DE10055763A1 - Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten Verbindung zwischen zwei Wafern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten Verbindung zwischen zwei Wafern

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten und wiederablösbaren Verbindung zwischen zwei Wafern, wobei auf zumindest einem Wafer eine Flüssigschicht aus Alkoholen und polymerisierten sowie teilweise durch organische Reste (R) substituierten Kieselsäuremolekülen ausgebildet wird. Auf Grund dieses verwendeten Materials erhält man auch bei Verwendung von Hochtemperaturprozessen eine kontaminationsfreie und mechanisch stabile wiederablösbare Verbindung zwischen zwei Wafern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten Verbindung zwischen zwei Wafern und ins­ besondere einer wiederablösbaren Verbindung zwischen einem ultradünnen und einem normal dicken Wafern.
Heutige Halbleiterbauelemente werden zunehmend auf sehr dün­ nen Halbleiterkörpern bzw. -wafern, darunter auch solche, die dünner als 100 Mikrometer sind, hergestellt. Hierzu werden üblicherweise Wafer verwendet, die eine Dicke von 500 bis 700 Mikrometern aufweisen und die vor der Fertigstellung von je­ weiligen Halbleiterbauelementen dünn geschliffen werden.
Solche ultradünnen Wafer sind jedoch auf Grund ihrer mechani­ schen Eigenschaften sehr schwierig handhabbar und lassen sich nicht mit den selben Fertigungsmaschinen und Transport- und Halterungsvorrichtungen bearbeiten wie Wafer mit einer her­ kömmlichen Standarddicke. Deshalb müssen eigens für ultradün­ ne Wafer modifizierte Fertigungsmaschinen und Transportvor­ richtungen hergestellt werden, die für spezielle Waferkasset­ ten ausgelegt sind und die eigens für ultradünne Wafer kon­ struierte, üblicherweise manuell zu bedienende Greifvorrich­ tungen zur Bestückung der Fertigungsmaschinen aufweisen. Fer­ ner sind hier die Vorrichtungen zur Fixierung der ultradünnen Wafer während des eigentlichen Herstellungsprozesses, wie beispielsweise Chucks, mehr oder weniger aufwändig für die Erfordernisse der ultradünnen Wafer umgebaut. Allerdings sind der Modifizierung von Fertigungsmaschinen für die Zwecke der Bearbeitung und Handhabung ultradünner Wafer auf Grund ihrer zunehmenden Komplexität enge Grenzen gesetzt.
Die Bereitstellung derartiger neuer oder modifizierter Ferti­ gungsmaschinen zur Bearbeitung ultradünner Wafer ist daher äußerst aufwändig und kostenintensiv.
Für Prozesse, bei denen keinerlei Temperaturbehandlung auf­ tritt, sind beispielsweise Verfahren bekannt, die ultradünne Wafer mit einem Wachs oder einer zweiseitig klebenden Folie auf einem Trägerwafer befestigen, um ihn nachher mittels ei­ ner Temperatureinwirkung wieder zu lösen.
Ferner ist aus der Druckschrift EP 0 585 256 ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Wafern be­ kannt, die Temperaturen bis zu 500 Grad Celsius Stand hält. Nachteilig ist hierbei jedoch die Verwendung von metallhalti­ gen, wässrigen Silikaten und Phosphaten als Bindemittel, die insbesondere eine Verwendung als Hochtemperaturträger nicht gestatten. Insbesondere das Natrium von dem dort vorgeschla­ genen Natriumsilikat würde nämlich bei höheren Temperaturen Schaltkreise mit beispielsweise MOS-Transistoren schädigen, wobei jedoch auch Phosphor und Aluminium des verwendeten Alu­ miniumphosphats als sogenannte Dotierelemente die Dotierungs­ verhältnisse von Schaltkreisen und Transistoren im Halbleiter verändern würden.
