DE102012210033B4

DE102012210033B4 - Bauelement mit Durchkontaktierung und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102012210033B4
Application number: DE102012210033.4A
Authority: DE
Inventors: Timo Schary; Jochen Reinmuth; Yvonne BERGMANN; Heribert Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: DE102012210033A1; TWI643304B; ITMI20130954A1; TW201405750A; CN103515352B; US20130341766A1; US9035432B2; CN103515352A

Abstract

Bauelement (15) mit einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Durchkontaktierung (16), wobei die Durchkontaktierung (16) von einer Ausnehmung (2) umgeben ist, wobei das Halbleitersubstrat (1) auf einer Seite eine erste Schicht (6) aufweist, wobei die erste Schicht (6) die Ausnehmung (2) auf der ersten Seite abdeckt, wobei das Halbleitersubstrat auf einer zweiten Seite eine zweite Schicht (10) aufweist, wobei die zweite Schicht (10) die Ausnehmung (2) auf der zweiten Seite abdeckt, wobei auf der ersten Schicht (6) eine Leiterbahn (17) vorgesehen ist, wobei die Leiterbahn mit der Durchkontaktierung (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierung (16) von einer Ringstruktur (3) umgeben ist, wobei die Ringstruktur (3) aus dem Halbleitersubstrat (1) hergestellt ist, wobei die erste Schicht (6) eine Gitterschicht (7) aufweist, die wenigstens teilweise über der Ausnehmung (2) und im Bereich der Durchkontaktierung (16) eine Gitterstruktur (8, 26) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Halbleitersubstrat mit einer Durchkontaktierung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes gemäß Patentanspruch 19.
Stand der Technik
Aus DE 10 2009 045 385 A1 ist ein Bauelement mit einem Halbleitersubstrat und mit einer Durchkontaktierung bekannt. Die Durchkontaktierung ist in Form einer metallischen Leitung ausgebildet, die im Halbleitersubstrat angeordnet ist und von einer Oberseite zu einer Unterseite des Substrates geführt ist. Die Durchkontaktierung ist über eine Isolationsschicht von dem umgebenden Halbleitersubstrat getrennt. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Durchkontaktierung durch einen ringförmigen Graben vom umgebenden Halbleitersubstrat getrennt.
Die DE 10 2010 039 330 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Durchkontaktierung in einem Substrat. Hierzu wird von einer ersten Substratseite eine Ausnehmung in das Substrat eingebracht, welche später durch ein elektrisch leitfähiges Material gefüllt wird, um die Durchkontaktierung auszubilden. Von einer zweiten Substratseite aus wird ein ringförmiger Isolationsgraben in das Substrat eingebracht, welcher die Durchkontaktierung umgibt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauelement mit einem Halbleitersubstrat und einer elektrischen Durchkontaktierung bereitzustellen, wobei die Durchkontaktierung mechanisch stabil und kostengünstig herzustellen ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Bauelement gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 19 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Bauelementes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Vorteil des Bauelementes besteht darin, dass die Durchkontaktierung einfach und kostengünstig herzustellen ist, zudem mechanisch stabil ausgebildet ist und im Durchkontaktierungsbereich eine geringe (parasitäre) Kapazität ausbildet. Dies wird dadurch erreicht, dass die Durchkontaktierung von einer Ringstruktur des Halbleitermaterials umgeben ist. Zudem ist die Durchkontaktierung elektrisch von dem umgebenden Halbleitersubstrat durch einen ringförmigen Graben getrennt, der die Ringstruktur umgibt. Die Verwendung der Ringstruktur mit einem Kanal, der mit einem elektrisch leitenden Material wenigstens teilweise gefüllt ist und der vorzugsweise im gleichen Prozessschritt bzw. zeitgleich / simultan mit dem ringförmigen Graben um die Ringstruktur hergestellt wird gewährleistet eine hohe mechanische Stabilität der Durchkontaktierung. Zudem bietet die Ringstruktur die Möglichkeit, einfache Herstellungsverfahren zum Auffüllen des Kanals zu verwenden, die von CVD, ALD, Sputtern, Galvanotechnik, Dispensen bis zum flüssigen Einfüllen des metallischen Materials oder einem pastösen Eindrücken beispielsweise mithilfe eines Siebdruckverfahrens reicht.
Erfindungsgemäß ist die erste Schicht wenigstens teilweise über der Ausnehmung und im Bereich der Durchkontaktierung in Form einer Gitterstruktur ausgebildet. Die Gitterstruktur ermöglicht zum einen eine einfache Prozessierung des Bauelementes und zum anderen ein sicheres und stabiles Verschließen der Ausnehmung, die die Ringstruktur umgibt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Schicht eine Isolationsschicht und/oder eine Feuchtebarriereschicht auf. Mithilfe der Isolationsschicht wird eine zuverlässige elektrische Isolierung und mithilfe der Feuchtebarriereschicht wird ein zuverlässiger Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in die Ausnehmung und/oder die Durchkontaktierung bereitgestellt.
