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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement mit einem Trägersubstrat, mit mindestens einer Verdrahtungsebene auf der Substratvorderseite und mit mindestens einem Durchkontakt, der sich von der vorderseitigen Verdrahtungsebene bis in das Trägersubstrat erstreckt und eine elektrische Verbindung zwischen der vorderseitigen Verdrahtungsebene und einer Leiterbahn am Fußpunkt des Durchkontakts herstellt, wobei der Durchkontakt in Form einer vorderseitigen Durchkontaktöffnung im Trägersubstrat realisiert ist, die zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material verfüllt ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines solchen Durchkontakts im Trägersubstrat eines Halbleiter-Bauelements.
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Von besonderer Bedeutung sind derartige Durchkontakte für die Realisierung von vertikal hybrid integrierten Bauteilen mit mehreren in einem Chipstapel zusammengefassten MEMS- und/oder ASIC-Bauelementen, deren mikromechanische und/oder elektrische Funktionen sich ergänzen. Die elektrische Kontaktierung und Signalübertragung zwischen den einzelnen Bauelementkomponenten eines solchen Bauteils erfolgt vorteilhafterweise über Durchkontakte, wie auch die externe elektrische Kontaktierung des gesamten Bauteils. Zum einen trägt diese Art der elektrischen Kontaktierung zur Miniaturisierung des Bauteils bei, zum anderen ermöglicht sie die Realisierung von sogenannten Chip-Level-Packages, die ohne weitere Umverpackung auf einer Applikations-Leiterplatte montiert werden können.
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Bekannt sind Durchkontakte in Silizium-Trägersubstraten, die als Through Silicon Via (TSV) bezeichnet werden. Zur Realisierung eines TSVs wird zunächst eine Durchkontaktöffnung im Trägersubstrat erzeugt, die je nach Dicke des Trägersubstrats zwischen 200µm und 600µm tief ist, aber einen im Vergleich dazu kleinen Öffnungsquerschnitt aufweist. Das Aspektverhältnis einer Durchkontaktöffnung liegt in der Regel im Bereich von 1:10 bis 1:20. Derartige Strukturen werden beispielsweise durch Trenchätzen oder Laserdrillen in das Trägersubstrat eingebracht. Häufig wird die Wandung der Durchkontaktöffnung dann mit einer dielektrischen Schicht versehen, die der elektrischen Isolation des Durchkontakts gegen das angrenzende Substratmaterial dient. Diese erste dielektrische Schicht kann beispielsweise durch thermische Oxidation erzeugt werden. Der eigentliche Durchkontakt entsteht erst durch das zumindest teilweise Verfüllen der Durchkontaktöffnung mit elektrisch leitfähigem Material. Dafür werden dotiertes Polysilizium oder auch Metalle, wie Cu, Al, W und TiN, verwendet, die mit Verfahren, wie Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition CVD), Sputtern oder Galvanik, auf der Substratoberfläche abgeschieden und in die Durchkontaktöffnung eingebracht werden.
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Die elektrischen Eigenschaften eines solchen Durchkontakts hängen zum einen vom verwendeten elektrisch leitfähigen Material ab und zum anderen von der Länge und Querschnittsfläche der elektrisch leitfähigen Verfüllung des Durchkontakts und damit auch von der Geometrie der Durchkontaktöffnung. Je dicker das Trägersubstrat ist und je höher das Aspektverhältnis der Durchkontaktöffnungen ist, umso größer ist die Gefahr, dass die Durchkontaktöffnung während des Verfüllprozesses zugesetzt bzw. verschlossen wird, noch bevor sie vollständig, über ihre gesamte Tiefenerstreckung verfüllt ist. Die resultierende ungleichmäßige Schichtdicke des elektrisch leitfähigen Materials auf der Wandung der Durchkontaktöffnung und der undefinierte Hohlraum innerhalb des Durchkontakts beeinträchtigen sowohl seine elektrischen als auch seine mechanischen Eigenschaften. Der elektrische Widerstand und die mechanische Stabilität eines Durchkontakts hängen also auch vom Grad der Verfüllung und von der Verteilung des Verfüllmaterials innerhalb der Durchkontaktöffnung ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die die Realisierung von Durchkontakten mit definierten elektrischen Eigenschaften und hoher mechanischer Stabilität auch in dickeren Trägersubstraten ermöglichen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Durchkontaktöffnung iterativ vollständig verfüllt wird durch mindestens vier sukzessive auf der Wandung der Durchkontaktöffnung erzeugte Schichten aus dielektrischen und elektrisch leitfähigen Materialien, wobei die Anzahl, die Materialien, die Dicken und die Abfolge der Schichten in Abhängigkeit vom angestrebten elektrischen Widerstand des Durchkontakts und in Abhängigkeit von den angestrebten mechanischen Eigenschaften des Durchkontakts gewählt werden.
