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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement mit entkoppeltem mikro-elektromechanischen Element sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements mit entkoppeltem mikro-elektromechanischen Element.
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Stand der Technik
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Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) werden heute in der Mikrosystemtechnik als erste Aufnehmer für physikalische Messgrößen verwendet. Dabei werden häufig Sensoren oder Aktoren verwendet, die im Zusammenwirken mit logischen Schaltkreisen physikalische Messgrößen der Umgebung auf einem miniaturisierten System erfassen und in elektronische Steuersignale umwandeln können.
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Mikro-elektromechanische Elemente wie Sensoren oder Aktoren sind dabei häufig widrigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Es ist daher wichtig, den störungslosen Betrieb solcher Elemente durch geeignete Maßnahmen beim Verbau mikro-mechanischer Elemente in elektronischen Systemen weitestgehend sicherzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiter-Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements zu schaffen, bei welchem eine Entkopplung eines mikro-elektromechanischen Kerns gegenüber Zug- bzw. Scherkräften und/oder thermischen Einflüssen von den restlichen Bauteilen des Halbleiter-Bauelements verbessert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Halbleiter-Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 10, und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
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Ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer Ausführungsform weist einen Chip mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche auf, in den ein mikro-elektromechanisches Element in einem ersten Bereich des Chips eingebettet ist. Weiterhin ist ein Graben vorgesehen, welcher in dem Chip zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche verläuft und welcher den ersten Bereich des Chips von einem zweiten Bereich des Chips trennt. Dadurch kann vorteilhafterweise eine thermische Entkopplung des ersten Bereichs des Chips von dem zweiten Bereich des Chips erreicht werden, so dass das mikro-elektromechanische Element Temperaturschwankungen über das Halbleiter-Bauelement hinweg gegenüber unempfindlich bleibt.
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Vorzugsweise wird der Graben an einer ersten Öffnung durch eine erste dielektrische Schicht, welche insbesondere eine Oxidschicht sein kann, verdeckt, welche auf der ersten Hauptoberfläche des Chips aufgebracht ist. Dies hat den Vorteil, dass ein Eindringen von Staub, Schmutz, Lot- oder Klebermaterial oder sonstiger Partikel in den Graben während des Fertigungsprozesses oder auch im Betrieb vermieden werden kann.
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Vorzugsweise wird der Graben an seiner zweiten Öffnung auf der zweiten Hauptoberfläche des Chips durch eine zweite dielektrische Schicht verdeckt. Die zweite dielektrische Schicht kann eine strukturierte Schicht sein, deren Struktur ein Tiefenprofil in Richtung des Chipinneren aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise eine mechanische Entkopplung des ersten Bereichs des Chips gegenüber externen Zug- oder Scherkräften, die bei der Fertigung oder im Betrieb des Halbleiter-Bauelementes oder durch Temperaturschwankungen beim Einsatz des Halbleiter-Bauelementes auftreten können, erreicht werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Halbleiter-Bauelementes umfasst als mikro-mechanisches Element einen Drucksensor. Dazu kann das Halbleiter-Bauelement vorzugsweise einen Temperaturfühler und/oder einen Heizwiderstand, die in dem ersten Bereich des Chips an der ersten Hauptoberfläche des Chips angeordnet sind umfassen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Halbleiter-Package mit einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelement vorgesehen, bei dem das Halbleiter-Bauelement mit einem Kleber oder einem Lot auf einem Trägerelement angebracht ist, wobei der Kleber oder das Lot den ersten Bereich des Chips nicht bedecken, und welches ein Kapselungsmaterial beinhaltet, welches auf dem Chip und dem Trägerelement angeordnet ist, wobei der erste Bereich des Chips von dem Kapselungsmaterial frei bleibt. Dies ist insbesondere bei Drucksensoren von Vorteil, wenn der Drucksensor gegenüber der Umgebungsatmosphäre frei zu liegen kommt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Halbleiter-Bauelement mit einen Chip mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, einem mikro-elektromechanischen Element, welches in dem Chip eingebettet ist, und mindestens einem Graben, welcher in dem Chip eingebracht ist und welcher auf der ersten Hauptoberfläche oder der zweiten Hauptoberfläche eine Öffnung aufweist, vorgesehen. Dabei ist die Öffnung von einer strukturierten Schicht bedeckt, deren Struktur ein Tiefenprofil in Richtung des Chipinneren aufweist. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß eine besonders gute Entkopplung des mikro-elektromechanischen Elementes gegenüber externen Zug- und Scherkräften.
