DE102009046081B4 - Eutectic bonding of thin chips on a carrier substrate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (166), umfassend die folgenden Schritte:
a) ein Halbleiterchip (110) wird auf einem Ausgangssubstrat (112) erzeugt, wobei der Halbleiterchip (110) in mindestens einer Stützstelle (116) mit dem Ausgangssubstrat (112) verbunden ist, wobei der Halbleiterchip (110) eine dem Ausgangssubstrat (112) abgewandte Vorderseite (130) und eine dem Ausgangssubstrat (112) zuweisende Rückseite (132) aufweist,
b) in mindestens einem Durchkontaktierungsschritt wird mindestens ein Durchkontakt-Füllmaterial (142) auf den Halbleiterchip (110) aufgebracht, wobei zumindest ein Teilbereich (140) der Rückseite (132) mit dem Durchkontakt-Füllmaterial (142) beschichtet wird,
c) der Halbleiterchip (110) wird von dem Ausgangssubstrat (112) getrennt, und
d) der Halbleiterchip (110) wird auf mindestens ein Trägersubstrat (150) aufgebracht, wobei der mit dem Durchkontakt-Füllmaterial (142) beschichtete Teilbereich (140) der Rückseite (132) des Halbleiterchips (110) mit mindestens einem Bondpad (152) mittels eines eutektischen Bondverfahrens auf dem Trägersubstrat (150) verbunden wird.
A method of manufacturing a semiconductor device (166) comprising the steps of:
a) a semiconductor chip (110) is produced on an output substrate (112), the semiconductor chip (110) being connected to the output substrate (112) in at least one support point (116), the semiconductor chip (110) being one of the output substrate (112) has remote front side (130) and a rear side (132) facing the starting substrate (112),
b) in at least one via step, at least one via filler material (142) is applied to the semiconductor chip (110), at least a partial area (140) of the rear side (132) being coated with the via filler material (142),
c) the semiconductor chip (110) is separated from the starting substrate (112), and
d) the semiconductor chip (110) is applied to at least one carrier substrate (150), the partial area (140) of the rear side (132) of the semiconductor chip (110) coated with the via filler material (142) having at least one bond pad (152) by means of a eutectic bonding process is connected on the carrier substrate (150).
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind so genannte Chipfilm-Prozesse zur Herstellung von dünnen Chips bekannt. Diese Chipfilm-Prozesse sind beispielsweise in M. Zimmermann et al., „A Seamless Ultra-Thin Chip Fabrication and Assembly Technology“, Tech. Dig. IEDM, pp. 1010-1012, 2006 beschrieben. Bei der Chipfilm-Technologie werden auf einem Ausgangssubstrat, insbesondere einem Träger-Wafer aus herkömmlichem Silizium, durch spezielle Ätzverfahren Vertiefungen erzeugt, welche auch als „Cavities“ bezeichnet werden. Diese werden durch Herstellen von porösem Silizium und anschließendem Entfernen von porösem Silizium (APSM-Prozess) hergestellt. Auf diesen Cavities wird dann für Schaltkreise geeignetes Silizium durch ein Epitaxieverfahren aufgebracht. Diese aufgebrachte Schicht bildet später den ultradünnen Mikrochip. Auf dieser Fläche wird die gewünschte Schaltungsstruktur dann mit herkömmlichen Methoden prozessiert. Anschließend kann durch einen Prozess, der auch als „Pick, Crack and Place“-Technik bezeichnet wird, der Chip mit einer Vakuumpipette angesaugt (pick), vom Ausgangssubstrat abgebrochen (crack) und dann auf einem beliebigen weiteren Trägersubstrat platziert (place) werden.So-called chip film processes for producing thin chips are known from the prior art. These chip film processes are, for example, in M. Zimmermann et al., “A Seamless Ultra-Thin Chip Fabrication and Assembly Technology”, Tech. Dig. IEDM, pp. 1010-1012, 2006. In chip film technology, special etching processes are used to create depressions on an initial substrate, in particular a carrier wafer made of conventional silicon, which are also referred to as “cavities”. These are made by manufacturing porous silicon and then removing porous silicon (APSM process). Silicon suitable for circuits is then applied to these cavities using an epitaxial process. This applied layer later forms the ultra-thin microchip. The desired circuit structure is then processed on this surface using conventional methods. Then, using a process known as “pick, crack and place” technology, the chip can be sucked in with a vacuum pipette (pick), broken off from the starting substrate (crack) and then placed on any other carrier substrate (place).
