DE4229628A1 - Halbleitereinrichtung vom stapeltyp und verfahren zur herstellung einer solchen - Google Patents
Halbleitereinrichtung vom stapeltyp und verfahren zur herstellung einer solchenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterein
richtung vom Stapeltyp sowie ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen und insbesondere auf ein Verfahren, bei dem eine
Stapelstruktur durch Verbinden eines ein Bauelement tragenden
Halbleitersubstrates mit einem anderen Halbleitersubstrat
gebildet wird.
Um eine erhöhte Integrationsdichte und eine größere Anzahl von
Funktionen einer Halbleitereinrichtung zu realisieren, wurden
Versuche unternommen, eine Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp
(ein sogenanntes "dreidimensionales Schaltungselement")
herzustellen, bei dem die Schaltungselemente übereinander
gestapelt sind. Ein Beispiel dafür ist ein Verfahren zur
Bildung einer Stapelstruktur durch direktes Verbinden zweier
Halbleitersubstrate, auf denen jeweils Halbleitereinrichtungen
gebildet sind, mit einem dazwischengelegten Isolator.
Die Fig. 17 bis 21 zeigen ein erstes Beispiel eines
Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp. Zuerst wird, wie Fig. 17 zeigt, ein MOS(Metall-
Oxid-Halbleiter)-Feldeffekttransistor vom n-Leitungstyp
(nachfolgend als NMOSFET bezeichnet) aus einem einkristallinen
p-Siliziumsubstrat 1, einem Isolationsoxidfilm 2, einer aus
polykristallinem Silizium gebildeten Gateelektrode 3, einer aus
Wolframsilizid gebildeten leitenden Verbindung 4 und mit n-
Dotanden dotierten Source-/Drain-Gebieten 5 gebildet. Ein BPSG
(Borphosphorsilikatglas)-Film 6, der eine große Menge von Bor
und Phosphor enthält, wird auf dem NMOSFET mittels CVD abge
schieden und in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei 900°C
für 30 Minuten getempert, um den BPSG-Film 6 zu planarisieren,
wie in Fig. 18 gezeigt.
Dann wird, wie in Fig. 19 gezeigt, ein Loch mit einem Quer
schnitt von 10 µm im Quadrat im BPSG-Film 6 auf der leitenden
Verbindung 4 erzeugt, in das Wolfram 7 eingefüllt wird. Das
Wolfram 7 wird durch selektive CVD gebildet. Das Herstellungs
verfahren im Wafer-Zustand des NMOSFET(A) ist damit beendet.
Dann wird durch den gleichen Prozeß wie den in den Fig. 17
bis 19 gezeigten ein PMOSFET(B) gebildet. Der PMOSFET(B) ent
hält einen auf einem einkristallinen n-Siliziumsubstrat 11 ge
bildeten Isolationsoxidfilm 12, eine Gateelektrode 13, eine
leitende Verbindung 14 und mit p-Dotanden dotierte Source-/Drain-
Gebiete 15, wobei Wolfram 17, das im BPSG-Film 16 gebil
det wird, mit dem Wolfram 17 zusammentrifft, wenn die beiden
MOSFET einander zugewandt angeordnet werden, wie in Fig. 20
gezeigt.
Zuletzt werden, wie in Fig. 21 gezeigt, der NMOSFET(A) und der
PMOSFET(B) einander zugewandt gegeneinander gedrückt und in
einem elektrischen Ofen bei 900°C für 20 Minuten thermisch
behandelt, so daß sie aneinander haften. Auf diese Weise sind
der NMOSFET(A) und der PMOSFET(B) vollständig voneinander iso
liert und getrennt. Im Ergebnis dessen ist ein CMOSFET (komple
mentärer MOSFET) aus einer zwei Schichten aufweisenden
Stapelstruktur aufgebaut.
Nachfolgend wird ein zweites Beispiel für ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleitereinrichtung mit Stapelstruktur
unter Bezugnahme auf Fig. 22 bis 26 beschrieben. Dieses
Beispiel eines Herstellungsprozesses einer Halbleitereinrich
tung vom Stapeltyp ist in der Japanischen Patent-Veröffentli
chung Nr. 3-16 787 beschrieben.
Bei diesem Beispiel wird, wie Fig. 22 zeigt, zuerst eine erste
Schicht eines MOSFET unter Einschluß eines Isolationsoxidfilmes
22, einer Gateelektrode 23, einer leitenden Verbindung 24 und
von Source-/Drain-Gebieten 25 auf einem einkristallinen
Siliziumsubstrat 21 gebildet. Dann wird mittels CVD ein
Zwischenschichtisolierfilm 26 abgeschieden, und dessen
Oberfläche wird durch Aufbringen eines Resists unter Rückätzen
planarisiert. Eine Öffnung 27 mit einem Querschnitt von (1,3
µm)2, die sich zum einkristallinen Siliziumsubstrat 21
erstreckt, wird in einem Abschnitt des Zwischenschichtisolier
filmes 26 erzeugt, um eine einkristalline Siliziumschicht auf
dem Zwischenschichtisolierfilm 26 zu bilden, die dieselbe
Kristallachse wie das einkristalline Siliziumsubstrat 21 hat.
Danach wird, wie in Fig. 23 gezeigt, polykristallines Silizium
28a durch CVD unter Rückätzen in die Öffnung 27 gefüllt. Poly
kristallines Silizium 29, mit einer Dicke von 0,5 µm wird mit
tels CVD über dem Zwischenschichtisolierfilm 26 gebildet. Da
nach wird das polykristalline Silizium 29 mit einem Argonlaser
strahl 30 mit einem Strahldurchmesser von 100 µm, der sich in
der in der Figur mit einem Pfeil bezeichneten Richtung mit
einer Abtastrate von 25 cm/s bewegt, bestrahlt. Das
polykristalline Silizium 29 wird infolge der Bestrahlung mit
dem Argonlaserstrahl 30 geschmolzenes Silizium 31 und
verfestigt sich und rekristallisiert, nachdem die Bestrahlung
beendet ist. Wenn das geschmolzene Silizium 31 sich verfestigt,
wird in seitlicher Richtung mit dem einkristallinen
Siliziumsubstrat 21 und dem geschmolzenen polykristallinen
Silizium 28a als Keim ein epitaxiales Aufwachsen bewirkt; das
polykristalline Silizium 28a wird einkristallines Silizium 28,
und das polykristalline Silizium 29 auf dem Zwischenschichtiso
lierfilm 26 wird einkristallines Silizium 32 mit derselben
Kristallachse wie das einkristalline Siliziumsubstrat 21 (siehe
Fig. 24).
Dann wird, wie Fig. 25 zeigt, das einkristalline Silizium 32
durch Photolithographie und Ätzverfahren in einkristallines
Silizium 33, wo ein MOS-Transistor gebildet werden soll, und
einkristallines Silizium 34 auf der Öffnung 27 gemustert.
Danach wird ein MOS-Transistor der zweiten Ebene auf dem
einkristallinen Silizium 33 auf dieselbe Weise wie der MOS-
Transistor der ersten Schicht (siehe Fig. 26) gebildet. Der
MOS-Transistor der zweiten Ebene enthält einen Isolationsoxid
film 42, eine Gateelektrode 43, eine leitende Verbindung 44 und
Source-/Drain-Gebiete 45.
Die genannten Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrich
tungen vom Stapeltyp weisen die folgenden Probleme auf:
Beim ersten Verfahrensbeispiel war es erforderlich, eine
thermische Behandlung bei 1000°C oder darüber anzuwenden, da
der NMOSFET(A) und der PMOSFET(B) durch "Aneinanderkleben" der
BPSG-Filme 6 und 16 miteinander verbunden wurden. Im Ergebnis
dessen wird eine unerwünschte thermische Diffusion der in die
Source-/Drain-Gebiete 5 usw. implantierten Dotanden bewirkt,
was einen nachteiligen Einfluß auf die Bauelementcharakteristik
hat.
