DE3850855T2 - Halbleitervorrichtung. - Google Patents

Halbleitervorrichtung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement.
  • US-A-4,505,799 beschreibt ein Halbleiterelement, das eine Halbleiterschicht umfaßt, die verschiedene Aussparungen in einem Bereich auf der Rückseite der Halbleiterschicht aufweist. In dem Vorderseitenbereich der Halbleiterschicht sind aktive Elemente ausgebildet, die auf der Vorderseite des Substrats mit einer Anzahl von Oxiden und einer ionensensitiven Membran beschichtet sind. Jedes aktive Element ist an einer Ausnehmung angeordnet. Um einen elektrischen Kontakt für die aktiven Elemente herzustellen, ist die Aussparung mit einem Metallkontakt beschichtet.
  • US-A-4,601,096 beschreibt ein Halbleiterelement, insbesondere einen Feldeffekttransistor, der im Mikrowellen- und Millimeterfrequenzbereich betrieben wird. Das Substrat ist eine Halbleiterschicht und das Gateelement ist in Form eines Schottky-Übergangs ausgebildet. Auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ist eine Aussparung gebildet und ein aktives Element. Die Transistorsource, ist an der Aussparung freigelegt. Ein metallischer Film ist auf der Rückseite der Halbleiterschicht gebildet und kontaktiert direkt den Sourcebereich. Durch den metallischen Kontakt wird die Transistorleistung im Mikrowellen- und Millimeterfrequenzbereich verbessert.
  • Weiter ist ein Halbleitersubstrat bekannt, das herkömmliche Halbleiterelemente oder IC's einschließt und das einen Anschluß für z. B. ein Drain von einem der Elemente auf der Rückseite aufweist und weitere Anschlüsse für die Elemente auf der vorderen Hauptfläche in Form von Metallkontaktanschlüssen oder Elektroden an einem isolierenden Oxidfilm.
  • Zum Beispiel beschreibt IEEE Power Electronics Specialists Conference Record, 1985, Seiten 229-233, den Schnitt durch einen Leistung-MOSFET, der eine Schutzfunktion darin aufweist. In diesem Fall sind verschiedene Elemente oder Bauteile in der vorderen Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet, und fast alle ihre Elektrodenanschlüsse sind auf der vorderen Hauptfläche ausgebildet, während nur ein Ausgangs-Drainanschluß auf der Rückseite gebildet ist.
  • In solch einem herkömmlichen Fall ist die Rückseite des Halbleitersubstrats mit einem Grundsubstrat kontaktiert und es ist ausreichend, nur eine Spannungsquelle für das Halbleitersubstrat bereitzustellen. Es ist weiter unnötig, mehrere Elektroden unabhängig voneinander bereitzustellen um verschiedene Spannungen auf der Rückseite des Halbleitersubstrats, das eine bestimmte Dicke aufweist, anzulegen, selbst wenn die vordere Hauptfläche, die den Halbleiter IC einschließt, an das dazu weisende Grundsubstrat gebondet ist. Somit wird nicht in Erwägung gezogen, durch das Substrat die vordere Hauptfläche des Substrats mit einer Vielzahl von verschiedenen Spannungen oder Strömen von der Rückseite unter gegenseitiger Isolation zu versorgen.
  • In einer herkömmlichen dreidimensionalen übereinandergeschichteten Halbleitersubstratstruktur, wie sie beispielsweise in Nikkei Micro Device, Juli 1985, Seiten 175-192, veröffentlicht ist, ist die Signalübertragung zwischen der Vorder- und Rückseite des Halbleitersubstrats, auf dessen Vorderfläche verschiedene Elemente oder IC's ausgebildet sind, nur ungenügend entwickelt. Demgemäß werden die betreffenden Elektrodenbereiche der zwei Substrate ausgerichtet und fest miteinander verbunden, um die Signalkommunikation zwischen den zwei Substraten auszuführen, wenn zwei übereinandergeschichtete Halbleitersubstrate weiter übereinandergeschichtet werden. In diesem Fall ist es jedoch sehr schwierig, eine Verdrahtung zum Verbinden der Vorder- und Rückseiten der Substrate zu bewerkstelligen.
  • Eine weitere herkömmliche dreidimensionale übereinandergeschichtete Halbleitersubstratstruktur wird durch Aufeinanderstocken einer Vielzahl von Halbleitersubstraten bewerkstelligt, wie in IEEE Computer, Januar 1984, Seite 69, Jan. Grinberg, veröffentlicht ist. In diesem Beispiel ist eine ohmsche Verdrahtung, die durch das Substrat dringt, durch die Ausbildung eines p&spplus;-Bereichs hergestellt, der durch ein n-Halbleitersubstrat hindurchgeht, wobei eine p-Dotierung durch Aluminiumdiffusion auf der Grundlage von Hitzetransferdiffusion durch eine punktförmige Aluminiumquelle verwendet wird. Die Verbindung zwischen den zwei Substraten wird realisiert, indem zwei metallische Mikrobrücken zur Verbindung über Kreuz verbunden werden.