Ebenso bekannt aus dem Stand der Technik sind Verfahren, um elektrische Kontakte auf oder durch einen Wafer oder Chip herzustellen. Beispielsweise können dabei schmale Löcher mit nahezu senkrechten Wänden in einem Wafer erzeugt, diese isoliert und dann ganz oder teilweise mit einem leitenden Material, beispielsweise Metall oder Silizium, aufgefüllt werden. Weiterhin sind aus der Mikrosystemtechnik eutektische Bondverfahren auf Waferebene und für so genannte „Chip-to-Wafer-Prozesse“ bekannt. Im Bereich der Anwendungen sind Ansätze zur Integration von Sensor-Chips und Auswerte-ICs in einem Chipverbund bekannt.Processes for producing electrical contacts on or through a wafer or chip are also known from the prior art. For example, narrow holes with almost vertical walls can be produced in a wafer, insulated and then completely or partially filled with a conductive material, for example metal or silicon. Furthermore, eutectic bonding processes at the wafer level and for so-called “chip-to-wafer processes” are known from microsystem technology. In the field of applications, approaches for integrating sensor chips and evaluation ICs in a chip assembly are known.
Aus der Schrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen bereit, welches in der Lage ist, eine Verbindung zwischen Halbleiterchips, insbesondere dünnen Halbleiterchips, mit Trägersubstraten zu verbessern. Das vorgeschlagene Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Sensorelementen auf der Basis von Halbleiterbauelementen geeignet, wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch näher hervorgeht.Based on the known prior art, the present invention provides a method for producing semiconductor components which is able to improve a connection between semiconductor chips, in particular thin semiconductor chips, with carrier substrates. The proposed method is particularly suitable for producing sensor elements on the basis of semiconductor components, as will emerge in more detail from the following description.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements umfasst die im Folgenden beschriebenen Schritte, welche vorzugsweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden. Neben den genannten Verfahrensschritten können noch weitere Verfahrensschritte vorgesehen sein, und es können einzelne oder mehrere Verfahrensschritte zeitlich parallel und/oder wiederholt durchgeführt werden.The proposed method for producing a semiconductor element comprises the steps described below, which are preferably carried out in the order shown. In addition to the process steps mentioned, further process steps can be provided, and individual or several process steps can be carried out in parallel and / or repeatedly.
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Halbleiterchip auf einem Ausgangssubstrat erzeugt. Dabei ist der Halbleiterchip in mindestens einer Stützstelle mit dem Ausgangssubstrat verbunden und weist eine dem Ausgangssubstrat abgewandte Vorderseite und eine dem Ausgangssubstrat zuweisende Rückseite auf. Der Halbleiterchip kann insbesondere als Dünnchip ausgestaltet sein, also als Chip, welcher eine Dicke von weniger als 100 µm, vorzugsweise von weniger als 50 µm und besonders bevorzugt von weniger als 20 µm aufweist. Der Halbleiterchip kann insbesondere auf Basis von Silizium erzeugt werden. Insbesondere kann für die Herstellung des Halbleiterchips das oben beschriebene Chipfilm-Verfahren verwendet werden, so dass beispielsweise als Ausgangssubstrat Silizium verwendet werden kann, welches eine oder mehrere Cavities aufweist, welche ganz oder teilweise mit porösem Halbleitermaterial, insbesondere porösem Silizium, gefüllt sind. Auf dem porösen Halbleitermaterial kann dann beispielsweise epitaktisch der Halbleiterchip aufgebaut werden, und das poröse Material wird vorzugsweise im APSM-Prozess entfernt. Der Halbleiterchip kann, wie oben ebenfalls ausgeführt wurde, mit üblichen Halbleiterverfahren strukturiert werden und mindestens eine Funktionalität erhalten.In a first method step, a semiconductor chip is produced on an initial substrate. The semiconductor chip is connected to the starting substrate in at least one support point and has a front side facing away from the starting substrate and a rear side facing the starting substrate. The semiconductor chip can in particular be designed as a thin chip, that is to say as a chip which has a thickness of less than 100 μm, preferably less than 50 μm and particularly preferably less than 20 μm. The semiconductor chip can in particular be produced on the basis of silicon. In particular, the above-described chip film method can be used for the production of the semiconductor chip, so that, for example, silicon can be used as the starting substrate, which has one or more cavities which are completely or partially filled with porous semiconductor material, in particular porous silicon. The semiconductor chip can then, for example, be built up epitaxially on the porous semiconductor material, and the porous material is preferably removed in the APSM process. As was also explained above, the semiconductor chip can be structured using conventional semiconductor processes and can be given at least one functionality.