Die Durchkontaktierung wird in einer weiteren Ausführungsform hülsenförmig ausgebildet, wobei die Durchkontaktierung an einer Innenseite der Ringstruktur aufgebracht ist. Durch die Hülsenform wird bei geringem Materialaufwand eine elektrisch gut leitende Durchkontaktierung bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die hülsenförmige Durchkontaktierung mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt. Auf diese Weise wird die Durchkontaktierung vor Feuchtigkeit geschützt und die mechanische Stabilität der Durchkontaktierung verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Durchkontaktierung im Bereich der ersten Schicht einen abgestuften, sich erweiternden Durchmesser auf. Auf diese Weise wird zum einen die Herstellung der Durchkontaktierung vereinfacht und zum anderen die elektrische Leitfähigkeit der Durchkontaktierung und insbesondere die elektrische Kontaktierung der Durchkontaktierung verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Durchkontaktierung im Bereich der ersten Schicht einen abgestuften, sich verjüngenden Durchmesser auf. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei der Abscheidung des elektrisch leitenden Materials für die Ausbildung der Durchkontaktierung ein nicht verfüllter Bereich automatisch bestehen bleibt. Vorteil dieser Ausführung ist es, den Stress, bedingt durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material zur Ausbildung der Durchkontaktierung und dem umgebenden Halbleitermaterial besser abbauen zu können.
Bei der Ausbildung des Bauelementes mit einer Durchkontaktierung, deren Durchmesser sich im Bereich der ersten Schicht erweitert, können auf einfache Weise niederohmige Durchkontaktierungen als Vollzylinder oder auch als Hohlzylinder ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Durchkontaktierung auf einer Außenseite mit einer Isolationsschicht bedeckt. Auf diese Weise wird die elektrische Isolierung zur umgebenden Ringstruktur und zum Bauelement verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Schicht in Form einer Gitterstruktur und einer darauf aufgebrachten Isolationsschicht ausgebildet. Die Gitterstruktur ist angrenzend an der Ausnehmung angeordnet. Dadurch wird eine einfache Prozessierung durch die Anordnung der Gitterstruktur und ein sicheres Verschließen der Ausnehmung durch die Anordnung der Isolationsschicht erreicht. Die Gitterstruktur ist auch mit der Ringstruktur befestigt, sodass eine erhöhte mechanische Stabilität für die Ringstruktur erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine zweite Gitterstruktur in der ersten Schicht vorgesehen, wobei die zweite Gitterstruktur zwischen der Isolationsschicht und der ersten Gitterstruktur ausgebildet ist. Die zweite Gitterstruktur ist aus einem metallischen oder einer metallischen Verbindung, beispielsweise einer Metalloxidverbindung, aufgebaut. Der Vorteil der zweiten Gitterstruktur besteht darin, dass bei einem Isolations-Trenchprozess der Ätzangriff auf die zweite Gitterstruktur deutlich geringer ausfällt als bei einem Gitter aus einem Isolationsmaterial, insbesondere Siliziumoxid. Dies führt wiederum dazu, dass sich die Ätzlöcher des Gitters nur minimal aufweiten und zu deren Verschluss weniger Verschlussoxid abgeschieden werden muss. Bemerkbar macht sich dieser Vorteil vor allem bei hohen Ätztiefen und den damit verbundenen langen Ätzzeiten.
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Gitter elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung verbunden. Auf diese Weise kann eine elektrische Abschirmung bereitgestellt werden, die zu einer Unterdrückung von Störsignalen auf die Durchkontaktierung und die beispielsweise im Halbleitersubstrat oder in der zweiten Schicht angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen dient. In einer weiteren Ausführungsform wird das zweite Gitter als Kondensatorstruktur verwendet, die elektrisch von der Durchkontaktierung und den Zuleitungen isoliert ist. Auch auf diese Weise kann eine Unterdrückung von Störsignalen erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Durchkontaktierung durch das erste und das zweite Gitter. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei der Abscheidung des elektrisch leitenden Materials für die Ausbildung der Durchkontaktierung das Material bevorzugt an den Oberflächen abgeschieden wird. Dieser Ablagerungsvorgang findet so lange statt, bis an der Oberfläche das zweite Gitter zugewachsen ist. Auf diese Weise wird trotz einer im Querschnitt großen Ausnehmung in der Ringstruktur, die Vorteile hinsichtlich der Ätzrate des Halbleitermaterials der Ringstruktur hat, erreicht, dass der Verschluss der Ausnehmung der Ringstruktur durch das elektrisch leitende Material der Durchkontaktierung nur zu einer geringen Topografie an der Oberfläche führt. Dies ermöglicht bereits nach dem Abscheiden der Metallisierung die Verwendung von Standardlithografieverfahren zur Strukturierung der aufgebrachten Metallschicht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ringstruktur mehrere Durchkontaktierungen auf welche, je nach Designauslegung, Kapazitäten oder Induktivitäten darstellen können, deren Verschaltung an einer Bauelementoberseite oder im Bauteil selbst erfolgen kann.
In einer weiteren Ausführungsform dient die Leiterbahn als Abschirmung.
Das beschriebene Bauelement weist den Vorteil auf, dass parasitäre Kapazitäten zwischen der niederohmigen Durchkontaktierung und dem Substrat reduziert sind. Zudem ist für die Durchkontaktierung kein hochdotiertes Halbleitermaterial mehr notwendig, was den Einsatz dieser Durchkontaktierungsart auch bei ASICs ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 bis 3 drei Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bauelements;
4 bis 8 weitere Ausführungsformen des Bauelements;
9 und 10 zwei Verfahrensschritte zur Herstellung einer weiteren Ausführungsform des Bauelements;
11 eine zusätzliche Ausführungsform des Bauelements;
12 bis 14 Verfahrensschritte zur Herstellung eines weiteren Bauelements;
15 bis 17 Verfahrensschritte zur Herstellung eines weiteren Bauelements;
18 bis 20 Verfahrensschritte zur Herstellung einer weiteren Ausführungsform eines Bauelements;
21 bis 23 verschiedene Ausführungsformen des Bauelementes mit mehreren Durchkontaktierungen in einer Ringstruktur; und
24 bis 27 verschiedene Ausführungsformen des Bauelementes mit einer zweiten Gitterstruktur.

