DE102010029760A1 - Bauelement mit einer Durchkontaktierung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats (120), ein Ausbilden einer isolierenden Schicht (130) auf dem Substrat (120), und ein Strukturieren der isolierenden Schicht (130), wobei die isolierende Schicht (130) wenigstens in einem vorgegebenen Grabenätzbereich (131, 132) entfernt wird, welcher einen Substratbereich (125) umschließt. Das Verfahren umfasst weiter ein Durchführen eines Ätzprozesses, wobei die strukturierte isolierende Schicht (130) zur Maskierung dient, um Substratmaterial in dem Grabenätzbereich (131, 132) zu entfernen und eine den Substratbereich (125) umschließende Grabenstruktur (140) zu erzeugen. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Ausbilden einer metallischen Schicht (150) auf der isolierenden Schicht (130), durch welche die Grabenstruktur (140) verschlossen wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauelement mit einer Durchkontaktierung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer Durchkontaktierung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Kontaktstrukturen, welche sich durch ein Substrat oder einen Teilbereich eines Substrats hindurch erstrecken, sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Derartige Kontaktstrukturen, welche auch als Via („Vertical Interconnect Access”), Durchkontakt bzw. Durchkontaktierung bezeichnet werden, gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie das Ausbilden von platzsparenden Bauelementen begünstigen. Auch können mehrere Bauelemente vertikal übereinander angeordnet und über zugehörige Durchkontaktierungen elektrisch verbunden werden, wodurch sich Anordnungen mit kleinen (lateralen) Abmessungen verwirklichen lassen.
  • Bekannte Verfahren zum Herstellen einer Durchkontaktierung basieren darauf, einen Substratbereich eines elektrisch leitfähigen Substrats, welcher als „Leiterbahn” fungieren soll, von dem umgebenden Substratmaterial zu isolieren. Zu diesem Zweck wird ein Grabenätzverfahren („Trenchen”) durchgeführt, um eine den Substratbereich umschließende Grabenstruktur zu erzeugen, welche in der Regel ein hohes Aspektverhältnis besitzt. Der betreffende Substratbereich wird ferner an einer Oberseite durch isolierende Elemente aufgehängt. Hierbei soll einerseits die Grabenstruktur verschlossen und andererseits eine möglichst glatte Oberfläche zur Verfügung gestellt werden. Das Verschließen der Grabenstruktur dient dazu, ein undefiniertes bzw. unerwünschtes Einbringen von Material, welches die Isolationseigenschaften des Grabens oder die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierung beeinträchtigen kann, zu vermeiden. Die glatte Oberfläche ermöglicht bzw. erleichtert das Durchführen nachfolgender Verfahrensschritte wie zum Beispiel CMOS-Prozesse (Complementary Metal Oxide Semiconductor) und MEMS-Prozesse (Micro-Electro-Mechanical System).
  • Bei einem bekannten Verfahren wird eine Grabenstruktur mit einer vorgegebenen, sich leicht öffnenden Geometrie erzeugt, welche nachfolgend beispielsweise mit einer Oxidschicht zur Isolation und einem Füllmaterial wie zum Beispiel Polysilizium aufgefüllt wird. Nachfolgend wird ein Planarisierungsprozess durchgeführt, um die Oberfläche zu glätten. Durch die vorgegebene Form des Grabens, welche relativ genau eingestellt wird, das vollständige Auffüllen des Grabens und das Durchführen des Planarisierungsprozesses gestaltet sich dieses Verfahren jedoch als relativ aufwändig und schwer kontrollierbar.
  • Ein weiteres bekanntes Verfahren umfasst die Herstellung einer relativ schmalen Grabenstruktur, welche nahe der Oberfläche durch Abscheidung einer Oxidschicht verschlossen wird. Um den Verschlusspunkt möglichst tief anzulegen, ist gemäß einer Variante des Verfahrens vorgesehen, zunächst ein erstes Oxid abzuscheiden, welches anisotrop zurückgeätzt wird, und anschließend ein zweites Oxid abzuscheiden. Des Weiteren kann ein Planarisierungsschritt vorgesehen sein, um eine Glättung des Oxidverschlusses zu erzielen. Auch dieses Verfahren ist mit einem relativ hohen Aufwand verbunden, und ist darüber hinaus für einige Anwendungen nicht einsetzbar. Einerseits nimmt der Aufwand mit zunehmender Breite des zu verschließenden Grabens stark zu, und andererseits kann nicht eine beliebig schmale und gleichzeitig tiefe Grabenstruktur hergestellt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Lösung für die Herstellung eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Bauelement gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats, ein Ausbilden einer isolierenden Schicht auf dem Substrat, und ein Strukturieren der isolierenden Schicht, wobei die isolierende Schicht wenigstens in einem vorgegebenen Grabenätzbereich entfernt wird, welcher einen Substratbereich umschließt. Das Verfahren umfasst weiter ein Durchführen eines Ätzprozesses, wobei die strukturierte isolierende Schicht zur Maskierung dient, um Substratmaterial in dem Grabenätzbereich zu entfernen und eine den Substratbereich umschließende Grabenstruktur zu erzeugen. