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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung die Herstellung
integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Techniken zum
Verringern der Chip-Gehäuse-Wechselwirkungen,
die durch die thermische Fehlanpassung zwischen dem Chip und dem
Gehäuse
hervorgerufen werden.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Halbleiterbauelemente
werden typischerweise auf im Wesentlichen scheibenförmigen Substraten hergestellt,
die aus einem geeigneten Material aufgebaut sind. Die Mehrzahl der
Halbleiterbauelemente mit sehr komplexen elektronischen Schaltungen
wird gegenwärtig
und in der absehbaren Zukunft auf der Grundlage von Silizium hergestellt,
wodurch Siliziumsubstrate und siliziumenthaltende Substrate, etwa SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrate,
geeignete Basismaterialien sind, um Halbleiterbauelemente herzustellen,
etwa Mikroprozessoren, SRAM's,
ASIC's (anwendungsspezifische
IC's), Systeme auf
einem Chip (SoC) und dergleichen. Die einzelnen integrierten Schaltungen
werden in einem Feld auf der Scheibe angeordnet, wobei die meisten
Herstellungsschritte, die sich auf mehrere 100 oder mehr einzelne
Prozessschritte in anspruchsvollen integrierten Schaltungen belaufen
können,
gleichzeitig für
alle Chipbereiche auf dem Substrat ausgeführt werden, mit Ausnahme von
Photolithographieprozessen, Messprozessen und das Einbringen in
ein Gehäuse
der einzelnen Bauelemente nach dem Schneiden des Substrats. Somit
zwingen ökonomische
Rahmenbedingungen die Hersteller von Halbleiterbauelementen ständig dazu,
die Substratabmessungen zu vergrößern, wodurch
auch die verfügbare
Fläche
zur Herstellung eigentlicher Halbleiterbauelemente vergrößert wird
und damit auch die Produktionsausbeute anwächst.
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Zusätzlich zu
dem Vergrößern der
Substratfläche
ist es auch wichtig, die Ausnutzung der Substratfläche bei
einer gegebenen Substratgröße zu optimieren,
um damit möglichst
viel an Substratfläche
für Halbleiterauelemente
und/oder Teststrukturen auszunutzen, die für die Prozesssteuerung verwendet werden
können.
In dem Versuch, die nutzbare Oberfläche für eine gegebene Substratfläche zu maximieren,
werden die Strukturgrößen der
Schaltungselemente ständig
verringert. Auf Grund dieser zunehmenden Anforderung für die Verringerung
der Strukturgrößen in sehr
komplexen Halbleiterbauelementen wird Kupfer in Verbindung mit dielektrischen
Materialien mit kleinem ε häufig als
Alternative bei der Hertellung sogenannter Verbindungsstrukturen
benutzt, die Metallleitungsschichten und dazwischenliegende Kontaktlochschichten
aufweisen, die Metallleitungen als schichtinterne Verbindungen und
Kontaktdurchführungen
als Zwischenschichtverbindungen aufweisen, wodurch typischerweise
einzelne Schaltungselemente miteinander verbunden werden, um damit
die erforderliche Funktionsfähigkeit
der integrierten Schaltung zu gewährleisten. Typischerweise sind
eine Vielzahl von Metallleitungsschichten und Kontaktdurchführungsschichten,
die aufeinander gestapelt sind, notwendig, um die Verbindungen zwischen
allen inneren Schaltungselementen und I/O-(Eingabe/Ausgabe-), Leistungs-,
und Masseanschlussflächen
der betrachteten Schaltungsanordnung zu realisieren.
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Für äußerst größenreduzierte
integrierte Schaltungen ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht
mehr durch die Schaltungselemente selbst begrenzt, etwa durch die
Feldeffekttransistoren, und dergleichen, sondern ist auf Grund der
erhöhten Dichte
an Schaltungselementen, die eine noch größere Anzahl an elektrischen
Verbindungen erforderlich macht, durch den geringen Abstand der
Metallleitungen beschränkt,
da die Kapazität
zwischen den Leitungen ansteigt und auch eine geringere Leitfähigkeit
der Leitungen auf Grund der reduzierten Querschnittsfläche auftritt.
Aus diesem Grunde werden übliche
Dielektrika, etwa Siliziumdioxid (ε < 3,6) und Siliziumnitrid (ε < 5) durch dielektrische
Materialien mit einer kleineren Permittivität ersetzt, die daher auch als
Dielektrika mit kleinem ε mit
einer relativen Permittivität
von 3 oder weniger bezeichnet werden. Die Dichte und die mechanische
Stabilität
oder Festigkeit der Materialien mit kleinem ε ist jedoch deutlich kleiner
als jene der gut etablierten Dielektrika Siliziumdioxid und Siliziumnitrid.
Folglich kann während der
Herstellung des Metallisierungssystems und während nachfolgender Fertigungsprozesse
in dem Herstellungsprozess für
integrierte Schaltungen die Ausbeute von den mechanischen Eigenschaften
die Ausbeute von den mechanischen Eigenschaften empfindlicher dielektrischer
Materialien, etwa dielektrischer Schichten mit kleinem ε, und deren
Haftung an anderen Materialien abhängen.
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Zusätzlich zur
Problematik einer geringeren mechanischen Stabilität moderner
dielektrischer Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante
von 3,0 oder deutlich weniger wird die Bauteilzuverlässigkeit auch
durch das Vorsehen dieser Materialien während des Betriebs moderner
Halbleiterbauelemente auf Grund einer Wechselwirkung zwischen einem
Chip und dem Gehäuse
beeinflusst, wobei diese Wechselwirkung durch eine thermische Fehlanpassung
der jeweiligen thermischen Ausdehnung der unterschiedlichen Materialien
hervorgerufen wird. Beispielsweise werden bei der Herstellung komplexer
integrierter Schaltungen zunehmend Kontakttechnologien eingesetzt,
um das Gehäuse
mit dem Chip zu verbinden, die als Flip-Chip-Gehäusetechniken bekannt sind.
Im Gegensatz zu etablierten Drahtverbindungstechniken, in denen
geeignete Kontaktflächen
am Rand der letzten Metallschicht des Chips angeordnet werden, und
diese mit entsprechenden Anschlüssen
des Gehäuses
durch einen Draht verbunden werden, wird in der Flip-Chip-Technologie
eine entsprechende Höckerstruktur
auf der letzten Metallisierungsschicht hergestellt, die beispielsweise
aus Lotmaterial aufgebaut ist, wobei dieses dann mit den entsprechenden Kontaktflächen des
Gehäuses
in Kontakt gebracht wird. Nach dem Aufschmelzen des Höckermaterials wird
somit eine zuverlässige
elektrische und mechanische Verbindung zwischen der letzten Metallisierungsschicht
und den Kontaktflächen
des Gehäuseträgers hergestellt.
