DE102016115579B4 - Capture layer substrate stacking technique to improve performance for RF devices - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, umfassend:ein Substrat (106), das eine über einer Isolierschicht (110) angeordnete Halbleiterschicht (108) umfasst, wobei das Substrat (106) eine Transistorvorrichtungsregion (102) und eine Hochfrequenz- (RF) -Region (104) umfasst;eine Kopplungsstruktur (112), die über dem Substrat (106) angeordnet ist und mehrere innerhalb einer dielektrischen Struktur (116) angeordnete Metallschichten (114) umfasst;ein Handhabungssubstrat (124), das über einer oberen Fläche der Kopplungsstruktur (112) angeordnet ist;eine Fangschicht (126), welche die Kopplungsstruktur (112) und das Handhabungssubstrat (124) trennt;eine Kontaktstelle (120), die in direktem physischen Kontakt mit einer unteren Fläche der Isolierschicht (110) des Substrats (106) angeordnet ist; undeine Substratdurchkontaktierung (118), die sich vertikal durch die Halbleiterschicht (108) und die Isolierschicht (110) erstreckt und die Kontaktstelle (120) mit einer Metallschicht (114) der Kopplungsstruktur (112) elektrisch koppelt.A device comprising: a substrate (106) comprising a semiconductor layer (108) disposed over an insulating layer (110), said substrate (106) comprising a transistor device region (102) and a radio frequency (RF) region (104); an interconnect (112) disposed over the substrate (106) and including a plurality of metal layers (114) disposed within a dielectric structure (116); a handle substrate (124) disposed over a top surface of the interconnect (112); a trap layer (126) separating the interconnect (112) and the handle substrate (124); a pad (120) disposed in direct physical contact with a bottom surface of the insulating layer (110) of the substrate (106); and a substrate via (118) extending vertically through the semiconductor layer (108) and the insulating layer (110) and electrically coupling the pad (120) to a metal layer (114) of the interconnect (112).
Description
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKBACKGROUND ART
Integrierte Schaltungen werden auf Halbleitersubstraten gebildet und gepackt, um sogenannte Chips oder Mikrochips zu bilden. Traditionell werden integrierte Schaltungen auf Volumenhalbleitersubstraten gebildet, die Halbleitermaterial, wie Silizium umfassen. In den letzten Jahren sind Halbleiter-auf-Isolator- (SOI) -Substrate als Alternative aufgekommen. SOI-Substrate weisen eine dünne Schicht aus aktivem Halbleiter (z. B. Silizium) auf, die von einem darunterliegenden Handhabungssubstrat durch eine Schicht aus Isoliermaterial getrennt ist. Die Schicht aus Isoliermaterial isoliert die dünne Schicht aus aktivem Halbleiter elektrisch vom Handhabungssubstrat, wodurch ein Stromverlust von Vorrichtungen, die innerhalb der dünnen Schicht aus aktivem Halbleiter gebildet sind, reduziert wird. Die dünne Schicht aus aktivem Halbleiter stellt zudem andere Vorteile wie schnellere Schaltzeiten und niedrigere Betriebsspannungen bereit, die dazu führten, dass SOI-Substrate zur Herstellung von hohen Stückzahlen von Hochfrequenz- (RF) -Systemen wie RF-Umschaltern weit verbreitet sind.Integrated circuits are formed and packaged on semiconductor substrates to form so-called chips or microchips. Traditionally, integrated circuits are formed on bulk semiconductor substrates that include semiconductor material such as silicon. In recent years, semiconductor-on-insulator (SOI) substrates have emerged as an alternative. SOI substrates have a thin layer of active semiconductor (e.g., silicon) that is separated from an underlying handle substrate by a layer of insulating material. The layer of insulating material electrically isolates the thin active semiconductor layer from the handle substrate, thereby reducing current leakage from devices formed within the thin active semiconductor layer. The thin layer of active semiconductor also provides other benefits such as faster switching times and lower operating voltages that have led to SOI substrates being widely used for high volume fabrication of radio frequency (RF) systems such as RF switches.
Stand der Technik zum Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise zu finden in
Die Erfindung sieht eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15 vor. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The invention provides an apparatus according to claim 1, a method according to claim 6 and a method according to claim 15. Refinements are given in the dependent claims.
Figurenlistecharacter list
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung am besten verstanden, wenn sie mit den begleitenden Figuren gelesen werden. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstäblich gezeichnet sind. Tatsächlich können die Dimensionen der verschiedenen Merkmale zur Übersichtlichkeit der Erörterung willkürlich vergrößert oder reduziert sein.
