DE4314907C1 - Verfahren zur Herstellung von vertikal miteinander elektrisch leitend kontaktierten Halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von vertikal miteinander elektrisch leitend kontaktierten Halbleiterbauelementen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung von Halbleiterbauelementen mit einer speziellen Kon­ taktstrukturierung, die für eine vertikale elektrisch leiten­ de Verbindung von mehreren Halbleiterbauelementen vorgesehen ist.
Halbleiterschaltungen werden heute in Planartechnik herge­ stellt. Die erreichbare Komplexität auf einem Chip ist be­ grenzt durch dessen Größe und die erreichbare Strukturfein­ heit. Die Leistungsfähigkeit eines Systems bestehend aus meh­ reren miteinander verbundenen Halbleiterchips ist bei konven­ tioneller Technik wesentlich begrenzt durch die begrenzte Zahl der möglichen Verbindungen zwischen einzelnen Chips über Anschlußkontakte, die geringe Geschwindigkeit der Signalüber­ mittlung über solche Verbindungen zwischen verschiedenen Chips, die bei komplexen Chips begrenzte Geschwindigkeit durch weit verzweigte Leiterbahnen und den hohen Leistungs­ verbrauch der Interface-Schaltungen.
Diese aufgezeigten Beschränkungen bei der Verwendung der Planartechnik lassen sich mit dreidimensionalen Techniken der Verschaltung überwinden. Die Anordnung der Funktionsebenen übereinander erlaubt eine parallele Kommunikation dieser Kom­ ponenten mit geringem Aufwand elektrisch leitender Verbindun­ gen in einer Ebene, und außerdem werden geschwindigkeitbe­ grenzende Interchip-Verbindungen vermieden.
Ein bekanntes Verfahren, dreidimensionale IC′s herzustellen, beruht darauf, über einer Ebene von Bauelementen eine weitere Halbleiterschicht abzuscheiden und diese über ein geeignetes Verfahren (z. B. lokale Erwärmung mittels Lasers) zu rekri­ stallisieren und darin eine weitere Bauelementeebene zu rea­ lisieren. Auch diese Technik weist wesentliche Begrenzungen auf, die durch die thermische Belastung der unteren Ebene bei der Rekristallisierung und die durch Defekte begrenzte er­ reichbare Ausbeute gegeben sind.
Ein alternatives Verfahren von NEC stellt die einzelnen Baue­ lementeebenen getrennt voneinander her. Diese Ebenen werden auf wenige um gedünnt und mittels Wafer-bonding miteinander verbunden. Die elektrischen Verbindungen werden in der Weise hergestellt, daß die einzelnen Bauelementeebenen auf der Vor­ der- und Rückseite mit Kontakten zur Interchip-Verbindung versehen werden. Dieses Verfahren hat folgende Nachteile und Einschränkungen:
Die gedünnten Scheiben müssen auf der Vorderseite und auf der Rückseite in technischen Prozessen bearbeitet werden (Lithographie mit Justierung durch die Halbleiterscheibe) Das Testen auf Funktionstüchtigkeit der einzelnen Ebenen vor dem Zusammenfügen ist dadurch erschwert, daß bei diesem Ver­ fahren in jeder Ebene einzelne Bauelemente, aber nicht voll­ ständige Schaltungen realisiert werden. Durch das Dünnen der Scheiben bis auf die Funktionselemente entstehen SOI-ähnliche Bauelementestrukturen, so daß keine mit Standardtechnologien (z. B. Standard-CMOS) vorgefertigten Scheiben verwendet wer­ den können.
