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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen
Chips sowie ein Bauelement, welches einen derartigen Chip enthält.
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In
der Flip-Chip-Technologie sind verschiedene Verfahren zur Realisierung
von Durchkontaktierungen bekannt, bei denen ein Sensorelement oder eine
Schaltung auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrats mit dessen
Rückseite elektrisch verbunden wird. So ist beispielsweise
aus der Schrift
DE
102 05 026 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem mittels spezieller
Isolationsgräben ein Bereich in einem Substrat zu erzeugt
wird, der elektrisch vom restlichen Substrat getrennt ist. Eine
Durchkontaktierung mittels Dotierung ist dagegen aus der
DE 103 59 217 A1 bekannt.
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Aus
der
DE 10 2006
018 027 A1 ist darüber hinaus auch ein Verfahren
bekannt, bei dem zunächst ein Via-Loch im Substrat erzeugt
wird, welches anschließend mit einem leitfähigen
Material verfüllt wird. Zur Erzeugung der Durchgangskontaktierung
wird dann das Substrat von der Rückseite her bis zum verfüllten
Via-Loch abgedünnt.
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Vorteile der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Herstellung eines mikromechanischen
Chips bzw. ein Bauelement, welches einen derartigen Chip aufweist.
Dabei wird zunächst auf ein Substrat, welches vorzugsweise
aus einem Halbleitermaterial besteht, eine Opferschicht und eine
Epitaxieschicht aufgebracht. Anschließend wird von der
Vorderseite des so erzeugten Schichtstapels wenigstens eine Öffnung
in die Epitaxieschicht eingebracht. Um die nachfolgende Verfüllung
der Öffnung mit einer leitfähigen Kontaktschicht
gegenüber dem Material der Epitaxieschicht elektrisch zu
isolieren, werden die Wände der Öffnung mit einer
Isolierschicht versehen. Zur Entfernung der Opferschicht und somit
zur Erzeugung des Chips werden anschließend ebenfalls von der
Vorderseite des Schichtstapels Trenngräben durch die Epitaxieschicht
bis zur Opferschicht geätzt. Dabei ist insbesondere vorgesehen,
dass die Trenngräben die laterale Ausdehnung des Chips
begrenzen.
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Der
Vorteil bei dieser Erfindung besteht darin, dass durch die Entfernung
der Opferschicht ein vom Substrat abgetrennter Chip erzeugt wird.
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Da
die Epitaxieschicht im Wesentlichen die vertikale Größe
des Chips bestimmt, kann durch eine Wahl der Dicke der Epitaxieschicht
in der Größenordnung von 1 bis 50 μm
die Höhe des Chips definiert eingestellt werden.
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Die
Erzeugung des Kontaktgrabens sowie der Trenngräben lässt
sich vorteilhafterweise mittels eines anisotropen Ätzvorgangs
erreichen, beispielsweise durch einen Trenchätzprozess.
Durch einen derartigen anisotropen Ätzvorgang ergeben sich Gräben
mit einem hohen Aspektverhältnis. Denkbar ist auch, dass
beide Gräben gleichzeitig, d. h. mit einem Ätzvorgang
erzeugt werden, um eine schnellere Prozessdurchführung
zu erreichen.
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Da
die beiden Gräben unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen
haben, ist vorgesehen, dass die Ausdehnung des wenigstens einen
Kontaktgrabens räumlich in beide laterale Richtungen begrenzt
ist, wohingegen die Ausdehnung der Trenngräben aufgrund
der gewünschten Trennwirkung in einer lateralen Richtung
vorzugsweise über die gesamte Breite des Chips verlaufen.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass sich jeweils zwei Trenngräben
in einem Kreuzungspunkt treffen, beispielsweise unter einem Winkel
von nahezu 90°.
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Die
mit leitfähigem Material verfüllten Kontaktgräben
dienen dazu, einen elektrischen Kontakt von der Vorderseite auf
die Rückseite des Chips zu ermöglichen. Dabei
kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass mehrere Kontaktgräben
in dem Chip erzeugt werden, die voneinander beabstandet und elektrisch
isoliert sind.
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Bei
der Herstellung des Chips können zusätzlich mikromechanische
Prozesse (Diffusion, Metallisierung, CMOS-Prozesse, etc.) durchgeführt
werden, mittels denen Sensorelemente und/oder Schaltungen bzw. Schaltungsteile
in dem Chip erzeugt werden. Dabei ist denkbar, dass diese Sensorelemente
bzw. Schaltungen direkt in der Epitaxieschicht aber auch in zusätrlich
auf der Epitaxieschicht aufgebrachten Schichten erzeugt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen,
dass eine Vielzahl von Kontaktgräben um das Sensorelement
bzw. die Schaltung herum angeordnet sind. Vorteilhaft ist darüber
hinaus auch die Ausgestaltung der Kontaktgräben als Faradaysche
Abschirmung. Dabei kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Durchkontaktierungen
miteinander verbunden sind. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass
Durchkontaktierungen paarweise oder auch abwechselnd elektrisch
verbunden sind.