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Ausbilden einer metallischen Schicht auf der isolierenden Schicht, durch welche die Grabenstruktur verschlossen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist relativ einfach und robust, und zeichnet sich durch relativ wenige Arbeitsschritte aus. Von Vorteil ist, dass die isolierende Schicht sowohl als Ätzmaske im Rahmen des Ätzprozesses, als auch zum Zwecke der Isolation für das Bauelement verwendet wird. Des Weiteren wird die Grabenstruktur mithilfe der auf der isolierenden Schicht ausgebildeten metallischen Schicht (hermetisch) verschlossen, anstelle ein Auffüllen der Grabenstruktur mit Isolations- bzw. Füllschichten im Rahmen von aufwändigen Prozessen vorzusehen. Der Einsatz der metallischen Schicht ermöglicht zudem, einen relativ robusten bzw. mechanisch stabilen Verschluss der Grabenstruktur zu erzielen. Die metallische Schicht kann ferner mit einer ebenen bzw. planen Oberfläche erzeugt werden, so dass (im Hinblick auf etwaige Folgeprozesse) keine weitere Planarisierung erforderlich ist. Die metallische Schicht kann gleichzeitig auch als Umverdrahtungs- bzw. Leiterbahnebene verwendet werden. Darüber hinaus ist das Verfahren (bezüglich Temperatur und Kontamination) kompatibel mit bekannten MEMS- und CMOS-Prozessen. Das Ausbilden der Durchkontaktierung erfordert keine Hochtemperaturschritte, wodurch das Verfahren auch als „Via-Last-Prozess” mit temperaturempfindlichen Vorprozessen eingesetzt werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ätzprozess derart durchgeführt, dass die strukturierte isolierende Schicht unterätzt wird und die Grabenstruktur in einem an die strukturierte isolierende Schicht angrenzenden oberen Bereich eine aufgeweitete Form aufweist. Hierdurch kann mit einer hohen Zuverlässigkeit vermieden werden, dass der von der Grabenstruktur umschlossene Substratbereich durch Material der metallischen Schicht, welches beim Ausbilden der metallischen Schicht gegebenenfalls in die Grabenstruktur eingebracht wird, mit einem die Grabenstruktur umgebenden Substratabschnitt verbunden bzw. kurzgeschlossen wird.
  • Dies gilt in entsprechender Weise für eine weitere bevorzugte Ausführungsform, gemäß welcher der Ätzprozess derart durchgeführt wird, dass die Grabenstruktur (auch) in einem unteren Bereich eine aufgeweitete Form aufweist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird beim Strukturieren zusätzlich ein Teil der isolierenden Schicht in einem Öffnungsbereich innerhalb des Grabenätzbereichs entfernt. Des Weiteren wird vor dem Durchführen des Ätzprozesses eine den Öffnungsbereich abdeckende Schutzschicht ausgebildet, durch welche ein Entfernen von Substratmaterial in dem Öffnungsbereich verhindert wird. Die Schutzschicht wird ferner nach dem Durchführen des Ätzprozesses entfernt. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, eine Verbindung zwischen der (nachfolgend aufgebrachten) metallischen Schicht und dem von der Grabenstruktur eingefassten Substratbereich auf einfache Weise herzustellen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die isolierende Schicht in dem Grabenätzbereich in Form eines Gitters strukturiert. Hierdurch kann ein zuverlässiges Verschließen der Grabenstruktur durch die metallische Schicht erzielt werden. Dies ist selbst dann möglich, wenn die Grabenstruktur mit einer relativ großen Grabenbreite und die metallische Schicht mit einer relativ geringen Schichtdicke ausgebildet wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ausbilden der metallischen Schicht das Ausbilden mehrerer Teilschichten. Hierunter fällt zum Beispiel die Verwendung unterschiedlicher Metalle und/oder das Ausbilden von Teilschichten mit unterschiedlichen Anlagen bzw. Anlagenparametern. Auf diese Weise kann die aus Teilschichten aufgebaute metallische Schicht auf ihre jeweiligen Funktionen hin optimiert werden. Beispielsweise kann eine erste Metalllage im Hinblick auf einen geringen Kontaktwiderstand, eine nachfolgende Lage im Hinblick auf einen guten Verschluss der Grabenstruktur, und eine letzte Lage im Hinblick auf eine gute Resistenz bezüglich kritischer Medien, die auf die Oberfläche gelangen könnten, ausgebildet werden.
  • In dieser Hinsicht kann ferner vorgesehen sein, dass ein Teil von wenigstens einer der mehreren Teilschichten vor dem Ausbilden einer weiteren der mehreren Teilschichten entfernt wird. Das Entfernen kann beispielsweise bewirken, dass die Schichtdicke einer Teilschicht auf einer ebenen Fläche in stärkerem Maße reduziert wird als in einer Öffnung, oder je nach Geometrie ein solcher Bereich weiter verschlossen wird. Dadurch kann erzielt werden, dass bei einer im Mittel sehr geringen Dicke der metallischen Schicht eine erhöhte Schichtdicke im Verschlussbereich an der Grabenstruktur vorliegt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Substrat mit einer Ätzstoppschicht an einer Seite bereitgestellt. Die Ätzstoppschicht bietet die Möglichkeit, den Ätzprozess beim Erreichen der Ätzstoppschicht zu beenden.
  • Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Bauelement vorgeschlagen, welches ein Substrat und eine Durchkontaktierung in dem Substrat aufweist. Die Durchkontaktierung umfasst einen Substratbereich und eine Grabenstruktur, welche den Substratbereich umschließt. Das Bauelement weist weiter eine auf dem Substrat angeordnete strukturierte isolierende Schicht auf, welche wenigstens im Bereich der Grabenstruktur entfernt ist. Darüber hinaus weist das Bauelement eine auf der isolierenden Schicht angeordnete metallische Schicht auf, durch welche die Grabenstruktur verschlossen ist. Ein solches Bauelement kann auf relativ einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Auch zeichnet sich das Bauelement durch einen mechanisch stabilen Verschluss der Grabenstruktur aus.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 bis 5 die Herstellung eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung;
  • 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung; und
  • 7 bis 9 weitere Bauelemente mit einer Durchkontaktierung, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung.