Insbesondere für Leistungshalbleiter ist jedoch oftmals eine schnelle Dotierung von einer Waferrückseite erforderlich, die Temperaturbehandlungen oberhalb von 700 Grad Celsius und ty­ pischerweise bei 1000 Grad Celsius erfordern. Bei derartig hohen Temperaturen ergeben sich jedoch bei den vorstehend be­ schriebenen herkömmlichen Verbindungsverfahren wesentliche Kontaminationsprobleme.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten und wiederablösba­ ren Verbindung zwischen zwei Wafern zu schaffen, die sowohl kostengünstig ist als auch Schaltelemente mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Insbesondere durch das Ausbilden einer Flüssigschicht aus Al­ koholen und polymerisierten sowie teilweise durch organische Reste substituierten Kieselsäuremolekülen auf zumindest einem der Wafer mit anschließendem Verdampfen der Alkohole und Zu­ sammenfügen der beiden Wafer sowie Durchführen einer Tempera­ turbehandlung bei einer Mindesttemperatur von 300 Grad Celsi­ us erhält man eine hochtemperaturfeste Verbindung mit der ultradünne Wafer besonders kostengünstig und auf besonders einfache Weise weiter verarbeitet werden können. Da die ver­ wendete Flüssigschicht mit ihren polymerisierten und teilwei­ se durch organische Reste substituierten Kieselsäuremolekülen keine Dotierstoffe aufweisen, tritt bei der abschließenden Temperaturbehandlung bzw. bei zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführten Hochtemperaturprozess keine Kontamination des Halbleitermaterials auf, weshalb die elektrischen Eigenschaf­ ten der auszubildenden Schaltelemente hervorragend sind. Dar­ über hinaus ermöglichen Freiheitsgrade in der Gestaltung der Oberflächentopographie insbesondere eines Tägerwafers eine ausreichende Anzahl von Hohlräumen zwischen den verbundenen Wafern, wodurch ein späteres Auftrennen beispielsweise mit­ tels Flusssäure ohne Verwendung von zusätzlichen Hilfsmitteln wie z. B. Quarz- oder Glasfasern ermöglicht wird.
Vorzugsweise erfolgt das Ausbilden der Flüssigschicht durch Aufschleudern eines dicken, flüssigen Films bzw. eines soge­ nannten "spin-on"-Glases.
Die Flüssigschicht bzw. der dicke, flüssige Film besteht vor­ zugsweise aus in Butanol verdünntem Methylsilsesquioxanpoly­ mer, wodurch sich eine besonders einfache Herstellung reali­ sieren lässt.
Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit können die bei­ den zusammengefügten Wafer ferner großflächig mit einem gleichförmigen Druck beaufschlagt werden, der beispielsweise mindestens 1000 Pascal beträgt. Ferner kann ein stufenweises und/oder kontinuierliches Aufheizen bis zur Mindesttemperatur von 300 Grad Celsius durchgeführt werden, wodurch eine Quali­ tät der Verbindung sowie eine Verarbeitungsgeschwindigkeit verbessert werden kann. Das Aufheizen kann beispielsweise bei einer Temperaturrampe von mindestens 10 Grad pro Minute er­ folgen.
Insbesondere bei Verwendung einer Oberfläche, die ein Silizi­ umnitrid oder ein Siliziumdioxid aufweist, kann eine Haftung zwischen den beiden Wafern weiter verbessert werden.
Vorzugsweise werden zumindest in eine der Oberflächen der Wa­ fer Gräben eingebracht, die einen späteren Trenn-Vorgang we­ sentlich erleichtern. Eine Tiefe der Gräben überschreitet hierbei eine Dicke der Flüssigschicht wesentlich. Ferner kön­ nen die Gräben parallel und/oder senkrecht zueinander ange­ ordnet werden, wodurch ein Ablösen eines sogenannten Produkt­ wafers vom sogenannten Trägerwafer weiter vereinfacht wird.
Alternativ oder zusätzlich können zumindest in einem der bei­ den Wafer auch eine Vielzahl von durchgehenden Löchern ausge­ bildet werden, wodurch man eine weitere Verbesserung des Trenn-Vorgangs erhält und eine Haftung auf Grund der größeren Auflagefläche verbessert ist.
Ferner kann die Hochtemperaturbehandlung vorzugsweise in ei­ ner O2-Atmosphäre durchgeführt werden, wodurch die Zuverläs­ sigkeit der Verbindung weiter verbessert wird.
