DE3829906A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiter-bauelementen - Google Patents
Verfahren zum herstellen von halbleiter-bauelementenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von
Halbleiter-Bauelementen durch Bonden der ebenen Oberflächen von
zwei Teilen, bei dem die beiden Oberflächen durch Politur mit
einer geringen Rauhtiefe versehen werden und anschließend in
wenigstens eine der beiden Oberflächen ein Material eingebracht
wird und nach einer Oberflächenbehandlung die beiden Oberflä
chen gebondet werden.
Es ist bekannt, daß eine Verbindung zweier verhältnismäßig
großer Oberflächen von Halbleiterbauteilen dadurch hergestellt
werden kann, daß die beiden ebenen Oberflächen durch Politur
mit einer geringen Rauhtiefe versehen werden, anschließend die
se beiden Oberflächen durch eine vorbestimmte Behandlung hydro
phile Eigenschaft erhalten, dann bei Raumtemperatur zusammenge
fügt und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Die Wärmebehandlung wird auf eine Temperatur begrenzt, bei der
Kristallgitterdefekte noch nicht auftreten können. Man erhält
einen guten elektrischen Kontakt zwischen den gebondeten Ober
flächen oder auch eine gute elektrische Isolation, wenn oxi
dierte Oberflächen gebondet werden.
Man kann bekanntlich durch Diffusion von Dotierungsstoff in die
Oberfläche von Halbleiterbauelementen einen sperrenden Übergang
herstellen oder auch durch Oxidation diese Oberfläche mit einer
Isolierschicht versehen. Diese Verfahren werden verwendet, wenn
der Dotierungsstoff in einen Bereich in der Nähe der Oberfläche
eingebracht werden soll oder diese Fläche mit einer Oberflä
chenschicht, insbesondere einer Dünnschicht, versehen werden
soll. Man kann beispielsweise Sauerstoff durch Ionen-Implanta
tion in ein Siliziumsubstrat einbringen und anschließend aus
heilen und dadurch eine Oxidschicht herstellen. Es ist jedoch
schwierig, beispielsweise eine Oxidschicht einer vorbestimmten
Dicke oder einen sperrenden Übergang in größerer Tiefe des Sub
strats herzustellen. Dies ist jedoch erforderlich beispielswei
se bei bipolaren integrierten Schaltkreisen oder auch bei MOS-
Bipolartransistoren.
Nach einem bekannten Verfahren kann ein sperrender Übergang
oder auch eine Oxidschicht in nahezu beliebiger Tiefe eines
Halbleitersubstrats dadurch hergestellt werden, daß zunächst
ebene flache Oberflächen von zwei Halbleitersubstraten durch
Polieren mit einer sehr geringen Rauhtiefe versehen und dann
wenigstens eine der beiden polierten Oberflächen mit einem
sperrenden Übergang versehen wird und anschließend diese
Oberflächen der beiden plattenförmigen Halbleitersubstrate in
verhältnismäßig sauberer Atmosphäre gebondet werden. Die Rau
higkeit der beiden Oberflächen soll bei diesem Verfahren
0,05 µm nicht überschreiten. Der sperrende Übergang in einer
der Oberflächen wird durch Diffusion von Dotierungsstoff herge
stellt. Eine Oxidschicht auf einer der beiden Oberflächen kann
beispielsweise durch thermische Oxidation hergestellt werden.
Eine reine Atmosphäre, in der die beiden Oberflächen gebondet
werden, soll nicht mehr als 20 Partikel/m3 enthalten (europäi
sche Patentanmeldung 01 61 740).
Die zum Bonden vorgesehenen Flächen können auch noch einer be
sonderen Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Sie können
beispielsweise gereinigt werden durch Behandlung mit einer
H2O2-H2SO4-Mischung und Eintauchen in eine Flußsäurelösung.
Nach dieser Vorbehandlung wird eine hydrophile Oberflächen
schicht dadurch hergestellt, daß die Substrate in verdünnte
Säure, beispielsweise 5%ige Schwefelsäure H2SO4, eingetaucht
werden. Dann werden die Substrate gewaschen, vorzugsweise in
entionisiertem Wasser, getrocknet und dann gebondet (J. Appl.
Phys. 60 (8), 15. Oktober 198ß6, Seiten 2987-2989).