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Die
Verfüllung der Kontaktgräben bzw. die Abscheiung
einer speziellen Kontaktschicht zur Erzeugung einer Durchkontaktierung
erfolgt üblicherweise mittels eines Abscheideverfahrens,
z. B. mittels eines elektrochemischen Verfahrens (z. B. einer Kupferabscheidung)
oder eines bekannten CVD-Verfahrens. Darüber hinaus sind
jedoch auch PVD-Verfahren, Umschmelzverfahren oder Verfahren zur
Erzeugung der Durchkontaktierungen anwendbar.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Opferschicht
mit einer pseudomorphen Struktur zu erzeugen. Optional kann auch
vorgesehen sein, eine leitfähige Opferschicht zu verwenden. Auch
die Verwendung von SiGe als Opferschicht ist denkbar. Vorteilhafterweise
wird die Opferschicht mittels eines Gasphasenätzschritts
entfernt, beispielsweise mittels einer CIF3-
oder XeF2-Ätzung.
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Besonders
Vorteilhaft ist die Vereinzelung des Chips aus dem Schichtstapel
bestehend aus Substrat, Opferschicht und Epitaxieschicht, durch den
kombinierten Einsatz der Trenngräben und der Entfernung
der dem Chip zugrunde liegenden Opferschicht. Dabei können
auf einem Substrat eine Vielzahl von einzelnen Chips mit einem Herstellungsprozess
erzeugt werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung können die so erzeugten
Chips dazu verwendet werden, Chipstapel zu bilden. Dabei werden
wenigstens zwei Chips derart aufeinander aufgebracht, vorzugsweise mittels
eines nicht lösbaren Verbindungsverfahrens, wie beispielsweise
einem Bondverfahren, dass die Kontaktschichten der beiden Chips
elektrisch miteinander in Kontakt sind. Besonders vorteilhaft ist
eine Ausgestaltung, in der die Unterseite der Kontaktschicht bzw.
die Verfüllung des Kontaktgrabens des oberen Chips direkt
auf der oberen Seite der Kontaktschicht bzw. der Verfüllung
des unteren Chips aufgebracht wird. Dadurch ist eine elektrische
Durchkontaktierung durch den Chipstapel möglich.
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Durch
eine Verwendung einer Vielzahl von Kontaktschichten bzw. Verfüllungen
in dem Kontaktgraben kann bei geeigneter Anordnung eine Faradaysche
Abschirmung erzeugt werden. Dabei kann beispielsweise das Sensorelement
oder die Schaltung durch diese Abschirmung umschlossen sein. Somit
kann verhindert werden, dass externe elektrische Felder die Erfassung
und/oder die Auswertung von Sensordaten oder auch anderer Daten
beeinträchtigen oder verfälschen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich,
beliebig dünne Halbleiterbauelemente herzustellen, sie
vertikal übereinander zu stapeln und miteinander elektrisch
zu verbinden. Darüber hinaus ist auch möglich, über
die Kontaktschichten thermische Ableitstrukturen zu integrieren.
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Das
erfindungsgemäßen Verfahren ist darüber
hinaus kompatibel mit Standard-Schaltungsprozessen. Die so erzeugten
Chips bieten bei einer 3D-Integration aufgrund der dünnen
Ausgestaltung Vorteile in der Packungsdichte sowie bei der zu realisierenden
Taktfrequenz. Zudem ist das Verfahren durch den Verzicht auf einen
separaten Prozessschritt zur Abdünnung des Substrats kostengünstiger herzustellen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Die 1 zeigt
die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Chip
vor der Vereinzelung. In den 2a bis 2f ist
das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen
Chips in verschiedenen Prozessschritten dargestellt. Mit der 3 wird
beispielhaft die Kombination eines Chipstapels aus zwei Chips dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Aufgrund
des Bestrebens in der Mikromechanik bzw. -elektronik, immer mehr
Funktionen und Schaltungen auf engerem Raum unterzubringen, ist es
wünschenswert hohe Packungsdichten bei Chipstapeln zu erreichen.
Dies wird u. a. dadurch erreicht, indem die einzelnen Chips immer
dünner ausgestaltet werden.