Auf diese Weise kann eine sehr große Anzahl an elektrischen Verbindungen über die gesamte
Chipfläche
der letzten Metallisierungsschicht hinweg mit einem geringeren Kontaktwiderstand
und einer geringeren parasitären
Kapazität
geschaffen werden, wobei die IO-(Eingabe/Ausgabe-)Kapazitäten geschaffen
werden, die für
komplexe integrierte Schaltungen, etwa CPU's, Speicherbauelemente und dergleichen
erforderlich sind. Während
der entsprechenden Prozesssequenz zum Verbinden der Höckerstruktur
mit einem Gehäuseträger wird
ein gewisses Maß an
Druck und/oder Wärme
auf das Verbundbauelement ausgeübt,
um damit eine zuverlässige
Verbindung zwischen jedem der Höcker,
die auf dem Chip hergestellt sind, und den Höckern oder Anschlussflächen, die
auf dem Gehäusesubstrat
vorgesehen sind, zu erreichen. Die thermisch oder mechanische hervorgerufene
Belastung wirkt jedoch auf die darunter liegenden Metallisierungsschichten,
die typischerweise Dielektrika mit kleinem ε oder dielektrische Materialien
mit sehr kleinem ε (ULK)
aufweisen, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Defekten
durch Ablösung dieser
empfindlichen Materialien auf Grund der geringeren mechanischen
Stabilität
und Haftung an anderen Materialien deutlich ansteigt. Ferner kann
während
des Betriebs des fertiggestellten Halbleiterbauelements, das an
einem entsprechenden Gehäusesubstrat
angebracht ist, ebenfalls eine merkliche mechanische Verspannung
auf Grund einer deutlichen Fehlanpassung im thermischen Ausdehnungsverhalten
des siliziumbasierten Halbleiterchips und des Gehäusesubstrats
stattfinden, da in der Massenproduktion modernste integrierte Schaltun gen ökonomische Rahmenbedingungen
typischerweise die Verwendung spezieller Substratmaterialien für das Gehäuse erfordern,
etwa von organischen Materialien, die typischerweise eine andere
thermische Leitfähigkeit
und einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
im Vergleich zu dem Siliziumchip aufweisen. Folglich kann ein vorzeitiger
Ausfall des Metallisierungssystems auftreten, wie dies auch nachfolgend
mit Bezug zu den 1a und 1b detaillierter
beschrieben ist.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Integrierten Schaltung 150 mit
einem Halbleiterchip 100, der mit einem Gehäusesubstrat 170 verbunden
ist, das im Wesentlichen aus einem organischen Material aufgebaut
ist, etwa einem geeigneten Polymermaterial und dergleichen, wobei
die Verbindung mittels einer Höckerstruktur 160 erfolgt. Der
Halbleiterchip 100 umfasst typischerweise ein Substrat 101,
beispielsweise ein Siliziumsubstrat oder ein SOI-Substrat, wobei
dies von dem gesamten Aufbau der Schaltungsanordnung und dem Leistungsverhalten
der integrierten Schaltung 150 abhängt. Des weiteren wird typischerweise
eine siliziumbasierte Halbleiterschicht 102 „über” dem Substrat 101 vorgesehen,
wobei die Halbleiterschicht 102 eine sehr große Anzahl
an Schaltungselementen aufweist, etwa Transistoren, Kondensatoren,
Widerstände
und dergleichen, wie dies für
das gewünschte Funktionsverhalten
der integrierten Schaltung 150 erforderlich ist. Wie zuvor
erläutert
ist, führt
die zunehmende Verringerung der kritischen Abmessungen von Schaltungselementen
zu kritischen Abmessungen von Transistoren in der Größenordnung
von 50 nm und deutlich weniger in aktuell verfügbaren modernsten Halbleiterbauelementen,
die durch Massenerstellungsverfahren erzeugt werden. Des weiteren
umfasst der Halbleiterchip 100 ein Metallisierungssystem 110,
das in modernen Bauelementen eine Vielzahl von Metallisierungsschichten
aufweist, d. h. Bauteilebenen, in denen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
in einem geeigneten dielektrischen Material eingebettet sind. Wie
zuvor dargelegt ist, ist zumindest ein Teil der entsprechenden dielektrischen
Materialien, die in den diversen Metallisierungsschichten verwendet
werden, aus Materialien mit geringerer mechanischer Stabilität aufgebaut,
um damit die parasitäre
Kapazität
zwischen benachbarten Metallleitungen möglichst gering zu halten. Wie
zuvor erläutert
ist, wird zumindest ein Teil der Höckerstruktur 169 als
ein Teil des Metallisierungssystems 110 bereitgestellt,
wobei entsprechende Höcker,
beispielsweise aus Lotmaterial, auf der letzten Metallisierungsschicht
des Systems 110 vorgesehen werden. Andererseits kann auch
das Gehäusesubstrat 107 geeignet
positionierte und dimensionierte Kontaktflächen (nicht gezeigt) aufweisen, die
mit den entsprechenden Höckern
in Kontakt gebracht werden, um damit entsprechende mechanische und
elektrische Verbindungen bei der Anwendung von Wärme und/oder mechanischem Druck herzustellen.
Das Gehäusesubstrat 170 umfasst
ferner geeignete Leitungen, um die Höcker der Höckerstruktur 160 mit
entsprechenden Anschlüssen
zu verbinden, die dann eine elektrische Schnittstelle zu anderen
peripheren Komponenten herstellen, etwa Platinen und dergleichen.
Der Einfachheit halber sind derartige Leitungen in dem Gehäusesubstrat 170 nicht
gezeigt.
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Während des
Betriebs der integrierten Schaltung 150 wird Wärme innerhalb
des Halbleiterchips 100 erzeugt, wobei dies beispielsweise
durch die Schaltungselemente hervorgerufen wird, die in und über der
Halbleiterschicht 102 ausgebildet sind, wobei die Wärme dann
beispielsweise über
das Metallisierungssystem 110 und die Höckerstruktur 160 und/oder über das
Substrat 101 in Abhängigkeit
der gesamten thermischen Leitfähigkeit
des Substrats 101 abgeführt
wird. Beispielsweise sind die Wärmeabfuhr
von SOI-Substraten deutlich geringer ausgebildet im Vergleich zu
reinen Siliziumsubstraten auf Grund der reduzierten thermischen
Leitfähigkeit
der vergrabenen isolierenden Oxidschicht, die die Halbleiterschicht 102 von
dem verbleibenden Substratmaterial trennt. Somit wird ein wichtiger
Warmeabfuhrweg durch die Höckerstruktur 160 und
das Gehäusesubstrat 170 verwirklicht.
Daher wird eine moderat hohe Durchschnittstemperatur in dem Halbleiterchip 100 und
auch in dem Gehäusesubstrat 170 hervorgerufen,
wobei, wie zuvor erläutert
ist, eine Fehlanpassung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen diesen beiden Komponenten eine deutliche mechanische Verspannung
hervorruft. Wie dies beispielsweise durch die Pfeile 103 und 173 angezeigt
ist, weist das Gehäusesubstrat 170 eine
höhere
thermische Ausdehnung im Vergleich zu dem Halbleiterchip 100 auf,
wobei eine entsprechende Fehlanpassung daher zu einem merklichen
Ausmaß an
thermischer Verspannung führt,
insbesondere an der „Grenzfläche” zwischen
dem Halbleiterchip 100 und dem Gehäusesubstrat 170, d.
h. insbesondere in der Höckerstruktur 160 und
dem Metallisierungssystem 110 können deutliche Scherungskräfte auftreten, die
durch die thermische Fehlanpassung während des Betriebs der integrierten
Schaltung 150 hervorgerufen werden. Auf Grund der reduzierten
mechanischen Stabilität
und der geringeren Haftung moderner dielektrischer Materialien können entsprechende Defekte
auftreten, die die gesamte Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung 150 beeinflussen.
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1b zeigt
schematisch eine größere Ansicht
eines Teils des Metallisierungssystems 110 während einer
typischen Situation, wenn die integrierte Schaltung 150 in
Betrieb ist. Wie gezeigt, enthält
das Metallisierungssystem 110 mehrere Metallisierungsschichten,
wobei der Einfachheit halber zwei Metallisierungsschichten 120 und 130 dargestellt sind.
