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Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung.
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Stand der Technik
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In der
WO 2011/107487 A1 sind eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung beschrieben. Die Halbleitervorrichtung umfasst mehrere optische Sensorelemente, deren Halbleiterbereiche aus einem SOI-Substrat herausstrukturiert sind. Jedes der optischen Sensorelemente ist über ein Stützelement aus einem Metall und eine Bondverbindung an einem Trägersubstrat befestigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Unter einer vollständigen Einbettung des mindestens einen Halbleiterbereich des mindestens einen Wandlerelements und der an dem mindestens einem Wandlerelement ausgebildeten leitfähigen Strukturen in mindestens ein isolierendes Material kann verstanden werden, dass der mindestens eine Halbleiterbereich und die den mindestens einen Halbleiterbereich (direkt) kontaktierenden leitfähigen Strukturen, welche im Wesentlichen parallel zu dem mindestens einen Halbleiterbereich ausgerichtet sind, in das mindestens eine isolierende Material vollständig eingebettet werden. Dies ist auch als eine vollständige (Rundum-) Oberflächenpassivierung des mindestens einen Wandlerelements umschreibbar.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die vollständige Einbettung des mindestens einen Wandlerelements und der daran ausgebildeten leitfähigen Strukturen in das mindestens eine isolierende Material ist ein Auftreten von Kurzschlüssen und/oder Leckströmen in der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung verlässlich verhindert. Die mittels der vorliegenden Erfindung realisierbare Passivierung des mindestens einen Wandlerelements und der daran ausgebildeten leitfähigen Strukturen, insbesondere von Zuleitungen zwischen dem mindestens einen Wandlerelement und dem Trägersubstrat, ermöglicht somit eine vorteilhafte Steigerung einer Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
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Wie unten genauer ausgeführt wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung insbesondere eine vorteilhafte Passivierung von Oberflächen des mindestens einen Wandlerelements, welche zu dem Trägersubstrat ausgerichtet sind. Auf diese Weise können störende Oberflächenleckströme und/oder ein erhöhtes Signalrauschen unterbunden werden. Eine bei herkömmlichen Halbleitervorrichtungen häufig auftretende begrenzte thermische Auflösung entfällt somit bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
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Außerdem können mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, wie unten noch genauer ausgeführt wird, alle Strukturen über Prozessschritte mit Ätzstopp hergestellt werden. Somit entfällt eine zeitliche Limitierung der Ätzschritte bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren. Dies ermöglicht eine vergleichsweise genaue Einhaltung von Strukturabmessungen des mindestens einen Wandlerelements selbst bei einer Massenherstellung von diesem. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann somit zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Halbleitervorrichtungen in der Massenproduktion eingesetzt werden.
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Vorzugsweise umfasst das mindestens eine zumindest teilweise leitfähige Stützelement mindestens eine Bondverbindung. Das mindestens eine Wandlerelement kann somit auf vergleichsweise einfache Weise an dem Trägersubstrat fest angeordnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die an dem mindestens einen Wandlerelement ausgebildeten Strukturen auf einer zu dem Trägersubstrat ausgerichteten Seite des mindestens einen Halbleiterbereichs des zugeordneten Wandlerelements ausgebildet. Dies gewährleistet einen zusätzlichen Schutz dieser Strukturen.
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Beispielsweise kann das mindestens eine Wandlerelement als optisches Sensorelement und/oder Bildpixel ausgebildet sein. Insbesondere kann das mindestens eine Wandlerelement mindestens eine Diode zur Temperaturmessung umfassen. Mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist eine derartige Halbleitervorrichtung kostengünstig, auf einfache Weise und mit einer vorteilhaft hohen Ausbeute bei einer Massenproduktion herstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Wandlerelement jeweils mehrere Quantenfilme, welche so ausgerichtet sind, dass die maximalen Grenzflächen der Quantenfilme senkrecht zu der Kontaktseite und/oder einer zu dem mindestens einen Wandlerelement ausgerichteten Außenfläche des Trägersubstrats ausgerichtet sind. Wie unten genauer ausgeführt wird, können in diesem Fall die Quantenfilme aus einer einzigen abgeschiedenen Schicht herausstrukturiert werden.
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Als Alternative oder in Kombination mit der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform kann das mindestens eine Wandlerelement eine an einer von dem Trägersubstrat weg gerichteten Außenseite des zugeordneten Wandlerelements ausgebildete Absorberschicht umfassen. Auch ein derart ausgebildetes Wandlerelement eignet sich gut als optisches Sensorelement und/oder Bildpixel.