-
1A veranschaulicht eine Querschnittansicht von einigen Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. -
1B veranschaulicht eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts von1A gemäß einigen Ausführungsformen. - Die
2 bis13 veranschaulichen einige Ausführungsformen von Querschnittansichten, die ein Verfahren zum Bilden eines IC bei verschiedenen Stufen der Herstellung zeigen. -
14 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm von einigen Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden einer Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
-
1A FIG. 12 illustrates a cross-sectional view of some embodiments of an apparatus according to some aspects of the present disclosure. -
1B FIG. 12 illustrates an enlarged cross-sectional view of a portion of FIG1A according to some embodiments. - the
2 until13 10 illustrate some embodiments of cross-sectional views showing a method of forming an IC at various stages of manufacture. -
14 FIG. 11 illustrates a flow chart of some embodiments of a method of forming a device according to some embodiments.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Die folgende Offenbarung stellt viele unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele bereit, um unterschiedliche Merkmale des bereitgestellten Gegenstandes zu implementieren. Es werden nachfolgend spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht begrenzen. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt gebildet sind, und auch Ausführungsformen, bei denen zusätzliche Funktionen zwischen den ersten und zweiten Merkmalen gebildet sein können, sodass die ersten und zweiten Merkmale nicht in direktem Kontakt sein können. Außerdem kann die vorliegende Offenbarung Bezugsnummern und/oder -zeichen in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient zum Zweck der Einfachheit und Übersichtlichkeit und diktiert nicht an sich eine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.The following disclosure provides many different embodiments or examples to implement different features of the provided subject matter. Specific examples of components and arrangements are described below to simplify the present disclosure. These are, of course, merely examples and are not intended to be limiting. For example, the formation of a first feature over or on a second feature in the following description may include embodiments where the first and second features are formed in direct contact, as well as embodiments where additional features may be formed between the first and second features , so that the first and second features cannot be in direct contact. In addition, the present disclosure may repeat reference numerals and/or indicia throughout the various examples. This repetition is for the purpose of simplicity and clarity and does not in itself dictate a relationship between the various described embodiments and/or configurations.
Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „darunter“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen zur Erleichterung der Erörterung hierin verwendet sein, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem bzw. zu anderen Elementen oder Merkmalen wie veranschaulicht in den Figuren zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren gezeigt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder beim Betrieb der Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlichen relativen Beschreiber können desgleichen dementsprechend interpretiert werden.Further, for ease of discussion, spatially relative terms such as "below," "below," "lower," "above," "upper," and the like may be used herein to indicate the relationship of an element or feature to another element(s). or to describe features as illustrated in the figures. The spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the device in use or operation of the device in addition to the orientation shown in the figures. The device may be otherwise oriented (rotated 90 degrees or at other orientations) and the spatial relative descriptors used herein similarly interpreted accordingly.
RF-Halbleitervorrichtungen, die typischerweise auf Halbleiter-auf-Isolator- (SOI) - Substraten hergestellt werden, arbeiten bei hohen Frequenzen und erzeugen RF-Signale. Für diese RF-Vorrichtungen umfassen die SOI-Substrate typischerweise ein hochohmiges Handhabungssubstrat, eine Isolierschicht über dem Handhabungssubstrat und eine über der Isolierschicht angeordnete Halbleiterschicht. Das hochohmige Handhabungssubstrat weist eine niedrige Dotierungskonzentration auf und kann beispielsweise einen Widerstand im Bereich von 2 Kiloohm-Zentimeter (kΩ-cm)) bis 8 kΩ-cm aufweisen. Der hohe Widerstand des Handhabungssubstrats kann die Hochfrequenz- (RF) -Leistung der RF-Vorrichtungen in mancher Hinsicht verbessern, aber eine Beurteilung in der vorliegenden Offenbarung liegt in der Tatsache, dass das hochohmige Handhabungssubstrat immer noch eine Quelle von Wirbelströmen sein kann, wenn Träger aus dem Gitter des hochohmigen Handhabungssubstrats durch die RF-Signale befreit werden. Diese Wirbelströme, die hohe Frequenzen aufweisen können, stellen im endgültigen Chip eine Rauschquelle dar. Insbesondere können diese Wirbelströme zu Vorrichtungsübersprechen und/oder nicht linearer Signalverzerrung führen.RF semiconductor devices, typically fabricated on semiconductor-on-insulator (SOI) substrates, operate at high frequencies and generate RF signals. For these RF devices, the SOI substrates typically include a high resistance handle substrate, an insulating layer over the handle substrate, and a semiconductor layer overlying the insulating layer. The high resistance handle substrate has a low doping concentration and may have a resistivity ranging from 2 kiloohm-centimeters (kΩ-cm) to 8 kΩ-cm, for example point. The high resistance of the handle substrate can improve the radio frequency (RF) performance of the RF devices in some respects, but a judgment in the present disclosure lies in the fact that the high resistance handle substrate can still be a source of eddy currents when carrier be freed from the grid of the high impedance handle substrate by the RF signals. These eddy currents, which can have high frequencies, are a source of noise in the final chip. In particular, these eddy currents can lead to device crosstalk and/or non-linear signal distortion.
