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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Verbindungsstrukturen für den Signalaustausch in komplexen integrierten Schaltungen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen ist eine sehr große Anzahl einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren in Form von CMOS-, NMOS-, PMOS-Elementen, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen auf einer einzelnen Chipfläche hergestellt. Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente mit der Einführung jeder neuen Schaltungsgeneration verringert, um damit aktuelle verfügbare integrierte Schaltungen, die durch Massenherstellungsverfahren hergestellt sind, mit kritischen Abmessungen von 50 nm oder weniger bereitzustellen, die einen erhöhten Grad an Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme besitzen. Die Verringerung der Größe von Transistoren ist ein wichtiger Aspekt beim ständigen Verbessern des Bauteilverhaltens komplexer integrierter Schaltungen, etwa von CPUs. Die Verringerung der Größe ist üblicherweise mit einer Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit verknüpft, wodurch wiederum das Leistungsverhalten bei Signalverarbeitung auf Transistorebene verbessert wird.
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Zusätzlich zu der großen Anzahl an Transistorelementen ist eine Vielzahl an passiven Schaltungselementen, etwa Kondensatoren, Widerständen, Verbindungsstrukturen und dergleichen typischerweise in integrierten Schaltungen ausgebildet, wie dies durch den grundlegenden Schaltungsaufbau erforderlich ist. Auf Grund der kleineren Abmessungen der aktiven Schaltungselemente wird nicht nur das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente verbessert, sondern auch ihre Packungsdichte wird erhöht, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, immer mehr Funktionen in eine vorgegebene Chipfläche zu integrieren. Aus diesem Grunde wurden sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedliche Arten an Schaltungen enthalten können, etwa Analogschaltungen, Digitalschaltungen und dergleichen, wodurch vollständige Systeme auf einem einzelnen Chip (SoC) bereitgestellt werden.
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Obwohl Transistorelemente das wichtigste Schaltungselement in sehr komplexen integrierten Schaltungen repräsentieren, die das Leistungsverhalten dieser Bauelemente wesentlich beeinflussen, sind andere Komponenten, etwa Kondensatoren und Widerstände und insbesondere ein komplexes Verbindungssystem oder Metallisierungssystem erforderlich, wobei die Größe dieser passiven Schaltungselemente ebenfalls im Hinblick auf die Skalierung der Transistorelemente anzupassen ist, um nicht unnötig wertvolle Chipfläche zu verbrauchen.
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Für gewöhnlich muss mit einem Anstieg der Anzahl an Schaltungselementen, etwa Transistoren, und dergleichen per Einheitsfläche der Bauteilebene eines entsprechenden Halbleiterbauelements auch die Anzahl elektrischer Verbindungen, die den Schaltungselementen der Bauteilebene zugeordnet sind, erhöht werden, typischerweise sogar in einer überproportionalen Weise, wodurch komplexe Verbindungsstrukturen erforderlich sind, die in Form von Metallisierungssystemen vorgesehen werden, die mehrere gestapelte Metallisierungsschichten enthalten. In diesen Metallisierungsschichten sind Metallleitungen für die Ebenen der elektrischen Verbindungen und Kontaktdurchführungen für die Verbindung zwischen den Ebenen auf der Grundlage gut leitender Metalle, etwa Kupfer und dergleichen vorgesehen, wobei auch geeignete dielektrische Materialien bereitgestellt werden, um die parasitären RC(Widerstand/Kapazitäts-)Zeitkonstanten zu verringern, da in komplexen Halbleiterbauelementen typischerweise die Signalausbreitungsverzögerung im Wesentlichen durch das Metallisierungssystem anstelle der Transistorelemente der Bauteilebene beschränkt ist. Die Erweiterung des Metallisierungssystems in der Höhenrichtung zur Bereitstellung der gewünschten Dichte an Verbindungsstrukturen kann jedoch durch die parasitären RC-Zeitkonstanten, die Beschränkungen, die durch die Materialeigenschaften komplexer Dielektrika mit kleinem ε auferlegt sind, und durch die Wärmeabfuhreigenschaften beschränkt sein. D. h., typischerweise ist eine geringere Dielektrizitätskonstante mit einer geringeren mechanischen Stabilität dieser dielektrischen Materialien verknüpft, wodurch die Anzahl an Metallisierungsschichten beschränkt wird, die im Hinblick auf Ausbeuteverluste während der diversen Herstellungsschritte und im Hinblick auf eine geringere Zuverlässigkeit während des Betriebs des Halbleiterbauelements aufeinandergestapelt werden können. Die größer werdende Stromdichte in Verbindung mit der erhöhten Abwärme, die in der Bauteilebene erzeugt wird, erfordert eine bessere Wärmeleitfähigkeit, was ggf. nicht mit einer höheren Packungsdichte der Metallleitungen und einer reduzierten Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Materialien des Metallisierungssystems kompatibel ist.
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Zusätzlich zu Beschränkungen für komplexe integrierte Schaltungen, etwa Mikroprozessoren und dergleichen, die durch die mechanischen und chemischen Eigenschaften der dielektrischen Materialien mit kleinem ε hervorgerufen werden, müssen folglich auch die beschränkten Wärmeabfuhrmöglichkeiten komplexer Metallisierungssysteme entsprechend an die Gesamtkomplexität der Schaltungsgestaltung angepasst werden. In dieser Hinsicht wurde vorgeschlagen, die Wärmeabfuhrmöglichkeiten zu verbessern und damit das thermische Budget komplexer Halbleiterbauelemente zu erhöhen, indem dreidimensionale Chipkonfigurationen bereitgestellt werden, in denen gestapelte Halbleiterchips in einem einzelnen Gehäuse verbunden werden, wodurch die Volumendichte an Schaltungselementen bei einer vorgegebenen Gehäusegröße ansteigt, während gleichzeitig die thermischen Bedingungen bis zu einem gewissen Grade im Vergleich zu im Wesentlichen „zweidimensionalen” Chipkonfigurationen entschärft werden. Obwohl dreidimensionale Chipkonfigurationen eine weitere Zunahme der Komplexität im Vergleich zu einer einzelnen integrierten Schaltung, die in einem einzelnen Gehäuse ausgebildet ist, ermöglicht, führt eine weitere Zunahme der Packungsdichte der einzelnen Halbleiterchips dennoch zu anspruchsvollen thermischen Bedingungen innerhalb des dreidimensionalen Chipstapels, wodurch daher ebenfalls komplexe Wärmehandhabungssysteme erforderlich sind. Ferner repräsentiert in dreidimensionalen Chipkonfigurationen sowie in Metallisierungssystemen von Einzelchipbauelementen die Signalausbreitungsverzögerung für die Kommunikation zwischen den diversen Schaltungsbereichen komplexer integrierter Schaltungen zunehmend einen permanenten begrenzenden Faktor zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der gesamten integrierten Schaltung. Beispielsweise müssen in komplexen Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, und dergleichen, Schaltungsbereiche auf der Grundlage von Signalleitungen miteinander kommunizieren, die in dem Metallisierungssystem vorgesehen sind, wodurch aufwendige dielektrische Materialien und leitende Metalle erforderlich werden, wobei dennoch sehr hohe Stromdichten in den einzelnen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen auftreten. Beim Steigern von beispielsweise dem Datenaustausch in einem komplexen Mikroprozessorsystem, das als Einzelchipkonfiguration bereitgestellt ist, kann daher die Signalführung äußerst komplex werden, wodurch weiterhin zu einer erhöhten Wärmeerzeugung in dem Metallisierungssystem und zu einer erhöhten Signalausbreitungsverzögerung beigetragen wird. In dreidimensionalen Chipkonfigurationen ist die Signalausbreitungsverzögerung noch weiter erhöht, da die gesamte Länge an Signalwegen auf Grund der erforderlichen chipinternen Signalkommunikation anwächst.