In den weiteren Ansprüchen sind weitere vorteilhafte Ausges­ taltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Draufsicht auf einen Trägerwafer; und
Fig. 2 eine chemische Struktur der erfindungsgemäßen poly­ merisierten sowie teilweise durch organische Reste substitu­ ierten Kieselsäuremoleküle.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf einen Träger­ wafer 1, der aus einem oxidierbaren Halbleitermaterial, bei­ spielsweise Silizium oder Silizium-Carbid, besteht. Der Trä­ gerwafer 1 weist vorzugsweise eine möglichst ebene, polierte Oberfläche auf, in die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise Gräben 2 eingebracht sind. Die Gräben 2 können in die Oberfläche des Trägerwafers 1 in üblicherweise durch nasschemisches oder trockenchemisches Ätzen eingebracht wer­ den oder anderweitig ausgespart werden, wozu typischerweise die Fotolack- und Ätztechnik herangezogen wird.
Die Gräben 2 erstrecken sich über die gesamte Oberfläche des Trägerwafers, was durch die Strichlinien A und a angedeutet ist. Genauer gesagt können sich die Gräben in vertikaler und/oder in horizontaler Richtung erstrecken. Obwohl in der Fig. 1 die Gräben 2 jeweils parallel und senkrecht zueinan­ der angeordnet sind, ist diese parallele bzw. senkrechte An­ ordnung keinesfalls notwendig: die Gräben 2 können vielmehr auch schräg zueinander verlaufen oder überhaupt mehr oder we­ niger zufällig angeordnet sein.
Vorzugsweise sind die Gräben 2 ca. 50 Mikrometer tief und über 100 Mikrometer breit und besitzen somit eine Tiefe, die eine Dicke einer für die Verbindung verwendeten Flüssig­ schicht wesentlich überschreitet. Die für die Verbindung verwendete Flüssigschicht besitzt üblicherweise eine Dicke von wenigen Mikrometer. Auf diese Weise ist zu jedem Zeitpunkt sichergestellt, dass die Flüssigschicht die Gräben 2 nicht vollständig auffüllt und somit ausreichende Kanäle zum Zufüh­ ren eines entsprechenden Trennungsmittels wie z. B. einer Flusssäure oder einer flusssäurehaltigen Lösung für eine spä­ tere Trennung von zwei verbundenen Wafern ermöglicht ist.
Alternativ kann gemäß einem nicht dargestellten zweiten Aus­ führungsbeispiel eine Verbesserung eines Trennvorgangs auch durch eine Vielzahl von zumindest im Trägerwafer 1 ausgebil­ deten durchgehenden Löchern realisiert werden. Derartige durchgehende Löcher besitzen vorzugsweise einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis maximal 20 Mikrometer wodurch sich eine sieb-ähnliche Struktur zumindest des Trägerwafers 1 ergibt. Auf Grund dieser sieb-ähnlichen Struktur erhält man eine gegenüber der vorstehend beschriebenen Grabenstruktur größere Auflagefläche, wodurch sich die Haftung zu einem nicht dargestellten Produktwafer verbessern lässt. Darüber hinaus wird jedoch auch ein Trenn-Vorgang der zusammengefüg­ ten Wafer durch die durchgehenden Löcher begünstigt, da ein für das Trennmittel (z. B. Flusssäure oder flusssäurehaltiger Lösung) zurückzulegender Weg wesentlich verringert ist (Dicke des Träger- oder Produktwafers).
Grundsätzlich kann jedoch auch auf die vorstehend beschriebe­ nen Löcher- bzw. Grabenstrukturen verzichtet werden und die beiden Wafer (Trägerwafer 1 und Produktwafer) mit ihren glat­ ten Flächen unmittelbar verbunden werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demzufolge zunächst ei­ ne Flüssigschicht aus Alkoholen und polymerisierten sowie teilweise durch organische Reste substituierten Kieselsäure­ molekülen auf zumindest einem der Wafer ausgebildet. Bei­ spielsweise wird auf den Trägerwafer 1 ein dicker, flüssiger Film mit alkoholatisch verdünnten, halborganischen Kieselsäu­ reketten als Flüssigschicht aufgeschleudert. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Flüssigschicht noch eindeutig in der flüssigen Phase am Wafer und kann in dieser Form noch keine Verbindung mit einem anderen Wafer eingehen.