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Gängige
Verfahren zur Realisierung von dünnen Chips erstellen zunächst
die gewünschten Sensor- bzw. Schaltungselemente auf normal
dicken Substraten oder Schichtstapeln. Nach der Fertigstellung dieser
Elemente auf der Vorderseite werden dann die Substrate bzw. die
Schichtstapel in einem weiteren, teilweise aufwendigen Prozess von
der Rückseite abgedünnt. Zum Einsatz kommen dabei
u. a. mechanische Verfahren wie das Schleifen oder Polieren aber
auch (elektro-)chemische Verfahren.
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Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine weitere Möglichkeit
zur Erzeugung von dünnen Chips, insbesondere Halbleiterchips
beschrieben.
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1 zeigt
die Aufsicht auf einen Chip 100, nach Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens vor der endgültigen
Vereinzelung. Deutlich sind hierbei die Kontaktgräben bzw.
Verfüllungen 120 der Kontaktgräben zu
erkennen. Weiterhin werden die Trenngräben 110 gezeigt,
die die laterale Begrenzung des Chips 100 bewirken.
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Wie
anhand 2a schematisch gezeigt wird,
wird auf die Vorderseite 205 eines Substrats 200 zunächst
mittels üblicher mikromechanischer Verfahren eine Opferschicht 210 aufgebracht.
Dabei kann das Substrat sowohl aus einem Halbleitermaterial als
auch aus einem Metall bestehen. Anschließend wird eine
Epitaxieschicht 230 auf die Opferschicht 210 aufgebracht.
Optional kann auch vorgesehen sein, im Bereich der späteren
Kontakt- und/oder Trenngräben 115 eine räumlich
begrenzte Ätzstoppschicht 220 und 225,
beispielsweise aus SiO2 aufzubringen. Zur
Erzeugung von Schaltungselemente 240 oder Sensorelemente
können gängige Schaltungs- bzw. Mikromechanikprozesse
verwendet werden, die beispielsweise verschiedene Diffusionsbereiche
und Hohlräume 250 in der Epitaxieschicht 230 und/oder
in zusätzlichen Passivierungsschichten 260 auf
der Epitaxieschicht 230 bilden. Im Bereich der zu erzeugenden
Kontaktgräben wird im nächsten Schritt mittels
einer entsprechenden Maskierungsschicht 270 eine Öffnung 290 in
die Passivierungsschichten 260 eingebracht. Zur Kontaktierung
der Schaltungs- und Sensorelemente 240 mit der erfindungsgemäßen
Durchkontaktierung können bei einer Vielzahl von Kontaktgräben
einzelne der Öffnungen mit einer Metallisierung 280 versehen werden,
die eine elektrische Verbindung zu den Elementen 240 herstellen.
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Anschließend
wird, wie in 2b gezeigt, ein anisotroper Ätzschritt
vorgenommen, der die Öffnung 290 komplett durch
die Epitaxieschicht 230 wenigstens bis zur Opferschicht 210 vertieft.
Optional kann hierzu die Ätzstoppschicht 220 eingesetzt
werden. Um eine schnellere Entfernung des Opferschichtmaterials
zu ermöglichen, sollte der so erzeugte Kontaktgraben 300 jedoch
bis in die Operschicht 210 hineinreichen. Durch eine derartige
Ausgestaltung wird dem Ätzmaterial eine größere
Angriffsfläche geboten.
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Nach
Entfernen der Maskierungsschicht 270 wird eine konforme
Isolationsschicht 310 aufgebracht, die eine elektrische
und ggf. thermische Isolierung zwischen der Durchkontaktierung 320 und der
Epitaxieschicht 230 erreichen soll (siehe 2c). Derartige
Isolationsschichten lassen sich beispielsweise epitaktisch oder
auch mittels Oxidation erzeugen.
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Anschließend
wird die Isolationsschicht 310 beispielsweise mittels eines
anisotropen Ätzschritts, teilweise entfernt, so dass nur
noch die Wände des Kontaktgrabens 300 und ggf.
die Wände der Passivierungsschichten 260 bedeckt
bleiben (siehe 2d).
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Zur
Verfüllung des Kontaktgrabens 300 wird in einem
weiteren Verfahrensschritt eine leitfähige Durchkontaktierungsschicht 320 eingebracht
(siehe 2e). Dies kann beispielsweise
durch epitaktische Verfahren, eine elektrochemische Abscheidung
von Cu aber auch durch ein Vakuumschmelzen aufgedruckter Lotpaste
realisiert werden. Darüber hinaus sind jedoch auch gängige
CVD- oder PVD-Verfahren anwendbar. Optional kann nach diesem Schritt
eine Planarisierung der Metallisierung bzw. der Verfüllung stattfinden,
so dass die Oberfläche des Schichtstapels eingeebnet wird.