  • Anhand der folgenden Figuren werden Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung beschrieben, welches relativ einfach und robust ist, und das Durchführen von relativ wenigen Arbeitsschritten erfordert. Bei dem Herstellungsverfahren können in der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik übliche Verfahrensprozesse (zum Beispiel CMOS- und MEMS.Prozesse) und Materialien zum Einsatz kommen, so dass hierauf nur teilweise eingegangen wird. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass neben den dargestellten und beschriebenen Verfahrensschritten und Prozessen weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden können, um die Herstellung der gezeigten Bauelemente zu vervollständigen.
  • Die 1 bis 5 zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements 111 mit einer Durchkontaktierung, jeweils in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung. Bei dem Verfahren durchgeführte Verfahrensschritte sind ferner in dem Ablaufdiagramm von 6 zusammengefasst. Das hergestellte Bauelement 111 stellt beispielsweise eine integrierte Schaltung bzw. einen Halbleiterchip dar. Mögliche Beispiele hierfür sind eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, Application Specific Integrated Circuit), ein Speicherbauelement, und ein Prozessor bzw. Mikroprozessor.
  • Zu Beginn des Verfahrens wird in einem Schritt 101 (vgl. 6) ein Substrat 120 bereitgestellt, welches in den 1 bis 5 lediglich ausschnittsweise veranschaulicht ist. Bei dem Substrat 120 handelt es sich beispielsweise um einen Wafer aus Silizium, welcher im Wesentlichen vollständig oder zumindest in einem Teilbereich (der späteren Durchkontaktierung) dotiert ist, um eine elektrische Leitfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
  • Das bereitgestellte Substrat 120 weist ferner wie in 1 dargestellt an einer Seite 121, im Folgenden auch als Unterseite 121 bezeichnet, weitere Strukturen bzw. Schichten auf, welche im Rahmen von üblichen Prozessen erzeugt werden können. Hierzu zählt beispielsweise ein in dem Substrat 120 ausgebildeter Transistor 160, dessen unterschiedlich leitfähige bzw. dotierte Bereiche anhand von gestrichelten Linien angedeutet sind. An der Unterseite 121 ist darüber hinaus eine Anordnung aus einer strukturierten isolierenden Schicht 138 und einer strukturierten elektrisch leitfähigen Schicht 158 ausgebildet. Die Schicht 158, welche beispielsweise ein Metall oder (dotiertes) Polysilizium aufweist, dient als Leiterbahn und als Kontaktstruktur für den Transistor 160 bzw. dessen dotierte Bereiche. Die isolierende Schicht 138, bei welcher es sich beispielsweise um eine Siliziumoxidschicht handelt, weist Öffnungen 136 sowohl im Bereich des Transistors 160 als auch eine Öffnung 137 im Bereich der späteren Durchkontaktierung auf. An diesen Stellen grenzt die Schicht 158, welche außerhalb der Öffnungen 136, 137 auf der isolierenden Schicht 138 angeordnet ist, direkt an das (ursprüngliche) Substrat 120 bzw. dessen Seite 121 an, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Transistor 160 und einem Substratbereich 125 der späteren Durchkontaktierung ermöglicht wird.
  • In einem weiteren Schritt 102 (vgl. 6) wird wie in 2 dargestellt an einer der Unterseite 121 gegenüberliegenden Seite 122 des Substrats 120, im Folgenden als Oberseite 122 bezeichnet, eine Hart- bzw. Ätzmaske ausgebildet. Zu diesem Zweck wird zunächst eine isolierende bzw. dielektrische Schicht 130, welche zum Beispiel Siliziumoxid aufweist, auf der Oberseite 122 des Substrats 120 ausgebildet. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Schicht 130 beispielsweise durch Durchführen eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition) großflächig auf dem Substrat 120 aufgebracht werden. In Betracht kommt zum Beispiel das sogenannte TEOS-Verfahren mit Tetraethylorthosilikat (TEOS) als Ausgangsstoff. Alternativ kann die Schicht 130 dadurch gebildet werden, dass ein thermisches Oxid an der Substratseite 122 aufgewachsen wird.
  • Die isolierende Schicht 130 wird ferner strukturiert, wodurch die isolierende Schicht 130 wie in 2 dargestellt in einem vorgegebenen Bereich 132 und in einem weiteren vorgegebenen Bereich 133 entfernt bzw. geöffnet und das Substrat 120 an diesen Stellen freigelegt wird. Zum Strukturieren der isolierenden Schicht 130 kann ein übliches photolithographisches Strukturierungs- und Ätzverfahren zum Einsatz kommen. Der Bereich 132, über welchen die laterale Form eines im Rahmen eines späteren Ätzprozesses erzeugten Grabens vorgegeben wird und welcher daher im Folgenden auch als Grabenätzbereich 132 bezeichnet wird, weist (in der Aufsicht) eine einen Substratbereich 125 einfassende geschlossene Form auf, beispielsweise in Form eines Rechtecks oder in Form eines Kreisrings (nicht dargestellt). Der umschlossene Substratbereich 125 ist in 2 anhand von gestrichelten Linien angedeutet. Der Öffnungsbereich 133, auch als „Stempelbereich” 133 bezeichnet, über welchen (später) ein elektrischer Kontakt zu dem Substrat 120 hergestellt wird, ist ebenfalls von dem Grabenätzbereich 132 umschlossen bzw. innerhalb des Grabenätzbereich 132 angeordnet.