1 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung ein Substrat 1, das beispielsweise als Halbleitersubstrat, insbesondere aus Silizium ausgebildet ist. Das Substrat 1 weist eine ringförmige Ausnehmung 2 auf, die eine Ringstruktur 3 umgibt und von dem weiteren Substrat 1 elektrisch isoliert. Die Ringstruktur 3 weist eine zweite Ausnehmung 4 auf. Sowohl die erste als auch die zweite Ausnehmung 2, 4 erstrecken sich durch die gesamte Dicke des Substrates 1 und werden vorzugsweise im gleichen Prozessschritt bzw. zeitgleich / simultan hergestellt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können auf einer Oberseite des Substrates 1 elektrische und/oder elektronische Schaltungen 5 ausgebildet sein. Die Schaltungen 5 sind schematisch als Block auf der Vorderseite des Substrates 1 dargestellt. Eine Rückseite des Substrates 1 ist mit einer ersten Schicht 6 bedeckt. Die erste Schicht 6 weist eine Gitterschicht 7 auf, die mit der Rückseite des Substrates 1 und mit der Rückseite der Ringstruktur 3 verbunden ist. Die Gitterschicht 7 weist wenigstens teilweise im Bereich der Ausnehmung 2 eine Gitterstruktur 8 auf. Die Gitterschicht 7 ist beispielsweise aus einem Isolationsmaterial, insbesondere aus einem Oxid, insbesondere einem Siliziumoxid hergestellt.
Zudem weist die erste Schicht 6 eine Verschlussschicht 9 auf, die auf der Gitterschicht 7 angeordnet ist. Die Verschlussschicht 9 ist aus einem Isolationsmaterial, insbesondere einem Oxid, beispielsweise einem Siliziumoxid ausgebildet. Die Verschlussschicht 9 bedeckt die Gitterschicht 7 sowohl im Bereich der Gitterstruktur 8 als auch in den anderen Bereichen.
Die Vorderseite des Substrates 1 ist mit einer zweiten Schicht 10 bedeckt. Die zweite Schicht 10 weist eine erste Isolationsschicht 11 auf, die auf der Vorderseite des Substrates 1 angeordnet ist und die Ausnehmung 2, 4 abdeckt. Die erste Isolationsschicht 11 ist beispielsweise aus einem Oxid, insbesondere aus Siliziumoxid ausgebildet. In der ersten Isolationsschicht 11 ist eine elektrische Leitung 12 angeordnet, die bis in den Bereich der zweiten Ausnehmung 4 geführt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Leitung 12 mit der Schaltung 5 verbunden. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die elektrische Leitung 12 auch mit anderen Schaltungen verbunden sein.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die zweite Schicht 10 eine Funktionsschicht 13 auf, in der bewegliche Strukturen und/oder elektrische Schaltungen angeordnet sind. Die beweglichen Strukturen können in Form von Sensorstrukturen, beispielsweise Inertialsensoren ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Funktionsschicht 13 aus einer Epilayer-Schicht ausgebildet. Auf der Vorderseite der Funktionsschicht 13 ist eine Abdeckschicht 14 ausgebildet. Die Abdeckschicht 14 kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial ausgebildet sein und in Form eines Kappenwafers realisiert werden. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auch auf die Funktionsschicht 13 und/oder die Abdeckschicht 14 verzichtet werden.
Das in 1 dargestellte Bauelement 15 ist beispielsweise als ASIC-/Sensorwafer mit einem gebondeten Kappenwafer ausgebildet. Das Bauelement kann jedoch auch in anderen Ausführungsformen ausgebildet sein, bei denen eine elektrische Durchkontaktierung durch ein Substrat verwendet wird.
Zusätzlich oder anstelle der Inertialsensoren können auch Drucksensoren in der Funktionsschicht 13 vorgesehen sein. Weiterhin kann die Abdeckschicht 14 weitere Ausnehmungen aufweisen, die im Bereich der Sensorstrukturen der Funktionsschicht 13 angeordnet sind, um die Bewegungsfreiheit der Sensorstrukturen zu verbessern. Die Verbindung der Abdeckschicht 14 auf der Funktionsschicht 13, die in Form eines Sensorwafers ausgebildet sein kann, erfolgt beispielsweise mit Standard-Bondverfahren, wie z.B. Sealglas-Bonden, eutektischem Bonden oder Fusion-Bonding. Optional wurde das Substrat 1 durch Schleifen, CMP und Plasma-Ätzen auf der Rückseite abgedünnt, um Trench-Zeiten zu reduzieren oder geforderte maximale Stack-Dicken umsetzen zu können. Letzteres kann zudem ein Abdünnen der Abdeckschicht 14 erfordern.
Um eine elektrische Kontaktierung durch das Substrat 1 durchzuführen, um beispielsweise die Schaltungen 5 zu kontaktieren, wird von der Rückseite des Substrates 1 her ein elektrischer Zugang geschaffen. Die Ausnehmung 2 und die zweite Ausnehmung 4 wurden in der Weise hergestellt, dass die Gitterschicht 7 auf das Substrat 1 abgeschieden und strukturiert wird. Die strukturierte Gitterschicht 7 wird anschließend als Trench-Ätzmaske verwendet, um das darunter befindliche Substratmaterial im Bereich der Ausnehmung 2 und der zweiten Ausnehmung 4 zu entfernen. Auf diese Weise wird die von der Ausnehmung 2 umgebene Ringstruktur 3 ausgebildet. Zudem wird auf diese Weise zeitgleich / simultan die zweite Ausnehmung 4 in die Ringstruktur 3 eingebracht. Die Ringstruktur 3 ist sowohl an der Gitterschicht 7 als auch an der zweiten Isolationsschicht 11 befestigt. Die Gitterschicht 7 übernimmt dabei mehrere Funktionen. Zum einen dient die Gitterschicht 7 als Ätzmaske und fixiert die Ringstruktur an dessen Oberfläche. Zum anderen dient die Gitterschicht 7 als Basis für eine freitragende Membran in Form der Gitterstruktur 8, die zwischen der Ringstruktur und dem umgebenden Substrat 1 ausgebildet ist.