  • In diesem Fall ist es jedoch schwierig, eine Verteilungskapazität infolge des PN-Übergangs und der oberen und unteren Widerstandswerte des p&spplus;-Bereichs zu steuern, da der Durchführungsbereich aus einem p&spplus;-Bereich des P&spplus;N-Übergangs zusammengesetzt ist und eine Trennung des P&spplus;N-Übergangs verwendet wird. Da die Mikrobrücken nicht fest miteinander verbunden sind, weist die mechanische Struktur zum Verbinden der zwei Substrate nur ungenügende Stabilität auf und eine ausreichende oder ideale Isolation von anderen Bereichen ist nicht gegeben.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Halbleiterelement bereitzustellen, das erlaubt, eine Signalübertragung oder eine ohmsche Verbindung zwischen der Vorder- oder Rückseite des Halbleitersubstrats zu bewerkstelligen und das eine perfekte Isolierung der Übertragungsteile von anderen Bereichen des Substrats ermöglicht.
  • Diese Aufgabe ist durch ein Halbleiterelement nach Anspruch 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
  • Im folgenden wird die Beschreibung durch die Zeichnungen genauer beschrieben.
  • Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement, das einen MOS-Transistor einschließt, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement, das einen vertikalen MOS-Transistor einschließt, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 zeigt die Anordnung einer Vielzahl von Anschlüsse in einer Aussparung;
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt eines vollständigen Ausführungsbeispiels eines dreidimensionalen zweilagig übereinandergeschichteten Halbleiterelements, gemäß der vorliegenden Erfindung, das die Halbleiterschicht, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, einschließt;
  • Fig. 5 zeigt einen Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement, das einen MOS-Transistor einschließt, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 6 zeigt einen Schnitt eines weiteren vollständigen Ausführungsbeispiels eines dreidimensionalen zweilagig übereinandergeschichteten Halbleiterelements, gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 7 ist eine Unteransicht der ersten Halbleiterschicht, die 2·8 Anschlüsse für eine Bitbreite von 2·8 eines aktiven Elements zeigt, die in jede der vier Aussparungen auf der Rückseite eines Halbleitersubstrats gebildet sind;
  • Fig. 8 zeigt eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein dreidimensionales vierlagig übereinandergeschichtetes Halbleiterelement einschließt, das aus vier Halbleiterschichten zusammengesetzt ist; und
  • Fig. 9 zeigt einen Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement, das einen Bipolar-Transistor einschließt, gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen Darstellungen gleiche oder entsprechende Teile. In Fig. 1 ist das erste Ausführungsbeispiel der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement, wie etwa einem MOS- Element einer Silicium-Auf-Isolator(SOI) -Struktur, gemäß der vorliegenden Erfindung, gezeigt.
  • In Fig. 1 ist eine Siliciumoxid(SiO&sub2;)-Schicht 2 auf der Ober- oder Vorderfläche eines Silicium(Si)-Halbleitersubstrats 1 gebildet, wobei eine Bodenaussparung 13 auf der Unter- oder Rückseite des Substrats 1 in herkömmlicher Weise gebildet ist, um die Siliciumoxidschicht 2 zu erreichen, was beispielsweise durch Ätzprozesse, wie sie beispielsweise bei der Siliciumdrucksensorherstellung vorkommen, verwendet werden. Eine p-Halbleiterkristallschicht 3 wird auf dem Siliciumoxid 2 mit Hilfe einer herkömmlichen SOI-Technik hergestellt. Eine n&spplus;-Source 4 ist in dem Oberflächenbereich der kristallinen Siliciumschicht 3 geformt und ein n&spplus;-Drain 5 ist in die aktive Siliciumschicht des SOI-Typs geformt, um tief in die kristalline Siliciumschicht 3 sowie in die Siliciumoxidschicht 2 zu ragen und den Boden der Aussparung 13 auf der Rückseite des Substrats 1 zu erreichen (von der Rückseite betrachtet, z. B. dem oberen Ende in Fig. 1).
  • Ein isolierender Gatefilm 6 ist auf die Vorderfläche der kristallinen Siliciumschicht 3 geformt, um Source 4 und Drain 5 zu überbrücken und zudem ist eine Feldoxidschicht 7 auf der Oberfläche der Schicht 3 angebracht. Eine Sourceelektrode 8, eine Drainelektrode 9 und eine Gateelektrode 10 sind jeweils in herkömmlicher Weise an den Oberflächen von Source 4, Drain 5 und Gatefilm 6 angebracht. Ein isolierender Oxidfilm 11 ist ebenfalls auf der Rückseite des Substrats 1 in herkömmlicher Weise gebildet, um seine Rückseite zu bedecken.
  • Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Dicke des Siliciumsubstrats 1 ungefähr zwischen 300 um bis 500 um gewählt wird, kann die Dicke des verbleibenden oberen Bereichs (nicht gezeigt), der den Boden der Aussparung 13 bildet, zwischen etwa 10 bis 30 um gewählt werden.
  • Eine bestimmte Strukturierungsmethode ist erforderlich, um einen Rückseitenkontaktbereich 12A und einen Rückseitenverdrahtungsbereich 12B, die integral miteinander verbunden sind, herzustellen. Das heißt, daß ein gewöhnlicher photolithographischer Prozeß für die Strukturierung nicht angewendet werden kann, da der Kontaktbereich 12A und der Verdrahtungsbereich 12B auf der Rückseite in bezug auf die Endfläche auf der Rückseite weit voneinander beabstandet sind. Die Strukturierung kann mit einem Lithographieschritt durchgeführt werden, in dem mit einem Lichtstrahl im UV oder fernen UV-Wellenlängenbereich belichtet wird und eine Maske verwendet wird, die in nächster Nähe zum Substrat 1 plaziert wird und weiter ein optisches System verwendet wird, das eine Laserlichtquelle mit guter Parallelität aufweist. Ein direkter Strukturätzprozeß, der gerade entwickelt worden ist, in welchem eine photochemische Reaktion direkt in einer angeregten Ätzgasatmosphäre unter Verwendung einer Strukturmaske und eines Laserstrahls durchgeführt wird, kann auch angewendet werden.