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Vorzugsweise ist die strukturierte Schicht eine dielektrische Schicht, die entlang der ersten oder der zweiten Hauptoberfläche des Chips ein Gitter ausbildet. Dies erleichtert später das Verschließen des Gitters durch eine Verschlusschicht, außerdem verhindert dies vorteilhafterweise ein Eindringen von Fremdpartikeln in den mindestens einen Graben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements mit den Schritten:
Bereitstellen eines Chips, mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, und mit einem mikro-elektromechanischen Element, welches in dem Chip eingebettet ist, Einbringen einer Oberflächenstruktur in einen ersten Bereich der ersten Hauptoberfläche des Chips, Bedecken der Oberflächenstruktur mit einer dielektrischen Schicht und Einbringen eines Grabens in den Chip unterhalb der dielektrischen Schicht im Bereich der Oberflächenstruktur.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei eine Maskenschicht auf der ersten Hauptoberfläche des Chips aufgebracht und durch Ätzen eine Vertiefungsstruktur in dem Chip durch die Maskenschicht eingebracht. Danach kann die Oberfläche des Chips im Bereich der Vertiefungsstruktur vorzugsweise oxidiert werden.
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Vorteilhafterweise wird der Graben in den Chip eingebracht, indem die dielektrische Schicht fotostrukturiert wird und der Graben in den Chip durch die fotostrukturierte dielektrische Schicht unter die Vertiefungsstruktur geätzt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise einen einfachen Herstellungsprozess einer tiefenstrukturierten Deckschicht für den Graben, die die Stabilität des Halbleiter-Bauelementes gegenüber externen Zug- und Scherkräften gewährleisten kann.
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Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 ein Halbleiter-Package gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7a–e die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8 ein Halbleiter-Bauelement in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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9 ein Halbleiter-Bauelement in Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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10a ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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10b die Wirkung von Zugkräften auf ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine Detailansicht eines Halbleiter-Bauelementes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Bauelemente mit mikro-elektromechanischen Elementen. Mikro-elektromechanische Elemente im Sinne dieser Anmeldung können verschiedenste Sensoren oder Aktoren sein, insbesondere beispielsweise Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, IR-Arrays, Hallsensoren, Resonatoren, Mikrospiegel, Trägheitssensoren, Inertialsensoren oder dergleichen. Halbleiter-Bauelemente im Sinne dieser Anmeldung können neben den mikro-elektromechanischen Elementen verschiedene andere Komponenten umfassen, insbesondere dotierte Bereiche, beispielsweise dotierte Bereiche der Piezowiderstände, dotierte Bereiche zur Realisierung von Halbleiterschaltungen (z. B. Transistoren, Dioden, Widerstände, usw.), Leiterbahnen, Bonddrähte, Lötschichten, Isolationsschichten, Passivierungsschichten, Klebeschichten, dielektrische Schichten, Bondpads und dergleichen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise in den Figuren gezeigt und beschrieben sind.
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1 zeigt ein Halbleiter-Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Halbleiter-Bauelement 100 beinhaltet einen Chip 1 mit einer ersten Hauptoberfläche 2a, hier oben dargestellt, und einer zweiten Hauptoberfläche 2b, hier unten dargestellt. Der Chip 1 kann vorzugsweise aus Silizium bestehen. Eine obere Schicht des Chips kann eine Epitaxieschicht 1a sein, die mithilfe epitaktischer Verfahren hergestellt werden kann. Ein derartiger Chip 1 kann beispielsweise im sogenannten APSM-Verfahren (Advanced Porous Silicon Membrane) hergestellt werden. Damit kann ein Hohlraum unter der Epitaxieschicht realisiert werden.
