WO1994025982A1 - Kontaktstrukturierung für vertikale chipverbindungen - Google Patents

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WO1994025982A1
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contact
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Josef Winnerl
Johann Alsmeier
Walter NEUMÜLLER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to semiconductor components with a special contact structuring which is provided for a vertical electrically conductive connection of a plurality of semiconductor components. Associated manufacturing processes are also given.
  • a known method for producing three-dimensional ICs is based on depositing a further semiconductor layer (e.g. silicon) over a level of components and recrystallizing them using a suitable method (e.g. local heating using a laser) and a further component therein - to realize the middle level.
  • a suitable method e.g. local heating using a laser
  • This technique also has significant limitations, which are given by the thermal load on the lower level during recrystallization and the achievable yield limited by defects.
  • NEC NEC-like component structures
  • These levels are thinned down to a few microns and bonded together using wafer bonding.
  • the electrical connections are made in such a way that the individual component levels are provided on the front and rear with contacts for the interchip connection.
  • This method has the following disadvantages and restrictions: The thinned slices must be processed on the front and on the back in technical processes (lithography with adjustment by the semiconductor wafer). Testing for the functionality of the individual levels before assembly is made more difficult by the fact that with this method individual components, but not complete circuits, are implemented in each level. By thinning the panes down to the functional elements, SOI-like component structures are created, so that panes prefabricated using standard technologies (eg standard CMOS) cannot be used.
  • standard technologies eg standard CMOS
  • the object of the present invention is to provide semiconductor components with a contact structuring suitable for three-dimensional contacting, which is simple to manufacture and which is improved compared to previous wirings, and associated manufacturing processes.
  • the contact structuring has metal pins which are connected to the areas to be contacted on the top of a substrate. orderly layer structure are electrically conductively connected to functional elements and completely penetrate the substrate and protrude beyond the opposite underside of the substrate to such an extent that an electrically conductive connection of these metal pins to metal contacts on the top of another semiconductor component is possible.
  • wafers prefabricated using standard technologies can be used. There is no need to intervene in the usual basic technologies, since the modification of the contact structuring necessary for the vertical connection is carried out in process steps at the end of the manufacturing process.
  • the electrical contacts on the front and rear of the component are produced exclusively by manufacturing processes which are carried out from the front or top side of the component.
  • the structure of the semiconductor component according to the invention and the associated production processes are therefore particularly suitable for realizing complex systems with a high outlay on electrical connection.
  • the individual vertically interconnected semiconductor levels do not have to be pure component levels, but are preferably entire circuit levels that can be prefabricated using standard technologies (eg CMOS, bipolar technology or memory with multilayer wiring). As a result, the individual circuit levels can be tested before the semiconductor components according to the invention which are arranged vertically to one another are joined, which increases the yield because only functional components are combined with one another. It is also possible to manufacture sensors or actuators in the form of semiconductor components according to the invention.
  • the semiconductor component according to the invention can be produced particularly easily using a method (such as CMOS) which guarantees low power loss of the chip through a low supply voltage and is planar (including MLV) in order to connect the individual levels by means of wafer bonding enable and not to force a special and complex subsequent planarization, free placement of the inter-layer connections enables, h has standard microelectronic processes for making the connections and, if necessary, the use of special materials, such as low-melting metal, at the end of the process.
  • CMOS circuit levels can be considered as individual levels, but also circuit levels produced in other technologies, which are structured according to the properties of the method used (for example, bipolar or memories such as DRAM, SRAM or non-volatile memories) ). It is also possible to arrange levels without active components as pure wiring levels between the subcircuit levels.
  • exemplary embodiments of the semiconductor component according to the invention and the associated production methods are described, which can be easily modified and adapted to the respective special requirements.
  • FIGS. 3 to 7 each show a cross section through a semiconductor component according to the invention after various steps of an associated production method.
  • 8 to 13 each show sections from the cross section of another embodiment of the semiconductor component according to the invention after various steps of another associated manufacturing method.
  • 1 shows a cross section of two semiconductor components according to the invention which are arranged vertically to one another and are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the production method it is particularly advantageous if a three-layer substrate is used for the component according to the invention. In this substrate, two semiconductor layers are separated from one another by an insulator layer. It can be z. B.
  • the semiconductor component according to the invention carries the functional element only on one side, the upper side, of the substrate. If three-layer substrates are used, the semiconductor layer opposite the upper side is expediently completely removed, so that the insulator layer is exposed on the underside. In order that the functional elements are not adversely affected by the level underneath in the vertical connection of different semiconductor chips, it can be advantageous if the insulator layer is significantly thicker than is usual with SOL substrates. It can be used as an insulator layer e.g. B. a thick oxide layer can be provided, wherein the three-layer substrate can be produced by means of wafer bonding.
