DE10127387B4

DE10127387B4 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats und eines Halbleiterbauelements aus zwei einkristallinen Halbleiterscheiben

Info

Publication number: DE10127387B4
Application number: DE2001127387
Authority: DE
Inventors: Ahmad Fathulla; Thomas Neidhart; Helmut Schönherr
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: DE10127387A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial, die jeweils eine vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildete Verbindungsfläche aufweisen, bei dem
– eine Verbindungsschicht (6) aus einem nicht einkristallinem Halbleitermaterial auf die Verbindungsfläche wenigstens einer der beiden Halbleiterscheiben (2, 4) aufgebracht wird;
– die beiden einkristallinen Halbleiterscheiben (2, 4) unter Zwischenlage der Verbindungsschicht (6) an ihren Verbindungsflächen elektrisch leitend in Kontakt gebracht werden; und
– eine Wärmebehandlung zum Verbinden der beiden einkristallinen Halbleiterscheiben (2, 4) durchgeführt wird, wobei
– das nichtkristalline Material der Verbindungsschicht und die einkristallinen Materialien der Halbleiterscheiben aus demselben Halbleitergrundmaterial bestehen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindungsschicht (6) zunächst als nichtkristallines Halbleitermaterial aufgebracht und nachfolgend bei der Wärmebehandlung in eine zumindest teilweise kristalline Halbleiterschicht umgewandelt wird.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie und betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial, die jeweils eine vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildete Verbindungsfläche aufweisen.

Bei der Herstellung von Halbleitersubstraten, die als Basismaterial für integrierte Schaltungen und Einzelhalbleiter dienen, gewinnen zunehmend Verfahren an Bedeutung, bei denen zwei Halbleiterscheiben miteinander verbunden werden. Das Verbinden zweier Halbleiterscheiben wird allgemein als Bonden bezeichnet. Häufig wird beim Bonden von Siliziumscheiben (Wafern) eine Siliziumoxidschicht verwendet, welche die beiden Siliziumscheiben miteinander verbindet. Eine der beiden Scheiben dient dabei in der Regel als Trägermaterial, um die andere Siliziumscheibe mechanisch zu stabilisieren und möglichst dünn schleifen zu können.

Ein derartiges Verfahren ist z.B. aus der US 6,027,956 bekannt, bei dem zwei Halbleiterscheiben mittels einer dazwischen liegenden Oxidschicht miteinander verbunden werden und nachfolgend eine der beiden Siliziumscheiben bis auf eine vorgegebene Materialstärke zurückgeschliffen wird. Das im Ergebnis entstehende Halbleitersubstrat besteht somit aus zwei durch die Oxidschicht voneinander isolierten Siliziumscheiben. Das mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellte Halbleitersubstrat eignet sich aufgrund der zwischen den beiden Halbleiterscheiben liegenden Oxidschicht lediglich für planare Halbleiterbauelemente.

Eine Halbleiter-Wafer-Verbindungstechnologie unter Verwendung eines transparenten Films ist in DE 44 38 598 A1 beschrieben. Darin ist ein Verfahren angegeben, das zum Ziel hat, die Lichtausbeute von LED's zu erhöhen.

Das Dokument DE 38 29 906 A1 beschreibt ein Verfahren zum Her stellen von Halbleiter-Bauelementen, bei dem zwei Siliziumwafer mittels SDB (Silicon Direct Bonding) verbunden werden.

Das Dokument US 5,539,245 offenbart ein Verfahren zum Verbinden zweier Siliziumwafer mit unterschiedlichem Sauerstoff- bzw. Kohlenstoffgehalt.

In dem Dokument DE 44 23 067 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines isolierten Halbleitersubstrats beschrieben, bei dem auf ein Halbleitersubstrat eine nicht-stöchiometrische Schicht eines Isolationsmaterials aufgebracht und nachfolgend der so beschichtete Halbleiterwafer mit einem zweiten Halbleiterwafer bei Temperaturen oberhalb von 800°C verbunden wird.

Ein weiteres Verfahren ist aus der DE 41 33 820 A1 bekannt. Dort werden zwei Siliziumscheiben mit einer RCA-Lösung gereinigt und anschließlich bei hohen Temperaturen flächig miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist unter dem Begriff Silicon-Fusion-Bonding (FSB) bekannt. Im Unterschied zu dem weiter oben beschriebenen Verfahren treten die beiden Siliziumscheiben unmittelbar miteinander in Kontakt. Problematisch dabei ist, daß eine Fehlanpassung der Kristallgitter der beiden Siliziumscheiben infolge leichter Verkippungen und Verdrehungen der Siliziumscheiben zueinander trotz sorgfältiger Handhabung nicht ausgeschlossen werden kann. Bei dem Hochtemperaturschritt kann diese Fehlanpassung zu Kristallgitterfehlern in den Siliziumscheiben führen, die bis weit in das Innere der Siliziumscheiben hinein reichen und dort die Funktionsfähigkeit von aktiven Bauelementen beeinträchtigen. Insbesondere bei mikroelektronischen Bauelementen mit einem vertikalen Stromfluß können bis in pn-Übergänge reichende Kris tallgitterfehler zu hohen Leckströmen und verringerter Sperrspannungsfestigkeit führen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß die Entstehung von Kristallgitterfehlern bei vergleichsweise einfacher Verfahrensführung deutlich reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial, die jeweils eine vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildete Verbindungsfläche aufweisen, bei dem