In der US 4 939 568, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, sind ein vertikal integriertes Halblei­ terbauelement und ein zugehöriges Herstellungsverfahren ange­ geben. Die vertikale leitende Verbindung erfolgt über in dem Substrat jeweils einer Schichtebene befindliche vertikale Me­ tallstifte. Das Herstellungsverfahren sieht vor, die nicht mit einer Schichtstruktur versehene Rückseite des Substrates soweit abzuschleifen, bis diese vertikalen leitenden Verbin­ dungen freigelegt sind. Diese Seite des Substrates kann dann eben­ falls mit Strukturen versehen werden. Für eine direkte Ver­ bindung mit einer nachfolgenden Ebene des Bauelementes ist vorgesehen, die freigelegten Oberflächen der vertikalen lei­ tenden Verbindungen mit Aluminiumkontakten, wie sie in Fig. 9b dieser Patentschrift dargestellt sind, zu versehen. In der US 4 893 174 ist ein Halbleiterbauelement für hohe Integra­ tionsdichte beschrieben. Bei diesem Bauelement wird jede Substratebene auf einem Isolierträger aufgebracht und diese Paare von übereinander angeordneten Substraten und Isolier­ trägern mittels einer darauf aufgebrachten Isolierschicht miteinander durch Zusammenpressen verbunden. Die Verbindung einer Substratebene mit einem Isolierträger geschieht da­ durch, daß als vertikale leitende Verbindung fungierende Me­ tallstifte in dem Isolierträger, die über die Oberfläche hin­ ausragen, in mit Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt gefüllte Aussparungen der Substratunterseite gedrückt werden. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Funktionselementen verschiedener Substrate wird damit nicht bezweckt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für die einfache Herstellung von mehreren Halbleiterbauelementen mit einer für dreidimensionale Kontaktierung geeigneten Kontaktstruktu­ rierung sowie die elektrisch leitende Kontaktierung mehrerer derartiger Halbleiterbauelemente anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Schritten des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird die Kon­ taktstrukturierung hergestellt, indem das Substrat des Bau­ elementes von der überwachsenen Oberseite ausgehend soweit vertikal ausgeätzt wird, daß in diese stiftförmige Aussparung eine Metallisierung eingebracht werden kann, die mit der zu kontaktierenden Metallschicht oder Halbleiterschicht elek­ trisch leitend kontaktiert wird. Die Unterseite des Substra­ tes wird soweit rückgeschliffen oder rückgeätzt, daß diese stiftförmige Metallisierung auf der Unterseite über das Substrat hinausragt. Mit diesem herausragenden Stift kann wird dieses Halbleiterbauelement mit einem geeignet hergestellten Kontakt aus niedrig schmelzendem Metall auf der Oberseite ei­ nes weiteren Halbleiterbauelementes dauerhaft elektrisch lei­ tend verbunden.
Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 8.
Fig. 1 bis 5 zeigen ein erstes Bauele­ ment nach verschiedenen Schritten des Herstellungsver­ fahrens im Querschnitt.
Fig. 6 und 7 zeigen ein zweites, damit zu kontaktierendes Halbleiterbauelement nach verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens im Querschnitt.
Fig. 8 zeigt zwei vertikal kontaktierte Bau­ elemente im Querschnitt.
In den Figuren sind der Übersichtlichkeit halber die in Blickrichtung hinteren Konturen der Schichtstruktur in den im Beispiel zumeist runden Öffnungen weggelassen.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können die Halbleiterbauelemente auf mit Standard-Technologien vorgefer­ tigten Halbleiterscheiben, z. B. aus Silizium, hergestellt werden. Es sind keine Eingriffe in die üblichen Basistechno­ logien nötig, da die für die vertikale Verbindung nötige Mo­ difikation der Kontaktstrukturierung in Prozeßschritten am Schluß des Herstellungsprozesses vorgenommen werden. Ausge­ hend von einem Substrat wird die für das erste Halbleiterbauelement vorgesehene Schichtstruktur z. B. aus Halbleiterschichten, dotierten Bereichen und Metallisierungen und Metallisie­ rungsebenen wie z. B. Leiterbahnen hergestellt. In Fig. 1 ist als Beispiel das Substrat 1 mit einem darin oder darauf her­ gestellten Bereich 2, der zu einem Funktionselement gehört, dargestellt. Dieser Bereich 2 wird mittels einer Kontaktver­ bindung 21 (Plug) in einer Isolationsschicht 3 mit einem Me­ tallkontakt 22, der z. B. auch Bestandteil von Leiterbahnen sein kann, elektrisch leitend verbunden. Ein weiterer Metall­ kontakt 4 soll in diesem Ausführungsbeispiel mit einem zwei­ ten Halbleiterbauelement elektrisch verbunden werden. Es ist zweckmäßig, aber nicht notwendig, die gesamte Oberfläche mit einer Passivierung 5 z. B. aus Oxidnitrid (d. h. einer Mi­ schung aus Oxid und Nitrid) zu bedecken. Darauf wird ganzflä­ chig eine Dielektrikumschicht 6 (z. B. Oxid, insbesondere SiO2) abgeschieden. Unter Verwendung einer Maske werden diese Schichten sowie die Schichtstruktur und das Material des Substrates in einem für die vertikalen leitenden Verbindungen vorgesehenen Bereich ausgeätzt. Auf diese Weise erhält man die in Fig. 1 eingezeichnete, stiftförmige Aussparung 10, die für die nachfolgenden Verfahrensschritte ausreichend tief ausgeätzt wird. Die so entstehende Oberfläche wird mit einer weiteren Passivierung 7 z. B. aus Oxid ganzflächig be­ deckt.