  • Nach dem Strukturieren der isolierenden Schicht 130 wird ferner eine zusätzliche Schutzschicht 135 auf dem Substrat 120 bzw. auf der isolierenden Schicht 130 innerhalb des Grabenätzbereichs 132 ausgebildet, wodurch der Öffnungsbereich 133 bzw. das (zuvor) freigelegte Substrat 120 wie in 2 dargestellt an dieser Stelle wieder abgedeckt wird. Die Schutzschicht 135 dient dazu, einen Ätzangriff des Substrats 120 über den bzw. in dem Öffnungsbereich 133 zu verhindern. Als Material für die Schutzschicht 135 kommt zum Beispiel ein Photolack in Betracht. Nach dem Ausbilden der Schutzschicht 135 ist die Ätzmaske fertig gestellt.
  • Hieran anschließend wird in einem Schritt 103 (vgl. 6) ein Grabenätzprozess („Trenchen”) durchgeführt, wobei die zum Teil mit der Schutzschicht 135 abgedeckte strukturierte isolierende Schicht 130 zur Maskierung des Substrats 120 verwendet wird. Als Grabenätzprozess kommt beispielsweise ein reaktiver Ionentiefenätz-Prozess (DRIE, Deep Reactive Ion Etching) in Betracht. Ein mögliches Beispiel ist der sogenannte Bosch-Prozess, bei dem ein Ätz- und ein Passivierungsschritt sukzessive wiederholt werden. Bei dem Grabenätzprozess wird Substratmaterial in dem Grabenätzbereich 132 entfernt, so dass wie in 3 dargestellt eine den Substratbereich 125 umschließende Grabenstruktur 140 erzeugt wird. Hierbei bilden der Substratbereich 125 und die Grabenstruktur 140 zusammen den leitfähigen und den isolierenden Bestandteil einer Durchkontaktierung. Der Substratbereich 125, welcher im Folgenden auch als Durchkontaktierungsbereich 125 bezeichnet wird, wird durch die Grabenstruktur 140 gegenüber dem umgebenden Material des Substrats 120 isoliert. Der Grabenätzprozess wird bis zum Erreichen der isolierenden Schicht 138 an der Unterseite 121 des Substrat 120 durchgeführt, welche (wie die isolierende Schicht 130 und die Schutzschicht 135 an der Oberseite 122 des Substrat 120) in dem Ätzprozess nicht bzw. nahezu nicht angegriffen wird und daher im Sinne einer „Ätzstoppschicht” fungieren kann.
  • Der Grabenätzprozess wird vorzugsweise derart durchgeführt, dass der Isolationsgraben bzw. die Grabenstruktur 140 ein relativ hohes Aspektverhältnis aufweist, d. h. dass die Grabenbreite wesentlich kleiner ist als die Grabenhöhe bzw. Grabentiefe. Hierdurch kann erzielt werden, dass die Grabenstruktur 140 nur eine relativ geringe Fläche auf dem Substrat 120 bzw. an dessen Seiten 121, 122 beansprucht.
  • Des Weiteren ist vorgesehen, den Grabenätzprozess derart durchzuführen, dass die isolierende Schicht 130 an der Oberseite 122 des Substrats 120 unterätzt wird und die Grabenstruktur 140 an dieser Stelle eine sich in Richtung der Oberseite 122 aufweitende bzw. verbreiternde Form aufweist. Zur Veranschaulichung ist in 3 ein aufgeweiteter Grabenbereich 142 dargestellt, welcher beispielsweise in Form einer Rille vorliegt. Darüber hinaus ist vorgesehen, den Grabenätzprozess derart durchzuführen, dass die Grabenstruktur 140 auch eine sich in Richtung der Unterseite 121 öffnende bzw. aufweitende Form aufweist, welche in 3 anhand eines aufgeweiteten Grabenbereichs 143 mit zum Beispiel mehreren Rillen veranschaulicht ist. Alternativ kann auch der Grabenbereich 143 in Form einer einzelnen Rille vorliegen. Zwischen den Grabenbereichen 142, 143 weist die Grabenstruktur einen „geraden” Abschnitt mit senkrechten bzw. parallel zueinander verlaufenden Grabenwänden auf. Die aufgeweiteten Grabenbereiche 142, 143 der Grabenstruktur 140, mit deren Hilfe wie weiter unten beschrieben die isolierenden Eigenschaften der Grabenstruktur 140 zuverlässig gewährleistet werden können, lassen sich durch eine entsprechende Wahl bzw. Abstimmung von in dem Ätzprozess angewendeter Ätzparameter erzeugen.
  • Im Rahmen des Schritts 103 (vgl. 6) wird ferner nach dem Ausbilden der Grabenstruktur 140 wie in 3 dargestellt die Schutzschicht 135 entfernt, so dass das Substrat 120 in dem Öffnungsbereich 133 (wieder) freigelegt wird. Im Falle einer Photolackmaterial aufweisenden Schutzschicht 135 kann das Entfernen beispielsweise durch Einsatz von Aceton oder eines anderen Lösungsmittels durchgeführt werden.
  • In einem nachfolgenden Schritt 104 (vgl. 6) wird wie in 4 dargestellt eine metallische Schicht 150 großflächig auf dem Substrat 120 bzw. auf der isolierenden Schicht 130 aufgebracht. Hierbei wird die metallische Schicht 150 insbesondere auch im Bereich des (zum Ätzen der Grabenstruktur 140 verwendeten) Grabenätzbereichs 132 ausgebildet, wodurch die Grabenstruktur 140 hermetisch verschlossen wird. Die metallische Schicht 150 wird ferner in dem Öffnungsbereich 133 direkt auf dem Substrat 120 aufgebracht, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der metallischen Schicht 150 und dem Durchkontaktierungsbereich 125 ermöglicht wird. Als metallisches Material für die Schicht 150 kommt zum Beispiel Aluminium, Nickel oder Titan in Betracht. Möglich sind auch verschiedene Metalle, wie weiter unten näher beschrieben wird. Eine Schichtabscheidung kann gegebenenfalls auch innerhalb der Grabenstruktur 140 auftreten, wie in 4 anhand von weiteren metallischen Schichten 152, 153 veranschaulicht ist.
