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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ätzverfahren,
die auf gebondete Wafer aus Halbleitermaterial angewendet werden.
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In
der Halbleitertechnik werden vielfach Verfahren angewendet, mit
denen größere Scheiben
aus Halbleitermaterial, die als Substrate für Bauelemente verwendet und
als Wafer bezeichnet werden, miteinander verbunden werden. Hierbei
wird auf eine großflächige Hauptseite
eines Wafers eine Schicht aufgebracht, die als Verbindungsschicht
vorgesehen ist. Ein zweiter Wafer wird mit einer großflächigen Hauptseite
auf dieser Verbindungsschicht angeordnet und dauerhaft mit dem ersten
Wafer verbunden. Dieses Verfahren wird als Bonding bezeichnet und
die Verbindungsschicht daher auch als Bondschicht. Als Material
für die
Verbindungsschicht kann zum Beispiel ein Oxid des Halbleitermateriales,
im Fall von Silizium also zum Beispiel Siliziumdioxid, verwendet werden.
Dieses Bondverfahren für
Wafer wird auch verwendet, um so genannte SOI-Substrate (silicon an
insulator) herzustellen. Einer der gebondeten Wafer ist in diesem
Fall als Träger
vorgesehen, während der
andere Wafer gedünnt
wird und für
die Herstellung darin integrierter Bauelemente vorgesehen ist.
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Der
als Träger
vorgesehene Wafer kann auch als so genannter Handling-Wafer verwendet werden,
der die Handhabung eines zur Herstellung von Bauelementen vorgesehenen
zweiten Wafers während
des Herstellungsprozesses erleichtern soll. Der mit dem Handling-Wafer
gebondete Wafer wird im Folgenden als Device-Wafer bezeichnet. Der
Device-Wafer kann nach dem Prozessieren der Bauelemente insbesondere
in einzelne Chips unterteilt werden, die anschließend durch
Entfernung der Bondschicht von dem Handling-Wafer abgelöst werden.
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Ein
auf einen Handling-Wafer gebondeter Device-Wafer kann am Rand durch Ätzen entfernt werden,
so dass ein Hauptanteil des Device-Wafers auf einer im Wesentlichen
ebenen Oberfläche
des Handling-Wafers verbleibt. Damit wird sichergestellt, dass der
Device-Wafer über
die Bondschicht ganzflächig
mit dem Handling-Wafer verbunden ist und keine überstehenden Kanten oder randseitige
Zwischenräume
zwischen den Wafern bleiben. Es wird also derjenige Randbereich
des Device-Wafers entfernt, in dem die Verbindung zu dem Handling-Wafer möglicherweise
nicht ausreichend gut ausgebildet ist. Der Randbereich des Handling-Wafers
kann jedoch bei diesem Ätzprozess,
mit dem der Rand des Device-Wafers entfernt wird, beschädigt werden.
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Der
Randbereich des Handling-Wafers ist nur unzureichend gegen mechanische
Beschädigung
geschützt.
Es können
insbesondere kleine Halbleiterpartikel aus dem Rand des Handling-Wafers ausbrechen.
Derartige Beschädigungen
treten vor allem dann auf, wenn der Wafer Temperaturschwankungen
ausgesetzt wird, die eine thermomechanische Spannung in dem Halbleitermaterial
hervorrufen. Wenn mit dem randseitigen Ätzen des Device-Wafers auch
Halbleitermaterial des Handling-Wafers entfernt wird, tritt zudem
das Problem auf, dass die Dicke des Handling-Wafers am Rand weiter
verringert wird, was das Ausbrechen von Partikeln begünstigt oder
sogar zu einem Wafer-Bruch führen
kann.