1 zeigt den Zustand nach dem Isolationstrench und dem Verschluss der Gitterstruktur 8 mit der Verschlussschicht 9. Die elektrische Leitung 12, die im Bereich der zweiten Ausnehmung 4 angeordnet ist, weist vorzugsweise eine größere Fläche als die zweite Ausnehmung 4 auf und ist in der Weise angeordnet, dass die elektrische Leitung 12 die Fläche der zweiten Ausnehmung 4 überdeckt.
Mithilfe eines Standardlithografieverfahrens, gefolgt von einem Plasma-Ätzschritt, wird nun die Verschlussschicht 9 und die Gitterschicht 7 über der zweiten Ausnehmung entfernt. Die Öffnung 20 in der ersten Schicht 6, d.h. in der Gitterschicht 7 und in der Verschlussschicht 9 wird dabei etwas größer gewählt als der Durchmesser der zweiten Ausnehmung 4. Bei diesem Ätzschritt wird gleichzeitig eine Abtragung 21 der ersten Isolationsschicht 11 am Boden der zweiten Ausnehmung 4 erreicht, wobei der Ätzprozess an der elektrischen Leitung 12 stoppt. Die elektrische Leitung 12 ist beispielsweise Teil einer Mehrlagenmetallisierung, die in der zweiten Schicht 10 ausgebildet ist. Dieser Verfahrensstand ist in 2 dargestellt.
Wie in 3 zu sehen ist, wird zur Ausbildung einer Durchkontaktierung 16 nun mit Standardverfahren, wie z.B. CVD, ALD, Sputtern, Galvanotechnik, Dispensen, Inkjetten oder Siebdrucken in die zweite Ausnehmung 4 ein leitfähiges Material wie z.B. Wolfram, Kupfer, Aluminium, AlSiCu, AICu, Silber oder Gold eingebracht. Je nach Abscheidungsverfahren kann das Material, falls erforderlich, an der Oberfläche des Substrates mithilfe eines CMP-Verfahrens planarisiert werden. Dabei kann z.B. das auf der Substratoberfläche und in der zweiten Ausnehmung 4 abgeschiedene Material nur oberflächlich planarisiert werden, um mittels Standardlithografieverfahren dessen Strukturierung zu ermöglichen. Zudem kann das abgeschiedene Material so weit planarisiert werden, bis das Füllmaterial von der Substratoberfläche entfernt und nur noch in der zweiten Ausnehmung 4 vorhanden ist. Bei dem ersten Verfahren können die Leiterbahnen und die Bondpads aus dem Verfüllmaterial bestehen. Bei dem zweiten Verfahren werden die Leiterbahnen und die Bondpads in einem separaten Verfahrensschritt hergestellt.
Nach Ausbildung der Durchkontaktierung 16 und einer Leiterbahn 17 und eines Bondpads 18 wird optional noch eine Schutzschicht 19 auf die Verschlussschicht 9 und die Leiterbahn 17 und das Bondpad 18 aufgebracht. Die Schutzschicht 19 kann optional auch eine Feuchtebarriereschicht aufweisen. Anschließend wird die Schutzschicht 19 im Bereich des Bondpads 18 wieder entfernt. Die Schutzschicht 19 kann aus einem Isolationsmaterial, beispielsweise Siliziumoxid ausgebildet sein. Die Feuchtebarriereschicht kann beispielsweise aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) ausgebildet sein. Mithilfe des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, auf einfache Weise eine niederohmige Durchkontaktierung 16 durch das Substrat 1 zu realisieren, die mechanisch stabil ist und geringe parasitäre Kapazitäten aufweist. Die Durchkontaktierung 16 ist mit der elektrischen Leitung 12 verbunden.
Die Ringstruktur 3 dient in der beschriebenen Anordnung als Hilfsstruktur, an deren innerer Wand eine niederohmige Schicht abgeschieden wird. Je nach Verfüllverfahren dient die Ringstruktur als Brücke für eine Metallisierung zwischen einer Substratoberfläche und einer Metallmehrlagenverdrahtung auf der Sensorvorderseite (z.B. bei CVD oder ALD) oder als laterale Begrenzung, um ein Verfließen in den Isolationsbereich, der durch die Ausnehmung 2 bereitgestellt wird, zu vermeiden (z.B. bei Inkjet-, Dispens- oder Siebdruckverfahren).
Der Einsatz der Durchkontaktierungsvariante in Form einer elektrisch isolierten Ringstruktur mit einem niederohmigen Kern in Form der Durchkontaktierung 16 kann somit auch bei ASICs erfolgen, bei denen das Substratmaterial in der Regel eine eher niedrige Dotierung und somit einen geringen Leitwert besitzt.
