DE4118593A1 - Verfahren zur herstellung integrierter halbleitervorrichtungen aus silizium und anderen stoffen - Google Patents

Verfahren zur herstellung integrierter halbleitervorrichtungen aus silizium und anderen stoffen

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Description

Die Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen, insbesondere integrierte Silizium- und siliziumfreie Halbleitervorrichtungen, die auf einem einzigen Chip hergestellt werden.
Elektronische Vorrichtungen hoher Dichte, beispielsweise Logik- oder Speichervorrichtungen, werden typischerweise auf Silizium hergestellt, während optische oder Mikrowellenvorrichtungen auf anderen Halbleitermaterialien als Silizium hergestellt werden, aus Gründen der Optimierung und aus Kostengründen. Es wäre wünschenswert, diese Vorrichtungen auf einem einzigen Chip herzustellen, um eine mehrfache Funktionsfähigkeit zu erzielen. Würden beide dieser Arten von Vorrichtungen auf Silizium oder einem Material ungleich Silizium hergestellt, so könnten optimale Vorrichtungseigenschaften geopfert werden. Es wäre daher wünschenswert, kostenwirksam die Siliziummaterialien und die siliziumfreien Materialien auf einem einzigen Chip zu integrieren, um integrierte Siliziumvorrichtungen und siliziumfreie Vorrichtungen auf einem einzigen Chip herzustellen.
In der Vergangenheit wurde diese Integration erzielt, indem man eine Galliumarsenid-Epitaxieschicht auf einem Siliziumhalbleitersubstrat aufwachsen lassen ließ. Auf diese Weise können integrierte Silizium- und Nicht-Silizium-Halbleitervorrichtungen hergestellt werden. Allerdings werden zahlreiche Defekte in der Galliumarsenid-Epitaxieschicht ausgebildet infolge einer Gitter-Fehlanpassung des Galliumarsenids und des Siliziums. Daher zeigen Vorrichtungen, die in der Galliumarsenid-Epitaxieschicht hergestellt werden, schlechte Eigenschaften. Zusätzlich verhindern die hohen Kosten für das Wachsenlassen von Galliumarsenid-Epitaxieschichten den Einsatz dieses Verfahrens.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Integrieren von Siliziumvorrichtungen und siliziumfreien Vorrichtungen auf einem einzigen Chip.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Ausbildung integrierter Siliziumhalbleitervorrichtungen und siliziumfreier Halbleitervorrichtungen durch Wafer-Bonden, selektives Ätzen, und selektives Epitaxiewachstum.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Integrieren von Siliziumvorrichtungen und siliziumfreien Vorrichtungen, bei welchem der Nicht-Silizium-Halbleiter von hoher Qualität ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Integrieren von Siliziumhalbleitervorrichtungen und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen durch Bonden eines gut geätzten siliziumfreien Halbleitersubstrats mit einem Silizium-Wafer.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Integrieren von Siliziumhalbleitervorrichtungen und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen durch Bonden eines Silizium-Wafers, in welchem Halbleitervorrichtungen hergestellt wurden, an ein siliziumfreies Halbleitersubstrat.
Die voranstehenden und weitere Vorteile und Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung werden dadurch erreicht, daß ein Silizium-Wafer an ein Nicht-Silizium-Halbleitersubstrat gebondet wird. Ein Silizium-Wafer wird an einen Nicht-Silizium-Halbleitersubstrat-Wafer entweder direkt oder über eine Zwischenschicht gebondet. Die Dicke des Nicht-Silizium-Halbleitersubstrats wird dann verringert durch mechanisches Polieren oder chemisch/mechanisches Polieren. Dann werden Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats geätzt, um den Silizium-Wafer freizulegen. Halbleitervorrichtungen können dann in dem Silizium-Wafer und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Es könnten auch Halbleitervorrichtungen in dem Silizium-Wafer vor dem Bonden ausgebildet worden sein. Zwischenverbindungen können ausgebildet werden, um die Vorrichtungen in dem Silizium-Wafer und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat elektrisch zu verbinden. Alternativ hierzu kann man Silizium selektiv in den Bereichen wachsen lassen, in welchen das siliziumfreie Halbleitersubstrat entfernt wurde. Dann können Vorrichtungen in dem selektiv aufgewachsenen Silizium und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein siliziumfreies Halbleitersubstrat, das mit darin vorgesehenen Gräben versehen ist, an einen Silizium-Wafer gebondet. Das siliziumfreie Halbleitersubstrat wird dann poliert, bis Öffnungen zu dem Silizium-Wafer zur Verfügung gestellt werden. Die weitere Bearbeitung erfolgt wie voranstehend beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigen
Fig. 1 und 2 vergrößerte Querschnittsansichten einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Herstellungsstufen;
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 bis 5 vergrößerte Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Fabrikationsstufen.