In einem zweiten Verfahrensschritt, welcher im Folgenden auch als Durchkontaktierungsschritt bezeichnet wird, wird mindestens ein Durchkontakt-Füllmaterial auf den Halbleiterchip aufgebracht. Dabei wird zumindest ein Teilbereich der Rückseite mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichtet. Gleichzeitig können, wie unten noch näher ausgeführt wird, während des Durchkontaktierungsschritts mindestens eine Wand mindestens einer Durchkontaktierung, also einer Öffnung in dem Halbleiterchip, beispielsweise einer schmalen Öffnung senkrecht zur Fläche des Halbleiterchips, und mindestens eine Seitenwand des Halbleiterchips mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichtet werden. Unter einem Durchkontakt-Füllmaterial ist dabei ein Material zu verstehen, welches zumindest halbleitende Eigenschaften aufweist, also ein Halbleitermaterial oder ein Leitermaterial. Dieses Durchkontakt-Füllmaterial kann also als Träger des elektrischen Stroms dienen. Insbesondere kann es sich, wie unten noch näher erläutert wird, bei dem Durchkontakt-Füllmaterial um ein aus einer flüssigen Phase und/oder einer Gasphase abscheidbares Material handeln.In a second method step, which is also referred to below as a via step, at least one via filler material is applied to the semiconductor chip. In this case, at least a partial area of the rear side is coated with the via filler material. At the same time, as will be explained in more detail below, during the via step, at least one wall of at least one via, i.e. an opening in the semiconductor chip, for example a narrow opening perpendicular to the surface of the semiconductor chip, and at least one side wall of the semiconductor chip can be coated with the via filling material . A through-hole filling material is to be understood as meaning a material that has at least semiconducting properties has, so a semiconductor material or a conductor material. This via filling material can therefore serve as a carrier for the electrical current. In particular, as will be explained in more detail below, the via filler material can be a material that can be deposited from a liquid phase and / or a gas phase.
In einem dritten Verfahrensschritt wird der Halbleiterchip von dem Ausgangssubstrat getrennt. Bei dieser Trennung werden die Stützstellen durchtrennt, beispielsweise durch ein mechanisches und/oder ein chemisches Verfahren. Beispielsweise kann bei dieser Trennung das oben beschriebene „Pick, Crack and Place“-Verfahren eingesetzt werden, so dass beispielsweise der Halbleiterchip mit einer Vakuumpipette angesaugt, gedreht oder verkippt und dadurch vom Ausgangssubstrat abgebrochen und schließlich zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden kann. Auch andere Techniken sind jedoch grundsätzlich möglich.In a third method step, the semiconductor chip is separated from the starting substrate. During this separation, the support points are severed, for example by a mechanical and / or a chemical process. For example, the above-described “pick, crack and place” process can be used for this separation so that, for example, the semiconductor chip can be sucked in, rotated or tilted with a vacuum pipette and thus broken off from the starting substrate and finally made available for further use. However, other techniques are also possible in principle.
In einem vierten Verfahrensschritt wird der Halbleiterchip auf mindestens ein Trägersubstrat aufgebracht, wobei der mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichtete Teilbereich der Rückseite des Halbleiterchips mit mindestens einem Bondpad mittels eines eutektischen Bondverfahrens auf dem Trägersubstrat verbunden wird. Unter einem Bondpad ist dabei eine Leitfähige Struktur auf der Oberfläche des Trägersubstrats zu verstehen, welche mit dem mindestens einem Teilbereich eine leitende Verbindung eingehen kann. Das mindestens eine Bondpad kann beispielsweise eine rechteckige Form, eine Rahmenform, eine Kreisform oder eine sonstige beliebige Form aufweisen, welche ganz oder teilweise dem Teilbereiche der Rückseite des Halbleiterchips, welcher mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichtet ist, folgen kann oder welches auch grundsätzlich eine andere Struktur aufweisen kann.In a fourth method step, the semiconductor chip is applied to at least one carrier substrate, the partial area of the rear side of the semiconductor chip coated with the via filler material being connected to at least one bond pad by means of a eutectic bonding process on the carrier substrate. A bond pad is to be understood here as a conductive structure on the surface of the carrier substrate which can form a conductive connection with the at least one partial area. The at least one bond pad can, for example, have a rectangular shape, a frame shape, a circular shape or any other arbitrary shape, which can completely or partially follow the partial area of the rear side of the semiconductor chip that is coated with the via filler material, or which can also basically follow a different one May have structure.