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Die erfindungsgemäße iterative Vorgehensweise beim Verfüllen der Durchkontaktöffnungen ermöglicht die Realisierung von Durchkontakten mit definierten elektrischen Eigenschaften durch Kombination von mehreren leitfähigen Schichten ggf. aus unterschiedlichen Materialien und ggf. mit unterschiedlicher Dicke. Eine sehr hohe Stabilität wird durch das vollständige Verfüllen der Durchkontaktöffnung erzielt. Ergänzend zu den elektrisch leitfähigen Materialien werden dazu dielektrische Materialien verwendet, so dass die mechanischen Eigenschaften des Durchkontakts auch noch durch die Wahl der dielektrischen Materialien und die Dicke der dielektrischen Schichten beeinflusst werden können. Die unterschiedlichen elektrisch leitfähigen und dielektrischen Schichtmaterialien werden in der Regel auch mit unterschiedlichen Prozessen auf dem Trägersubstrat und in der Durchkontaktöffnung abgeschieden. Jeder Abscheidungsprozess hat seine eigene Aspektverhältnis-Obergrenze für die Oberflächenbeschichtung. D.h. nur Strukturen mit einem niedrigeren Aspektverhältnis werden beschichtet, während Strukturen mit einem höheren Aspektverhältnis oberflächlich verschlossen werden. Auch dies wird vorteilhafterweise beim erfindungsgemäßen iterativen Verfüllen der Durchkontaktöffnung berücksichtigt, indem immer nur solche Schichtmaterialien und Abscheidungsprozesse gewählt werden, mit denen noch eine Beschichtung der Wandung der sich sukzessive verengenden Durchkontaktöffnung möglich ist. Dadurch können undefinierte Schichtdicken und Hohlräume im Durchkontakt vermieden werden und die Durchkontaktöffnung zuverlässig und vollständig verfüllt werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere auch für die Realisierung von Durchkontakten in dickeren Trägersubstraten, da das iterative Abscheiden von elektrisch leitenden und dielektrischen Schichten auch zum Verfüllen von Durchkontaktöffnungen mit einem größeren Öffnungsquerschnitt geeignet ist, ohne dass dadurch die elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Durchkontakts beeinträchtigt würden.
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Grundsätzlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Durchkontakt-Konzepts, sowohl was die Wahl und Kombination der elektrisch leitfähigen und dielektrischen Materialien betrifft, als auch was die Anzahl und Dicke der einzelnen Materialschichten betrifft. Vielfältige Variationsmöglichkeiten bestehen außerdem bei den für die jeweiligen Schichtmaterialien verwendeten Abscheidungsprozessen.
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Wie bereits erwähnt, ist es von Vorteil, Durchkontakte in Halbleitersubstraten durch mindestens eine erste dielektrische Schicht gegen das angrenzende Substratmaterial elektrisch zu isolieren, um einen Kurzschluss von Bauelementfunktionen über das Substrat zu verhindern. Dadurch können außerdem parasitäre Kapazitäten zwischen einer elektrisch leitenden Schicht des Durchkontakts und dem Trägersubstrat vermieden werden. Diese erste dielektrische Schicht muss nicht unbedingt in einem Abscheidungsprozess auf die Wandung der Durchkontaktöffnung aufgebracht werden, sondern kann vorteilhafterweise einfach durch thermische Oxidation auf der Wandung der Durchkontaktöffnung erzeugt werden.
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Die elektrisch leitenfähigenen Schichten eines erfindungsgemäßen Durchkontakts können aus einem Metall, insbesondere aus Cu, Al, W und/oder TiN, gebildet sein oder auch aus dotiertem Polysilizium. Als dielektrische Schichtmaterialien eignen sich Oxide, insbesondere SiO2 und/oder Al2O3, und auch Polymere. Diese Materialien können vorteilhafterweise mit bekannten Abscheideverfahren auf die Trägeroberfläche und in die Durchkontaktöffnung eingebracht werden, nämlich beispielsweise durch Gasphasenabscheidung (CVD), durch Sputtern und/oder durch Galvanik.
