DE4118593C2 - Verfahren zur Herstellung integrierter Vorrichtungen in Silizium- und siliziumfreien Substraten mittels Waferbonding - Google Patents

Verfahren zur Herstellung integrierter Vorrichtungen in Silizium- und siliziumfreien Substraten mittels Waferbonding

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Description

Die Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen, insbe­ sondere integrierte Silizium- und siliziumfreie Halbleitervor­ richtungen, die mittels Waferbonding auf einem einzigen Chip herstellt werden.
Elektronische Vorrichtungen hoher Dichte, beispielsweise Logik- oder Speichervorrichtungen, werden typischerweise auf Silizium hergestellt, während optische oder Mikrowellenvor­ richtungen auf anderen Halbleitermaterialien als Silizium her­ gestellt werden, aus Gründen der Optimierung und aus Kosten­ gründen. Es wäre wünschenswert, diese Vorrichtungen auf ei­ nem einzigen Chip herzustellen, um eine mehrfache Funktions­ fähigkeit zu erzielen. Würden beide dieser Arten von Vorrich­ tungen 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 Sili­ ziumvorrichtungen und siliziumfreie Vorrichtungen auf einem einzigen Chip herzustellen.
In der Vergangenheit wurde diese Integration erzielt, indem man eine Galliumarsenid-Epitaxieschicht auf einem Silizium­ halbleitersubstrat aufwachsen ließ. Auf diese Weise können integrierte Silizium- und Nicht-Silizium-Halbleiter­ vorrichtungen hergestellt werden. Allerdings werden zahlrei­ che Defekte in der Galliumarsenid-Epitaxieschicht ausgebil­ det 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.
Aus dem Stand der Technik gemäß Liau, Z. L. et al., "Wafer fusion, A novel technique for optoelectric device fabrication and monolithic integration", Appl. Phys. Letter 56 (8), 1990, S. 737-739, ist ein Verfahren zur Herstellung integrierter Sili­ zium-Vorrichtungen und siliziumfreien Vorrichtungen durch Wafer­ bonden und Läppen bekannt, wobei das siliziumfreie Halbleiter­ substrat Gräben auf derjenigen Oberfläche aufweisen kann, die an den Silizium-Wafer gebondet ist.
Die US 4 890 895 A lehrt ein epitaktisches Aufwachsen einer Gal­ liumarsenidschicht auf ein Siliziumsubstrat in einem definierten Oberflächenbereich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher in der Be­ reitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Integrieren von Siliziumvorrichtungen und siliziumfreien Vorrichtungen auf einem einzigen Chip, insbesondere in der Bereitstellung eines Verfah­ rens zur Ausbildung integrierter Siliziumhalbleitervorrichtungen und siliziumfreier Halbleitervorrichtungen durch Wafer-Bonden, selektives Ätzen und selektives Epitaxiewachstum.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 11.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Integrieren von Silizium­ vorrichtungen und siliziumfreien Vorrichtungen, bei welchem der Nicht-Silizium-Halbleiter von hoher Qualität ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Breitstellung eines Verfahrens zum Integrieren von Siliziumhalb­ leitervorrichtungen und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen durch Bonden eines siliziumfreien Halbleitersubstrats, in das Ausnehmungen geätzt sind, mit einem Silizium-Wafer.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Integrieren von Silizium­ halbleitervorrichtungen und siliziumfreien Halbleitervorrich­ tungen durch Bonden eines Silizium-Wafers, in welchem Halb­ leitervorrichtungen hergestellt wurden, an ein siliziumfreies Halbleitersubstrat.