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Die
US 2008/0181557 A1 beschreibt Systeme und Verfahren zur Verteilung optischer Signale in integrierten Schaltungen, wobei ein optischer Wellenleiter (
180) in einer Bauteilschicht unterhalb der Oberflächenschicht, in der die Halbleiterkomponenten ausgebildet sind, vorgesehen ist.
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Die
US 7 574 090 B2 beschreibt einen optischen Wellenleiter in einem Halbleiterbauelement, wobei vergrabene Oxidschichten verwendet werden, um den Kern sowie den Mantel des Wellenreiters bereitzustellen. Insbesondere beschreibt diese Druckschrift den Kern
102 des Wellenleiters als eine mit Germanium oder Phosphor dotierte Siliziumdioxidschicht, die wiederum von entsprechenden Siliziumdioxidschichten als Mantel umgeben ist, die etwa mit Bohr oder Flur dotiert sind.
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Die
US 2009/0208164 A1 beschreibt eine Leiterplatte und ein Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte, wobei ein optischer Wellenleiter integriert ist, der beispielsweise ein Kernmaterial in Form eines flexiblen Polymermaterials oder in Form von Glasfasern aufweist. Ferner ist auch der Mantel des optischen Wellenleiters aus einem flexiblen Polymermaterial aufgebaut.
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Die
DE 3834335 A1 beschreibt eine integrierte Halbleiterschaltung, in der eine optische Verbindungsschicht vorgesehen ist, die wiederum einen Lichtwellenleiter enthält. Dieser wird vorzugsweise in der optischen Verbindungsschicht, die aus Glas aufgebaut ist, unter Anwendung eines üblichen photolithographischen Verfahrens mit einem anschließenden Ionenaustauschverfahren hergestellt.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Verfahren, in denen ein effizienter Signalaustausch in integrierten Schaltungen erreicht wird, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung integrierte Schaltungsbauelemente, Halbleiterbauelemente und Verfahren zum Betreiben der Bauelemente, wobei der Signalaustausch, d. h. die Kommunikation zwischen Schaltungsbereichen, zumindest teilweise auf der Grundlage optischer Signale bewerkstelligt wird, um die lokale Wärmeerzeugung in komplexen integrierten Schaltungen zu verringern und um eine höhere Daten- oder Signalübertragungsgeschwindigkeit zu erreichen. Beispielsweise werden optische Signale in einer komplexen Schaltung, etwa einem Mikroprozessor, in ein optisches Signal umgewandelt und über ein geeignetes Wellenleitersystem übertragen, das die Information auf der Grundlage eines Mechanismus überträgt, der einen deutlich kleineren Anteil an Energie entlang des optischen Übertragungsweges im Vergleich zu einer Leitung gleicher Bandbreite in einem Metallisierungssystem erfordert, das im Wesentlichen das gleiche Signalübertragungsleistungsverhalten liefert. Andererseits kann die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches Signal und umgekehrt an den entsprechenden Endbereichen des optischen Übertragungsweges vorgenommen werden, wodurch Abwärme, die durch die jeweiligen optoelektronischen Komponenten für die Ausführung des Umwandlungsprozesses erzeugt wird, effizient verteilt werden kann. Bei Bedarf können mehrere geschwindigkeitskritische Signale, wie sie beispielsweise beim Datentransfer in einer komplexen integrierten Schaltung angetroffen werden, über eine „lange” Strecke innerhalb eines einzelnen Chips übertragen werden, beispielsweise durch Umgehen kritischer Bereiche eines Metallisierungssystems und dergleichen, oder diese können auch in einem komplexen dreidimensionalen Chipaufbau übertragen werden, ohne dass eine ausgeprägte Signalausbreitungsverzögerung hervorgerufen wird, so dass ein höherer Grad an Entwurfsflexibilität für Einzelchipkonfigurationen und auch für dreidimensionale gestapelte Konfigurationen erreicht wird. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird zumindest der optische Signalweg oder Wellenleiter auf der Grundlage gut etablierter Materialien und Prozesstechniken bereitgestellt, die auch während der Herstellung von Schaltungselementen, etwa von Feldeffekttransistoren, und dergleichen, eingesetzt werden, wodurch nicht in unerwünschter Weise zu einer Zunahme der Prozesskomplexität beigetragen wird. Andererseits können optoelektronische Komponenten, etwa Laserelemente, Photodioden, Phototransistoren und dergleichen, in die Bauteilebene des integrierten Schaltungsbauelements integriert werden oder können in oder über einem Metallisierungssystem in Form eines separaten Halbleiterbauelements bei Bedarf vorgesehen werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch die Vorrichtungen der Ansprüche 1 und 15 gelöst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a schematisch eine Querschnittsansicht eines integrierten Schaltungselements, etwa eines Mikroprozessors und dergleichen zeigt, in welchem die Kommunikation zwischen Schaltungselementen oder Schaltungsbereichen zumindest teilweise mittels eines optischen Kommunikationssystems gemäß anschaulicher Ausführungsformen bewerkstelligt wird;
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1b schematisch das integrierte Schaltungsbauelement gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen mindestens eine optoelektronische Komponente, etwa eine Laserdiode, eine lichtemittierende Diode, eine Photodiode und dergleichen, in der Bauteilebene von Schaltungselementen gebildet ist;
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1c schematisch eine Querschnittsansicht eines integrierten Schaltungsbauelements zeigt, in welchem eine gestapelte Konfiguration in Verbindung mit einem ebenen internen und/oder einem Zwischenebenen optischen Kommunikationssystem gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen verwendet wird;
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1d bis 1j schematisch Querschnittsansichten des integrierten Schaltungsbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung eines vergrabenen Wellenleiterbereichs gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
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1k bis 1l schematisch Querschnittsansichten des integrierten Schaltungsbauelements zeigen, wenn ein Bragg-Gitter als ein Ablenkungsbereich in dem optischen Wellenleiter gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen hergestellt wird; und
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1m bis 1p schematisch Querschnittsansichten des integrierten Schaltungsbauelements während weiter fortgeschrittener Fertigungsphasen bei der Herstellung eines optischen Wellenleiters für die bauteilinterne optische Kommunikation von Schaltungselementen und Schaltungsbereichen gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungsbauelemente, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen in Form von Einzelchipkonfigurationen bereitgestellt werden, während in anderen Ausführungsformen dreidimensionale oder gestapelte Konfigurationen eingesetzt werden, wobei ein Teil der bauteilinternen Signalübermittlung auf der Grundlage einer optischen Signalverarbeitung erreicht wird. Zu diesem Zweck werden bauteilinterne optoelektronische Komponenten bereitgestellt, die im Weiteren als Schaltungselemente zu verstehen sind, die ausgebildet sind, ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln oder ein optisches Signal in ein elektrisches Signal, etwa auf der Grundlage von lichtemittierenden Dioden, Laserdioden, Photodioden, Phototransistoren und dergleichen. Zu beachten ist, dass ein „bauteilinternes” Schaltungselement als ein beliebiges Schaltungselement zu verstehen ist, das in einem Halbleitermaterial, mechanisch verbunden zu einem Substrat oder Chip oder zu mehreren Chips, die mechanisch und elektrisch eine einzelne Bauteileinheit repräsentieren, die in einem einzelnen Gehäuse untergebracht ist, hergestellt ist, wodurch ein integriertes Schaltungsbauelement gebildet wird. Ferner wird ein bauteilinternes Schaltungselement auch als eine Halbleiterkomponente verstanden, die einem Substrat hinzugefügt ist, um elektrisch, optisch, mechanisch mit anderen Schaltungselementen gekoppelt zu sein, um damit eine gewünschte Funktionseinheit zu bilden, die in einem geeigneten Gehäuse untergebracht ist. Zu diesem Zweck können viele Arten an optoelektronischen Komponenten, etwa kantenemittierende Laserdioden, oberflächenemittierende Laserdioden, oberflächenemittierende Laser (VCSEL), Photodioden und dergleichen auf der Grundlage geeigneter Halbleitermaterialien hergestellt werden und können nachfolgend einem komplexen Halbleiterbauelement hinzugefügt werden, um damit eine Funktionseinheit zu bilden, die in ein gemeinsames Gehäuse einzubauen ist. Durch das Bereitstellen von optischen Signalaustauscheigenschaften in einer komplexen integrierten Schaltung, etwa einem Mikroprozessor, können somit bessere Signalausbreitungseigenschaften in Verbindung mit einer insgesamt geringeren Betriebstemperatur des Bauelements erreicht werden, wobei gleichzeitig Schaltungsbereiche oder einzelne Schaltungselemente mit unterschiedlicher Versorgungsspannung funktionsmäßig verbunden werden können, ohne dass dazwischen geschaltete Spannungswandler und dergleichen erforderlich sind. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird ein chipinterner optischer Kommunikationsweg in Form eines Wellenleiters mit einem vergrabenen Wellenleiterbereich vorgesehen, wodurch eine sehr platzsparende Konfiguration erreicht wird, ohne dass zur Signalausbreitungsverzögerung beigetragen wird.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines integrierten Schaltungsbauelements 100 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Das Bauelement 100 umfasst ein Substrat 101, etwa ein Halbleitersubstrat, ein isolierendes Substrat und dergleichen. Ferner ist eine Halbleiterschicht 110, etwa eine silikonbasierte Halbleitermaterialschicht, ein Silizium/Germanium-Material oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial über dem Substrat 101 vorgesehen und dient auch als ein Basismaterial, um darin und darüber Schaltungselemente 111 herzustellen, beispielsweise Feldeffekttransistoren, Widerstände, Kondensatoren und dergleichen. Die Vielzahl an Schaltungselementen 111 repräsentiert eine geeignete Schaltung oder einen Schaltungsbereich des Bauelements 100 und in einigen anschaulichen Ausführungsformen bilden die Schaltungselemente 111 einen oder mehrere Schaltungsbereiche eines Mikroprozessors, der einen oder mehrere Prozessorkerne, Speicherbereiche und statische RAM-Bereiche und dergleichen aufweisen kann. Ferner enthält, wie zuvor erläutert ist, das Bauelement 100 ein Metallisierungssystem 130, das mehrere Metallleitungen 121 und Kontaktdurchführungen (nicht gezeigt) aufweist, um damit eine Vielzahl elektrischer Verbindungen gemäß dem gesamten Schaltungsaufbau des Bauelements 100 einzurichten. Beispielsweise enthält das Metallisierungssystem 130 mehrere gestapelte Metallisierungsschichten, wobei der Einfachheit halber eine einzelne Metallisierungsschicht 132 in 1a detaillierter gezeigt ist. Die Metallisierungsschicht 132 enthält beispielsweise die Metallleitungen 131 in Verbindung mit einem geeigneten dielektrischen Material, das für das erforderliche elektrische Leistungsverhalten des Metallisierungssystems 130 sorgt. In der gezeigten Ausführungsform ist ferner eine Kontaktebene 130 vorgesehen und diese dient als eine Schnittstelle zwischen dem Metallisierungssystem 120 und den vielen Schaltungselementen 111, die in und über der Halbleiterschicht 110 gebildet sind. Beispielsweise enthält die Kontaktebene ein geeignetes dielektrisches Material 122 und Kontaktelemente 121, die aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material aufgebaut sind. In der gezeigten Ausführungsform stellt somit das Metallisierungssystem 130 einen Teil der erforderlichen Verbindungen bereit, um Signale zwischen einzelnen Schaltungselementen oder Schaltungsbereichen der Schaltungselemente 111 auszutauschen und repräsentiert auch eine Schnittstelle für die funktionsmäßige Kopplung der Schaltungselemente 111 an ein optisches Kommunikationssystem 150. Das optische Kommunikationssystem 150 umfasst eine erste optoelektronische Komponente 151, die ausgebildet ist, ein elektrisches Signal, beispielsweise über das Metallisierungssystem 130, wie dies durch 133 angegeben ist, zu empfangen und das elektrische Signal 133 in ein optisches Signal 153 umzuwandeln. Zu beachten ist, dass in dieser Anmeldung ein optisches Signal als eine modulierte elektromagnetische Strahlung mit einem Wellenlängenbereich vom nahen Infrarotbereich des Spektrums bis zum sichtbaren Bereich des Spektrums und bis in den nahen Ultraviolettbereich zu verstehen ist. Somit repräsentiert die optoelektronische Komponente 151 ein halbleiterbasiertes Bauelement, das einen modulierten optischen Strahl, etwa einen gepulsten Strahl mit einem gewünschten Wellenlängenbereich bereitstellt. Beispielsweise repräsentiert die Komponente 151 eine lichtemittierende Diode, eine Laserdiode und dergleichen. Ferner umfasst das optische Kommunikationssystem 150 eine zweite optoelektronische Komponente 152, die ausgebildet ist, das optische Signal 153 zu empfangen und dieses in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wie dies durch 134 angegeben ist, das somit einem oder mehreren der Schaltungselemente 111 über das Metallisierungssystem 130 zugeführt wird. Beispielsweise repräsentiert die optoelektronische Komponente 152 eine Photodiode, einen Phototransistor, eine lichtempfindliche Widerstandsstruktur, ein photoelektrisches Element, und dergleichen. Ferner umfasst das optische Kommunikationssystem 150 einen optischen Wellenleiter 155, der einen ersten Wellenleiterzweig 155a, einen zweiten Wellenleiterzweig 155b und einen dritten Wellenleiterzweig 155c umfasst. Der optische Wellenleiter 155 besitzt einen geeigneten Aufbau, um eine Ausweitung des optischen Signals 153 zu ermöglichen. Der Wellenleiter 155 enthält einen Kern aus einem geeigneten Material, das das optische Signal 153 ohne unerwünschte Absorption durchlässt. Das Kernmaterial 155d wird in Form eines Halbleitermaterials, etwa in Form von Silizium und dergleichen bereitgestellt. Ferner enthält der Wellenleiter 155 einen „Mantel” 155e, der ein geeignetes dielektrisches Material mit einem Brechungsindex repräsentiert, der kleiner ist als der Brechungsindex des Kernmaterials 155d, wodurch für das erforderliche optische Verhalten gesorgt wird, d. h. für im Wesentlichen eine Totalreflexion für Komponenten des optischen Signals 153, die auf eine Grenzfläche, die von dem Kernmaterial 155d und dem Mantel 155e gebildet ist, in einem gewissen Winkelbereich einfallen. Der optische Wellenleiter 155 umfasst ferner geeignete ablenkende Bereiche 156a, 156b, um den Zweig 155a mit dem Zweig 155b optisch zu koppeln, wobei dieser Zweig auch als ein vergrabener Wellenleiterbereich bezeichnet wird, und um schließlich den Zweig 155b mit dem Zweig 155c zu verbinden. Die ablenkenden Bereiche 156a, 156b können in Form von „spiegelähnlichen” Komponenten, Bragg-Gitter und dergleichen vorgesehen werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Es sollte beachtet werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) der optische Wellenleiter 155 einen geeigneten Aufbau und eine Komplexität besitzt, wie dies zum Bereitstellen der gewünschten optischen Kommunikationseigenschaften erforderlich ist. Beispielsweise repräsentiert das optische Kommunikationssystem 150 ein bidirektionales Kommunikationssystem, um das optische Signal 153 zwischen den optoelektronischen Komponenten 151 und 152 in jeder Richtung auszutauschen. Zu diesem Zweck kann jede der Komponenten 151, 152 als ein Empfänger/Sender für das Signal 153 dienen. Des weiteren sind Komponenten 151, 152 ausgebildet, das Signal 153 so zu verarbeiten, dass es eine spezifizierte Bandbreite besitzt, so dass eine Vielzahl elektrischer Signale 133, 134 gleichzeitig über das optische Kommunikationssystem 150 übertragen werden können. Der Wellenleiter 155 besitzt ferner eine geeignete Konfiguration, d. h. es können mehr oder weniger optische Wellenleiterzweige, wie dies in 1a gezeigt ist, gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen vorgesehen sein. Folglich führt das optische Kommunikationssystem 150 zu einer deutlichen Verringerung der Komplexität des Metallisierungssystems 130 für eine gegebene erforderliche Signalaustauschfähigkeit für das Schaltungselement 111 im Vergleich zu einem konventionellen integrierten Schaltungsbauelement ohne die optischen bauteilinternen Kommunikationseigenschaften.
