DE4426420C1 - Substrat mit vergrabener Diamantschicht und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Substrat mit vergrabener Diamantschicht und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Entwicklung bei Halbleiterleistungsbauelementen geht zur Integration
von zusätzlichen Schutz-, Sensorik- und Ansteuerfunktionen (Smart
Power Bauelemente). Für solche Bauelemente findet eine dielektrische
Isolationstechnologie Anwendung, wobei als Isolatormaterial im
allgemeinen Siliziumdioxid eingesetzt wird. Wegen der geringen
Wärmeleitfähigkeit von Siliziumdioxid werden bei hohen Verlustleistungen
der Bauelemente im Vergleich zu Standard-Siliziumbauelementen viel
höhere Temperaturen erreicht, was die Anwendungsmöglichkeiten solcher
Schaltkreise einschränkt. Dies wird insbesondere in der Veröffentlichung
C. Harendt, U. Apel, T. Ifström, H.G. Graf und B. Höfflinger: "2nd
International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding", Honolulu, May
1993, beschrieben. Gleichwohl ist es aber auch bei diskreten
Halbleiterbauelementen wünschenswert, den thermischen Widerstand des
Bauelements möglichst niedrig zu halten, um höhere Verlustleistungen
oder höhere Umgebungstemperaturen zulassen zu können.
Ein gattungsgemäßes Substrat ist aus der Patentschrift US 5,276,338 bekannt. Es
wird aus einer ersten und zweiten Halbleiterscheibe zusammengesetzt. Die erste
Halbleiterscheibe enthält ein erstes Substrat mit einer dünnen Oxidschicht,
welche auf der Unterseite abgeschieden wird. Die zweite Halbleiterscheibe weist
ein zweites Substrat auf, an dessen Oberseite eine Isolationsschicht ausgebildet
ist. Der Ausdehnungskoeffizient dieser Isolationsschicht ist an den
Ausdehnungskoeffizienten des ersten Substrats angepaßt. Die Schicht besitzt
außerdem eine hohe thermische Leitfähigkeit. Die zweite Halbleiterscheibe enthält
weiter eine dünne Oxidschicht, welche auf die Oberfläche der Isolationsschicht
abgeschieden wird, womit die erste dünne Oxidschicht der ersten
Halbleiterscheibe an die zweite dünne Oxidschicht der zweiten Halbleiterscheibe
gebondet wird. Die zweite Isolationsschicht besteht aus einer weniger als 1 µm
starken Diamantschicht. Es ist außerdem vorgesehen, daß auf diese
Isolationsschicht aus Diamant eine Pufferschicht abgeschieden wird, welche
planarisiert wird, um eine ebene Oberfläche zu erhalten. Auf diese Schicht wird
dann eine weitere Silizium-Oxid-Schicht abgeschieden. Die vergrabene
Isolationsschicht dient später zur Herstellung voneinander isolierter Boxen für
die Halbleiterfertigung.
Nachteilig ist dabei, daß die Diamantschicht bei den üblichen hohen
Prozeßtemperaturen in Sauerstoffatmosphäre von den Rändern her zerstört wird.
Aus der Veröffentlichung von P.C. Karulkar, N.K. Annamalai und J.
Sawer: "Electrochem. Soc. Ext. Abstracts 93-1" S. 778-779, 1993, ist es
bekannt, daß Diamant für elektronische Anwendungen sehr vorteilhafte
Eigenschaften besitzt, insbesondere hohe Wärmeleitfähigkeit, gute
dielektrische Eigenschaften und hohe Strahlungsresistenz. Deshalb gibt
es seit einigen Jahren Anstrengungen, Siliziumbauelemente auf
Diamantsubstraten herzustellen.
Beispielsweise ist in der EP 0 317 124 vom 16.11.1987 (K. V. Ravi) ein
Verfahren beschrieben, dünne einkristalline Siliziumschichten auf
Diamantträgern herzustellen, wobei zunächst durch einen CVD-Prozeß
eine polykristalline isolierende Diamantschicht (und eine dicke
polykristalline Silizium-Trägerschicht) auf einem Siliziumsubstrat
abgeschieden wird, und dann das Substrat bis auf eine geringe Dicke
abgetragen wird, die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
benötigt wird.
Dieses Verfahren besitzt jedoch die folgenden Nachteile:
- 1.) Die so hergestellten Substrate weisen wegen der herstellungsbe dingten mechanischen Spannungen im Polysilizium und wegen der großen Dicke der Polysiliziumschicht starke Durchbiegungen auf, die nachfolgende Prozesse zur Herstellung von elektronischen Bauele menten beeinträchtigen.