– eine Verbindungsschicht aus einem nicht einkristallinem Halbleitermaterial auf die Verbindungsfläche wenigstens einer der beiden Halbleiterscheiben aufgebracht wird;
– die beiden einkristallinen Halbleiterscheiben unter Zwischenlage der Verbindungsschicht an ihren Verbindungsflächen elektrisch leitend in Kontakt gebracht werden; und
– eine Wärmebehandlung zum Verbinden der beiden einkristallinen Halbleiterscheiben durchgeführt wird, wobei
– das nichtkristalline Material der Verbindungsschicht und die einkristallinen Materialien der Halbleiterscheiben aus demselben Halbleitergrundmaterial bestehen, und wobei
– die Verbindungsschicht zunächst als nichtkristallines Halbleitermaterial aufgebracht und nachfolgend bei der Wärmebehandlung in eine zumindest teilweise kristalline Halbleiterschicht umgewandelt wird.

Aufgrund der Verbindungsschicht aus nicht einkristallinem Halbleitermaterial treten die beiden Halbleiterscheiben zueinander nicht in unmittelbaren Kontakt, sondern sind durch die Verbindungsschicht voneinander getrennt. Dadurch liegen auch die Kristallgitter der Halbleiterscheiben nicht direkt aufeinander, so daß es auch nicht zu einer unmittelbaren Kristallgitterfehlanpassung kommt. Bei der nachfolgenden Wärmebehandlung wird das nicht einkristalline Halbleitermaterial der Verbindungsschicht bevorzugt zumindest teilweise kristallisiert, so daß lediglich in der nun teilweise kristallinen Verbindungsschicht Kristallgitterfehler auftreten, die eine Fehlanpassung der Kristallgitter der Halbleiterscheiben be reits kompensieren. Die Verbindungsschicht "puffert" damit eine mögliche Fehlanpassung der Kristallgitter beider Halbleiterscheiben ab.

Die nicht einkristalline bzw. die teilweise kristalline Ver bindungsschicht ermöglicht weiterhin einen elektrischen Stromfluß von einer Halbleiterscheibe zur anderen, so daß die beiden Halbleiterscheiben nicht elektrisch voneinander isoliert sind. Sofern eine der beiden Halbleiterscheiben aktive Bauelemente aufweist kann durch die erfindungsgemäß ermöglichte elektrische Verbindung beider Halbleiterscheiben in einfacher Art und Weise ein beidseitiger elektrischer Kontakt dieser Halbleiterscheibe hergestellt werden. Auf aufwendige Tiefendiffusionsgebiete zur Kontaktierung in der Halbleiterscheibe vergrabener Funktionsschichten kann verzichtet werden. Die mittels des erfindungsgemäß hergestellten Halbleitersubstrate eignen sich daher insbesondere für vertikale Bauelemente.

Im Rahmen der Erfindung soll unter nichtkristallinem Halbleitermaterial ein amorphes Materialgefüge verstanden werden. Das Materialgefüge des nichtkristallinen Halbleitermaterials weist überwiegend noch keine mikroskopisch erkennbare polykristalline Struktur auf. Im Gegensatz dazu soll unter teilweise kristallinem Halbleitermaterial ein ausgeprägtes, mikroskopisch erkennbares polykristallines Materialgefüge verstanden werden. Unter einem nicht einkristallinem Halbleitermaterial werden sowohl nichtkristalline als auch teilweise kristalline Materialgefüge verstanden.

Die Wärmebehandlung sollte derart durchgeführt werden, daß bevorzugt ein polykristallines Materialgefüge entsteht. Durch geeignete Wahl der Temperatur und der Zeitdauer der Wärmebe handlung sowie ggf. der Temperaturgradienten beim Aufheizen und Abkühlen der miteinander verbundenen Halbleiterscheiben kann der Grad der Kristallisation der Verbindungsschicht eingestellt werden. Ein bevorzugter Temperaturbereich liegt dabei zwischen 200°C und 1300°C, ein besonders bevorzugter zwischen 700°C–1200°C. Die Wahl der Temperatur und der Zeitdauer kann dabei noch von anderen Bedingungen abhängen. Die Temperatur kann jedoch auch zusätzlich davon abhängig gemacht werden, ob bei dieser Wärmebehandlung Diffusionsgebiete ausgebildet werden oder andere Funktionsschichten einer Temperaturbehandlung unterzogen werden sollen.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sich die Entstehung von Kristallgitterfehlern in den beiden Halbleiterscheiben viel gezielter kontrollieren läßt. Insbesondere ist es möglich, Kristallgitterfehler in den Halbleiterscheiben weitestgehend zu vermeiden. Es konnte mittels rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen gezeigt werden, daß Kristallgitterfehler in den Halbleiterscheiben bei Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens lediglich 500nm tief in das einkristalline Halbleitermaterial hineinreichen. Im Gegensatz dazu wiesen ohne die Verbindungsschicht miteinander verbunden Halbleiterscheiben bis zu mehreren Mikrometern weit reichende Kristallgitterfehler auf.