  • the layer 21 can also be a semiconductor layer structure grown on a conventional substrate.
  • the insulator layer 22 can be a correspondingly thicker layer of a multilayer substrate.
  • the lowermost semiconductor layer of the substrate is shown in the lower semiconductor component in FIG. 1 in detail as a carrier disk 20 of an SOI substrate.
  • a field effect transistor is formed in the silicon layer 21 (or generally a semiconductor layer structure) as an example in this exemplary embodiment in FIG. 1.
  • the gate metallization 24 is also shown above.
  • This layer structure made of semiconductor material can be single-layer or multi-layer. Different conductive regions made of semiconductor material can be separated by insulation regions 23 arranged between them.
  • a or a multilayer metallization layer structure may also be present. 1, this metallization layer structure is limited to the gate metallization 24 for the sake of clarity.
  • a first dielectric layer 25 and a second dielectric layer 26 are arranged between this layer structure composed of semiconductor layer and metallization levels and the level provided for the conductor tracks.
  • the conductor tracks 10 are insulated from one another by a third dielectric layer 9.
  • This metal contact 12 can e.g. B. serve an electrical contact with a further semiconductor component arranged above this component.
  • the lower component is similar to the upper one.
  • a field effect transistor is formed in the silicon layer 21 'on an SOI substrate 20, 21', 22 '. This field effect transistor is electrically connected to a conductor track 10 'by a corresponding metal pin 8'.
  • the level of the conductor tracks 10 ' is again separated from the level of the silicon layer 21' by layers made of dielectric 26 '.
  • the metal contacts 12 'for the vertical conductive connection are applied to the conductor tracks 10'.
  • the cover layer 11 ' serves to planarize the Surface and facilitates the vertical connection of the two semiconductor components. Since in this example the lower component is provided as the lowest component, the carrier disk 20 of the substrate is present and the insulator layer 22 'is not pierced by the metal pin 8'.
  • FIG. 2 Analogously to the illustration in FIG. 1, a cross section of two semiconductor components of a further embodiment according to the invention which are placed vertically one above the other are shown in section in FIG. 2.
  • a layer structure with functional elements is located on a substrate 15, which can be a single-layer semiconductor wafer or the isolator layer or oxide layer of an originally multi-layer substrate.
  • An epitaxially grown layer structure for a field effect transistor with a gate metallization applied to it is shown as an example in FIG.
  • An intermediate layer 13 made of dielectric is located on the substrate 15 and the functional elements applied thereon or integrated therein, in which one or more metallization levels with conductor tracks are applied or embedded.
  • An upper metal level 1 and further metal levels 2 below it are shown in FIG. 2.
  • a metal pin 8 piercing the substrate 15 for a conductive connection of the conductor track 3 to a semiconductor component arranged vertically below it is separated from the substrate 15 and a portion of the intermediate layer 13 by a dielectric 6. Between the conductor track 3 and the metal pin 8 there is a conductive passivation 5, which prevents contamination of the substrate 15 with the metal of the conductor track 3 during the manufacture of the metal pin 8.
  • a further metal pin is shown on the right side of FIG. 2. Both metal pins are electrically conductively connected to the metal contacts 12 'of a further semiconductor component arranged underneath. Of this further semiconductor component, an uppermost metal level 1 'and below that further metal levels 2' are shown in an intermediate layer 13 '.
  • the intermediate layer 13 of the upper semiconductor component is leveled in the example shown with a planarization 4 made of dielectric.
  • the surface is leveled with a cover layer 11.
  • the metal contact 12 is made of a metal with a lower melting point than the metal of the conductor tracks 1. This metal contact 12 serves for an electrically conductive connection with a metal pin of a further semiconductor component to be connected vertically.
  • the metal of the metal contact 12 has a lower melting point because the conductive connection between the metal contact 12 and the metal pin 8 is produced by heating and the reaction temperature should remain so low that the conductor tracks 1, 2, 3 and remaining metallizations are not thereby be affected.
  • the metal contact 12 z. B. be Auln.
  • an SOI substrate with a maximum 100 nm thick silicon layer 21 on an insulator layer 22 (eg oxide) on a carrier wafer 20 (eg silicon) can be used.
  • Such an SOI substrate can be produced using known methods such as wafer bonding or SIMOX.