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Das in 1a gezeigte integrierte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage beliebiger geeigneter Fertigungstechniken hergestellt werden, wie dies auch nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Beispielsweise wird der vergrabene Wellenleiterzweig 155b auf der Grundlage einer speziell gestalteten Sequenz aus Materialschichten 102, 103 und 104 hergestellt. Beispielsweise werden die Metallisierungsschichten 102, 104, die als Mantel 155e des Wellenleiterzweigs 155b dienen können, in Form eines vergrabenen isolierenden Materials, etwa Siliziumdioxid und dergleichen vorgesehen, während die Materialschicht 103 ein geeignetes Halbleitermaterial, etwa Silizium und dergleichen repräsentiert. Folglich kann ein Teil der Schicht 103 als das Kernmaterial 155d des Zweigs 155b dienen. Des weiteren kann zumindest ein Teil der Zweige 155a, 155c auf der Grundlage gut etablierter Lithographie-, Ätz- und Abscheidetechniken hergestellt werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Daraufhin wird das Schaltungselement 111 in und über der Halbleiterschicht 110 gemäß geeigneter Prozesstechniken hergestellt, woran sich die Herstellung der Kontaktebene 120 und des Metallisierungssystems 130 anschließt. Daraufhin werden die Zweige 155a, 155c fertig gestellt durch geeignete Prozesstechniken, wozu das Strukturieren des Metallisierungssystems 120 mittels anisotroper Ätztechniken und das Wiederauffüllen resultierender Öffnungen mit dem Mantelmaterial 153 und dem Kernmaterial 155d gehören. Beispielsweise können entsprechende Öffnungen durch die dielektrischen Materialien der einzelnen Metallisierungsschichten des Systems 130 hindurch gebildet werden, und das Mantelmaterial kann abgeschieden und nachfolgend anisotrop geätzt werden, um den Mantel 153 zu erhalten, wie dies in 1a gezeigt ist. Daraufhin wird das Kernmaterial 155d mittels einer geeigneten Abscheidtechnik eingefüllt und überschüssiges Material wird durch Ätztechniken, CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen abgetragen. In anderen Fällen werden die Wellenleiterzweige 155a, 155c auf der Grundlage mehrerer Teile, beispielsweise für jede einzelne Metallisierungsschicht des Systems 130, hergestellt, um damit weniger komplexe Prozessbedingungen für das Strukturieren entsprechender Öffnungen und das Füllen der Öffnungen mit dem Mantelmaterial 155e und dem Kernmaterial 155d zu erreichen. Während einer beliebigen geeigneten Phase können die optoelektronischen Komponenten 151, 152 dem Metallisierungssystem 130 hinzugefügt werden, beispielsweise während einer Zwischenfertigungsphase, wenn dies als geeignet erachtet wird, während in anderen Fällen das Metallisierungssystem 130 im Wesentlichen fertiggestellt wird, wenn das Vorsehen weiterer Kontaktflächen oder Kontaktelemente zum Anschluss an ein Gehäuse an einer späteren Fertigungsphase erforderlich ist. Es sollte beachtet werden, dass das Bauelement 100 über dem Substrat 101 zusammen mit einer Vielzahl anderer integrierter Schaltungsbauelemente vorgesehen wird, wenn die Komponenten 151, 152 gleichzeitig für eine Vielzahl identischer Bauelemente 100 aufgebracht werden, beispielsweise durch geeignete Verbundtechniken und dergleichen. In anderen Fällen repräsentiert das Bauelement 100 bereits ein einzelnes Bauelement, das von anderen Bauelementen getrennt ist, und dieses wird weiteren Prozessschritten zum Einbau des Bauelements 100 in ein geeignetes Gehäuse unterzogen, während gleichzeitig elektrische Verbindungen zwischen dem Metallisierungssystem 130 und einem Metallisierungssystem des Gehäuses (nicht gezeigt) hergestellt werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Beispielsweise können für diese Zwecke Drahtverbindungstechniken, Techniken für das direkte Verbinden des Metallisierungssystems 130 mit Kontaktflächen des Gehäuses und dergleichen angewendet werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) dient das optische Kommunikationssystem 150 auch als eine Schnittstelle zur Anbindung an die Peripherie der integrierten Schaltung 100, beispielsweise über eine geeignete optische Schnittstelle, die in dem Gehäuse vorgesehen ist, das das Bauelement 100 in einer abschließenden Fertigungsphase aufnehmen soll.
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Während des Betriebs des integrierten Schaltungsbauelements 100 nach dem Einbringen des Bauelements 100 in ein Gehäuse, wie es in 1a gezeigt ist, erzeugt zumindest eines der Schaltungselemente 111 ein elektrisches Signal, beispielsweise ein digitales Signal, wie es typischerweise in einem Mikroprozessorbauelement für den Datentransfer angewendet wird. Das entsprechende Signal wird der optoelektronischen Komponente 151 zugeleitet, beispielsweise als das Signal 123, und wird in das optische Signal 153 umgewandelt, das wiederum der optoelektronischen Komponente 152 zugeleitet wird, wodurch das Metallisierungssystem 130 „umgangen” wird, während gleichzeitig bessere Signalausbreitungseigenschaften erreicht werden. Die optoelektronische Komponente 153 wandelt wiederum das optische Signal 153 in das optische Signal 154 um, das einem oder mehrere der Schaltungselemente 111 zugeführt wird. Es sollte beachtet werden, dass die räumliche Anordnung der Schaltungselemente 111 lediglich anschaulicher Natur ist. Beispielsweise können mittels der optischen Kommunikationssystems 150 beliebige Schaltungsbereiche unabhängig von der räumlichen Lagebeziehung zueinander auf der Grundlage des Wellenleiters 155 verbunden werden, ohne dass wertvolle Chipfläche verbraucht wird, während gleichzeitig die verbesserten Signalübertragungseigenschaften gewährleistet sind. Wie ferner zuvor erläutert ist, wird mittels der optischen Signalübertragung eine erforderliche Bandbreite für die bauteilinterne Kommunikation auf der Grundlage einer deutlich geringeren Gesamtleistungsaufnahme im Vergleich zu einem „reinen” elektrischen Kommunikationssystem bereitgestellt, wodurch ebenfalls die gesamte Leistungsaufnahme des integrierten Schaltungsbauelements 100 verringert wird. Da kritische Schaltungsbereiche ferner ohne Beschränkungen im Hinblick auf die Signalausbreitungsverzögerung positioniert werden können, kann die Wärmeerzeugung in der Bauteilebene 110 effizienter über die gesamte verfügbare Chipfläche verteilt werden, wodurch ebenfalls weniger kritische Temperaturbedingungen lokal innerhalb der integrierten Schaltung 100 hervorgerufen werden, wodurch somit auch zu einer Entspannung der gesamten thermischen Bedingungen des Bauelements 100 beigetragen wird.