Diese Grundform des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens kann auf verschiedene Weisen vorteilhaft weiterentwickelt werden. So können, wie oben dargestellt, zusätzliche Verfahrensschritte vorgesehen sein. Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn in dem vierten Verfahrensschritt ein eutektisches Bondverfahren zur Verbindung des mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichteten Teilbereichs der Rückseite des Halbleiterchips mit dem mindestens einem Bondpad eingesetzt wird. Unter einem eutektischen Bondverfahren wird dabei ein spezielles Verbindungsverfahren verstanden, welches auf einer Verbindungsbildung durch eine eutektische Legierung basiert. Unter einer eutektischen Legierung ist dabei eine Mischung von Leiter- oder Halbleitermaterialien, beispielsweise Silizium und Gold oder Germanium und Aluminium, zu verstehen, bei welcher die Bestandteile des Gemischs in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, dass die Schmelztemperatur der Legierung unterhalb der Schmelztemperaturen der einzelnen Elemente liegt.This basic form of the proposed manufacturing method can advantageously be further developed in various ways. Thus, as shown above, additional method steps can be provided. It is also particularly preferred if, in the fourth method step, a eutectic bonding method is used to connect the partial area of the rear side of the semiconductor chip coated with the via filler material to the at least one bond pad. A eutectic bonding process is understood to mean a special connection process based on the formation of a connection using a eutectic alloy. A eutectic alloy is a mixture of conductor or semiconductor materials, for example silicon and gold or germanium and aluminum, in which the components of the mixture are in such a relationship that the melting temperature of the alloy is below the melting temperature of the individual elements lies.
Das Durchkontakt-Füllmaterial kann insbesondere mindestens ein Halbleitermaterial umfassen. Besonders geeignet ist in diesem Fall Germanium oder auch Silizium. Entsprechend kann das Bondpad ein Material umfassen, welches mit dem Durchkontakt-Füllmaterial vorzugsweise eine eutektische Legierung bilden kann. Beispielsweise kann das Bondpad Aluminium umfassen, welches insbesondere mit Germanium als Durchkontakt-Füllmaterial eine eutektische Legierung eingehen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Bondpad auch beispielsweise Gold umfassen, während das Durchkontakt-Füllmaterial Silizium umfasst. Eine weitere mögliche Materialkombinationen wäre Gold-Germanium. Allgemein ist es bevorzugt, wenn das Bondpad ein metallisches Material umfasst, während das Durchkontakt-Füllmaterial ein Halbleitermaterial umfasst, wobei das metallische Material und das Halbleitermaterial eine eutektische Legierung bilden können.The via filling material can in particular comprise at least one semiconductor material. In this case, germanium or silicon is particularly suitable. Correspondingly, the bond pad can comprise a material which can preferably form a eutectic alloy with the via filler material. For example, the bond pad can comprise aluminum which, in particular, can form a eutectic alloy with germanium as the via filler material. As an alternative or in addition, the bond pad can also comprise gold, for example, while the via filler material comprises silicon. Another possible material combination would be gold-germanium. In general, it is preferred if the bond pad comprises a metallic material, while the via filling material comprises a semiconductor material, wherein the metallic material and the semiconductor material can form a eutectic alloy.
In dem Durchkontaktierungsschritt können, wie oben bereits ausgeführt, zusätzlich zu der Beschichtung zumindest eines Teilbereichs der Rückseite des Halbleiterchips weitere Bereiche des Halbleiterchips beschichtet werden. Beispielsweise können Durchkontaktierungen vorgesehen sein, also Öffnungen im Halbleiterchip, welche beispielsweise die Vorderseite mit der Rückseite verbinden oder zumindest eine Schichtebene des Halbleiterchips mit mindestens einer anderen Schichtebene verbinden. Diese Öffnungen können beispielsweise einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen, wobei in dem Durchkontaktierungsschritt mindestens eine Wand dieser Durchkontaktierung beschichtet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Durchkontaktierungsschritt mindestens eine Seitenwand des Halbleiterchips mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichtet werden. Unter einer Seitenwand ist dabei eine von der Vorderseite und der Rückseite verschiedene Fläche des Halbleiterchips zu verstehen, vorzugsweise eine Fläche, welche im Wesentlichen senkrecht zur Vorderseite und zur Rückseite steht, wobei die Vorderseite und die Rückseite vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Beispielsweise kann diese Seitenwand bei dem oben beschriebenen Chipfilm-Verfahren in einem so genannten Trenching-Schritt hergestellt werden, bei welchem die Fläche und die Außenkanten des Halbleiterchips definiert werden. Bei diesem Trenching-Verfahren können mechanische oder auch chemische Trennverfahren eingesetzt werden, beispielsweise DRIE (Deep Reactive Ion Etching).In the via step, as already explained above, in addition to the coating of at least a partial area of the rear side of the semiconductor chip, further areas of the semiconductor chip can be coated. For example, vias can be provided, that is to say openings in the semiconductor chip which, for example, connect the front side to the rear side or connect at least one layer level of the semiconductor chip to at least one other layer level. These openings can, for example, have a round or polygonal cross section, with at least one wall of this via being able to be coated in the via step. Alternatively or additionally, at least one side wall of the semiconductor chip can be coated with the via filling material in the via step. A side wall is to be understood here as a surface of the semiconductor chip that differs from the front side and the rear side, preferably a surface which is essentially perpendicular to the front side and to the rear side, the front side and the rear side preferably being aligned parallel to one another. For example, in the above-described chip film method, this side wall can be produced in a so-called trenching step, in which the area and the outer edges of the semiconductor chip are defined. In this trenching process, mechanical or chemical separation processes can be used, for example DRIE (Deep Reactive Ion Etching).