Die voranstehenden und weitere Vorteile und Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung werden dadurch erreicht, daß ein Sili­ zium Wafer an ein Nicht-Silizium-Halbleitersubstrat gebondet wird. Ein Silizium-Wafer wird an einen Nicht-Silizium-Halb­ leitersubstrat-Wafer entweder direkt oder über eine Zwischen­ schicht gebondet. Die Dicke des Nicht-Silizium-Halbleitersub­ strats 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 Vor­ richtungen 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 wur­ de. Dann können Vorrichtungen in dem selektiv aufgewachsenen Silizium und in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat ausge­ bildet 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 Öff­ nungen zu dem Silizium-Wafer zur Verfügung gestellt werden. Die weitere Bearbeitung erfolgt wie voranstehend beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell­ ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 und 2 vergrößerte Querschnittsansichten einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Herstellungsstufen;
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer zwei­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 bis 5 vergrößerte Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Fabrikationsstufen.
Fig. 1 erläutert eine vergrößerte Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer an­ fänglichen 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. geeignete Methoden zum Boden eingesetzt werden. Das Bonden kann ohne die Zwischenschicht 12 erfolgen.
Eine Maskierungsschicht 13 wird auf der Oberfläche des sili­ ziumfreien 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 Epitaxie­ schicht 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 Gallium­ arsenid-Substrat. Fig. 1 zeigt ein siliziumfreies Halbleiter­ substrat 11 (nicht maßstabsgerecht), welches bereits auf eine vorbestimmte Dicke verdünnt oder poliert wurde nach dem Bon­ den durch mechanische Mittel wie Schleifen oder Läppen, oder durch chemisch/mechanische Mittel, um die Dicke des silizium­ freien Halbleitersubstrats 11 auf vorzugsweise etwa 2 bis 50 Mikrometer zu verringern. Halbleitervorrichtungen (nicht dar­ gestellt) können in der siliziumfreien Schicht 11 ausgebildet werden, bevor die Maskierungsschicht 13 gebildet wird. Die Maskierungsschicht 13 kann aus einer Photolackschicht beste­ hen oder aus einem Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Öffnun­ gen 14 werden in der Maskierungsschicht 13 durch konventionel­ le 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 Zwi­ schenschicht 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 wer­ den müssen, um die Zwischenschicht 12 zu entfernen, je nach­ dem, woraus diese besteht. In einer Ausführungsform können Halbleitervorrichtungen 16 in dem Silizium-Wafer 10 ausgebil­ det werden. Alternativ hierzu kann der Silizium-Wafer 10 Vor­ richtungen 16 aufweisen, die bereits in den Öffnungen 14 her­ gestellt wurden, bevor das Bonden an das siliziumfreie Halb­ leitersubstrat 11 erfolgte. Nicht-Halbleiter-Vorrichtungen 17 können dann in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 her­ gestellt werden durch Entfernen der Maskierungsschicht 13 und durch Schützen der freigelegten Siliziumschicht 10. Dann wer­ den Zwischenverbindungen (nicht dargestellt) zwischen den auf dem Silizium-Wafer 10 und den auf dem siliziumfreien Halblei­ tersubstrat 11 hergestellten Vorrichtungen hergestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Aufbau erläutert eine nicht-planare Struk­ tur zum Integrieren von Halbleitervorrichtungen 16 und 17, die in dem Silizium-Wafer 10 ausgebildet sind und in dem silizium­ freien 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 Halbleitervor­ richtungen 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 pla­ nare Struktur zum Integrieren von Siliziumhalbleitervorrich­ tungen und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen, im Kon­ trast zu der in Fig. 2 gezeigten Struktur. Zunächst wird ei­ ne 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 Sili­ zium bzw. in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 ausge­ bildet werden. Die Maskierungsschicht 13 wird entfernt, um Vorrichtungen in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat 11 herzustellen.
Fig. 4 erläutert eine dritte Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung in einer Anfangsstufe der Herstellung. In die­ sem Falle wird ein Silizium-Wafer 10 an ein geätztes, sili­ ziumfreies Halbleitersubstrat 11 gebondet. Eine (nicht dar­ gestellte) Zwischenschicht kann hier ebenfalls verwendet wer­ den. Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats 11 werden entfernt oder geätzt, um vor dem Bonden Gräben 20 zu bilden, unter Verwendung konventioneller Verfahren. Ein Vor­ teil des Einsatzes dieses Verfahrens besteht darin, daß Grä­ ben 20 während des Bondens für einen Spannungsausgleich sor­ gen.