Es gibt auch das folgende Problem, das speziell bei der Bildung
des CMOSFET durch Aneinanderdrücken des NMOSFET und PMOSFET in
einander zugewandter Lage entsprechend dem oben beschriebenen
ersten Verfahrensbeispiel auftritt:
Sowohl das einkristalline p-Siliziumsubstrat 1 als auch das
einkristalline n-Siliziumsubstrat 11 müssen beide eine
bestimmte Stärke haben, da sie als Substrate zum Tragen der
Bauelemente während des Herstellungsverfahrens dienen. Deshalb
müssen sie 500 bis 600 µm dick sein. Bei der Photolithographie
im Herstellungsverfahren führt ein Projektionsscheibenrepeater,
der gegenwärtig hauptsächlich verwendet wird, eine Maskenaus
richtung unter Verwendung eines Helium-Neon-Laserstrahls mit
einer Wellenlänge von 642,8 nm (6428 Å) als Abtaststrahl aus.
Die Verwendung des Helium-Neon-Laserstrahls als Abtaststrahl
ermöglicht eine Maskenausrichtung mit einer Positioniergenau
igkeit von 0,3 µm. Jedoch kann beim oben beschriebenen Verfah
ren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp
der Helium-Neon-Laser im Schritt des Verbindens der Substrate
miteinander nicht als Abtaststrahl verwendet werden, da jedes
Substrat mindestens 500 µm dick ist und der Strahl mit der
Wellenlänge von 642,8 nm nicht durch ein solches Substrat
dringen kann. Daher ist es beim Schritt des Miteinander-Ver
bindens der Substrate erforderlich, Infrarotstrahlen mit einer
Wellenlänge von 2,0 µm zu verwenden, um jedes einkristalline
Siliziumsubstrat zu positionieren, die durch einen Wafer von
500 µm Dicke hindurchdringen. Da ein Strahl mit großer Wellen
länge verwendet werden muß, ist die Positionierungsgenauigkeit
beim Verbinden der einkristallinen Siliziumsubstrate normaler
weise ± 5 µm, bestenfalls in der Größenordnung von ± 2 µm.
Daher muß auch dann, wenn die Elemente auf den einkristallinen
Siliziumsubstrat mit einer Entwurfsregel von 0,8 bis 1 µm
gebildet werden, die Größe des Kontakts zum Verbinden der
Substrate oberhalb 10 µm liegen, um eine Verbindung zu erlau
ben. Daher ist es bei der Bildung eines CMOS durch Aneinander
heften der Substrate unmöglich, die Integrationsdichte der
Elemente bis auf das derzeit übliche LSI-Niveau zu erhöhen.
Das zweite genannte Verfahren weist insofern ein Problem auf,
als ein Schritt des Schmelzens und Rekristallisierens der poly
kristallinen Siliziumschicht durch den Argonlaserstrahl enthal
ten ist, eine intensive Wärmeerzeugung erfolgt und damit nach
teilige Effekte auf die Charakteristiken der bereits in frühe
ren Schritten erzeugten Bauelemente verbunden sind.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Herstellung einer
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp kann es sein, ein
Siliziumsubstrat auf dem Zwischenschichtisolierfilm mittels
eines Klebstoffes - etwa Epoxidharz - zu befestigen, um eine
Vorrichtung auf dem Siliziumsubstrat zu bilden (siehe z. B.
IDEM 85, S. 684 bis 686). An der Grenzfläche zwischen dem
Siliziumsubstrat und dem Zwischenschichtisolierfilm werden
jedoch Grenzflächenzustände erzeugt, so daß das Potential des
Siliziumsubstrates verändert wird, was die Bauelementcharak
teristiken verschlechtert.
Es könnte auch möglich sein, ein bei der Bildung eines
SOI(Silizium-Auf-Isolator)-MOSFET anzuwenden, bei dem ein
Oxidfilm und ein Siliziumsubstrat oder zwei oder mehrere
Siliziumsubstrate aneinander geheftet werden (siehe "Extended
Abstracts of the 21st Conference on Solid State Devices and
Materials, Tokyo, 1989, S. 89 bis 92" und "Proceedings of the
5th Crystal Optics Symposium of Crystal Optics Sectional
Committee of the Japan Society of Applied Physics, S. 31 bis
34"). Der Schritt des Miteinander-Verbindens des Oxidfilms und
des Siliziumsubstrates oder der beiden oder mehreren Silizium
substrate erfordert jedoch auch eine Wärmebehandlung im unge
fähren Bereich von 900°C bis 1100°C, was es unmöglich macht,
nachteilige Einflüsse auf die Bauelementcharakteristiken zu
vermeiden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterein
richtung vom Stapeltyp und ein Verfahren zur Herstellung einer
solchen anzugeben, wobei zwei Halbleitersubstrate miteinander
mit hoher Genauigkeit durch eine Wärmebehandlung bei so niedri
gen Temperaturen miteinander verbunden werden können, daß keine
nachteiligen Einflüsse auf die Eigenschaften eines in einem
früheren Schritt gebildeten Elementes zu befürchten sind. Die
Halbleitereinrichtung und das Verfahren zu ihrer Herstellung
sollen sich weiter dadurch auszeichnen, daß die Genauigkeit des
Verbindens der oberen mit der unteren Schicht und die erreich
bare Integrationsdichte erhöht sind.
Beim Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp entsprechend der Erfindung wird zuerst auf einer
ersten Oberfläche eines ersten Halbleitersubstrates ein erstes
Element gebildet, und das erste Element wird mit einem
Zwischenschichtisolierfilm bedeckt. Danach wird der Zwischen
schichtisolierfilm mit einer einen Siliziumkristall aufweisen
den Schicht bedeckt, und dann wird die den Siliziumkristall
aufweisende Schicht planarisiert. Dann wird auf einer Haupt
oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrates eine Refraktär
metallschicht gebildet. Die Oberfläche der Refraktärmetall
schicht und die planarisierte Oberfläche der den Siliziumkri
stall aufweisenden Schicht werden in engen Kontakt miteinander
gebracht und bei 700°C oder darunter wärmebehandelt. Diese
Wärmebehandlung wandelt die Refraktärmetallschicht in Silizid
um, wodurch das erste Halbleitersubstrat und das zweite Halb
leitersubstrat miteinander verbunden werden.
Die oben genannte Aufgabe kann auch durch Bildung einer
Siliziumnitridschicht mit einem höheren Prozentsatz von
Stickstoff als in Si3N4 auf der Hauptoberfläche des zweiten
Halbleitersubstrates, Bringen der Siliziumnitridschicht in
engen Kontakt mit der den Siliziumkristall aufweisenden
planarisierten Schicht und Anwenden einer Wärmebehandlung bei
700°C oder darunter gelöst werden.
Bei jedem der genannten Herstellungsverfahren ist es, da das
erste Halbleitersubstrat und das zweite Halbleitersubstrat
miteinander bei einer relativ niedrigen Temperatur von 700°C
oder darunter verbunden werden, möglich, eine Degradation der
Bauelementcharakteristiken, wie sie bei der Diffusion von
Dotanden in das bereits gebildete erste Element während des
Verbindungsschrittes üblicherweise auftritt, zu vermeiden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp zur Lösung der genannten Aufgabe weist einen Schritt
des vorbestimmten Schleifens der anderen Hauptoberfläche der
zweiten Halbleitereinrichtung und des Bildens eines zweiten
Elementes auf der anderen Hauptoberfläche nach dem Verbinden
des ersten Halbleitersubstrates und des zweiten Halbleitersub
strates bei einem der zur Lösung der genannten Aufgabe oben
beschriebenen Herstellungsverfahren auf.