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Der Chip 1 umfasst dabei einen ersten Chipbereich 4a, hier etwa in der Mitte des Chips 1 dargestellt, in dem ein mikro-elektromechanisches Element 3 eingebettet ist. Insbesondere kann es sich – wie hier beispielhaft dargestellt – um einen Druckssensor handeln, bei dem ein Hohlraum unterhalb einer Membran an der ersten Hauptoberfläche 2a des Chips 1 liegt. Der Hohlraum kann gasgefüllt oder evakuiert sein. Von außen kann ein Druck p, der auf die erste Hauptoberfläche 2a im Bereich der Membran über dem Hohlraum wirkt, über eine Messeinrichtung 8 gemessen werden. Die Messeinrichtung 8 kann dabei ein Piezowiderstand oder ein piezoelektrisches Element sein. Insbesondere können auf der Hauptoberfläche 2a des Chips 1 mehrere Piezowiderstände in bekannter Weise zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet werden, um den Druck p in eine elektrische Spannung umzusetzen. Elektrische Signale, die von dem mikro-elektromechanischen Element erzeugt werden können dabei über einen Anschluss 102 des Chips 1 abgegriffen und über eine Leitung 103 nach außen geführt werden. Der Chip 1 weist dazu einen Anschluss 104 auf, an den externe Leitungen angeschlossen werden können. Die Leitung 103 ist hier exemplarisch dargestellt, das Halbleiter-Bauelement 100 kann weiterhin über eine Vielzahl von Leitungen verfügen, die ähnlich der Leitung 103 aufgebaut sind oder in einer Verdrahtungsstruktur integriert sind. Die Leitung 103 kann insbesondere aus Aluminium oder Kupfer oder einem ähnlichen metallischen Material hergestellt werden.
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Das Halbleiter-Bauelement 100 umfasst weiterhin Gräben 7, die in dem Chip 1 eingebracht sind, und sich von der ersten Hauptoberfläche 2a zur zweiten Hauptoberfläche 2b hin erstrecken. Die Gräben 7 können dabei ungefüllt sein oder an den Gräbeninnenwänden mit einer metallischen Beschichtung zur Leitung von elektrischen Signalen versehen sein. Die Gräben 7 umfassen den ersten Bereich 4a des Chips 1 dergestalt, dass der zweite Bereich 4b des Chips 1 mit dem ersten Bereich 4a des Chips 1 nur über die weiter unten beschriebenen Schichten 5 und 6 in Verbindung steht. Dadurch bilden die Gräben 7 eine thermische Entkopplung des ersten Bereichs 4a von dem zweiten Bereich 4b, das heißt, der erste Bereich 4a mit dem mikro-elektromechanischen Element 3 ist von dem zweiten Bereich 4b thermisch isoliert. Die in 1 gezeigten zwei Gräben 7 können über einen nicht in der Darstellungsebene sichtbaren Verlauf im Inneren des Chips 1 zu einem Graben 7 verbunden sein.
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Das Halbleiter-Bauelement 100 kann weiterhin eine erste Schicht 5 umfassen, die insbesondere eine dielektrische Schicht, insbesondere eine Oxidschicht, insbesondere aus Siliziumoxid sein kann. Die erste Schicht 5 ist derart auf der ersten Hauptoberfläche 2a des Chips 1 angeordnet, dass eine Öffnung 7a des Grabens 7 von der ersten Schicht 5 bedeckt ist. Die erste Schicht 5 als Oxidschicht kann durch eine Oxidierung der obersten Schicht des Chipmaterials 1 von der Seite der Hauptoberfläche 2a des Chips 1 hergestellt werden. Die erste Schicht 5 weist üblicherweise eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Wärmeleitung vom ersten Bereich 4a des Chips 1 zum zweiten Bereich 4b des Chips 1 minimal bleibt und eine gute thermische Isolation gewährleistet ist. Bei der Herstellung der Gräben 7 durch einen Ätzprozess von der zweiten Hauptoberfläche 2b des Chips 1 kann die erste Schicht 5 als Ätzstoppschicht wirken.
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Auf der ersten Schicht 5 kann eine Passivierungsschicht 6, insbesondere aus Siliziumnitrid angebracht sein. Die Passivierungsschicht 6 kann zum Schutz der darunter liegenden Schichten und Elemente vor mechanischen und/oder elektrischen Einwirkungen aufgebracht werden.