- 2.) Die Grenzfläche zwischen Siliziumsubstrat und Diamantschicht weist eine hohe Defektdichte auf, und im Siliziumsubstrat wird eine hohe Versetzungsdichte verursacht, so daß die nach dem Dünnen des Substrats resultierende Siliziumschicht nur bedingt für Bauelement anwendungen brauchbar ist.
- 3.) Es sind keine vertikalen Bauelemente integrierbar.
Nach einem weiteren Verfahren, welches aus dem US-Patent 5.186.785
bekannt ist, und dem Zonenschmelzrekristallisationsverfahren (ZMR-SOI)
entspricht, wird ein Siliziumwafer mit Ausnahme eines Randbereichs mit
einer dielektrisch isolierenden Diamantschicht und danach mit einer
Schicht aus polykristallinem Silizium versehen. Danach wird die
polykristalline Siliziumschicht durch einen Zonenschmelz-
Rekristallisationsprozeß kristallisiert und der Randbereich des Wafers
abgetrennt, um ein dielektrisch isoliertes Substrat zu erhalten.
Auch dieses Verfahren ist für die Herstellung von Siliziumbauelementen
nur eingeschränkt verwendbar, weil es folgende Nachteile aufweist:
- 1.) Von Substraten, die nach der ZMR-Methode hergestellt werden, ist bekannt, daß in der rekristallisierten Schicht viele Kristalldefekte vorliegen, die zu Kurzschlüssen in Bauelementen führen können: S. Wolf: "Silicon Processing for the VLSI Era", Vol. 2, pp 75-76.
- 2.) Die Siliziumschichtdicke ist auf Werte von maximal ca. 2 µm begrenzt.
- 3.) Durch die thermische Belastung beim Herstellungsprozeß treten unakzeptabel hohe Verbiegungen auf, und die Diamantschicht wird geschädigt.
- 4.) Die Diamantschicht des fertiggestellten Substrats tritt an den Scheibenrändern mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt. Da sie bei Temperaturen oberhalb von ca. 700°C stark mit Sauerstoff reagiert und dabei zerstört wird, sind solche Substrate zur Her stellung von elektronischen Bauelementen nicht geeignet, weil hierbei in der Regel Temperaturen von 1000°C oder höher in oxidierender Atmosphäre auftreten.
- 5.) Es sind keine vertikalen Bauelemente integrierbar.
Um verbesserte Halbleitersubstrate mit Diamant-Isolatorschichten
herzustellen, wird in dem US-Patent 5.272.104 ein weiteres Verfahren
vorgeschlagen, bei dem zunächst eine freitragende Diamantschicht
hergestellt wird, die dann über einen Bondprozeß mit einem
Siliziumwafer gebondet wird.
Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:
- 1.) Der Prozeß ist teuer, da eine dicke freitragende isolierende Diamantschicht benötigt wird, und da das Ausgangssubstrat völlig zerstört wird.
- 2.) Für das Verbinden mit einem Halbleiterwafer werden auf dem Diamanten deponierte Zwischenschichten verwendet, die direkt mit dem Halbleiterwafer gebondet werden. Für das Bonden sind sehr glatte Oberflächen erforderlich, so daß diese Zwischenschichten nur sehr dünn sein dürfen (max. ca. 100 nm). Das Verfahren reagiert außerdem empfindlich auf Prozeßtoleranzen, so daß die Reproduzier barkeit des Bondens auf solchen Schichten ungenügend ist.
- 3.) Wie beispielsweise aus Fig. 1d in diesem Patent hervorgeht, kommt die Diamantschicht mit der umgebenden Atmosphäre in Kontakt, so daß Hochtemperaturprozesse in oxidierender Atmosphäre, wie sie bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen üblich sind, nicht zugelassen werden dürfen.
- 4.) Es lassen sich keine vertikalen Bauelemente integrieren.
In einem weiteren Verfahren, welches aus der Anmeldung WO 93/01617
hervorgeht, wird vorgeschlagen, ein Siliziumsubstrat mit Vertiefungen
herzustellen, darauf eine Diamantschicht abzuscheiden und auf ein
zweites Substrat zu bonden, und abschließend das Siliziumsubstrat so
weit abzutragen, daß voneinander elektrisch isolierte Siliziuminseln
entstehen.
