DE60035994T2 - Verfahren zur Herstellung eines dünnen selbsttragenden Halbleitervorrichtungsfilms und einer dreidimensionalen Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines dünnen selbsttragenden Halbleitervorrichtungsfilms und einer dreidimensionalen Halbleitervorrichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler integrierter Schaltungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen freistehenden Halbleiterbauelementschicht, in der sich eine Vielzahl von Durchgangslöchern von den Bauelementen und/oder von Metallisierungsschichten bis zu einer Oberfläche der dünnen freistehenden Halbleiterbauelementschicht erstrecken. Die freistehende Halbleiterbauelementschicht und individuelle daraus gewonnene Chips werden daraufhin dazu verwendet, eine dreidimensionale integrierte Schaltung herzustellen.
  • Dreidimensionale Integration, das heißt vertikale Zusammenschaltung von mittels Planartechnologie hergestellter Bauelemente wird zunehmend wichtig, da höhere Packungsdichten und Schaltraten im Vergleich zu zweidimensionalen Systemen erreicht werden können. Gegenwärtige in der Praxis oder der Literatur verfügbare Verfahren zur vertikalen Zwischenverbindung oder Zusammenschaltung von VLSI-Bauelementen sind allerdings relativ komplex. Die VLSI-Chips müssen irgendwelche durch den Wafer durchgängige Strukturen zum vertikalen (rückseitigen) Zusammenschalten und rückseitigen Kontakt aufweisen und für gute elektrische Leistung (geringer vertikaler Zusammenschaltungswiderstand) und gute thermische Steuerung (kleinstmögliche thermische Masse des gestapelten Siliziums) bis zur geeigneten Dicke verdünnt werden. Die Enddicke der vertikalen integrierten Chips ist ebenfalls in Endprodukten wichtig, wo das Gesamtvolumen der ICs und nicht nur die Dichte in x und y ein Hauptunterscheidungsmerkmal ist, wie in Handgeräten oder mobilen Geräten.
  • In einem ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung ist es notwendig, dünne Chips herzustellen, die vollständig prozessierte Halbleiterbauelemente und Zusammenschaltungsöffnungen enthalten, die von den Bauelementen zu einer Oberfläche der dünnen Chips führen. Es gibt in der Literatur beschriebene oder von Anbietern erhältliche Verfahren zur Ausdünnung von Wafern nach der vollständigen Integration. Beispielsweise beinhalten die Verfahren, wie sie von der Firma Tru-Si Technologies vorgeschlagen werden (vergleiche dazu Literatur und Anzeigen von Tru-Si Technologies, einem Ausrüstungsanbieter), Schleifen und eine spezielle Art des Plasmaätzens zur Ausdünnung des gesamten Wafers. Das spezielle Plasmaätzen hat eine relativ langsame Ätzrate und die Anlagen sind relativ teuer. Schließlich beginnen Wafer dünner als 300 μm (für 200 mm Wafer) erhebliche Handhabungsherausforderungen aufgrund von Biegen zu stellen. In dieser dreidimensionalen gestapelten Chipanwendung jedoch sollte die Enddicke unter 100 μm betragen und vorzugsweise nicht dicker sein als durch die Tiefen der Übergänge zusammen mit der benötigten Dicke des für die zu schichtenden aktiven Schaltungen benötigten darunter liegenden Substrats erforderlich. Zum Beispiel sollte sich für ein 64M DRAM mit tiefen Grabenkondensatoren und mit metall-, metallsilizid- oder dotierten polysilizium-befüllten Gräben als vertikale Zwischenverbindung die Dicke des fertigen Chips für die dreidimensionale Integration im Bereich zwischen 15 und 20 μm bewegen. Die Dicke des Chips bestimmt die Länge der vertikalen Zwischenverbindung. Dickere Chips bedeuten demnach erhöhte Schwierigkeit in der Prozessierung und Befüllung der Zusammenschaltungsdurchgangslöcher und einen erhöhten Widerstand der vertikalen Zusammenschaltungen. Für VLSI-Chips ohne diese Grabenkondensatoren oder tiefen Übergänge jedoch könnten die Chips dünner und die vertikalen Zusammenschaltungen leichter zu prozessieren sein.