Außerdem kann das Verfahren zur Herstellung der Halbleiterein
richtung vom Stapeltyp einen Schritt aufweisen, bei dem eine
Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrates entsprechend
einem der genannten Herstellungsverfahren auf dem ersten Halb
leitersubstrat befestigt wird und auf der anderen Hauptober
fläche des zweiten Halbleitersubstrates ein Element gebildet
wird. Bei jedem der beschriebenen Herstellungsverfahren kann
das zweite Halbleitersubstrat als Trag-Substrat verwendet
werden, und ein zweites Element kann auf einer Halbleiter
schicht gebildet werden, die durch Polieren des ersten Halblei
tersubstrates erhalten wird. Daher kann die Halbleiterschicht,
auf der das zweite Element gebildet werden soll, dünn gemacht
werden, was ein Positionieren mit hoher Genauigkeit unter Ver
wendung eines Helium-Neon-Laserstrahls als Abtaststrahl
erlaubt. Im Ergebnis dessen wird die Positionierung der
aneinander gehefteten Halbleitersubstrate relativ leicht, und
ihre Integrationsdichte kann erhöht werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines durch ein Ver
fahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung
vom Stapeltyp nach einer ersten Ausführungsform ge
bildeten CMOSFET (eine Querschnittsdarstellung längs
der Linie I-I in Fig. 2),
Fig. 2 eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten CMOSFET,
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung längs der Linie
II-II in Fig. 2,
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des in den Fig. 1 bis 3
gezeigten CMOSFET,
Fig. 5, 6, 7, 8, 9 u. 10 Querschnittsdarstellungen, die aufeinanderfolgen
de Schritte beim Verfahren zur Herstellung der
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp entsprechend der
ersten Ausführungsform zeigen,
Fig. 11, 12, 13, 14, 15 u. 16 Querschnittsdarstellungen, die
aufeinanderfolgende Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach einer
dritten Ausführungsform zeigen,
Fig. 17, 18, 19, 20 u. 21 Querschnittsdarstellungen, die aufeinander
folgende Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp zeigen,
Fig. 22, 23, 24, 25 u. 26 Querschnittsdarstellungen, die aufeinander
folgende Schritte des Verfahrens zur Herstellung einer
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp zeigen,
Fig. 27, 28, 29 u. 30 Querschnittsdarstellungen, die aufeinanderfolgende
Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp mit einem gegen
über der ersten Ausführungsform modifizierten Ab
schnitt und
Fig. 31, 32, 33 u. 34 Querschnittsdarstellungen aufeinanderfolgender
Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer
Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp mit einem gegen
über der dritten Ausführungsform modifizierten Ab
schnitt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird
nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 10 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird - wie Fig. 5 zeigt - zuerst
eine aus einkristallinem Silizium gebildete Halbleiterschicht
53 mit einer Dicke von etwa 100 nm (1000 Å) über einer Haupt
oberfläche eines aus einkristallinen Silizium gebildeten ersten
Halbleitersubstrates 51 mit einer dazwischengelegten ersten
Isolierschicht 52 mit einer Dicke von etwa 500 nm (5000 Å)
gebildet. Ein solcher Aufbau mit einer auf einer Isolierschicht
gebildeten dünnen Halbleiterschicht wird SOI(Silizium-Auf-
Isolator)-Struktur genannt und mittels des SIMOX(Separation by
Implanted Oxygen = Trennung durch implantierten Sauerstoff )-
Verfahrens - siehe Ouyou Butsuri (Applied Physics), Vol. 54,
Hr. 12, S. 1274 bis 1283, 1985 - gebildet.
Entsprechend dem SIMOX-Verfahren kann die beschriebene SOI-
Struktur durch Implantation von Sauerstoffionen in die Haupt
oberfläche des ersten Halbleitersubstrates 51 mit einer Be
schleunigungsspannung von etwa 180 kV und einer Dosis von etwa
2·1018/cm2 sowie Tempern des gesamten Wafers bei etwa
1350°C für etwa eine Stunde erhalten werden. Da die Dicke der ersten
Halbleiterschicht 53 unmittelbar nach dem Tempern in der
Größenordnung von 200 nm (2000 Å) liegt, wird sie durch
Oxidieren der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 53 etwa
in einer Dampfatmosphäre bei etwa 950°C und Entfernen der
Oxidschicht durch Ätzen so eingestellt, daß sie in der
Größenordnung von 100 nm (1000 Å) liegt. Danach wird die erste
Halbleiterschicht 53 so gemustert, daß sie nur in einem aktiven
Gebiet erhalten bleibt.
Danach wird ein NMOSFET als erstes Element durch Bildung von n-
Source-/Drain-Gebieten 73 und eines p-Kanal-Gebietes 74 in der
ersten Halbleiterschicht 53 und weiterhin die Bildung einer
Gateelektrode 54, einer Isolationsoxidschicht 55 und einer
leitenden Verbindung 56 vervollständigt. Die den in Fig. 5
gezeigten Querschnitt aufweisende Struktur wird durch an
schließendes Bedecken des gesamten Wafers mit einem Zwischen
schichtisolierfilm 57 mittels CVD erhalten.
Die Schritte zur Bildung dieses NMOSFET lassen sich wie folgt
skizzieren: Zuerst wird ein Oxidfilm mit einer Dicke von etwa
30 nm (300 Å) auf der ersten Halbleiterschicht 53 durch
thermische Oxidation bei 950°C gebildet. Dann wird eine Sili
ziumnitridschicht (Si3N4) mit einer Dicke von etwa 50 nm
(500 Å) auf dem Oxidfilm mittels Niederdruck-CVD bei 780°C abge
schieden. Die Siliziumnitridschicht wird dann durch Photo
lithographie und Ätzen teilweise entfernt und verbleibt auf
einem Gebiet, das eine aktive Schicht werden soll. Danach wird
in ein Isolationsgebiet zur Isolation Bor mit einer Beschleu
nigungsspannung von 10 kV und einer Dosis von 9·1013/cm2 mit
einer aus dem Schritt des Entfernens der Siliziumnitridschicht
zurückgebliebenen Resistschicht implantiert. Dann wird nach
Entfernung des Resists die erste Halbleiterschicht 53 mit
Ausnahme des Gebietes, das die aktive Schicht werden soll,
durch Oxidation in einer Wasserdampfatmosphäre bei 950°C in
eine Oxidschicht umgewandelt. Danach wird mit einer Beschleu
nigungsspannung von 20 kV und einer Dosis von 5·1011/cm2 Bor
in die erste Halbleiterschicht 53 implantiert, was bewirkt, daß
die erste Halbleiterschicht 53 vom p-Leitungstyp ist.
Anschließend wird nach Bildung eines Gateoxidfilms mit einer
Dicke von 30 nm (300 Å) in einer Atmosphäre von Wasserdampf bei
950°C polykristallines Silizium auf diesen abgeschieden und
weiterhin Bor mit 20 kV und 1·1016/cm2 in das polykristalline
Silizium implantiert. Dann wird dieses polykristalline Silizium
gemustert, um eine Gateelektrode 54 zu bilden. Dann wird
Phosphor mit 50 kV und 2·1013/cm2 implantiert, um in der
ersten Halbleiterschicht 53 ein n⁻-Gebiet zu bilden, und n-
Source-/Drain-Gebiete 73 werden des weiteren durch Implantation
von Arsen mit 50 kV und 2·1015/cm2 gebildet. Zu diesem Zeit
punkt verhindert die die Gateelektrode 54 bedeckende
Isolationsoxidschicht 55, daß Arsen in das n⁻-Gebiet und das
Kanalgebiet 74 der ersten Halbleiterschicht 53 implantiert
wird. Das n⁻-Gebiet wird zum Abschwächen der Feldstärke eines
Abschnittes der Drain-Gebietes nahe des Kanalgebietes vorge
sehen und hat eine sogenannte LDD(Lithgly doped drain=schwach
dotierte Drain)-Struktur.