In 3 ist die Durchkontaktierung 3 zylinderförmig ausgebildet, wobei sich der Durchmesser der Durchkontaktierung 3 im Bereich der ersten Schicht 6 verbreitert, insbesondere stufenförmig verbreitert.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelementes, bei der die Durchkontaktierung 16 hülsenförmig ausgebildet ist. Dabei ist die Durchkontaktierung 16 sowohl auf der Innenseite der Ringstruktur 3 als auch auf entsprechenden Innenseiten der Gitterschicht 7 und der Verschlussschicht 9 hülsenförmig ausgebildet. Zudem weist die Durchkontaktierung 16 einen Hohlraum 22 auf, der zylinderförmig ausgebildet ist und sich ausgehend von einer Vorderseite des Substrates 1 bis in die Gitterschicht 7 erstreckt. Die Durchkontaktierung 16 weist somit eine Hülsenform auf, wobei ein Bodenbereich 23, der auf der elektrischen Leitung 12 angeordnet ist, ebenfalls durch das Material der Durchkontaktierung 16 ausgebildet ist. Die Schutzschicht 19 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einen oberen Endbereich der Durchkontaktierung 16 angeordnet und reicht bis in den Bereich der Gitterschicht 7. Somit ist der Hohlraum 22 durch die Schutzschicht 19 verschlossen.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelementes 15, bei dem der Hohlraum 22 der Durchkontaktierung 16 mit der Schutzschicht 19 im Bereich der ersten Schicht 6 vollständig aufgefüllt ist.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelementes, bei dem der Querschnitt der Durchkontaktierung 16 sich im Bereich der ersten Schicht 6 nicht verbreitert, sondern konstant bleibt. In 6 ist die Durchkontaktierung 16 als zylinderförmiges Vollmaterial ausgebildet.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelementes, bei dem der Durchmesser der Durchkontaktierung 16 sich im Bereich der ersten Schicht nicht erweitert, sondern konstant bleibt und zudem ein Hohlraum 22 in der Durchkontaktierung 16 vorgesehen ist. Somit ist die Durchkontaktierung 16 in 7 hülsenförmig ausgebildet. Der Hohlraum 22 ist durch die Schutzschicht 19 im Bereich der ersten Schicht 6 verschlossen.
8 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der 7, wobei jedoch der Hohlraum 22 vollständig mit der Schutzschicht 19 aufgefüllt ist.
Die 9 und 10 zeigen die Verfahrensschritte zur Herstellung einer hülsenförmigen Durchkontaktierung 16, bei der der Querschnitt der Durchkontaktierung 16 im Bereich der ersten Schicht 6 kleiner ist als im Bereich der Ringstruktur 3. In 9 ist der Verfahrensschritt dargestellt, bei dem die Zugangsöffnung 20 in der ersten Schicht 6 zur zweiten Ausnehmung 4 kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Ausnehmung 4. Dies führt in der Regel dazu, dass bei der Abscheidung des metallisch leitenden Materials im Bereich der zweiten Ausnehmung 4 ein nicht verfüllter Hohlraum 22 bestehen bleibt, wie in 10 dargestellt ist. Vorteil dieser Ausführungsform ist es, den Stress, bedingt durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem elektrisch leitenden Material der Durchkontaktierung und dem Material der Ringstruktur 3 besser abbauen zu können.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelementes, das eine Durchkontaktierung 16 in einer Hülsenform aufweist, wobei der Durchmesser der Hülsenform im Bereich der ersten Schicht 6 kleiner ist als im Bereich der Ringstruktur 3. Zudem ist die hülsenförmige Durchkontaktierung 16 auf der Innenseite mit der Schutzschicht 19 bedeckt und ein oberer Kragen 24 der Durchkontaktierung 16 ist mit der Schutzschicht aufgefüllt. Weiterhin ist ein nicht verfüllter Hohlraum 22 in der Durchkontaktierung 16 ausgebildet. Der nicht verfüllte Hohlraum 22 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von der Schutzschicht 19 umschlossen.
Je nachdem, welche Technik zur Herstellung der niederohmigen Durchkontaktierung 16 eingesetzt wird, kann es von Vorteil sein, einen größeren Durchmesser bei der zweiten Ausnehmung 4 vorzusehen. Da die zweite Ausnehmung 4 gleichzeitig mit der Ausnehmung 2 hergestellt werden soll, bietet sich auch in diesem Fall an, das Substratmaterial im Bereich der zweiten Ausnehmung 4 durch eine Gittermaske hindurch zu entfernen. Nach dem Verschluss der Gitterschicht 7 mit der Verschlussschicht 9 erhält man eine nahezu ebene Oberfläche, die wieder den Einsatz von Standardprozessschritten, wie z.B. den Auftrag von Fotolack per Spinbelackung ermöglicht. Dieser Verfahrensstand ist in 12 dargestellt. 12 entspricht im Wesentlichen der Anordnung der 1, wobei jedoch der Durchmesser der zweiten Ausnehmung 4 größer ist und eine Gitterstruktur 8 der Gitterschicht 7 über der zweiten Ausnehmung 4 angeordnet ist.
Die 13 und 14 zeigen die bereits anhand der 2 und 3 erläuterten Verfahrensschritte zur Herstellung der zylinderförmigen Durchkontaktierung 16.
Die 15 bis 17 zeigen eine weitere Variante zur Herstellung einer Durchkontaktierung, bei der die elektrische Leitung 12 im Bereich des Bodens der zweiten Ausnehmung 4 an der Grenzfläche zur zweiten Ausnehmung 4 angeordnet ist. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass bei dem Prozess zur Herstellung der zweiten Ausnehmung 4 wenig oder kein Material der ersten Isolationsschicht 11 entfernt werden muss, um den Kontaktbereich zur elektrischen Leitung 12 freizulegen. Der für die Ausbildung der ersten und zweiten Ausnehmung 2, 4 verwendete Isolations-Trenchprozess stoppt auf der elektrischen Leitung 12. Somit wird das Herstellungsverfahren beschleunigt.