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Im
Fall eines Handling-Wafers aus Silizium tritt zudem das Phänomen auf,
dass bei Anwendung eines üblichen
Trockenätz prozesses
so genanntes schwarzes Silizium entsteht, das durch feine Siliziumnadeln
gebildet wird und daher auch als Siliziumgras (silicon grass) bezeichnet
wird. Dadurch wird die Partikelbildung erheblich verstärkt. Hinzu
kommt, dass der Device-Wafer in nachfolgenden Prozessschritten erneut
geätzt
wird, um die Bauelementstrukturen herzustellen. Hierbei kann der
Handling-Wafer an den Kanten weiter beschädigt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Strukturieren
eines auf einen Handling-Wafer gebondeten Wafers und eine Waferanordnung
anzugeben, womit eine Beschädigung der
Kante des Handling-Wafers weitgehend verhindert wird.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 beziehungsweise mit der Waferanordnung mit den Merkmalen des Anspruches
12 gelöst.
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
dem Verfahren wird der Handling-Wafer mit einer Schutzschicht überzogen,
die den Rand des Handling-Wafers bedeckt. Auf einer großflächigen Hauptseite
des Handling-Wafers wird der Device-Wafer gebondet, wobei die Schutzschicht
auch als Bondschicht verwendet werden kann. Der Rand des Device-Wafers
wird unter Verwendung einer Maske über dem Rand des Handling-Wafers weggeätzt. Dieser Ätzprozess
kann nasschemisch oder, vorzugsweise, mit einem Trockenätzverfahren
durchgeführt
werden und erfolgt selektiv bezüglich
der Schutzschicht, so dass der Handling-Wafer von der Schutzschicht
bedeckt bleibt. In einem weiteren Ätzschritt zum Strukturieren
des Device-Wafers
entsprechend den vorgesehenen Bauelementen wird der Handling-Wafer
durch die Schutzschicht vor einem Ätzangriff geschützt. Der
Anteil der Schutzschicht, der sich nicht zwischen den Wafern befindet,
kann am Ende des Herstellungsverfahrens, wenn kein weiterer Ätzschritt
erfolgt, von dem Handling-Wafer entfernt werden. Auf diese Weise
wird der Handling-Wafer während
sämtlicher Ätzschritte
des Verfahrens randseitig gegen einen Ätzangriff geschützt, so
dass die Kante des Handling-Wafers nicht beschädigt wird.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Verfahrens anhand
der beigefügten Figuren.
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt durch einen mit einer Schutzschicht versehenen
Handling-Wafer.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 1 nach
dem Bonden des Device-Wafers.
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Die 3 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 2 nach
dem Aufbringen einer Maske.
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Die 4 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 2 für ein weiteres
Ausführungsbeispiel.
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Die 5 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 3 für das weitere
Ausführungsbeispiel.
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Die 6 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 3 beziehungsweise
gemäß der 5 nach
einer Strukturierung des Device-Wafers mittels einer isotropen Ätzung.
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Die 7 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 3 beziehungsweise
gemäß der 5 nach
einer Strukturierung des Device-Wafers mittels einer anisotropen Ätzung.
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Die 8 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 7 nach
einer weiteren Strukturierung des Device-Wafers.
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Wafer aus Halbleitermaterial, der
hier wegen seiner Funktion in Verbindung mit einem für Bauelemente
vorgesehenen weiteren Wafer als Handling-Wafer 1 bezeichnet
wird. Bei einem solchen Wafer handelt es sich um eine Scheibe aus
Halbleitermaterial, das insbesondere Silizium sein kann. Der Querschnitt
der 1 ist nicht maßstabsgetreu gezeichnet, und
die Dicke des Handling-Wafers 1 ist im Vergleich zu der lateralen
Ausdehnung wesentlich geringer als in der 1 dargestellt.