Dieses Verfahren besitzt folgende Nachteile:
- 1.) Der aktive Siliziumbereich (Inseln) wird durch den Abscheideprozeß stark geschädigt, und es treten hohe mechanische Spannungen auf. Durch Verwendung einer dünnen Zwischenoxidschicht zur Verbesse rung der Grenzfläche entstehen Schwierigkeiten bei der Diamantab abscheidung (verminderte Keimbildung, geringere Schichtqualität) und weiterhin kann es bei hohen Temperaturen zu einer chemischen Reaktion der Diamantschicht mit dem Oxid kommen.
- 2.) Die Dicke der Diamantschicht muß größer sein als die der aktiven Siliziumschicht.
- 3.) Am Rand des Substrats gerät die Diamantschicht in Kontakt zur umgebenden Atmosphäre.
- 4.) Es lassen sich mit diesem Verfahren keine vertikalen Bauelemente integrieren.
Alle bisher bekannten Verfahren erlauben daher nicht die Herstellung
von Halbleitersubstraten, die sowohl eine hohe Qualität der aktiven
Halbleiterschicht aufweisen, als auch mit Standard-Halbleiterprozessen
kompatibel sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Halbleitersubstratstruktur mit verringertem thermischen Widerstand zu
schaffen, deren aktive Halbleiterschicht eine hohe Kristallqualität
aufweist, und die die Herstellung von elektronischen Bauelementen mit
Standard-Prozessen erlaubt, und die es weiterhin ermöglicht, auch
vertikale Bauelemente zu fertigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der
Erfindung und ein Herstellungsverfahren sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Substrat wird beispielsweise wie folgt
hergestellt:
Zunächst wird eine strukturierte isolierende Diamantschicht auf einer
Oberfläche einer Scheibe, derart aufgebracht, daß zumindest der
Randbereich der Oberfläche nicht mit Diamant beschichtet ist. Darauf
wird eine Schicht aus einem bondfähigen Material abgeschieden, deren
Schichtdicke größer ist als die Rauhigkeit der Diamantschicht, und die
diese gegenüber der umgebenden Atmosphäre einschließt und die
Oberfläche der bondfähigen Schicht wird auf eine Rauhigkeit unter 50 nm
geglättet. Schließlich wird die bondfähige Schicht mit einer Scheibe
nach der Direktverbindungstechnik gebondet und eine der beiden
Scheiben auf diejenige Dicke gedünnt, die für die nachfolgende
Herstellung von Bauelementen erforderlich ist.
Beispielsweise kann die erste Scheibe ein Siliziumwafer sein, und die
Dicke der Diamantschicht etwa 1 µm betragen. Als Abscheideverfahren
kann ein mikrowellenunterstütztes Plasmaverfahren eingesetzt werden,
was derzeit die größte Reinheit der Schichten ermöglicht. Die
Diamantschicht kann durch einen photolithographischen Ätzschritt in
verschiedene inselförmige Bereiche unterteilt werden. Dann kann,
beispielsweise durch einen CVD- oder einen Epitaxieprozeß, Silizium mit
einer Dicke von 2 bis 5 µm deponiert werden, das gleichzeitig die
Diamantinseln umschließt. Nach einem Standard-Polierprozeß und einer
Reinigung läßt sich die Oberfläche des deponierten Siliziums mit einer
zweiten Scheibe bonden. Zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit kann
eine Temperung bei ca. 800°C bis 1000°C eingesetzt werden. Um
beispielsweise dielektrisch isolierte laterale Bauelemente oder
Schaltungen und vertikale Bauelemente in Silizium mit niedriger
Defektdichte zu integrieren ist es vorteilhaft, als zweite Scheibe einen
Siliziumwafer zu verwenden und diesen zu dünnen, je nach Anforderung
auf eine Dicke von ca. 1 bis 20 µm. Durch Atzen von Gräben in die
aktive Halbleiterschicht bis zur vergrabenen Diamantschicht und
Auffüllen zumindest mit einem Dielektrikum entstehen Siliziuminseln, die
vollständig elektrisch isoliert sind, und in denen laterale oder quasi
vertikale Bauelemente hergestellt werden können. In den Bereichen
zwischen den Diamantinseln können vertikale Bauelemente hergestellt
werden.