Es kann auch ein vergrabener sperrender Übergang in einem Sub
strat oder eine Schicht mit entgegengesetzter Leitfähigkeit,
beispielsweise eine Pufferschicht (buffer layer) dadurch her
gestellt werden, daß Oberflächen von Halbleiterkörpern mit ent
gegengesetzter Leitfähigkeit gebondet werden. Zu diesem Zweck
kann beispielsweise eine n-dotierende Verunreinigung, vorzugs
weise Phosphor, in die polierte ebene Oberfläche eines Sub
strats mit hohem elektrischen Widerstand implantiert und an
schließend einer Wärmebehandlung (drive in) unterzogen werden,
bei dem die implantierten Phosphoratome tiefer in das Silizium
hineinwandern. Anschließend wird durch Implantation einer Ver
unreinigung mit entgegengesetzter Dotierung, beispielsweise
Bor, implantiert und durch eine Wärmebehandlung (anealing) aus
geheilt. Bei dieser Wärmebehandlung mit verhältnismäßig hoher
Temperatur erhält man eine Rekristallisation an der Oberfläche,
durch die Störungen im Kristallgitter an den zu bondenden Ober
flächen beseitigt werden. Nach dem Bonden bleibt aber noch
immer eine erhebliche Zahl von Gitterstörungen an den gebonde
ten Flächen erhalten (Extended Abstracts of the 18th (1986 In
ternational) Conference on Solid State Devices and Materials,
Tokyo, 1986, Seiten 89 bis 92, B-3-1).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an
zugeben, das die Halbleiterscheiben beim Bonden auf der gesam
ten Fläche verbindet und zugleich in der gestörten Bondschicht
die elektrischen Eigenschaften nicht oder nur unwesentlich ver
schlechtert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeich
nenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung beruht auf der
Erkenntnis, daß die bei der Implantation entstehenden Störungen
des Kristallgitters sich besonders günstig auf das Bonden aus
wirken und zugleich in der sich an den SDB-Prozeß anschließende
Wärmebehandlung leicht einen Platzwechsel der Siliziumatome er
möglichen, der damit zum Silizium-Materialtransport innerhalb
der gebondeten Oberflächen führt. Die Implantation erfolgt mit
verhältnismäßig geringer Energie, vorzugsweise weniger als
100 keV, und entsprechend geringer Eindringtiefe der Dotie
rungsstoffe sowie mit einer Dosis, die unterhalb der amorphen
Implantationsdosis liegt. Damit wird eine wesentliche Zerstö
rung des Kristalls im Oberflächenbereich vermieden. Damit er
hält man eine Verbindung der gebondeten Oberflächen, die sich
über die gesamte Fläche erstreckt.
Durch die Implantation mit niedriger Energie und einer jeweils
der anderen Siliziumscheibe angepaßte Dosis wird erreicht, daß
die Eindringtiefe des Dotierungsstoffes nur einige 10 bis eini
ge 100 nm beträgt. Der sich dabei ausbildende pn-Übergang be
findet sich dann aber im hochohmigen Bereich der jeweils nie
drig dotierten Siliziumscheibe, aber die hohe Trägerlebensdauer
bleibt erhalten.
Bei diesem Verfahren werden beispielsweise die zum Bonden vor
gesehenen beiden ebenen Oberflächen derart bearbeitet, daß eine
Oberflächenebenheit entsteht, die im allgemeinen 2µm nicht we
sentlich überschreitet. Die Oberflächenrauhigkeit ist wesent
lich geringer. In wenigstens eine dieser beiden so vorberei
teten Oberflächen werden durch Implantation von Material, bei
spielsweise von Silizium, in ein Siliziumsubstrat Störungen des
Kristallgitters bis zu einer Tiefe von etwa 0,1 bis 0,2µm her
vorgerufen. Durch diese Implantation von Material wird die
Oberfläche im atomaren Bereich aufgerauht und die Atome sind
somit an der Oberfläche entsprechend leicht verschiebbar. An
schließend erfolgt nicht eine Temperaturerhöhung dieser so vor
bereiteten Substrate, sondern es wird lediglich eine Reinigung
durchgeführt, beispielsweise mit Aceton und anschließender Was
serspülung, und dann erfolgt eine Reinigung mit Flußsäure und
wiederum anschließender Wasserspülung. Damit wird eine gegebe
nenfalls entstandene Oxidschicht entfernt. Durch eine Oberflä
chenbehandlung mit verdünnter Säure oder Lauge, beispielsweise
mit 5%iger Schwefelsäure H2SO4 oder einer Cholin-Lösung, er
hält man einen hydrophilen Oberflächenbereich der zu bondenden
Oberfläche. Nach dem anschließenden Bonden erfolgt eine Tempe
raturbehandlung bei einer Temperatur von vorzugsweise wenig
stens 400°, insbesondere wenigstens 1000°C. Bei dieser Nachbe
handlung erhält man eine vollständige Bindung im gesamten Be
reich der beiden Oberflächen.
Außer Silizium kann auch ein anderes Material, beispielsweise
Argon Ar oder Stickstoff N2 sowie Sauerstoff O2, in das Halb
leitermaterial implantiert werden.
Das Verfahren kann nicht nur beim Verbinden von Siliziumsub
straten, sondern auch bei anderen Halbleiter-Substraten, bei
spielsweise bei Gallium-Arsenid GaAs, sowie beispielsweise auch
beim Verbinden verschiedener Halbleiter, beispielsweise beim
Verbinden eines Substrats aus Silizium mit einem Substrat aus
Gallium-Arsenid oder auch aus Siliziumkarbid SiC, vorteilhaft
angewendet werden.
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiter-Bauelementen durch
Bonden der ebenen Oberflächen von zwei Teilen, bei dem die bei
den Oberflächen durch Politur mit einer geringen Rauhtiefe ver
sehen werden und anschließend in wenigstens eine der beiden
Oberflächen ein Material eingebracht wird und nach einer weite
ren Oberflächenbehandlung die beiden Oberflächen gebondet wer
den, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine der beiden polierten Oberflächen durch Implan
tation von Material mit einer Kristallgitterstörung versehen
und die Oberflächen dann gebondet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Bonden von Siliziumscheiben,
dadurch gekennzeichnet, daß Silizium
implantiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 zum Bonden von Siliziumscheiben,
dadurch gekennzeichnet, daß Argon Ar
Stickstoff N2 oder Sauerstoff O2 implantiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Implantation bei einer
Energie von höchstens 100 keV durchgeführt wird.
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- 1988-09-02 DE DE19883829906 patent/DE3829906A1/de not_active Withdrawn
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