optischen Kommunikationssystems 150 gebildet, während in anderen Fällen einige der erforderlichen Prozessschritte gleichzeitig mit Prozessschritten ausgeführt werden, wie sie zum Bereitstellen der Schaltungselemente 111 in der Halbleitersicht 110 erforderlich sind. Beispielsweise werden nach dem Herstellen des Bauelements 100, wie es in 1h gezeigt ist, Prozesse ausgeführt, um Gateelektrodenstrukturen der Schaltungselemente bereitzustellen, wenn eine komplexe Schaltung betrachtet wird, die auf der Grundlage einer CMOS-Technologie zu realisieren ist. Zu diesem Zweck werden beliebige geeignete Lithographie- und Strukturierungsschemata in Verbindung mit Materialabscheidungs- und Modifizierungsprozessen angewendet, um den gewünschten Schaltungsaufbau auf der Grundlage geeigneter Entwurfsregeln zu erhalten. Beispielsweise betragen kritische Abmessungen der Schaltungselemente 111 50 nm und weniger in komplexen Mikroprozessorbauelementen. Daraufhin werden Drain- und Sourcegebiete in der Halbleiterschicht 110 gemäß geeigneter Prozesstechniken hergestellt. Danach werden Ausheizprozesse ausgeführt, wobei, wie zuvor erläutert ist, eine wesentliche thermische Entkopplung angewendet wird, indem aufwendige Ausheiztechniken durchgeführt werden, wenn unerwünschte erhöhte Temperaturen für die Komponenten 123, 124 nicht geeignet sind. In anderen Fällen werden Ausheizprozesse so ausgeführt, dass die Eigenschaften der Schaltungselemente 111 eingestellt werden, während gleichzeitig auch die entgültigen elektronischen und optischen Eigenschaften der Komponenten 123, 124 eingestellt werden.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden das optische Kommunikationssystem 150 und insbesondere die Komponenten 123, 124 nach der Herstellung der Schaltungselemente 111 und insbesondere nach dem Ausführen von Hochtemperaturprozessen gebildet, wenn Wärmebehandlungen, die zur Herstellung der Komponenten 123, 124 als mit den Eigenschaften der Schaltungselemente 111 kompatibel erachtet werden. Anschließend wird die Kontaktebene 140 hergestellt, indem beispielsweise das dielektrische Material 142 abgeschieden wird und dieses strukturiert wird, so dass es Öffnungen für die Kontaktelemente 141b und 141a erhält. Zu beachten ist, dass entsprechende Kontaktöffnungen für das Element 141a in zwei oder mehr Schritten bei Bedarf hergestellt werden können, wodurch Beschränkungen während einer entsprechenden Ätzsequenz entschärft werden. Beispielsweise werden vor dem Abscheiden des Materials 142 erste Bereiche zumindest der Kontaktöffnungen so hergestellt, dass diese sich durch die Schichten 110, 103 und bei Bedarf durch die Schicht 120 erstrecken, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen dann mit einem geeigneten Kontaktmetall, etwa Wolfram und dergleichen gefüllt werden. Daraufhin wird das Material 142 abgeschieden und strukturiert, um die Kontaktöffnungen für die Elemente 141b und für den verbleibenden Teil der Kontaktelemente 141a zu erhalten. Es sollte beachtet werden, dass typischerweise die Kontaktelemente 141a deutlich größere laterale Abmessungen im Vergleich zu den Kontaktelementen 141b aufweisen, so dass die Justiergenauigkeit wenig kritisch ist. Nach dem Füllen der Kontaktöffnungen mit einem geeigneten Metall und nach dem Entfernen von überschüssigen Material wird die Bearbeitung fortgesetzt, indem das Metallisierungssystems 160 hergestellt wird, was auf der Grundlage beliebiger geeigneter Prozesstechniken bewerkstelligt werden kann. Zu beachten ist, dass das Metallisierungssystem 160 einen deutlich geringeren Grad an Komplexität im Vergleich zu einem Metallisierungssystem besitzt, das alle Schaltungsbereiche elektrisch verbinden müsste, die beispielsweise durch die Schaltungselemente 111a, 111b repräsentiert sind, insbesondere wenn sehr weit auseinanderliegende Schaltungsbereiche auf der Grundlage von Hochgeschwindigkeitsverbindungsstrukturen zu verbinden sind.