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1b zeigt schematisch das integrierte Schaltungsbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen das optische Kommunikationssystem 150 oder zumindest einen Teil davon abhängig von der gesamten Komplexität auf der Grundlage elektrooptischer Komponenten die in und über der Bauteilebene 110 vorgesehen sind, bereitgestellt wird. Beispielsweise sind, wie gezeigt ist, die Komponenten 151 und 152 in und über der Halbleiterschicht 110 hergestellt, wenn die entsprechenden Materialsysteme mit den Anforderungen für eine optische Signalverarbeitung der Komponenten 151 und 152 kompatibel sind. In anderen Fällen wird eine der Komponenten 151, 152 oder über einem Metallisierungssystem bereitgestellt, wie dies beispielsweise in 1a für beide Komponenten 151 und 152 gezeigt ist. In der in 1b gezeigten Ausführungsform ist die Komponente 151 mit einem der Schaltungselemente 111, etwa einem Schaltungselement 111a über ein elektrisches Signal 113 verbunden, das über die Komponente 151 in der Halbleiterschicht 110 übertragen wird oder auf der Grundlage einer anderen Verbindungsstruktur, wie dies erforderlich ist. In ähnlicher Weise ist die optoelektronische Komponente 152 mit einem weiteren Schaltungselement 111 verbunden, etwa einem Schaltungselement 111b, wobei das elektrische Signal 114 verwendet wird. Im Hinblick auf den optischen Wellenleiter 155 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu 1a erläutert sind. Beispielsweise umfasst der Wellenleiter 155 ein Kernmaterial mit erhöhter optischer Dichte, etwa Silizium, das eine Wellenlänge von ungefähr 1 μm bei einem Brechungsindex von ungefähr vier transparent ist. Andererseits kann Siliziumdioxid als Mantel mit einem geringeren Brechungsindex für den oben spezifizierten Wellenlängenbereich verwendet werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bei Bedarf die optischen Eigenschaften der diversen Wellenleiterzweige 155a, ... 155c in geeigneter Weise durch Einbau einer Substanzsorte, etwa Sauerstoff, Stickstoff und dergleichen angepasst werden können, wie dies auch für beispielsweise ARC-(antireflektierende Beschichtungs-)Materialien und dergleichen bekannt ist.
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1c zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des integrierten Schaltungsbauelements 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine „dreidimensionale” oder gestapelte Konfiguration zur Verbesserung des gesamten Funktionsverhaltens des Bauelements 100 angewendet wird. Wie beispielsweise gezeigt ist, ist ein erstes Substrat 101d vorgesehen und besitzt darauf ausgebildet eine erste Halbleiterschicht oder Ebene 110b, in und über welcher Schaltungselemente 111b vorgesehen sind, um einen speziellen Schaltungsbereich des Bauelements 100 zu repräsentieren. Ferner ist ein Metallisierungssystems 130b mit einem beliebigen geeigneten Aufbau so vorgesehen, dass es elektrisch die Schaltungselemente 111b miteinander verbindet und auch eines oder mehrere der Schaltungselemente 111b mit dem optischen Kommunikationssystem 150 verbindet, wie dies durch die elektrischen Signale 133b gegeben ist. Beispielsweise ist, wie in 1b gezeigt ist, die optische Komponente 151 mit den Schaltungselementen 111b über die elektrischen Signale 133b verbunden, die bidirektionale Signale repräsentieren, wenn die Komponente 151 ausgebildet ist, elektrische Signale in optische Signale und optische Signale in elektrische Signale umzuwandeln. Ferner umfasst das integrierte Schaltungsbauelement 100 ein zweites Substrat 101a, das über dem Metallisierungssystems 130b gebildet ist, woran sich eine zweite Bauteilebene oder Halbleiterschicht 110a anschließt, in und über welcher Schaltungselemente 111a ausgebildet sind, um einen weiteren Schaltungsbereich des Bauelements 100 zu repräsentieren. Es sollte beachtet werden, dass bei Bedarf das Metallisierungssystem 130b funktionsmäßig mit der Bauteilebene 110a durch zusätzliche elektrische Verbindungen (nicht gezeigt), etwa Durchgangslöcher und dergleichen, verbunden sein kann, die sich durch das Substrat 101a erstrecken und die eine Verbindung zu jeweiligen Kontaktbereichen des Metallisierungssystems 130b herstellen können. In der in 1c gezeigten Ausführungsform umfasst das optische Kommunikationssystem 150 die optoelektronische Komponente 152 in oder über der Schicht 110a, die elektrisch mit den Schaltungselementen 111a mittels elektrischer Signale 133a verbunden ist, die bei Bedarf ebenfalls bidirektionale Signale repräsentieren. Ferner kann das optische Kommunikationssystem 150 auch mit weiteren Bereichen des Bauelements 100 verbunden sein, wie dies durch 153c angezeigt ist, wobei dies von den gesamten Kommunikationserfordernissen des Bauelements 100 abhängt. Mittels des optischen Kommunikationssystems 150 kann somit der Schaltungsbereich, da durch die Elemente 111 repräsentiert ist, mit dem Schaltungsbereich verbunden werden, der durch die Elemente 111b repräsentiert ist, indem beispielsweise ein effizienter Datentransfer und dergleichen bereitgestellt wird. Ferner können bei Bedarf weitere elektrische Verbindungen zwischen diesen beiden Schaltungsbereichen eingerichtet sein. Somit kann durch das Vorsehen des optischen Kommunikationssystems 150 für einen bauteilinternen Signalaustausch in einer dreidimensionalen oder gestapelten Konfiguration die thermische Situation aus den gleichen Gründen, wie sie zuvor angegeben sind, wesentlich verbessert werden. Ferner können wärmekritische Schaltungsbereiche effizient über den gesamten dreidimensionalen Stapel des Bauelements 100 verteilt werden, da ein schneller Signalaustausch selbst zwischen ausgeprägten vertikalen Strecken auf der Grundlage des Kommunikationssystems 150 bewerkstelligt werden kann. Da der Wellenleiter 155 und insbesondere der Zweig, der die Bauteilebene 110 mit dem Metallisierungssystems 120b verbindet, auf der Grundlage von Materialien, etwa Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder anderen Halbleiterkomponenten, dielektrischen Materialien und dergleichen, bereitgestellt werden kann, wird ein hoher Grad an Flexibilität bei der Organisation des Fertigungsablaufs erreicht, da der Wellenleiter 155 vor dem Ausführen von Hochtemperaturprozessen vorgesehen werden kann, wie sie typischerweise zur Herstellung der Schaltungselemente über dem Substrat 101a erforderlich sind. D. h., entsprechende Wellenleiterzweige können in dem Substrat 101a vor dem eigentlichen Herstellen der Schaltungselemente gebildet werden, ohne dass das Leistungsverhalten des Wellenleiters 155 negativ beeinflusst wird. Folglich können die Schaltungselemente 111b und das Metallisierungssystems 120b gemäß beliebiger geeigneter Prozesstechniken in und über dem Substrat 101b hergestellt werden, während die Schaltungselemente 111a über dem Substrat 101a in separaten Prozessschritten hergestellt werden, ohne dass eine merkliche Störung durch die Anwesenheit des Wellenleiters 155 auftritt. Daraufhin wird das Substrat 101a mit dem Metallisierungssystems 130b auf der Grundlage gut etablierter Verbundtechniken verbunden, wodurch ebenfalls die optische Kopplung zwischen dem Wellenleiter 155 und der optischen Komponente 151 hergestellt wird, die auf dem Metallisierungssystem 130b gebildet ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere geeignete Prozesstechniken angewendet werden können, um das Substrat 101a mechanisch mit dem Metallisierungssystem 130b zu verbinden. In ähnlicher Weise können geeignete elektrische und optische Verbindungen in dem Substrat 101b hergestellt werden, und die Substrate 101b, 101a werden miteinander verbunden, um damit mehrere elektrische und optische Verbindungen herzustellen. Bei Bedarf können weitere Bauteilebenen gemäß der Gesamtkomplexität des integrierten Schaltungsbauelements 100 hinzugefügt werden.