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Das erfindungsgemäße Durchkontakt-Konzept kann sowohl in einem Via-first-Ansatz als auch in einem Via-last-Ansatz realisiert werden. In beiden Fällen wird zunächst eine Durchkontaktöffnung in Form eines Sacklochs in der Vorderseite des Trägersubstrats erzeugt. Diese Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise durch Trenchätzen erfolgen oder auch in einem Laserdrill-Verfahren.
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Beim Via-first-Ansatz werden die Durchkontaktöffnungen dann vor und/oder während der Prozessierung des Bauelements verfüllt, bei der auch die mikromechanischen und/oder schaltungstechnischen Funktionen des Bauelements erzeugt werden. Erst danach wird das Trägersubstrat rückseitig soweit abgedünnt, dass der Durchkontakt rückseitig kontaktierbar ist. Dies erfolgt über mindestens eine Verdrahtungsebene, die anschließend noch auf die Rückseite des Trägersubstrats aufgebracht wird.
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Beim Via-last-Ansatz wird der Durchkontakt als elektrischer Anschluss an eine vergrabene Leiterbahn angelegt. Die sacklochartige Durchkontaktöffnung wird in diesem Fall in ein bereits prozessiertes Trägersubstrat eingebracht und endet nicht „blind“ im Substrat, sondern mündet auf die im Trägersubstrat vergrabene Leiterbahn.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
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1a–1f veranschaulichen das erfindungsgemäße Durchkontakt-Konzept anhand von schematischen Schnittdarstellungen durch ein Trägersubstrat während der Herstellung eines Durchkontakts, und
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2a, 2b zeigen schematische Schnittdarstellungen eines Trägersubstrats mit eine erfindungsgemäßen Durchkontakt, gefertigt im Via-first-Ansatz (2a) und gefertigt im Via-last-Ansatz (2b).
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Durchkontakts ist das Trägersubstrat eines Halbleiter-Bauelements. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Siliziumsubstrat handeln. Das Trägersubstrat kann unbearbeitet oder auch bereits vorprozessiert sein, je nach dem, ob der Durchkontakt in einem Via-first-Ansatz oder in einem Via-last-Ansatz erzeugt werden soll.
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Anhand der 1a bis 1f wird die Prozessfolge für den Via-first-Ansatz beschrieben, folglich ist das hier dargestellte Trägersubstrat 10 nicht vorprozessiert. In einem ersten Prozessschritt werden sacklochartige Durchkontaktöffnungen 11 in der Vorderseite des Trägersubstrats 10 erzeugt. Für diesen Strukturierungsprozess wird bevorzugt ein anisotropes Ätzverfahren, wie Trenchätzen, oder ein Laserdrill-Verfahren eingesetzt, da die Durchkontaktöffnungen 11 in der Regel ein hohes Aspektverhältnis aufweisen sollen. So soll die Tiefe der Durchkontaktöffnungen 11 in der Größenordnung der Dicke des Trägersubstrats 10 liegen, während der Öffnungsquerschnitt aus Platzgründen möglichst klein gehalten werden soll. 1a zeigt das Trägersubstrat 10, nachdem auf der strukturierten Vorderseite und insbesondere auch auf der Wandung der Durchkontaktöffnung 11 eine thermisches Oxid 12 erzeugt worden ist, das den Durchkontakt gegen das angrenzende Substratmaterial elektrisch isolieren soll. Zudem lassen sich mit Hilfe dieser dielektrischen Schicht 12 auch parasitäre Kapazitäten zwischen dem Trägersubstrat 10 und einer nachfolgend aufgebrachten Metallisierung vermeiden. Deshalb sollte die Oxidschicht 12 möglichst dick sein.
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In einem nächsten Prozessschritt wird eine erste elektrisch leitfähige Schicht 13 auf die strukturierte Substratoberfläche und insbesondere die Wandung der Durchkontaktöffnung 11 aufgebracht. Dabei kann es sich um eine Metallisierung handeln, die durch Sputtern, Galvanik oder in einem CVD-Verfahren abgeschieden wird, oder auch um eine dotierte Poly-Siliziumschicht. Die elektrisch leitfähige Schicht 13 wird dann strukturiert, so dass das Schichtmaterial 13 nur auf der Wandung der Durchkontaktöffnung 11 und in einem Randbereich der Durchkontaktöffnung 11 auf der Substratvorderseite verbleibt.