  • the functional elements the active components of this component
  • the functional elements are used in a technology for low power losses, such as, for example, B. SOI-CMOS for fully depleted MOSFETs.
  • the individual functional elements such. B. these field effect transistors are separated from one another by insulating regions 23. These Isolations ⁇ areas 23 are z.
  • dopings can be diffused again in order to produce the regions for source and drain by means of ion implantation and subsequent activation (annealing). Accordingly, other functional elements are also manufactured using the available basic technology.
  • semiconductor layers can also be grown epitaxially.
  • a layer structure is produced on the top of the substrate in this way. This layer structure contains the active areas with the functional elements and one or more contact levels. These contact levels can e.g. B. by contact layers made of semiconductor material which is highly doped for good low-resistance metal-semiconductor contact, or by a metal level with interconnects insulated by dielectrics or by individually applied metal contacts.
  • a first dielectric layer 25 is applied over the entire surface in a subsequent method step.
  • 4 shows two different arrangements for the metal pins of the contact structuring to be produced with a left arrow 18 and a right arrow 19. The areas for the metal pin to be produced are each etched out. In the example on the right (right arrow 19) in FIG. 4, the dielectric of the first dielectric layer 25, the insulation region 23 and the insulation layer 22 is to be etched away. The material of the carrier disk 20 (eg silicon) is then etched out as shown.
  • the carrier disk 20 eg silicon
  • etching agent when using selective etching for the oxide or other material of the dielectric layers and for the silicon or other semiconductor material of the active regions and the carrier disk 20, a different etching agent is used alternately.
  • the carrier disk 20 is etched out as is intended for the length of the metal pin protruding from the substrate, which will be thinned later.
  • the etched areas are then filled with metal 8 ( ⁇ . Fig. 5), z. B. can be done by full-surface deposition of the metal (eg tungsten) by means of CVD and etching back of the metal on the surface.
  • a second dielectric layer 26 is deposited over the entire surface and planarized. This planarization happens e.g. B. by depositing a planarizing auxiliary layer (such as spin-on glass) and etching back or by chemical mechanical polishing (chemical mechanical polishing). Openings 14 are then produced in this second dielectric layer 26 above the introduced metal 8.
  • the openings 14 in the second dielectric layer 26 are also filled with metal.
  • a metal level is produced on the second dielectric layer 26.
  • B. contains conductor tracks or individual metal contacts.
  • the second dielectric layer 26 defines the distance of this metal level from the active areas.
  • the metal pins 8 are correspondingly extended to the surface of the second dielectric layer 26.
  • further openings can be provided in order to be able to contact individual areas of the layer structure from above. Since the contact structuring with metal pins 8 is primarily decisive for the semiconductor component according to the invention, further contacts are not shown in the figures for the sake of clarity.
  • a third dielectric layer 9 is broken between the conductor tracks 10 for insulation and planarization.
  • This third dielectric layer 9 can also first be applied and structured on the second dielectric layer 26. The areas provided for the conductor tracks 10 are removed from the third dielectric layer 9. These openings of the third dielectric layer 9 are then filled with metal as in the production of the metal pins 8, which is also done here by selective CVD deposition (eg of tungsten on an adhesive layer) or by full-surface deposition and etching back can be done by means of RIE (reactive ion etching) or chemical mechanical polishing.
  • RIE reactive ion etching
  • dielectric layers can then be applied and structured in accordance with the number of metallization levels required. In this way, several levels of conductor tracks and metal contacts can be arranged one above the other, each of which is separated from one another by dielectric layers located between them. These dielectric layers can also be filled up with metal in the areas of the metal pins 8, so that the metal pins 8 can be extended to metal levels arranged further up. Alternatively, it is possible to provide a metal level arranged further up with a metal pin of the contact structuring according to the invention, as will be described below with reference to the exemplary embodiment in FIG. 2. 6 additionally shows a cover layer 11 made of a dielectric with a metal contact 12 located therein on the upper side. This metal contact 12 can, for. B.
  • the cover layer 11 can be applied with conventional photomask technology. Instead, the cover layer 11 can first be applied and structured over the entire surface. The metal of the metal contact 12 is then applied by vapor deposition or sputtering. A metal with a lower melting point than the metal of the conductor tracks is applied. The metal contact 12 is used for a connection to a corresponding metal pin of a further component according to the invention, which is arranged vertically to this component. A connection of this further metal pin 8 with the measuring tallcard 12 happens by heating. So that the reaction temperature for this vertical connection of the contact structures can be sufficiently low so that the load on the existing conductor tracks and metallizations is kept low, a metal with a lower melting point is provided for the metal contact 12.