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Ferner kann, wie zuvor mit Bezug zu 1a erläutert ist, ein Bauelement in ein geeignetes Gehäuse (nicht gezeigt) eingebracht werden, das für elektrische und bei Bedarf für optische Wechselwirkungen mit der Peripherie ausgebildet ist.
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Mit Bezug zu den 1d bis 1r werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen optische Wellenleiter in einem integrierten Schaltungsbauelement gemäß anschaulicher Ausführungsformen hergestellt wird.
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1d zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer frühen Fertigungsphase, in der das Substrat 101 darin oder darüber einen Stapel aus Schichten aufweist, um Schaltungselemente und einen vergrabenen Wellenleiterbereich herzustellen. Wie gezeigt ist die Halbleiterschicht 110, beispielsweise in Form einer siliziumbasierten Materialschicht, auf der vergrabenen isolierenden Schicht 104 gebildet, die wiederum auf der Halbleiterschicht 103 hergestellt ist, die von dem Substrat 101 durch die weitere vergrabene Schicht 102 getrennt ist, wie dies beispielsweise mit Bezug zu 1a beschrieben ist. Das in 1d gezeigte Bauelement kann auf der Grundlage von Scheibenverbundtechniken hergestellt werden, beispielsweise unter Anwendung eines SOI-(Silizium- oder Halbeiter-Isolator-)Substrats, an dem ein weiteres Substrat angebracht wird, das darauf ausgebildet die Schichten 104 und 110 aufweist. Daraufhin wird überschüssiges Material des zusätzlichen Substrats entfernt, beispielsweise durch Spalten des Substrats, wodurch die Schicht 110 erhalten wird, die weiter behandelt wird, um die erforderlichen Oberflächenbedingungen zu erreichen.
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1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine erforderliche Sequenz aus optisch unterschiedlichen Materialien auf der Grundlage von Implantationstechniken erreicht wird, beispielsweise unter Anwendung eines SOI-Substrats oder eines Vollsubstrats. In der gezeigten Ausführungsform wird das Substrat 101 in Verbindung mit der vergrabenen isolierenden Schicht 104 und der Halbleiterschicht 110 als ein SOI-Substrat bereitgestellt, und wird einem Ionenimplantationsprozess 105 unterzogen, um ein vergrabenes isolierendes Material 103a zu bilden, möglicherweise in Verbindung mit einer geeigneten Wärmebehandlung. Beispielsweise wird der Implantationsprozess 105 angewendet, um eine Sauerstoffsorte in ein Siliziumbasismaterial des Substrats 101 einzuführen. Daraufhin wird während einer Wärmebehandlung ein Siliziumdioxidmaterial erzeugt, wodurch das vergrabene isolierende Material 103a gebildet wird. Bei Bedarf kann das Material 103a räumlich beschränkt werden, indem eine Maske 105 angewendet wird, um im Wesentlichen die lateralen Abmessungen des vergrabenen isolierenden Materials 103a festzulegen.
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1f zeigt schematisch eine Draufsicht des Bauelements 100, wobei eine Öffnung in der Maske 106 einen Bereich der Schicht 110 freilegt, wodurch die lateralen Abmessungen des vergrabenen Materials 103a festgelegt werden, wie dies in 1e gezeigt ist. Es sollte beachtet werden, dass auf Grund der Natur des Implantationsprozesses und auf Grund der nachfolgenden Wärmebehandlung ein gewisser Grad an Diffusion stattfindet und damit zu geringfügig größeren Abmessungen des Materials 103a im Vergleich zu den Abmessungen, wie sie durch die Implantationsmaske 106 definiert sind, führt.
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Es sollte beachtet werden, dass das vergrabene Material 103a als eine Schicht ähnlich zu der vergrabenen isolierenden Schicht 103 aus 1d bei Bedarf vorgesehen werden kann. Ferner kann bei Bedarf auch die vergrabene isolierende Schicht 104 ein Implantationsprozess mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung hergestellt werden, wenn dies als geeignet erachtet wird, wobei ebenfalls die lateralen Abmessungen durch eine Implantationsmaske beschränkt werden können, wie dies zuvor mit Bezug zur Maske 106 erläutert ist.
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1g zeigt schematisch das Bauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die ablenkenden Bereiche 156a, 156b auf der Grundlage eines Ionenimplantationsprozesses 105a hergestellt werden, um damit diesen Bereichen 156a, 156b spiegelähnliche Eigenschaften zu verleihen. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Implantationsmaske, etwa die Maske 106, wie sie zuvor verwendet wurde, in geeigneter Weise angepasst, beispielsweise durch Erodieren von Rändern 106e sowie um damit eine „variable” Ionenblockierwirkung zu erreichen. Beispielsweise wird ein Materialabtragungsprozess bzw. ein Materialerosionsprozess etwa in Form eines plasmaunterstützten Ätzprozesses angewendet, um eine gewünschte kontinuierliche Verringerung der Dickenmaske 106 an den Rändern 106e zu erreichen. Zu diesem Zweck können gut etablierte Rezepte für Lackmaterialien oder ein anderes Material, etwa dielektrische Materialien und dergleichen angewendet werden. Es sollte beachtet werden, dass bei Bedarf spezielle Implantationsmasken für den Prozess 105a vorgesehen werden können, um einen speziell gestalteten Materialerosionsprozess zum Erhalten der Ränder 106e mit der variierenden Dicke bereitzustellen. Während des Implantationsprozesses 105a kann auch die Eindringtiefe bei einer vorgegebenen Implantationsenergie und Implantationssorte variieren, wodurch die ablenkenden Bereiche 156a, 156b geschaffen werden. Zu beachten ist, dass eine beliebige geeignete Implantationssorte verwendet werden kann, um in den ablenkenden Bereichen 156a, 156b die gewünschten optischen Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise wird eine Sauerstoffsorte eingebaut, wenn die Reflektivität einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche bei einem Einfallwinkel von ungefähr 30 bis 60 Grad als geeignet erachtet wird. In anderen Fällen werden andere Sorten eingebaut, etwa hochschmelzende Metallsorten und dergleichen, um damit einem Material eine deutlich höhere Dichte im Bereich zu dem Substratmaterial 101 zu verleihen.
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1h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Ätzmaske 107, etwa eine Lackmaske, und dergleichen, über der Halbleiterschicht 110 ausgebildet und legt die laterale Größe und die Position eines Mantelmaterials eines Wellenleiterbereichs fest, der noch in den Schichten 110, 104 und 103 herzustellen ist. Ferner unterliegt das Bauelement 100 einer Ätzsequenz 108, um durch die Materialien 110, 104, 103 und bei Bedarf durch die Schicht 102 zu ätzen. Zu diesem Zweck können gut etablierte anisotrope Ätzrezepte angewendet werden, wie sie auch für eine Vielzahl von Halbleitermaterialien, etwa Silizium, und eine Vielzahl an dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen verfügbar sind.