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Auf
der Oberfläche
des Handling-Wafers 1 ist eine Schutzschicht 2 aufgebracht,
die den Rand des Handling-Wafers 1 bedeckt und deren Dicke
im Vergleich zur Dicke des Handling-Wafers 1 geringer sein kann
als in der 1 dargestellt. Vorzugsweise bedeckt
die Schutzschicht 2 wie in der 1 dargestellt
die gesamte Oberfläche
des Handling-Wafers 1. Die Schutzschicht kann ein Oxid
des Halbleitermateriales des Handling-Wafers 1 sein. Falls
der Handling-Wafer 1 Silizium ist, kann die Schutzschicht 2 Siliziumdioxid
sein. Die Schutzschicht 2 kann zum Beispiel mit einer Dicke
von 1 μm
bis 2 μm
hergestellt werden, wenn in nachfolgenden Verfahrensschritten übliche Ätztiefen
von typisch etwa 100 μm
vorgesehen sind. Insbesondere wenn viele Ätzschritte vorgesehen sind,
kann es von Vorteil sein, die Schutzschicht 2 mit einer
Dicke von mehr als 2 μm
herzustellen. Auf einer im Wesentlichen ebenen Hauptseite des Handling-Wafers 1,
auf die ein weiterer Wafer gebondet werden soll, fungiert die Schutzschicht 2 in diesem
Ausführungsbeispiel
auch als Bondschicht, die die gebondeten Wafer dauerhaft miteinander
verbindet.
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An
dem Rand 4 des Handling-Wafers 1 ist dessen Dicke üblicherweise
verringert, so dass dort eine seitliche Kante vorhanden sein kann.
Der Rand des Wafers kann unterschiedliche Querschnittsformen besitzen.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Hauptseite des
Handling-Wafers 1 nicht bis zum Rand hin eben und dort
scharf begrenzt ist, sondern zu einer Kante hin etwas abfällt.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 1 nach
dem Aufbringen des Device-Wafers 5 auf der hier auch als
Bondschicht vorgesehenen Schutzschicht 2. Die Wafer werden
in dieser Anordnung gebondet, das heißt, dauerhaft miteinander verbunden. Der
Prozess des Bonding kann zum Beispiel in der von Herstellungsverfahren
für SOI-Substrate
an sich bekannten Weise erfolgen. Wie in der 2 als typisches
Beispiel dargestellt ist, kann der Device-Wafer 5 eine
ebene Hauptseite aufweisen, die dem Handling-Wafer 1 zugewandt
ist. Da die Hauptseite des Handling-Wafers 1, die dem Device-Wafer 5 zugewandt
ist, üblicherweise
am Rand 4 etwas abfällt, bleibt
zwischen dem Rand 4 des Handling-Wafers 1 und
dem Rand 6 des Device-Wafers 5 ein Zwischenraum 7,
in dem keine oder nur eine ungenügende Verbindung
der Wafer vorhanden ist. Deshalb wird der Rand 6 des Device-Wafers 5 dort
weggeätzt.
Es wird somit verhindert, dass der Device-Wafer 5 randseitig über den
Handling-Wafer 1 übersteht
und dort ein unerwünschter
Zwischenraum 7 vorhanden ist.
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Die 3 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 2 nach
dem Aufbringen einer Maske 8 auf der von dem Handling-Wafer 1 abgewandten
Oberseite des Device-Wafers 5. Die Maske 8 kann
zum Beispiel eine Fotolackmaske sein. Der Fotolack wird zur Herstellung
dieser Maske 8 zunächst
ganzflächig
auf die Oberseite des Device-Wafers 5 aufgebracht. Die Strukturierung
der Fotolackmaske kann in der üblichen
Weise durch Belichten und Entwickeln sowie Entfernen der entwickelten
Anteile erfolgen. Da die Querschnittsform des Randes 6 des
Device-Wafers 5 Auswirkungen auf die Strukturierung der
Fotolackmaske hat, kann es vorteilhaft sein, hierbei das an sich
bekannte Verfahren des EBR (edge bead removal) oder das ebenfalls
an sich bekannte Verfahren des WEE (wafer edge exposure) anzuwenden.
Diese Verfahren ermöglichen
es, Fotolackwülste
am Rand des Wafers zu entfernen beziehungsweise eine korrekte Belichtung
des Fotolacks auch am Rand des Wafers zu erreichen. Die gemäß dem Querschnitt
der 3 strukturierte Maske 8 kann dann verwendet werden,
um die nicht von der Maske 8 bedeckten Anteile des Device-Wafers 5 über dem
Rand 4 des Handling-Wafers 1 zu
entfernen.