Beispielsweise umfasst die Metallisierungsschicht 120 ein
dielektrisches Material 121, in welchem entsprechende Metallleitungen 122 und
Kontaktdurchführungen 123 eingebettet
sind. In ähnlicher
Weise enthält
die Metallisierungsschicht 130 ein dielektrisches Material 131 und
entsprechende Metallleitungen 132 und Kontaktdurchführungen 133. Typischerweise
enthalten die Metallisierungsschichten 120, 130 Ätzstopp/Deckschichten 124, 134,
die in Form eines geeigneten Materials mit gewünschten Eigenschaften im Hinblick
auf die Ätzstoppeigenschaft,
den Einfluss von Kupfer und dergleichen vorgesehen werden. Ferner
ist in zumindest einigen der Metallisierungsschichten in dem Metallisierungssystem 110 ein
empfindliches dielektrisches Material in Form eines dielektrischen
Materials mit kleinem ε oder
in Form eines ULK-Materials vorgesehen, das eine deutlich geringere
mechanische Stabilität
im Vergleich zu anderen Dielektrika, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid,
stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid aufweist, die häufig als
die Ätzstopp/Deckschichten 124, 134 eingesetzt
werden. Daher wird während
des Betriebs der integrierten Schaltung durch das unterschiedliche
Verhalten im Hinblick auf die thermische Ausdehnung, wie dies durch
die Pfeile 103, 173 (siehe 1a) angezeigt
ist, eine deutliche mechanische Verspannung in die Metallisierungsschichten 120, 130 übertragen,
wie dies durch 103a gezeigt ist. Folglich kann die mechanische
Verspannung 103a auch in dem dielektrischen Material 131 und 121 vorherrschen,
wodurch mehr oder weniger ausgeprägter verformter Zustand hervorgerufen
wird, der zu der Erzeugung von Defekten 121a, 131a führen kann,
was schließlich
zu einem gewissen Maß an
Ablösung
von darunter liegenden Materialien 124, 134 führen kann, da
die Haftung von dielektrischen ULK-Materialien, etwa den Materialien 121, 131,
an den Ätzstopp/Deckschichten 124, 134 deutlich
geringer ist im Vergleich zu konventionellen dielektrischen Materialien,
etwa Siliziumdioxid und dergleichen. Folglich kann die sich ergebende
Ablösung
schließlich
zu einem vorzeitigen Ausfall des Metallisierungssystems 110 führen, wodurch
zu einer insgesamt geringeren Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung 150 (siehe 1a)
beigetragen wird.
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Die
Problematik einer geringeren Zuverlässigkeit moderner Metallisierungssysteme
wird noch weiter verschärft
in fortschrittlichen Prozesstechnologien, in denen die dielektrische
Konstante der entsprechenden Zwischenschichtdielektrika weiter verringert
wird, während
gleichzeitig die Abmessungen der entsprechenden Chipbereiche vergrößert werden,
um damit die gesamte Funktionsvielfalt von integrierten Schaltungen
weiter zu erhöhen.
Ande rerseits erfordert die erhöhte
Komplexität
des gesamten Schaltungsaufbaus eine Zunahme der Anzahl der gestapelten
Metallisierungsschichten, wie dies zuvor erläutert ist, das zunehmend zu
einer weiteren geringeren mechanischen Stabilität führt, wodurch eine noch weitere
reduzierte Zuverlässigkeit
komplexer integrierter Schaltungen hervorgerufen wird. Des weiteren
kann das Vorsehen der Höckerstruktur 160 (siehe 1a)
zu einer moderat engen mechanischen Kopplung des Gehäusesubstrats
an den Halbleiterchip führen,
wodurch daher die resultierende mechanische Verspannung in „effizienter
Weise” in die
Metallisierungsschichten übertragen
wird, die unter der Höckerstruktur 160 vorgesehen
sind, so dass die schwächsten
Komponenten, d. h. die dielektrischen Materialien mit kleinem ε deutliche
mechanische Belastungskräfte
aufnehmen müssen,
die periodisch auftreten können,
insbesondere wenn ein zyklischer Betriebsmodus während des Betriebs der integrierten
Schaltung 150 eingesetzt wird.
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Aus
diesem Grunde muss in konventionellen Vorgehensweisen im Hinblick
auf leistungsorientierte Metallisierungssysteme mit anspruchsvollen
dielektrischen Materialien die Gesamtgröße des Halbleiterchips auf
geeignete Abmessungen beschränkt
werden, um damit die gesamten mechanischen Verspannungskomponenten
auf einem akzeptablen Niveau zu halten. In anderen Fällen wird
die Anzahl an Metallisierungsschichten beschränkt, wodurch ebenfalls die
Packungsdichte und/oder die Komplexität der Schaltungsanordnung beschränkt werden.
In noch anderen konventionellen Vorgehensweisen werden weniger anspruchsvolle
dielektrische Materialien eingesetzt, um die gesamte mechanische
Stabilität
zu erhöhen,
wodurch jedoch Leistung der integrierten Schaltung eingebüßt wird.
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Im
Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende
Offenbarung Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen die Zuverlässigkeit
von Metallisierungssystemen modernster Halbleiterbauelemente verbessert
wird, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden
oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken und Halbleiterbauelemente,
in denen die Zuverlässigkeit
von Metallisierungssystemen verbessert wird, wobei dennoch eine
gewünschte
Anzahl an Metallisierungsebenen mit anspruchsvollen dielektrischen
Materialien bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck wird ein einzelnes
Chipgebiet in zwei oder mehr Teile „aufgeteilt”, die mechanisch
zu einem gewissen Grade entkoppelt sind, so dass auftretende Verspannungskomponenten
auf die zwei oder mehr Teile mit geeigneter Größe einwirken, um damit die
bestehende mechanischen Verspannungsbedingungen akzeptabel zu halten,
wobei dennoch für
die erforderliche Zuverlässigkeit
gesorgt ist. Das Unterteilen eines einzelnen Chipbereichs in zwei oder
mehr Teile mit geringerer mechanischer Wechselwirkung unter Beibehaltung
der elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen Teilen kann in
einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten bewerkstelligt
werden, indem Verspannungsrelaxationsgebiete oder „Ausdehnungsspalte” vorgesehen werden,
die sich durch eine oder mehrere Metallisierungsschichten erstrecken
und die sich in einigen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
sogar in oder durch das Substrat des Halbleiterchips erstrecken.
Die Verspannungsrelaxationsgebiete besitzen unterschiedliche Eigenschaften,
beispielsweise im Hinblick auf die thermische Ausdehnung, die Elastizität und dergleichen
im Vergleich zu dem Halbleiterbauelement, so dass eine entsprechende „Entkopplung” erreicht
wird, beispielsweise während
des Betriebs des Halbleiterbauelements mit einem entsprechenden
Gehäusesubstrat,
das eine thermische Fehlanpassung in Bezug auf den Halbleiterchip
aufweist, und/oder während
gewisser Fertigungsphasen, etwa dem Einbringen in ein Gehäuse und
dem Verbinden einer Höckerstruktur
mit einem Gehäusesubstrat,
wodurch die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Defekten verringert
wird, die eine deutliche Reduzierung der Zuverlässigkeit in konventionellen Vorgehensweisen
auslösen.