Da die Diamantschichten vollständig mit Silizium umgeben sind, wird
auch bei hohen Temperaturen von beispielsweise 1000°C in oxidierender
Atmosphäre eine Reaktion des Diamanten mit Sauerstoff unterbunden,
und damit die Schädigung der Diamantschicht verhindert. Die so
hergestellten Substratstrukturen lassen daher die Fertigung von
Halbleiterbauelementen mit Standard-Technologieprozessen zu. Im
Vergleich zu herkömmlichen SOI Substraten mit SiO₂-Isolation hat die
Diamant-Isolation einen viel höheren Wärmeleitwert. Vorteilhaft ist bei
dieser Struktur zwischen der aktiven Siliziumschicht und der
Diamantschicht eine relativ dünne polykristalline Siliziumschicht
vorhanden. Diese kann mechanische Spannungen auffangen, die aufgrund
der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Diamant und
Silizium auftreten können. Weiterhin kann diese Schicht dotiert werden,
und kann dann auch als vergrabene gut leitfähige Schicht z. B. für
quasi-vertikale Bauelemente eingesetzt werden.
Um sicherzustellen, daß auch nicht die geringe Menge des im Silizium
gelösten Sauerstoffs mit der Diamantschicht reagiert, und damit keine
Verunreinigungen aus der Diamantschicht in die aktiven Bereiche der
Bauelemente diffundieren, läßt sich bei dem erfindungsgemäßem
Verfahren eine zusätzliche erste diffusionshemmende Schicht, wie z. B.
Siliziumnitrid, auf der strukturierten Diamantschicht vor der
Siliziumdeposition abscheiden. Für diese Schicht ist eine Dicke von
100 nm in der Regel ausreichend. Gleichermaßen kann aber auch bereits
vor der Diamantabscheidung auf der Oberfläche der ersten Scheibe eine
zweite diffusionshemmende Schicht aus Siliziumnitrid ausgebildet werden,
oder auch eine Siliziumdioxid-Siliziumnitrid-Doppelschicht, wie sie z. B.
bei LOCOS-Prozessen zur Verhinderung einer Oxidation eingesetzt wird.
In diesem Fall wären Schichtdicken von ca. 50 nm SiO₂ und ca.
100 nm Si₃ N₄ zu wählen.
Diese Doppelschicht bietet zwei Vorteile:
- 1.) Sie gleicht mechanische Spannungen an der Oberfläche der ersten Scheibe aus,
- 2.) Sie stellt eine gute Basis für den Diamant-Depositionsprozeß dar.
In der erfindungsgemäßen Struktur kann die Dicke der Diamantschicht
frei nach den elektrischen und mechanischen Erfordernissen der
Bauelemente gewählt werden. Als zweite Scheibe können auch andere
Halbleitermaterialien, beispielsweise GaAs oder InP eingesetzt werden.
Wenn nur dielektrisch isolierte laterale Bauelemente hergestellt werden
sollen, kann die Diamantbeschichtung auf der Oberfläche der ersten
Scheibe mit Ausnahme des Randbereichs ganzflächig erfolgen. Der freie
Randbereich ist nötig, um das Einschließen der Diamantschicht durch die
erste diffusionshemmende Schicht und/oder die bondfähige Schicht
sicherzustellen und unempfindlich bei der mechanischen Handhabung der
Substratstrukturen zu machen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich,
das erste Substrat aus einem halbleitendem Material zu wählen und für
die Herstellung von aktiven Bauelementen zu dünnen. Da z. B. bei
Verwendung eines Siliziumwafers als erste Scheibe Oberflächen
defekte bei der Diamantabscheidung hervorgerufen werden, die zu einer
Verminderung der Materialqualität führen, ist es in diesem Fall
besonders vorteilhaft, vor der Diamantabscheidung auf der Oberfläche
Beschichtungen aufzubringen die als Pufferschicht mechanische
Spannungen ausgleichen können, bzw. als diffusionshemmende Schichten
wirken können.
Als isolierende Schichtfolge ist dafür besonders eine Doppelschicht aus
ca. 50 nm SiO₂ und ca. 100 nm Si₃ N₄ geeignet, die eine gute Grenzfläche
zum Silizium aufweist und gleichzeitig eine viel bessere
Keimbildungsschicht für das Diamantwachstum darstellt als eine reine
SiO₂-Oberfläche.
Für manche Anwendungen sind gut elektrisch leitende Schichten
wünschenswert. In diesem Fall kann vor der Diamantbeschichtung eine
Silizidschicht auf der ersten Scheibe hergestellt werden, mit typisch
100 nm Dicke. Auch eine solche Schicht wirkt gleichzeitig puffernd zum
Abbau mechanischer Spannungen.