  • Mögliche Prozesse zum Ausbilden der metallischen Schicht 150 sind insbesondere gerichtete Abscheideverfahren wie zum Beispiel ein Sputterverfahren oder ein Aufdampfverfahren. Ein gerichtetes Abscheideverfahren bietet die Möglichkeit, eine Schichtabscheidung an einem Rand bzw. einer Grabenwand der Grabenstruktur 140 (weitgehend) zu unterdrücken, und infolgedessen das Ermöglichen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Durchkontaktierungsbereich 125 und dem die Grabenstruktur 140 umgebenden Substrat 120 (über das abgeschiedene Metall), durch welche die isolierende Eigenschaft der Grabenstruktur 140 beeinträchtigt bzw. aufgehoben werden kann, zu vermeiden.
  • Doch auch für den Fall einer relativ ungerichteten Metallabscheidung bzw. Abscheidung am oberen Grabenrand, wie sie in 4 anhand der metallischen Schicht 152 angedeutet ist, kann eine derartige unerwünschte Verbindung durch die Unterätzung der isolierenden Schicht 130 verhindert werden. Durch den an dieser Stelle vorliegenden aufgeweiteten Grabenbereich 142 der Grabenstruktur 140 sind die metallische Schicht 152 in der Grabenstruktur 140 und die metallische Schicht 150 an der Oberfläche bzw. Abschnitte der metallischen Schicht 150, welche wie in 4 dargestellt gegebenenfalls an dem Grabenätzbereich 132 etwas in die Grabenstruktur 140 hineinragen und die isolierende Schicht 132 „umgreifen”, durch einen ausreichenden Abstand zuverlässig voneinander getrennt.
  • Im Hinblick auf eine gegebenenfalls auftretende Schichtabscheidung auf der isolierenden Schicht 138, welche in 4 anhand der metallischen Schicht 153 angedeutet ist, kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Durchkontaktierungsbereich 125 und dem die Grabenstruktur 140 umgebenden Substratabschnitt zuverlässig durch den an dieser Stelle vorliegenden aufgeweiteten Grabenbereich 143 verhindert werden.
  • Das Ausbilden der metallischen Schicht 150 bietet die Möglichkeit, die Grabenstruktur 140 auf relativ einfache Weise zu verschließen, anstelle die Grabenstruktur 140 in einem aufwändigen Prozess mit einem Füllmaterial aufzufüllen. Auch kann mithilfe der metallischen Schicht 150 ein relativ robuster bzw. mechanisch stabiler Verschluss der Grabenstruktur 140 verwirklicht werden. Darüber hinaus kann die metallische Schicht 150 derart auf dem Substrat 120 bzw. auf der isolierenden Schicht 130 aufgebracht werden, dass die metallische Schicht 150 (außerhalb des Grabenätzbereichs 132) eine relativ ebene bzw. plane Oberfläche aufweist. Im Hinblick auf etwaige Folgeprozesse, welche das Vorliegen einer planen Oberfläche voraussetzen, kann daher auf das Durchführen eines aufwändigen Planarisierungsprozesses verzichtet werden.
  • Im Anschluss an das Aufbringen der metallischen Schicht 150 und Überspannen der Grabenstruktur 140 mit der Schicht 150 können weitere Prozesse durchgeführt werden, um das Bauelement 111 zu vervollständigen. Zu diesen Prozessen, welche in dem Ablaufdiagramm von 6 in einem Schritt 105 zusammengefasst sind, zählt insbesondere ein Strukturieren der metallischen Schicht 150, wie in 5 anhand des Bauelements 111 veranschaulicht ist. Zum Strukturieren der metallischen Schicht 150 kann ein übliches photolithographisches Strukturierungs- und Ätzverfahren zum Einsatz kommen. Auf diese Weise kann die metallische Schicht 150 neben dem Verschließen der Grabenstruktur 140 auch als Umverdrahtungs- bzw. Leiterbahnebene verwendet werden.
  • In diesem Zusammenhang kann der Transistor 160 an der Unterseite 121 des Substrats 120 über die metallische Schicht 150 im Bereich der Substratoberseite 122 kontaktiert werden, da die metallische Schicht 150 über den Öffnungsbereich 133 mit dem Durchkontaktierungsbereich 125 verbunden ist, welcher weiter an die mit dem Transistor 160 verbundene leitfähige Schicht 158 angrenzt. Die isolierende Schicht 130, welche in dem Grabenätzprozess als Ätzmaske dient, wird hierbei (wie die isolierende Schicht 138) zur Isolation des „Leitungspfades” gegenüber dem Substrat 120 außerhalb der Grabenstruktur 140 verwendet.
  • Im Rahmen des Schritts 105 können ferner weitere Prozesse durchgeführt werden, um beispielsweise weitere Strukturen und/oder Schichten bzw. Funktionsschichten auf dem Substrat 120 bzw. auf der (strukturierten) metallischen Schicht 150 auszubilden (nicht dargestellt). In Betracht kommt ferner das Durchführen eines Vereinzelungsprozesses, um das Bauelement 111 zu separieren. Auch kann das Bauelement 111 in einem Gehäuse untergebracht und kontaktiert werden und/oder in eine Anordnung mit einem oder mehreren weiteren Bauelementen gebracht bzw. zusammengeschaltet werden, wobei eine elektrische Kontaktierung des Bauelements 111 beispielsweise mithilfe von Drahtbondverbindungen erfolgt. Zur Veranschaulichung einer solchen Kontaktierungsart ist in 5 ein Teilstück eines Bonddrahts 190 dargestellt, welcher an die metallische Schicht 150 angeschlossen ist.