Folglich kann der gewünschte
Grad an elektrischer Leistungsfähigkeit und/oder
Komplexität
des betrachteten Schaltungsaufbaus beibehalten werden, wobei dennoch
für eine erhöhte Zuverlässigkeit
auf der Grundlage einer mechanischen Entkopplung zumindest zweier
Teile eines einzelnen Halbleiterchips gesorgt wird.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein
Substrat und ein Halbleitermaterial, das über dem Substrat ausgebildet
ist. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement mehrere Schaltungselemente,
die in und über
dem Halbleitermaterial ausgebildet sind, und umfasst ferner ein
Metallisierungssystem, das über
den mehreren Schaltungselementen gebildet ist, wobei das Metallisierungssystem
eine oder mehrere Metallisierungsschichten und eine abschließende Kontaktschicht
aufweist, die ausgebildet ist, eine Verbindung mit einem Gehäusesubstrat
herzustellen. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement ein
Verspannungsrelaxationsgebiet, das zumindest in dem Metallisierungssystem
vorgesehen ist, wobei das Verspannungsrelaxationsgebiet das Metallisierungssystem
in zumindest einen ersten Teil und einen zweiten Teil unterteilt,
wobei das Verspannungsre laxationsgebiet einen Metallleitungsbereich
in zumindest einer der einen oder mehreren Metallisierungsschichten aufweist,
um den ersten Teil und den zweiten Teil elektrisch miteinander zu
verbinden.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst
ein Substrat und mehrere Transistorelemente, die in und über einem Halbleitermaterial,
das über
dem Substrat angeordnet ist, ausgebildet sind. Des weiteren ist
eine Vielzahl von gestapelten Metallisierungsschichten vorgesehen,
wobei zumindest eine der Metallisierungsschichten Metallleitungen
aufweist, die in einem dielektrischen Material mit kleinem ε gebildet
sind. Schließlich
umfasst das Halbleiterbauelement einen Ausdehnungsspalt, der sich
durch jede der mehreren gestapelten Metallisierungsschichten erstreckt,
wobei der Ausdehnungsspalt sich in das Substrat erstreckt.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft das Herstellen
eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst das Bilden einer
oder mehrerer Metallisierungsschichten über einer Halbleiterschicht,
die mehrere Transistorelemente aufweist. Des weiteren umfasst das
Verfahren das Bilden mindestens eines Grabens, der sich durch mindestens
eine der einen oder mehreren Metallisierungsschichten erstreckt,
wobei der Graben die zumindest eine der einen oder mehreren Metallisierungsschichten
in einen ersten Teil und einem zweiten Teil unterteilt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patenansprüchen definiert
und gehen auch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung mit einem
Halbleiterchip und einem Gehäusesubstrat
zeigt, die mit einer Höckerstruktur
gemäß konventioneller
Strategien verbunden sind;
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1b schematisch
eine Größe der Ansicht eines
Teils des Metallisierungssystems des Halbleiterchips zeigt, wobei
empfindliche dielektrische Materialien vorgesehen sind, die gemäß konventioneller Prozessstrategien
aufgebracht werden;
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2a und 2b schematisch
Draufsichten von Halbleiterchips mit entsprechenden Verspannungsrelaxationsgebieten
zeigen, die auch als Ausdehnungsspalte bezeichnet werden, die jeweilige Teilbereiche
mit kleineren Abmessungen und damit mit geringerer wechselseitiger
mechanischer Einflüsse
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
definieren;
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2c schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterchips zeigt, der ein Verspannungsrelaxationsgebiet
oder Entkopplungsgebiet aufweist, um zwei oder mehr Teile des Halbleiterchips,
die jeweils eine geringere Abmessung aufweisen, bereitzustellen,
um damit die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Defekten in dem
Metallisierungssystem gemäß anschaulicher
hierin offenbarter Ausführungsformen
zu verringern;
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2d schematisch
eine Draufsicht eines Teils des Verspannungsrelaxationsgebiets zeigt,
wobei mehrere Varianten für
das elektrische Verbinden der Teilbereiche auf der Grundlage einer
nicht-geradlinigen Konfiguration von Metallleitungen gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
dargestellt sind;
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2e schematisch
eine Querschnittsansicht eines Teils eines Halbleiterchips zeigt,
der ein komplexes Metallisierungssystem während einer Fertigungsphase
aufweist, um einen Graben zu bilden, der sich durch das Metallisierungssystem
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
erstreckt;
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2f und 2g schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zeigen, um ein Verspannungsrelaxationsgebiet in
mehreren Schritten herzustellen, um damit den Aufwand der entsprechenden Ätzprozesse
gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zu verringern; und
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2h schematisch
eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements zeigt, das einen Ausdehnungsspalt
oder ein Verspannungsrelaxationsgebiet aufweist, das sich in das
Halbleitersubstrat erstreckt, wobei die mechanische Entkopplung
durch Entfernen von Material auf der Rückseite des Substrats in einer
abschließenden
Fertigungsphase gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
verbessert wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung
sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Offenbarung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, deren
Schutzbereich durch die angefügten
Patentansprüche
definiert ist.
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Offenbarung an die Problematik
einer geringeren Zuverlässigkeit
von Metallisierungssystemen in modernen Halbleiterbauelementen,
wobei diese durch mechanische Verspannung hervorgerufen wird, die
auf das Metallisierungssystem während
gewisser Fertigungsphasen und insbesondere während des Betriebs der integrierten
Schaltung ausgeübt
wird, wenn diese mit einem Gehäusesubstrat
mit einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu
dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips verbunden
ist. Zu diesem Zweck wird in den hierin offenbarten Prinzipien eine „Verringerung” der effektiven
Größe des Halbleiterchips
im Hinblick auf die mechanischen Verspannungen eingeführt, während eine
gewünschte
erhöhte
Chipabmessung in Bezug auf das elektrische Verhalten beibehalten
wird. D. h., die Chipgröße wird
gemäß den Erfordernissen
festgelegt, wie sie in gewünschten komplexen
Gesamtschaltungsaufbau erforderlich sind, wobei auch ein gewisses
Maß an
Chipfläche das
Bereitstellen von Zonen oder Gebieten reserviert wird, die das Chipgebiet „mechanisch” in zwei
oder mehr Teilbereiche unterteilen, wobei dennoch die elektrische
Integrität
der Chipfläche
als Ganzes beibehalten wird. Folglich ermöglichen diese Gebiete, die
auch als Ausdehnungsspalte, Verspannungsrelaxationsgebiete, mechanische
Entkopplungsgebiete und dergleichen bezeichnet werden, dass einzelne Teilbereiche
auf mechanische Verspannung reagieren, die beispielsweise durch
Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufen
werden, wobei dies zu einer deutlich geringeren Wirkung auf benachbarte
Teilbereiche führt,
die mittels des Verspannungsrelaxationsgebiets beabstandet sind.
Folglich kann die Größe jedes
einzelnen Teilbereichs unter einer kriti schen Größe gehalten werden, über der
ein nicht-akzeptabler Verlust von Zuverlässigkeit für ansonsten vorgegebene Erfordernisse
im Hinblick auf die Anzahl an Metallisierungsschichten, die darin
verwendeten dielektrischen Materialien und dergleichen beobachtet
würde.
Andererseits kann die elektrische „Einheit” der gesamten Chipfläche durch
geeignetes Vorsehen von Metallleitungen zwischen den einzelnen Teilbereichen
beibehalten werden, wobei die Metallleitungen jedoch so ausgestaltet
sind, dass sie einen gewissen Grad an Volumenkontraktion oder der
Erweiterung standhalten, das durch mechanische Verspannung und/oder thermische
Bedingungen während
der Fertigungssequenz und/oder während
des Betriebs des Bauelements hervorgerufen wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird das entsprechende Verspannungsrelaxationsgebiet zumindest innerhalb
kritischer Metallisierungsschichten bereitgestellt, um damit die
Größe von etwaigen
auftretenden mechanischen Verspannungen zu beschränken, die
beispielsweise durch eine thermische Fehlanpassung zwischen dem
Halbleiterchip und der daran angebrachten Gehäusesubstrat hervorgerufen werden, während in
anderen Fällen
das Verspannungsrelaxataionsgebiet sich durch das gesamte Metallisierungssystem
und in oder durch das Substratmaterial des Halbleiterchips erstreckt.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird das Verspannungsrelaxationsgebiet mit einem geeigneten Material
gefüllt,
um damit die gewünschte
Reaktion der diversen Teilbereiche im Hinblick auf thermische und
mechanische Belastungen zu erhalten. D. h., das entsprechende Füllmaterial
kann unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu den anfänglichen
Materialien des Halbleiterchips, beispielsweise in Bezug auf die
Elastizität,
den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die thermische Leitfähigkeit
und dergleichen aufweisen. Auf diese Weise können die Eigenschaften der
Verspannungsrelaxationsgebiete gemäß den Bauteil- und Prozesserfordernissen
angepasst werden, wobei unterschiedliche Gebiete mit unterschiedlichen Eigenschaften
bei Bedarf vorgesehen werden können,
oder wobei selbst innerhalb eines einzelnen Relaxationsgebietes
Filmmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen werden
können. Beispielsweise
wird ein Filmmaterial mit ähnlichen thermischen
Ausdehnungseigenschaften im Vergleich zu einem Gehäusesubstrat
angewendet, beispielsweise in Form eines organischen Filmmaterials,
wodurch eine laterale Verspannungskomponente geschaffen wird, die
ein gewisses Maß an
Gegenkraft zu einer entsprechenden mechanischen Verspannungskomponente
bildet, die in dem Metallisierungssystem hervorgerufen wird, wie
dies auch zuvor erläutert
ist. D. h., während
einer erhöhten
thermischen Ausdehnung des Gehäusesubstrats
wird eine entsprechende Zugverspannung in den Metallisierungsschichten
hervorgerufen und diese wird zumindest zu einem gewissen Maße durch entsprechende kompressive
Verspannungen kompensiert, die von dem Verspannungsrelaxationsgebiet
ausgeübt
werden, d. h. den entsprechenden darin enthaltenen Füllmaterial.