Fig. 5 erläutert den Aufbau gemäß Fig. 4 in einer weiteren Bearbeitungsstufe. Das siliziumfreie Substrat 11 wird poliert unter Verwendung mechanischer oder chemisch/mechanischer Ver­ fahren 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 vor­ genommen werden, um Strukturen zu erhalten, wie sie im Zusam­ menhang mit der. Fig. 2 und 3 beschrieben wurden.
Wie auf einfache Weise deutlich wird, verwenden die integrier­ ten Silizium- und siliziumfreien Halbleitervorrichtungen ge­ mäß der vorliegenden Erfindung ein Nicht-Silizium-Halbleiter­ substrat anstelle einer Nicht-Silizium-Halbleiter-Epitaxie­ schicht. 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 Gal­ liumarsenid-Epitaxieschicht gebildet wurden. Zusätzlich treten keine Kosten auf für die Ausbildung einer Galliumarsenid-Epi­ taxieschicht. Falls gewünscht kann zwischen dem Silizium-Wafer und dem siliziumfreien Halbleitersubstrat eine Zwischenschicht verwendet werden. Eine Grabenstruktur oder eine planare Struk­ tur kann je nach Wunsch ausgebildet werden. Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung können auf einem einzigen Chip si­ liziumfreie Halbleitervorrichtungen und Siliziumvorrichtungen mit hoher Qualität ausgebildet werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung integrierter Silizium- und siliziumfreier Vorrichtungen mit fol­ genden Schritten:
Bereitstellung eines Silizium-Wafers (10);
Bonden eines siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) an den Silizium-Wafer (10);
Dünner machen des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) auf eine gewünschte Dicke,
gekennzeichnet durch
Entfernen von Abschnitten des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) zum Freilegen von Abschnitten des Silizium-Wafers (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Halbleitervor­ richtungen (17) in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) ausgebildet werden, nachdem Abschnitte des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) entfernt worden sind.
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 Halbleitervor­ richtungen (16) in dem Silizium-Wafer (10) ausgebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Halbleitervor­ richtungen (17) in dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) ausgebildet werden, bevor Ab­ schnitte 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 Halbleitervor­ richtungen (18) in dem selektiv aufgewachsenen Silizium (15) in dem siliziumfreien Halb­ leitersubstrat (11) ausgebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht (12) zwischen dem Silizium-Wafer (10) und dem siliziumfreien Halbleitersubstrat (11) angeord­ net 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 Halbleiter­ substrat (11) ein Galliumarsenidsubstrat ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das siliziumfreie Halblei­ tersubstrat (11) Gräben (20) aufweist, die auf derjenigen Oberfläche des siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) ausgebildet sind, die an den Silizium-Wafer (10) gebondet ist, und dass das siliziumfreie Halbleitersubstrat (11) zumindest bis zu den Gräben (20) dünner gemacht wird, um den Silizium-Wafer (10) freizulegen.
11. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Siliziumvorrichtung und siliziumfreien Vor­ richtung mit folgenden Schritten:
Bereitstellung eines Silizium-Wafers (10);
Bonden eines siliziumfreien Halbleitersubstrats (11) an den Silizium-Wafer, wobei das sili­ ziumfreie Halbleitersubstrat (11) Gräben (20) in sich auf derjenigen Oberfläche aufweist, die an den Silizium-Wafer (10) gebondet ist;
gekennzeichnet durch
Dünner machen 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) vorge­ sehen 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) ange­ ordnet ist, und dass weiterhin Abschnitte der Zwischenschicht (12) entfernt werden, um Ab­ schnitte des Silizium-Wafers (10) freizulegen.
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