Die 18 bis 20 zeigen analog zu den 1 bis 3 die Verfahrensschritte zur Ausbildung einer Durchkontaktierung mit einem Hohlraum 22, wobei der Querschnitt der Durchkontaktierung 16 im Bereich der ersten Schicht im Vergleich zum Bereich der Ringstruktur 3 reduziert ist. Zudem wird vor dem Aufbringen des elektrisch leitenden Materials zur Ausbildung der Durchkontaktierung 16 eine zweite Isolationsschicht 25 sowohl auf der ersten Schicht 6 als auch in der zweiten Ausnehmung 4 abgeschieden. Dabei wird auch die elektrische Leitung 12 bedeckt. In dem folgenden Verfahrensschritt, der in 19 dargestellt ist, wird die zweite Isolationsschicht 25 von der ersten Schicht 6 und von der elektrischen Leitung 12 entfernt. Die zweite Isolationsschicht 25 kann aus einem Oxid, beispielsweise aus Siliziumoxid hergestellt sein. Bei der Verwendung von Siliziumoxid kann die zweite Isolationsschicht 25 mit Hilfe eines anisotropen Plasma-Ätzschrittes im Bereich der elektrischen Leitung 12 und von der Oberseite der ersten Schicht 6 entfernt werden. Im Bereich der Innenfläche der Ringstruktur 3 verbleibt die zweite Isolationsschicht 25. Ebenso im Durchgangsbereich der ersten Schicht 6. Anschließend wird die Durchkontaktierung 16 mit einem Hohlraum 22 in die zweite Ausnehmung 4 eingebracht. Zudem wird die Leiterbahn 17 abgeschieden und die Schutzschicht 19 aufgebracht.
Auf diese Weise wird eine elektrisch isolierte Durchkontaktierung 16 in der Ringstruktur 3 ausgebildet, wie in 20 dargestellt ist. Die Durchkontaktierung der 20 weist einen Hohlraum 22 auf. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Art der Durchkontaktierung 16 auch die anderen bereits beschriebenen Formen aufweisen. Ein Vorteil der zweiten Isolationsschicht 25 besteht darin, dass die Durchkontaktierung 16 von der umgebenden Ringstruktur 3 elektrisch isoliert ist.
Durch die Anordnung der zweiten Isolationsschicht 25 können in einer zusammenhängenden Ringstruktur 3 mehrere elektrische Durchkontaktierungen 16 angeordnet sein, wie in 21 dargestellt ist. Die drei in 21 dargestellten Durchkontaktierungen 16 sind identisch aufgebaut und voneinander elektrisch isoliert. Abhängig von der gewählten Verschaltung der Durchkontaktierungen 16 können die Durchkontaktierungen 16 der Ringstruktur 3 einen Kondensator bilden, der mit weiteren elektrischen Schaltungen 5, beispielsweise Schaltungsteilen eines ASICs verbunden ist. Zudem ist jede Durchkontaktierung 16 mit einer eigenen elektrischen Leitung 12 verbunden. Die Funktion des Dielektrikums übernimmt hierbei die zusätzlich abgeschiedene zweite Isolationsschicht 25 und das Material der Ringstruktur 3, das beispielsweise aus Silizium aufgebaut ist. Mithilfe der beschriebenen Verfahren können sowohl Zylinder- als auch Plattenkondensatoren mit hohen Kapazitätswerten innerhalb des Substrates 1 aufgebaut werden. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere bei der Ausbildung des Substrats 1 in Form eines Sensorwafers.
22 zeigt eine Anordnung mit mehreren Durchkontaktierungen 16 gemäß 21, wobei jedoch die Durchkontaktierungen 16 einen Kondensator bilden können und über Leiterbahnen 17 mit Bondpads 18 verbunden sind. Die Durchkontaktierungen 16 sind auf der Unterseite mit elektrischen Leitungen 12 verbunden, die in der ersten Isolationsschicht 11 angeordnet sind, aber nicht zwingend mit elektrischen Schaltungen 5 verbunden sind und die die Funktion einer Ätzstoppschicht besitzen. Mit Hilfe derartiger Kondensatorstrukturen lassen sich beispielsweise Störspannungen in Zugangsleitungen zu elektrischen Schaltungen wie z.B. einem ASIC reduzieren bzw. eliminieren.
Wie zuvor beschrieben lassen sich bei geeigneter Design- und Layoutauslegung aber auch Spulen realisieren, welche in elektrische Schaltkreise integriert werden können.
23 zeigt eine Ausführungsform mit einer Ringstruktur 3 mit mehreren Durchkontaktierungen 16, die über zweite Isolationsschichten 25 von der Ringstruktur 3 elektrisch isoliert sind. Die mittlere Durchkontaktierung dient als Signalpfad, wobei die seitlichen Durchkontaktierungen nur zur Abschirmung dienen. Nur die mittlere Durchkontaktierung 16 ist mit einer elektrischen Schaltung 5 verbunden. Anstelle von zwei seitlichen Durchkontaktierungen können auch weitere seitliche Durchkontaktierungen vorgesehen sein, die eine mittlere Durchkontaktierung ringförmig umgeben und als Abschirmung dienen. Auf diese Weise wird eine elektrische Schirmung um einen Signalpfad durch das Substrat 1 realisiert. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Material der Ringstruktur 3 zwischen den Durchkontaktierungen 16, die mit der zweiten Isolationsschicht 25 versehen sind, auch entfernt werden.