Aus diesem Grund wird zunächst ein Nieder-Temperaturschritt durchgeführt, bei dem die alkoholatischen Lösungsmittel bzw. Mittel zum Verdünnen oder Einstellen der richtigen Viskosität teilweise verdunsten. Andererseits darf die Temperatur bei diesem Herstellungsschritt noch nicht so hoch sein, das be­ reits eine Vernetzung der halborganischen Kieselsäurepolymere eintritt.
Experimente haben gezeigt, dass sich insbesondere Methylsil­ sesquioxan in Butanol (als Alkohol) verdünnt für das hochtem­ peraturfeste Verbinden von Wafern eignet, wenn es mit einer Drehzahl von ca. 500 U/min auf mindestens einen der beiden Wafer aufgeschleudert wird und sodann bei ca. 75 Grad Celsius auf einer Heizplatte dem Großteil des Butanols Gelegenheit gegeben wird, zu verdunsten. Dieser Verdunstungsvorgang kann beispielsweise mit freiem Auge oder mit entsprechenden Erfas­ sungsvorrichtungen erfasst werden, wobei ein Verschwinden von Interferenzringen, die Variationen in der Schichtdicke andeu­ ten, nach ca. 10 Sekunden erfasst werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schicht weniger als 10 Mikrometer dick und halbfest bzw. plastisch verformbar und klebrig.
In einem nachfolgenden Schritt werden die beiden Wafer mit­ einander in Kontakt gebracht, beispielsweise der Produktwafer kraft- und formschlüssig auf den Trägerwafer gelegt und z. B. unter Einwirken einer gleichmäßigen Druckkraft zusammenge­ fügt. Ferner wird ein Durchführen einer Temperaturbehandlung bei einer Mindesttemperatur von 300 Grad Celsius durchgeführt um die eigentliche Verbindung zu realisieren. Vorzugsweise wird der Produktwafer und der Trägerwafer großflächig mit ei­ nem gleichförmigen Druck von mindestens 1000 Pascal beauf­ schlagt, wodurch man eine mechanisch besonders feste Verbin­ dung erhält. Ferner kann die Temperaturbehandlung bei der Mindesttemperatur durch ein stufenweises und/oder kontinuier­ liches Aufheizen erfolgen, wobei beispielsweise eine Tempera­ turrampe von mindestens 10 Grad Celsius pro Minute verwendet wird. Auf diese Weise erhält man durch eine Vernetzung der halborganischen Kieselsäurepolymere eine mechanisch stabile und hochtemperaturfeste Verbindung, die zu einem späteren Zeitpunkt auf besonders einfache Weise wieder lösbar ist.
Insbesondere kann mit einer derartigen Verbindung ein Hoch­ temperatur-Diffusionsprozess durchgeführt werden, der bei­ spielsweise über die Glaserweichungstemperaturen von normalen PSG (Phosphor-Silikatglas) und BPSG (Bor-Phosphor- Silikatglas) -Schichten hinausgeht, wobei die Haftkraft un­ verändert bleibt. Insbesondere bei der Herstellung von Lei­ stungshalbleitern benötigt man eine besonders schnelle Dotie­ rung über die Waferrückseite, die bei Temperaturen größer 700 Grad. Celsius und typischerweise bei 1000 Grad Celsius statt­ findet. Derartige Temperaturen werden von der vorstehend be­ schriebenen Verbindung problemlos gemeistert und verursachen ferner keinerlei Kontaminationsprobleme auf Grund von Ausdif­ fusion von Dotierstoffen und/oder anderen Verunreinigungen. Die elektrischen Eigenschaften von im Halbleitermaterial her­ gestellten Schaltelementen werden daher nicht beeinträchtigt.
Eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen den beiden Wafern erhält man hierbei, wenn die Hoch­ temperaturbehandlung beim Zusammenfügen oder in einem späte­ ren Diffusionsprozess in einer O2-Atmosphäre durchgeführt wird. Grundsätzlich kann jedoch auch eine herkömmliche Stick­ stoff-Atmosphäre für derartige Hochtemperaturprozesse verwen­ det werden.