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird in dem Durchkontaktierungsschritt auf der Rückseite mindestens ein Rahmen erzeugt. Insbesondere kann es sich dabei um einen geschlossenen Rahmen handeln. Dieser Rahmen kann beispielsweise an den Seitenkanten der Rückseite des Halbleiterchips aufgebracht sein und beispielsweise diesen Seitenkanten folgen. Der Rahmen kann vorzugsweise eine Breite aufweisen, welche weniger als 100 µm beträgt, vorzugsweise weniger als 50 µm, insbesondere 10 µm oder weniger oder sogar lediglich 1 µm. Nach dem Aufbringen des Halbleiterchips auf das Trägersubstrat entsteht innerhalb des Rahmens ein Zwischenraum, insbesondere ein hermetisch abgeschlossener Zwischenraum. Dieser Zwischenraum wird begrenzt durch die Rückseite des Halbleiterchips, eine dem Halbleiterchip zuweisende Vorderseite des Trägersubstrats und den Rahmen. Zusätzlich können zur Begrenzung weitere Strukturen vorgesehen sein. Der abgeschlossene Zwischenraum kann beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, als Referenzvakuum eines Drucksensors eingesetzt werden. Unter einem hermetisch abgeschlossenen Zwischenraum ist dabei ein Zwischenraum zu verstehen, bei welchem ein Austausch von Gas aus dem Zwischenraum mit einer Umgebung des Halbleiterbauelements stark verlangsamt stattfindet, vorzugsweise auf einer Zeitskala von mehreren Monaten oder sogar mehreren Jahren, insbesondere stark verlangsamt im Vergleich zu üblichen Einsatzzeiten des Halbleiterbauelements. In a further preferred embodiment of the method, at least one frame is produced on the rear side in the via step. In particular, it can be act as a closed framework. This frame can, for example, be applied to the side edges of the rear side of the semiconductor chip and, for example, follow these side edges. The frame can preferably have a width which is less than 100 μm, preferably less than 50 μm, in particular 10 μm or less or even only 1 μm. After the semiconductor chip has been applied to the carrier substrate, an interspace is created within the frame, in particular a hermetically sealed interspace. This gap is delimited by the rear side of the semiconductor chip, a front side of the carrier substrate facing the semiconductor chip, and the frame. In addition, further structures can be provided for the purpose of delimitation. The closed space can, for example, as will be explained in more detail below, be used as a reference vacuum of a pressure sensor. A hermetically sealed interspace is understood to mean an interspace in which an exchange of gas from the interspace with the surroundings of the semiconductor component takes place much more slowly, preferably on a time scale of several months or even several years, in particular much more slowly than normal times of use of the semiconductor component.
Bei dem Durchkontaktierungsschritt kann insbesondere ein isotropes Abscheideverfahren eingesetzt werden, vorzugsweise ein konformes Abscheideverfahren, also ein Abscheideverfahren, bei welchem das Abgeschiedene durch Kontakt-Füllmaterial zumindest teilweise den äußeren Konturen des Halbleiterchips oder weiterer Bauelemente folgt. Insbesondere bieten sich hierbei Flüssigphasen-Abscheideverfahren und/oder Gasphasen-Abscheideverfahren an, beispielsweise CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition, Chemische Gasphasenabscheidung), beispielsweise LPCVD-Verfahren (low pressure CVD, Niederdruck-CVD).In the via step, in particular an isotropic deposition method can be used, preferably a conformal deposition method, i.e. a deposition method in which the deposited material at least partially follows the outer contours of the semiconductor chip or other components by means of contact filler material. In particular, liquid phase deposition processes and / or gas phase deposition processes are suitable here, for example CVD processes (Chemical Vapor Deposition), for example LPCVD processes (low pressure CVD).