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Die 4 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 2 für ein alternatives
Ausführungsbeispiel,
bei dem nicht nur die Schutzschicht 2 als Bondschicht verwendet
wird, sondern eine gesonderte Bondschicht 3 zwischen dem
mit der Schutzschicht 2 versehenen Handling-Wafer 1 und
dem Device-Wafer 5 angeordnet ist. Die Bondschicht 3 kann
zum Beispiel eine Oxidschicht sein.
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Die 5 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 3 für das Ausführungsbeispiel
der 4 nach dem Aufbringen der Maske 8. Die
weiteren Verfahrensschritte sind für die Ausführungsbeispiele gleich und
werden für
beide Ausführungsbeispiele
anhand der 6 bis 8 beschrieben,
wobei die fakultativ vorhandene separate Bondschicht 3 mit
einer gestrichelten Linie angedeutet ist.
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Die 6 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 3 beziehungsweise
gemäß der 5 nach
einem isotropen Ätzprozess,
mit dem der Rand 6 des Device-Wafers 5 über dem
Rand 4 des Handling-Wafers 1 entfernt wird. Das
isotrope Ätzen 14 ist
in der 4 mit den unterschiedlich gerichteten Pfeilen dargestellt.
Da der Ätzangriff
auch seitlich erfolgt, sind die geätzten Flanken 9 des
Device-Wafers 5 schräg
und können
beispielsweise die in der 4 dargestellte
Form aufweisen. Das isotrope Ätzen 14 kann
den Device-Wafer 5 insbesondere auch ein Stück weit
unterhalb des Randes der Maske 8 entfernen, so dass der
in der 4 schematisch dargestellte Überhang 10 gebildet
wird. Dieser Ätzprozess kann
ein Trockenätzprozess
sein oder ein nasschemischer Ätzprozess.
Im Fall eines Device-Wafers 5 aus Silizium und einer Schutzschicht 2 aus
Siliziumdioxid ist zum Beispiel SF6 als Ätzmittel
eines Trockenätzprozesses
geeignet. Wichtig ist hierbei, dass das Ätzen des Device-Wafers 5 selektiv
bezüglich des
Materials der Schutzschicht 2 erfolgt, so dass die Schutzschicht 2 in
ausreichender Dicke stehen bleibt, um den Rand 4 des Handling-Wafers 1 vor dem Ätzangriff
zu schützen.
Außerdem
wird dafür Sorge
getragen, dass die Schutzschicht 2 anschließend noch
so dick ist, dass sie auch in weiteren Ätzschritten des gesamten Verfahrens
als Schutzschicht fungiert und die Kanten des Handling-Wafers 1 vor dem Ätzangriff
und vor mechanischen Beschädigungen
schützt.
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Die 7 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 3 beziehungsweise
gemäß der 5 nach
der Durchführung
eines anisotropen Ätzprozesses,
der hier vorzugsweise ein Trockenätzprozess ist. Das Ätzverfahren
kann insbesondere DRIE (deep reactive ion etching) sein, wie es
zum Beispiel im Rahmen eines an sich bekannten so genannten Bosch-Prozesses
durchgeführt
wird. Der Vorgang des anisotropen Ätzens 15 ist in der 7 mit
den senkrecht nach unten weisenden Pfeilen dargestellt. Wegen des
hierbei gerichteten Ätzangriffes
kann der Device-Wafer 5 seitlich der Maske 8 so
entfernt werden, dass die entstehenden Flanken 11 senkrecht
zu der Oberseite des Handling-Wafers 1 ausgerichtet sind. Wichtig
ist hierbei, dass dieser Ätzprozess
selektiv bezüglich
der Schutzschicht 2 derart durchgeführt wird, dass die Schutzschicht 2 am
Rand 4 des Handling-Wafers 1 in ausreichender
Dicke stehen bleibt, um den Rand des Handling-Wafers 1 vor
diesem Ätzangriff
und auch während
weiterer vorgesehener Ätzschritte
des gesamten Verfahrens zuverlässig
zu schützen.