Bevorzugt bestehen die beiden Halbleiterscheiben und die Verbindungsschicht aus demselbem Halbleitergrundmaterial. Bevorzugt wird dabei Silizium verwendet. Es können jedoch auch andere, insbesondere Verbindungshalbleiter verwendet werden.

Die Verbindungsschicht sollte bevorzugt dünn, d.h. insbesondere im Vergleich zu den Halbleiterscheiben dünn ausgebildet werden. Dabei ist zu beachten, daß die Verbindungsschicht nicht lediglich die Funktion einer mechanischen Verbindung der beiden Halbleiterscheiben, sondern bevorzugt auch eine elektrische Verbindung der beiden Halbleiterscheiben herstellt. Eine weitere Funktion der Verbindungsschicht könnte eine Driftstrecke für Ladungsträger sein. Um als derartige elektrische Funktionsschicht dienen zu können, muß die Dicke der Verbindungsschicht entsprechend ihrer Anwendung angepaßt werden. Die geeignete Dimensionierung ergibt sich somit aus dem konkreten Anwendungszweck und ist im allgemeinen in der für das jeweilig herzustellende Bauelement typischen Größenordnung. Bevorzugt liegt die Dicke der Verbindungsschicht zwischen 50nm und 500nm, besonders bevorzugt zwischen 50nm und 250nm. Die Verbindungsschicht wird bevorzugt mittels eines Silanprozesses in einem Ofen bei Temperaturen bis zu 600°C abgeschieden. Es hat sich gezeigt, daß mittels eines derartigen Prozesses bei Temperaturen nicht wesentlich über 600°C amorphe Siliziumschichten hergestellt werden können, die sich als Verbindungsschicht im Sinne der Erfindung besonders eignen.

Der Erfindung liegt weiterhin als technisches Problem zugrunde, ein Halbleitersubstrat, das aus zwei flächig miteinander verbundenen Halbleiterscheiben aus jeweils einkristallinem Halbleitermaterial besteht, die an ihren durch das einkristalline Halbleitermaterial gebildeten Verbindungsflächen miteinander verbunden sind, mit verminderten Kristallgitterfehlern in den Halbleiterscheiben anzugeben. Ein vorbekanntes Halbleitersubstrat läßt sich aus der bereits genannten DE 41 33 820 A1 entnehmen.

Dies wird bei dem zuvor genannten Halbleitersubstrat dadurch gelöst, daß zwischen den beiden Halbleiterscheiben eine die beiden Halbleiterscheiben elektrisch miteinander verbindende Verbindungsschicht aus zumindest teilweise kristallinem Halbleitermaterial angeordnet ist, und daß die Verbindungsschicht zwischen 50nm und 500nm dick ist.

Die Verbindungsschicht aus teilweise kristallinem Halbleitermaterial vermindert insbesondere die Reichweite von während der Herstellung entstehenden Kristallgitterfehlern in den beiden Halbleiterscheiben. Da das teilweise kristalline Halb leitersubstrat, das bevorzugt polykrystallin ist, keine Kristallgitterfernordnung, sondern lediglich eine Kristallgitternahordnung aufweist, können Halbleiterscheiben auch beliebig zueinander orientierte miteinander verbunden sein, ohne das sich die unterschiedlichen Kristallgitterorientierungen der beiden Halbleiterscheiben gegenseitig beeinflussen.

Die Verbindungsschicht des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements steht in unmittelbarem Kontakt mit den einkristallinen Halbleitermaterialien der beiden Halbleiterscheiben und gestattet daher auch einen zu den Verbindungsflächen vertikalen Stromfluß durch die Verbindungsschicht. Diese kann geeignet dotiert sein, um deren Widerstand in gewünschter Weise einstellen zu können. Außerdem bietet der flächige Kontakt beider Halbleiterscheiben auch die Möglichkeit eines verlustarmen Stromflusses. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement eignet sich daher besonders für Halbleiterbauelements mit vertikalem Stromfluß.

Bevorzugt bestehen die beiden Halbleiterscheiben und die Verbindungsschicht aus demselben Halbleitergrundmaterial, bei dem es sich bevorzugt um Silizium handelt.

Der Erfindung liegt weiterhin das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial anzugeben, mit dem sich Halbleiterbauelemente mit verbessertem Schaltverhalten herstellen lassen. Vorbekannte Verfahren lassen sich aus den bereits genannten Druckschriften US 6,027,956 und DE 41 33 820 A1 entnehmen.