Ein aus einer Oxidschicht mit einer Dicke von 500 nm (5000 Å)
gebildeter Zwischenschichtisolierfilm 57 wird auf dem so gebil
deten, als erstes Element dienenden NMOSFET mittels CVD
gebildet.
Jetzt wird eine Beschreibung eines Verfahrens zum Anheften
eines zweiten Halbleitersubstrates an das erste Halbleitersub
strat, das den wie oben beschrieben gebildete NMOSFET aufweist,
beschrieben:
Zuerst wird über die gesamte Oberfläche des den NMOSFET als
erstes Element bedeckenden Zwischenschichtisolierfilms 57
polykristallines Silizium mit einer Dicke von etwa 1 µm abge
schieden und dessen Oberfläche durch Schleifen eingeebnet, um
die in der Querschnittsdarstellung von Fig. 6 gezeigte poly
kristalline Siliziumschicht 58 zu bilden.
Das im Schritt des Einebnens der polykristallinen Silizium
schicht 58 verwendete Schleifverfahren ist ein Verfahren des
In-Kontakt-Bringens der Schleiffläche eines harten Schleif
tellers mit einer ebenen Schleiffläche mit der Oberfläche des
zu schleifenden Werkstückes. Weil das übliche Verfahren des
Rotierens eines weichen Schleiftellers zum Schleifen eines
Werkstückes unter dem Einfluß von Härteschwankungen der zu
schleifenden Werkstückoberfläche stand, war mit diesem
Verfahren eine gute Einebnung schwer zu erreichen. Im Gegen
satz dazu ist das Verfahren des "starren Schleifens" nicht so
stark durch Härteschwankungen der zu schleifenden Werkstück
oberfläche beeinflußt, was zu einer geschliffenen Werkstück
oberfläche mit guter Ebenheit führt.
Weiterhin wird auf einer Hauptoberfläche eines zweiten, aus
einkristallinem Silizium gebildeten Halbleitersubstrates 59
eine Oxidschicht 60 mit einer Dicke von etwa 100 nm (1000 Å)
gebildet. Auf deren oberer Oberfläche wird eine Refraktärme
tallschicht 61 aus einer Wolframschicht mit einer Dicke von
etwa 300 nm (3000 Å) durch Sputtern gebildet.
Nachfolgend werden die Refraktärmetallschicht 61 und die
polykristalline Siliziumschicht 58 einander zugewandt ange
ordnet, wie in Fig. 7 gezeigt, sowie in engen Kontakt
miteinander gebracht und in einer Stickstoffatmosphäre bei 650°C
für 20 Minuten wärmebehandelt. Diese Wärmebehandlung bewirkt,
daß die aus Wolfram gebildete Refraktärmetallschicht 61 und die
polykristalline Siliziumschicht 58 chemisch reagieren und eine
Refraktärmetallsilizidschicht 62 bilden. Im Ergebnis dessen
sind der erste Halbleiterwafer und der zweite Halbleiterwafer
miteinander verbunden (siehe Fig. 8).
Die Bodenfläche (die andere Hauptoberfläche) des ersten Halb
leitersubstrates 51 wird dann bis zur gestrichelten Linie in
Fig. 8 durch "starres Schleifen" geschliffen, um eine zweite
Halbleiterschicht 51a mit einer Dicke in der Größenordnung von
100 nm (1000 Å) zu bilden, wie in Fig. 9 gezeigt.
Wie Fig. 10 zeigt, wird die zweite Halbleiterschicht 51a durch
Photolithographie und Ätzen gemustert und dadurch eine Gate
elektrode 63 und eine Isolationsoxidschicht 64 gebildet. Danach
werden ein Kontaktloch 66 für die zweite Halbleiterschicht 51a
und ein Kontaktloch 67 für die zweite Verbindung 56 des vorher
gebildeten NMOSFET hergestellt. Dann wird auf der zweiten Halb
leiterschicht 51a ein PMOSFET gebildet und des weiteren eine
leitende Verbindung 65 aus Aluminium o. ä. erzeugt. Der PMOSFET
und NMOSFET werden über das Kontaktloch 67 elektrisch mitein
ander verbunden.
Wie oben beschrieben, werden bei dieser Ausführungsform die
Substrate unter Ausnutzung der chemischen Reaktion zwischen der
Refraktärmetallschicht 61 und der polykristallinen Silizium
schicht 58 miteinander verbunden. Diese chemische Reaktion
läuft bei etwa 650°C ab, was eine niedrigere Temperatur als
die bei anderen Verbindungsverfahren verwendete darstellt. Eine
solche Temperatur bewirkt nicht, daß in das Element dotierte
elektrisch aktive Störstellen weiterhin diffundieren. Daher
kann eine integrierte Halbleiterschaltung vom Stapeltyp ohne
Verschlechterung der Charakteristiken der bereits gebildeten
Elemente hergestellt werden.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform Wolfram als
Refraktärmetall verwendet wurde, kann das polykristalline
Silizium auch mit Wolframsilizid (WiSiy:y/x<2) in Kontakt
gebracht werden, das weniger Silizium enthält als das chemi
sche Äquivalent des in der oben beschriebenen Ausführungsform
gebildeten Wolframsilizids (WSi2). In diesem Falle bewegen sich
infolge einer nachfolgenden Wärmebehandlung Siliziumatome aus
dem polykristallinen Silizium heraus, um sich mit dem Wolfram
silizid zu verbinden, so daß dieses in dem chemischen
Äquivalent entsprechendes Wolframsilizid (WSi2) gewandelt wird
und im Ergebnis dessen die Substrate miteinander verbunden
sind.
Außerdem kann jedes Refraktärmetall verwendet werden, sofern es
bei 700°C oder darunter einer Silizidbildung unterliegt und
der Schmelzpunkt des Refraktärmetallsilizids höher als die
Prozeßtemperatur ist. Tabelle 1 zeigt die Schmelzpunkte und
Bildungstemperaturen verschiedener Refraktärmetallsilizide.
Mit jeder oben genannten Verbindung ist es, da das Silizid bei
einer Temperatur von etwa 600°C gebildet wird und der
Schmelzpunkt höher als die Temperatur in Bereich von 900°C bis
1000°C ist, die in den Herstellungsschritten verwendet wird,
möglich, Bauelemente tragende Substrate miteinander zu
verbinden.
Natürlich ist es bei diesem Verfahren auch möglich, Substrate
miteinander zu verbinden, auf denen keine Elemente gebildet
sind. Weiterhin kann, obwohl auf dem ersten Substrat 51 mit
darauf gebildetem Element der beschriebenen Ausführungsform die
polykristalline Siliziumschicht gebildet ist, über dem ersten
Halbleitersubstrat 51 eine Refraktärmetallschicht und die poly
kristalline Siliziumschicht über dem zweiten Halbleitersubstrat
59 gebildet sein.
Obwohl ein einkristallines Siliziumsubstrat bei der beschriebe
nen Ausführungsform als Trag-Substrat verwendet wird, kann
jeder Stoff, der den Verfahrenstemperaturen (in der
Größenordnung von 900°C bis 1000°C) nach dem Verbinden
widersteht - z. B. Quarz (reines SiO2) - verwendet werden. Des
weiteren kann, obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform der
PMOSFET nach dem NMOSFET gebildet wird, die Reihenfolge ihrer
Bildung umgekehrt sein. Außerdem können die gleichen Wirkungen
erreicht werden, wenn die zu bildende Einrichtung ein
Halbleiterelement wie ein Bipolartransistor ist.