  • Wie zuvor beschrieben, ragt in dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 1 gezeigt, die n&spplus;-Region 5 durch die Epitaxieschicht 3 bis zu der Bodenaussparung 13 der Rückseite des Substrats 1 und ist mit dem Verdrahtungsbereich 12B verbunden, der auf der Rückseite des Substrats 1 durch den Kontaktbereich 12A gebildet ist, wobei der Verdrahtungsbereich 12B von dem Substrat 1 durch die isolierende Oxidschicht 11, die die Seiten- und Rückflächen des Substrats 1 bedeckt und durch die Siliciumoxidschicht 2, die die Vorderseite des Substrats 1 bedeckt, isoliert ist. Aus diesem Grund kann das n&spplus;-Drain mit einem Verbindungsanschluß als Drainanschluß 9 auf der Vorderseite des Substrats 1 versehen werden und mit einem anderen unabhängigen Verbindungsanschluß als rückwärtigen Verdrahtungsbereich 12B auf der Rückseite des Substrats 1, die von anderen Bereichen getrennt sind. Die rückwärtigen Anschlüsse 12A und 12B sind mit einer Spannungsquelle, die von der Spannung des Substratkörpers getrennt ist, verbunden.
  • Obwohl in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nur das Drain 5 mit den zwei Anschlüssen auf Vorder- und Rückseite des Substrats 1 verbunden ist, können selbstverständlich auch andere aktive Regionen, wie etwa die Source 4 des MOS- Transistor mit den zwei Anschlüssen auf der Vorder- und Rückseite des Substrats 1 verbunden sein. Das bedeutet, daß eine der Elektroden des aktiven Elements, wie etwa eines MOS-Transistors mit der Vorder- und Rückseite des Substrats kommunizieren kann. Weiter kann eine Anode oder Kathode einer Diode, die in den Oberflächenbereich des Substrats geformt ist, mit den zwei Anschlüssen auf der Vorder- und Rückseite des Substrats verbunden werden.
  • In dem SOI-Element nach Fig. 1, kann eine ohmsche Verbindung mit dem n&spplus;-Drain 5 des MOS-Transistors erzeugt werden, indem der Kontaktbereich 12A auf der Rückseite des Substrats 1 verwendet wird. Wenn also die Signalleitung über den N-Kanal EDMOS, der in der kristallinen Siliciumschicht 3 auf dem Siliciumoxidfilm 2 ausgebildet ist, durchgeführt wird, kann das Signal von dem Drain 5 zu anderen Teilen wie etwa einem Inverter, der in der gleichen Ebene wie das Drain 5 liegt, durch die Drainelektrode 9 geleitet werden und zu anderen Teilen auf der Vorderseite eines weiteren Substrats, das unter dem Substrat 1 angeordnet ist, welches das Drain 5 einschließt. Die Leitung erfolgt über den Kontaktbereich 12A und den rückwärtigen Verdrahtungsbereich 12B in einem viellagig übereinandergeschichteten dreidimensionalen Halbleiterelement, das aus mindestens zwei Halbleitersubstraten zusammengesetzt ist, die aufeinander gestapelt sind.
  • Aus dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel geht deutlich hervor, daß die folgenden Effekte und Vorteile erzielt werden können.
  • Da die Elektrode, wie etwa das Drain, mit den zwei Anschlüssen auf der Vorder- und Rückseite des Substrats verbunden ist, wird eine Separation eines Ausgangsstroms in einem Leistungselement, in welchem in Richtung senkrecht zum Substrat ein großer Strom fließt, vorteilhaft durchgeführt, und eine Vielzahl von Anschlüssen für ein Drain könnnen so vorteilhafterweise auf der Vorder- und Rückseite im MOS- Transistor vorgesehen werden.
  • Da zuzüglich zu der Vorderseite, die verschiedene Elemente oder IC's einschließt, eine Vielzahl von Verdrahtungsanschlüssen für Elektroden getrennt entlang der Seitenflächen einer Aussparung auf der Rückseite des Substrats vorgesehen sein können, kann eine Übertragung einer Vielzahl von Signalen zwischen der Vorder- und Rückseite des Substrats gleichzeitig durchgeführt werden. Weiter kann diese parallele Signalübertragung durch den ohmschen Kontakt durchgeführt werden und kann über Steuersignale eines aktiven Elements gesteuert werden, das drei Elektrodenanschlüsse aufweist, wie das etwa bei einem MOS-Transistor der Fall ist, wodurch wiederum eine Schaltfunktion und eine Verstärkungsoperation zur gleichen Zeit möglich sein können.
  • Wenn eine Vielzahl von Halbleitersubstraten, die verschiedene Elemente und IC's auf ihrer Vorderseite einschließen, übereinandergeschichtet werden und die betreffenden Elektrodenbereiche ausgerichtet und fest durch Hitzeschmelzen miteinander verbunden werden, um so eine dreidimensionale viellagig übereinandergeschichtete Halbleiterelementstruktur zu erhalten, können eine Vielzahl von Signalen parallel zwischen Vorder- und Rückseite von dem oberen zum unteren Substrat übertragen werden. So kann eine parallele Übertragung, eine gute Funktionsweise und eine große Kapazität eines Informationsprozessors, wie etwa eines Mikrocomputers oder Bildprozessors, bewerkstelligt werden.