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1i zeigt schematisch das Bauelement 100 nach dem Entfernen der Ätzmaske 107 in 1h und während einer Prozesssequenz 109 zum Abscheiden des Mantelmaterials 155e, etwa in Form von Siliziumdioxid und dergleichen, und zum Entfernen von überschüssigen Material. Beispielsweise wird Siliziumdioxid auf der Grundlage plasmaunterstützter oder thermisch aktivierter CVD(chemische Dampfabscheide-)Techniken aufgebracht und überschüssiges Material wird auf der Grundlage von Ätztechniken, CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen abgetragen. Es sollte beachtet werden, dass eine Stoppschicht (nicht gezeigt) beispielsweise vor dem Ausführen des Ätzprozesses 108 aus 1h vorgesehen werden kann, so dass die entsprechende Stoppschicht die horizontalen Oberflächenbereiche der Schicht 110 beim Ausführen beispielsweise eines CMP-Prozesses abdeckt, wodurch die Integrität der Schicht 110 bewahrt bleibt. Wie gezeigt, kann das Mantelmaterial 155e so vorgesehen werden, dass die ablenkenden Bereiche 156a, 156b weiterhin bewahrt bleiben, wenn diese vorgesehen sind.
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1j zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine Ätzmaske 171 vorgesehen wird, um die laterale Größe und Lage der Öffnung 171a festzulegen, die in den Materialschichten 110, 104 auf der Grundlage einer geeigneten Ätzsequenz 170 hergestellt werden. Wenn beispielsweise Silizium und Siliziumdioxid verwendet sind, können gut etablierte plasmaunterstützte Ätzrezepte eingesetzt werden. In anderen Fällen werden andere Ätzrezepte abhängig von den Eigenschaften der Materialien der Schichten 110 und 104 eingesetzt. Daraufhin wird die Ätzmaske 171 abgetragen, beispielsweise durch plasmaunterstützte Abtragungsprozesse oder nasschemische Prozesse. Folglich repräsentieren die Öffnungen 171a Bereiche von optischen Wellenleiterzweigen, die ein geeignetes Material, etwa ein Siliziummaterial, empfangen, um damit eine optische Verbindung der Schicht 103 herzustellen, wobei das Mantelmaterial 155e für den erforderlichen Einschluss sorgt. Wie zuvor erläutert ist, muss auf Grund der im Wesentlichen senkrechten Orientierung einer optischen Achse 155f der Schicht 103, die einen vergrabenen repräsentieren kann, wie dies auch zuvor erläutert ist, zur Orientierung einer optischen Achse 155g eines im Wesentlichen vertikalen Wellenleiterzweiges typischerweise der ablenkende Bereich 156a zusammen mit dem Bereich 156b vorgesehen werden. Es sollte in dieser Hinsicht beachtet werden, dass eine optische Achse eines Wellenleiters als allgemeine Ausbreitungsrichtung zu verstehen ist, wobei die Winkel der Ausbreitung im Hinblick auf die optische Achse mit eingeschlossen sind, die für einen ausreichend kleinen Einfallswinkel im Hinblick auf ein Mantelmaterial sorgen, um damit eine totale Reflektion hervorzurufen. D. h., für einen Lichtstrahl, der sich im Wesentlichen entlang der optischen Achse unter relativ kleinem Winkel ausbreitet, findet eine Totalreflexion statt, wenn dieser auf die Grenzfläche trifft, die durch das optisch dichtere Kernmaterial und das optische dünnere Mantelmaterial gebildet ist, wie dies auch zuvor erläutert ist. Bei äußerst kleinen Krümmungsradien, wie dies der Fall sein kann, wenn ein vertikaler Wellenleiterzweig an einen horizontalen Wellenleiterzweig ankoppelt, kann jedoch ein wesentlicher Anteil der Lichtenergie verloren gehen, wenn kein geeigneter reflektierender Bereich vorgesehen ist, etwa ein spiegelähnlicher Bereich, ein Bragg-Gitter und dergleichen.
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1k zeigt schematisch das Bauelement 100 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Öffnung 171a so gebildet ist, dass diese sich bis hinab zu dem vergrabenen isolierenden Material 102 erstreckt, um damit ein Bragg-Gitter zum effizienten Ablenken von Lichtstrahlen in den Wellenleiter hinein bereitzustellen, der noch herzustellen ist. Der Einfachheit halber ist in 1k lediglich eine der Öffnungen 171a dargestellt. Ferner enthält die Öffnung 171a eine Ätzmaske 172, die ein Muster oder ein Gitter 172g definiert, das in das Material 102 auf der Grundlage eines geeigneten Ätzprozesses 173 übertragen wird. Die Ätzmaske 172 kann auf der Grundlage eines beliebigen geeigneten Materials, etwa Polymermaterialien, Lackmaterialien und dergleichen hergestellt werden, die so abgeschieden werden, dass diese die Öffnung 171a vollständig füllen und auch eine gewünschte Materialschicht über horizontalen Bereichen der Halbleiterschicht 110 bilden. Daraufhin wird ein geeigneter Lithographieprozess ausgeführt, und das Maskenmaterial wird strukturiert, um das Gitter 172g zu erzeugen. Danach wird der Ätzprozess 173 ausgeführt auf der Grundlage eines beliebigen geeigneten plasmaunterstützten Ätzrezeptes, um in die vergrabene isolierende Schicht 102 zu ätzen.
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1l zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, d. h. nach dem Entfernen der Ätzmaske 172 aus 1k. Somit wird ein Gitter 102g in der vergrabenen isolierenden Schicht 102 gebildet, wobei die Eigenschaften des Gitters 102g geeignet so gewählt sind, dass das gewünschte ablenkende Verhalten in Verbindung mit einem weiteren Kernmaterial, etwa Silizium erreicht wird, das in die Öffnung 171a in einer weiteren fortgeschrittenen Fertigungsphase eingeführt wird.
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1m zeigt schematisch das Bauelement 100 während einer Prozesssequenz 104 zum Einfüllen des Kernmaterials in die Öffnung 171a und möglicherweise in das Gitter 102g und zum Entfernen von überschüssigem Material, beispielsweise mittels eines Isolierprozesses und dergleichen. Folglich wird das Kernmaterial 155d, etwa in Form von Silizium, benachbart zu einem Bereich des Mantelmaterials 155e gebildet. Des weiteren wird das Siliziummaterial auch in das Gitter 102g, falls dieses vorgesehen ist, eingefüllt, wodurch ein Bragg-Gitter gebildet wird, das als die ablenkenden Bereiche 156a, 156b verwendet werden kann.
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1n zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine Ätzmaske 175 vorgesehen wird, um die laterale Position und die Größe von Öffnungen 175a zu definieren, die zumindest in der Halbleiterschicht 110 hergestellt werden, um damit einen weiteren Bereich eines Mantelmaterials für den Wellenleiter 155 bereitzustellen. Zu diesem Zweck werden geeignete Lithographietechniken in Verbindung mit einem anisotropen Ätzprozess 176 angewendet, um durch die Schicht 110 zu ätzen, während die vergrabene isolierende Schicht 104 als ein Ätzstoppmaterial verwendet wird.