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Die
Maske 8 wird anschließend
entfernt. Der Device-Wafer 5 ist jetzt auf den Handling-Wafer 1 gebondet
und am Rand entfernt. In nachfolgenden Prozessschritten können in
herkömmlicher
Weise Bauelemente in dem Device-Wafer 5 hergestellt werden. Dazu
sind in der Regel weitere Ätzschritte
erforderlich. Ein solcher Ätzschritt
kann zum Beispiel darin bestehen, dass Kontaktlöcher in den Device-Wafer 5 geätzt werden.
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Die 8 zeigt
einen Querschnitt gemäß der 7 für einen
weiteren Ätzprozess.
Auf der Oberseite des Device-Wafers 5 ist
eine weitere Maske 18 aufgebracht und mit Maskenöffnungen 12 strukturiert.
Mittels eines in diesem Beispiel anisotropen Ätzens 16, das in der 8 mit
den senkrecht nach unten weisenden Pfeilen dargestellt ist, werden
die Ätzöffnungen 13 in
dem Device-Wafer 5 gebildet. Diese Ätzöffnungen 13 können zum
Beispiel wie in der 8 bis zur gebondeten Rückseite
des Device-Wafers 5 geätzt
werden. Die Ätzöffnungen
können
zum Beispiel zum Vereinzeln des Device-Wafers 5 in einzelne
Chips hergestellt werden und bilden in diesem Fall parallele Gräben. Die Ätzöffnungen 13 können aber
auch als Kontaktlöcher
für Durchkontaktierungen
des Device-Wafers 5, zum Beispiel für so genannte TWCs (through-wafer
contacts), vorgesehen sein.
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Während des
anisotropen Ätzens 16 wird
ein durch die Schutzschicht 2 geschützter Randbereich 17 des
Handling-Wafers 1 nicht angeätzt, und die Kante am Rand 4 des
Handling-Wafers 1 bleibt unversehrt. Dafür ist es
ausreichend, wenn der Ätzprozess
selektiv bezüglich
des Materials der Schutzschicht 2 so durchgeführt wird,
dass die Schutzschicht 2 gegebenenfalls auch nach mehreren
weiteren Ätzschritten
zumindest auf dem geschützten Randbereich 17 noch
eine ausreichende restliche Schichtdicke behält. Nach dem Abschluss sämtlicher Ätzprozesse
zur Strukturierung des Device-Wafers 5 kann die Schutzschicht 2 mit
Ausnahme eines zwischen den Wafern verbleibenden Restanteils durch Ätzen entfernt
werden. Danach erfolgt kein weiterer Ätzschritt, so dass der Rand 4 des
Handling-Wafers 1 nicht
mehr gegen einen Ätzangriff
geschützt
zu werden braucht. Eine Erzeugung von Halbleiterpartikeln an der
Kante des Handling-Wafers 1 kann mit diesem Verfahren wirkungsvoll
verringert werden.
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Die
Anordnung der Wafer, bei der der Handling-Wafer 1 zumindest
an seinem Rand 4 mit der Schutzschicht 2 versehen
ist, hat den Vorteil, dass der Rand 4 des Handling-Wafers 1 auch
nach dem Prozessieren geschützt
bleibt. Die Schutzschicht 2 ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
auf der von dem Device-Wafer 5 abgewandten Rückseite des
Handling-Wafers 1 ganzflächig vorhanden. Prinzipiell
kann es genügen,
wenn die Schutzschicht 2 nur einen Bereich des Randes 4 des
Handling-Wafers 1 bedeckt. Das ist insbesondere dann der
Fall, wenn der Handling-Wafer während
des Verfahrens auf einem Chuck montiert ist und dadurch ein bis
in die Nähe
des Randes reichender Anteil der Rückseite bereits hinreichend
geschützt
ist.
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- 1
- Handling-Wafer
- 2
- Schutzschicht
- 3
- Bondschicht
- 4
- Rand
- 5
- Device-Wafer
- 6
- Rand
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Maske
- 9
- geätzte Flanke
- 10
- Überhang
- 11
- geätzte Flanke
- 12
- Maskenöffnung
- 13
- Ätzöffnung
- 14
- isotropes Ätzen
- 15
- anisotropes Ätzen
- 16
- anisotropes Ätzen
- 17
- geschützter Randbereich
- 18
- weitere
Maske