24 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelementes, das im Wesentlichen der Ausführungsform der 3 entspricht, wobei jedoch zusätzlich zwischen der Gitterschicht 7 und der Verschlussschicht 9 insbesondere im Bereich der Gitterstruktur 8 eine zweite Gitterschicht 26 angeordnet ist. Die zweite Gitterschicht 26 kann dabei eine ähnliche oder identische Form wie die Gitterstruktur 8 oder die Gitterschicht 7 aufweisen. Die zweite Gitterschicht 26 ist aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Metall hergestellt. Anstelle der zwei Gitterschichten 7, 26 kann auch nur eine einzelne Gitterschicht 7 ausgebildet sein, die aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem Metall besteht und die in Bereichen der Gitterstruktur 8 direkt auf dem Substrat 1 liegen kann. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch darauf zu achten, dass kein Kurzschluss zwischen der Durchkontaktierung 16 und dem die Kontaktierung umgebenden Substrat 1 entsteht. Das Metall kann beispielsweise eine Aluminium-Kupfer-Mischung darstellen. Ein Vorteil der elektrisch leitenden Gitterschicht besteht darin, dass beim Isolations-Trenchprozess, bei dem zeitgleich / simultan die Ausnehmung 2 und die zweite Ausnehmung 4 hergestellt werden, der Ätzangriff auf das metallische Gitter 26 deutlich geringer ausfällt als bei einem Gitter 8 aus einem Isolationsmaterial, insbesondere aus einem Siliziumoxid. Dies führt wiederum dazu, dass sich die Ätzlöcher des Gitters nur minimal aufweiten und zu deren Verschluss weniger Material der Verschlussschicht 9, insbesondere ein Oxid abgeschieden werden muss. Bemerkbar macht sich dieser Vorteil vor allem bei hohen Ätztiefen und den damit verbundenen langen Ätzzeiten.
25 zeigt eine weitere Variante der Ausführungsform der 24, wobei die zweite Gitterschicht 26 über eine Verbindung mit der Leiterbahn 17 verbunden ist. Damit ist ein Potenzialausgleich zwischen der Leiterbahn 17 und der zweiten Gitterschicht 26 gegeben. Zudem weist 25 die weitere Besonderheit auf, dass die Leiterbahn 17 in der Fläche so groß ausgebildet ist, dass die gesamte Ausnehmung 2 abgedeckt ist. Somit weist die Leiterbahn 17 wenigstens einen kreisflächigen oder eckigen Abschnitt auf. Auf diese Weise werden die Gitterstruktur 8 und die zweite Gitterschicht 26 von der Leiterbahn 17 abgedeckt. Zudem wirkt die großflächige Leiterbahn 17 in Form einer Barriereschicht beispielsweise gegenüber Feuchtigkeit, die in die darunter befindliche zweite Ausnehmung eindringen könnte.
26 zeigt eine weitere Ausführungsform, die im Wesentlichen der 25 entspricht, wobei jedoch die zweite Gitterschicht 26 elektrisch von der Leiterbahn 17 getrennt ist und ein eigenes Bondpad 27 aufweist. Über der Darstellung des Bauelementes 15 ist ein Ersatzschaltbild für die Leiterbahn 17 mit der Durchkontaktierung 16 und der zweiten Gitterschicht 26 dargestellt, wobei zwischen der Leiterbahn 17 und der elektrisch leitenden zweiten Gitterschicht eine Kapazität C1 ausgebildet ist. Mithilfe der in 26 dargestellten Anordnung kann eine flächige Kondensatorstruktur aufgebaut werden, die durch die Leiterbahn 17 und die zweite Gitterschicht 26 im Wesentlichen ausgebildet wird. Die Kondensatorstruktur kann beispielsweise zur Unterdrückung von Störsignalen eingesetzt werden, die in Signalen, die über die Leiterbahn 17 und die Durchkontaktierung 16 zu einer elektrischen Schaltung 5, insbesondere einem ASIC geführt werden, mithilfe der als Gegenelektrode eines Kondensators wirkenden zweiten Gitterschicht 26 unterdrückt werden können.
27 zeigt eine weitere Ausführungsform, die im Wesentlichen der Ausführungsform von 24 entspricht, wobei jedoch im Gegensatz zu der Ausführungsform der 24 die Durchkontaktierung 16 einen Hohlraum 22 aufweist. Zudem weist der Querschnitt der zweiten Ausnehmung 4 einen größeren Wert auf als der Querschnitt der zweiten Ausnehmung 4 der 24. Weiterhin ist im Bereich des Kragens 24 der Durchkontaktierung 16 die Gitterschicht 7 und die zweite Gitterschicht 26 angeordnet. Somit ist die zweite Gitterschicht 26 direkt über den Kragen 24 mit der Durchkontaktierung 16 elektrisch leitend verbunden.
Die große Breite der Öffnung 20 und die große Breite der zweiten Ausnehmung 4 können dazu verwendet werden, um über ein CVD- oder ein ALD-Verfahren ein niederohmiges Material wie z.B. Wolfram oder Aluminium in die zweite Ausnehmung 4 abzuscheiden. Das niederohmige Material lagert sich dort bevorzugt an den Oberflächen ab. Der Ablagerungsvorgang findet so lange statt, bis an der Oberfläche die erste und zweite Gitterschicht 7, 26 zugewachsen ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass trotz der großen Öffnung 20, die Vorteile hinsichtlich der Abtragungsrate zur Ausbildung der zweiten Ausnehmung 4 bietet, ein Verschluss der ersten und zweiten Gitterstruktur 8, 26 durch das niederohmige Material erreicht werden kann, ohne eine große Topografie an der Oberfläche des Substrates 1 auszubilden. Diese ermöglicht bereits nach dem Abscheiden der Metallisierung die Verwendung von Standardlithografieverfahren zur Strukturierung der aufgebrachten Metallschicht.