  • Es ist recht schwierig einen anfänglichen Wafer von voller Dicke (ungefähr 750 μm für 200 mm Wafer) auf unter 100 μm mit guter Gleichmäßigkeit und unbeschädigt zu verdünnen. US-PS-5,563,084 , deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in dieser Schrift aufgenommen wird, offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung.
  • Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte: Bereitstellen eines ersten Substrats, das an einer ersten Oberfläche mit zumindest einer vollständig prozessierten, eine Vielzahl unabhängiger Bauelemente oder Schaltungen in einer Nebeneinanderanordnung enthaltenden Bauelementebene versehen ist, wobei die Bauelemente oder Schaltungen einer Vielzahl von Bauelementebenen einen Bauelementstapel bilden; Bereitstellen eines zweiten Substrats, das an einer Oberfläche mit zumindest einer vollständig prozessierten, eine Vielzahl unabhängiger Bauelemente oder Schaltungen in einer Nebeneinanderanordnung enthaltenden Bauelementebene versehen wird, wobei die Bauelemente und Schaltungen einer Vielzahl von Bauelementebenen einen Bauelementstapel bilden und die Bauelemente, Bauelementstapel und Schaltungen auf eine Unterscheidung funktionstüchtiger und fehlerhafter Bauelemente geprüft worden sind; Verbinden der einen Oberfläche des zweiten Substrats mit einem Hilfssubstrat; Ausdünnen oder Verringern des zweiten Substrats von einer der einen Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche aus; Trennen des Hilfssubstrats und der mit ihr verbundenen Bauelemente in individuelle Chips jeweils enthaltend funktionstüchtige oder fehlerhafte Bauelemente, Bauelementstapel oder Schaltungen; Ausrichten und Anbringen von Chips, die funktionstüchtige Bauelemente, Bauelementstapel oder Schaltungen beinhalten, in einer Nebeneinanderanordnung auf der ersten Seite des ersten Substrats; Entfernen des Hilfssubstrats; Planarisieren von Mulden, die zwischen individuellen Chips als Folge ihres Ausrichtens und Anbringens entstanden sind; und gleichzeitig mit oder anschließend an das Anbringen der Chips: Bereitstellen der elektrischen Kontakte zwischen den Bauelementen, Bauelementstapeln oder Schaltungen der angebrachten Chips und den Bauelementen, Bauelementstapeln und Schaltungen des ersten Substrats. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das zweite Bauelementsubstrat als aus einem normalen Siliziumwafer hergestellt gezeigt. Es wird ebenfalls offenbart, dass das zweite Substrat aus einem Silizium-auf-Isolator-(SOI)Substrat her gestellt sein kann. In diesem Fall wird erwähnt, dass, wenn das zweite Substrat verdünnt oder verringert wird, anstatt dass das obere Substrat bis nahe die Bauelementschichten herunter verdünnt wird, das Substrat unter der Oxidschicht des SOI Substrats entfernt werden kann.
  • Ein ähnliches Verfahren wird in DE 198 13 239 C1 offenbart. Sie stellt auch fest, dass das zu verringernde und verdünnende Substrat ein SOI-Substrat sein kann. Darüber hinaus lehrt sie, dass vor dem Verdünnen des Substrats die Durchgangslöcher durch die Oxidschicht ausgebildet werden sollten und das Verdünnen des Substrats beendet werden sollte, wenn die Oxidschicht erreicht ist.