Dies wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial mit jeweils einer vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildeten Verbindungsfläche, wobei das Halbleiterbauelement zwei Dotierungsgebiete entge gengesetzten Leitungstyps und ein dazwischen liegendes intrinsisches Halbleitergebiet aufweist, mit den Schritten:

– eine der beiden einkristallinen Halbleiterscheiben, die intrinsisch leitend ist, wird bereitgestellt;
– die Verbindungsfläche der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe wird dotiert, so daß dort ein Dotierungsgebiet vom ersten Leitungstyp entsteht;
– auf das an der Verbindungsfläche der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe gebildete Dotierungsgebiet vom ersten Leitungstyp wird eine Verbindungsschicht aus einem nicht einkristallinen Halbleitermaterial aufgebracht;
– auf die Verbindungsschicht wird die andere einkristalline Halbleiterscheibe mit ihrer Verbindungsfläche flächig aufgebracht;
– eine Wärmebehandlung zum Verbinden der beiden Halbleiterscheiben wird durchgeführt, so daß die beiden Halbleiterscheiben elektrisch leitend miteinander verbunden sind; und
– in der intrinsisch leitende Halbleiterscheibe wird ein Do tierungsgebiet vom zweiten Leitungstyp gebildet, das vom Dotierungsgebiet vom ersten Leitungstyp lediglich durch ein von der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe gebildetes intrinsisches Gebiet getrennt ist.

Der Erfindung liegt weiterhin das Problem zugrunde, ein Halbleiterbauelement aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial mit jeweils einer vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildeten Verbindungsfläche, bei dem eine der beiden Halbleiterscheiben zwei Dotierungsgebiete entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die durch ein dazwischen liegendes intrinsisches Halbleitergebiet voneinander getrennt sind, wobei das Dotierungsgebiet vom ersten Leitungstyp an der Verbindungsfläche und das Dotierungsgebiet vom zweiten Leitungstyp an der der Verbindungsfläche abgewandten Oberfläche dieser Halbleiterscheibe angeordnet ist, das ein verbessertes Schaltverhalten aufweist. Vorbekannte Halbleiterbauelemente lassen sich aus den bereits genannten Druckschriften US 6,027,956 und DE 41 33 820 A1 entnehmen, wobei es sich bei US 6,027,956 um ein planares und bei der DE 41 33 820 A1 um ein vertikales Halbleiterbauelement handelt.

Dies wird bei dem zuvor genannten Halbleiterbauelement dadurch gelöst, daß zwischen den beiden Halbleiterscheiben eine die beiden Halbleiterscheiben elektrisch miteinander verbindende Verbindungsschicht aus zumindest teilweise kristallinem Halbleitermaterial angeordnet ist, und daß die beiden Halbleiterscheiben und die Verbindungsschicht aus Silizium bestehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement werden die beiden Halbleiterscheiben mittels der nicht einkristallinen, bevorzugt zumindest teilweise kristallinen Verbindungsschicht miteinander verbunden, so daß die Entstehung von Kristallgitterfehlern zumindest in der die Dotierungsgebiete aufweisenden Halbleiterscheibe verringert werden. Die sich im intrinsischen Halbleitergebiet herausbildende Verarmungszone wird nicht gestört.

Das von der teilweise kristallinen Verbindungsschicht gebildete Gebiet weist keine "ideale" Kristallgitterstruktur auf, sondern ist durch eine Vielzahl von Kristallgitterfehlern gekennzeichnet. Die Kristallgitterfehler werden in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß zum Einstellen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements ausgenutzt. Es konnte insbesondere gezeigt werden, daß die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern in Gebieten mit Kristallgitterfehlern deutlich verringert ist. An den Kristallgitterfehlern in der Verbindungsschicht rekombinieren gebildete oder in dieses Gebiet hinein diffundierte Minoritätsladungsträger relativ schnell. Dadurch wird das Schaltverhalten und insbesondere die Abschaltcharakteristik von Halbleiterbauelementen deutlich verbessert. Die Verbindungsschicht befindet sich dabei bevorzugt in der Nähe des pn-Übergangs, ohne diesen jedoch zu stören. Dies läßt sich z.B. durch gezielte Wahl der Dicke der Dotierungsgebiete erreichen. Die Wirkung hinsichtlich der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger beruht insbesonder auch darauf, daß der Stromfluß durch den pn-Übergang auch durch die leitende Verbindungsschicht fließt und somit die Verbindungsschicht neben ihrer mechanischen Funktion auch eine elektrische Funktion aufweist.

Bevorzugt ist auf dem Dotierungsgebiet vom zweiten Leitungstyp sowie auf der der Verbindungsschicht abgewandten Oberfläche der anderen Halbleiterscheibe jeweils eine metallische Kontaktschicht angeordnet. Dadurch wird das Halbleiterbauelement insbesondere großflächig beidseitig kontaktiert und ein durch die Verbindungsschicht fließender Strom ermöglicht.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Verbindungsschicht und die andere Halbleiterscheibe eine Dotierung vom ersten Leitungstyp aufweisen, da so ein verlustarmer Stromfluß erreicht werden kann. Der Gesamtwiderstand des Halbleiterbauelements wird ebenfalls verringert, so daß das Halbleiterbauelement ein vergleichsweise kleines RC-Glied aufweist, was insbesondere bei Halbleiterbauelementen für Hochfrequenzanwendungen günstig ist.