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Das Halbleiter-Bauelement 100 kann weiterhin einen Heizwiderstand 101 aufweisen, der über elektrischen Strom den ersten Bereich 4a mit dem Kern des mikro-elektromechanischen Elementes 3 beheizen kann. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Siliziums des Chips 1 kann der erste Bereich 4a schnell gleichmäßig aufgeheizt werden. Die Gräben 7 verhindern dabei, die Dissipation von Wärme in den zweiten Bereich 4b des Chips 1. Der Heizwiderstand ist auf dem mikro-elektromechanischen Element 3 angeordnet und vorteilhafterweise flächig auf der ersten Hauptoberfläche 2a im Bereich des mikro-elektromechanischen Elementes 3 verteilt.
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Das Halbleiter-Bauelement 100 kann weiterhin einen Temperaturfühler 105 umfassen, mithilfe dessen die Temperatur in dem ersten Bereich 4a des Chips 1 überwacht werden kann. Der Temperaturfühler 105 kann dabei zum Beispiel ein Temperaturmesswiderstand oder eine Diode sein. Durch die vergleichsweise kleine Ausdehnung des ersten Bereichs 4a in Relation zum gesamten Chip 1 kann eine exakte Temperaturmessung durch den Temperaturfühler 105 bereits nach kurzer Einschwingzeit erfolgen.
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Das Halbleiter-Bauelement 100 nach 1 kann weiterhin über ein Verbindungsmittel 9, beispielsweise einen Kleber oder ein Lot, mit einem Trägerelement 10, beispielsweise einem Systemträger, einem Die-Pad, einer Leiterplatte oder dergleichen verbunden sein.
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In 2 wird ein Halbleiter-Bauelement 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Halbleiter-Bauelement 200 unterscheidet sich von dem Halbleiter-Bauelement 100 nur darin, dass ein Bereich 201 unterhalb des ersten Bereichs 4a des Chips 1 von dem Verbindungsmittel 9 frei bleibt. Das Verbindungsmittel 9 wird dazu unterhalb des zweiten Bereichs 4b des Chips 1 aufgebracht, um eine Verbindung mit dem Trägerelement 10 zu schaffen. Dies hat den Vorteil, dass der erste Bereich 4a und dabei insbesondere das mikro-elektromechanische Element 3 von dem zweiten Bereich 4b und dem Trägerelement 10 mechanisch entkoppelt wird. Zug- und Scherkräfte sowie sonstiger auftretender mechanischer Stress bei der Fertigung des Halbleiter-Bauelementes 200 können damit reduziert werden, so dass die empfindlichen Elemente des Halbleiter-Bauelementes 200 wie beispielsweise der Piezowiderstand oder der Sensorkern nur minimal beeinträchtigt werden.
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Der Bereich 201 unterhalb des ersten Bereichs 4a des Chips 1 kann mit dem Außenraum verbunden werden, beispielsweise durch eine Öffnung in dem umlaufenden Verbindungsmittel 9. Der Bereich 201 kann allerdings auch verschlossen werden, um Verschmutzungen und Ablagerungen in diesem Bereich zu vermeiden oder um ein Gel, beispielsweise ein Fluor-Silikon-Gel in diesem Bereich einbringen zu können.
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3 zeigt ein Halbleiter-Bauelement 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Halbleiter-Bauelement 300 unterscheidet sich von dem Halbleiter-Bauelement 200 dadurch, dass auf der zweiten Hauptoberfläche 2b des Chips 1 eine Verschlussschicht 301 angeordnet ist. Die Verschlussschicht 301 kann eine Oxidschicht und möglicherweise weitere dielektrische und/oder metallische Schichten umfassen. Die Verschlussschicht 301 ist über dem ersten Bereich 4a und dem zweiten Bereich 4b angeordnet, so dass eine Öffnung des Grabens 7 auf der zweiten Hauptoberfläche 2b des Chips 1 durch die Verschlussschicht 301 verdeckt ist. Dadurch kann eine Partikeleinlagerung oder Verschmutzung der Gräben 7 durch beispielsweise Kleber, Lot oder andere Fremdpartikel vermieden werden. Falls Partikel oder Verschmutzungen die Gräben 7 mit der Zeit zusetzen, käme es über diese Einlagerungen zu einem unkontrollierten Krafteintrag in das mikro-elektromechanische Element 3. Das kann zu einer Beeinträchtigung der Kennlinie des Piezowiderstandes 8 führen, so dass gemessene Nutzsignale fehlerbehaftet wären. Mit der Verdeckung der Gräben 7 durch die Verschlussschicht 301 kann dieses Problem umgangen werden.