  • Die Verfahren, wie sie in den zwei oben genannten Patenten offenbart sind, sind unvorteilhaft, da die Durchgangslöcher und damit die vertikalen Zwischenverbindungen relativ lang sind, weil sie durch die Bauelementschicht und die unter der Bauelementschicht gebildete Oxidschicht ausgebildet werden müssen. Daher ist es schwierig, vertikale Zwischenverbindungen herzustellen, die einen genügend geringen Widerstand aufweisen, um Bauelemente in gegenüberliegenden Bauelementebenen elektrisch zu verbinden. Zudem ist es aufgrund der Länge und des Aspektverhältnisses der Durchgangslöcher im Stand der Technik schwierig, das elektrisch leitende Material verlässlich aufzubringen.
  • Die Druckschrift US-A-5,851,894 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung vertikal integrierter mikroelektronischer Systeme durch unabhängiges Prozessieren individueller Komponentenschichten von zumindest zwei getrennten Substraten inklusive der Ausbildung von Durchgangslöchern, die durch alle bestehenden Komponentenschichten reichen, und Zusammenverbinden der vorderen Oberflächen der zwei Substrate, Ausdünnen der gegenüberliegenden Oberfläche eines des Substrate bis hinab zu den Durchgangslöchern, Erweitern der Tiefe der Durchgangs löcher bis zu einer Metallisierungsschicht des anderen Substrats und Ausbilden elektrisch leitfähiger Verbindungen zwischen den zwei Substraten durch die Durchgangslöcher. Insbesondere wird bereitgestellt ein Halbleiterstück, welches an einer seiner Oberfläche mit einer Halbleiterbauelementschicht versehen ist, die eine Vielzahl unabhängiger darin angeordneter Bauelemente aufweist, eine vergrabene Isolationsschicht unter der Halbleiterbauelementschicht, ein Halbleitersubstrat, das sich von der vergrabenen Isolationsschicht bis zu einer Oberfläche gegenüber der besagten einen Oberfläche erstreckt, und eine Vielzahl von Durchgangslöchern, die sich von den Bauelementen und/oder von den Metallisierungsschichten bis zu der vergrabenen Isolationsschicht erstrecken. Der Schritt des Verringerns der Dicke des Halbleitersubstrats von besagter Oberfläche gegenüber der besagten einen Oberfläche wird ausgeführt durch einen ersten Ätzschritt des Ätzens des Halbleitersubstrats bis zur Isolationsschicht, sodass die Isolationsschicht als eine Ätzstoppschicht wirkt, und einen zweiten Ätzschritt des Ätzens der Isolationsschicht bis zur Halbleiterbauelementschicht, sodass die Halbleiterbauelementschicht als eine Ätzstoppschicht wirkt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen freistehenden Durchgangslöcher oder vertikale Zwischenverbindungen aufweisenden Halbleiterbauelementschicht bereitzustellen, das in der Lage ist, Bauelementschichten von im Vergleich zum Stand der Technik verringerter Dicke bereitzustellen und ferner den verdünnten Wafer mit mechanischer Stabilität zu versehen und die Handhabung des verdünnten Wafers zu erleichtern. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung durch Verwenden von dünnen Halbleiterbauelementschichten bereitzustellen, die durch das erfindungsgemäße Verfahrens erhalten werden.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu erreichen, wird ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen freistehenden Halbleiterbauelementschicht gemäß der Merkmale von Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Eine wichtige Lehre der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, dass wenn ein sogenanntes SOI-(Silizium-auf-Isolator)Substrat oder, mit einem allgemeineren Ausdruck, ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat verwendet wird, die Durchgangslöcher nur bis zur Isolationsschicht, insbesondere zur Oxidschicht, ausgebildet werden sollten, und die Isolationsschicht entfernt wird, wenn das Substrat verringert und verdünnt wird. Die Entfernung der Isolationsschicht und die Verwendung der Isolationsschicht und der Bauelementschicht als Ätzstoppschichten in den zwei Ätzschritten erlauben es, eine dünne freistehende Halbleiterbauelementschicht unter genauer Steuerung der Dicke herzustellen. Auch die Länge der Durchgangslöcher und damit die Länge der vertikalen Zwischenverbindungen kann auf die Dicke der Halbleiterbauelementschicht beschränkt werden, sodass die Durchgangslöcher leicht mit elektrisch leitendem Material befüllt und die vertikalen Zwischenverbindungen mit genügend geringem Widerstand erhalten werden können.