Fig. 2 zeigt eine auf diese Struktur aufgebrachte Maske 8 aus z. B. Fotolack. Mit Hilfe dieser Maske wird die Oberfläche des anzuschließenden Metallkontaktes 4 freigelegt. Nachdem diese Maske 8 entfernt wurde, kann das für die Kontaktstruk­ tur vorgesehene Metall aufgebracht werden. Es eignet sich hierfür insbesondere Wolfram, das z. B. mittels CVD aufge­ bracht wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird mit diesem Me­ tall 9 die Aussparung 10 in dem Substrat aufgefüllt und ein damit verbundener Kontakt auf der Oberfläche des Metallkon­ taktes 4 hergestellt. Dieser Metallkontakt 4 ist daher über das Metall 9 elektrisch leitend mit dem stiftförmigen Anteil dieses Metalles 9 der Aussparung 10 des Substrates verbunden.
Die in Fig. 3 dargestellte Struktur wird anschließend mit ei­ ner weiteren Maske 11 z. B. aus Fotolack derart strukturiert, daß von dem Metall 9 der auf dem Metallkontakt 4 verbleibende Anteil sowie der damit elektrisch leitend verbundene verti­ kale stiftförmige Anteil in der Aussparung 10 des Substrates übrig bleiben. Die Oberfläche wird erneut mit einer Passivie­ rung 12 bedeckt. Durch die Passivierung 7 unter dem aufge­ brachten Metall 9 ist der stiftförmige Anteil dieses Metalles 9 von dem umgebenden Material insbesondere der Schichtstruk­ tur elektrisch isoliert.
In der hier beispielhaft dargestellten Weise kann nicht nur ein derartiger Metallkontakt 4, sondern auch ein Bereich ei­ ner Leiterbahn oder eine Kontaktschicht aus Halbleitermateri­ al mit einem vertikalen Anteil dieser herzustellenden Kon­ taktstrukturierung verbunden werden. Es können auch mehrere derartige Metallisierungen hergestellt werden, um mehrere Me­ tallkontakte oder Kontaktschichten jeweils mit einem vertika­ len stiftförmigem Anteil einer Kontaktstruktuierung zu ver­ binden. Auf diese Weise können mehrere Kontakte eines ersten Halb­ leiterbauelementes mit einem vertikal darunter angeordneten Halbleiterbauelement mit entsprechenden Anschlußkontakten elektrisch leitend verbunden werden. Um die Metallstifte mit einem weiteren zweiten Halbleiterbauelement auf der Unterseite des Substrates 1 zu verbin­ den, wird das Substrat 1 von der Rückseite her so­ weit entfernt, z. B. durch Rückschleifen (z. B. CMP, Chemical Mechanical Polishing) oder Rückätzen, daß die vertikalen Me­ tallstifte des Metalles 9 auf dieser Rückseite des Substrates aus dem Substrat herausragen. Dieser Verfahrensschritt wird erleichtert, wenn auf der Seite mit der Schichtstruktur ein weiteres Substrat 13 angebracht wird. Dieses weitere Substrat 13 kann z. B. mit einer Haftschicht 14 befestigt werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Diese Haftschicht 14 kann z. B. Polyimid oder Epoxyharz sein. Die vertikale Kontaktierung mit einem weiteren Bauelement erfolgt in der Weise, daß dort, wo der Metallstift die Substratunterseite des ersten Bauelemen­ tes überragt, ein entsprechender Kontakt aus Metall auf dem zweiten Bauelement hergestellt wird. In Fig. 6 ist ein sol­ ches weiteres Bauelement im Querschnitt dargestellt. Der Me­ tallkontakt 4′ dieses Bauelementes soll elektrisch leitend mit dem Metallkontakt 4 des ersten Bauelementes verbunden werden, wobei diese Bauelemente vertikal übereinander anzu­ ordnen sind. Auf dem Substrat 1′ dieses zweiten Bauelementes befindet sich wieder eine Schichtstruktur, die z. B. mit ei­ ner Isolationsschicht 3′ bedeckt oder in diese Isolations­ schicht eingebettet ist. Die Oberfläche ist mit einer Passi­ vierung 5′ bedeckt. Mittels einer Maske 15, z. B. aus Fotolack, wird die Oberfläche des zu kontaktierenden Metallkontaktes 4′ freigelegt. Entsprechend Fig. 7 wird eine Metallisierung 18, 19 auf diese Oberfläche des Metallkontaktes 4′ aufgebracht. Zu