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Zur
Erzeugung der Trenngräben 330 ist ebenfalls ein
anisotroper Ätzschritt vorgesehen, der eine Vertiefung
sowohl durch die Passivierungsschichten 260 als auch durch
die Epitaxieschicht 230 einbringt. Dabei kann ebenso wie
bei der Erzeugung der Kontaktgräben 300 die Vertiefung
bis in die Opferschicht 210 hineingeführt werden,
u. U. mit Hilfe einer Ätzstoppschicht 225.
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Statt
getrennter anisotroper Ätzschritte zur Erzeugung der Kontaktgräben 300 und
der Trenngräben 330 kann auch eine gleichzeitige Ätzung
erfolgen, wodurch der gesamte Herstellungsprozess verkürzt
werden kann.
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Nach
dem Einbringen der Trenngräben 330, die wie in
der 1 ersichtlich, den Chip 100 umschließen,
hat der Chip 100, bestehend aus dem Schichtstapel 230 und 260 lediglich über
die Opferschicht 210 mechanischen Kontakt zum Substrat 200.
Zum Vereinzeln bzw. zum Separieren des Chips vom Substrat 200 ist
somit eine Entfernung des Opferschichtmaterials notwendig. Eine
derartige Entfernung wird in der 2f gezeigt.
Dabei wird mittels eines Gasphasenätzvorgangs 340 von
der Vorderseite 205 ein geeignetes Gas, wie beispielsweise
CIF3 oder XeF2 durch
die Trenngräben 330 an die Opferschicht 210 geleitet.
Durch die dabei entstehende Reaktion löst sich das Opfermaterial
auf und entweicht durch die Trenngräben 330. Sobald
die Schicht 350 keine mechanische Verbindung mehr zwischen
Chip 100 und Substrat 200 aufweist, kann der Chip 100 entfernt
werden. Das Substrat ist daher u. U. nach einem entsprechenden Reinigungsvorgang
zur Herstellung weiterer Chips der erfindungsgemäßen
Art recyclebar.
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In 3 ist
beispielhaft eine Verbindung mehrerer der erfindungsgemäßen
Chips dargestellt. Dabei wird ein erster Chip 100 auf einem
zweiten Chip 101 derart aufgebracht, dass die beiden Durchkontaktierungen 320 und 321 elektrisch
und/oder thermisch miteinander in Kontakt sind. Derartige Verbindungen
sind beispielsweise mittels Thermokompressionsbonden möglich.
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Wie
aus der 3 ersichtlich, kann die Tiefe, mit
der der Kontaktgraben 300 in die Opferschicht 210 eingebracht
wird, sowie die Planarisierung der Metallisierung bzw. Verfüllung
bei einer derartigen Kombination den Abstand beider Chips definieren.
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In
einem besonderen Ausführungsbeispiel wird in dem Chip 100 ein
Sensorelement und/oder ein Schaltungselement erzeugt, welches empfindlich auf äußere
elektrische Felder reagiert. Um diese Einflüsse zu verhindern
oder weitestgehend zu vermeiden, ist vorgesehen, dieses Element
mit einer Vielzahl von Kontaktgräben 120 zu versehen,
wie es beispielsweise die 1 zeigt,
wobei selbstverständlich neben einer weitestgehend rechteckigen
auch eine runde oder ovale Anordnung vorgesehen sein kann. Durch
das vertikale Umschließen des Elements mit leitfähigen
Durchkontaktierungen kann somit eine Faradaysche Abschirmung erreicht
werden, die die Erfassung durch das Sensorelement und/oder die Verarbeitung
der Signale in der Schaltung mit einer höheren Signalgüte
ermöglichen.
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Darüber
hinaus ist jedoch auch möglich, dass in dem Chip mehrere
Durchkontaktierungen vorgesehen sind, die jeder für sich
ein anderes Signal durch den Chip weiterleitet. Denkbar sind hierbei
z. B. unterschiedliche Potentiale oder Informationen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel dienen die Durchführungskontakte
wenigstens teilweise dazu, Wärme von der einen auf die
andere Chipseite zu leiten. Dabei kann insbesondere bei mehreren Durchkontaktierungen
vorgesehen sein, dass einige der Durchgänge für
elektrische Signale und andere Durchgänge zum Wärmetransport
genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10205026
A1 [0002]
- - DE 10359217 A1 [0002]
- - DE 102006018027 A1 [0003]