  • Das Halbleiterstück, insbesondere das wie im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete SOI-Substrat, kann durch verschiedene Verfahren vorbereitet werden. Gemäß eines Verfahrens wird die vergrabene Isolationsschicht durch Implantieren von Ionen des Isolationsschichtmaterials in das Halbleiterstück erzeugt. In einem anderen Verfahren wird das Halbleiterstück durch das wohlbekannte Waferbonden hergestellt, wobei zwei Halbleiterwafer mit Isolationsschichten auf einer ihrer jeweiligen Oberflächen bereitgestellt und an ihren jeweiligen Isolationsschichten zusammengebondet werden und die Halbleiterschicht eines der Wafer verdünnt wird, um die besagte Halbleiterbauelementschicht zu werden. Danach werden die Bauelemente in der Halbleiterbauelementschicht prozessiert.
  • Um die Isolationsschicht und die Halbleiterbauelementschicht als Ätzstoppschichten wirken zu lassen, werden die Ätzbedingungen dergestalt eingestellt, dass Ätzselektivitäten von mehr als 10, insbesondere 20 bis 50, zwischen dem jeweiligen zu ätzenden Material und dem jeweiligen Ätzstoppschichtmaterial eingestellt werden. Beispielsweise weist das Ätzmittel des Halbleitermaterials, insbesondere im Falle von Si, KOH oder TMAH auf. Das Ätzmittel der vergrabenen Isolationsschicht, insbesondere im Falle von SiO2, kann dann HF aufweisen. Nachdem das SiO2 entfernt worden ist, kann eine letzte gezielte Siliziumätzung verwendet werden, um das Bauelementschichtsilizium zu vertiefen oder zurückzubilden, sodass die leitergefüllten Durchgänge erhabene Charakteristiken auf der Rückseite zum darauffolgenden Kontaktieren in dem Stapelbildungsprozess ausbilden.
  • Wenn die Dicke des Halbleitersubstrats verringert wird, wird ein Abschnitt des Halbleitersubstrats, insbesondere ein ringförmiger Randabschnitt, durch eine Maskierungsschicht abgedeckt und nicht in der Dicke verringert. Dies vermeidet die Notwendigkeit des Verbindens eines Hilfssubstrats mit der Oberfläche auf der Seite der Bauelementschicht, wie in der oben genannten US-PS-5,563,084 offenbart.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten Substrats, welches an einer Oberfläche davon mit einer ersten Bauelementschicht versehen ist, die eine Vielzahl von unabhängigen Bauelementen aufweist (Schritt A), Herstellen einer dünnen freistehenden Halbleiterbauelementschicht gemäß des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Halbleiterstück als einem zweiten Substrat (Schritt B), Trennen der Bauelemente in der Halbleiterbauelementschicht des zweiten Substrats in individuelle Chips (Schritt C), Montie ren der Chips auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats (Schritt D). Elektrische Zwischenverbindungen zwischen den Bauelementen der montierten Chips und den Bauelementen in der ersten Bauelementschicht können nachfolgend durch Aufbringen eines elektrisch leitenden Materials in den Durchgangslöchern ausgebildet werden. Dies kann jedoch auch vor dem Stapeln der Chips bewerkstelligt werden, zum Beispiel direkt nach der Ausbildung der Durchgangslöcher.