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Die oben ausgeführten Vorteile sind auch mittels eines Ausführens eines entsprechenden Herstellungsverfahrens realisierbar. Das Herstellungsverfahren kann insbesondere entsprechend der oben erläuterten Ausführungsformen und Weiterbildungen weiterentwickelt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1A bis 1I schematische Querschnitte und Draufsichten von Substraten zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
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2A bis 2E schematische Querschnitte von Substraten zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
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3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung;
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5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung; und
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6 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1A bis 1I zeigen schematische Querschnitte und Draufsichten von Substraten zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Bei dem mittels der 1A bis 1I schematisch wiedergegebenen Herstellungsverfahren wird mindestens ein Wandlerelement 10 aus einem Halbleitersubstrat 12 zumindest teilweise herausstrukturiert. Das mindestens eine Wandlerelement 10 kann beispielsweise als thermo-optisches (IR-)Sensorelement und/oder Bildpixel wie in dem nachfolgend erläuterten Herstellungsverfahren ausgebildet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren nicht auf einen bestimmten Typ des mindestens einen Wandlerelements 10 limitiert ist. Stattdessen kann eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Wandlerelementen 10 mittels des nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahrens gebildet werden.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat 12 ein SOI-Substrat (Semiconductor-on-Insulator), welches einen Halbleiter-Wafer 14, eine eine Oberfläche des Halbleiter-Wafers 14 abdeckende Siliziumdioxidschicht 16 und eine mittels der Siliziumdioxidschicht 16 von dem Halbleiter-Wafer 14 getrennte Halbleiterschicht 18 umfasst. Bevorzugter Weise ist die Halbleiterschicht 18 eine einkristalline Siliziumschicht. Das Herstellungsverfahren ist jedoch nicht auf die Verwendung eines SOI-Substrats als Halbleitersubstrat 12 limitiert.
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Wie in 1A dargestellt, kann zum Beispiel mittels eines Ätzens mehrerer durchgehender Aussparungen 20 mindestens ein Halbleiterbereich 22 (Halbleiterinsel) des mindestens einen späteren Wandlerelements 10 aus der Halbleiterschicht 18 herausstrukturiert werden. Die Verwendung eines SOI-Substrats als Halbleitersubstrat 12 ermöglicht mindestens einen einkristallinen Halbleiterbereich 22 des späteren mindestens einen Wandlerelements 10. In diesem Fall weist der mindestens eine Halbleiterbereich 22 des späteren mindestens einen Wandlerelements 10 (nahezu) kein Korngrenzenrauschen auf, welches eine thermische Auflösung eines herkömmlichen Sensorelements/Bildpixels aus polykristallinem Silizium in der Regel einschränkt. Es können auch mehrere Halbleiterbereiche 22 für jedes Wandlerelement 10 bereitgestellt werden, wie bei dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren.
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In einem optionalen Verfahrensschritt des Herstellungsverfahrens kann mindestens eine Leitung 24 auf einem Trägersubstrat 26 gebildet werden. Auch das Trägersubstrat 26 kann mindestens ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, aufweisen. Bevorzugter Weise ist die mindestens eine Leitung 24 in einer auf einer Außenseite 28 des Trägersubstrats 26 aufgebrachten mindestens einen Isolierschicht 30 eingebettet. Mittels eines Ausbildens/Ätzens einer Aussparung 32 in die mindestens eine Isolierschicht 30 kann lediglich ein für eine spätere Kontaktierung genutzter Kontaktbereich 34 der mindestens einen Leitung 24 von dem isolierenden Material der mindestens einen Isolierschicht 30 freigelegt werden. Das Ergebnis ist in 1A gezeigt.
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Die in die Halbleiterschicht 18 hineinstrukturierten durchgehenden Aussparungen 20 können in einem weiteren Verfahrensschritt zum Bilden des mindestens einen Wandlerelements 10 mit einem isolierenden Material 36, wie beispielsweise Siliziumdioxid, gefüllt werden. Optionaler Weise kann mittels einer Planarisierung ein Überstand des mindestens einen isolierenden Materials 36 nachfolgend entfernt werden. Außerdem können Dotierungen 38 in die Halbleiterbereiche 22 (Halbleiterinseln) des späteren mindestens einen Wandlerelements 10 eingebracht werden. Mittels der Dotierungen 38 können zumindest Teilbereiche der Halbleiterbereiche 22 des späteren mindestens einen Wandlerelements 10 leitfähig ausgebildet werden. Die Konzentrationen und Ionen der Dotierungen 38 können spezifisch für einen späteren Verwendungszweck des mindestens einen Wandlerelements 10 gewählt werden. 1B zeigt das Halbleitersubstrat 12 nach der Ausbildung der Dotierungen 38.
