DE3829906A1

DE3829906A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiter-bauelementen

Info

Publication number: DE3829906A1
Application number: DE19883829906
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl P Hofmann-Tikkanen; Rolf Dipl Phys Lindner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1990-03-15

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

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.