  • Weiter kann das gestapelte Halbleiterelement der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um einen übereinandergeschichteten dreidimensionalen parallel arbeitenden intelligenten Sensor zu realisieren, der eine erste Schicht einschließt, die eine Vielzahl von Sensorelementen einschließt, und zweite und dritte Schichten, die Operationselemente oder Speicher aufweisen.
  • Bei Verwendung eines übereinandergeschichteten dreidimensionalen Halbleiterelements, das durch Stapeln einer Vielzahl von Halbleiterschichten hergestellt wurde, können die Fehler und Nachteile, die bei herkömmlichen, in einer flachen Ebene hochintegrierten IC's auftreten, beseitigt und weitgehend verbessert werden. Das bedeutet, daß die Chipgröße minimiert werden kann und eine Verdrahtungslänge im Chip weitgehend reduziert werden kann, um die Übertragungsgeschwindigkeit des Signals durch den Chip zu verbessern. Weiter kann die Anordnungsbegrenzung der Zellen und Verdrahtung reduziert werden, und die Ausschußrate der hergestellten Chips erheblich reduziert werden.
  • In Fig. 2 ist ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement, das einen vertikalen MOS-Transistor einschließt gezeigt, das im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, aufweist.
  • In Fig. 2 ist eine n-Epitaxieschicht 15 auf ein p&supmin;-Halbleitersubstrat 14 aufgewachsen, und eine n&spplus;-vergrabene Drainschicht 16 ist in dem Substrat 14 zwischen dem unteren Endbereich der Epitaxieschicht 14 und einer Aussparung 13, die in die Rückseite des Substrats 14 geformt wurde, gebildet und ragt durch das Substrat 14 und erreicht so die Grundfläche der Aussparung 13 (das obere Ende in Fig. 2). Das Substrat 14 hat die Funktion, die vergrabene n&spplus;-Drainschicht 16 elektrisch zu trennen. Ein Feldoxidfilm 7 bedeckt die Oberfläche der Epitaxieschicht in gleicher Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel.
  • Ein Paar p-Basisbereiche 17A und 17B sind in dem Oberflächenbereich der Epitaxieschicht 15 in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Ein Paar n&spplus;-Sourcebereiche 18A und 18B sind in dem Oberflächenbereich der jeweiligen Basisbereiche 17A und 17B geformt. Ein isolierender Gatefilm 19 ist auf die Oberfläche der Epitaxieschicht 15 zwischen den Teilen der zwei Sourcebereiche 18A und 18B, die in den Drainbereichen 17A und 17B ausgebildet sind geformt und eine mit Verunreinigungen hochdotierte polykristalline Siliciumgateelektrode 20 ist in dem isolierenden Gatefilm 19 gebildet. Ein Paar der gemeinsamen Source-Basiselektroden 21A und 21B sind an Oberflächenteile der Source 18A und 18B und Drain 17A und 17B angeordnet. Die zuvor beschriebenen Teile können in herkömmlicher Weise gefertigt werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist die vergrabene Schicht des vertikalen MOS-Transistors, der im vorderen Hauptflächenbereich angeordnet ist, an der Grundfläche der Aussparung 13 freigelegt, und der Boden der vergrabenen Schicht 16 ist mit einem rückwärtigen Kontaktbereich 12A, der integral mit einem Rückseitenverdrahtungsbereich 12B verbunden ist, in gleicher Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel verbunden. Ein Paar p-Trennbereiche 22 können in die Epitaxieschicht 15 geformt werden, um die Trennung der Drains von anderen Teilen zu verbessern.
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, können die Drainelektrodenanschlüsse getrennt auf der Rückseite des Substrats angebracht sein, da die Drainbereiche partiell beschränkt werden können. So können eine Vielzahl von vertikalen MOS-Transistoren, wobei jeder einen Drainelektrodenanschluß auf der Rückseite aufweist, im gleichen Substrat hergestellt werden. Wenn der Chip so befestigt wird, daß die Verdrahtung von sowohl der Vorder- als auch der Rückseite des Substrats durchgeführt werden kann, kann eine Vielzahl von vertikalen MOS-Transistoren im gleichen Substrat angeordnet werden. Außerdem können natürlich die gleichen Effekte und Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auch im zweiten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
  • In Fig. 3 ist die Anordnung einer Vielzahl von Anschlüssen in einer Aussparung eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei Fig. 3 eine umgekehrte Darstellung im Vergleich zu Fig. 1 und 2 ist, wobei das Ausführungsbeispiel die gleiche Struktur wie die des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 zeigt, außer, daß eine Vielzahl von rückwärtigen Ausgangsanschlüssen in einer Aussparung der Rückseite des Substrats gebildet sind, wie im folgenden noch beschrieben wird, und so zusätzliche Elemente in Fig. 3 in der folgenden Beschreibung nicht aufgeführt werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist in einem Halbleitersubstrat 23 eine Aussparung 13 in der Rückseite (obere Seite in Fig. 3) ausgebildet, um einen nichtgeätzten dicken Bereich 23A und einen geätzten dünnen Bereich 23B zu erzeugen, wie in Fig. 3A gezeigt ist, wonach ein isolierender Oxidfilm 24 über die Aussparung 13 und der Rückseite in der gleichen Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 gebildet wird. Dann werden eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen (es sind nur zwei in Fig. 3 gezeigt) 25 und 26, die einer Kombination der Kontaktbereiche 12A und dem Rückseitenverdrahtungsbereich 12B aus Fig. 1 und 2 entsprechen, in der Aussparung 13 in der gleichen Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erzeugt, wie in Fig. 3B und 3C gezeigt ist.