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Optionaler Weise kann eine erste Zwischenisolierschicht 40 auf den Halbleiterbereichen 22 des späteren mindestens einen Wandlerelements 10 aufgebracht werden. Danach kann eine Opferschicht 42 auf der ersten Zwischenisolierschicht 40 abgeschieden werden, aus welcher Opferschichtbereiche 44 herausstrukturiert werden. Gegebenenfalls werden die Opferschichtbereiche 44 vollständig mit einer zweiten Zwischenisolierschicht 46 abgedeckt. Durch die Zwischenisolierschichten 40 und 46 können anschließend Aussparungen 48 strukturiert/geätzt werden, welche Teilflächen 50 der Halbleiterbereiche 22, vorzugsweise an/nahe der Dotierungen 38, freilegen. Das Ergebnis ist in 1C dargestellt.
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Mindestens ein Metall wird anschließend auf den Teilflächen 50 der Halbleiterbereiche 22 des mindestens einen Wandlerelements 10 abgeschieden. Außerdem werden zu den Aussparungen 48 benachbarte Teiloberflächen der zweiten Zwischenisolierschicht 46 mit dem mindestens einen Metall so bedeckt, dass leitfähige Strukturen 52 an dem mindestens einen späteren Wandlerelement 10 ausgebildet werden. Auf eine Funktion der leitfähigen Strukturen an der fertig hergestellten Halbleitervorrichtung wird unten noch eingegangen.
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Die leitfähigen Strukturen 52 werden anschließend mittels mindestens einer Außenisolierschicht 54 vollständig bedeckt. Danach kann mindestens eine durchgehende Aussparung 56 durch die mindestens eine Außenisolierschicht 54 strukturiert/geätzt werden, welche mindestens einen Kontaktbereich 58 der leitfähigen Strukturen 52 freilegt. 1D zeigt das Halbleitersubstrat 12 nach dem Freilegen des mindestens einen Kontaktbereichs 58 an den leitfähigen Strukturen 52. Optionaler Weise werden noch Ätzlöcher 64 bis auf die Opferschichtbereiche 44 geätzt, welche die leitfähigen Strukturen jedoch nicht freilegen.
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Das mindestens eine Wandlerelement 10 wird an dem oben schon erwähnten Trägersubstrat 26 mit der mindestens einen Leiterbahn 24 angebunden. Dabei wird das mindestens eine Wandlerelement 10 über mindestens ein zwischen einer Kontaktseite 60 des Trägersubstrats 26 und einer zu dem Trägersubstrat 26 ausgerichteten Innenseite 62 des Wandlerelements 10 angeordnetes leitfähiges (Zwischen-)Stützelement an die mindestens eine Leiterbahn 40 elektrisch angebunden. Das mindestens eine Wandlerelement 10 wird über das mindestens eine leitfähige (Zwischen-)Stützelement so an der Kontaktseite 60 des Trägersubstrats 26 angeordnet, dass die Innenseite 62 des Wandlerelements 10 von der Kontaktseite 60 des Trägersubstrats 26 beabstandet gehalten wird. Dies ist auch damit umschreibbar, dass nach dem Anbinden des mindestens einen Wandlerelements 10 an dem Trägersubstrat 26 mindestens ein Luftspalt zwischen den Seiten 60 und 62 vorliegt.
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Bevorzugter Weise wird das mindestens eine Wandlerelement 10 mittels einer Bondverbindung des leitfähigen (Zwischen-)Stützelements an das Trägersubstrat 26 angebunden. Eine als Bondmetallisierung ausgebildete Bondverbindung kann beispielsweise aus Kupfer und Zinn gebildet werden. Dazu wird Kupfer 66 auf dem mindestens einen Kontaktbereich 34 der mindestens einen Leitung 24 des Trägersubstrats 26 und einem korrespondierenden Kontaktbereich 58 an dem mindestens einen Wandlerelement 10 der an dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 abgeschieden. Anschließend wird Zinn 68 auf wenigstens einem der Kontaktbereiche 34 bzw. 58 abgeschieden, wie dies in 1E dargestellt ist.
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1F zeigt das als Bondmetallisierung 70 ausgebildete leitfähige (Zwischen-) Stützelement zwischen dem mindestens einen Wandlerelement 10 und dem Trägersubstrat 26. Wie anhand der 1F auch zu erkennen ist, werden bei der hier beschriebenen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens die an dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 auf einer Seite des mindestens einen Halbleiterbereichs 22 des zugeordneten Wandlerelements 10 ausgebildet, welche bei dem Anbinden des mindestens einen Wandlerelements 10 an dem Trägersubstrat 26 zu dem Trägersubstrat 26 ausgerichtet wird. Dies gewährleistet einen zusätzlichen Schutz der leitfähigen Strukturen 52.