Beim vorliegenden Verfahren wird nach dem Schritt der Fig. 5
eine Refraktärmetallschicht 161 auf der Oberfläche des
Zwischenschichtisolierfilmes 57 so gebildet, daß sie die eine
durch "starres Schleifen" eingeebnete Oberfläche aufweist
(Fig. 27). Dann wird ein zweites Halbleitersubstrat 59 mit
einer auf einer Hauptoberfläche mit einer Oxidschicht 60 da
zwischen gebildeten polykristallinen Siliziumschicht 158 so
bewegt, wie in Fig. 28 gezeigt, so daß die Oberfläche der
polykristallinen Siliziumschicht 58 und die planarisierte
Oberfläche der Refraktärmetallschicht 61 aneinander haften. In
diesem Zustand wird eine Wärmebehandlung für 20 Minuten bei
650°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre ausgeführt, um
eine Silizidbildungsreaktion zwischen der polykristallinen
Siliziumschicht 158 und der Refraktärmetallschicht 161 zu
bewirken, wodurch eine Refraktärmetallsilizidschicht 162
gebildet wird, wie in Fig. 29 gezeigt. Dann wird das erste
Halbleitersubstrat 51 bis auf die in Fig. 29 gezeigte gestri
chelte Linie abgeschliffen, was den in Fig. 30 gezeigten Auf
bau ergibt. Mit diesem Verfahren kann eine Halbleitereinrich
tung mit Stapelstruktur ähnlich der der Fig. 10 erhalten
werden.
Obwohl die beschriebenen Verfahren zur Bildung des PMOSFET und
NMOSFET einander ähnlich sind, unterscheiden sie sich in den
folgenden Aspekten:
Arsen wird durch das polykristalline Silizium der Gateelektrode
63 mit 50 kV und 5·1015/cm2 implantiert, um zu bewirken, daß
die Gateelektrode 63 vom n-leitenden Typ ist. Dann wird in die
zweite Halbleiterschicht 51a mit 20 kV und 1·1013/cm2 Bor
implantiert, um ein p⁻-Gebiet zu bilden, und es werden
Seitenwand-Abstandshalter auf den Seitenwänden der Gateelek
trode 63 erzeugt. Danach wird Bor mit 20 kV und 5·1014/cm2
implantiert, um ein p⁻-Gebiet zu bilden. Ein Kontaktloch 66
usw. werden erzeugt, und des weiteren wird Aluminium durch
Sputtern mit einer Dicke von 1 µm (10000 Å) abgeschieden und
gemustert, um eine leitende Verbindung 65 zu bilden, so daß der
PMOSFET fertiggestellt ist.
Die so gebildete Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp stellt
einen CMOSFET dar. Fig. 1 bis 3 zeigen den CMOSFET im
einzelnen. Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des CMOSFET.
Während entsprechend den Fig. 5 bis 10 leitende Verbindun
gen 56 und 65 aus Aluminium durch Sputtern gebildet werden,
sind sie bei dem in Fig. 1 bis 3 gezeigten CMOSFET aus einem
Refraktärmetallsilizid o. ä. gebildet. Die Fig. 2 und 3
zeigen ein Kontaktloch 71 für eine leitende Verbindung 77, die
mit einem Eingangsanschluß und einer Gateelektrode 54 verbunden
ist, und ein Kontaktloch 72 für die leitende Verbindung 77 und
eine Gateelektrode 63. Während entsprechend den Fig. 5 bis
10 leitende Verbindungen 56 und 65 aus Aluminium durch Sputtern
gebildet werden, sind sie bei dem in Fig. 1 bis 3 gezeigten
CMOSFET aus einem Refraktärmetallsilizid o. ä. gebildet. Die
Fig. 2 und 3 zeigen ein Kontaktloch 71 für eine leitende
Verbindung 77, die mit einem Eingangsanschluß und einer
Gateelektrode 54 verbunden ist, und ein Kontaktloch 72 für die
leitende Verbindung 77 und eine Gateelektrode 63. Die so
gebildete Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp stellt einen
CMOSFET dar. Die Fig. 1 bis 3 zeigen den CMOSFET im einzel
nen. Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des CMOSFET.
Während entsprechend den Fig. 5 bis 10 leitende Verbindun
gen 56 und 65 aus Aluminium durch Sputtern gebildet werden,
sind sie bei dem in Fig. 1 bis 3 gezeigten CMOSFET aus einem
Refraktärmetallsilizid o. ä. gebildet. Die Fig. 2 und 3
zeigen ein Kontaktloch 71 für eine leitende Verbindung 77, die
mit einem Eingangsanschluß und einer Gateelektrode 54 verbunden
ist, und ein Kontaktloch 72 für die leitende Verbindung 77 und
eine Gateelektrode 63. Jetzt wird ein Verfahren zur Bildung
einer leitenden Verbindung 65 auf der Oberseite der Schicht
nach den Fig. 1 bis 3 beschrieben:
Zuerst wird in der Isolationsoxidschicht 64 auf der zweiten
Halbleiterschicht 51a ein Kontaktloch 66 mit einem Durchmesser
von 1 µm geöffnet. Danach wird Titan durch Sputtern mit einer
Dicke von 50 nm (500 Å) abgeschieden, und mittels einer
Infrarotlampen-Behandlungsanlage wird in einer Stickstoff
atmosphäre bei 800°C für 60 s ein Tempern ausgeführt. Diese
Behandlung wandelt das in Kontakt mit dem einkristallinen
Silizium stehende Titan in Titansilizid (TiSi2) und das andere
Titan in Titannitrid (TiN) um. Des weiteren wird Woframsilizid
(WSi2) durch Sputtern mit einer Dicke von 300 nm (3000 Å) ab
geschieden. Das Titannitrid und das Woframsilizid werden
gemustert, um eine Barrieremetallschicht 69 und eine leitende
Verbindung 65 zu bilden. In diesem Falle wird das Titansilizid
zur Schaffung eines ohmschen Kontakts zwischen dem Source-/Drain-
Gebiet 75 und der leitenden Verbindung 65 gebildet. Das
Titannitrid dient als Barrieremetall zum Verhindern einer
Diffusion von in die zweite Halbleiterschicht 51a implantier
ten Störstellen in die leitende Verbindung 65. Eine leitende
Verbindung 56 und eine Barrieremetallschicht 70 können aus den
gleichen Materialien und in den gleichen Verfahren wie die
leitende Verbindung 65 und die Barrieremetallschicht 69
gebildet werden.
Wie oben beschrieben, kann bei dieser Ausführungsform, da das
Verfahren zum Verbinden des ersten Halbleitersubstrates mit dem
zweiten Halbleitersubstrat bei einer relativ niedrigen Tempe
ratur von 700°C oder darunter ausgeführt wird, eine
Degradation der Bauelementcharakteristiken infolge der Wärme
behandlung verhindert werden.
Außerdem durchdringt beim ersten photolithographischen Schritt
zur Bildung des PMOSFET in der oberen Schicht, da die zweite
Halbleiterschicht 51a nur 100 nm (1000 Å) dick ist, der Helium-
Neon-Laserstrahl vollständig die Schicht, womit die Bildung
eines (nicht gezeigten) Maskenausrichtungsmusters in der unte
ren NMOSFET-Schicht möglich ist. Der vom Maskenausrichtungsmu
ster reflektierte Helium-Neon-Laserstrahl ist stark genug, um
auch dann nachgewiesen zu werden, wenn er durch die zweite
Halbleiterschicht 51a hindurchgegangen ist. Daher ist es
möglich, ein Kontaktloch mit einem Durchmesser im ungefähren
Bereich von 0,8 bis 1 µm mit einer Maskenausrichtungsgenauig
keit von ± 0,3 µm zu erzeugen, und damit können Elemente mit
hoher Dichte unter Anwendung eines Projektions- und
Überdeckungsrepeaters hergestellt werden, der gegenwärtig die
höchste Auflösung und Positionsgenauigkeit liefert.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform beschrieben.