Fig. 1 erläutert eine vergrößerte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer anfänglichen Herstellungsstufe. Gezeigt ist ein Silizium-Wafer 10 mit einem Nicht-Silizium-Halbleitersubstrat 11, welches auf den Silizium-Wafer 10 gebondet ist mit einer Zwischenschicht oder Spannungsausgleichsschicht 12 dazwischen. Das Bonden kann durch Verfahren erfolgen, die in einer verwandten Patentanmeldung beschrieben werden, mit dem Titel "Gebondeter Aufbau und Herstellungsverfahren für Silizium und siliziumfreie Materialien", mit einem Anwaltsaktenzeichen Nr. SC06908P, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Es können auch andere geeignete Methoden zum Bonden eingesetzt werden. Das Bonden kann ohne die Zwischenschicht 12 erfolgen.
Eine Maskierungsschicht 13 wird auf der Oberfläche des siliziumfreien Halbleitersubstrats 11 ausgebildet und daraufhin mit einem Muster versehen, um Öffnungen 14 zur Verfügung zu stellen. Der Silizium-Wafer 10 kann aus einem Siliziumsubstrat bestehen oder aus einem Substrat, auf welchem eine Epitaxieschicht ausgebildet ist. Weiterhin kann der Silizium-Wafer 10 auch Halbleitervorrichtungen in sich ausgebildet haben, bevor das Bonden an das siliziumfreie Halbleitersubstrat 11 erfolgt. Das siliziumfreie Substrat 11 ist vorzugsweise ein Halbleiter-Verbundsubstrat der Gruppe III-V, beispielsweise ein Galliumarsenid-Substrat. Fig. 1 zeigt ein siliziumfreies Halbleitersubstrat 11 (nicht maßstabsgerecht), welches bereits auf eine vorbestimmte Dicke verdünnt oder poliert wurde nach dem Bonden durch mechanische Mittel wie Schleifen oder Läppen, oder durch chemisch/mechanische Mittel, um die Dicke des siliziumfreien Halbleitersubstrats 11 auf vorzugsweise etwa 2 bis 50 Mikrometer zu verringern. Halbleitervorrichtungen (nicht dargestellt) können in der siliziumfreien Schicht 11 ausgebildet werden, bevor die Maskierungsschicht 13 gebildet wird. Die Maskierungsschicht 13 kann aus einer Photolackschicht bestehen oder aus einem Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Öffnungen 14 werden in der Maskierungsschicht 13 durch konventionelle Verfahren hergestellt. Ist die Maskierungsschicht 13 ein Siliziumnitrid oder ein Siliziumdioxid, dann wird eine (nicht dargestellte) Photolackschicht verwendet, um die Öffnungen 14 auszubilden.
Fig. 2 erläutert den Aufbau gemäß Fig. 1 in einer weiteren Bearbeitungsstufe. Das siliziumfreie Substrat 11 und die Zwischenschicht 12 werden in Öffnungen 14 bis zum Silizium-Wafer 10 herunter geätzt. Es kann eine nasse oder trockene Ätzung verwendet werden, die selektiv Galliumarsenid ätzt, nicht aber Silizium. Es kann eine unterschiedliche Ätzung verwendet werden müssen, um die Zwischenschicht 12 zu entfernen, je nachdem, woraus diese besteht. In einer Ausführungsform können Halbleitervorrichtungen 16 in dem Silizium-Wafer 10 ausgebildet werden. Alternativ hierzu kann der Silizium-Wafer 10 Vorrichtungen 16 aufweisen, die bereits in den Öffnungen 14 hergestellt wurden, bevor das Bonden an das siliziumfreie Halbleitersubstrat 11 erfolgte. Nicht-Halbleiter-Vorrichtungen 17 können dann in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 hergestellt werden durch Entfernen der Maskierungsschicht 13 und durch Schützen der freigelegten Siliziumschicht 10. Dann werden Zwischenverbindungen (nicht dargestellt) zwischen den auf dem Silizium-Wafer 10 und den auf dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 hergestellten Vorrichtungen hergestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Aufbau erläutert eine nicht-planare Struktur zum Integrieren von Halbleitervorrichtungen 16 und 17, die in dem Silizium-Wafer 10 ausgebildet sind und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11. Die Halbleitervorrichtungen 16 und 17 werden einfach als einzige Bereiche dargestellt, um die Erläuterung zu vereinfachen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Halbleitervorrichtungen 16 und 17 jegliche Halbleitervorrichtungen oder -schaltkreise sein können.
Fig. 3 erläutert den Aufbau von Fig. 2, nachdem Öffnungen 14 ausgebildet wurden, um den Silizium-Wafer 10 freizulegen, jedoch bevor die Vorrichtungen 16 ausgebildet werden, und in einer weiteren Herstellungsstufe. Fig. 3 erläutert eine planare Struktur zum Integrieren von Siliziumhalbleitervorrichtungen und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen, im Kontrast zu der in Fig. 2 gezeigten Struktur. Zunächst wird eine selektive Epitaxieschicht 15 aus Silizium in Öffnungen 14 ausgebildet, unter Verwendung des Silizium-Wafers 10 als Kristallkeim. Dies erfolgt durch konventionelle Verfahren.
