DE10355728B4 - Verbinden von Halbleiterscheiben gleichen Durchmessers zum Erhalt einer gebondeten Scheibenanordnung - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Verbinden von zwei Halbleiterscheiben (1, 1') gleichen Durchmessers
mit Semiconductor Wafer Bonding,
wobei
(a) die zu verbindenden Scheiben an den zu bondenden Oberflächen mit einer Kantengeometrie
(aa) mit speziell kurzer Vorderseitenfacette (3)
(bb) kleiner als 75µm
(cc) bei Scheiben (1, 1') mit gleichen Durchmessern von jeweils 100mm bis 300mm
versehen sind;
(b) wodurch ein möglichst defektfreier Randbereich und eine möglichst große nutzbare Scheibenoberfläche nach einem Zurückdünnen einer der beiden Scheiben (1, 1') erzielt werden.
wobei
(a) die zu verbindenden Scheiben an den zu bondenden Oberflächen mit einer Kantengeometrie
(aa) mit speziell kurzer Vorderseitenfacette (3)
(bb) kleiner als 75µm
(cc) bei Scheiben (1, 1') mit gleichen Durchmessern von jeweils 100mm bis 300mm
versehen sind;
(b) wodurch ein möglichst defektfreier Randbereich und eine möglichst große nutzbare Scheibenoberfläche nach einem Zurückdünnen einer der beiden Scheiben (1, 1') erzielt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und eine Anordnung von Halbleitersubstraten, insbesondere Silizium-Substrate z.B. für SOI oder MEMS, durch Verbinden von zwei Halbleiterscheiben (Bonden) und Zurückdünnen einer der beiden Scheiben mit dem Vorteil einer verringerten Randdefektzone, was durch eine besondere Kantenverrundung der zu bondenden Halbleiterscheiben erreicht wird.
- Zur Herstellung von Halbleitersubstraten mit strukturierten und unstrukturierten vergrabenen Ebenen, z. B. der SOI- oder MEMS-Technologie, werden üblicherweise zwei Silizium-Scheiben miteinander flächig verbunden (gebondet). Das Verfahren geht auf Tong und Gösele zurück und wurde als „Semiconductor Wafer bonding" eingeführt.
- Dabei befindet sich auf einer oder beiden der zu verbindenden Scheibenoberflächen die zu vergrabende Ebene, bzw. ein System von Schichten, die in der Folge des Herstellungsprozesses nicht an der Oberfläche zu liegen kommen. Nach dem Verbinden wird eine der beiden Scheiben zurückgedünnt.
- Dafür sind zwei Varianten üblich.
- 1. Zurückdünnen der einen Scheibe durch Schleifen und/oder Ätzen und/oder Polieren.
- 2. Absplitten der einen Scheibe entlang oder parallel zu einer Sollbruchebene, die jedoch nicht der Verbindungsebene entspricht (z. B. entlang einer vorher eingebrachten mechanisch verspannten oder mechanisch geschwächten Schicht). Beim letzteren Verfahren, der so genannten SOI-Layer-Transfer-Technik, kann die abgesplittete Spenderscheibe für weitere Zwecke verwendet werden, während sie beim ersten Verfahren, dem Zurückdünnen, zerstört wird.
- Die verbleibende Scheibe mit der Schichtstruktur wird als Bauelementescheibe bezeichnet (device wafer), die zurückgedünnte (oder abgesplittete) Scheibe sei hier als Spender-Scheibe bezeichnet.
- Werden zum Verbinden (Bonden) Scheiben mit einer Standard-Kantengeometrie eingesetzt, so kommt es am Scheibenrand in einem Bereich bestimmter Ausdehnung zu. fehlerhafter oder völlig fehlender Verbindung (ungebondete Gebiete). Nach dem Zurückdünnen bzw. Absplitten der Spenderscheibe kann sich in diesen Gebieten die von der Spender-Scheibe auf die Bauelementescheibe übertragene Schicht(folge) lösen. Es entsteht somit ein für den Bauelementeprozeß nicht nutzbarer Randbereich und eine sich technologisch negativ auswirkende, d.h. erhöhten Aufwand und Präparationsfehler verursachende undefinierte Randgeometrie des Scheibenverbandes. Die Ursache für den ungebondeten Scheibenrandbereich ist die Standard-Kantengeometrie der Scheiben mit einer relativ langen Facette an den zu bondenden Scheibenoberflächen. Dadurch kann im Bereich der Facetten kein mechanischer Kontakt zwischen den zu bondenden Scheiben entstehen, welcher Voraussetzung für eine Verbindungsbildung ist.