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Optionaler Weise kann nach dem Anbinden des mindestens einen Wandlerelements 10 an das Trägersubstrat 26 der Halbleiter-Wafer 14 rückgeätzt, insbesondere entfernt werden. 1G zeigt eine schematische Draufsicht auf das Zwischenprodukt des Herstellungsverfahrens nach einem Entfernen des Halbleiter-Wafers 14, wobei die Siliziumdioxidschicht 16 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist. Die skizzierten leitfähigen Strukturen 52 umfassen Aufhängungs-Strukturen 52a, Verdrahtungs-Strukturen 52b und Reflektor-Strukturen 52c. Je eine Aufhängungs-Struktur 52a bildet zusammen mit einem zugeordneten (Zwischen-)Stützelement/einer Bondmetallisierung 70 eine Aufhängung/Abstützung des zugeordneten Wandlerelements 10, wobei das Wandlerelement 10 über mindestens zwei Aufhängungen/Abstützungen mechanisch mit dem Trägersubstrat 26 verbunden und elektrisch an mindestens zwei Leitungen 24 des Trägersubstrats 26 angebunden ist. Mittels mindestens einer Verdrahtungs-Struktur 52b können mindestens zwei Halbleiterbereiche 22 aneinander geschaltet sein. Die Reflektor-Strukturen 52c verbessern die optische Empfindlichkeit des fertigen Wandlerelements 10.
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In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt, welcher in 1H dargestellt ist, wird an einer von dem Trägersubstrat 26 weg gerichteten Außenseite 72 des mindestens einen Wandlerelements 10 eine Absorberschicht 74 gebildet. Anstelle oder als Ergänzung zu der Absorberschicht 74 können auch Absorberstrukturen, wie beispielsweise plasmonische Resonanzstrukturen, photonische Kristalle und/oder λ/4-Resonatoren, an der Außenseite 72 ausgebildet werden.
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Zum Freistellen des mindestens einen Wandlerelements 10 können Trenngräben 76 durch das vorherige Halbleitersubstrat 12 und die darauf abgeschiedenen Schichten 40, 46, 54 und 74 geätzt werden. Das Ergebnis ist in 1I dargestellt.
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In den Bereichen, in denen beim Ätzen der Trenngräben 76 Opferschichtbereiche 44 freigelegt werden, werden diese durch ein nachfolgendes Opferschichtätzen entfernt. Das Opferschichtätzen kann beispielsweise unter Verwendung von XeF2 und/oder ClF3 ausgeführt werden. (Das Ergebnis des Opferschichtätzens ist in 3 dargestellt.)
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Es wird darauf hingewiesen, dass bei dem Herstellungsverfahren der mindestens eine Halbleiterbereich 22 und das mindestens eine Wandlerelement 10 und die an dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 vollständig in mindestens ein isolierendes Material (der Bereiche 36, 40, 46 und 54) eingebettet werden. Darunter kann insbesondere verstanden werden, dass lediglich das mindestens eine (Zwischen-)Stützelement, vorzugsweise nur die Bondmetallisierung 70, nach Beenden des Herstellungsverfahrens von dem mindestens einen isolierenden Material unbedeckt vorliegt. Das mindestens eine isolierende Material kann beispielsweise Siliziumdioxid sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vollständige Einbettung des mindestens einen Halbleiterbereichs 10 und der daran ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 nicht auf die Verwendung von Siliziumdioxid beschränkt ist. Anstelle von oder als Ergänzung zu Siliziumdioxid kann auch ein anderes isolierendes Material zum Einbetten/Passivieren des mindestens einen Wandlerelements 10 und der daran ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 verwendet werden.
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Unter dem vollständigen Einbetten des mindestens einen Halbleiterbereichs 22 und der an dem mindestens einen Wandlerelement ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 in das mindestens eine isolierende Material wird bevorzugt verstanden, dass der mindestens eine Halbleiterbereich 22 des mindestens einen Wandlerelements 10 und die den mindestens einen Halbleiterbereich 22 direkt kontaktierenden/berührenden leitfähigen Strukturen 52, welche im Wesentlichen parallel zu dem mindestens einen Halbleiterbereich 22 ausgerichtet sind, in das mindestens eine isolierende Material vollständig eingebettet werden. Man kann somit auch von einer vollständigen (Rundum-) Oberflächenpassivierung des mindestens einen Wandlerelements 10 sprechen. Aufgrund der vorteilhaften (Rundum-)Oberflächenpassivierung des mindestens einen Wandlerelements 10 und der daran ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 weist das mindestens eine Wandlerelement 10 bei seinem späteren Betrieb gegenüber einer herkömmlichen Wandlerkomponente ein besseres Rauschverhalten auf. Außerdem sind die bei einem späteren Betrieb des mindestens einen Wandlerelements 10 eventuell auftretenden Oberflächenleckströme gegenüber denen einer herkömmlichen Wandlerkomponente reduziert. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch die Oberflächenpassivierung eine erhöhte mechanische Robustheit der späteren Aufhängungsstrukturen 52a z. B. gegenüber hohen Beschleunigungen.