  • Dieses Verfahren ist ein Chip-auf-Wafer-Stapelungs-Verfahren. In Bezug auf Einzelheiten der Schritte A bis D wird hiermit Bezug genommen auf den Stand der Technik, insbesondere auf US-PS-5,563,084 und die darin enthaltene Beschreibung von Spalte 3, Zeile 46 bis Spalte 4, Zeile 67.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung, das Chip-auf-Chip-Stapelungs-Verfahren genannt werden könnte, umfasst die Schritte: Herstellen einer ersten dünnen freistehenden Halbleiterbauelementschicht gemäß des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem ersten Halbleiterstück als dem Substrat (Schritt A), Trennen der Bauelemente in der Halbleiterbauelementschicht des ersten Halbleiterstücks in individuelle erste Chips (Schritt B), Herstellen einer zweiten dünnen freistehenden Halbleiterbauelementschicht gemäß des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem zweiten Halbleiterstück als dem Substrat (Schritt C), Trennen der Bauelemente in der Halbleiterbauelementschicht des zweiten Halbleiterstücks in individuelle zweite Chips (Schritt D), Montieren der ersten Chips auf die zweiten Chips (Schritt E), und, falls nötig, Stapeln von weiteren Chips auf die ersten oder zweiten Chips, bis eine gewünschte Stapelhöhe erreicht ist (Schritt F).
  • Im Folgenden wird eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Figuren beschrieben, die zeigen:
  • 1A, B einen SOI-Wafer mit einer vollständig prozessierten Bauelementschicht und Durchgangslöchern, die durch die Bauelementschicht zur Oxidschicht ausgebildet sind, in einer Teilquerschnittsansicht (A) und einer Unterseitenansicht (B);
  • 2 den SOI-Wafer nach dem ersten Ätzschritt des Ätzens des Siliziumsubstrats unter der Oxidschicht und eine vergrößerte Ansicht einer vertikalen Zwischenverbindung;
  • 3 den SOI-Wafer nach dem zweiten Ätzschritt des Ätzens der Oxidschicht unter der Bauelementschicht;
  • 4 den Schritt des Montierens eines Bandes auf die obere Oberfläche der Bauelementschicht zum Zwecke ihrer Zerteilung in individuelle Chips.
  • Ein SOI-Substrat, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet und abgebildet in 1A, umfasst im Allgemeinen eine obere kristalline Siliziumschicht 3, eine vergrabene Oxidschicht 2 und ein dickes Siliziumsubstrat 1. Die vergrabene Oxidschicht 2 kann durch das Implantieren von Sauerstoff-Ionen wohldefinierter Ionenenergie erzeugt werden. Die Ionenenergie bestimmt die Eindringtiefe der Ionen in das Siliziummaterial und damit die Dicke der oberen kristallinen Schicht 3. Ein anderer Weg, das SOI-Substrat herzustellen, ist das Waferbondingverfahren, wobei zwei Siliziumwafer mit einem thermisch gewachsenen Oxid auf einer ihrer jeweiligen oberen Oberflächen an ihren Oxidschichten zusammengebondet werden und danach das Halbleitersubstrat eines der Wafer verdünnt wird, um die kristalline Siliziumschicht 3 zu werden, wie in 1A gezeigt ist. In diesem Fall erhält man eine scharfe Kante zwischen der kristallinen Siliziumschicht 3 und der Oxidschicht 2.
  • 1B zeigt eine Unterseitenansicht des SOI-Wafers, wie in 1A gezeigt. Auf der rückseitigen Oberfläche des SOI-Wafers wird eine Ätzmaskierungsschicht 4 auf einem ringförmigen Randabschnitt der Rückseite des SOI-Substrats zum Zwecke der Aussparung einer Zone Siliziums voller Dicke in den Ätzschritten aus Gründen der mechanischen Stabilität gebildet. Die Fläche des Querschnitts von 1A ist durch die Linie A-A in 1B angedeutet.