- Der dann entstehende undefinierte Scheibenrand nach Zurückdünnen bzw. Absplitten der Spender-Scheibe führt im weiteren Verarbeitungsprozeß der Bauelementescheibe zu Schwierigkeiten, z.B. zu Problemen beim Belacken und bei der Fokussierung (Photolithographie). Die nicht nutzbare Randzone, die üblicherweise bis zu 7mm vom Scheibenrand aus in das Innere der Scheibenfläche reicht, führt zu einem deutlichen Verlust an nutzbarer Scheibenfläche. Dieser kann bei Scheiben mit 150mm Durchmesser ca. 9% betragen.
- Aus der
EP 0 451 993 A2 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei Halbleiterscheiben mittels "semiconductor wafer bonding" bekannt, bei dem die zu bondenden Scheiben an den zu bondenden Oberflächen mit einer Kantengeometrie mit speziell ausgebildeten Vorderseitenfacetten versehen sind, um einen möglichst defektfreien Randbereich und eine möglichst große nutzbare Scheibenoberfläche nach dem Zurückdünnen zu erzielen. Es werden dabei Scheiben unterschiedlicher Durchmessers verwendet und dementsprechend befinden sich an den zu verbindenden Oberflächen auch Facetten unterschiedlicher Länge. Unterschiedliche Scheibendurchmesser bedeuten einen erhöhten Präparationsaufwand und Flächenverlust durch den überstehenden Rand der größeren Scheibe. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs angegebenes Verfahren so zu gestalten, dass sich das nicht nutzbare Randgebiet auf der Bauelementscheibe verringert und sich die Randgeometrie des Scheibenverbandes verbessert.
- Gelöst wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 oder 3 angegebenen Erfindungen.
- Die beanspruchte Lösung weist die Vorteile auf, dass sich die nicht nutzbare Randzone deutlich verkleinert (auf kleiner als 1mm Abstand vom Scheibenrand, d.h. bei einer 150mm Durchmesser-Scheibe auf ca. 2% der Scheibenoberfläche). Des Weiteren bringt die erfindungsgemäße Kantengeometrie der zu bondenden Scheiben Vorteile beim Zurückdünnen nahe der Verbindungs-Zwischenschicht (Bondinterface). Da im Bereich der Enddicke der Bauelementscheibe die Facette der Spender-Scheibe in einen zur Scheibenoberfläche nahezu senkrechten Bereich übergeht, wird die Gefahr von Materialausbrüchen deutlich vermindert.
- Zusätzlich verringern die kurzen Facetten am Bondinterface das Risiko des versehentlichen Lösens der Scheiben bei deren Handhabung (Handling). Das ungewollte Einführen eines trennenden Gegenstandes (Pinzette, Magazinbegrenzung) in den kurzen schmalen Restspalt ist unwahrscheinlicher. Man erhält im Endeffekt Substrate mit größerer effektiv nutzbarer Fläche und verbesserter Randqualität. Letzteres bedeutet eine erhöhte Prozeßsicherheit.
- Das Zurückdünnen (auch: Rückdünnen) kann z.B. ein Schleifen, Ätzen oder Polieren sein.
- Die Erfindung soll anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Es bedeutet:
-
1 zwei durch Bonden verbundene. Si-Scheiben mit Standard-Kantengeometrie (schematisch, übertrieben dargestellt), -
2 die gemäß1 verbundenen Si-Scheiben im Stadium nach dem Zurückdünnen der Spender-Scheibe (schematisch, übertrieben dargestellt), -
3 zwei durch Bonden verbundene Halbleiterscheiben mit kurzen Facetten an den zu bondenden Scheibenoberflächen (schematisch und übertrieben dargestellt), -
4 die gemäß3 verbundenen Halbleiterscheiben im Stadium nach dem Rückdünnen, insbesondere Abtrennen der Spender-Scheibe (schematisch und übertrieben dargestellt). - Zur Herstellung von Substraten mit strukturierten und unstrukturierten vergrabenen Ebenen (SOI-Wafer, spezielle MEMS-Substrate) werden üblicherweise zwei Scheiben
1 ,1' miteinander flächig verbunden (gebondet), siehe1 . Dabei befinden sich auf einer oder beiden der zu bondenden Oberflächen die zu vergrabenden Schichten/Strukturen. - Ursache für die fehlerhafte oder völlig fehlende Verbindung im Scheibenrandbereich ist die Kantengeometrie mit langen (Länge L >> 75μm bis ca. 400µm) Facetten
2 an den zu bondenden Oberflächen, welche. zusätzlich beim Politurprozeß der zu bondenden Oberflächen im erweiterten Randbereich zu einer allmählichen Abflachung ("edge roll off") der Scheibenoberfläche führen. Die Ausdehnung dieser leichten Abflachung kann sich vom Rand aus über 100µm bis zu wenigen mm erstrecken. - Durch beide Effekte (lange Facette sowie "edge roll off") können beim Bonden die Scheiben im Randbereich stellenweise nicht in einen mechanischen Kontakt gebracht werden, welcher die wichtigste Voraussetzung für eine Verbindungsbildung darstellt, wie sie im Bereich
4 vorliegt. - Nach dem Verbinden wird eine der beiden Scheiben zurückgedünnt. So wird eine mehr oder weniger dünne Schicht von der Spender-Scheibe auf die Bauelementscheibe übertragen.