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In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt kann die in 1I dargestellte Halbleitervorrichtung mit einem geeigneten Kappen-Wafer verkappt werden. Die Verkappung der Halbleitervorrichtung gewährleistet deren verlässlichen Schutz vor Verschmutzungen und/oder einem Eindringen von Flüssigkeiten. Auch eine thermische Isolation des mindestens einen Wandlerelements 10 gegenüber einer äußeren Umgebung ist mittels einer geeigneten Verkappung möglich. Des Weiteren kann ein Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, in einer unmittelbaren Umgebung des mindestens einen Wandlerelements 10 mittels einer Verkappung eingestellt werden. Mittels eines Unterdrucks, insbesondere eines Vakuums, ist eine bessere thermische Isolierung des mindestens einen Wandlerelements 10 gegenüber dem Trägersubstrat 26 und einer evtl. darauf ausgebildeten Elektronik möglich.
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2A bis 2E zeigen schematische Querschnitte von Substraten zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Das in 2A dargestellte Zwischenprodukt der hier beschriebenen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens entspricht der Darstellung der 1A. Bezüglich der zum Bilden dieses Zwischenprodukts auszuführenden Verfahrensschritte wird deshalb auf die oberen Erläuterungen verwiesen.
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Bei dem Herstellungsverfahren gemäß den 2A bis 2E werden in dem mindestens einen Wandlerelement 10 jeweils mehrere Quantenfilme gebildet. Dazu werden nach dem Befüllen der durchgehenden Aussparungen 20 mit dem mindestens einen isolierenden Material 36 mehrere durchgehende Gräben 80, deren Mittellängsachsen 82 parallel zueinander ausgerichtet sind, durch den mindestens einen Halbleiterbereich 22 des mindestens einen Wandlerelements 10 geätzt.
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2C zeigt das Halbleitersubstrat 12 nach einem Befüllen der durchgehenden Gräben 80 mit einem Quantenfilmmaterial 84. Als Quantenfilmmaterial 84 kann beispielsweise Silizium-Germanium eingesetzt werden. Als Alternative oder als Ergänzung zu Silizium-Germanium kann jedoch auch ein anderes Material als Quantenfilmmaterial 84 eingesetzt werden.
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Anschließend erfolgt ein Rückdünnen des Quantenfilmmaterials 84, beispielsweise mittels eines Ätzens oder eines chemisch-mechanischen Polierens. Auf diese Weise können die aus den Gräben 80 vorstehenden Überstände des Quantenfilmmaterials 84 verlässlich entfernt werden. Nach dem Rückdünnen sind die Halbleiterbereiche 22 mit mehreren Quantenfilmen 86 ausgestattet (2D).
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Es wird darauf hingewiesen, dass mittels der oben beschriebenen Verfahrensschritte eine Vielzahl von Quantenfilmen 86 in jeweils einem Halbleiterbereich 22 eines Wandlerelements 10 ausbildbar ist, wobei lediglich ein einmaliges Abscheiden des Quantenfilmmaterials 84 notwendig ist. Die oben ausgeführten Verfahrensschritte ermöglichen somit ein schnelleres und kostengünstiges Herstellen einer Vielzahl von Quantenfilmen 86 in einem Halbleiterbereich 22 eines Wandlerelements 10 als dies durch sequenziell aufeinanderfolgendes Abscheiden von Quantentopf- und Quantenbarriereschichten möglich wäre.
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Jeder der Quantenfilme 86 weist zwei maximale Grenzflächen 88 auf. (Unter den maximalen Grenzflächen 88 können insbesondere die Kontaktflächen der Quantenfilme 86 zu den Seitenwänden der Gräben 80/dem benachbarten Halbleiterbereich 22 verstanden werden.) Bei dem Herstellungsverfahren der 2A bis 2E werden die maximalen Grenzflächen 88 der Quantenfilme 86 bei dem Anbinden des mindestens einen Wandlerelements 10 an dem Trägersubstrat 26 senkrecht zu der Kontaktseite 60 und/oder der zu dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgerichteten Außenfläche 28 des Trägersubstrats 26 ausgerichtet. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Mittellängsachsen 82 der Gräben 80 der Quantenfilme 86 senkrecht zu der Kontaktseite 60 und/oder der Außenfläche 28 des Trägersubstrats 26 ausgerichtet werden.