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4 zeigt ein Halbleiter-Package 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Halbleiter-Package 400 umfasst dabei neben einem Halbleiter-Bauelement gemäß eines der Halbleiter-Bauelemente 100, 200 oder 300 einen Steuerchip 401, beispielsweise einen ASIC, der über eine Schicht 402 mit dem Trägerelement 10 verbunden ist. Verbindungsmittel 403, 404 wie beispielsweise Bonddrähte oder dergleichen verbinden Anschlüsse des Steuerchips 401 mit Anschlüssen auf dem Trägerelement 10. Ein weiteres Verbindungsmittel 405 dient zur elektrischen Verbindung des Halbleiter-Bauelementes 100, 200 oder 300 mit dem Trägerelement 10 über einen Anschluss 406 auf dem Halbleiter-Bauelement.
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Das Halbleiter-Package 400 kann dabei in einem Kapselungsmaterial 408, beispielsweise einem Moldgehäuse, welches zum Beispiel über Sheet-Molding hergestellt wird, eingekapselt sein. Dabei ist das Kapselungsmaterial 408 derart angeordnet, dass ein Bereich 407b über dem ersten. Bereich 4a des Chips 1 und damit über dem mikro-elektromechanischen Element 3 frei bleibt. Wenn das mikro-elektromechanische Element 3 beispielsweise ein Drucksensor ist, kann der Drucksensor 3 einen Druck p in der Umgebung messen. Auch ein Bereich 407a unterhalb des Halbleiter-Bauelements 100, 200 oder 300 kann frei bleiben. Insbesondere kann das Trägerelement 10 in diesem Bereich eine Aussparung aufweisen, so dass der erste Bereich 4a des Chips 1 auch über die zweite Hauptoberfläche 2b des Chips 1 in Verbindung mit der Umgebung steht.
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5 zeigt ein Halbleiter-Bauelement 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Halbleiter-Bauelement 500 umfasst einen Chip 1, der ein mikro-elektromechanisches Element 3 aufweist. Der Chip 1 und das mikro-elektromechanische Element 3 können wie in den vorangegangenen Ausführungsformen ausgestaltet sein. Hier ist beispielhaft ein Drucksensor als das mikro-elektromechanische Element 3 gezeigt, welcher über einen Hohlraum und eine Siliziummembran einen Druck p an der ersten Hauptoberfläche 2a des Chips 1 misst. Der Drucksensor ist dabei als Absolutdrucksensor dargestellt.
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Das Halbleiter-Bauelement 500 umfasst einen Graben 7, der von der ersten Hauptoberfläche 2a des Chips 1 in das Chipinnere hinein verläuft. Der Graben 7 besitzt dabei eine Öffnung 7a, die an der ersten Hauptoberfläche 2a des Chips 1 liegt.
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Das Halbleiter-Bauelement 500 umfasst weiterhin eine Schicht 401a, die über der Öffnung 7a des Grabens 7 angeordnet ist. Die Schicht 401a kann über die gesamte Hauptoberfläche 2a des Chips 1 verlaufen, oder wie hier exemplarisch gezeigt, nur im Bereich der Öffnungen 7a angeordnet sein. Die Schicht 401a kann eine Oxidschicht und/oder eine weitere dielektrische oder metallische Schicht umfassen.