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Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien wird das Verbindungssystem 160 in Verbindung mit einem geeigneten Aufbau der Schaltungselemente 111 so gebildet, dass die optoelektronische Komponente 113 in unmittelbarer Nähe zum Schaltungselement 111s angeordnet ist, während die Komponente 124 in der Nähe des Schaltungselements 111b vorgesehen wird, wobei das optische Kommunikationssystem 150 für eine geringere Signalausbreitungsverzögerung sorgt, selbst wenn die Schaltungselemente 111a, 111b weit entfernt voneinander anzuordnen sind, beispielsweise im Hinblick auf thermische Entwurfserfordernisse und dergleichen.
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1k zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß einem Vergleichsbeispiel, in dem das optische Kommunikationssystem 150 in der gleichen Ebene wie die Schaltungselemente 111a, 111b vorgesehen ist. Wie gezeigt, ist das optische Kommunikationssystem 150, das einen ähnlichen Aufbau aufweisen kann, wie dies zuvor beschrieben ist, in der Halbleiterschicht 110 vorgesehen und ist lateral zwischen dem Halbleitergebiet 110 und dem Halbeitergebiet 110b angeordnet. In diesem Falle sind eines oder mehrere der Schaltungselemente 111a mit der optoelektronischen Komponente 123 verbunden, während eines oder mehrere der Schaltungselemente elektrisch mit der optoelektronischen Komponente 124 verbunden sind. Beispielsweise werden die Halbleitergebiete 110a, 110b auf der Grundlage unterschiedlicher Versorgungsspannungen betrieben, etwa mit einer moderat hohen Spannung, wie dies beispielsweise für Leistungstransistoren und dergleichen erforderlich ist, während das andere Halbleitergebiet mit einer niedrigen Spannung betrieben wird, wie sie typischerweise für eine Steuerschaltung, etwa einen Mikroprozessor und dergleichen erforderlich ist. In diesem Falle können Signale über die Halbleitergebiete 110a, 110b ausgetauscht werden, wobei eine aufwendige Spannungspegelanpassung nicht erforderlich ist, wodurch die gesamte Komplexität des Bauelements 100 verringert wird. Zu beachten ist, dass das optische System 150 auch einen bidirektionalen Signalaustausch abhängig von den Erfordernissen zum Betreiben des Bauelements 100 bereitstellen kann. Im Hinblick auf Prozesstechniken zur Herstellung des optischen Kommunikationssystems 150 gelten ähnliche Kriterien, wie sie zuvor beschrieben sind. Beispielsweise werden die Komponenten 123, 124 auf der Grundlage einer Prozesssequenz innerhalb des Materials 110 hergestellt, wie dies zuvor beschrieben ist, während die vergrabene isolierende Schicht 103 in Verbindung mit einem dielektrischen Material, das noch über der Halbleiterschicht 111 zu bilden ist, als ein Mantelmaterial dient, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner wird ein lateraler optischer Einschluss erreicht, indem eine Isolationsstruktur, etwa eine flache Grabenisolation, verwendet wird, die auch zum Unterteilen diverser Halbleitergebiete in der Halbleiterschicht 110 verwendet werden kann, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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1l zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß einem Vergleichsbeispiel, in dem das optische System 150 für einen Signalaustausch in einer dreidimensionalen Bauteilanordnung verwendet wird. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement ein Substrat 101 mit der Halbleiterschicht 110, die das Schaltungselement 111 in Verbindung mit dem Verbindungssystem oder Metallisierungssystem 160 aufweist. In dem gezeigten Beispiel ist ferner die optoelektronische Komponente 123 in der Schicht 110 ausgebildet, während in anderen Fällen (nicht gezeigt) eine zusätzliche Halbleiterschicht in dem Substrat 101 vorgesehen ist, wie dies beispielsweise in 1j gezeigt ist, um damit die Komponente 123 aufzunehmen. Das optische System 150 umfasst einen Teil 150a mit einem Wellenleiterbereich 155a, der ein Kernmaterial 155c, etwa ein Halbleitermaterial des Substrats 101 in Verbindung mit einem Mantelmaterial 155b enthält, beispielsweise in Form von Siliziumdioxid und dergleichen. Somit repräsentiert das Mantelmaterial 155b einen Graben, der sich durch das Substrat 101 erstreckt und der lateral eine „geschlossene” Konfiguration repräsentiert, um damit das Kernmaterial 155c vollständig zu umschließen. Bei Bedarf umfasst das System 150a einen ablenkenden Bereich 156, um einen Lichtstrahl 126 von der allgemein horizontalen Richtung in der Schicht 110 in eine im Wesentlichen vertikale Richtung abzulenken. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes optisches System, etwa ein Bragg-Gitter und dergleichen, verwendet. In anderen Fällen, wie dies auf der rechten Seite durch die gestrichelte Linie angegeben ist, enthält das optische Kommunikationssystem 150 eine Komponente 123 als ein oberflächenemittierendes Element, das ausgebildet ist, direkt in den Wellenleiterbereich 150a hinein zu imitieren.