diesem Zweck wird entweder die Öffnung in der Maske 15 vergrößert, oder es wird diese Maske 15 entfernt und eine neue Maske 16, z. B. aus Fotolack aufgebracht. Die Metallisie­ rung wird abgeschieden, wobei ein Anteil 18 (s. Fig. 7) auf der Maske 16 abgeschieden wird und zusammen mit dieser Maske in einem weiteren Verfahrensschritt entfernt wird. Der ver­ bleibende Anteil 19 dieser Metallisierung in der Öffnung der Maske 16 ist so bemessen, daß der Metallkontakt 4′ von dieser Metallisierung 19 kontaktiert wird und außerdem ein Anteil dieser Metallisierung 19 in dem Bereich, der für die Kontak­ tierung mit dem ersten Halbleiterbauelement vorgesehen ist, vorhanden ist. Als Metall wird ein Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem in der Aussparung 10 des ersten Substrates (1) vorgesehenen und dem für die sonstigen Metalliesierungen verwendeten Metall verwendet. Es kommt z. B. AuIn dafür in Frage.
Die Verbindung der beiden in diesen Beispielen dargestellten Bauelemente erfolgt dann wie in Fig. 8 dargestellt. Die Bau­ elemente werden übereinander angeordnet und geeignet zueinan­ der justiert. Um das untere Halbleiterbauelement zu dem dar­ über anzuordnenden ausrichten zu können, ist dessen Oberflä­ che mit einer Planarisierung 17 eingeebnet. Für die Kontak­ tierung ist oberhalb des für die Kontaktierung vorgesehenen Bereiches der Metallisierung 19 eine Öffnung in dieser Plana­ risierung 17 hergestellt. Durch Erwärmen wird das Metall der Metallisierung 19 des unteren Bauelementes zumindest soweit geschmolzen oder erweicht, daß durch Aufeinanderpressen der Bauelemente der Metallstift 9 in diese Metallisierung 19 hin­ eingepreßt und dauerhaft damit verbunden werden kann. Da das Metall der Metallisierung 19 einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, werden die Halbleiterstrukturen und sonstigen Me­ tallisierungen bei diesem Verfahrensschritt nicht in Mitlei­ denschaft gezogen. Es können wie bereits erwähnt mehrere der­ artige Kontaktierungen zwischen den beiden vertikal zueinan­ der angeordneten Bauelementen hergestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mittels dieser Metallstifte der hergestellten Kontaktstrukturierung verschiedene Metallkontakte oder Kontaktschichten des einen Bauelementes mit jeweils einem Kontakt des zweiten Bauelementes elektrisch zu verbinden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Herstellung der elektrischen Kontakte auf der Vorderseite und der Rück­ seite eines Bauelementes ausschließlich durch Herstellungs­ verfahren, die von der mit der Schichtstruktur versehenen Oberseite des Bauelementes her vorgenommen werden. Dieses Verfahren ist daher besonders dafür geeignet, komplexe Sy­ steme zu realisieren mit hohem Aufwand an elektrischer Ver­ bindung. Die einzelnen vertikal miteinander verbundenen Halb­ leiterebenen müssen keine reinen Bauelementeebenen sein, son­ dern sind vorzugsweise ganze Schaltungsebenen, die mit Stan­ dardtechnologien (z. B. CMOS, Bipolartechnik oder Speicher­ herstellung mit Mehrlagenverdrahtung) vorgefertigt werden können. Dadurch können die einzelnen Schaltungsebenen vor dem Zusammenfügen vertikal zueinander anzuordnender Halbleiter­ bauelemente getestet werden, wodurch die Ausbeute erhöht wird, weil nur funktionsfähige Komponenten miteinander kombi­ niert werden. Mit dem Verfahren ist es auch möglich, Sensoren oder Aktoren in der Form von Halbleiterbau­ elementen herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in idealer Weise mit den Standardtechnologien der Her­ stellung von Bauelementen der Mikroelektronik kombinieren. Eine Realisierung in Silizium ist besonders vorteilhaft, weil dann SOI-Substrate (silicon on insulator) mit einer auf einer Isolationsschicht