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2E zeigt eine Draufsicht auf das an dem Trägersubstrat 26 mittels der oben beschriebenen Vorgehensweise befestigte Wandlerelement 10, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen auf ein Einzeichnen des Halbleiter-Wafers 14 und des Isolierfilms 16 verzichtet ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die oben ausgeführten Herstellungsverfahren Wandlerelemente mit einer definierten Schichtdicke der Halbleiterbereiche 22, sowie einer definierten lateralen Abmessung der Wandlerelemente 10 liefern. Die mittels der Herstellungsverfahren herstellbaren Halbleitervorrichtungen haben somit auch eine definierte thermische Sensormasse. Es wird auch darauf hingewiesen, dass eine Größe/Ausdehnung der Halbleiterbereiche 22 nicht durch eine zeitliche Dauer der auszuführenden Ätzschritte festgelegt ist. Somit können auf einfache Weise die Ausdehnungen der Halbleiterbereiche 22 variiert werden. Die als Wandlerelemente 10 herstellbaren temperaturempfindlichen Dioden sind in einem monokristallinen Halbleitermaterial herstellbar, und weisen damit ein verbessertes Rauschverhalten auf. Außerdem ist eine höhere Empfindlichkeit der fertigen Halbleitervorrichtung erreichbar durch ein Hintereinanderschalten mehrerer Wandlerelemente 10 mittels der Verdrahtungs-Strukturen 52b.
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Mittels der oben ausgeführten Herstellungsverfahren können Halbleitervorrichtungen mit einem Array von Wandlerelementen 10 ausgebildet werden, welche als bildgebende Elemente zur Erfassung von Strahlung verwendbar sind. Beispielsweise können thermische Eigenstrahlungen von verschiedenen Gegenständen, Einrichtungen oder Lebewesen mittels der fertig hergestellten Halbleitervorrichtungen gemessen werden. Die fertig hergestellten Halbleitervorrichtungen können auch zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
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Die in 3 schematisch dargestellte Halbleitervorrichtung ist beispielsweise mittels des Herstellungsverfahrens der 1A bis 1I herstellbar. Die Herstellbarkeit der Halbleitervorrichtung der 3 ist jedoch nicht auf dieses Herstellungsverfahren limitiert.
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Die Halbleitervorrichtung weist ein Trägersubstrat 26 mit mindestens einer Leiterbahn 24 und mindestens ein Wandlerelement 10 mit mindestens einem aus einem weiteren Halbleitersubstrat zumindest teilweise herausstrukturierten Halbleiterbereich 22 und an dem jeweiligen Wandlerelement 10 ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 auf. Das mindestens eine Wandlerelement 10 ist über mindestens ein zwischen einer Kontaktseite 60 des Trägersubstrats 26 und einer zu dem Trägersubstrat 26 ausgerichteten Innenseite 62 des Wandlerelements 10 angeordnetes leitfähiges Stützelement 90 an die mindestens eine Leiterbahn 24 elektrisch angebunden, wobei das mindestens eine Wandlerelement 10 über das mindestens eine leitfähige Stützelement 90 so an der Kontaktseite 60 des Trägersubstrats 26 angeordnet ist, dass die Innenseite 62 des Wandlerelements 10 von der Kontaktseite 60 des Trägersubstrats 26 beabstandet gehalten ist.
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Das mindestens eine Wandlerelement 10 umfasst mindestens eine (strahlungssensitive) Wärmediode. Eine auf mindestens eines der Wandlerelemente 10 auftreffende Strahlung führt zu einer Erwärmung des mindestens einen Halbleiterbereichs 22 des jeweiligen Wandlerelements 10, und damit zu einer Widerstandsänderung in dem mindestens einen betroffenen Halbleiterbereich 22. Mittels eines durch die Halbleiterbereiche 22 geführten Stromflusses kann somit eine auftreffende Strahlung nachgewiesen, ermittelt und/oder gemessen werden.