  • In diesem Fall werden die Vielzahl von rückwärtigen Elektrodenanschlüssen, wie etwa Drainausgangsanschlüsse in bestimmten Intervallen, wie in Fig. 3C gezeigt ist, erzeugt. Zum Beispiel ist ein Drain eines MOS-Transistors im PN-Übergangszustand gesperrt und aus diesem Grunde durch sich selbst von anderen getrennt. Falls ein aktives Element nicht durch sich selbst getrennt ist, ist es notwendig, jeden Elektrodenbereich, der in einem dünngeätzten Bereich 23B geformt ist zu trennen, was durch Ausbilden eines Trennbereichs unter Zuhilfenahme einer PN-Übergangstrennung oder einer Trennung durch Isolierung der Aussparung erzielt werden kann, wodurch jeder Elektrodenausgang separat aufgenommen werden kann. Weiter kann ein weiterer Elektrodenanschluß separat auf der Rückseite ausgebildet sein, indem zusätzlich eine weitere Aussparung in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben gebildet wird.
  • In Fig. 4 ist ein vollständiges Ausführungsbeispiel eines dreidimensionalen zweilagig übereinandergeschichteten Halbleiterelements, gemäß der vorliegenden Erfindung, gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine erste Halbleiterschicht 101, die z. B. die gleiche Struktur wie im ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 aufweist, und eine zweite Halbleiterschicht 102 eines herkömmlichen IC's, der eine CMOS-Struktur aufweist, aufeinander auf ihren bestimmten Elektroden durch eine Heißpreßverbindung aufeinander geschichtet.
  • In Fig. 4 weist die obere erste Schicht 101 den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 1 auf, so daß auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Nachfolgend wird die zweite Halbleiterschicht 102 beschrieben.
  • Ein Feldoxidfilm 7a ist über der Vorder- oder Oberseite eines n-Halbleitersubstrats 27 gebildet, und in dem oberen Flächenbereich des Substrats 27 ist ein p-Wannenbereich 28 gebildet. Ein Paar p&spplus;-Wannenkontaktbereiche 29 sind in den Kontaktbereichen zwischen dem Substrat 27 und dem Wannenbereich 28 gebildet, und eine n&spplus;-Basiskontaktregion 30, eine p&spplus;-Sourceregion 31, die damit verbunden ist, eine p&spplus;-Drainregion 32, eine n&spplus;-Drainregion 33 und eine n&spplus;-Sourceregion 34 sind in den Oberflächenbereichen des Substrats 27 und des Wannenbereichs 28 (wobei die ersten drei in dem Substrat 27 und die nachfolgenden zwei in der Wannenregion 28 gebildet sind) gebildet. Eine VDD-Elektrode 40, eine VSS-Elektrode 41 und eine CMOS-Ausgangselektrode 42 sind jeweils auf den Kontakt- und Sourceregionen 30 und 31, den zwei Drainregionen 32 und 33 und den Wannenkontakt- und Sourceregionen 29 und 34 ausgebildet.
  • Ein isolierender Film 39 ist über der oberen Fläche des Substrats 37 gebildet und zwei hochkonzentrierte Siliciumgates 35 und 36 und zwei darunterliegende Gateoxidschichten 37 und 38 sind in dem isolierenden Film 39 gebildet. Eine CMOS-Gatekontaktelektrode 43A und eine weitere Elektrode 43B sind in dem isolierenden Film 39 gebildet. Zwei Polyimidfilmschichten 44 und 45 und obere und untere zweilagige Gold-Titan(Au/Ti)-Legierungsschichtelektroden 46U, 45L, 47U und 47L werden wie nachfolgend beschrieben erzeugt.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird das Koppeln der oberen und unteren Halbleiterschichten 101 und 102 fast in gleicher Weise wie in der Veröffentlichung "Promising New Fabrication Process Developed For Stacked LSI's" aus International Electron Devices Meeting Technical Digest, 1984, Seite 816, M. Yasumoto et al. durchgeführt.
  • Bei dieser Methode werden zuerst zwei zweilagige Gold- Titan(Au/Ti)-Legierungsschichten 46L und 47L auf zwei Aluminiumelektroden 43A und 43B erzeugt, und dann eine Polyimidschicht 45 über der Oberfläche des Substrats in gleicher Höhe wie die Au/Ti-Schichtelektroden 46L und 47L aufgebracht. Dann wird die beschichtete Oberfläche des Substrats mit einem Sauerstoff(O&sub2;)-Plasma-Ätzprozeß behandelt, um die Au/Ti-Elektroden 46L und 47L freizulegen und die Oberfläche der Polyimidschicht 45 und die Au/Ti-Elektroden 46L und 47L zur gleichen Zeit abzuflachen.