Wie zuvor angegeben ist, können
die Eigenschaften des Füllmaterials
variiert werden, beispielsweise entlang der Tiefenrichtung, um damit eine
spezielle Gestaltung einer entsprechenden „Reaktion” des Relaxationsgebiets auf
spezielle Bauteilebenen zu erreichen. Während beispielsweise in oberen
Bereichen des Metallisierungssystems ein kompressives Verhalten
des Füllmaterials
vorgesehen wird, kann in unteren Bauteilebenen oder innerhalb des
Substrats eine höhere
thermische Leitfähigkeit
und/oder elektrische Leitfähigkeit
des Füllmaterials
vorteilhaft sein, beispielsweise um die gesamten thermischen Eigenschaften
von SOI-Substraten zu verbessern, wenn das Füllmaterial eine größere thermische
Leitfähigkeit
besitzt und sich durch die vergrabene isolierende Schicht erstreckt.
In anderen Fällen
wird zumindest ein Teil des Füllmaterials
als elektrischer Kontakt verwendet, um eine Verbindung zu diversen
Bauteilebenen herzustellen, oder um die elektrische Immunität diverser
Teilbereiche unter Anwendung eines elektrisch leitenden Füllmaterials
als effiziente Abschirmung zu verbessern. Beispielsweise können leistungstragende
Teilbereiche des Halbleiterchips, etwa Logikbereiche mit Schaltungen
mit hoher Schaltgeschwindigkeit und dergleichen, effizient abgeschirmt
werden, indem ein leitendes Füllmaterial
in einem Verspannungsrelaxationsgebiet vorgesehen wird, das im Wesentlichen
den kritischen Teilbereich vollständig lateral umschließt. In anderen Fällen wird
zumindest in Bereichen der Verspannungsrelaxationsgebiete eine elektrische
aktive Struktur eingerichtet, etwa eine kapazitive Struktur, die
auf mechanische und thermische Verspannungen reagiert, wodurch eine
effektive Beobachtung des Status der diversen Teilbereiche möglich ist.
In anderen Fällen
werden geeignete Entkopplungskondensatoren auf der Grundlage des
Füllmaterials
und einer entsprechenden Konfiguration der Verspannungsrelaxationsgebiete
eingerichtet. Folglich kann zusätzlich
zu den mechanischen Eigenschaften in einigen anschaulichen Ausführungsformen
eine zusätzliche
Funktionsvielfalt eingerichtet werden, etwa eine bessere Wärmeabfuhr,
die Abschirmung von Schaltrauschen, thermische Fühleranwendungen und dergleichen,
wobei dies mittels der Verspannungsrelaxationsgebiete oder zumindest
von Teilen davon erfolgen kann. Somit kann zusätzlich zu einer besseren Zuverlässigkeit
bei einer gegebenen Konfiguration eines Metallisierungssystems und
einer gegebenen Komplexität
des betrachteten Schaltungsaufbaus auch ein insgesamt bessere Leistungsfähigkeit
erreicht werden.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2h werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter
beschrieben.
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2a zeigt
schematisch eine Draufsicht eines Halbleiterchips 200 mit
speziellen lateralen Abmessungen, um damit eine oder mehrere funktionale Schaltungseinheiten
gemäß einem
gegebenen Schaltungsaufbau aufzunehmen. D. h., der Halbleiterchip 200 ist
so dimensioniert, dass eine große
Anzahl an Schaltungselementen darin hergestellt werden kann, um
damit das elektrische Leistungsverhalten, wie es durch gegebene
Schaltungskonfigurationen erforderlich ist. Des weiteren wird der
Gesamtaufbau des Halbleiterchips 200, beispielsweise im
Hinblick auf die Architektur des Metallisierungssystems (in 2a nicht
gezeigt) und dergleichen so gewählt,
dass ein gewisser Grad an Leistungsfähigkeit, beispielsweise durch
Vorsehen einer oder mehrerer der entsprechenden Metallisierungsschichten (nicht
gezeigt) in Form anspruchsvoller dielektrischer Materialien, etwa
Dielektrika mit kleinem ε,
ULK-Materialien und dergleichen erreicht wird, wie dies auch zuvor
erläutert
ist. Es sollte beachtet werden, dass der Halbleiterchip 200 eine
größere Anzahl
an Schaltungselementen im Vergleich zu konventionellen Halbleiterbauelementen
aufweisen kann, wobei ein Maß an
Komplexität
entsprechender Funktionseinheiten bei einem vorgegebenen Standard
elektrischer Leistungsfähigkeit
bereitgestellt wird, da die lateralen Abmessungen des Chips 200 nicht
durch das thermische Verhalten in Kombination mit einem entsprechenden
Gehäusesubstrat
beschränkt
sind, wie dies in konventionellen Vorgehensweisen der Fall ist, wobei
für einen
gegebenen Technologiestandard des Metallisierungssystems, d. h.
die Anzahl der Metallisierungsschichten und deren Aufbau im Hinblick
auf darin verwendete dielektrische Materialien, in Bezug auf das
erforderliche Maß an
Zuverlässigkeit
des Metallisierungssystems konventionell einzuschränken ist.
Zu diesem Zwecke wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen
der Halbleiterchip 200 in zwei oder mehr Teilbereiche 200a, 200b, 200c auf
der Grundlage eines oder mehrer Verspannungsrelaxationsgebiete 280a, 280b „unterteilt”. D. h.,
wie zuvor erläutert
ist, sorgen die Gebiete 280a, 280b für ein gewisses
Maß an
mechanischer Entkopplung in Bezug auf benachbarte Teilbereiche,
wodurch die Reaktion auf thermisch hervorgerufene Verspannungskomponenten
verbessert wird, was sich direkt in einer besseren Zuverlässigkeit
des entsprechenden Metallisierungssystems des Halbleiterchips 200 ausdrückt. Beispielsweise
repräsentieren
die Gebiete 280a, 280b Gräben, die zumindest teilweise
mit einem geeigneten Material gefüllt sind, das eine Reaktion
der einzelnen Bereiche 200a, ..., 200c auf eine mechanische
Verspannung ermöglicht,
ohne dass ein benachbarter Teilbereich wesentlich beeinflusst wird.
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Beispielsweise
kann ein entsprechendes Füllmaterial
an dem benachbarten Bereichen anhaften, wenn dennoch ein gewisses
Maß an
Elastizität gegeben
ist, so dass die entsprechenden Teilbereiche sich zusammenziehen
oder ausdehnen können, ohne
dass ein wesentlicher Einfluss auf die benachbarten Teilbereiche
auf Grund der Pufferwirkung der Gebiete 280a, 280b erfolgt.