Halbleitervorrichtungen 18 und Halbleitervorrichtungen 19 können dann in der selektiven Epitaxieschicht 15 aus Silizium bzw. in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 ausgebildet werden. Die Maskierungsschicht 13 wird entfernt, um Vorrichtungen in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 herzustellen.
Fig. 4 erläutert eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Anfangsstufe der Herstellung. In diesem Falle wird ein Silizium-Wafer 10 an ein geätztes, siliziumfreies Halbleitersubstrat 11 gebondet. Eine (nicht dargestellte) Zwischenschicht kann hier ebenfalls verwendet werden. Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats 11 werden entfernt oder geätzt, um vor dem Bonden Gräben 20 zu bilden, unter Verwendung konventioneller Verfahren. Ein Vorteil des Einsatzes dieses Verfahrens besteht darin, daß Gräben 20 während des Bondens für einen Spannungsausgleich sorgen.
Fig. 5 erläutert den Aufbau gemäß Fig. 4 in einer weiteren Bearbeitungsstufe. Das siliziumfreie Substrat 11 wird poliert unter Verwendung mechanischer oder chemisch/mechanischer Verfahren zumindest solange, bis die Gräben 20 erreicht werden, um den Silizium-Wafer 10 freizulegen. Die Gräben 20 werden dann zu Öffnungen 20. Die weitere Verarbeitung kann dann vorgenommen werden, um Strukturen zu erhalten, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wurden.
Wie auf einfache Weise deutlich wird, verwenden die integrierten Silizium- und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Nicht-Silizium-Halbleitersubstrat anstelle einer Nicht-Silizium-Halbleiter-Epitaxieschicht. Ein Galliumarsenidsubstrat weist weniger Defekte auf als ein epitaxiales Galliumarsenid. Daher zeigen in dem Galliumarsenidsubstrat hergestellte Vorrichtungen bessere Leistungen und höhere Ausbeuten als solche, die in einer Galliumarsenid-Epitaxieschicht gebildet wurden. Zusätzlich treten keine Kosten auf für die Ausbildung einer Galliumarsenid-Epitaxieschicht. Falls gewünscht kann zwischen dem Silizium-Wafer und dem siliziumfreien Halbleitersubstrat eine Zwischenschicht verwendet werden. Eine Grabenstruktur oder eine planare Struktur kann je nach Wunsch ausgebildet werden. Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung können auf einem einzigen Chip siliziumfreie Halbleitervorrichtungen und Siliziumvorrichtungen mit hoher Qualität ausgebildet werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung integrierter Silizium-Vorrichtungen und siliziumfreier Vorrichtungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellung eines Silizium-Wafers (10);
Bonden eines siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) an den Silizium-Wafer (10);
Ausdünnen des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) auf eine gewünschte Dicke; und
Entfernen von Abschnitten des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) zum Freilegen von Abschnitten des Silizium-Wafers (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Halbleitervorrichtungen (17) in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) ausgebildet werden, nachdem Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) entfernt wurden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Silizium-Wafer (10) in sich ausgebildete Halbleitervorrichtungen (16) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Halbleitervorrichtungen (16) in dem Silizium-Wafer (10) ausgebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Halbleitervorrichtungen (17) in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) ausgebildet werden, bevor Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) entfernt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin der Schritt des selektiven Aufwachsens von Silizium (15) auf dem Silizium-Wafer (10) vorgesehen ist, wo Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) entfernt wurden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Halbleitervorrichtungen (18) in dem selektiv aufgewachsenen Silizium (15) und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) ausgebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht (12) zwischen dem Silizium-Wafer (10) und dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) angeordnet wird und weiterhin das Entfernen von Abschnitten der Zwischenschicht (12) vorgesehen ist, um Abschnitte des Silizium-Wafers (12) freizulegen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das siliziumfreie Halbleitersubstrat (11) ein Galliumarsenidsubstrat ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das siliziumfreie Halbleitersubstrat (11) Gräben (20) aufweist, die auf der Oberfläche ausgebildet sind, die an den Silizium-Wafer (10) gebondet ist, und daß das siliziumfreie Halbleitersubstrat (11) zumindest bis zu den Gräben (20) ausgedünnt wird, um den Silizium-Wafer (10) freizulegen.
11. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Siliziumvorrichtung und siliziumfreien Vorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellung eines Silizium-Wafers (10);
Bonden eines siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) an den Silizium-Wafer, wobei das siliziumfreie Halbleitersubstrat (11) Gräben (20) in sich auf der Oberfläche aufweist, die an den Silizium-Wafer (10) gebondet ist; und
Ausdünnen des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) zumindest herunter bis zu den Gräben (20).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin der Schritt des selektiven Aufwachsens von Silizium (15) auf dem freigelegten Silizium-Wafer (10) vorgesehen ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin die Ausbildung von Halbleitervorrichtungen (18, 19) in dem selektiv aufgewachsenen Silizium (15) und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) vorgesehen ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht (12) zwischen dem Silizium-Wafer (10) und dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) angeordnet ist, und daß weiterhin Abschnitte der Zwischenschicht (12) entfernt werden, um Abschnitte des Silizium-Wafers (10) freizulegen.
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