  • Andererseits wird auf der Rückseite der ersten Schicht 101, die Aluminiumelektrode 12B, die integral mit dem Kontaktbereich 12A verbunden ist, sowie eine andere Aluminiumelektrode 12C zuerst in richtiger Position vorbereitet und dann werden zwei Au/Ti-Schichtelektroden 46U und 47U auf die zwei Aluminiumelektroden 12B und 12C geformt, so daß sie mit den Au/Ti-Elektroden 46L und 47L der zweiten Schicht 102 zusammentreffen, wenn die zwei Schichten 101 und 102 positioniert werden, um die betreffende Position auszurichten. In der Zwischenzeit wird ein isolierender Film 11B auf die isolierende Schicht 11 auf der Rückseite des Substrats 1 aufgebracht. Dann wird eine Polyimidschicht 44 auf der Rückseite des Substrats abgeschieden und die beschichtete Rückseite wird dann zu einer flachen Oberfläche in gleicher Weise wie die abgeflachte Vorderseite der zweiten Schicht 102, wie zuvor beschrieben, abgeflacht. Die beiden abgeflachten Oberflächen der zwei Schichten 101 und 102 werden miteinander so verbunden, so daß die Au/Ti-Elektroden 46U und 47U der ersten Schicht 101 und die Au/Ti-Elektroden 46L und 47L der zweiten Schicht 102 richtig zueinander ausgerichtet sind, und dann werden die Paare der Au/Ti-Elektroden 46U, 46L und 47U, 47L durch eine Heißpreßschmelzmethode fest miteinander verbunden, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht 101 und 102 miteinander gekoppelt werden.
  • Wenn die zwei Schichten 101 und 102 ausreichend stark verbunden sind, indem nur die Elektrodenbereiche verbunden werden, können weitere Dummy-Elektroden zusätzlich auf den Kontaktflächen der zwei Elemente erzeugt werden. Obwohl ein bestimmtes Beispiel zum festen Verbinden der Au/Ti-Elektroden zuvor beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt und natürlich können auch andere geeignete Methoden verwendet werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Polyimidschichten 44 und 45 die Funktion auf, effektiv Streß zu unterdrücken und elektrische Isolation zu gewährleisten. Weiter kann die geätzte Aussparung 13 durch Füllen mit Polyimidmaterial in einem eigens entwickelten Herstellungsprozeß geschlossen werden. In diesem Fall, wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann durch das Ausgangssignal von den Drainkontaktelektroden 12A und 12B der ersten Schicht 101, der Schaltvorgang durch Antreiben des Gates 43A des CMOS-Inverters in der unteren zweiten Schicht 102 durchgeführt werden. In diesem Beispiel werden selbstverständlich die gleichen Ergebnisse, Effekte und Vorteile wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erzielt.
  • In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten Halbleiterschicht in einem Halbleiterelement gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, das im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Feldoxidschicht 7 auf die vordere Hauptfläche eines n-Halbleitersubstrats 51 ausgebildet, das eine Aussparung 13 auf der Rückseite aufweist, wobei ein isolierender Oxidfilm 11 über der Aussparung 13 ausgebildet ist und über der Rückseite des Substrats 51.
  • In einem geätzten dünnen Bereich 54 des Substrats 51 ist ein niederohmiger Bereich 56 gebildet, der von der Vorderseite der Grundfläche der Aussparung 13 in den dünnen Bereich 54 ragt (die obere Fläche der Aussparung 13 in Fig. 5). Der ohmsche Bereich 56 ist von isolierenden Filmen 55 umgeben, um den ohmschen Bereich 56 von dem Substrat 51 zu isolieren oder zu trennen. Die isolierenden Filme 55 werden mit Hilfe einer feinen Grabenbildung (fine ditching step) und einem Oxidierschritt erzeugt. Die ohmschen Bereiche 56 können z. B. aus polykristallinem Silicium erzeugt werden oder durch Dotieren einer Verunreinigung in hoher Konzentration in monokirstallines Silicium. Der ohmsche Bereich 56 kann auch unter Verwendung eines metallischen Materials erzeugt werden, das einen hohen Schmelzpunkt aufweist, wie etwa Molybdän (Mo) oder Tantal (Ta) in einem eigens entwickelten Herstellungsprozeß. Eine Kombination eines Rückseitenkontaktteils 12A und einer Rückseitenelektrode ist mit der Unterseite der ohmschen Region 56 in dem Aussparungsbereich 13 in gleicher Weise wie zuvor beschrieben kontaktiert.
  • Im Vorderseitenbereich des Substrats 51 ist ein N-Kanal MOS- Transistor vorgesehen. Das heißt, daß eine n&spplus;-Source 58 und ein n&spplus;-Drain 59 in geeignetem Abstand erzeugt werden, und ein Siliciumgate 61 und ein Gateoxidfilm 60 darunter in herkömmlicher Weise erzeugt werden. Die obere Endfläche des ohmschen Bereichs 56 und das Siliciumgate 61 sind elektrisch durch jeweilige Elektroden 62A und 62B, die darauf geformt sind, gekoppelt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel können die Vorder- und Rückseite des Substrats 51 über den niederohmigen Bereich 56 miteinander kommunizieren, wobei der ohmsche Bereich 56 von der Umgebung isoliert ist. Demgemäß ist das Siliciumgate 61 auf der Vorderseite mit den Rückseitenelektroden 12A und 12B durch die Vorderseitenelektroden 62A und 62B und den ohmschen Bereich 56 verbunden. So kann der N-Kanal MOS-Transistor in der vorderen Hauptfläche durch Anlegen einer Spannung an die Rückseitenelektroden 12A und 12B betrieben werden. Die gleichen Effekte und Vorteile wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindungen können erhalten werden.