Bevorzugt ist das Halbleiterbauelement eine pin-Diode, besonders bevorzugt eine pin-Photodiode.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert und in Figuren dargestellt. Dabei zeigen:
1A bis 1C Verfahrensschritte zur Herstellung des aus zwei Halbleiterscheiben aufgebauten Halbleitersubstrats;
2A bis 2G Verfahrensschritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
3A eine REM-Aufnahme eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats;
3B eine TEM-Aufnahme eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats;
4A und 4B Stromflußkennlinien von erfindungsgemäß hergestellten Halbleitersubstraten; und
5 Kennlinie einer erfindungsgemäß hergestellten pin-Diode.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleitersubstrats wird von zwei einkristallinen Halbleiterscheiben 2, 4 ausgegangen, die auf den einander zugewandten Seiten jeweils eine Verbindungsfläche aufweisen. An diesen Verbindungsflächen ist das einkristalline Halbleitermaterial plan geschliffen und poliert, so daß das Halbleitermaterial freiliegt. Bevorzugt bestehen die beiden Halbleiterscheiben 2, 4 aus demselben Grundmaterial, das z.B. einkristallines Silizium sein kann. Günstig ist es, wenn die beiden Halbleiterscheiben 2, 4 dieselbe kristallografische Orientierung aufweisen, d.h., sie sind so geschliffen sind, daß ihre Verbindungsflächen jeweils dieselbe kristallografische Orientierung aufweisen. Dadurch kann gewährleistet werden, daß das zu bildenden Halbleitersubstrat eine einheitliche kristallografische Orientierung aufweist und damit z.B. eine gleichmäßige Ätzcharakteristik zeigt. Selbstverständlich können die beiden Halbleiterscheiben 2, 4 auch eine unterschiedliche kristallografische Orientierung aufweisen, um z.B. gezielt die Ätzeigenschaften des aus den beiden Halbleiterscheiben aufgebauten Halbleitersubstrats einstellen zu können.
Zumindest eine der beiden Halbleiterscheiben 4 trägt auf ihrer Verbindungsfläche eine Verbindungsschicht 6 aus nichtkristallinem Halbleitermaterial. Bei diesem kann es sich um das Grundmaterial der beiden Halbleiterscheiben 2, 4, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also Silizium handeln. Es ist auch möglich, daß auf beiden Verbindungsflächen jeweils eine Verbindungsschicht 6 aufgebracht wird.
Die beiden Halbleiterscheiben 2, 4 werden bevorzugt zueinander ausgerichtet und unter Zwischenlage der Verbindungsschicht 6 flächig miteinander verbunden. Dies ist in 1B gezeigt, die eine Draufsicht auf die in 1 in Seitenansicht gezeigten Halbleiterscheiben. Dabei werden die Halbleiterscheiben 2, 4 mit ihren abgeschliffene Kanten (flats) zueinander ausgerichtet.
Nachfolgend werden die flächig in Kontakt gebrachten Halbleiterscheiben 2, 4 einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das nichtkristalline Halbleitermaterial der Verbindungsschicht 6 zumindest teilweise kristallisiert. Dies ist in 1C durch die geänderte Struktur der Verbindungsschicht 6 angedeutet. Die Wärmebehandlung wird im Falle von Silizium bei einer Temperatur von etwa 200°C bis 1300°C durchgeführt. Besonders geeignet hat sich der Temperaturbereich zwischen 700°C bis 1200°C herausgestellt. Die Zeitdauer der Wärmebehandlung kann dabei zwischen der für einen RTA-Schritt (Rapid-Thermal-Anneal) typischen Zeit und etwa 200 Minuten liegen, je nach dem, ob gleichzeitig noch Dotierungsgebiet ausdiffundiert oder Grenzflächen ausgeheilt werden sollen. Die Zeitdauer hängt auch von der Schichtdicke der Verbindungsschicht 6 sowie der gewählten Temperatur ab. Geeignete Schichtdicken liegen zwischen 50nm und 500nm.
Die Verbindungsschicht 6 selbst wird mittels eines Silanprozesses abgeschieden, wobei die Abscheidetemperatur 600°C nicht übersteigen sollte, damit ein möglichst amorphes Materialgefüge entsteht.
Alternativ ist es auch möglich, die Verbindungsschicht 6 bereits teilweise kristallin aufzubringen, so daß die nachfolgende Wärmebehandlung lediglich zu einer vergleichsweise geringen weiteren Kristallisation führt.
Im weiteren soll die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements anhand der 2A bis 2G beschrie ben werden. Die prinzipielle Vorgehensweise gleicht der bereits vorangehend beschriebenen.
Ausgangspunkt ist eine intrinsisch leitende Halbleiterscheiben 10 aus einkristallinem Silizium, deren spezifischer elektrischer Widerstand größer 1200 Ohm/m ist. An der in 2A nach oben zeigenden polierten Verbindungsfläche der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe 10 wird ein Dotierungsgebiet 12 vom ersten Leitungstyp, im vorliegenden Ausführungsbeispiel n-leitend, mittels Arsen-Implantation mit einer Dosis von etwa 5·10¹⁵/cm² hergestellt. Auf das Dotierungsgebiet 12 wird nachfolgend eine zunächst undotierte amorphe Siliziumschicht 14 von etwa 200 nm mittels eines Silanprozesses bei etwa 600°C abgeschieden. Diese Siliziumschicht 14 bildet die Verbindungsschicht 14 und sitzt unmittelbar auf der einkristallinen Halbleiterscheibe. Anschließend wird in die Verbindungsschicht Arsen in einer Dosis von etwa 5·10¹⁵/cm² dotiert, so daß sowohl die Verbindungsschicht 14 als auch das an der Verbindungsfläche gebildete Dotierungsgebiet vom gleichen Leitungstyp sind.