  • Die obere kristalline Siliziumschicht 3 kann in eine obere Bauelement- und Metallisierungsschicht 3a unterteilt sein, in der eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen wie MOS-Transistoren und dergleichen in einer Nebeneinanderanordnung ausgebildet und mit den Metallisierungsschichten verbunden werden. Von diesen Bauelementen und/oder von den Metallisierungsschichten werden Durchgangslöcher dergestalt ausgebildet, dass sie sich in einer vertikalen Richtung bis zur oberen Oberfläche der vergrabenen Oxidschicht 2 erstrecken, wobei die vergrabene Oxidschicht als ein Ätzstopp im Ätzschritt für die Durchgangslöcher dient. Die Durchgangslöcher können vor, während oder nach der Ausbildung der Bauelemente und ihrer Metallisierungsschichten geätzt werden. Die Durchgangslöcher werden dann mit einem elektrisch leitenden Material 31 wie einem Metall, einem Metallsilizid oder dotiertem Polysilizium befüllt, um vertikale Zwischenverbindungen 30 zu werden. Zur Isolation des elektrisch leitenden Materials 31 von dem Siliziummaterial der Schicht 3b wird eine dielektrische Schicht 32, insbesondere aus Siliziumdioxid, Oxynitrid oder Siliziumnitrid, auf die Wände der Durchgangslöcher aufgebracht, bevor das leitende Material 31 eingefüllt wird. Nach der Aufbringung der Isolationsschicht wird die Isolations schicht am Boden des Durchgangs anisotrop geöffnet, bevor das elektrisch leitende Material eingefüllt wird.
  • Der SOI-Wafer 10 ist in 2 nach dem ersten Ätzschritt des Ätzens des Siliziumsubstrats 1 in dem Bereich gezeigt, der nicht durch die Maskierungsschicht 4 abgedeckt ist. In diesem ersten Ätzschritt wirkt die Oxidschicht 2 als eine Ätzstoppschicht. Zu diesem Zwecke muss ein Ätzmittel hoher Ätzselektivität zwischen Si und SiO2 ausgewählt werden. Mit Ätzmitteln wie KOH oder TMAH können Ätzselektivitäten von etwa 20:1 erreicht werden. Es ist einsichtig, dass die Anordnung der Ätzkammer dergestalt ist, dass nur die Rückseite des Wafers dem Ätzmittel ausgesetzt ist. Es kann auch die Vorderseite des Bauelementwafers mit einer Opferschicht aus ätzresistentem Material beschichtet und geschützt werden.
  • Danach wird die Oxidschicht 2 wie in 3 abgebildet geätzt. In diesem Fall muss ein nasses Ätzmittel mit einer hohen Ätzselektivität von SiO2 in Bezug auf Si verwendet werden. Beispielsweise kann HF als Ätzmittel für diesen zweiten Ätzschritt verwendet werden. Der zweite Ätzschritt erzeugt damit eine dünne Siliziumbauelementschicht erforderlicher Dicke, die von einem unregelmäßig geformten Ring von Silizium voller Dicke unter der Maskenschicht 4 umgeben ist, die dem verdünnten Wafer mechanische Stabilität verleiht und ferner Handhabungsmittel zur Handhabung des verdünnten Siliziumwafers bereitstellt. Nach dem zweiten Ätzschritt werden die Unterseiten der vertikalen Zwischenverbindungen 30 freigelegt. In diesem Fall, wo die dielektrische Schicht 32 auf der Unterseite der vertikalen Zwischenverbindungsstruktur vor dem Aufbringen leitenden Materials 31 geöffnet worden ist, muss die Oxidätzung auch selektiv für die Füllung 31 sein.
  • Der Wafer wird dann kopfüber auf einem gewöhnlichen Band 5 wie in 4 gezeigt montiert. Das Band 5 kann an einen Rahmen angebracht werden (nicht gezeigt). Mit einem gewöhnlichen Sägeblatt 6 kann die Bauelementschicht 3 dann in individuelle Bauelementchips zerteilt werden. Die Strukturierung der vertikalen Zwischenverbindungen 30 beinhaltete Bezugsmarken zur Ausrichtung der Wafersäge von der Rückseite der Bauelementschicht 3, auf der die Bauelemente platziert sind. Nach diesem Wafersägeschritt werden die individuellen Bauelementchips danach von dem Band 5 an ihrer rückseitigen Oberfläche zur darauffolgenden dreidimensionalen Zusammenfügung herausgegriffen.