In dem gezeigten Beispiel ermöglicht
das Verspannungsrelaxationsgebiet 280b eine Reaktion des
Teilbereichs 200c in Bezug auf thermisch oder mechanisch
hervorgerufene Verspannung durch Expansion oder Kontraktion, ohne dass
im Wesentlichen der benachbarte Teilbereich 200b beeinflusst
wird, der sich wiederum individuell ausdehnen oder zusammenziehen
kann, ohne dass eine signifikante mechanische Verspannung auf die benachbarten
Teilbereiche 200a, 200c ausgeübt wird. Wenn folglich der
Halbleiterchip 200 mit einem Gehäusesubstrat verbunden wird,
könnend
die Teilbereiche 200a, 200b, 200c der
thermisch hervorgerufenen Kontraktion oder Expansion des Gehäusesubstrats
individuell folgen, wobei gleichzeitig ihre resultierende Verspannungskomponente
auf einem Niveau gehalten wird, das mit den mechanischen Eigenschaften
des Metallisierungssystems des Chips 200 kompatibel ist.
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Andererseits
wird die elektrische Integrität des
Chips 200 als Ganzes beibehalten, indem entsprechende elektrische
Verbindungen zwischen den diversen Teilbereichen 200a, 200b. 200c beibehalten werden,
wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 2c und 2d erläutert ist.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
werden in Bezug auf die elektrischen Verbindungen die Teilbereiche 200a,
..., 200c so ausgewählt,
dass diese Bereiche Funktionseinheiten der Gesamtschaltung des Chips 200 repräsentieren,
wobei lediglich eine moderat geringe Anzahl an elektrischen Verbindungen
zwischen den diversen Funktionseinheiten, die durch die Bereiche 200a,
... 200c repräsentiert
sind, eingerichtet werden müssen.
Beispielsweise kann ein Speicherbereich einer modernen integrierten
Schaltung, etwa einer CPU, als eine Funktionseinheit betrachtet
werden, die von anderen Teilbereichen, etwa einem CPU-Kern, Leistungselektroniken,
und dergleichen durch eines der Gebiete 280a, 280b getrennt
wird. In anderen Fällen
wird die Konfiguration der Gebiete 280a, 280b und
damit der Teilbereiche 200a, ..., 200c im Hinblick
auf andere Kriterien ausgewählt,
etwa „Dichte” an Metallleitungen
in dem Metallisierungssystem, wobei eine geringerer Dichte an Metallleitungen
als vorteilhaft betrachtet werden, um darin eines der Gebiete 280a, 280b anzuordnen,
im Hinblick auf die Temperaturverteilung innerhalb des Chips 200 während des
Betriebs, im Hinblick auf das Bereitstellen von zusätzlichen
thermischen und/oder elektrischen Funktionen an speziellen Bereichen
des Chips 200 und dergleichen.
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Wie
beispielsweise zuvor angegeben ist, kann zumindest ein Teil der
Gebiete 280a, 280b zur Verbesserung der gesamten
thermischen Leitfähigkeit
verwendet werden, insbesondere in SOI-Bauelementen, so dass eines
oder mehrere der Gebiete 200a, ..., 200c Bereiche
mit einer erhöhten
Wärmeerzeugung
während
des Betriebs repräsentieren.
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2b zeigt
schematisch den Halbleiterchip 200 in einer moderat großen Anzahl
an Teilbereichen 200a, ..., 200n, die durch ein
entsprechendes Netzwerk an Verspannungsrelaxationsgebieten 280a,
..., 280g gebildet sind. Wie gezeigt, kann die Größe und die
Form der diversen Teilbereiche 200a, ..., 200n individuell
durch die Gebiete 280a, ..., 280g gemäß den gesamten
Bauteilerfordernissen eingestellt werden.
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2c zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils des Halbleiterchips 200 gemäß des Schritts
IIc aus 2a. Wie gezeigt, umfasst der Chip 200 ein
Substrat 201, das ein beliebiges geeignetes Trägermaterial
repräsentiert,
um darüber
eine Halbleiterschicht 202 zu bilden in und über welcher Schaltungselemente,
etwa Transistoren, Kondensatoren und dergleichen ausgebildet sind.
Z. B. repräsentiert
das Substrat 201 ein Siliziumsubstrat, das zumindest in
einigen Bereichen des Chips 200, eine vergrabene isolierende
Schicht 201a aufweisen kann, wenn eine SOI-Konfiguration
betrachtet wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die hierin
offenbarten Prinzipien auch auf eine beliebige Chipkonfiguration
angewendet werden können,
in der eine Halbleiterschicht über
einem geeigneten Trägermaterial
gebildet ist. Des weiteren umfasst der Halbleiterchip 200 ein
Metallisierungssystem 210, das eine gewünschte Konfiguration, beispielsweise
in Bezug auf die Anzahl der Metallisierungsschichten, die Art der
darin eingebauten dielektrischen Materialien und dergleichen aufweist.
Beispielsweise umfasst das Metallisierungssystem 210 mehrere
Metallisierungsschichten 220, 230, 240,
wovon jede mehrere Metallleitungen und Kontaktdurchführungen
aufweist, um damit die elektrischen Verbindungen von Schaltungselementen,
die in den Teilbereichen 200c, 200d angeordnet
sind, bereitzustellen. Der Einfachheit halber sind derartige Metallleitungen
und Kontaktdurchführungen
in 2c nicht gezeigt. Zumindest einige der Metallisierungsschichten 220, 230, 240 enthalten
anspruchsvolle dielektrische Materialien, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Beispielsweise weist jede der Metallisierungsschichten 220, 230, 240 entsprechend
zugeordnetes dielektrisches Material 221, 231 bzw. 241 auf,
die ein dielektrisches Material mit kleinem ε oder ein ULK-Material enthalten können. Ferner
enthalten zumindest einige der Metallisierungsschichten 220, 230, 240 eine
Metallleitung 222 bzw. 232 bzw. 242,
um den Teilbereiche 200c mit dem Teilbereich 200b über das
Verspannungsrelaxationsgebiet 280b hinweg zu verbinden. Es
sollte beachtet werden, dass entsprechende Verbindungsstrukturen
zur Verbindung der Metallleitungen 222, 232, 242 mit
Schaltungselementen in der Bauteilschicht 202 der Bereiche 200c, 200b in 2c nicht
gezeigt sind.
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Ferner
umfasst der Chip 200 das Gebiet 280b, das sich
durch das gesamte Metallisierungssystem 210, die Halbleiterebene 202 und
das Substrat 201 erstrecken kann, wobei möglicherweise
die vergrabene isolierende Schicht 201a vorgesehen ist. In
anderen anschaulichen Ausführungsformen
erstreckt sich, wie später
beschrieben ist, das Gebiet 280b bis zu einer speziellen
Tiefe, wenn eine mechanische Entkopplung oder eine Trennung einer
lateralen Verspannungsübertragung
nur in speziellen Bauteilebenen als geeignet erachtet wird. Das
Gebiet 280b kann einen Graben repräsentieren, der mit einem geeigneten
Füllmaterial 281 gefüllt ist,
das für die
gewünschten
Eigenschaften im Hinblick auf die mechanische Entkopplung sorgt.
Beispielsweise sind eine Vielzahl von Polymermaterialien im Stand
der Technik bekannt, die für
eine ausreichende Haftung an den Bereichen 200c, 200b sorgen,
um damit ein gewisses Maß an
mechanischer Stabilität
des Chips 200 während
der weiteren Bearbeitung aufrecht zu erhalten, wobei dennoch ein
gewisses Maß an
individueller Ausdehnung und Kontraktion der Bereiche 200c, 200b sichergestellt
ist, wie dies zuvor erläutert ist.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird
das Füllmaterial 281 in
Form eines Materials bereitgestellt, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
besitzt, der nahe an dem Koeffizienten des Materials eines Gehäusesubstrats
liegt, das mit dem Halbleitergebiet 200 in einer späteren Fertigungsphase
zu verbinden ist. In anderen Fallen wird ein Material mit einer
erhöhten
Elastizität
verwendet, während
in weiteren Fällen
zusätzlich
oder alternativ ein Füllmaterial
mit einer besseren thermischen Leitfähigkeit vorgesehen wird, zumindest
bis zu einem gewissen Höhenniveau
hinauf innerhalb des Gebiets 280b. Beispielsweise kann
im Falle einer SOI-Konfiguration die Wärmeabfuhreigenschaft des Substrats 201 deutlich
verbessert werden, indem ein Material mit einer größeren thermischen
Leitfähigkeit
innerhalb des Gebiets 280b zumindest für die Bereiche vorgesehen wird,
die sich von der Halbleiterschicht 202 in das Substrat 201 durch
die vergrabene isolierende Schicht 201a hindurch erstrecken.