Bei der zweiten Ausführungsform wird auf der gesamten Ober
fläche eines zweiten Halbleitersubstrates 59 eine Silizium
nitridschicht (SixNy:y/x=mindestens 1,33 und vorzugsweise
1,4) mit einem größeren Stickstoffanteil, als es dem chemi
schen Äquivalent (Si3N4) entspricht, anstelle einer Refraktär
metallschicht 61 mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) mit einer
dazwischengelegten Isolierschicht 60 gebildet. Diese Silizium
nitridschicht wird durch ECR(Elektronenzyklotronresonanz)-CVD
abgeschieden. Die Abscheidungstemperatur ist in der Größenord
nung von 100°C. Die Oberfläche der auf diese Weise gebildeten
Siliziumnitridschicht des zweiten Halbleitersubstrates 59 wird
mit der ihr zugewandten, planarisierten Oberfläche der poly
kristallinen Siliziumschicht 58 des ersten Halbleitersubstrates
51 in engen Kontakt gebracht, und beide werden in einer
Stickstoffatmosphäre auf 700°C oder darunter aufgeheizt. Die
Siliziumnitridschicht (SixNy) absorbiert Siliziumatome aus der
polykristallinen Siliziumschicht 58, um eine den chemischen
Äquivalent entsprechende Zusammensetzung zu erreichen. Diese
chemische Reaktion ermöglicht eine Verbindung des ersten
Halbleitersubstrates 51 mit dem zweiten Halbleitersubstrat 59.
Die weiteren Schritte sind dieselben wie bei der ersten Ausfüh
rungsform.
Bei dem Herstellungsverfahren nach dieser Ausführungsform kann,
da das erste Halbleitersubstrat 51 und das zweite Halbleiter
substrat 59 mittels einer Wärmebehandlung bei der relativ nie
drigen Temperatur von 700°C oder darunter miteinander verbun
den werden können, ein nachteiliger Einfluß der Erwärmung auf
eine in einem früheren Schritt gebildete erste Einrichtung ver
mieden werden.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform die Siliziumni
tridschicht auf seiten des zweiten Halbleitersubstrates 59 und
die polykristalline Siliziumschicht 58 auf seiten des ersten
Halbleitersubstrates 51 gebildet ist, kann derselbe Effekt
durch Bilden der planarisierten Siliziumnitridschicht auf
seiten des ersten Halbleitersubstrates 51 und der polykri
stallinen Siliziumschicht auf seiten des zweiten Halbleiter
substrates 59 erreicht werden.
Jetzt wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 bis 15 eine dritte
Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Diese Ausführungsform kann mit dem zweiten in der Beschrei
bungseinleitung beschriebenen Verfahren verglichen werden und
bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren, bei dem ein
weiteres Element auf ein Halbleitersubstrat gestapelt wird, das
bereits ein Element trägt.
Bei dieser Ausführungsform wird - wie Fig. 11 zeigt - zuerst
auf einem ersten Halbleitersubstrat 81 aus einkristallinem
Silizium ein als erstes Element dienender MOSFET, der einen
Isolationsoxidfilm 82, eine Gateelektrode 83, eine leitende
Verbindung 84 und Source-/Drain-Gebiete 85 aufweist,
hergestellt. Dieser MOSFET wird mit einem Zwischenschicht
isolierfilm 86 mit einer Dicke von etwa 500 nm (5000 Å) mittels
CVD bedeckt, und danach wird ebenfalls mittels CVD eine poly
kristalline Siliziumschicht 87 mit einer Dicke von etwa 1 µm
gebildet (siehe Fig. 12). Danach wird die obere Oberfläche der
polykristallinen Siliziumschicht 87 durch "starres Schleifen"
planarisiert (siehe Fig. 13).
Eine aus Wolfram o. a. gebildete Refraktärmetallschicht 90 wird
auf einer Hauptoberfläche eines zweiten Halbleitersubstrates
88, das aus einkristallinem Silizium gebildet ist, mit einer
Dicke von etwa 300 nm (3000 Å) mittels Sputtern mit einer da
zwischengelegten Isolierschicht 89 abgeschieden. Danach werden
- wie in Fig. 14 gezeigt - die Oberflächen der Refraktärme
tallschicht 90 und der polykristallinen Siliziumschicht 87
einander zugewandt und in engen Kontakt miteinander gebracht.
Nachfolgend wird eine Wärmebehandlung in einer Stickstoffat
mosphäre bei 650°C für 20 Minuten ausgeführt, um eine Reaktion
zwischen der polykristallinen Siliziumschicht 87 und der
Refraktärmetallschicht 90 zu bewirken, um die Refraktärmetall
schicht 90 in eine Refraktärmetallsilizidschicht 91 umzuwan
deln, so daß die Substrate miteinander verbunden werden (siehe
Fig. 15).
Dann wird auf der Hauptoberfläche auf der entgegengesetzten
Seite der Isolierschicht 89 des zweiten Halbleitersubstrates 88
ein zweites Element gebildet, wie in Fig. 16 gezeigt. Das
zweite Element enthält einen Isolationsoxidfilm 92, eine Gate
elektrode 93, eine leitende Verbindung 94 und Source-/Drain-
Gebiete 95.
Auch bei dieser Ausführungsform kann, da das erste Halbleiter
substrat und das zweite Halbleitersubstrat miteinander durch
eine Wärmebehandlung bei einer vergleichsweise niedrigen Tem
peratur von 700°C oder darunter verbunden werden können, ein
nachteiliger Einfluß auf das bereits in einem früherem Schritt
gebildete erste Bauelement vermieden werden. Daher kann mittels
dieses Herstellungsverfahrens eine Einrichtung mit einer
Struktur erzeugt werden, bei der eine Mehrzahl von Schichten
übereinander gestapelt ist, ohne daß die Bauelementcharakteri
stiken verschlechtert werden.
Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die
planarisierte polykristalline Siliziumschicht 87 und die
Refraktärmetallschicht 90 miteinander im engen Kontakt gebracht
werden, um miteinander verbunden zu werden, kann derselbe
Effekt natürlich durch Abscheiden einer Siliziumnitridschicht,
die eine größere Menge an Stickstoff als das chemische
Äquivalent (Si3N4) enthält, anstelle der Refraktärmetall
schicht 90 und Anwenden derselben Wärmebehandlung wie bei der
oben beschriebenen zweiten Ausführungsform erreicht werden.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform die planarisierte
polykristalline Siliziumschicht 87 auf seiten des ersten Halb
leitersubstrates 81 und die Refraktärmetallschicht 90 auf
seiten des zweiten Halbleitersubstrates 88 gebildet ist, sind
auch die in den Fig. 31 bis 34 gebildeten Schritte möglich.
Bei diesem Verfahren wird nach dem Schritt der Fig. 11 eine
Refraktärmetallschicht 190 auf der Oberfläche des Zwischen
schichtisolierfilmes 86 gebildet (Fig. 31), wonach die Ober
fläche durch "starres Schleifen" eingeebnet wird (Fig. 32).
Dann wird ein zweites Halbleitersubstrat 88 mit einer auf der
Hauptoberfläche mit einem dazwischengelegten Oxidfilm 89
gebildeten polykristallinen Siliziumschicht 89 zur Oberfläche
der Refraktärmetallschicht 190 gebracht, wie in Fig. 33 ge
zeigt, so daß die Oberfläche der polykristallinen Silizium
schicht 187 an der Oberfläche der Refraktärmetallschicht 190
haftet. In diesem Zustand wird eine Wärmebehandlung für 20
Minuten bei 650°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre aus
geführt, um eine Silizidbildungsreaktion zwischen der poly
kristallinen Siliziumschicht 187 und der Refraktärmetall
schicht 190 auszuführen, um eine Refraktärmetallsilizidschicht
191 zu bilden, wie in Fig. 34 gezeigt. Dieses Verfahren kann
auch eine zur Fig. 16 ähnliche Struktur ergeben.