- Durch die stellenweise mangelhafte Verbindung der Scheibenoberfläche kann es beim beispielsweise Zurückschleifen der Spender-Scheibe zu mechanischen und/oder chemischen Beschädigungen (Cracks, Eindringen von Flüssigkeiten durch Kapillareffekt etc.) im erweiterten Randbereich
5 bis zu 7mm kommen. - Dieser Randbereich
5 entfällt damit für die weitere Nutzung der Bauelementscheiben und kann zudem zu weiteren Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung führen (z.B. Trapping von Kontaminationen etc.). - In einem Beispiel der Erfindung werden für das Bonden Scheiben
1 ,1' mit spezieller Kantengeometrie verwendet, welche sich jeweils durch eine besonders kurze Facette 3 (Länge L < 75 µm bei Scheiben mit typisch 100mm bis 300mm Durchmesser) auf der zu bondenden Seite auszeichnen. - Die Facette an der Rückseite kann (aber muß nicht) entsprechend länger sein. Die sehr kurzen Facetten an den zu bondenden Oberflächen reduzieren zudem die weitere Abflachung der zu bondenden Oberflächen im Randbereich beim Polieren ("edge roll off").
- Insgesamt ergibt sich beim Bonden von Scheiben mit solcher Kantengeometrie eine deutlich geringere Randdefektzone
7 (< 1mm vom Rand) und damit eine größere nutzbare Oberfläche der Bauelementscheibe (weniger Trapping von Kontaminationen in Randcracks etc.).
Claims (4)
- Verfahren zum Verbinden von zwei Halbleiterscheiben (
1 ,1' ) gleichen Durchmessers mit Semiconductor Wafer Bonding, wobei (a) die zu verbindenden Scheiben an den zu bondenden Oberflächen mit einer Kantengeometrie (aa) mit speziell kurzer Vorderseitenfacette (3 ) (bb) kleiner als 75µm (cc) bei Scheiben (1 ,1' ) mit gleichen Durchmessern von jeweils 100mm bis 300mm versehen sind; (b) wodurch ein möglichst defektfreier Randbereich und eine möglichst große nutzbare Scheibenoberfläche nach einem Zurückdünnen einer der beiden Scheiben (1 ,1' ) erzielt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine oder beide der zu bondenden Oberflächen (
4 ) präparierte Schichten oder Strukturen tragen, welche durch das Bonden und das spätere Zurückdünnen einer der Scheiben, als Spender-Scheibe oder Top-wafer bezeichnet, auf die andere der Scheiben, als Bauelementscheibe, Device-wafer oder Handle-wafer bezeichnet, übertragen werden. - Anordnung zweier verbundener Halbleiterscheiben (
1 ,1' ) gleichen Durchmessers, die mittels Semiconductor Wafer Bonding gebondet wurden, – wobei die gebondeten Scheiben (1 ,1' ) gleiche Durchmesser von jeweils 100mm bis 300mm Durchmesser aufweisen und – an den gebondeten Oberflächen (4 ) mit einer Kantengeometrie mit speziell kurzer Vorderseitenfacette (3 ) von weniger als 75µm versehen sind, und wobei ein möglichst defektfreier Randbereich (7 ) und eine möglichst große nutzbare Scheibenoberfläche nach einem Zurückdünnen der einen der zwei verbundenen Scheiben verblieben ist. - Anordnung nach Anspruch 3, wobei eine oder beide der gebondeten Oberflächen präparierte Schichten oder Strukturen tragen, welche durch das Bonden und ein späteres Zurückdünnen einer Scheibe, als Spender-Scheibe oder Top-Wafer, auf die andere Scheibe, als Bauelementscheibe, Device-Wafer oder Handle-Wafer, übertragen worden sind.
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