  • the metal of the metal contact 12 can, for. B. be Auln. Excess metal, material of the mask or materials used in the lift-off process are removed. An adhesive layer 16 and a carrier disk 17 are applied as shown in FIG. 7. The carrier disk 17 serves to stabilize the component.
  • the substrate is then thinned from the back, which in this exemplary embodiment occurs in that the semiconductor material (silicon) of the carrier wafer 20 is removed selectively with respect to the material (oxide) of the isolator layer 22. This happens e.g. B. by wet chemical etching back.
  • the structure shown in FIG. 7 results.
  • the semiconductor wafer is divided into chips with this stabilization layer composed of adhesive layer 16 and carrier wafer 17.
  • the individual chips are juiced onto a prepared first chip or onto a stack of several chips and attached to one another at elevated temperature with pressure.
  • the individual metal contacts 12 and metal pins 8 each make a connection to one another. It is also possible to carry out the connection before the chips are cut. In this case, however, no preselection of functional chips and thus an increase in yield is possible.
  • the adhesive layer 16 and the carrier disk 17 thereon are removed.
  • the level is only provided with metal pins 8, ie the contact structuring according to the invention has no metal contacts 12 on the upper side.
  • the semi- Each component has a contact structure with metal contacts on the top and metal pins protruding from the thinned substrate on the bottom.
  • the method according to the invention can also be used for semiconductor components without active components, i. H. realize without Funkionse ⁇ elements. Such semiconductor components are then used exclusively for the conductive connection between vertically arranged further components. Combinations with other technologies, such as the technologies for producing bipolar transistors and memories, are also possible. To produce corresponding components, layer structures for these corresponding components must be implemented and then provided with the contact structure according to the invention as described.
  • FIG. 2 is from a substrate with a layer structure and z.
  • 8 shows a layer sequence 21 made of semiconductor material for forming an FET with gate metallization 24 as an example on the substrate 15. At least one metallization level is formed in an intermediate layer 13, which can be multilayered. 8 shows an uppermost metal level 1 above further metal levels 2. It can be individual contacts or conductor tracks. A lower of these further metal levels 2 is already provided with a metal pin 8 of the contact structuring according to the invention.
  • This metal pin 8 can e.g. B. as in the previous exemplary embodiment.
  • a further metal pin is subsequently produced, with which an already existing metal level 3 still to be contacted is included in the contact structure according to the invention. If the surface of the component does not have sufficient planarity, then the intermediate layer 13 a planarization 4 made of dielectric (z. B. oxide deposited by PECVD) applied. Possibly. a planarizing re-estimate is necessary for this.
  • the metal pin 8 for vertical contacting is produced on the left side (arrow 18). For this, a mask ⁇ . B.
  • the intermediate layer 13 optionally including the passivation 4 within the mask opening selectively removed from the metal of the metal level 3 to be contacted.
  • the metal is then also selectively etched to the material of the intermediate layer 13.
  • the upper part of the cylindrical area provided for the metal pin is thus obtained. Its inside is provided with a passivation 5 (see FIG. 9) (for example, electrically conductive doped polysilicon) in order to process the semiconductor material in subsequent process steps
  • the passivation 5 is removed on the surface of the intermediate layer 13 or the planarization 4 and on the bottom of the etched area by anisotropic etching.
  • the material (eg oxide) of the intermediate layer 13 is etched anisotropically and selectively to the silicon of the substrate 15 to the top of the substrate 15.
  • the substrate 15 is then etched to a defined depth, which results from the intended residual thickness of the substrate 15 and the length of the portion of the metal pin that will later protrude from the underside of the substrate. As shown in FIG.
  • a dielectric 6 is deposited in the etched opening (eg oxide by means of PECVD) and removed anisotropically on the surface and on the bottom of the etched area.
  • This dielectric 6 is then removed in accordance with FIG. 11 in the area of the metal level 3 to be contacted. That can ⁇ . B. done in that the etched opening partially, ie up to a height below the metal level 3 to be contacted with a mask 7 z. B. is filled with lacquer and with an isotropic etching the material, for. B. oxide, this dielectric 6 in the area located above this mask 7 is removed. Then this mask 7 is if removed. As shown in FIG.
  • the dielectric 6 is located in the lower region of the etched opening as insulation of the metal pins 8 to be produced relative to the material of the substrate 15 and the layer structure located thereon.