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1b zeigt das Trägersubstrat 10, nachdem eine zweite dielektrische Schicht 14 über der elektrisch leitfähigen Schicht 13 auf der strukturierten Vorderseite und insbesondere auch auf der Wandung der Durchkontaktöffnung 11 abgeschieden worden ist. Bei der Deposition dieser zweiten dielektrischen Schicht 14 wurden die Temperaturlimits der beiden zuvor erzeugten Schichten 12 und 13 berücksichtigt.
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In einem nachfolgenden Strukturierungsprozess wird die zweite dielektrische Schicht 14 wieder von der geschlossenen Oberfläche des Trägersubstrats 10 entfernt. Außerdem muss sie im Bodenbereich der Durchkontaktöffnung 11 geöffnet werden, um eine elektrische Kontaktierung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 13 zu ermöglichen. Dies erfolgt bevorzugt in einem Plasmaätzprozess (RIE Reactive Ion Etching). 1c zeigt das Ergebnis dieser Strukturierung. Die zweite dielektrische Schicht 14 verbleibt hier lediglich auf der Seitenwandung der Durchkontaktöffnung 11.
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Über der zweiten dielektrischen Schicht 14 wird nun eine zweite elektrisch leitfähige Schicht, hier eine Metallisierung 15, abgeschieden und genauso strukturiert, wie die erste elektrisch leitfähige Schicht 13. 1d veranschaulicht, dass die beiden elektrisch leitfähigen Schichten 13 und 15 zum einen im Bodenbereich der Durchkontaktöffnung 11 und zum anderen im Randbereich der Durchkontaktöffnung 11 auf der Substratvorderseite in unmittelbarem Kontakt zueinander stehen. Die Durchkontaktöffnung 11 ist nach dieser Schichtabscheidung schon deutlich verengt aber noch immer nicht vollständig verfüllt.
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In einem nächsten Prozessschritt wird die Durchkontaktöffnung 11 schließlich mit einem weiteren Schichtmaterial 16 aufgefüllt, was in 1e dargestellt ist. Dabei kann es sich um eine weitere Metallisierung oder auch um einen dielektrisches Fillermaterial handeln, wie z.B. ein Polymer. Anschließend wird die Vorderseite des Trägersubstrats 10 zurückgeschliffen, um diese Oberfläche des Trägersubstrats 10 zu planarisieren und den Durchkontakt 110 bzw. die elektrisch leitfähigen Schichten 13 und 15 des Durchkontakts 110 vorderseitig freizulegen, so dass er über eine Umverdrahtungsebene 17 elektrisch kontaktierbar ist. 1f zeigt das Trägersubstrat 10 mit der verfüllten Durchkontaktöffnung 110 und der vorderseitigen Verdrahtungsebene 17.
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Zur rückseitigen Kontaktierung des Durchkontakts 110 wird das Trägersubstrat 10 mit der verfüllten Durchkontaktöffnung 110 auch rückseitig rückgedünnt. Dabei wird der Durchkontakt 110 aufgeschliffen, und zwar soweit, dass eine elektrisch leitfähige Schicht 13 oder 15 der Verfüllung als Kontaktfläche freiliegt. Die rückseitige Kontaktierung des Durchkontakts 110 kann dann einfach über eine auf die Rückseite des Trägersubstrats 10 aufgebrachte Verdrahtungsebene 18 vorgenommen werden, was in 2a dargestellt ist.
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2b zeigt ein Trägersubstrat 20 mit einem Durchkontakt 220, der in einem Via-last-Ansatz gefertigt wurde. In Diesem Fall wurde der Durchkontakt 220 in einem bereits vorprozessierten Trägersubstrat 20 angelegt, das im Rahmen der Vorprozessierung mit einer vergrabenen Leiterbahn 21 versehen worden ist. Die Durchkontaktöffnung wurde so positioniert und tiefendimensioniert, dass sie auf dieser vergrabenen Leiterbahn 21 mündet. Anschließend wurde diese Durchkontaktöffnung iterativ durch Aufbringen einer Folge von Schichten aus dielektrischen und elektrisch leitfähigen Materialien verfüllt, wie in Verbindung mit den 1a bis 1f beschrieben. Dabei wurden die Anzahl, die Materialien, die Dicken und die Abfolge der Schichten in Abhängigkeit vom angestrebten elektrischen Widerstand des Durchkontakts 220 und in Abhängigkeit von den angestrebten mechanischen Eigenschaften des Durchkontakts 220 gewählt. Außerdem wurden die Abscheidungs- und Beschichtungsprozesse für die einzelnen Schichtmaterialien so gewählt, dass sie an die sich sukzessive verengende Durchkontaktöffnung angepasst waren.