  • Neben den oben genannten Vorteilen besteht ein weiterer Vorteil des Verfahrens darin, dass sämtliche Prozesse zum Ausbilden der Durchkontaktierung, insbesondere das Ausbilden der isolierenden Schicht 130 und der metallischen Schicht 150, ohne einen Hochtemperaturschritt, d. h. mit zum Beispiel Temperaturen in einem Bereich unterhalb etwa 500°C, durchgeführt werden können. Auf diese Weise können die Schritte 102 bis 105 des in 6 gezeigten Verfahrens auch als „Via-Last-Prozess” im Zusammenhang mit temperaturempfindlichen Vorprozessen eingesetzt werden.
  • Im Hinblick auf das Verfahren von 6 besteht die Möglichkeit, einzelne der beschriebenen Schritte und/oder Prozesse auf andere Weise durchzuführen bzw. zu variieren. Mögliche in Betracht kommende Abwandlungen, welche auch miteinander kombiniert werden können, werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei wird darauf hingewiesen, dass im Hinblick auf bereits beschriebene Details, welche sich auf gleichartige oder übereinstimmende Komponenten, einsetzbare Verfahrensschritte, mögliche Vorteile usw. beziehen, auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen wird.
  • Beispielsweise ist es möglich, zum Ausbilden der metallischen Schicht 150 in dem Schritt 104 mehrere unterschiedliche Teilschichten nacheinander auf dem Substrat 120 bzw. auf der isolierenden Schicht 130 auszubilden, wobei erneut Sputter- bzw. Aufdampfverfahren zum Einsatz kommen können (nicht dargestellt). Die Teilschichten können zum Beispiel unterschiedliche Metalle aufweisen. Möglich ist es auch, dass alle oder mehrere der Teilschichten das gleiche Metall aufweisen, welches jedoch auf unterschiedliche Weise, beispielsweise in unterschiedlichen Anlagen bzw. mit unterschiedlichen Anlagenparametern abgeschieden wird. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die aus Teilschichten aufgebaute metallische Schicht 150 im Hinblick auf unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen zu optimieren. Beispielsweise kann die metallische Schicht 150 aus drei Metalllagen ausgebildet werden, wobei die erste (untere) Metalllage einen geringen Kontaktwiderstand zu dem Substratbereich 125, die zweite (mittlere) Metalllage einen mechanisch stabilen Verschluss der Grabenstruktur 140, und die dritte (obere) Metalllage eine hohe Resistenz bezüglich kritischer Medien, die auf die Oberfläche gelangen könnten, ermöglicht.
  • Es kann sich auch als günstig erweisen, die metallische Schicht 150 in mehreren Schritten abzuscheiden bzw. in Form von mehreren Teilschichten auszubilden, und dazwischen jeweils einen Teil der Schicht 150 (bzw. von mindestens einer Teilschicht) wieder abzutragen, beispielsweise durch Durchführen eines Sputterätzprozesses („Rücksputtern”). Durch eine solche Vorgehensweise kann erzielt werden, dass die Schichtdicke der metallischen Schicht 150 (bzw. einer Teilschicht) auf einer ebenen Fläche in stärkerem Maße reduziert wird als in einer Öffnung, d. h. insbesondere im Bereich des Grabenätzbereichs 132, oder je nach Geometrie ein solcher Bereich weiter verschlossen wird. Dadurch kann erreicht werden, dass bei einer im Mittel relativ geringen Dicke der metallischen Schicht 150 eine erhöhte Schichtdicke im Bereich des Grabenätzbereichs 132 erzeugt wird.
  • Eine weitere mögliche Alternative bezieht sich auf das in 7 (ausschnittsweise) dargestellte Bauelement 112. Bei der Herstellung des Bauelements 112 wird beim Strukturieren der isolierenden Schicht 130 im Rahmen des Schritts 102 kein (in der Aufsicht) durchgehender bzw. geschlossener Grabenätzbereich 132, sondern ein gitterförmiger Grabenätzbereich 131 mit relativ schmalen Stegen ausgebildet, wobei der gitterförmige Grabenätzbereich 131 wie der durchgehende Grabenätzbereich 132 (in der Aufsicht) einen Substratbereich 125 einfasst und zum Ätzen einer Grabenstruktur 141 (Schritt 103) eingesetzt wird. Stege des Gitters werden beim Grabenätzen vollständig unterätzt. Die gitterförmige Ausgestaltung des Grabenätzbereichs 131 hat zur Folge, dass die metallische Schicht 150 in dem Schritt 104 nicht mehr im Wesentlichen die gesamte Grabenbreite, sondern nur noch einzelne „Waben” des Gitters verschließt. Dadurch kann erzielt werden, dass auch eine Grabenstruktur 141 mit relativ breiten Gräben zuverlässig durch die metallische Schicht 150 verschlossen wird, selbst wenn die metallische Schicht 150 mit einer relativ geringen Dicke ausgebildet wird.
  • Das Verfahren von 6 ist nicht nur auf die Herstellung der in den 5 und 7 dargestellten Bauelemente 111, 112 bzw. integrierten Schaltungen beschränkt, sondern kann auch zur Herstellung anderer Bauelemente herangezogen werden. In Betracht kommen insbesondere mikromechanische Bauelemente.