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1o zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer Fertigungsphase, in der das Mantelmaterial 155e vollständig das Material 155d umschließt, das aus Siliziummaterial, das zuvor abgeschieden wurde, und einem Teil der Halbleiterschicht 103 aufgebaut ist. Es sollte beachtet werden, dass die Prozesssequenz zur Herstellung der Öffnungen 175a (siehe 1n) und das nachfolgende Abscheiden des Mantelmaterials 155e in einigen anschaulichen Ausführungsformen mit der Herstellung von Isolationsstrukturen kombiniert werden kann, etwa in Form von flachen Grabenisolationen, in denen die Halbleiterschicht 110 in eine Vielzahl von Halbleitergebieten unterteilt wird, beispielsweise in Bereiche 110c, 110d, so dass Schaltungselemente auf der Grundlage geeignet definierter Halbleitergebiete in diesen Bereichen hergestellt werden können. Folglich können gut etablierte Prozesstechniken angewendet werden, um das Mantelmaterial 155e einzufüllen, möglicherweise in Verbindung mit einem Isolationsmaterial und um überschüssiges Material auf der Grundlage von CMP-Techniken und Netzprozessen zu entfernen. Folglich kann das Bauelement 100, wie es in 1o gezeigt ist, als ein Startmaterial zur Herstellung der Schaltungselemente in und über der Halbleiterschicht 110, d. h. in den Bereichen 110c, 110d gemäß gut etablierter Prozesstechniken verwendet werden. Andererseits ist der Wellenleiter 155 mit den gewünschten optischen Eigenschaften und der räumlichen Konfiguration ausgebildet, wobei, wie zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1c erläutert ist, weitere Wellenleiterabschnitte vorgesehen werden können, beispielsweise durch Verlängern der vertikalen Bereiche des Wellenleiters 155, falls dieser erforderlich ist.
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1p zeigt schematisch das integrierte Schaltungsbauelement 100 mit mehreren Schaltungselementen 111, die in und über der Halbleiterschicht 110 gebildet sind, wobei diese Schaltungselemente einen Teil eines Mikroprozessors oder einer anderen komplexen analogen Schaltung und/oder digitalen Schaltung repräsentieren, in denen das Bereitstellen der optischen Kommunikationsfähigkeit mittels des Wellenleiters 155 bessere thermische Bedingungen, eine höhere Signalverarbeitungseffizienz und dergleichen ermöglicht, wie dies zuvor erläutert ist. Daraufhin wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem beispielsweise eine Kontaktebene hergestellt wird, etwa durch Abscheiden eines dielektrischen Materials und durch Bilden entsprechender Kontaktelemente darin, wie dies auch zuvor mit Bezug zu 1a gezeigt ist, wobei, wie zuvor erläutert ist, auch optoelektronische Komponenten vorgesehen werden können, um eine Verbindung zumindest zu einem Ende des Wellenleiters 155 herzustellen. Wenn beispielsweise geeignete Materialsysteme in dem Bauelement 100 in der gezeigten Fertigungsphase verfügbar sind, können geeignete Bauelemente, etwa lichtempfindliche Dioden und dergleichen in die Schicht 110 integriert werden und können optisch mit dem Wellenleiter 155 gekoppelt werden, während die elektrische Verbindung zu einem oder mehreren der Schaltungselemente 111 über Verbindungsstrukturen und unter oder über der Halbleiterschicht 110 hergestellt wird. Daraufhin wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem ein Metallisierungssystems, etwa das Metallisierungssystem 130 (siehe 1a) hergestellt wird, indem ein dielektrisches Material aufgebracht und dieses strukturiert wird, um Kontaktdurchführungen und Gräben herzustellen, die nachfolgend mit einem geeigneten Metall gefüllt werden. Wie zuvor erläutert ist, wird, wenn eine Fortsetzung eines oder mehrerer der Zweige 155a, 155c erforderlich ist, eine zugehörige Öffnung in dem dielektrischen Material hergestellt und wird mit dem Mantelmaterial 155e und dem Kernmaterial 155d gefüllt. In anderen Fällen werden mehrere Metallisierungsschichten oder im Wesentlichen das gesamte Metallisierungssystem bereitgestellt und nachfolgend wird ein Strukturierungsprozess ausgeführt, um durch das resultierende Materialsystem zu ätzen, um damit eine Verbindung zu den Zweigen 155a, 155c nach Bedarf herzustellen. Daraufhin wird das Mantelmaterial abgeschieden und anisotrop geätzt, um das darunter liegende Kernmaterial 155 freizulegen. Als ein nächster Schritt wird das Kernmaterial für den neu hinzugefügten Zweig eingefüllt, wobei ähnliche Prozesstechniken angewendet werden, wie sie auch zuvor mit Bezug zu den 1d bis 1o beschrieben sind. Folglich kann die vertikale Erweiterung des Wellenleiters 155, d. h. der Zweige 155a, 155c, wie sie in 1p gezeigt sind, individuell gemäß den Bauteilerfordernisse eingestellt werden. Danach wird eine beliebige weitere optoelektronische Komponente vorgesehen, beispielsweise durch Hinzufügen einer entsprechenden Komponente zu dem Bauelement 100, was unter Scheibenverbundtechniken und dergleichen bewerkstelligt werden kann. Beispielsweise werden die optoelektronischen Komponenten auf separaten Substraten hergestellt und werden mit dem Bauelement 100 oder mehreren identischen Bauelementen 100 verbunden, wie dies zuvor erläutert ist. In anderen Ausführungsformen werden eine oder mehrere optoelektronische Komponenten nach dem Separieren der einzelnen Bauelemente 100 und vor dem Bereitstellen des Gehäuses für das Bauelement 100 hinzugefügt.
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Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt integrierte Schaltungselemente, Verfahren zur Herstellung dieser Bauelemente und Techniken zum Betreiben dieser Bauelemente bereit, wobei bauteilinterne optische Signalübertragungseigenschaften implementiert werden, um das gesamte Leistungsverhalten des integrierten Schaltungsbauelements hinsichtlich der Signalverarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern, während gleichzeitig die thermischen Bedingungen auf einem weniger kritischen Niveau gehalten werden. Ferner können Schaltungselemente oder Schaltungsbereiche auf unterschiedlichem Potential funktionsmäßig mittels des optischen Kommunikationssystems miteinander verbunden werden, wodurch ebenfalls die gesamte Bauteilkomplexität beispielsweise im Hinblick auf Spannungsanpassstufen und dergleichen verringert wird. Das optische Kommunikationssystem kann in Form eines optischen Wellenleiters in Verbindung mit optoelektronischen Komponenten bereitgestellt werden, die als separate Halbleiterbauelemente vorgesehen werden können, die einen oder mehreren Halbleiterchips vor dem Einbau des einen oder der mehreren Halbleiterchips in ein einzelnes Gehäuse hinzugefügt werden, um damit das fertig gestellte integrierte Schaltungsbauelement zu erzeugen. Ferner kann ein effizienter Signalaustausch innerhalb einer komplexen dreidimensionalen Chipkonfiguration eingerichtet werden, wodurch die Anzahl an erforderlichen elektrischen Durchgangslöchern verringert werden oder diese vermieden werden, was zu einer insgesamt höheren Entwurfsflexibilität und weniger kritischen Bedingungen führt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist das optische Kommunikationssystem der integrierten Schaltungsbauelemente ferner ausgebildet, eine optische Kommunikation mit der Peripherie zu ermöglichen, indem beispielsweise der optische Wellenleiter so erweitert wird, dass ein optischer Signalaustausch durch das Gehäuse des integrierten Schaltungsbauelements hindurch möglich ist. In diesem Falle werden bessere Bindungskapazitäten zu den peripheren Komponenten in komplexen Systemen bereitgestellt, da das bauteilinterne optische Kommunikationssystem oder ein chipinternes Kommunikationssystem hohe Datenraten mit peripheren optischen Komponenten ermöglicht, wobei auch ein „drahtloser” Kommunikationsweg eingerichtet werden kann.