In den Versuchen wurde eine Flüssigschicht bzw. ein "spin-on- Glas" (400F) der Firma Filmtronics, Inc. (Pennsylvania, USA) verwendet, wie es in Fig. 2 als chemische Struktur darge­ stellt ist. Eine derartige Flüssigschicht besteht somit im Wesentlichen aus polymerisierten und teilweise durch organische Reste R substituierten Kieselsäuremolekülen, die in Al­ koholen wie z. B. Butanol gelöst sind.
In Fig. 2 ist die Struktur von Methylsilsesquioxan darge­ stellt, wobei die organischen Reste R beispielsweise CH3, C5H5 usw. aufweisen.
Versuche haben gezeigt, dass eine Haftung unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit, -Rauhigkeit und Topografie statt­ findet, jedoch eine Waferoberfläche aus Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid besonders geeignet ist, die Haftung zu gewähr­ leisten. In diesem Zusammenhang haben weitere Versuche ge­ zeigt, dass verwendete Flüssigschichten ohne organische Reste an ihren Kieselsäurepolymeren absolut ungeeignet sind eine Verbindung herzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde im Wesentlichen ein Trägerwafer 1 mit einer Flüssigschicht beschichtet und/oder mit einer Grabenstruktur oder Siebstruktur versehen. In glei­ cher Weise kann jedoch auch der weitere beispielsweise Pro­ duktwafer mit der Flüssigschicht beschichtet werden und eine Graben- und/oder Siebstruktur aufweisen. Ferner sind neben der in Butanol gelösten Methylsilsesquioxan-Flüssigschicht auch andere Flüssigschichten mit Alkoholen und polymerisier­ ten sowie teilweise durch organische Reste substituierten Kieselsäuremolekülen verwendbar.
Als Wafer werden vorzugsweise Siliziumwafer verwendet. Es können jedoch auch Siliziumcarbid-, Keramik- oder Polysilizi­ umwafer sowie Wafer mit metallischer Oberfläche insbesondere als Trägerwafer verwendet werden. Bei den Wafern mit metalli­ scher Oberfläche werden vorzugsweise Metalle mit hohem Schmelzpunkt verwendet.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturfesten Verbindung zwischen zwei Wafern mit den Schritten:
  • a) Ausbilden einer Flüssigschicht aus Alkoholen und polyme­ risierten sowie teilweise durch organische Reste (R) substi­ tuierten Kieselsäuremolekülen auf zumindest einem der Wafer;
  • b) teilweises Verdampfen der Alkohole zum Ausbilden einer halbfesten, klebrigen Schicht;
  • c) Zusammenfügen der beiden Wafer; und
  • d) Durchführen einer Temperaturbehandlung bei einer Min­ desttemperatur von 300 Grad Celsius.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus­ bilden der Flüssigschicht ein Aufschleudern eines weniger als 10 µm dicken, flüssigen Films darstellt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Alko­ hole Butanol und die polymerisierten sowie teilweise durch organische Reste (R) substituierten Kieselsäuremoleküle Me­ thylsilsesquioxan aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zusammengefügten Wafer großflächig mit einem gleichförmigen Druck beaufschlagt werden.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mindestens 1000 Pascal beträgt.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) ein stufenweises und/oder kontinuierliches Aufheizen bis zur Mindesttemperatur durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf­ heizen bei einer Temperaturrampe von mindestens 10 Grad Cel­ sius pro Minute erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Oberflächen der Wafer ein Siliziumnitrid oder Sili­ ziumdioxid aufweist.
9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumin­ dest einer der Oberflächen der Wafer Gräben (2) ausgebildet werden.
10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Gräben (2) eine Dicke der Flüssigschicht wesentlich über­ schreitet.
11. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (2) parallel und/oder senkrecht zueinander verlaufen.
12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem der beiden Wafer eine Vielzahl von durchgehenden Lö­ chern ausgebildet werden.
13. Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von Löchern einen maximalen Durchmesser von 20 Mikrome­ ter aufweisen.
14. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempe­ raturbehandlung in Schritt d) oder einem späteren Verfahrens­ schritt in einer O2-Atmosphäre durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer ein Material aus Siliziumcarbid, Polysilizium, Keramik und/oder mit einer metallischen Oberfläche aufweisen.
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