Um ein solches Übersprechen und eine solche nicht lineare Signalverzerrung zu verhindern, schlägt die vorliegende Offenbarung vor, die RF-Vorrichtungen auf einem SOI-Substrat herzustellen, das ein Handhabungssubstrat, eine Schicht aus Isoliermaterial und eine aktive Halbleiterschicht umfasst. Anstatt das vorhandene Handhabungssubstrat in der endgültigen Vorrichtung zu hinterlassen, entfernt das Herstellungsverfahren jedoch das Handhabungssubstrat von der Unterseite der Isolierschicht vor der Endverpackung der Vorrichtung, sodass das Handhabungssubstrat nicht mehr vorhanden ist und nicht mehr als eine Quelle von Wirbelströmen agiert.In order to prevent such crosstalk and non-linear signal distortion, the present disclosure proposes to fabricate the RF devices on an SOI substrate that includes a handle substrate, a layer of insulating material, and an active semiconductor layer. However, rather than leaving the existing handle substrate in the final device, the manufacturing process removes the handle substrate from the underside of the insulating layer prior to final packaging of the device, such that the handle substrate is no longer present and no longer acts as a source of eddy currents.
Unter Bezugnahme auf
Insbesondere weist das erste Substrat 106 ein Nichtvorhandensein eines Handhabungssubstrats unter der Isolierschicht 110 auf und daher ist die Kontaktstelle 120 bei einigen Ausführungsformen in direktem Kontakt mit der unteren Fläche der Isolierschicht 110. Es wird nachfolgend offensichtlicher, dass mit Bezugnahme auf die
Um die verminderte Dicke und Struktursteifigkeit des ersten Substrats 106 aufgrund des Entfernens des darunterliegenden Handhabungssubstrats auszugleichen und eine ausreichende Dicke vorzusehen, um ein Package hinreichend auszufüllen und strukturelle Unterstützung während der Herstellung bereitzustellen, ist ein Handhabungssubstrat 124 über einer oberen Fläche 112u der Kopplungsstruktur 112 angeordnet. Eine optionale, aber vorteilhafte Fangschicht 126 kann die Kopplungsstruktur 112 vom Handhabungssubstrat 124 trennen. Die Fangschicht 126 ist konfiguriert, Träger zu fangen, die durch RF-Komponenten (z. B. Induktor 128 und/oder Kondensator 130) erregt werden, um Wirbelströme im Handhabungssubstrat 124 zu begrenzen. Als Beispiel sei ein Fall herangezogen, bei dem der Induktor 128 und/oder der Kondensator 130 individuell oder gemeinsam ein RF-Signal erzeugen, das im Handhabungssubstrat 124 zu einem gewissen Ausmaß Träger erregen kann, wenn eine geeignete Vorspannung angelegt wird. Die Fangschicht 126 ist konfiguriert, diese Träger zu fangen, um entsprechende Wirbelströme zu begrenzen. Die Fangschicht 126 kann sich bei einigen Ausführungsformen als dotiertes oder undotiertes Polysilizium oder als eine amorphe Siliziumschicht manifestieren. Die Fangschicht 126 kann mit dem Handhabungssubstrat 124 an einer Grenzfläche zusammentreffen, die in einigen Fällen Erhebungen und Vertiefungen aufweist, in anderen Fällen im Wesentlichen planar ist oder in anderen Fällen generell aufgeraut ist.To compensate for the reduced thickness and structural rigidity of the
Bei einigen Ausführungsformen umfasst eine Grenzfläche zwischen dem Handhabungssubstrat 124 und der Fangschicht 126 eine Reihe von Erhebungen 134 und Vertiefungen 136, die ein Sägezahnprofil bilden können. Die Erhebungen 134 und Vertiefungen 136 erleichtern geringere Korngrößen und erleichtern daher mehr Korngrenzen in der Nähe der oberen Fläche des Handhabungssubstrats 124. Daher werden die meisten Träger an den Korngrenzen 132 gefangen, um Wirbelströme abzuschwächen und/oder zu verhindern. Die Erhebungen 134 und/oder Vertiefungen 136 können unter anderem dreieckigförmig, pyramidenförmig oder kegelförmig