Wie oben bereits dargestellt, kann der Halbleiterchip insbesondere derart ausgestaltet werden, dass dieser ein oder mehrere Funktionselemente des Halbleiterbauelements umfasst. Insbesondere kann der Halbleiterchip mindestens eines der folgenden Elemente umfassen: einen integrierten Schaltkreis; eine Sensorstruktur; eine mikromechanische Struktur. Diese Funktionselemente können ganz oder teilweise auf dem Halbleiterchip angeordnet sein und können mittels herkömmlicher Verfahren erzeugt werden, wie sie dem Fachmann aus der Halbleitertechnik bekannt sind.As already shown above, the semiconductor chip can in particular be configured in such a way that it comprises one or more functional elements of the semiconductor component. In particular, the semiconductor chip can comprise at least one of the following elements: an integrated circuit; a sensor structure; a micromechanical structure. These functional elements can be arranged wholly or partially on the semiconductor chip and can be produced by means of conventional methods, as are known to the person skilled in the art from semiconductor technology.
Weitere mögliche Weiterbildungen der Erfindung betreffen die Durchführung des Durchkontaktierungsschritts. So kann beispielsweise vor dem Durchkontaktierungsschritt insbesondere mindestens ein isolierendes Material auf den Halbleiterchip aufgebracht werden. Dieses isolierende Material kann beispielsweise ein organisches oder auch ein anorganisches Material sein. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von dielektrischen Schichten, beispielsweise Siliziumoxid-Schichten. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines derartigen isolierenden Materials, welches zumindest teilweise einen elektrischen Kontakt zwischen dem Durchkontakt-Füllmaterial und bestimmten Funktionselementen des Halbleiterchips verhindern soll, können auch andere Prozesse angewandt werden. Beispielsweise können CMOS-Prozesse zum Einsatz kommen, bei welchen der Halbleiterchip zumindest bereichsweise mit einer Isolations-Dotierung verwendet wird, beispielsweise um Kurzschlüsse zu vermeiden. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann nach dem Durchkontaktierungsschritt das Durchkontakt-Füllmaterial zumindest teilweise wieder von dem Halbleiterchip entfernt werden. Für dieses Entfernen können beispielsweise herkömmliche HalbleiterVerfahren nasschemischer oder trockenchemischer Natur verwendet werden, beispielsweise nasschemische oder trockene Ätzverfahren. Diesbezüglich kann auf bekannte Ätzverfahren verwiesen werden. Auch so genannte Lift-off-Prozesse sind grundsätzlich denkbar, also Prozesse, bei welchen Bereiche des Halbleiterchips, die nicht mit dem Durchkontakt-Füllmaterial beschichtet werden sollen, zuvor mit einer Schicht beschichtet werden, welche nach dem Durchkontaktierungsschritt wieder von dem Halbleiterchip entfernt wird.Further possible developments of the invention relate to the implementation of the via step. For example, at least one insulating material can in particular be applied to the semiconductor chip before the via step. This insulating material can be, for example, an organic or an inorganic material. The use of dielectric layers, for example silicon oxide layers, is particularly preferred. As an alternative or in addition to the use of such an insulating material, which is intended to at least partially prevent electrical contact between the via filling material and certain functional elements of the semiconductor chip, other processes can also be used. For example, CMOS processes can be used in which the semiconductor chip is used at least in some areas with an insulation doping, for example in order to avoid short circuits. Again, as an alternative or in addition, the via filling material can be at least partially removed again from the semiconductor chip after the via step. For example, conventional semiconductor processes of a wet-chemical or dry-chemical nature can be used for this removal, for example wet-chemical or dry etching processes. In this regard, reference can be made to known etching processes. So-called lift-off processes are also fundamentally conceivable, i.e. processes in which areas of the semiconductor chip that are not to be coated with the via filling material are previously coated with a layer which is removed again from the semiconductor chip after the via step.
Weitere mögliche Weiterbildungen der Erfindung betreffen die Ausgestaltung des Halbleiterchips. Wie oben dargestellt, kann der Halbleiterchip insbesondere nach einem Chipfilm-Verfahren hergestellt sein. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, wenn der Halbleiterchip eine einkristalline Halbleitermembran, insbesondere eine einkristalline Siliziummembran, umfasst. Auch andere Halbleitermaterialien sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Stützstelle kann neben einkristallinem Material, vorzugsweise Silizium, auch ein poröses Material, vorzugsweise poröses Silizium, umfassen.Further possible developments of the invention relate to the configuration of the semiconductor chip. As shown above, the semiconductor chip can in particular be produced using a chip film method. Accordingly, it is particularly preferred if the semiconductor chip comprises a monocrystalline semiconductor membrane, in particular a monocrystalline silicon membrane. However, other semiconductor materials are also possible in principle. In addition to monocrystalline material, preferably silicon, the support point can also comprise a porous material, preferably porous silicon.