  • the contact of the metal pin 8 with the metal level 3 to be contacted is made possible by the electrically conductive passivation 5, which is exposed by the dielectric 6.
  • the etched opening is then filled with the metal de ⁇ Metall ⁇ tifte ⁇ 8, which z. B. by full-surface deposition of tungsten by means of CVD and etching back of the tungsten on the surface.
  • the metal contacts 12 are produced on the upper side for vertical contacting with metal pins of further components.
  • the upper metal level 1 is provided with such a metal contact 12 in the right area of FIG. 12 (see arrow 19).
  • a top layer 11 of dielectric is deposited over the entire surface and planarized.
  • the production is then continued with the usual methods for the production of metal contacts such as photographic technology and lift-off technology.
  • the material of the cover layer 11 is removed in the area of the metal contact 12 to be produced and the metal is applied by vapor deposition or sputtering.
  • metal is applied with a lower melting point relative to the conductor tracks.
  • the masks and excess metal on the surface are removed.
  • the planar upper side can be stabilized by applying an adhesive layer 16 and a carrier disk 17.
  • the substrate 15 is then thinned from the back by etching back the semiconductor material, e.g. B. by chemical mechanical polishing (CMP) until the lower tips of the metal pins 8 are exposed. That this state has been reached canhold. B. can be recognized by the fact that the friction changes during chemical-mechanical polishing.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • All of the substrate 15 is then selectively etched back to the metal pins 8 until the ends of the metal pins 8 protrude beyond the underside of the substrate 15 in the intended manner ( ⁇ . FIG. 13).
  • this last process step can be simplified by using a multi-layer substrate. Between an upper semiconductor layer provided with the layer structure and the actual carrier disk made of semiconductor material there is an intermediate layer (eg oxide) with respect to which the semiconductor material (eg silicon)
  • Carrier disc can be selectively etched.
  • the metal pins 8 are then produced so far that they protrude into the carrier disk that only the carrier disk of the substrate needs to be removed completely and selectively with respect to the intermediate layer in the last method step.
  • a specially produced multilayer substrate with a much thicker insulator layer can be used for the component according to the invention, so that sufficient insulation of the layer structure with the functional elements from the surface layers of a vertically arranged further underneath ren Bauetti ⁇ is guaranteed.
  • the further processing of the semiconductor component, the individualization in chips and vertical connection with other components can take place as in the exemplary embodiment described first.
  • Passivation 5 and dielectric 6 on the side walls of the hole etched out for the metal pin 8 can also be used in the manufacturing process of the first embodiment.
  • the metal pins 8, like in the second exemplary embodiment can only be produced after the dielectric layers and the conductor tracks 10 have been applied.
  • the upper metal contacts for the connection to metal pins 8 of further components are expediently first made on the top metal level.
  • the metal pins 8 can also be produced through further upper metal levels, if in that for the metal pin 8 provided area in these upper metal levels no conductor tracks or individual metal contacts are crossed, but only has to be etched through the corresponding dielectric of these layers.
  • the manufacture of the contact structuring according to the invention can be based on this
  • any structure of semiconductor layers and / or metallization levels with contact layers made of conductively doped semiconductor material, conductor tracks and / or individual metal contacts is to be understood as a layer structure in the sense of the claims.
  • the electrically conductive areas are each separated from one another by an insulating dielectric.
  • the semiconductor components to be vertically interconnected are constructed identically and the circuitry connection is achieved by the special arrangement of the contact structuring according to the invention.
  • Each component then contains the same functional elements that are interconnected in the intended manner in the vertical connection due to the contact structuring.
  • a planarization or cover layer is to be understood as an uppermost dielectric layer or an uppermost layer portion of a dielectric layer, which levels the upper side of the component.

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Abstract

Halbleiterbauelement mit einer Kontaktstrukturierung für vertikale Kontaktierung mit weiteren Halbleiterbauelementen mit einem Substrat (15), das auf einer Oberseite eine Schichtstruktur mit zu kontaktierenden Bereichen aufweist, bei dem mindestens ein Metallstift (8) vorhanden ist, der dieses Substrat (15) senkrecht zu der Schichtstruktur durchbohrt, bei dem das Substrat (15) soweit gedünnt ist, daß der Metallstift (8) die Unterseite des Substrates überragt und bei der ggf. auf der Oberseite Metallkontakte (12) aus niedrig schmelzendem Metall vorhanden sind.