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Das Bauelement 100 umfasst ferner einen weiteren Halbleiterchip auf der Grundlage eines Substrats 101d, „über” welchem eine Halbleiterschicht 110d gebildet ist, in und über der Schaltungselemente 111d ausgebildet sind. Ferner ist ein Metallisierungssystem 160d vorgesehen und bildet elektrische Verbindungen zwischen den Schaltungselementen 111d und verbindet eines oder mehrere der Schaltungselemente mit einer optoelektronischen Komponente 124d, die in der Halbleiterschicht 110d oder innerhalb eines Halbleitermaterials in dem Substrat 101d vorgesehen ist, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner ist ein Teil des optischen Kommunikationssystems 150, der als 150d bezeichnet ist, ebenfalls in dem Substrat 101d vorgesehen und ist optisch mit der Komponente 124d verbunden, wobei ein entsprechender Aufbau im Wesentlichen identisch zu dem Bereich 150a im Hinblick auf die lichtführenden Komponenten sein kann. Folglich ist das Schaltungselement 111a elektrisch mit der Komponente 123 verbunden, wie dies durch das elektrische Signal 163 angegeben ist, um damit das optische Signal 126 bereitzustellen, das wiederum in ein elektrisches Signal 163d umgewandelt wird, das mit einem oder mehreren der Schaltungselemente 111d mittels der Verbindungsstruktur 160d verbunden ist. Es sollte beachtet werden, dass auch in diesem Falle das optische System 150 geeignet ausgebildet ist, um bei Bedarf auch eine bidirektionale optische Signalführung zu ermöglichen.
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Das in 1l gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Allgemein werden die Substrate 101 und 101d in separaten Prozesssequenzen bearbeitet, um die gewünschte Konfiguration der Schaltungselemente 111a, 111d zu erhalten, während die Bereiche 150a, 150d des optischen Systems 150 so gebildet werden, dass sie während einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase miteinander verbunden sind. Beispielsweise wird vor oder nach dem Herstellen der Schaltungselemente 111a über dem Substrat 101 der Wellenleiterbereich 115a hergestellt, beispielsweise durch Ätzen eines Grabens in das Substrat 101 und durch das Wiederauffüllen des Grabens mit einem geeigneten Material, etwa Siliziumdioxid, wobei entsprechende laterale Seitenwände geätzt und nachfolgend bei Bedarf gefüllt werden. In anderen Fällen werden Durchgangslöcher in dem Substrat 101 hergestellt und die Durchgangslöcher werden mit einem geeigneten Material, etwa Siliziumdioxid beschichtet, etwa auf der Grundlage von Rückseitenätzprozessen und einem Abscheideprozess, nach welchem ein Siliziumdioxidmaterial an einer „Unterseite” der Öffnung mittels eines anisotropen Ätzprozesses entfernt wird. Daraufhin wird Siliziummaterial abgeschieden mittels einer geeigneten Abscheidetechnik, wobei durch das Kernmaterial 115c gebildet wird. Es sollte beachtet werden, dass der Bereich 150d in dem Substrat 101d auf der Grundlage ähnlicher Prozesstechniken hergestellt werden kann. Daraufhin werden die Substrate 101 und 101d auf der Grundlage von beispielsweise geeigneten Prozesstechniken verbunden, etwa durch Scheibenverbundtechniken, durch Verkleben und dergleichen, ohne dass das optische Verhalten des zusammengefügten Wellenleiters des Systems 150 unnötig beeinträchtigt wird. Folglich wird ein sehr effizienter Signalaustausch zwischen den Schaltungselementen 111a und 111b über das optische Kommunikationssystem 150 erreicht, wobei die erforderlichen optoelektronischen Komponenten 123, 124 effizient in einem siliziumbasierten Halbleitermaterial eingerichtet sind.
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Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen optische Signalübertragungseigenschaften in einer siliziumbasierten komplexen Schaltung eingerichtet werden, um damit ein chipinternes Kommunikationssystem oder ein bauteilinternes Kommunikationssystem in dreidimensionalen Chipkonfigurationen bereitzustellen. Zu diesem Zweck werden siliziumbasierte optoelektronische Komponenten in Verbindung mit einem geeigneten optischen Pfad bereitgestellt auf der Grundlage vergrabener isolierender Materialien, wodurch die Entwurfsflexibilität verbessert wird, Einschränkungen im Hinblick auf die Wärmeableitung verringert werden und wodurch ein besseres Leistungsverhalten ermöglicht wird.