Auch semiisolierende Schichten, wie beispielsweise sauerstoffdotiertes
Polysilizium (SIPOS), eignen sich als puffernde Schichten zwischen der
ersten Scheibe und der Diamantschicht.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand
der Zeichnungen beschrieben, woraus sich weitere Einzelheiten, Merkmale
und Vorteile ergeben. Der Übersichtlichkeit halber wird in den
Darstellungen als Halbleitermaterial Silizium gewählt und die Anzahl der
dielektrisch isolierten Bereiche auf maximal 2 begrenzt.
Es zeigen:
Fig. 1 Aufbau und Herstellung eines dielektrisch isolierten
Halbleitersubstrats nach dem Stand der Technik (US-Patent
5.186.785);
Fig. 2 Aufbau und Herstellung einer Halbleitersubstratstruktur, welche
die Integration vertikaler Bauelemente ermöglicht;
Fig. 3 Aufbau und Herstellung einer Halbleitersubstratstruktur mit
strukturierten diffusionshemmenden Schichten;
Fig. 4 Aufbau und Herstellung einer Halbleitersubstratstruktur mit einer
zusätzlichen diffusionshemmenden Schicht auf der strukturierten
Diamantschicht;
Fig. 5 Aufbau und Herstellung einer Halbleitersubstratstruktur mit einer
Pufferschicht und einer zweiten diffusionshemmenden Schicht auf
der ersten Scheibe und
Fig. 6 Aufbau und Herstellung einer Halbleitersubstratstruktur mit einer
Pufferschicht und einer zweiten diffusionshemmenden Schicht auf
der ersten Scheibe, wobei die erste Scheibe für die Herstellung
von Bauelementen gedünnt wird.
Fig. 1a-e zeigt den aus US-Patent No 5.186.785 bekannten Stand der
Technik, wo auf einem Siliziumwafer ein Diamantfilm und ein
Polysiliziumfilm angeordnet sind, wovon letzterer durch ein
Zonenschmelzverfahren rekristallisiert wird.
Fig. 2a-e zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Auf einer
Scheibe 1 aus einem halbleitendem Material wird eine strukturierte
elektrisch isolierende Diamantschicht 4 aufgebracht. Vorzugsweise
besteht die Scheibe 1 aus einer Siliziumscheibe (einem Siliziumwafer). Die
Diamantschicht 4 hat eine Dicke von 1 bis 2 µm und wird zunächst
ganzflächig ab geschieden und danach beispielsweise in einem Sauerstoff-
Plasmaätzprozeß strukturiert, so daß der Randbereich der
Siliziumoberfläche 1a unbeschichtet ist. Danach wird eine etwa 2 bis
5 µm dicke Schicht aus Polysilizium 6, beispielsweise mit einem CVD-
Prozeß, aufgebracht. Die Oberfläche dieser Schicht 6a wird durch
bekannte Verfahren, wie z. B. tribochemisches Polieren, geglättet und mit
einem zweiten Siliziumwafer 9 nach der Direktverbindungstechnik
verbunden, worauf zur Festigung der Verbindung eine Temperung bei
ca. 800°C bis 1000°C folgt. Anschließend wird die zweite Scheibe, d. h.
der zweite Siliziumwafer 9 durch Standardverfahren auf eine Enddicke
von ca. 1 bis 20 µm gedünnt. Wenn dielektrisch isolierte Bauelemente mit
Sperrspannungen im Bereich von 100 bis 200 V integriert werden sollen,
ist eine Dicke der resultierenden aktiven Siliziumschicht 9′ von ca. 5 bis
10 µm anzustreben, bei einer Dotierung um 1 × 10¹⁵ cm-3.
Zur Ausbildung von dielektrisch isolierten Inseln werden in der aktiven
Siliziumschicht 9′ Gräben bis mindestens zur Tiefe der Diamantschicht 4
hergestellt, z. B. über einen Ätzprozeß, die dann zumindest mit einem
Dielektrikum wieder aufgefüllt werden. Vorzugsweise werden zum
Auffüllen zwei Schichten verwendet: zunächst eine isolierende Schicht 10
aus SiO₂ und/oder Si₃ N₄ (z. B. ca 100 nm Si₃ N₄ gefolgt von ca. 1 µm
SiO₂) und danach eine Schicht 11 aus Polysilizium. Abschließend wird
die Oberfläche durch bekannte Verfahren planarisiert, so daß die in Fig.