Neben dem vorgeschlagenen Verfahren in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin ein Halbleiterbauelement vorgeschlagen, welches nach einem Verfahren gemäß einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsvarianten herstellbar ist. Insbesondere kann das Halbleiterbauelement ausgewählt sein aus den folgenden Halbleiterbauelementen: ein Drucksensor; ein Inertialsensor; ein Beschleunigungssensor; ein Schalter. Allgemein kann das Halbleiterbauelement also ganz oder teilweise insbesondere als Sensorelement ausgestaltet sein und/oder ein derartiges Sensorelement umfassen.In addition to the proposed method in one or more of the configurations described above, a semiconductor component is also proposed which can be produced by a method in accordance with one or more of the embodiment variants described. In particular, the semiconductor component can be selected from the following semiconductor components: a pressure sensor; an inertial sensor; an acceleration sensor; a switch. In general, the semiconductor component can therefore be designed entirely or partially, in particular as a sensor element, and / or comprise such a sensor element.
Mittels der vorgeschlagenen Erfindung lassen sich also Halbleiterbauelemente herstellen, welche insbesondere dünne Chips umfassen können und welche Durchkontakte aufweisen können. Die Durchkontakte können dabei neben der elektrischen Durchführung gleichzeitig die Aufgabe übernehmen, eine hermetisch dichte und platzsparende mechanische Verbindung zwischen den Halbleiterchips, insbesondere Dünnchips, und grundsätzlich beliebigen Trägersubstraten, beispielsweise Leiterplatten, Lead-Frames oder auch komplex mechanisch und/oder elektrisch ausgestalteten Trägersubstraten, beispielsweise TrägerChips wie ASICs (Application Specific Integrated Circuit, Anwendungsspezifischer Integrierter Schaltkreis), zu ermöglichen. Dabei kann das Durchkontakt-Füllmaterial gleichzeitig als eine Materialkomponente für ein eutektisches Bonden des Halbleiterchips auf das Trägersubstrat dienen. Dünnchips mit ICs und/oder Sensorstrukturen mit Durchkontakten können auf einer einkristallinen Silizium-Membran mit Stützstellen hergestellt werden, beispielsweise mittels des oben beschriebenen Chipfilm-Verfahrens. Anschließend kann das Durchkontakt-Füllmaterial, zum Beispiel Germanium, im gleichen Abscheideprozess auch auf der Membranunterseite, also der Rückseite des Halbleiterchips, in einem an den Durchkontakt angrenzenden Bereich abgeschieden werden. Die Dünnchips können auf Metall-Bondpads, beispielsweise Aluminium, eines Trägersubstrats platziert werden, und es kann eine eutektische Bondung zwischen dem Durchkontakt-Füllmaterial und dem Bondpad hergestellt werden.The proposed invention can therefore be used to produce semiconductor components which can in particular comprise thin chips and which can have vias. In addition to the electrical feed-through, the vias can simultaneously take on the task of creating a hermetically sealed and space-saving mechanical connection between the semiconductor chips, in particular thin chips, and basically any carrier substrates, for example printed circuit boards, lead frames or carrier substrates with complex mechanical and / or electrical design, for example To enable carrier chips such as ASICs (Application Specific Integrated Circuit). In this case, the via filling material can simultaneously serve as a material component for eutectic bonding of the semiconductor chip to the carrier substrate. Thin chips with ICs and / or sensor structures with vias can be produced on a monocrystalline silicon membrane with support points, for example by means of the chip film method described above. The via filler material, for example germanium, can then also be deposited in the same deposition process on the underside of the membrane, that is to say the rear side of the semiconductor chip, in an area adjoining the via. The thin chips can be placed on metal bond pads, for example aluminum, of a carrier substrate, and a eutectic bond can be produced between the via filling material and the bond pad.
Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens lassen sich insbesondere verschiedene Typen mikromechanischer Sensoren realisieren, insbesondere auf einem Träger-IC-Chip als Trägersubstrat. Hierbei kann der Halbleiterchip, wobei auch mehrere Halbleiterchips vorgesehen sein können, insbesondere als Dünnchip, als Membran für Drucksensoren, als Fingerstruktur für Inertialsensoren, als Schalter, als zweite Gegenelektrode für z-Beschleunigungssensoren oder in anderer Weise als Bestandteil eines Sensorelements eingesetzt werden.By means of the proposed method, in particular different types of micromechanical sensors can be implemented, in particular on a carrier IC chip as the carrier substrate. The semiconductor chip, whereby several semiconductor chips can also be provided, in particular as a thin chip, as a membrane for pressure sensors, as a finger structure for inertial sensors, as a switch, as a second counter electrode for z-acceleration sensors or in some other way as part of a sensor element.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und den vorgeschlagenen Bauleiterhalbelementen wirkt sich insbesondere vorteilhaft aus, dass die optionale eutektische Bondung schon mit geringer Verbindungsbreite stabil und hermetisch dicht ausgestaltet werden kann. Es lassen sich kleine Bondrahmenbreiten beziehungsweise Durchkontakte realisieren, insbesondere Breiten von weniger als 10 µm. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Halbleiterchips, insbesondere Dünnchips, auch stressfrei verbonden, so dass eine geringe Ausschussrate und eine hohe Lebensdauer der Halbleiterbauelemente realisiert werden kann. Weiterhin lässt sich eine Integration eines Sensorelements und eines ICs bei kleinstmöglichem Platzverbrauch realisieren. Auf einem Trägersubstrat, beispielsweise einem Trägerchip, können auch mehrere Halbleiterchips, beispielsweise mehrere Dünnchips, und damit vorzugsweise mehrere Funktionen übereinander und/oder nebeneinander integriert werden.With the proposed method and the proposed semi-conductor elements, it is particularly advantageous that the optional eutectic bond can be designed to be stable and hermetically sealed even with a small connection width. Small bond frame widths or through contacts can be implemented, in particular widths of less than 10 μm. With the proposed method, semiconductor chips, in particular thin chips, can also be bonded stress-free, so that a low reject rate and a long service life of the semiconductor components can be achieved. Furthermore, an integration of a sensor element and an IC can be realized with the smallest possible space requirement. Several semiconductor chips, for example several thin chips, and thus preferably several functions can be integrated one above the other and / or next to one another on a carrier substrate, for example a carrier chip.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich herkömmliche Verfahrenstechniken einsetzen und erfindungsgemäß modifizieren. Das Verfahren lässt sich insgesamt sehr einfach und grundsätzlich mit herkömmlichen Prozesstechniken realisieren. So kann beispielsweise der mindestens eine Durchkontakt gleichzeitig mit einem Vereinzelungs-Trench erzeugt werden, welcher bei den oben beschriebenen Chipfilm-Verfahren bereits heute erzeugt wird. Weiterhin lassen sich auf dem Halbleiterchip und/oder dem Trägersubstrat Funktionselemente mit Standard-Techniken herstellen, wie sie heute bereits eingesetzt werden, so dass das vorgeschlagne Verfahren insgesamt sehr kostengünstig realisierbar ist.In the proposed method, conventional method techniques can be used and modified according to the invention. Overall, the process can be implemented very simply and basically using conventional process techniques. For example, the at least one through contact can be produced at the same time as a separation trench, which is already produced today with the chip film method described above. Furthermore, functional elements can be produced on the semiconductor chip and / or the carrier substrate using standard techniques as they are already used today, so that the proposed method can be implemented very cost-effectively overall.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the figures and explained in more detail in the description below.
Es zeigen:
-
1A bis1H Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements; -
2 ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors; -
3 ein Ausführungsbeispiel eines Inertialsensors; -
4 ein Ausführungsbeispiel eines z-Beschleunigungssensors; und -
5 eine Verfahrensvariante mit einem CMOS-Prozess.
-
1A until1H Method steps of an exemplary embodiment of a method for producing a semiconductor component; -
2 an embodiment of a pressure sensor; -
3 an embodiment of an inertial sensor; -
4th an embodiment of a z acceleration sensor; and -
5 a process variant with a CMOS process.
AusführungsbeispieleEmbodiments
In den
In
Weiterhin umfasst der Halbleiterchip
Mittels eines so genannten Trench-Verfahrens werden anschließend in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, wie in
Mittels eines vorzugsweise konformen Abscheideverfahrens wird abschließend eine dielektrische Schicht
Anschließend wird mit einem stark anisotropen, gerichteten Oxid-Ätzen die dielektrische Schicht
In einem in
In
In
In
Anschließend kann der Halbleiterchip
In einem weiteren, in
Bei dem in
Eutektische Bondverbindungen mit einer Verbindungsbreite von vorzugsweise 1 µm sind zumindest der Theorie nach hermetisch dicht. Auf diese Weise kann zwischen dem Halbleiter
In den
In
In
In
Die in den
Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente
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Für Funktionsprinzipien mikromechanischer Drucksensoren, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden können, kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007 |
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007 |
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