Da es möglich ist, die Halbleitersubstrate bei einer
vergleichsweise niedrigen Temperatur von nicht mehr als 700°C
miteinander zu verbinden, so daß die für herkömmliche Verfahren
charakteristische Degradation der Eigenschaften im Halbleiter
substrat bereits gebildeter Elements bei diesen
Ausführungsformen nicht auftritt, gibt es bezüglich der Bildung
einer CMOS (komplementären Metall-Oxid-Halbleiter)-Struktur zum
Beispiel die folgenden Vorteile: Insbesondere ist es möglich,
einen n-Kanal-MOSFET auf einer Seite und einen p-Kanal-MOSFET
auf der anderen Seite einer zwischen ihnen liegenden Isolier
schicht zu bilden. Damit werden die Schritte der Photolithogra
phie und der Dotierungsimplantation vereinfacht und die Inte
grationsdichte im Vergleich mit einem Falle, bei dem beide
CMOS-Bauteile auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersub
strates ausgeführt werden, erhöht. Dies liegt daran, daß die
durch eine bestimmte Anzahl von n-Kanal-MOSFET und p-Kanal-
MOSFET belegte Fläche in dem Falle, daß sie auf gegenüber
liegenden Oberflächen gebildet sind, nur etwa halb so groß ist
wie in dem Falle, daß sie beide auf der Hauptoberfläche eines
Halbleitersubstrates gebildet sind.
Wie oben festgestellt, kann entsprechend der vorliegenden
Erfindung, da die Halbleitersubstrate durch eine Wärmebehand
lung bei einer vergleichsweisen niedrigen Temperatur unter
vorteilhafter Ausnutzung einer chemischen Reaktion wie der
Silizidbildung miteinander verbunden werden, eine Halbleiter
einrichtung vom Stapeltyp erzeugt werden, ohne daß ein nach
teiliger Einfluß der Wärmebehandlung auf ein in früheren
Schritten gebildetes Bauelement auftritt.
Außerdem kann, wenn das so mit dem ersten Substrat verbundene
zweite Halbleitersubstrat als Trag-Substrat dient, die
Rückfläche des ersten Halbleitersubstrates poliert und darauf
ein zweites Bauelement gebildet werden, so daß eine Masken
ausrichtung und Verwendung eines Helium-Neon-Laserstrahls
möglich wird, und so kann eine Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp mit hoher Integrationsdichte hergestellt werden.
Claims (32)
1. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp mit:
einer Siliziumschicht (58, 87) auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrates (51, 81),
einer Refraktärmetallsilizidschicht (62, 91) auf einer Hauptoberfläche der Siliziumschicht (58, 87),
einem zweiten Halbleitersubstrat (59, 88) mit einer mit einer Oberfläche der Refraktärmetallsilizidschicht (62, 91) verbunde nen Hauptoberfläche.
einer Siliziumschicht (58, 87) auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrates (51, 81),
einer Refraktärmetallsilizidschicht (62, 91) auf einer Hauptoberfläche der Siliziumschicht (58, 87),
einem zweiten Halbleitersubstrat (59, 88) mit einer mit einer Oberfläche der Refraktärmetallsilizidschicht (62, 91) verbunde nen Hauptoberfläche.
2. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens entweder die andere
Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) oder
die andere Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrates
(59, 88) ein darauf gebildetes elektronisches Bauelement
aufweist.
3. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht (58, 87) poly
kristallines Silizium aufweist.
4. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp mit:
einem Halbleitersubstrat (51, 81) mit einer Hauptoberfläche, einer Doppelschicht (58, 62, 87, 91) mit einem Siliziumab schnitt und einem Refraktärmetallsilizidabschnitt auf der ge samten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (51, 81), einer Isolierschicht (57, 86) auf der Doppelschicht (58, 72, 87, 91) und
einer mindestens ein elektronisches Element aufweisenden Bauelementschicht auf der Isolierschicht (57, 86).
einem Halbleitersubstrat (51, 81) mit einer Hauptoberfläche, einer Doppelschicht (58, 62, 87, 91) mit einem Siliziumab schnitt und einem Refraktärmetallsilizidabschnitt auf der ge samten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (51, 81), einer Isolierschicht (57, 86) auf der Doppelschicht (58, 72, 87, 91) und
einer mindestens ein elektronisches Element aufweisenden Bauelementschicht auf der Isolierschicht (57, 86).
5. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Doppelschicht (58, 62, 87, 91) eine
Stapelstruktur aus einer polykristallinen Siliziumschicht (58,
87) und einer Refraktärmetallsilizidschicht (62, 91) aufweist.
6. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die andere Hauptoberfläche des
Halbleitersubstrates (51, 81) ein elektronisches Element
aufweist.
7. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp mit:
einem Halbleitersubstrat (53, 81) mit einer Hauptoberfläche, einer Doppelschicht (58, 62, 87, 91) mit einem Siliziumab schnitt und einem Siliziumnitridabschnitt auf der gesamten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (51, 81),
einer Isolierschicht (57, 86) auf der Doppelschicht (58, 62, 87, 91) und
einer mindestens ein elektronisches Element aufweisenden Bau elementschicht auf der Isolierschicht (57, 86).
einem Halbleitersubstrat (53, 81) mit einer Hauptoberfläche, einer Doppelschicht (58, 62, 87, 91) mit einem Siliziumab schnitt und einem Siliziumnitridabschnitt auf der gesamten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (51, 81),
einer Isolierschicht (57, 86) auf der Doppelschicht (58, 62, 87, 91) und
einer mindestens ein elektronisches Element aufweisenden Bau elementschicht auf der Isolierschicht (57, 86).
8. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Doppelschicht eine Stapelstruktur aus
einer polykristallinen Siliziumschicht (58, 87) und einer Si
liziumnitridschicht (62, 91) aufweist.
9. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumnitridabschnitt der
Doppelschicht (58, 62, 87, 91) Siliziumnitrid des chemischen
Äquivalents enthält.
10. Halbleitereinrichtung vom Stapeltyp nach einem der
Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die andere
Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (51, 81) ein
elektronisches Element aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp mit den Schritten:
Bilden einer Siliziumschicht (58, 87) mit einer planarisierten Oberfläche auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiter substrates (51, 81),
Bilden einer Refraktärmetallschicht (61, 90) auf einer Haupt oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrates (59, 88), Verbinden des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88) miteinander durch Bringen der Oberfläche der Refraktärmetallschicht (61, 90) in engen Kontakt mit der planarisierten Oberfläche der Siliziumschicht (58, 87),
Anwenden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht mehr als 700°C und Umwandeln der Refraktärmetallschicht (61, 90) in Silizid.
Bilden einer Siliziumschicht (58, 87) mit einer planarisierten Oberfläche auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiter substrates (51, 81),
Bilden einer Refraktärmetallschicht (61, 90) auf einer Haupt oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrates (59, 88), Verbinden des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88) miteinander durch Bringen der Oberfläche der Refraktärmetallschicht (61, 90) in engen Kontakt mit der planarisierten Oberfläche der Siliziumschicht (58, 87),
Anwenden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht mehr als 700°C und Umwandeln der Refraktärmetallschicht (61, 90) in Silizid.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die
weiteren Schritte:
Bilden eines ersten elektronischen Elements auf der Hauptober fläche des Halbleitersubstrates (51, 81) und
Bedecken des ersten elektronischen Elements mit einem Zwischen schichtisolierfilm (57, 86) vor dem Schritt des Bildens der Siliziumschicht (58, 87).
Bilden eines ersten elektronischen Elements auf der Hauptober fläche des Halbleitersubstrates (51, 81) und
Bedecken des ersten elektronischen Elements mit einem Zwischen schichtisolierfilm (57, 86) vor dem Schritt des Bildens der Siliziumschicht (58, 87).