2e dargestellte Halbleitersubstratstruktur entsteht. Die Anordnung der
Gräben bewirkt, daß in der aktiven Siliziumschicht 9′ vollständig
elektrisch isolierte Inselbereiche 12 entstehen, in denen laterale oder
quasi-vertikale Bauelemente integriert werden können, sowie Bereiche 13,
die elektrisch leitend mit der Rückseite der Substratstruktur 1b
verbunden sind, in denen vertikale Bauelemente integriert werden
können.
Die erste Scheibe 1 kann auch aus einem anderen halbleitendem Material,
beispielsweise dotiertem Diamant bestehen. Dann wäre eine vor Oxidation
schützende Umhüllung, beispielsweise aus Si₃ N₄ vorteilhaft. Die erste
Scheibe 1 muß nicht einkristallin sein. Wenn die erste Scheibe 1 aus
einem undotierten Halbleitermaterial oder einem Isolator besteht, können
nur laterale Bauelemente mit verringertem thermischen Widerstand
realisiert werden.
Die bondfähige Schicht 6 aus Polysilizium kann auch in einfacher Weise
dotiert werden oder durch ein Metall-Silizid ersetzt werden, was z. B. für
quasi-vertikale Bauelemente oder vertikale Bauelemente vorteilhaft sein
kann.
Als zweites Substrat 9 kann vorteilhaft auch ein mit einer
Ätzstopschicht versehener Halbleiterwafer eingesetzt werden.
Fig. 3a-f zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Auf der
Oberfläche 1a einer Siliziumscheibe (eines Siliziumwafers) 1 werden eine
Si₃ N₄-Schicht 3, die ca. 100 nm dick ist, und eine Diamantschicht 4, die
beispielsweise 2 µm dick ist, abgeschieden und nachfolgend strukturiert.
Danach wird eine weitere diffusionshemmende Si₃ N₄-Schicht 5
abgeschieden und strukturiert, so daß in definierten Bereichen die
Oberfläche 1a der ersten Scheibe 1 unbeschichtet ist. Danach wird
beispielsweise per Epitaxie eine etwa 3 bis 4 µm dicke Siliziumschicht 6,
die auf den Diamantinseln polykristallin, aber in den Zwischenbereichen
einkristallin aufwächst, abgeschieden und deren Oberfläche 6a
planarisiert und mit einer zweiten Scheibe, d. h. dem Siliziumwafer 9
gebondet. Der Siliziumwafer 9 wird durch Abschleifen, Ätzen und/oder
Polieren zu einer einkristallinen aktiven Schicht 9′ von beispielsweise 20
µm Dicke abgetragen. Durch Atzen von Gräben, Auffüllen mit einem
Isolatormaterial 10 und Polysilizium 11 und Planarisieren entsteht die in
Fig. 4f dargestellte Substratstruktur, die dielektrisch isolierte Inseln 12
und einkristalline Bereiche 13 für vertikale Bauelemente enthält, die mit
Standardprozessen kompatibel ist. In dieser Struktur werden sowohl die
Ausdiffusion etwaiger Verunreinigungen der Diamantschicht 4 als auch
die Oxidation der Diamantschicht 4 durch die diffusionshemmenden
Schichten 3, 5 besonders vorteilhaft verhindert.
Fig. 4a-d zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Auf einem
ersten Siliziumwafer 1 wird eine strukturierte elektrisch isolierende
Diamantschicht 4 derart aufgebracht, daß ein ca. 5 mm breiter
Randbereich auf der Waferoberfläche 1a unbeschichtet ist. Die Dicke der
Diamantschicht beträgt beispielsweise 200 µm. Danach wird per LPCVD-
Verfahren eine ca. 100 nm dicke Si₃ N₄-Schicht 5 und eine ca. 5 µm
dicke Polysiliziumschicht 6 abgeschieden. Die Oberfläche 6a wird poliert
und mit einem zweiten Halbleiterwafer 9 direkt gebondet. Nach einer
Temperung bei ca. 800°C bis 1000°C wird der zweite Halbleiterwafer 9
z. B. auf eine Dicke von 5 µm gedünnt. Auf dieser Substratstruktur
lassen sich laterale Bauelemente mit Standard-Halbleiterprozessen
fertigen. Wegen der Dicke der Diamantschicht kann nach der
Bauelementfertigung das erste Substrat 1 abgetragen werden, wodurch
sich der thermische Widerstand noch weiter reduzieren läßt. Bei dieser
Ausführungsform kann die diffusionshemmende Schicht 5 auch
weggelassen werden.