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Die in 3 dargestellte Halbleitervorrichtung umfasst als leitfähige Strukturen 52 des mindestens einen Wandlerelements 10 Aufhängungs-Strukturen 52a, Verdrahtungs-Strukturen 52b und Reflektor-Strukturen 52c. Je eine Aufhängungs-Struktur 52a bildet zusammen mit einer Bondmetallisierung 70 ein Stützelement 90, wobei das Wandlerelement 10 über mindestens zwei Stützelemente 90 mechanisch mit dem Trägersubstrat 26 verbunden und elektrisch an mindestens zwei Leitungen 24 des Trägersubstrats 26 angebunden ist. Mittels mindestens einer Verdrahtungs-Struktur 52b können mindestens zwei Halbleiterbereiche 22 aneinander geschaltet sein. Mittels der Reflektor-Strukturen 52c kann eine Wärmestrahlung von dem Trägersubstrat 26 mit der mindestens einen Leiterbahn 14 in das mindestens eine Wandlerelement 10 verlässlich unterbunden werden. Gleichzeitig wird die von der dem Trägersubstrat abgewandten Seite des Wandlerelements 10 einfallende Wärmestrahlung durch die Reflektor-Strukturen 52c zurückreflektiert und hat damit eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, im Wandlerelement 10 absorbiert zu werden. Die Reflektor-Strukturen 52c verbessern somit die optische Nachweisgenauigkeit des fertigen Wandlerelements 10. Die Reflektor-Strukturen 52c können gleichzeitig als Getterschicht wirksam sein, um einen Basisdruck bei/nach einem Verkappen der Halbleitervorrichtung abzusenken. Die Aufhängungs-Strukturen 52a und die Verdrahtungs-Strukturen 52b sind vorzugsweise elektrisch von den Reflektor-Strukturen 52c isoliert. Die in 3 wiedergegebene Ausbildung der leitfähigen Strukturen 52 ist jedoch lediglich beispielhaft zu interpretieren.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der mindestens eine Halbleiterbereich 22 des mindestens einen Wandlerelements 10 und die an dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 vollständig in mindestens ein isolierendes Material 92 eingebettet sind. Im Falle einer Ausbildung des mindestens einen Wandlerelements 10 als IR-Sensorelement wird vorzugsweise Siliziumdioxid als isolierendes Material 92 eingesetzt. Siliziumdioxid absorbiert Infrarotstrahlung mit einer guten Effizienz in einem weiten Bereich des Infrarotspektrums. Bevorzugter Weise ist das isolierende Material 92 nur im zu kontaktierenden Bereich der Aufhängungs-Strukturen 52c für die Bondverbindung 70 geöffnet. Dies gewährleistet die oben schon beschriebenen Vorteile der Passivierung des mindestens einen Wandlerelements 10 und der daran ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52. Insbesondere sind Leckströme und Kurzschlüsse weitgehend unterbunden. Nebenbei ergibt sich durch die elastisch-spröde Passivierung eine höhere mechanische Robustheit der leitfähigen Strukturen 52, welche sich sonst aufgrund einer plastischen Duktilität ihrer Metalle leicht plastisch verformen.
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Bei der Ausführungsform der 3 sind die an dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgebildeten leitfähigen Strukturen 52 auf einer zu dem Trägersubstrat 26 ausgerichteten Seite der Halbleiterbereiche 22 des zugeordneten Wandlerelements 10 ausgebildet. Diese Anordnung der leitfähigen Strukturen 52 auf einer dem Lichteinfall abgewandten Seite des mindestens einen Wandlerelements 10 ergibt als Vorteil, dass das mindestens eine Wandlerelement 10 nicht durch die leitfähigen Strukturen 52 abgeschattet wird. Durch die Anordnung der leitfähigen Strukturen 52 des mindestens einen Wandlerelements 10 in dessen zu dem Trägersubstrat 26 ausgerichteten Bereich lassen sich auch ein größerer Flächenfüllfaktor des mindestens einen Wandlerelements 10, eine höhere Integrationsdichte und eine höhere Empfindlichkeit des mindestens einen Wandlerelements 10 erreichen. Außerdem besteht eine hohe Gestaltungsfreiheit der dem Lichteinfall zugewandten Außenseite 72 des Wandlerelements 10. In einer alternativen Ausführungsform können deshalb auch auf der dem Lichteinfall zugewandten Außenseite 72 des mindestens einen Wandlerelements 10 leitfähige Strukturen 52 wie z. B. plasmonische Resonanzstrukturen angeordnet sein.
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Bei der Halbleitervorrichtung der 3 weist das mindestens eine Stützelement 90 mindestens eine Bondverbindung 70 auf, welche über ein SLID-Bondverfahren (Solid-Liquid Interdiffusion) aus Kupfer und Zinn gebildet ist. Als Alternative dazu kann das mindestens eine Stützelement 90 auch über eine andere (leitfähige) Verbindung an dem Trägersubstrat 26 befestigt sein.