sein. Bei einigen Ausführungsformen können die Erhebungen 134 eine Höhe h im Bereich von ca. 10 nm bis zu ca. 1 µm wie gemessen von der Basis einer angrenzenden Vertiefung (oder einer entfernteren Vertiefung) aufweisen und bei einigen Ausführungsformen ca. 0,5 µm betragen. Die Erhebungen 134 können auch eine Breite w im Bereich von ca. 10 nm bis ca. 10 µm aufweisen und bei einigen Ausführungsformen ca. 1 µm betragen. Bei anderen Ausführungsformen können die Erhebungen 134 wie veranschaulicht in einer Spitze enden anstatt abgeflacht zu sein und/oder können abgerundet sein. Anstatt wie veranschaulicht in einer Spitze zu enden, können die Vertiefungen 136 bei anderen Ausführungsformen flach oder gerundet sein. Bei einigen Ausführungsformen können angrenzende Erhebungen die gleichen Höhen und/oder Breiten zueinander aufweisen (angrenzende Vertiefungen können auch die gleichen Tiefen und/oder Breiten zueinander aufweisen), aber Erhebungen können bei anderen Ausführungsformen auch unterschiedliche Höhen und/oder unterschiedliche Breiten zueinander aufweisen (und Vertiefungen können unterschiedliche Tiefen und/oder Breiten aufweisen). In einigen Fällen folgen die Erhebungen und/oder Vertiefungen einer Zufallsverteilung von Höhen und/oder Breiten, folgen einer Gaußschen Verteilung von Höhen und/oder Breiten oder folgen einer anderen Verteilung.In some embodiments, an interface between the
Vorteilhafterweise stellt die Einbindung des Handhabungssubstrats 124 über der Kopplungsstruktur 112 eine erhöhte Struktursteifigkeit bereit, um das Nichtvorhandensein eines Handhabungssubstrats unter der Isolierschicht 110 auszugleichen. Außerdem reduziert die Fangschicht 126 vorteilhafterweise Wirbelströme als potenzielle Quelle von Rauschen im Handhabungssubstrat 124 und ist, obwohl optional, für viele Anwendungen vorteilhaft.Advantageously, the incorporation of the
Unter Bezugnahme auf die
Das Handhabungssubstrat 202 kann eine Dicke aufweisen, die ausreichend ist, um das SOI-Substrat 106' mit der ausreichenden Struktursteifigkeit auszustatten, um Halbleiterbearbeitungsvorgängen zu widerstehen. Bei einigen Ausführungsformen weist das Handhabungssubstrat 202 beispielsweise eine Dicke im Bereich von ca. 200 µm bis ca. 1000 µm auf und beträgt ca. 700 µm bei einigen Ausführungsformen. Bei Ausführungsbeispielen kann das Handhabungssubstrat 202 ein Siliziumhandhabungssubstrat mit niedrigem spezifischem Widerstand sein, das einen Widerstand zwischen mehreren Ohm-cm und mehreren zehn Ohm-cm und bei einigen Ausführungsformen zwischen 8 Ohm-cm und 12 Ohm-cm aufweist. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Handhabungssubstrat 202 ein hochohmiges Siliziumhandhabungssubstrat mit einem Widerstand zwischen mehreren hundert und mehreren tausend Ohm-cm sein und bei einigen Ausführungsformen zwischen 2 kΩ-cm bis 8 kΩ-cm liegen.. Obwohl entweder ein hochohmiges oder niederohmiges Siliziumsubstrat verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, niederohmige Siliziumsubstrate zu verwenden, da niederohmige Siliziumsubstrate billig sind und ein größerer spezifischer Widerstand keine signifikanten Vorteile bietet, da das Handhabungssubstrat 202 bei diesem Herstellungsverfahren entfernt wird. Andere Handhabungssubstrate wie Saphirsubstrate können auch verwendet werden.The