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Die Schicht 401a ist vorzugsweise eine strukturierte Schicht. Die Struktur der Schicht 401a weist dabei ein Vertiefungsprofil auf, welches eine Tiefe in Richtung des Chipinneren besitzt. In den 7a bis 7e werden weiter unten Details der strukturierten Schicht 401a dargestellt, insbesondere im Bereich des in 5 angedeuteten gestrichelten Bereichs. Die strukturierte Schicht 401a ist dabei im Wesentlichen planar mit der Hauptoberfläche 2a des Chips 1 angeordnet, so dass das mikro-elektromechanische Element 3 eine weitgehend eben Oberfläche aufweist. Dies kann von Vorteil sein, wenn beispielsweise weiterverarbeitende Schritte vorgenommen werden, die eine planare Oberfläche benötigen, oder wenn mithilfe eines Drucksensors der Druck in einer laminaren Strömung bestimmt werden soll.
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Das Halbleiter-Bauelement 500 kann weiterhin ein Kapselungsmaterial 403 aufweisen, das als Gehäuse für das Halbleiter-Bauelement 500 dient und hier nur ausschnittsweise dargestellt ist. Das Kapselungsmaterial 403 kann über ein Verbindungsmittel 402, beispielsweise ein Eutektikum, ein Kleber oder ein Lot an den Chip 1 angebracht sein. Dabei ist das Kapselungsmaterial 403 derart angeordnet, dass ein Bereich oberhalb des mikro-elektromechanischen Elementes 3 frei bleibt. Das Verbindungsmittel 402 kann auch weggelassen werden, und das Kapselungsmaterial 403 stattdessen über beispielsweise anodisches Bonden an dem Chip 1 angebracht werden.
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6 zeigt ein Halbleiter-Bauelement 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Halbleiter-Bauelement 600 unterscheidet sich von dem Halbleiter-Bauelement 500 einerseits dahingehend, dass das mikro-elektromechanische Element 3 hier beispielhaft als Differenzdrucksensor dargestellt ist. Über eine Membran auf der Hauptoberfläche 2a des Chips 1 kann ein Druck p1 gegenüber einem Referenzdruck p2 auf der Seite einer zweiten Hauptoberfläche 2b des Chips gemessen werden.
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Andererseits umfasst das Halbleiter-Bauelement 600 neben dem Graben 7 weitere Gräben 7b, die sich von der zweiten Hauptoberfläche 2b des Chips 1 in das Chipinnere erstrecken. Dabei ist eine Öffnung 7c des Grabens 7b auf der zweiten Hauptoberfläche 2b des Chips 1 von einer Schicht 401b verdeckt, die ähnlich der Schicht 401a in 5 aufgebaut sein kann. Durch den verzahnten Aufbau der Gräben 7 und 7b können mechanische Verspannungen wie Zug- oder Scherkräfte, die von außen auf das mikro-elektromechanische Element 3 wirken können, effizient abgebaut werden. Solche Kräfte können beispielsweise zwischen Sensorchip und Gehäusematerial bei Temperaturänderungen auftreten, hervorgerufen durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten.
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In den 7a bis 7e sind Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere zeigen die 7a bis 7e Details der Herstellung einer Schicht 401a und eines Grabens 7 wie in 5 durch den gestrichelten Bereich angedeutet.
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In 7a ist ein erster Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Auf einen Chip wird eine Maskenschicht 701 aufgebracht, die gemäß einer Schablone oder mittels photolithographischer Verfahren strukturiert sein kann. Durch Einbringen von ersten Gräben 702a bis 702d in die Oberfläche des Chips 1 kann eine Oberflächenstruktur 702 geschaffen werden. Das Einbringen der Oberflächenstruktur 702 kann beispielsweise durch nasschemisches Ätzen oder durch einen Plasmaätzprozess geschehen.
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Die ersten Gräben 702a bis 702d sind hier mit rechteckiger Form dargestellt. Allerdings sind auch andere Formen wie beispielsweise Trapezoide, Pyramiden, Konusse, dreieckige Strukturen, halbkugelförmige Strukturen oder andere ähnliche Strukturen möglich. Auch ist die Oberflächenstruktur 702 nicht notwendigerweise periodisch. Die hier gezeigte Anzahl von vier ersten Gräben 702a bis 702d ist beispielhaft und nicht auf die exakte Anzahl an Gräben festgelegt. Die Tiefe der Gräben kann variabel sein.