In einem weiteren Herstellungsschritt wird gemäß 2D auf die Verbindungsschicht 14 eine aus einkristallinem Silizium bestehende andere Halbleiterscheibe 16 flächig aufgebracht. Die Halbleiterscheibe 16 weist ebenfalls eine polierte Verbindungsfläche auf, die der Verbindungsschicht 14 zugewandt ist. Außerdem weist die Halbleiterscheibe 16 eine n-Dotierung (Antimon) mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 20 mOhm/cm. Nachfolgend werden die miteinander in Kontakt gebrachten Halbleiterscheiben 10, 16 einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sich das bis dahin amorphe Halbleitermaterial der Verbindungsschicht 14 zu einem polykristallinen Halbleitermaterial umwandelt. Die bei der Wärmebehandlung gewählte Temperatur liegt bei einer Schichtdicke der Verbindungsschicht 14 von 200 nm bei etwa 1100°C, wobei sich eine Dauer der Wärmebehandlung von etwa 200 min als günstig herausgestellt hat. Die Umwandlung in eine polykristalline Ver bindungsschicht 14 ist in 2D durch die geänderte Struktur der Verbindungsschicht zeichnerisch angedeutet. Bei der Wärmebehandlung werden gleichzeitig sowohl das Dotierungsgebiet 12 als auch die Verbindungsschicht 14 ausdiffundiert. Gleichzeitig werden aufgrund der Implantation in das Dotierungsgebiet 12 enstandene Kristallgitterstörungen ausgeheilt.
Aufgrund der Verbindung der beiden Halbleiterscheiben 10 und 16 mittels der nunmehr polykristallinen Verbindungsschicht 14 ist ein Halbleitersubstrat entstanden, das eine Schichtenfolge bestehend aus einkristallinem, polykristallinem und einkristallinem Halbleitermaterial aufweist.
Als nächstes wird das gebildete Schichtsystem zur besseren Verdeutlichung der weiteren Arbeitsschritte um 180° gedreht, so daß nunmehr die intrinsische Halbleiterscheibe 10 mit ihrer der Verbindungsschicht 14 abgewandten Seite in der 2E nach oben weist.
Die intrinsische Halbleiterscheibe 10 wird nachfolgend mittels eines Schleifprozesses bis auf eine vorgegebene Dicke gedünnt. Diese beträgt etwa 50 μm. Daran schließt sich eine p-Implantation mittels Bor in die geschliffene Oberfläche der intrinsischen Halbleiterscheibe 10 mit einer Dosis von 10¹⁶/cm² an, so daß ein Dotierungsgebiet vom zweiten Leitungstyp entsteht. Aufgrund der p-Dotierung wird die Dicke der intrinsisch verbleibenden Schicht 20 der Halbleiterscheibe 10 auf Werte zwischen 5 μm und 50 μm je nach Anwendungszweck des Halbleiterbauelements begrenzt. Sofern es sich bei dem Halbleiterbauelement um eine pin-Photodiode handelt, sollte die Dicke etwa 30 μm betragen.
Aufgrund der in die intrinsische Halbleiterscheibe 10 eingebrachten Dotierungsgebiete 12 und 18 von entgegengesetzten Leitungstyps bildet sich ein pn-Übergang heraus, dessen Verarmungszone in das zwischen den beiden Dotierungsgebieten 12 und 18 liegende intrinsische Gebiet 20 hineinreicht. Somit wurde in der Halbleiterscheibe 10 eine pin-Diode geschaffen.
Eine pin-Photodiode ist eine in Sperrichtung betriebene Diode, bei der durch Absorption von einfallenden Photonen einer Signalquelle Ladungsträger im intrinsichen Gebiet erzeugt werden, die aufgrund der angelegten Sperrspannung zu einem meßbaren Stromfluß beitragen. pin-Dioden werden z.B. bei der optischen Signalübertragung als schnelle Empfänger im Hochfrequenzbereich eingesetzt. Derartige Empfänger müssen insbesondere hochfrequente Signale im MHz bis GHz-Bereich sicher registrieren können.
Abschließend werden wie in 2G angedeutet bevorzugt metallische Kontaktschichten 22, 24 auf die der Verbindungsschicht 14 jeweils abgewandten Oberflächen der Halbleiterscheiben 10 und 16 aufgebrachte, so daß zum einen das Dotierungsgebiet 18 vom zweiten Leitungstyp und die Halbleiterscheibe 16 jeweils von einer Kontaktschicht 22, 24 bedeckt sind. Die bevorzugt ganzflächigen Kontakte tragen ebenfalls zu einem geringen Gesamtwiderstand des Halbleiterbauelements bei.
Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte pin-Diode zeichnet sich unter anderem durch ein verbessertes Schaltverhalten aus. In der mit Kristallgitterfehlern aufgrund ihrer Polykristallinität versehenen Verbindungsschicht weisen Minoritätsladungsträger eine verminderte Lebensdauer auf. Dies läßt sich insbesondere auf eine erhöhte Rekombination an den Kristallgitterfehlern zurückführen. Die Kristallgitterfehler werden in der Verbindungsschicht insbesondere durch die Grenzflächen der einzelnen Kristallite gebildet. Darüber hinaus weisen die einzelnen Kristallite selbst eine Vielzahl von Kristallgitterfehlern auf.