Fig. 5a-c zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Auf die
Oberfläche 1a eines ersten Siliziumwafers 1 wird eine SiO₂-Schicht 2 und
eine Si₃N₄-Schicht 3 nach bekannten Verfahren aufgebracht. Die Dicken
können beispielsweise 50 nm bzw. 100 nm betragen. Danach wird eine 0,5
bis 2 µm dicke Diamantschicht 4 aufgebracht und strukturiert, so daß
zumindest ein ca. 5 mm breiter Randbereich der Oberfläche 1a nicht mit
Diamant beschichtet ist. Dann wird beispielsweise eine 1 bis 3 µm dicke
Polysiliziumschicht 6 mit einem CVD-Prozeß abgeschieden uns deren
Oberfläche 6a poliert, und dann mit einem zweiten Siliziumwafer 9
gebondet. Abschließend wird der Wafer 9 auf das erforderliche Maß
gedünnt, so daß eine einkristalline aktive Schicht 9′ ausgebildet wird.
Die so aufgebaute Substratstruktur zeichnet sich durch eine geringe
Durchbiegung bei gleichzeitiger hoher Wärmeleitfähigkeit aus.
Fig. 6a-d zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Die
Herstellung erfolgt in gleicher Weise, wie in Fig. 5 dargestellt, außer,
daß am Ende statt des zweiten Siliziumwafers 9 der erste Siliziumwafer 1
zu einer dünnen Schicht 1′, beispielsweise 5 µm dick, abgetragen wird,
die als aktive Schicht zur Herstellung von Bauelementen dient. In dieser
Ausführungsform ist zwischen der aktiven Schicht 1′ und der
Diamantschicht 4 ein dünnes Oxid 2 vorhanden, das gute
Grenzflächeneigenschaften besitzt, und eine diffusionshemmende Si₃ N₄-
Schicht 3, die die Diffusion von Verunreinigungen und von Sauerstoff
unterbindet. In dieser Struktur kann vorteilhaft auch zur Integration
von quasi-vertikalen Bauelementen die Oxidschicht 2 durch eine
Metallsilizidschicht, oder zur Integration von lateralen Bauelementen für
höhere Spannungen durch eine semiisolierende Schicht, beispielsweise
aus SIPOS, ausgetauscht werden. Wenn bei dieser Ausführungsform die
Schichten 2, 3, 4 strukturiert werden, lassen sich gleichzeitig auch
vertikale Bauelemente integrieren.
Claims (33)
1. Substrat mit einer vergrabenen dielektrischen Diamantschicht, das
- - eine erste Scheibe (1) aus hochtemperaturbeständigem Material,
- - eine strukturierte Diamantschicht (4),
- - eine Schicht aus bondfähigem Material (6) und
- - eine zweite Scheibe (9) zur Integration von Bauelementen, als Schichtfolge aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die erste Scheibe (1) eine Diamantschicht (4) abgeschieden ist, die auf der Scheibe (1) einen Randbereich unbeschichtet läßt, und daß die Diamantschicht (4) von einer vor Oxidation schützenden Beschichtung umgeben ist.
daß auf die erste Scheibe (1) eine Diamantschicht (4) abgeschieden ist, die auf der Scheibe (1) einen Randbereich unbeschichtet läßt, und daß die Diamantschicht (4) von einer vor Oxidation schützenden Beschichtung umgeben ist.
2. Substrat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Scheibe (1) aus einem Halbleitermaterial besteht.
3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Scheibe (1) ein Siliziumwafer ist.
4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nicht mit Diamant beschichtete Randbereich der
Oberfläche der ersten Scheibe (1a) eine Breite von 1 bis 7 mm
besitzt.
5. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bondfähige Schicht (6) aus Polysilizium, einem Metallsilizid,
Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid besteht, oder aus den genannten
Materialien ein Mehrschichtsystem bildet.
6. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bondfähige Schicht (6) eine Dicke von 0,2 bis 10 µm
besitzt.
7. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der bondfähigen Schicht (6) und der Diamantschicht
(4) eine erste diffusionshemmende Schicht (5) angeordnet ist.
8. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste diffusionshemmende Schicht (5) aus AlN besteht.
9. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste diffusionshemmende Schicht (5) aus SiC besteht.
10. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste diffusionshemmende Schicht (5) aus Si₃ N₄ besteht.
11. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der diffusionshemmenden Schicht (5) 0,05 bis 0,2 µm
beträgt.
12. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Scheibe (9) aus einem Halbleitermaterial besteht.
13. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Scheibe (9) aus Si oder GaAs besteht.
14. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Oberfläche der ersten Scheibe (1) und der
Diamantschicht (4) eine Pufferschicht (2), welche
aus SiO₂, SIPOS oder einem Metallsilizid besteht, und/oder
eine zweite diffusionshemmende Schicht (3) angeordnet ist.
15. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Pufferschicht (2) 0,05 bis 0,2 µm beträgt.
16. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite diffusionshemmende Schicht (3) aus Si₃ N₄ besteht.
17. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite diffusionshemmende Schicht (3) aus AlN besteht.
18. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite diffusionshemmende Schicht (3) aus TiN besteht.
19. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite diffusionshemmende Schicht (3) aus SiC besteht.
20. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der zweiten diffusionshemmenden Schicht (3) 0,1 bis
2 µm beträgt.
21. Verfahren zum Herstellen eines Substrats nach einem der
Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß es die folgenden Schritte beinhaltet:
- - Aufbringen einer strukturierten isolierenden Diamantschicht (4) auf einer Oberfläche (1a) einer ersten Scheibe (1), derart daß zumindest der Randbereich der Oberfläche (1a) nicht mit Diamant beschichtet ist,
- - darauf Abscheiden einer Schicht (6) aus einem bondfähigen Material, deren Schichtdicke größer ist als die Rauhigkeit der Diamantschicht (4), und welche die Diamantschicht gegenüber der umgebenden Atmosphäre abschließt,
- - Glätten der Oberfläche (6a) der bondfähigen Schicht (6) auf eine Rauhigkeit unter 50 nm,
- - Bonden der bondfähigen Schicht (6) mit einer zweiten Scheibe (9) nach der Direktverbindungstechnik und
- - Dünnen eines der beiden Scheiben (1, 9) auf diejenige Dicke, die für die nachfolgende Herstellung von Bauelementen erforderlich ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die strukturierte Diamantschicht (4) durch ganzflächiges
Beschichten und nachfolgendes Ätzen mittels eines
Photolithographieprozesses hergestellt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die strukturierte Diamantschicht (4) durch selektive
Deposition aufgebracht wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Abscheidung der Diamantschicht (4) eine
Pufferschicht (2) auf der Oberfläche (1a) der ersten Scheibe (1)
aufgebracht wird, die mechanische Spannungen ausgleicht.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Abscheidung der Diamantschicht (4) eine zweite
diffusionshemmende Schicht (3) auf der Oberfläche (1a) der ersten
Scheibe (1) aufgebracht wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Abscheidung der Diamantschicht (4) eine
Pufferschicht (2) und eine zweite diffusionshemmende Schicht (3)
auf der Oberfläche (1a) der ersten Scheibe (1) aufgebracht
werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Scheibe (9) zu einer aktiven Schicht (9′) zur
Herstellung von Bauelementen gedünnt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Scheibe (1) nach der Fertigung der Bauelemente
abgetragen wird.
29. Verfahren nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die diffusionshemmende Schicht (5) strukturiert wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Scheibe (1) zu einer aktiven Schicht (1′) zur
Herstellung von Bauelementen gedünnt wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der aktiven Schicht (1′, 9′) 0,1 bis 20 µm dick
hergestellt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Glätten der bondfähigen Schicht (6) durch
tribochemisches Polieren geschieht.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944426420 DE4426420C1 (de) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Substrat mit vergrabener Diamantschicht und Verfahren zu dessen Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944426420 DE4426420C1 (de) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Substrat mit vergrabener Diamantschicht und Verfahren zu dessen Herstellung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4426420C1 true DE4426420C1 (de) | 1996-02-01 |
Family
ID=6524159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19944426420 Expired - Fee Related DE4426420C1 (de) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Substrat mit vergrabener Diamantschicht und Verfahren zu dessen Herstellung |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4426420C1 (de) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0317124A2 (de) * | 1987-11-16 | 1989-05-24 | Crystallume | Silizium-auf-Isolator-Halbleiter-Komponenten, die dünne Schichten aus synthetischem Diamant enthalten |
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1994
- 1994-07-26 DE DE19944426420 patent/DE4426420C1/de not_active Expired - Fee Related
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