befindlichen Nutzschicht aus Silizium als Ausgangsmaterial verwendet werden können. Das erfindungsgemä­ ße Verfahren für die Herstellung dreidimensional integrierter Bauelemente ist modular, d. h. daß die einzelnen miteinander zu kontaktierenden Ebenen unabhängig voneinander hergestellt, getestet und dann miteinander verbunden werden können. Die geometrische Anordnung der Metallisierungen ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern läßt sich beliebig ausgestalten. Die dadurch bedingten Einschränkungen der Halbleitertopologie sind daher minimal.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von vertikal miteinander elek­ trisch leitend kontaktierten Halbleiterbauelementen, bei dem ein erstes Halbleiterbauelement mit einer ersten Schichtstruktur mit einer zu kontaktierenden ersten Kontakt­ schicht aus Halbleitermaterial oder einem ersten Metallkon­ takt (4) oder einer ersten Leiterbahn auf einem ersten Substrat (1) und ein vertikal damit zu kontaktierendes zwei­ tes Halbleiterbauelement mit einer zweiten Schichtstruktur mit einer zu kontaktierenden zweiten Kontaktschicht aus Halb­ leitermaterial oder einem zweiten Metallkontakt (4′) oder ei­ ner zweiten Leiterbahn auf einem zweiten Substrat (1′) herge­ stellt werden,
bei dem eine stiftförmige Aussparung (10) in dem Substrat (1) dieses ersten Halbleiterbauelementes hergestellt wird und in diese Aussparung (10) und auf eine Oberfläche der zu kontak­ tierenden ersten Kontaktschicht aus Halbleitermaterial oder des ersten Metallkontaktes (4) oder der ersten Leiterbahn ein Metall (9) abgeschieden wird, so daß der in diese Aussparung (10) eingebrachte Anteil dieses Metalles (9) in elektrisch leitender Verbindung mit dem auf diese Oberfläche aufgebrach­ ten Anteil dieses Metalles (9) ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt die der ersten Schichtstruktur gegen­ überliegende Seite des ersten Substrates (1) so weit entfernt wird, daß das Metall (9) in der Aussparung (10) über diese Seite des Substrates hinausragt,
in einem zweiten Schritt unter Verwendung einer Maske auf die zweite Kontaktschicht aus Halbleitermaterial oder den zweiten Metallkontakt (4′) oder die zweite Leiterbahn eine Metalli­ sierung (19) bis in einen für die Kontaktierung mit dem er­ sten Halbleiterbauelement vorgesehenen Bereich aufgebracht wird, wobei diese Metallisierung (19) einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Metall (9) in der Aussparung (10) des ersten Substrates (1),
in einem dritten Schritt die beiden Halbleiterbauelemente derart übereinander angeordnet werden, daß das aus der Aus­ sparung (10) des Substrates (1) des ersten Halbleiterbauele­ mentes hinausragende Metall (9) sich oberhalb des für Kontak­ tierung vorgesehenen Bereiches dieser Metallisierung (19) des zweiten Halbleiterbauelementes befindet, und
in einem vierten Schritt diese Metallisierung (19) erwärmt und das aus der Aussparung (10) des Substrates (1) des ersten Halbleiterbauelementes hinausragende Metall (9) so in diese Metallisierung (19) des zweiten Halbleiterbauelementes hin­ eingepreßt wird, daß ein dauerhafter elektrisch leitender Kontakt zwischen diesem Metall (9) des ersten Halbleiterbaue­ lementes und dieser Metallisierung (19) des zweiten Halblei­ terbauelementes hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für das durch die Aussparung (10) des Substrates (1) des ersten Halbleiterbauelementes ragende Metall (9) Wolfram verwendet wird und
bei dem für die Metallisierung (19) mit niedrigerem Schmelz­ punkt des zweiten Halbleiterbauelementes AuIn verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Halbleiterbauelemente in Silizium hergestellt werden.
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