Das beschriebene Bauelement und das beschriebene Verfahren kann bei allen Produkten eingesetzt werden, bei denen eine Flipchip-Technik zur elektrischen Kontaktierung eingesetzt wird.
Die Figuren zeigen jeweils eine Ringstruktur 3, wobei in einem Halbleitersubstrat gleichzeitig mehrere Ringstrukturen mit Durchkontaktierungen eingebracht werden bzw. angeordnet sind.
Für alle Ausführungsformen gilt, dass die Ringstruktur 3 nicht zwingend kreisförmig bzw. rund ausgeführt werden muss, sondern vielmehr eine beliebige Form haben kann. Ebenso kann auch die Durchkontaktierung 16 einen beliebigen Querschnitt aufweisen.

Claims

Bauelement (15) mit einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Durchkontaktierung (16), wobei die Durchkontaktierung (16) von einer Ausnehmung (2) umgeben ist, wobei das Halbleitersubstrat (1) auf einer Seite eine erste Schicht (6) aufweist, wobei die erste Schicht (6) die Ausnehmung (2) auf der ersten Seite abdeckt, wobei das Halbleitersubstrat auf einer zweiten Seite eine zweite Schicht (10) aufweist, wobei die zweite Schicht (10) die Ausnehmung (2) auf der zweiten Seite abdeckt, wobei auf der ersten Schicht (6) eine Leiterbahn (17) vorgesehen ist, wobei die Leiterbahn mit der Durchkontaktierung (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierung (16) von einer Ringstruktur (3) umgeben ist, wobei die Ringstruktur (3) aus dem Halbleitersubstrat (1) hergestellt ist, wobei die erste Schicht (6) eine Gitterschicht (7) aufweist, die wenigstens teilweise über der Ausnehmung (2) und im Bereich der Durchkontaktierung (16) eine Gitterstruktur (8, 26) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht (6) wenigstens teilweise über der Ringstruktur (3) eine Schicht in Form einer Gitterstruktur (8, 26) aufweist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchkontaktierung (16) hülsenförmig ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 3, wobei die Durchkontaktierung mit einem Isolationsmaterial (19) aufgefüllt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Durchkontaktierung (16) einen zylinderförmigen Hohlraum aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Durchkontaktierung (16) im Bereich der ersten Schicht (6) einen sich erweiternden oder einen sich verjüngenden Durchmesser aufweist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchkontaktierung wenigstens im Bereich der Ringstruktur (3) von einer Isolationsschicht (25) umgeben ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gitterstruktur (8) über der Ausnehmung (2) angeordnet und mit der Ringstruktur (3) verbunden ist, wobei die Isolationsschicht (9) über der Gitterstruktur angeordnet ist, wobei wenigstens teilweise zwischen der Gitterstruktur (8) und der Isolationsschicht (9) eine elektrisch leitende zweite Gitterstruktur (26) angeordnet ist, wobei die zweite Gittestruktur wenigstens teilweise auf der ersten Gitterstruktur (8) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 8, wobei die zweite Gitterstruktur (26) elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung (16) verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 8, wobei die zweite Gitterstruktur (26) mit einem Bondpad (18, 27) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die zweite Gitterschicht (26) elektrisch von der Durchkontaktierung (16) isoliert ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine elektrisch leitende Leiterbahn (17) in oder auf der ersten Schicht (6) angeordnet ist und ein Bondpad (18) elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung (16) verbindet.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der zweiten Schicht (11) eine elektrisch leitende Leitung (12) vorgesehen ist, wobei die Leitung (12) mit einer Schaltung, insbesondere einem Baustein der Halbleiterschicht (1), oder der zweiten Schicht (10) verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 12, wobei die Leitung (12) im Bereich der Durchkontaktierung (16) bis zur Grenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat und der zweiten Schicht (10) geführt ist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ringstruktur (3) mehrere Durchkontaktierungen (16) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 14, wobei die Durchkontaktierungen (16) in der Ringstruktur (3) voneinander elektrisch isoliert sind.
Bauelement nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Durchkontaktierungen (16) als Kondensatoren und/oder Spulen und/oder als Abschirmelemente verschaltet sind.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (10) eine Sensorschicht mit wenigstens einer Sensorstruktur aufweist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 17, wobei die Leiterbahn (17) die Ausnehmung (2) überdeckt.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelementes, wobei ein Halbleitersubstrat bereitgestellt wird, wobei das Halbleitersubstrat auf einer Seite eine zweite Schicht aufweist, wobei das Halbleitersubstrat auf einer weiteren Seite mit einer Gitterstruktur versehen wird, wobei über die Gitterstruktur eine zylinderförmige Ausnehmung und eine die zylinderförmige Ausnehmung umgebende ringförmige Ausnehmung im gleichen Prozessschritt gleichzeitig in das Halbleitersubstrat eingebracht werden, so dass eine Ringstruktur aus dem Halbleitersubstrat hergestellt wird, wobei die Gitterstruktur mit einer Isolationsschicht abgedeckt wird, welche anschließend über der zylinderförmigen Ausnehmung geöffnet wird, wobei anschließend elektrisch leitendes Material in die zylinderförmige Ausnehmung eingebracht wird, wobei wenigstens eine Innenwand der Ringstruktur und ein Bereich einer Leiterbahn abgeschieden wird, wobei das eingebrachte Material eine Durchkontaktierung bildet, wobei die Durchkontaktierung mit einer elektrischen Leitung elektrisch leitend verbunden wird.