  • In der Ausführungsform wie in 1 bis 4 dargestellt, werden die vertikalen Zwischenverbindungen 30 sofort nach dem Ätzen der Durchgangslöcher durch die Bauelementschicht 3 ausgebildet, indem die dielektrische Schicht 32 ausgebildet wird und die Durchgangslöcher mit einem elektrisch leitenden Material 31 befüllt werden, wobei all das passiert, bevor die mehrschichtige Metallisierung (MLM) auf dem Bauelement aufgebaut wird. Diese Integration „während der Fertigung" unterstützt eine bessere Designeffizienz, weil die Chipzwischenverbindungen über Durchgänge mit der MLM verbunden sind. Die vorliegende Erfindung könnte jedoch auch mit der vertikalen Zwischenverbindungsausbildung wie in US-PS-5,563,084 offenbart vereint werden, wobei die Chips nach der Verdünnung gestapelt werden und die Ausbildung der vertikalen Zwischenverbindungen nach der dreidimensionalen Zusammenfügung der Bauelementchips bewerkstelligt wird. Schließlich könnte die Zwischenverbindung durch den Wafer im anfänglichen Substrat vor der Bauelementausbildung ausgebildet werden, aber dann muss das leitfähige Füllmaterial 31 mit der Hochtemperaturverarbeitung, die in der Halbleiterintegration „zu Beginn der Fertigung" verwendet wird, verträglich sein. Dieser Vorgang erfordert möglicherweise IR-Bildgebung durch die Siliziummembran, falls sie nicht durchscheinend genug ist, um sichtbares Licht zur Ausrichtung des Sägeblattes 6 auf die Metallmuster auf der Vorderseite der Bauelementschicht 3 zu verwenden.
  • In einem Chip-auf-Wafer-Stapelverfahren zur dreidimensionalen Integration können die somit erhaltenen dünnen Chips auf einem Substrat montiert werden, welches an einer Oberfläche davon mit einer Bauelementschicht versehen ist, die eine Vielzahl unabhängiger Bauelemente aufweist, wie im Grunde offenbart in US-PS-5,563,084 .
  • Allerdings ist es ebenfalls möglich, dass der Vorgang der Herstellung dünner Chips wiederholt wird, sodass von dem ersten Vorgang ein erster Satz an dünnen Chips und von dem zweiten Vorgang ein zweiter Satz an dünnen Chips erhalten wird und die ersten Chips auf die zweiten Chips montiert werden. Solch ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung kann ein Chip-auf-Chip-Stapelverfahren genannt werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen, freistehenden Halbleiter-Bauelementschicht (3), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Halbleiterstücks (10), welches an einer seiner Oberflächen mit einer Halbleiter-Bauelementschicht (3) versehen ist, die eine Vielzahl von darin angeordneten, unabhängigen Bauelementen aufweist, eine vergrabene Isolationsschicht (2) unter der Halbleiter-Bauelementschicht (3), ein Halbleitersubstrat (1), das sich von der vergrabenen Isolationsschicht (2) bis zu einer Oberfläche erstreckt, die der besagten einen Oberfläche gegenüberliegt, und eine Vielzahl von Durchgangslöchern, die sich von den Bauelementen und/oder von in der Bauelementschicht (3) angeordneten Metallisierungsschichten bis zu der vergrabenen Isolationsschicht (2) erstreckt, b) Anbringen einer Maskenschicht (4) an einem ringförmigen Randabschnitt auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) und Verringern der Dicke des Halbleitersubstrats (1) von der besagten Oberfläche, die der besagten einen Oberfläche gegenüberliegt, in dem unmaskierten Bereich, wobei Schritt b) umfasst: b.1) einen ersten Ätzschritt des Ätzens des Halbleitersubstrats (1) bis zu der Isolationsschicht (2), sodass die Isolationsschicht (2) als eine Ätzstoppschicht wirkt, b.2) einen zweiten Ätzschritt des Ätzens der Isolationsschicht (2) bis zu der Halbleiter-Bauelementschicht (3), sodass die Halbleiter-Bauelementschicht (3) als eine Ätzstoppschicht wirkt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vergrabene Isolationsschicht (2) des Halbleiterstücks (10) durch Implantieren von Ionen der Art der Isolationsschicht in das Halbleiterstück (10) erzeugt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterstück (10) hergestellt wird durch Bereitstellen von zwei Halbleiterwafern mit Isolationsschichten auf einer ihrer entsprechenden Oberflächen und ihr Zusammenbonden an ihren entsprechenden Isolationsschichten und Verdünnen der Halbleiterschicht auf einer Seite, sodass sie die besagte Halbleiter-Bauelementschicht (3) wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzbedingungen derart sind, dass Ätzselektivitäten von mehr als 10, insbesondere ungefähr 20, zwischen dem entsprechenden zu ätzenden Material und der entsprechenden Ätzstoppschicht eingestellt sind.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Ätzschritt ein mechanischer Schleifschritt zum teilweisen Verdünnen des Halbleitersubstrats ausgeführt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel des Halbleitersubstrats, insbesondere im Falle von Si, KOH oder TMAH aufweist.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmittel der vergrabenen Isolationsschicht (2), insbesondere im Falle von SiO2, HF aufweist.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) die besagte eine Oberfläche des Halbleiterstücks auf einem Band (5) montiert wird.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher mit einem elektrisch leitenden Material (31) befüllt sind.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Durchgangslöcher vor dem Befüllen mit dem elektrisch leitenden Material (31) mit einer Isolationsschicht (32), insbesondere aus Siliziumdioxid, Oxynitrid oder Siliziumnitrid, beschichtet werden.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Aufbringung der Isolationsschicht (32) die Isolationsschicht (32) auf dem Boden des Durchgangs anisotrop geöffnet wird, bevor das elektrisch leitende Material eingefüllt wird.
  12. Ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung (Chip-auf-Wafer-Stapelung), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines ersten Substrats, welches an einer Oberfläche davon mit einer ersten Bauelementschicht versehen ist, die eine Vielzahl unabhängiger Bauelemente aufweist; B) Herstellen einer dünnen, freistehenden Halbleiter-Bauelementschicht (3) gemäß der Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche mit einem Halbleiterstück (10) als einem zweiten Substrat; C) Trennen der Bauelemente in der Halbleiter-Bauelementschicht (3) des zweiten Substrats in individuelle Chips; D) Montieren der Chips auf die erste Oberfläche des ersten Substrats.
  13. Ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung (Chip-auf-Chip-Stapelung), umfassend die Schritte: A) Herstellen einer ersten dünnen, freistehenden Halbleiter-Bauelementschicht (3) gemäß der Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 11 mit einem ersten Halbleiterstück; B) Trennen der Bauelemente in der Halbleiter-Bauelementschicht (3) des ersten Halbleiterstücks in individuelle erste Chips; C) Herstellen einer zweiten dünnen, freistehenden Halbleiter-Baulementschicht (3) gemäß der Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 11 mit einem zweiten Halbleiterstück; D) Trennen der Bauelemente in der Halbleiter-Bauelementschicht (3) des zweiten Halbleiterstücks in individuelle zweite Chips; E) Montieren der ersten Chips auf die zweiten Chips; F) falls notwendig, Stapeln von weiteren Chips auf die ersten oder zweiten Chips, bis eine gewünschte Stapelhöhe erreicht ist.
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