Somit kann das im Allgemeinen schlechtere thermische Verhalten von
SOI-Bauelementen deutlich verbessert werden, indem das Gebiet 280b mit
einem geeigneten Füllmaterial 281 mit
einer erhöhten
thermischen Leitfähigkeit
vorgesehen wird.
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2d zeigt
schematisch Ansichten diverser Varianten zum Gestalten der Metallleitungen 222, 232, 242,
die die Teilbereiche 200c und 200b verbinden.
D. h., die Metallleitungen 222, 232, 242 enthalten
einen nicht geradlinigen Leitungsbereich, der sich über das
Gebiet 280b erstreckt, wodurch es möglich ist, mechanischen Auslenkungen
zwischen den Gebieten 200c, 200d zu folgen, ohne
dass dielektrische Verbindungen negativ beeinflusst wird. Wie gezeigt, kann
eine beliebige Art an „gebogener
Konfiguration” für den nicht-geradlinigen Leitungsbereich 242a innerhalb
des Gebiets 280b eingesetzt werden, um damit für die gewünschte „Flexibilität” der Metallleitung 242 und
nachfolgende Metallleitungen 232, 222, die in 2d nicht
gezeigt sind, zu sorgen.
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2e zeigt
schematisch eine weitere Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie
IIe aus 2a. Wie gezeigt, umfasst das
Halbleiterbauelement 200 das Substrat 201, das über der
Bauteilschicht 202 gebildet ist und das Metallisierungssystem 210.
Das Metallisierungssystem 210 besitzt als eine letzte Metallisierungsschicht
eine Höckerstruktur 260,
die so gestaltet ist, dass sie eine Verbindung zu einem Gehäusesubstrat
herstellt, wie dies auch zuvor mit Bezug zu der integrierten Schaltung 150 (siehe 1a)
erläutert
ist. Beispielsweise weist die Höckerstruktur 260 ein
geeignetes dielektrisches Material 261 und entsprechende
Höcker 262 auf,
auf einem geeigneten „Höckerunterseitenmetall” 262 gebildet
sind, das wiederum mit einem Metallgebiet 243 der Metallisierungsschicht 240 verbunden
ist. Wie zuvor erläutert
ist, umfasst das Metallisierungssystem 210 eine beliebige
Anzahl an Metallisierungsschichten, wobei der Einfachheit halber
drei Schichten 220, 230, 240 gezeigt
sind. Das Metallisierungssystem 210 sorgt für die elektrische
Anbindung der Schaltungselemente 204c, die in dem Teilbereich 200c angeordnet
sind, und für
die Schaltungselemente 204b, die in dem Teilbereich 200b angeordnet sind.
Des weiteren umfasst das Metallisierungssystem 210 geeignete
Metallleitungen und Verbindungsstrukturen, um die Teilbereiche 200c, 200b elektrisch zu
verbinden, wie dies zuvor erläutert
ist. Der Einfachheit halber ist eine einzelne Metallleitung 222 gezeigt,
die für
die elektrische Verbindung über
einen Bereich hinweg sorgt, in welchem das Gebiet 280b auf
der Grundlage einer entsprechenden Ätzmaske 205 zu bilden
ist.
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Das
in den 2a bis 2e gezeigte
Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden
Prozesse hergestellt werden. Die Schaltungselemente 204c, 204b und
andere Schaltungselemente in anderen Bereichen werden durch geeignetes
Definieren der Position dieser Schaltungselemente in Bezug auf die
Eingruppierung des Halbleiterbauelements 200 in die Teilbereiche 200a,
..., 200b (siehe 2a und 2b)
hergestellt, wie dies zuvor erläutert
ist. Die Fertigungssequenz zur Herstellung der Schaltungselemente 204, 204d enthält beliebige
geeignete Techniken, um die Schaltungselemente mit einem gewünschten
elektrischen Verhalten und mit den kritischen Abmessungen, wie dies durch
die Entwurfsregeln vorgegeben ist, zu bilden. Beispielsweise betragen
im anspruchsvollen Anwendungen kritische Abmessungen der Schaltungselemente 204c, 204b,
etwa eine Gatelänge
von Feldeffekttransistoren und dergleichen, ungefähr 50 nm und
weniger. Danach wird eine geeignete Kontaktstruktur 206 geschaffen,
um eine Schnittstelle zwischen den Schaltungselementen 204c, 204b und dem
Metallisierungssystem 210 zu bilden. Als nächstes werden
die diversen Metallisierungsschichten 220, 230, 240 hergestellt,
wobei geeignete Prozesstechniken in Verbindung mit gewünschten
Materialien, etwa dielektrische Materialien mit kleinem ε, eingesetzt
werden. Ferner werden die verbindenden Metallleitungen, etwa die
Leitung 222 mit einem nicht-geradlinigen Bereich in dem
Gebiet, das dem Gebiet 280b entspricht, vorgesehen, um
damit die gewünschte
mechanische „Elastizität” der elektrischen
Verbindungen zwischen den Bereichen 200c, 200b zu
erreichen. Schließlich
wird die Höckerstruktur 206 als
die letzte Metallisierungsschicht des Systems 210 gebildet,
wobei ebenfalls geeignete Prozesstechniken angewendet werden, wodurch
auch die Position der Höcker 262 in
geeigneter Weise ausgewählt
wird, um nicht störend
für das
Gebiet 280b zu wirken. Als nächstes wird die Ätzmaske 205 in Form
einer Lackmaske, möglicherweise
in Verbindung mit einem Hartmaskenmaterial, etwa Siliziumnitrid,
Siliziumdioxid, und dergleichen vorgesehen. Die Maske 205 besitzt
eine Öffnung 205a,
um damit die lateralen Abmessungen des Gebiets 280b zu
definieren. Beispielsweise wird eine Breite 205w im Bereich von
mehreren Mikrometern bis mehrere 10 Mikrometer, wobei dies von der
erwarteten thermischen Ausdehnung oder Kontraktion der Bereiche 200c, 200b abhängt, wobei
dies auch von der Größe der einzelnen
Teilbereiche abhängig
ist.
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In
anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird, wenn das Vorsehen der Ätzmaske 205 nicht
mit der Anwesenheit der Höcker 262 kompatibel ist,
die Maske 205 vor dem Bilden der Höcker 262 bereitgestellt,
und die entsprechende Prozesssequenz 207 zum Ätzen durch
das Metallisierungssystem 210 und möglicherweise durch die Bauteilschicht 202 in das
Substrat 201 und das nachfolgende Wiederauffüllen des
entsprechenden Grabens wird vor dem Bilden der Höcker 262 ausgeführt. Während der
Prozesssequenz 207 wird ein anisotropes Ätzrezept
eingesetzt, das auf Basis von Fluor oder fluorenthaltenden Ätzchemien
aufgebaut ist, um damit durch die dielektrischen Materialien selektiv
in Bezug auf Metalllei tungen, etwa die Leitung 232 zu ätzen, die
durch ein geeignetes leitendes oder dielektrisches Ätzstoppmaterial
bedeckt sein kann, was somit die Integrität der Metallleitung 222 während des
entsprechenden Ätzprozesses
sicherstellt. Beispielsweise sind eine Vielzahl von leitenden Deckmaterialien
mit einem hohen Ätzwiderstand
in Bezug auf eine Vielzahl gut etablierter plasmaunterstützter Ätzrezepte verfügbar, wobei
auch Kupfer an sich durch plasmaunterstützte Ätztechniken nur schwer ätzbar ist, wodurch
die gewünschte Ätzselektivität erreicht
wird. In anderen Fällen
wird die Sequenz 207 zum Ätzen und Wiederauffüllen des
entsprechenden Gebiets 280b als eine Sequenz mit mehreren
Prozessschritten ausgeführt,
um damit die Bedingungen für
die entsprechende Strukturierungssequenz zu entschärfen, wie
dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Somit wird nach
dem Ätzen
eines entsprechenden Grabens bis hinab zu einer spezifizierten Tiefe ein
geeignetes Füllmaterial
abgeschieden, beispielsweise durch CVD-Techniken, Aufschleudertechniken und
dergleichen, wobei dies von den Eigenschaften und Art des einzufüllenden
Materials abhängt.