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Bevorzugter Weise ist eine Länge jeweils eines der Stützelemente 90 größer als ein Abstand zwischen dem zugeordneten Wandlerelement 10 und dem Trägersubstrat 26. Eine Länge eines Stützelements 90 kann beispielsweise viermal so lang wie eine Spalthöhe des Abstands sein. Je länger und schmaler die Stützstrukturen 90 sind, desto besser ist eine erreichte thermische Isolation des mindestens einen Wandlerelements 10 von dem Trägersubstrat 26. Bevorzugter Weise ist die Anbindung des mindestens einen Wandlerelements 10 an dem Trägersubstrat 26 punktuell. Dies stellt sicher, dass das mindestens eine Wandlerelement 10 eine gute thermische Isolation zum Trägersubstrat 26 hat. Außerdem kann die thermische Entkopplung durch einen Vakuumeinschluss mittels einer Verkappung verbessert werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
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Die in 4 schematisch wiedergegebene Halbleitervorrichtung ist eine Weiterbildung der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Dazu weist die Halbleitervorrichtung der 4 zusätzlich zu dem mindestens einen Wandlerelement 10, welches als Bildpixel ausgebildet ist, mindestens einen Blindpixel 100 auf. Der mindestens eine Blindpixel 100 weist als Ergänzung zu dem mindestens einen Wandlerelement 10 noch mindestens eine Reflektorschicht 102 auf seiner Absorberschicht 74/Lichteinfallfläche auf.
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Mittels des mindestens einen Blindpixels 100 können die von dem Trägersubstrat 26 und/oder einer räumlichen Umgebung ausgehenden Wärmestrahlungen nachgewiesen, ermittelt oder gemessen werden. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Blindpixel 100 eine gute thermische Anbindung an das Trägersubstrat 26 hat. Vorzugsweise kann der Blindpixel 100 über wenigstens eine Anbindungsstruktur 104 mechanisch mit dem Trägersubstrat 26 verbunden sein, deren Länge nicht/kaum größer als ein Abstand zwischen den Seiten 60 und 62 ist. Insbesondere kann die Anbindungsstruktur 104 zumindest zwei elektrische Zuleitungen umfassen und/oder zumindest teilweise aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anbindung zwischen dem Blindpixel 100 und dem Trägersubstrat 26 flächig ausgebildet. Somit kann eine von dem Trägersubstrat 26 mit der mindestens einen Leiterbahn 14 ausgehende Wärme mittels des mindestens einen Blindpixels 100 verlässlich als Referenzsignal ermittelt werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
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Auch bei der Ausführungsform der 5 weist die Halbleitervorrichtung mindestens ein als optisches Sensorelement (Infrarot-Sensorelement) und/oder Bildpixel ausgebildetes Wandlerelement 10 auf. Insbesondere umfasst jedes der Wandlerelemente 10 mindestens eine mittels der Dotierungen 38 in den Halbleiterbereichen 22 ausgebildete Wärmediode, welche infrarotsensitiv, bzw. temperatursensitiv, ist.
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Als Alternative zu den oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Stützelement 90 eine Thermokompressionsbondung 106 aus Kupfer oder Gold.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung.
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Bei der in 6 dargestellten Halbleitervorrichtung sind die thermisch sensitiven Bereiche 108 aus einem Thermistormaterial gebildet. Das mindestens eine Wandlerelement 10 umfasst vorzugsweise mehrere (nicht skizzierte) Quantenfilme, welche so ausgerichtet sind, dass die maximalen Grenzflächen der Quantenfilme senkrecht zu der Kontaktseite 60 und/oder einer zu dem mindestens einen Wandlerelement 10 ausgerichteten Außenfläche 28 des Trägersubstrats 26 ausgerichtet sind. Durch diese Anordnung der Quantenfilme ist es möglich, kostengünstig viele Quantenfilme mit nur einer Abscheidung zu erzeugen und damit eine besonders hohe Sensitivität des Thermistors kostengünstig zu erreichen. Somit gewährleistet die Halbleitervorrichtung der 6 die oben schon beschriebenen Vorteile.
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Bei allen oben beschriebenen Halbleitervorrichtungen sind Oberflächenleckströme durch eine Passivierung der Oberflächen der Wandlerelemente 10 unterbunden. Zur Erhöhung eines Sensorsignals können außerdem mehrere Dioden, bzw. Heterostruktur-Thermistoren, innerhalb der Wandlerelemente 10 in Reihe geschaltet werden.
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Die oben beschriebenen Halbleitervorrichtungen können zur räumlich aufgelösten Detektion von thermischer Strahlung eingesetzt werden. Insbesondere eine hochpräzise Temperaturmessung ist mittels der Halbleitervorrichtungen möglich. Beispielsweise können die Halbleitervorrichtungen für Kfz-Nachtsicht-Geräte benutzt werden. Auch für eine Thermographie, zum Beispiel zur Gebäudedämmung oder Prozessüberwachung, sind die Halbleitervorrichtungen einsetzbar. Insbesondere für einfache Thermographiekameras, beispielsweise zur Isolation oder zur Ermittlung von Wärmelecks, können die Halbleitervorrichtungen genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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