  • Zur beispielhaften Veranschaulichung ist in 8 ein Ausschnitt eines solchen mikromechanischen Bauelements 113 dargestellt, welches beispielsweise in einem Beschleunigungssensor oder in einem Drehratensensor zum Einsatz kommt. Das Bauelement 113 weist erneut das Substrat 120 mit der Durchkontaktierung, d. h. dem Durchkontaktierungsbereich 125 und der Grabenstruktur 140 sowie den Schichten 130, 150 im Bereich der Substratoberseite 122 auf.
  • An der Unterseite 121 des Substrats 120 ist eine Anordnung aus einer isolierende Schicht 139 mit einer darin zum Teil eingebetteten bzw. vergrabenen leitfähigen Schicht 159 vorgesehen. Bei der isolierenden Schicht handelt es sich beispielsweise um eine Siliziumoxidschicht. Die leitfähige Schicht 159, welche beispielsweise eine (dotierte) Polysiliziumschicht darstellt und welche als Leiterbahn- bzw. Kontaktstruktur fungiert, ist über eine Öffnung in der isolierenden Schicht 139 direkt mit dem Durchkontaktierungsbereich 125 verbunden. Angrenzend an die isolierende Schicht 139 ist eine leitfähige Funktionsschicht 170 vorgesehen. Die Funktionsschicht 170 ist beispielsweise eine sogenannte Epi-Polysiliziumschicht, d. h. eine in einem Epitaxie-Verfahren erzeugte polykristalline Siliziumschicht, welche optional dotiert ausgebildet sein kann. Die Funktionsschicht 170 ist in einem Teilbereich in Form einer freigelegten mikromechanischen Struktur 171 (Mikrostruktur bzw. MEMS-Struktur) mit beweglichen Funktionselementen ausgebildet. Hierbei wird die mikromechanische Struktur 171 bzw. ein Teil davon an einem Rand von der leitfähigen Schicht 159 kontaktiert. Darüber hinaus ist ein weiteres Substrat 180 über eine Verbindungsschicht 185 mit der Funktionsschicht 170 verbunden. Das weitere Substrat 180, welches beispielsweise Silizium aufweist, stellt ein Kappensubstrat bzw. einen Kappenwafer dar, mit dessen Hilfe die mikromechanische Struktur 171 hermetisch abgedichtet wird.
  • Im Hinblick auf die Herstellung der Durchkontaktierung bei dem Bauelement 113 gemäß des Verfahrens von 6 besteht beispielsweise die Möglichkeit, in dem Schritt 101 das Substrat 120 zunächst mit einer Anordnung aus den Schichten 139, 159, 170 bereitzustellen, wobei die mikromechanische Struktur 171 noch nicht ausgebildet bzw. freigelegt ist. Hieran anschließend können die oben beschriebenen Schritte 102, 103, 104 durchgeführt werden, wobei die isolierende Schicht 139 bei dem Ätzprozess (Schritt 103) als Ätzstoppschicht fungieren kann. Im Rahmen des nachfolgenden Schritts 105 kann die metallische Schicht 150 strukturiert, die mikromechanische Struktur 171 durch Durchführen von entsprechenden MEMS-Prozessen ausgebildet, die Funktionsschicht 170 über die Verbindungsschicht 185 mit dem Substrat 180 verbunden und wie in 8 angedeutet ein Bonddraht 190 an die metallische Schicht 150 angeschlossen werden. Hierbei ist der Bonddraht 190 elektrisch über die metallische Schicht 150, den Durchkontaktierungsbereich 125 und die leitfähige Schicht 159 mit der mikromechanischen Struktur 171 verbunden, um im Betrieb des Bauelements 113 beispielsweise ein vorgegebenes elektrisches Potential an die mikromechanische Struktur 171 anzulegen. Anstelle der vorstehend genannten beispielhaften Prozessfolge können die Prozesse auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Substrat 120 bereits mit der ausgebildeten mikromechanischen Struktur 171 und gegebenenfalls mit dem mit der Funktionsschicht 170 verbundenen Substrat 180 in dem Schritt 101 bereitgestellt werden, bevor die Schritte 102, 103, 104 durchgeführt werden.
  • Eine weitere mögliche Abwandlung des Herstellungsverfahrens bezieht sich auf das in 9 (ausschnittsweise) dargestellte Bauelement 114, welches im Wesentlichen den gleichen Aufbau besitzt wie das Bauelement 111 von 5. Im Unterschied zu dem Bauelement 111 weist das Bauelement 114 an bzw. auf der Oberseite 122 des Substrats 120 ein weiteres Element 161 auf, welches den Durchkontaktierungsbereich 125 kontaktiert. Bei dem Element 161 kann es sich zum Beispiel um ein weiteres Schaltungselement oder auch um eine metallische Fläche bzw. um eine Metallbahn handeln. Das weitere Element 161 weist ein Metall oder ein anderes Material auf, welches in dem Ätzprozess zum Ausbilden der Grabenstruktur 140 (Schritt 103) nicht (bzw. nahezu nicht) angegriffen wird. Auch kann das Element 161 von einem solchen Material umschlossen sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann das oben beschriebene Ausbilden und Entfernen einer Schutzschicht 135 entfallen.
  • Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Anstelle der beschriebenen Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen umfassen können.
  • Im Hinblick auf genannte Materialien besteht beispielsweise die Möglichkeit, diese durch andere Materialien zu ersetzen. Auch können andere Substrate mit einem anderen Aufbau bzw. anderen Strukturen bereitgestellt und/oder mit einem anderen Halbleitermaterial als Silizium verwendet werden, in welchen eine Durchkontaktierung mit den oben beschriebenen Ansätzen ausgebildet wird. Ferner können weitere als die beschriebenen Prozesse durchgeführt und/oder weitere Elemente und Strukturen ausgebildet werden.