  • Obwohl das Siliciumgate auf der Vorderseite mit den Rückseitenelektroden verbunden ist, können in diesem Ausführungsbeispiel natürlich auch ein anderer Teil wie Drain oder Source auf der Vorderseite mit den Rückseitenelektroden verbunden werden. Außerdem können eine Vielzahl von niederohmigen Bereichen 56, die den N-Kanal MOS-Transistor der auf der Vorderseite gebildet ist mit den Rückseitenelektroden 12A und 12B verbinden, in einer Aussparung 13 in gleicher Weise, wie in Fig. 3 gezeigt ist, ausgebildet sein, wobei eine detaillierte Beschreibung davon nicht nötig ist.
  • In Fig. 6 ist ein weiteres vollständiges Ausführungsbeispiel eines dreidimensionalen zweilagig übereinandergeschichteten Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung, gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine obere erste Halbleiterschicht 103 und die zweite untere Halbleiterschicht 102, wie in Fig. 4 gezeigt, in gleicher Weise, wie in Fig. 4 gezeigt, miteinander verbunden. Die erste Halbleiterschicht 103 ist so beschaffen, daß sie weiter im wesentlichen den gleichen niederohmigen Bereich 56 und MOS- Transistor wie in Fig. 5 zeigt, einschließt, wobei das SOI- Substrat im rechten halbseitigen Bereich der ersten Halbleiterschicht 101, das in Fig. 4 gezeigt ist, verwendet wird. Weiter wird auf eine detaillierte Beschreibung der ersten und zweiten Halbleiterschichten 103 und 102 verzichtet, um unnötige Wiederholungen in der Beschreibung zu vermeiden.
  • In diesem Fall können natürlich die gleichen Effekte, Vorteile und Ergebnisse, wie bei den vorherigen vollständigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, erzielt werden.
  • Fig. 7 ist eine Unteransicht einer ersten Halbleiterschicht. Fig. 7 zeigt vier Aussparungen A, B, C und D, die in der Rückseite einer ersten Halbleiterschicht gebildet sind, sowie die, des ersten, in Fig. 1, 2 und 5 gezeigten, Ausführungsbeispiels. Es sind 2·8=16 rückwärtige Kontaktanschlüsse 65 in jeder der Aussparungen A, B C und D ausgebildet, um eine 2·8=16 bit breite Verdrahtung zu erzielen. In diesem Ausführungsbeispiel sind in der Tat eine Vielzahl von Halbleiterschichten aufeinandergestapelt, um ein vielschichtig übereinandergeschichtetes dreidimensionales Halbleiterelement zu erzeugen und 16 bit Signale können parallel zwischen Vorder- und Rückseite eines jeden Elements und von dem obersten Element zum untersten Element und umgekehrt prozessiert werden.
  • In diesem Fall können alle Kontaktanschlüsse 65 einer Aussparung A z. B. mit dem unteren ohmschen Widerstandsbereichen darin verbunden sein und alle Kontaktanschlüsse 65 einer anderen Aussparung B können mit einer Elektrode, wie etwa den Drainanschlüssen eines aktiven Elements z. B. eines MOS- Transistors, verbunden sein. Wenn die Signale von dem unteren Element zu dem oberen Element oder umgekehrt zur gleichen Zeit geleitet werden, können z. B. die Anschlüsse der Aussparungen C und D jeweils separat für die Signalübermittlung in Aufwärts- und Abwärtsrichtung verwendet werden.
  • In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel von vier Halbleiterschichten 105, 106, 107 und 108 gezeigt, das ein dreidimensionales vierlagig übereinandergeschichtetes Halbleiterelement, gemäß der vorliegenden Erfindung, bildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die vier Schichten so aufeinander gestapelt, daß die Aussparungen 13 von zwei aneinanderliegenden Schichten 105 und 106, 106 und 107 oder 107 und 108 nicht entlang einer vertikalen geraden Linie ausgerichtet sind.
  • Wenn die vier Schichten, so wie in Fig. 8 gezeigt ist, übereinander gestapelt sind und jedes Element vier Aussparungen aufweist, wie in Fig. 7 gezeigt ist, können 32 bit Signale der zwei Aussparungen und 32 bit Signale der anderen zwei Aussparungen parallel aufwärts und abwärts gleichzeitig prozessiert werden, wodurch das dreidimensional übereinandergeschichtete Halbleiterelement effektiv genutzt wird. Weiter sind gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Halbleiterschichten übereinander gestapelt, wobei die Schichten z. B. so beschaffen sind, daß sie jeweils bestimmte Funktionen haben, so daß ein Element einen Sensor einschließt, und einige andere Schichten Operations-IC's, und einige weitere Schichten Speicher, andere Schichten einen Comparator-IC usw. einschließen, wobei sie als "Bibliothek" (selflibrary) verwendet werden können. Jede Schicht kann unabhängig für einen bestimmten Zweck bestimmt sein.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Silicium auf Glassubstrat und ein Silicium auf Saphiersubstrat in herkömmlicher Weise verwendet werden, um eine Halbleiterschicht zu erzeugen. In das Glassubstrat und das Saphiersubstrat kann eine Aussparung oder ein Loch in einer Siliciumschicht in der Rückseite durch Ätzen oder reaktives Ionenätzen (RIE) gebildet werden. Was die Neigung der Aussparung 13 angeht, wie beispielsweise in Fig. 8 gezeigt, kann diese durch eine kristalline Fläche, wie etwa eine (111) Fläche bestimmt werden, aber der Neigungswinkel kann wahlweise auch unter Verwendung eines RIE-Prozesses zusammen mit einer Maske oder einem photochemischen Laser Ätzprozeß erzeugt werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann für ein Tetrodenelement mit isoliertem Gate verwendet werden. Weiter kann die vorliegende Erfindung für ein Silicium-auf-Silicium-auf-Siliciumsubstrat oder ein monolithisches dreidimensionales Mehrlagenelement (z. B. dreilagige n-Schicht), das durch Laserannealen hergestellt wird, verwendet werden.