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In 7b ist ein zweiter Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Nach Entfernung der Maskenschicht 701 wird eine Schicht 703, insbesondere eine dielektrische Schicht, auf dem Chip 1 im Bereich der Oberflächenstruktur 702 aufgebracht. Die Schicht 703 kann beispielsweise eine Oxidschicht sein, die insbesondere durch Oxidieren der obersten Schichten des Chipmaterials 1 erzeugt werden kann. Die Schicht 703 überdeckt die Oberfläche der Oberflächenstruktur und ist demzufolge von der Form her ähnlich strukturiert wie die eingebrachten ersten Gräben 702a bis 702d.
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In 7c ist ein dritter Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Über eine Strukturierung, beispielsweise eine Fotostrukturierung, insbesondere durch Sprühbelackung mit anschließendem nasschemischen oder trockenen Oxidätzen und nachfolgendem Ablösen der Lackmaske wird die Schicht 703 in Bereichen 704 strukturiert. Die Bereiche 704 sind insbesondere im Bereich der Oberflächenstruktur 702 angeordnet und überspannen eine Breite entlang der Oberfläche des Chips 1, die breiter als eine entsprechende Erstreckung der Oberflächenstruktur 702 ist.
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In 7d ist ein vierter Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Durch die strukturierte Schicht 703 wird ein Graben 705 in den Chip 1 eingebracht. Dabei kann das Einbringen des Grabens 705 insbesondere durch ein Unterätzen der strukturierten Bereiche 704 der Schicht 703 erfolgen. Auf diese Weise entsteht unterhalb der Bereiche 704 ein Hohlraum, welcher den Graben 705 ausbildet. Unterhalb der Schicht 703 bleiben in diesem Bereich daher keine Siliziumrückstände zurück. Die Tiefe des Grabens 705 ist variabel und kann tiefer als in 7d dargestellt sein. Insbesondere ist die Tiefe des Grabens 705 tiefer als die Tiefe der Vertiefungen in der Oberflächenstruktur 702, so dass die Schicht 703 im Bereich des Grabens 705 als eine Verdeckschicht des Grabens 705 zurückbleibt.
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In 7e ist ein fünfter Schritt des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Auf die Schicht 703 kann eine Verschlussschicht 706 aufgebracht werden, die in ihrer Struktur der Oberflächenstruktur 702 entspricht. Die Verschlussschicht 706 kann eine dielektrische Schicht sein. Die Verschlussschicht 706 kann auch eine metallische Schicht sein. Es ist auch möglich, eine mehrlagige Verschlussschicht 706 auszubilden, die sowohl metallische als auch dielektrische Unterschichten beinhaltet. Auf diese Weise kann die Verschlussschicht 706 als Verdrahtungsschicht über dem Chip 1 genutzt werden, um elektrische Leitungen über den Graben 705 hinweg zu führen. Ein Vorteil der Verschlussschicht 706 ist, dass durch die Vertiefungsstruktur 702 Stauchungen und Zerrungen der Verschlussschicht 706 und der Schicht 703 erfolgen können, ohne dass Kräfte in nennenswerter Weise über den Graben 705 hinweg übertragen werden können. Weiterhin schützen die Schicht 703 und die Verschlussschicht 706 den Graben 705 vor dem Eindringen von Partikeln und Verschmutzungen.
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8 zeigt ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Das Halbleiter-Bauelement nach 8 umfasst einen Chip 1 mit einem mikro-elektromechanischen Element 3. Über Leitungen 802, die an Anschlussstellen 801, beispielsweise Bondpads angeschlossen sind, können Signale und Ströme von dem mikro-elektromechanischen Element 3 abgeführt und zugeführt werden. Dabei ist das mikro-elektromechanische Element 3 in 8 von einem umlaufenden Graben 803 umgeben, auf dem eine Schicht mit einer Oberflächenstruktur 702 gemäß der Struktur in 7 aufgebracht ist. Die Leitungen 802 verlaufen dabei über den Graben 803. Der Graben 803 ist beispielhaft als quadratisch dargestellt, jedoch ist jede beliebige andere Form wie kreisrund, rechteckig, rechteckig mit abgerundeten Ecken oder ähnliches ebenso möglich.