Das verbesserte Schaltverhalten einer so hergestellten pin-Diode ist z.B. in 5 verdeutlicht. Dort ist die Strom antwort 30 einer erfindungsgemäß hergestellten pin-Diode im Vergleich zur Stromantwort 32 einer mittels eines Epitaxyverfahrens hergestellten pin-Diode dargestellt. Deutlich erkennbar ist, daß die abfallende Flanke der erfindungsgemäßen pin-Diode deutlich steiler ist. Dies weist auf die verkürzte Lebensdauer der Minoritätsladungsträger hin. Das Schaltverhalten und damit die Antwortzeit (response) der erfindungsgemäß hergestellten pin-Diode ist somit deutlich verbessert.
Zum Vergleich ist das Sendesignal 34 der verwendeten Laserdiode ebenfalls in 5 aufgetragen.
Für die Kurven 30 und 32 gilt die Einheit 100 mV, für die Kurve 34 die Einheit 10 mV.
Die Stromflußcharakteristik des durch die erfindungsgemäße pin-Diode fließenden vertikalen Stroms ist in den 4A und 4B gezeigt, wobei vertikal in bezug auf die Längserstreckung der Halbleiterscheiben 10, 16 verstanden wird. Ein vertikaler Stromfluß fließt somit senkrecht zu den Verbindungsflächen und der Verbindungsschicht 14 und durch diese hindurch. 4A verdeutlicht den Dunkelstrom bei unterschiedlichen Sperrspannungen für die erfindungsgemäße pin-Diode bei unterschiedlicher Schichtdicke der Verbindungsschicht. Der Dunkelstrom der pin-Diode wächst bei hohen Sperrspannung erst bei größeren Schichtdicke merklich an. In 4A weist die weiter rechts liegende Kurve eine höhere Schichtdicke auf.
Die Flußkennlinie der erfindungsgemäßen pin-Diode, d.h. der Stromfluß der in Durchlaßrichtung betriebenen pin-Diode, ist dagegen in 4B gezeigt. Hier zeigt sich keine Abhängigkeit von der Schichtdicke. Wie die 4A und 4B zeigen, lassen sich die gewünschten Eigenschaften der pin-Diode durch Variation der Schichtdicke bzw. der Dotierung der Verbindungsschicht 14 gezielt einstellen.
Tunnel- und Rasterelektronenmikroskopisch abgebildete Querschnitte durch ein aus den beiden Halbleiterscheiben und der Verbindungsschicht aufgebautes Halbleitersubstrat ist in den 3A und 3B gezeigt. Das polykristalline Materialgefüge der Verbindungsschicht ist im Vergleich zu dem einkristallinen Materialgefüge der beiden Halbleiterscheiben deutlich zu erkennen. Die geringe Ausdehnung der Kristallgitterfehler lassen sich insbesondere aus der tunnelmikroskopischen Aufnahme der 3B entnehmen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Halbleitersubstrats aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial, die jeweils eine vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildete Verbindungsfläche aufweisen, bei dem – eine Verbindungsschicht (6) aus einem nicht einkristallinem Halbleitermaterial auf die Verbindungsfläche wenigstens einer der beiden Halbleiterscheiben (2, 4) aufgebracht wird; – die beiden einkristallinen Halbleiterscheiben (2, 4) unter Zwischenlage der Verbindungsschicht (6) an ihren Verbindungsflächen elektrisch leitend in Kontakt gebracht werden; und – eine Wärmebehandlung zum Verbinden der beiden einkristallinen Halbleiterscheiben (2, 4) durchgeführt wird, wobei – das nichtkristalline Material der Verbindungsschicht und die einkristallinen Materialien der Halbleiterscheiben aus demselben Halbleitergrundmaterial bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6) zunächst als nichtkristallines Halbleitermaterial aufgebracht und nachfolgend bei der Wärmebehandlung in eine zumindest teilweise kristalline Halbleiterschicht umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleitergrundmaterial um Silizium handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6) mittels eines Silanprozesses bei Temperaturen bis 600°C aufgebracht wird, so daß die Verbindungsschicht (6) aus amorphem Silizium entsteht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6) bei der Wärmebehandlung in eine polykristalline Siliziumschicht umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Wärmebehandlungen bei Temperaturen zwischen 200°C und 1300°C, bevorzugt zwischen 700°C und 1200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6) mit einer Dicke zwischen 50nm und 500nm aufgebracht wird.
Halbleitersubstrat, das aus zwei flächig miteinander verbundenen Halbleiterscheiben aus jeweils einkristallinem Halbleitermaterial besteht, die an ihren durch das einkristalline Halbleitermaterial gebildeten Verbindungsflächen miteinander verbunden sind, wobei zwischen den beiden Halbleiterscheiben (2, 4) eine die beiden Halbleiterscheiben (2, 4) elektrisch miteinander verbindende Verbindungsschicht (6) aus zumindest teilweise kristallinem Halbleitermaterial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6) zwischen 50nm und 500nm dick ist.
Halbleitersubstrat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das teilweise kristalline Halbleitermaterial der Verbindungsschicht (6) und das einkristallinen Halbleitermaterial der beiden Halbleiterscheiben (2, 4) aus demselben Grundmaterial bestehen.
Halbleitersubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Grundmaterial um Silizium handelt.
Halbleitersubstrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (6) eine polykristalline Siliziumschicht ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial mit jeweils einer vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildeten Verbindungsfläche, wobei das Halbleiterbauelement zwei Dotierungsgebiete entgegengesetzten Leitungstyps und ein dazwischen liegendes intrinsisches Halbleitergebiet aufweist, mit den Schritten: – eine der beiden einkristallinen Halbleiterscheiben (10), die intrinsisch leitend ist, wird bereitgestellt; – die Verbindungsfläche der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe (10) wird dotiert, so daß dort ein Dotierungsgebiet (12) vom ersten Leitungstyp entsteht; – auf das an der Verbindungsfläche der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe gebildete Dotierungsgebiet (12) vom ersten Leitungstyp wird eine Verbindungsschicht (14) aus einem nicht einkristallinen Halbleitermaterial aufgebracht; – auf die Verbindungsschicht (14) wird die andere einkristalline Halbleiterscheibe (16) mit ihrer Verbindungsfläche flächig aufgebracht; – eine Wärmebehandlung zum Verbinden der beiden Halbleiterscheiben wird durchgeführt, so daß die beiden Halbleiterscheiben (10, 16) elektrisch leitend miteinander verbunden sind; und – in der intrinsisch leitende Halbleiterscheibe (10) wird ein Dotierungsgebiet (18) vom zweiten Leitungstyp gebildet, das vom Dotierungsgebiet (12) vom ersten Leitungstyp lediglich durch ein von der intrinsisch leitenden Halbleiterscheibe (10) gebildetes intrinsisches Gebiet (20) getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) zunächst als nichtkristallines Halbleitermaterial aufgebracht und nachfolgend bei der Wärmebehandlung in eine zumindest teilweise kristalline Halbleiterschicht umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Dotierungsgebiet (18) vom zweiten Leitungstyp sowie auf die der Verbindungsschicht (14) abgewandte Oberfläche der anderen Halbleiterscheibe (16) jeweils eine Kontaktschicht (22, 24) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) und die andere Halbleiterscheibe (16) eine Dotierung vom ersten Leitungstyp aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) zunächst undotiert auf das Dotierungsgebiet (12) vom ersten Leitungstyp aufgebracht und vor dem Zusammenfügen der beiden Halbleiterscheiben (10, 16) dotiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) beim Aufbringen auf das Dotierungsgebiet (12) in situ dotiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die intrinsisch leitende Halbleiterscheibe (10) vor Bildung des Dotierungsgebiets (18) vom zweiten Leitungstyp an ihrer der Verbindungsschicht (14) abgewandten Seite bis auf eine vorgegebene Materialstärke abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterscheiben (10, 16) und die Verbindungsschicht (14) aus Silizium bestehen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) mittels eines Silanprozesses bei Temperaturen bis 600°C aufgebracht wird, so daß die Verbindungsschicht (14) aus amorphen Silizium entsteht.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) bei der Wärmebehandlung in eine polykristalline Siliziumschicht umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungen bei Temperaturen zwischen 200°C und 1300°C, bevorzugt zwischen 700°C und 1200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) mit einer Dicke zwischen 50nm und 500nm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleiterbauelement um eine pin-Diode, bevorzugt um eine pin-Photodiode handelt.
Halbleiterbauelement aus zwei Halbleiterscheiben aus einkristallinem Halbleitermaterial mit jeweils einer vom einkristallinen Halbleitermaterial gebildeten Verbindungsfläche, bei dem eine der beiden Halbleiterscheiben (10) zwei Dotierungsgebiete (12, 18) entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die durch ein dazwischen liegendes intrinsisches Halb leitergebiet (20) voneinander getrennt sind, wobei das Dotierungsgebiet (12) vom ersten Leitungstyp an der Verbindungsfläche und das Dotierungsgebiet (18) vom zweiten Leitungstyp an der der Verbindungsfläche abgewandten Oberfläche dieser Halbleiterscheibe (10) angeordnet ist, und zwischen den beiden Halbleiterscheiben (10, 16) eine die beiden Halbleiterscheiben (10, 16) elektrisch miteinander verbindende Verbindungsschicht (14) aus zumindest teilweise kristallinem Halbleitermaterial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterscheiben (10, 16) und die Verbindungsschicht (14) aus Silizium bestehen.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet daß auf dem Dotierungsgebiet (18) vom zweiten Leitungstyp sowie auf der der Verbindungsschicht (14) abgewandten Oberfläche der anderen Halbleiterscheibe (16) jeweils eine metallische Kontaktschicht (22, 24) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) und die andere Halbleiterscheibe (16) eine Dotierung vom ersten Leitungstyp aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) eine polykristalline Siliziumschicht ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschicht (14) zwischen 50nm und 500nm dick ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleiterbauelement um pin-Diode, bevorzugt um eine pin-Photodiode handelt.