  • In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer ersten Halbleiterschicht eines Halbleiterelements, gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das zweite Ausführungsbeispiel aufweist, mit der Ausnahme, daß ein Bipolartransistor anstelle eines MOS- Transistors verwendet wird.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist in der vorderen Hauptfläche eine p&spplus;-Basisregion 68 in dem Oberflächenbereich der n-Epitaxieschicht 15 ausgebildet, und zwar über der Aussparung 13 des p&supmin;-Halbleitersubstrats 14. Weiter ist ein n&spplus;-Emitterbereich 69 auf dem linken Oberflächenbereich der Basisregion 68 ausgebildet. Eine Emitterelektrode 70 ist mit der Oberfläche der Emitterregion 69 verbunden und eine Basiselektrode 71 ist an der rechten Oberfläche der Basisregion 68 angebracht. Eine vergrabene n&spplus;-Kollektorschicht 72 ist im Kontaktbereich zwischen dem Substrat 14 und der Epitaxieschicht 15 ausgebildet, und die Unterseite der vergrabenen Kollektorschicht 72 ist an der Grundfläche der Aussparung 13 (oberes Ende in Fig. 9) in der Rückseite des Substrats 14 freigelegt. Eine Kollektorelektrode 73A ist mit der Unterseite der vergrabenen Kollektorschicht 72 an der Grundfläche der Aussparung 13 verbunden und ein Rückseitenkontaktanschluß 73B ist integral mit der Kollektorelektrode 73A in ähnlicher Weise wie der Kontaktbereich 12A und die Rückseitenverdrahtung 12B des zweiten Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 2 gezeigt, verbunden. Ein Paar p&spplus;-Trennregionen 74 zum Trennen des Kollektors sind in der Epitaxieschicht 15 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel können die gleichen Effekte und Vorteile wie die der vorherigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
  • Es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung auch für einen IC, der einen Bipolartransistor oder BICMOS einschließt, verwendet werden kann.

Claims (5)

1. Halbleiterelement, umfassend:
eine erste Halbleiterschicht (1, 2, 3, 14, 15, 23, 51, 101, 103), die mehrere Aussparungen (13), die in ihrer Rückseite ausgebildet sind, aufweist, und mehrere aktive Elemente, die in dem dünnen Bereich zwischen der Grundfläche jeder Aussparung und der gegenüberliegenden Vorderseite der ersten Halbleiterschicht vorgesehen ist,
wobei jedes aktive Element zumindest eine Elektrode (8, 9, 21A, 21B, 61A, 61B) auf der Vorderseite und zumindest eine Elektrode (12A, B; 73A) auf der Grundfläche einer entsprechenden Aussparung (13) aufweist, wobei die zumindest eine Elektrode auf der Grundfläche der Aussparung integral mit einem Verdrahtungsbereich (12B; 73B), der auf der Rückseite der ersten Halbleiterschicht außerhalb der Aussparung (13) gebildet ist, verbunden ist; und
eine zweite Halbleiterschicht (27, 102), die Halbleiterelementstrukturen (128, 32) umfaßt, wobei jede zumindest eine Elektrode (46L, 47L) auf der Fläche, die zu der Rückseite der ersten Halbleiterschicht weist, aufweist;
wobei die erste und zweite Halbleiterschicht aufeinandergestapelt werden, so daß zumindest einer der Verdrahtungsbereiche (12B, 73B) auf der Rückseite der ersten Halbleiterschicht elektrisch mit zumindest einer der Elektroden (46L, 47L) auf der zweiten Halbleiterschicht verbunden wird.
2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der aktiven Elemente in der ersten Halbleiterschicht eine aktive Region (5) aufweist, die sowohl mit der zumindest einen Elektrode (9) auf der Vorderseite der ersten Halbleiterschicht als auch mit der zumindest einen Elektrode (12A) auf der Grundfläche der entsprechenden Aussparung verbunden ist.
3. Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine der aktiven Elemente in der ersten Halbleiterschicht eine aktive Region aufweist, die ein vergrabener Bereich (16, 72) ist, der an der Grundfläche der entsprechenden Ausnehmung (13) freigelegt ist und mit der zumindest einen Elektrode (72A, 73B) an der Grundfläche der Ausnehmung verbunden ist.
4. Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der aktiven Elemente der Halbleiterschicht als ein MOSFET oder Bipolartransistor ausgebildet ist.
5. Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der aktiven Elemente in der ersten Halbleiterschicht einen niederohmigen Bereich (56) aufweist, der sowohl mit der zumindest einen Elektrode auf der Vorderseite der ersten Halbleiterschicht als auch mit der zumindest einen Elektrode (12A) auf der Grundfläche der entsprechenden Aussparung verbunden ist, und mit isolierenden Filmen (55) umgeben ist, und dadurch von der ersten Halbleiterschicht elektrisch isoliert ist.
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