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2f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen,
in denen das Gebiet 280b in mehreren Schritten hergestellt
wird. Wie gezeigt, wird nach dem Herstellen einer oder mehrerer
Metallisierungsschichten, etwa der Metallisierungsschicht 220,
eine Maske 205b vorgesehen, um zumindest durch die Metallisierungsschicht 220 und
möglicherweise durch
die Bauteilschicht 202 zu ätzen, so dass die Steuerung
des Ätzprozesses
im Vergleich zu Prozesstechniken verbessert ist, in der eine moderat hohe
Anzahl an Bauteilebenen zu ätzen
ist.
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2g schematisch
das Halbleiterbauelement 200 nach dem Ätzen eines Grabens 282b in
die Metallisierungsschicht 220, der sich bis zu einem Substrat 201 erstreckt
oder der sich in oder durch das Substrat 201 erstreckt,
wie dies für
die Gesamtkonfiguration des Gebiets 280b erforderlich ist.
Anschließend
wird ein entsprechender Abscheideprozess 207a ausgeführt, um
den Graben 282b mit einem geeigneten Füllmaterial wieder aufzufüllen, wie
dies zuvor erläutert
ist, es sollte beachtet werden, dass der Prozess 207a mehrere
Abscheideprozesse enthalten kann, möglicherweise in Verbindung
mit Ätzprozessen,
wobei dies von den Eigenschaften des Füllmaterials abhängt. Beispielsweise
kann ein Material mit einer erhöhten
thermischen Leitfähigkeit
in einem unteren Bereich des Grabens 282b eingefüllt werden, insbesondere,
wenn der Graben 282b sich durch eine vergrabene isolierende
Schicht erstreckt, wie dies auch zuvor erläutert ist. Wenn eine andere
Materialart in den Graben 282b einzufüllen ist, wird überschüssiges Material
entfernt, beispielsweise durch einen entsprechenden Ätzprozess,
und nachfolgend wird ein anderes Füllmaterial abgeschiedne. In
weiteren Fällen
wird ein leitendes Material abgeschieden, beispielsweise an Seitenwandbereichen des
Grabens 282b, indem ein konformer Abscheideprozess mit
einem Abscheiden eines dielektrischen Materials ausgeführt wird,
wobei ebenfalls ein Teil des zuvor abgeschiedenen Materials entfernt
wird, um nicht das elektrische Verhalten der Metallisierungsschicht 220 zu
stören,
falls dies gewünscht
ist. In diesem Falle bietet das Gebiet 280b eine verbesserte
Abschirmwirkung im Hinblick auf die elektromagnetische Immunität. In anderen
Fällen
wird ein entsprechendes leitendes Material von der Unterseite des
Grabens 282b entfernt, so dass eine kapazitive Struktur
erhalten wird, die für
elektrische Überwachungsaufgaben,
Ladungsspeicherung und dergleichen verwendet werden kann.
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Nach
dem Wiederauffüllen
des Grabens 282b wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt,
indem zusätzliche
Metallisierungsschichten hergestellt werden und eine entsprechende
Fertigungssequenz, wie sie zuvor beschrieben ist, wiederholt wird,
um damit einen weiteren Teil des Gebiets 280b auf der Grundlage
weniger anspruchsvoller Prozessbedingungen zu schaffen.
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2h zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 200 in
einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen.
Wie gezeigt, erstreckt sich das Gebiet 280b durch das Metallisierungssystem 210 in
das Substrat 201, wobei jedoch eine Restdicke 210r des
Substrats 201 beibehalten wird, um für eine bessere mechanische
Integrität
des Halbleiterbauelements 200 während der Bearbeitung und der
Handhabung des Substrats 201 zu sorgen. D. h., während der
entsprechenden Handhabungsaktivitäten zum Ätzen eines Grabens für das Gebiet 280b,
zum Wederbefüllen
des Grabens und dergleichen, liefert die Restdicke 210r eine
erhöhte Integrität, selbst
wenn das Füllmaterial
des Gebiets 280b eine erhöhte Elastizität aufweist,
wie sie für
die mechanische Entkopplung der Bereiche 200c, 200b während des
Betriebs des Bauelements 200 wünschenswert ist, wenn das Bauelement
mit einem Gehäusesubstrat
verbunden ist. Somit kann während
einer abschließenden
Phase der gesamten Fertigungssequenz vor dem Vereinzeln des Substrats 201 die
Restdicke 210r verringert werden, um das Gebiet 210b von
der Rückseite 201b des
Substrat 201 aus „freizulegen”. Zu diesem
Zweck kann ein beliebiger geeigneter Schleifprozess ausgeführt werden
und/oder ein Ätz prozess
angewendet werden, wofür
gut etablierte Ätzrezepte
oder Polierrezepte verfügbar
sind. Auf diese Weise kann sich das Gebiet 280b vollständig durch
das verbleibende Substrat 201 erstrecken, wobei auch die
geringere Dicke für bessere
elektrische und thermische Leistungsverhältnisse sorgen kann. Des weiteren
kann die Effizienz der mechanischen Entkopplung, die durch das Gebiet 280b geliefert
werden, indem die Dicke des Substrats 201 reduziert wird.
Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem das Substrat 201 geschnitten
wird, um separate individuelle Halbleiterchips bereitzustellen,
und indem die Chips mit geeigneten Gehäusesubstraten verbunden werden,
wie dies beispielsweise mit Bezug zu 1a beschrieben
ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente,
integrierte Schaltungen und Techniken zur Herstellung derselben
bereit, wobei eine größere Zuverlässigkeit
des Metallisierungssystems erreicht wird, indem ein einzelner Halbleiterchip
in zwei oder mehrere Teilbereiche unterteilt wird, die mittels eines
geeigneten Expansionsspalts oder eines Verspannungsrelaxationsgebiets
separiert sind, das einen Betrag der mechanischen Verspannung begrenzt,
der während
des Betriebs einer integrierten Schaltung auftreten kann, die den
Halbleiterchip mit den mehreren individuellen Teilbereichen und
ein entsprechendes Gehäusesubstrat
aufweist. Auf diese Weise können
komplexe Metallisierungssysteme auf der Grundlage von dielektrischen
Materialien mit kleinem ε mit
einer erforderlichen großen Anzahl
an Metallisierungsebenen angewendet werden, ohne dass im Wesentlichen
eine Einschränkung auf
spezielle relativ kleine laterale Gesamtabmessungen des Halbleiterchips
erforderlich ist, wie dies in konventionellen Techniken der Fall
ist. Somit können
für eine
gegebene elektrische Leistungsfähigkeit mehr
Funktionen in einem einzelnen Halbleiterchip integriert werden,
ohne dass die Zuverlässigkeit
des Metallisierungssystems im Vergleich zu konventionellen Bauelementen
beeinträchtigt
wird.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten
Prinzipien zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten
und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu
betrachten.