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Bildens der Siliziumschicht (58, 87) einen
Schritt des Abscheidens von polykristallinem Silizium auf der
Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilmes (57, 86) aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schritt des Planarisierens der Sili
ziumschicht (58, 87) einen Schritt des Schleifens einer Ober
fläche der Siliziumschicht (58, 87) mittels starren Schleifens
aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schritt des Bildens der Refraktärmetall
schicht (61, 90) einen Schritt des Sputterns von Wolfram auf
eine Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88)
aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersub strates (51, 81) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elements auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halbleiter substrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88).
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersub strates (51, 81) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elements auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halbleiter substrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des ersten Elements
die Schritte des
Bildens einer ersten Halbleiterschicht (53) auf der Hauptober fläche des ersten Halbleitersubstrates (51) mit einer dazwi schengelegten ersten Isolierschicht (52) und
des Bildens des ersten Elementes auf der ersten Halbleiter schicht (53) aufweist.
Bildens einer ersten Halbleiterschicht (53) auf der Hauptober fläche des ersten Halbleitersubstrates (51) mit einer dazwi schengelegten ersten Isolierschicht (52) und
des Bildens des ersten Elementes auf der ersten Halbleiter schicht (53) aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch die
weiteren Schritte:
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleiter substrates (51) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elementes auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halb leitersubstrates (51) und des zweiten Halbleitersubstrates (59),
wobei das erste Halbleitersubstrat (51) nach dem Schleifen eine zweite Halbleiterschicht bildet.
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleiter substrates (51) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elementes auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halb leitersubstrates (51) und des zweiten Halbleitersubstrates (59),
wobei das erste Halbleitersubstrat (51) nach dem Schleifen eine zweite Halbleiterschicht bildet.
19. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen
weiteren Schritt des Bildens eines zweiten Elements über der
zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (59) nach dem
Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halbleitersub
strates (51) und des zweiten Halbleitersubstrates (59).
20. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp mit den Schritten:
Bilden einer Siliziumschicht (58, 87) mit einer planarisierten Oberfläche auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiter substrates (51, 81),
Bilden einer Siliziumnitridschicht (61, 90), die einen größeren Prozentsatz von Stickstoff als Si3N4 enthält, auf einer Haupt oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrates (59, 88) und
Verbinden des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88) miteinander durch In engen-Kontakt-Bringen der Oberfläche der Siliziumnitridschicht (61, 90) und der planarisierten Oberfläche der Siliziumschicht (58, 87),
Anwenden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht mehr als 700°C zum Bewirken einer chemischen Reaktion der Siliziumnitridschicht (61, 90) mit der Siliziumschicht (58, 87).
Bilden einer Siliziumschicht (58, 87) mit einer planarisierten Oberfläche auf einer Hauptoberfläche eines ersten Halbleiter substrates (51, 81),
Bilden einer Siliziumnitridschicht (61, 90), die einen größeren Prozentsatz von Stickstoff als Si3N4 enthält, auf einer Haupt oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrates (59, 88) und
Verbinden des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88) miteinander durch In engen-Kontakt-Bringen der Oberfläche der Siliziumnitridschicht (61, 90) und der planarisierten Oberfläche der Siliziumschicht (58, 87),
Anwenden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht mehr als 700°C zum Bewirken einer chemischen Reaktion der Siliziumnitridschicht (61, 90) mit der Siliziumschicht (58, 87).
21. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch die
weiteren Schritte:
Bilden eines ersten elektronischen Elements auf der Hauptober fläche des Halbleitersubstrates (51, 81) und
Bedecken des ersten elektronischen Elements mit einem Zwischen schichtisolierfilm (87, 86)
vor dem Schritt des Bildens der Siliziumschicht (58, 87).
Bilden eines ersten elektronischen Elements auf der Hauptober fläche des Halbleitersubstrates (51, 81) und
Bedecken des ersten elektronischen Elements mit einem Zwischen schichtisolierfilm (87, 86)
vor dem Schritt des Bildens der Siliziumschicht (58, 87).
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Bildens der Siliziumnitridschicht (61, 90)
einen Schritt des Abscheidens von SixNy (y/x=1,4) auf der
Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88)
aufweist.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt des Abscheidens des SixNy (y/x=1,4) durch ECR-CVD
ausgeführt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schritt des Bedeckens des Zwischen
schichtisolierfilmes (57, 86) mit der Siliziumschicht (58, 87)
einen Schritt des Abscheidens von polykristallinem Silizium auf
der Oberfläche des Zwischenschichtisolierfilmes (57, 86) auf
weist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schritt des Planarisierens der Silizium
schicht (58, 87) einen Schritt des Schleifens einer Oberfläche
der Siliziumschicht (58, 87) durch starres Schleifen aufweist.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25,
gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleiter substrates (51, 81) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elements auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halb leitersubstrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88).
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleiter substrates (51, 81) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elements auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51, 81) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halb leitersubstrates (51, 81) und des zweiten Halbleitersubstrates (59, 88).
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des ersten Elements
die Schritte aufweist:
Bilden einer ersten Halbleiterschicht (53) über der Hauptober fläche des ersten Halbleitersubstrates (51) mit einer dazwischengelegten ersten Isolierschicht (52) und
Bilden des ersten Elements auf der ersten Halbleiterschicht (51).
Bilden einer ersten Halbleiterschicht (53) über der Hauptober fläche des ersten Halbleitersubstrates (51) mit einer dazwischengelegten ersten Isolierschicht (52) und
Bilden des ersten Elements auf der ersten Halbleiterschicht (51).
28. Verfahren nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch die
weiteren Schritte:
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleiter substrates (51) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elements auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halb leitersubstrates (51) und des zweiten Halbleitersubstrates (59), wobei das erste Halbleitersubstrat (51) nach dem Schleifen eine zweite Halbleiterschicht bildet.
Schleifen der anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleiter substrates (51) auf eine vorbestimmte Dicke und
Bilden eines zweiten Elements auf der geschliffenen anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrates (51) nach dem Schritt des Miteinander-Verbindens des ersten Halb leitersubstrates (51) und des zweiten Halbleitersubstrates (59), wobei das erste Halbleitersubstrat (51) nach dem Schleifen eine zweite Halbleiterschicht bildet.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28,
gekennzeichnet durch einen weiteren Schritt des Bildens eines
zweiten Elements über der anderen Hauptoberfläche des ersten
Halbleitersubstrates (51) nach dem Schritt des Miteinander-
Verbindens des ersten Halbleitersubstrates (51) und des zweiten
Halbleitersubstrates (59).
30. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung vom
Stapeltyp mit den Schritten:
Bilden einer Isolierschicht (52) auf einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrates (51),
Bilden einer Halbleiterschicht (53) auf einer Oberfläche der Isolierschicht (52),
Bilden eines elektronischen Elements auf der Halbleiterschicht (53),
Schleifen einer zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrates (51) und
Bilden eines zweiten elektronischen Elements auf der zweiten Oberfläche.
Bilden einer Isolierschicht (52) auf einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrates (51),
Bilden einer Halbleiterschicht (53) auf einer Oberfläche der Isolierschicht (52),
Bilden eines elektronischen Elements auf der Halbleiterschicht (53),
Schleifen einer zweiten Oberfläche des Halbleitersubstrates (51) und
Bilden eines zweiten elektronischen Elements auf der zweiten Oberfläche.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterschicht (53) eine SOI-Schicht bildet und daß der
Schritt des Bildens eines elektronischen Elements auf der
Halbleiterschicht (53) den Schritt des Implantierens von
Dotanden in die Halbleiterschicht (53) zur Bildung eines MOSFET
aufweist.
32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das
geschliffene Halbleitersubstrat (51) eine SOI-Schicht bildet
und daß der Schritt des Bildens des zweiten elektronischen
Elements den Schritt des Implantierens von Dotanden in das
Halbleitersubstrat (51) zur Bildung eines MOSFET aufweist.
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