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9 zeigt ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Das Halbleiter-Bauelement nach 9 umfasst einen Chip 1 mit einem mikro-elektromechanischen Element 3. Über Leitungen 902, die an Anschlussstellen 901, beispielsweise Bondpads angeschlossen sind, können Signale und Ströme von dem mikro-elektromechanischen Element 3 abgeführt und zugeführt werden. Dabei ist das mikro-elektromechanische Element 3 in 9 von einer Grabenstruktur 903a und 903b umgeben, auf denen eine Schicht mit einer Oberflächenstruktur gemäß der Struktur in 7 aufgebracht ist. In 9 sind die Gräben 903a als longitudinale Gräben und die Gräben 903b als U-förmige Gräben um den Bereich des mikro-elektromechanischen Elements 3 herum. Auf diese Weise verbleibt ein Pfad auf der Oberfläche des Chips 1, über den die Leitungen 902 von den Anschlussstellen 901 zu dem mikro-elektromechanischen Element 3 verlaufen können. Es ist daher in der Ausführungsform gemäß 9 nicht notwendig, die Leitungen 902 über die Gräben 903a und 903b verlaufen zu lassen. Es versteht sich für den Fachmann, dass eine Vielzahl von geometrischen Ausgestaltungsformen für die Gräben 903a und 903b möglich ist, ohne vom Grundgedanken des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelementes abzuweichen. Weiterhin ist die Anzahl der Grabenstrukturen nicht auf die Anzahl der in 8 und 9 gezeigten Gräben begrenzt.
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In 10a wird ein Halbleiter-Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Halbleiter-Bauelement in 10a entspricht dabei im Wesentlichen dem Halbleiter-Bauelement 500 in 5. Gezeigt sind insbesondere die Schichten 401a mit der Oberflächenstruktur 702 wie in 7a bis 7e erläutert.
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In 10b wird die Wirkungsweise der Oberflächenstruktur 702 und der Gräben 7 gezeigt, wenn Zugkräfte F und F' auf das Halbleiter-Bauelement in einem Bereich des Kapselungsmaterials 403 wirken. Durch die Zugkraft F wird zum Einen die dem mikro-elektromechanischen Element 3 abgewandte Grabenwand des Grabens 7 aus der Senkrechten ausgelenkt. Zugleich wird die Oberflächenstruktur 702 gezerrt. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich die Zugkraft auf den Bereich des Chips 1 in der Umgebung des mikro-elektromechanischen Elements 3 überträgt. Die in 10a gezeigten Piezowiderstände 1001 werden daher nicht durch mechanische Störeinflüsse von außen in ihrer Funktion beeinträchtigt.
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In 11 ist eine Detailansicht eines Halbleiter-Bauelementes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Gezeigt wird ein Ausschnitt eines Grabens 7 in einem Chip 1, der von einer Schicht 401a, insbesondere einer dielektrischen Schicht, verdeckt wird. Die Schicht 401a weist im Bereich der Öffnung des Grabens 7 auf der Oberfläche des Chips 1 eine Gitterstruktur 1101 auf, die in der Aufsicht auf der rechten Seite der Fig. genauer gezeigt ist. Die Gitterstruktur 1101 kann, wie in 11 gezeigt, mäanderförmig verbundene Längsstege aufweisen, die in Verlaufsrichtung des Grabens 7 verlaufen. Zugleich kann die Schicht 401a zusätzlich zu der Gitterstruktur in der Ebene der Oberfläche des Chips 1 über eine wie oben dargestellte Oberflächenstruktur verfügen, die der Schicht 401a eine wellenartige Tiefenstruktur verleiht. Es versteht sich, dass die in 11 gezeigt Gitterstruktur nur beispielhafter Natur ist und verschiedene Gitterstrukturen zur Überdeckung des Grabens 7 ebenfalls möglich sind.
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Die Gitterstruktur 1101 kann durch ein weiches Material wie beispielsweise ein Gel, insbesondere ein Fluor-Silikon-Gel verschlossen werden, um zu verhindern, dass Partikel und Schmutz in den Graben 7 gelangen. Ein Vorteil der Gitterstruktur 1101 in 11 ist es, dass mechanische Verspannungen in der Schicht 401a abgebaut werden können. Leitungen 802 wie in 8 gezeigt können zudem über die Stege der Gitterstruktur 1101 über den Graben 7 geführt werden.