  • Im Hinblick auf das Bauelement 114 von 9 besteht beispielsweise die Möglichkeit, anstelle des einzelnen Elements 161 mehrere den Substratbereich 125 kontaktierende Elemente vorzusehen. Möglich ist auch ein „vergrabenes” Element, bei dem ein Teilbereich bzw. eine Seite in der gleichen Ebene liegt wie die Oberseite 122 des Substrats 120. Auch können an bzw. im Bereich der Unterseite 121 des Substrats 120 weitere den Substratbereich 125 kontaktierende Elemente vorgesehen sein. Derartige Ausgestaltungen mit einem oder mehreren zusätzlichen Elementen an Ober- und/oder Unterseite 122, 121 des Substrats 120, welche den Durchkontaktierungsbereich 125 kontaktieren bzw. an diesen angrenzen, können auch bei den anderen Bauelementen 111, 112, 113 der 5, 7 und 8 in Betracht kommen.
  • Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren nicht auf die Herstellung einer einzelnen Durchkontaktierung in einem Substrat beschränkt ist. Durch das Verfahren können mehrere oder eine Vielzahl von Durchkontaktierungen in einem Substrat ausgebildet werden, was insbesondere im Wesentlichen gleichzeitig oder parallel erfolgen kann.
  • Auch besteht die Möglichkeit, beschriebene Prozesse gegebenenfalls in einer anderen Reihenfolge oder auch auf gemeinsame Weise auszuführen. Ein mögliches Beispiel ist die Ausbildung der isolierenden Schichten 130, 138 des Bauelements 111 von 5. Anstelle die Schichten 130, 138 getrennt voneinander auf der Ober- und Unterseite 121, 122 des Substrats 120 auszubilden, können beide Schichten 130, 138 auch in einem gemeinsamen Prozess auf dem Substrat 120, beispielsweise durch thermisches Aufwachsen, erzeugt werden.
  • Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass anstelle der dargestellten Grabenstrukturen 140, 141 Grabenstrukturen mit einem anderen Aufbau bzw. einer anderen Geometrie erzeugt werden können. Ein Beispiel ist eine Grabenstruktur, welche eine aufgeweitete Form lediglich in einem oberen Bereich aufweist. Eine solche Geometrie kann für den Fall gewählt werden, dass beim Ausbilden einer metallischen Schicht zum Verschließen der Grabenstruktur keine oder eine zu vernachlässigende Abscheidung von metallischem Material in einem unteren Bereich der Grabenstruktur auftritt.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Durchkontaktierung, umfassend die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Substrats (120); Ausbilden einer isolierenden Schicht (130) auf dem Substrat (120); Strukturieren der isolierenden Schicht (130), wobei die isolierende Schicht (130) wenigstens in einem vorgegebenen Grabenätzbereich (131, 132) entfernt wird, welcher einen Substratbereich (125) umschließt; Durchführen eines Ätzprozesses, wobei die strukturierte isolierende Schicht (130) zur Maskierung dient, um Substratmaterial in dem Grabenätzbereich (131, 132) zu entfernen und eine den Substratbereich (125) umschließende Grabenstruktur (140) zu erzeugen; und Ausbilden einer metallischen Schicht (150) auf der isolierenden Schicht (130), durch welche die Grabenstruktur (140) verschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ätzprozess derart durchgeführt wird, dass die strukturierte isolierende Schicht (130) unterätzt wird und die Grabenstruktur (140) in einem an die strukturierte isolierende Schicht (130) angrenzenden oberen Bereich eine aufgeweitete Form (142) aufweist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ätzprozess derart durchgeführt wird, dass die Grabenstruktur (140) in einem unteren Bereich eine aufgeweitete Form (143) aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Strukturieren zusätzlich ein Teil der isolierenden Schicht (130) in einem Öffnungsbereich (133) innerhalb des Grabenätzbereichs (131, 132) entfernt wird, wobei vordem Durchführen des Ätzprozesses eine den Öffnungsbereich (133) abdeckende Schutzschicht (135) ausgebildet wird, durch welche ein Entfernen von Substratmaterial in dem Öffnungsbereich (133) verhindert wird, und wobei die Schutzschicht (135) nach dem Durchführen des Ätzprozesses entfernt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die isolierende Schicht (130) in dem Grabenätzbereich (131) in Form eines Gitters strukturiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbilden der metallischen Schicht (150) das Ausbilden mehrerer Teilschichten umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend Entfernen eines Teils von wenigstens einer der mehreren Teilschichten vor dem Ausbilden einer weiteren der mehreren Teilschichten.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (120) mit einer Ätzstoppschicht (138, 139) an einer Seite bereitgestellt wird, und wobei der Ätzprozess beim Erreichen der Ätzstoppschicht (138, 139) beendet wird.
  9. Bauelement, aufweisend: ein Substrat (120); eine Durchkontaktierung in dem Substrat (120) umfassend einen Substratbereich (125) und eine Grabenstruktur (140), welche den Substratbereich (125) umschließt; eine auf dem Substrat (120) angeordnete strukturierte isolierende Schicht (130), welche wenigstens im Bereich der Grabenstruktur (140) entfernt ist; und eine auf der isolierenden Schicht (130) angeordnete metallische Schicht (150), durch welche die Grabenstruktur (140) verschlossen ist.
  10. Bauelement nach Anspruch 9, wobei die Grabenstruktur (140) in einem an die strukturierte isolierende Schicht (130) angrenzenden oberen Bereich und in einem unteren Bereich jeweils eine aufgeweitete Form (142, 143) aufweist.
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