Bei einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht 110 eine Dicke im Bereich von kleiner als ein Mikrometer bis zu mehreren Mikrometern aufweisen, was ausreichend ist, um eine Potenzialtrennung zwischen dem Handhabungssubstrat 202 und der Halbleiterschicht 108 bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht 110 Siliziumdioxid sein, das eine Dielektrizitätskonstante von ca. 3,9 aufweist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Isolierschicht 110 ein Low-κ-Dielektrikum sein. Nicht begrenzende Beispiele von Low-κ-Dielektrikum umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: fluordotiertes Siliziumdioxid, kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, poröses Siliziumdioxid, poröses kohlenstoffdotiertes Siliziumdioxid, aufgeschleuderte organische polymere Dielektrika und/oder aufgeschleudertes siliziumbasiertes polymeres Dielektrikum.In some embodiments, the insulating
Bei einigen Ausführungsformen ist die Halbleiterschicht 108 eine Schicht aus reinem Silizium, das eine monokristalline Gitterstruktur aufweisen und intrinsisch (z. B. undotiert) oder ein dotierter p-Typ oder n-Typ sein kann. Die Halbleiterschicht 108 kann bei einigen Ausführungsformen eine Dicke im Bereich von mehreren Mikrometern bis hinunter zu ca. einem Nanometer aufweisen. Die Halbleiterschicht 108 kann auch eine Halbleiterverbindung sein, die aus Elementen von zwei oder mehr unterschiedlichen Gruppen des Periodensystems hergestellt ist. Die Elemente können Zweistofflegierungen (zwei Elemente, z. B. GaAs), Dreistofflegierungen (drei Elemente, z. B. InGaAs oder AlGaAs) oder Vierstofflegierungen (vier Elemente, z. B. AlInGaP) bilden. Die Halbleiterschicht 108 kann dotierte Regionen, Epitaxieschichten, Isolierschichten, die in oder auf der Halbleiterschicht gebildet sind, Fotolackschichten, die in oder auf der Halbleiterschicht gebildet sind, und/oder leitenden Schichten, die in oder auf der Halbleiterschicht gebildet sind, umfassen.In some embodiments, the
In
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Wie veranschaulicht, durch
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Nach dem Bilden der Kontaktstellen 120 kann die Struktur, die häufig noch in der Form eines scheibenähnlichen Wafers ist, optional an andere Substrate gebondet werden, um einen 3D-IC herzustellen, und kann in individuelle Chiplagen oder integrierte Schaltungen geschnitten oder geritzt werden. Dann wird in
Bei 1402 wird ein SOI-Substrat vorgesehen. Das erste Substrat umfasst ein erstes Handhabungssubstrat, eine Isolierschicht, die über dem ersten Handhabungssubstrat angeordnet ist, und eine über der Isolierschicht angeordnete Halbleiterschicht. Daher kann 1402 beispielsweise
Bei 1404 wird eine Kopplungsstruktur über dem SOI-Substrat gebildet. Die Kopplungsstruktur umfasst mehrere innerhalb einer dielektrischen Struktur angeordnete Metallschichten. Daher kann 1404 beispielsweise
Bei 1406 wird ein zweites Substrat an eine obere Fläche der Kopplungsstruktur gebondet. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das zweite Substrat ein zweites Handhabungssubstrat und eine Fangschicht. Bei einigen solchen Ausführungsformen wird nach dem Bonden die Fangschicht zwischen dem zweiten Handhabungssubstrat und der oberen Fläche der Kopplungsstruktur angeordnet. Daher kann 1406 beispielsweise
Bei 1408 wird das erste Handhabungssubstrat entfernt, um eine untere Fläche der Isolierschicht freizulegen, nachdem das zweite Substrat an die obere Fläche der Kopplungsstruktur gebondet wurde. Daher kann 1408 beispielsweise
Bei 1410 wird eine Kontaktstelle in direktem Kontakt mit der unteren Fläche der Isolierschicht gebildet, nachdem das erste Handhabungssubstrat entfernt wurde. Eine Substratdurchkontaktierung (TSV) erstreckt sich vertikal durch die Isolierschicht und die Halbleiterschicht und koppelt die Kontaktstelle elektrisch mit einer Metallschicht der Kopplungsstruktur. Daher kann 1410 beispielsweise
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US20120161310A1 (en) | 2010-12-24 | 2012-06-28 | Io Semiconductor, Inc. | Trap Rich Layer for Semiconductor Devices |
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