Description

Kontaktstrukturierung für vertikale Chipverbindungen
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit einer speziellen Kontaktstrukturierung, die für eine vertika¬ le elektrisch leitende Verbindung von mehreren Halbleiterbau¬ elementen vorgesehen ist. Außerdem werden zugehörige Herstel- lungsverfahren angegeben.
Halbleiterεchaltungen 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 (Pads) , die geringe Geschwindigkeit der Si- gnalübermittlung über solche Verbindungen zwischen verschie¬ denen Chips (Interface-Schaltung Pad/Leiterplatte) , die bei komplexen Chips begrenzte Geschwindigkeit durch weit ver¬ zweigte Leiterbahnen und den hohen Leistungsverbrauch der In¬ terface-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 Ko - ponenten mit geringem Aufwand elektrisch leitender Verbindun¬ gen in einer Ebene, und außerdem werden geschwindigkeitsbe- grenzende Interchip-Verbindungen vermieden.
Ein bekanntes Verfahren, dreidimensionale IC's herzustellen, beruht darauf, über einer Ebene von Bauelementen eine weitere Halbleiterschicht (z. B. Silizium) abzuscheiden und diese über ein geeignetes Verfahren (z. B. lokale Erwärmung mittels Lasers) zu rekristallisieren und darin eine weitere Bauele- menteebene zu realisieren. Auch diese Technik weist wesentli¬ che Begrenzungen auf, die durch die thermische Belastung der unteren Ebene bei der Rekriεtallisierung und die durch Defek¬ te begrenzte erreichbare 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 Vor¬ derseite und auf der Rückseite in technischen Prozessen bear- beitet werden (Lithographie mit Justierung durch die Halblei¬ terscheibe) . Das Testen auf Funktionstüchtigkeit der einzel¬ nen Ebenen vor dem Zusammenfügen ist dadurch erschwert, daß bei diesem Verfahren in jeder Ebene einzelne Bauelemente, aber nicht vollständige Schaltungen realisiert werden. Durch das Dünnen der Scheiben bis auf die Funktionselemente entste¬ hen SOI-ähnliche Bauelementestrukturen, so daß keine mit Standardtechnologien (∑. B. Standard-CMOS) vorgefertigten Scheiben verwendet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Halbleiterbauele¬ mente mit einer für dreidimensionale Kontaktierung geeigne¬ ten, einfach herstellbaren und gegenüber bisherigen Verdrah¬ tungen verbesserten Kontaktstrukturierung und zugehörige Her¬ stellungsverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Halbleiterbauelementen mit Kon¬ taktstrukturierung entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen, insbesondere Herstellungs¬ verfahren, ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement weist die Kon¬ taktstrukturierung Metallstifte auf, die mit zu kontaktieren¬ den Bereichen einer auf der Oberseite eines Substrates ange- ordneten Schichtstruktur mit Funktionselementen elektrisch leitend verbunden sind und das Substrat vollständig durchboh¬ ren und die gegenüberliegende Unterseite des Substrates so weit überragen, daß eine elektrisch leitende Verbindung die- ser Metallstifte mit Metallkontakten auf der Oberseite eines weiteren Halbleiterbauelementes möglich ist. Bei dem erfin¬ dungsgemäßen Halbleiterbauelement und dem zugehörigen Her¬ stellungsverfahren können mit Standardtechnologien vorgefer¬ tigte Scheiben verwendet werden. Es sind keine Eingriffe in die üblichen Basistechnologien nötig, da die für die verti¬ kale Verbindung nötige Modifikation der Kontaktstrukturierung in Prozeßschritten am Schluß des Herstellungsprozesses vorge¬ nommen werden. Die Herstellung der elektrischen Kontakte auf Vorder- und Rückseite des Bauelementes erfolgt ausschließlich durch Herstellungsverfahren, die von der Vorder- oder Ober¬ seite des Bauelementes her vorgenommen werden. Der erfin¬ dungsgemäße Aufbau des Halbleiterbauelementes und die zugehö¬ rigen Herstellungsverfahren sind daher besonders dafür geeig¬ net-, komplexe Systeme zu realisieren mit hohem Aufwand an elektrischer Verbindung. Die einzelnen vertikal miteinander verbundenen Halbleiterebenen müssen keine reinen Bauelemen¬ teebenen sein, sondern sind vorzugsweise ganze Schaltungsebe¬ nen, die mit Standardtechnologien (z. B. CMOS, Bipolartechnik oder Speicher mit Mehrlagenverdrahtung) vorgefertigt werden können. Dadurch können die einzelnen Schaltungsebenen vor dem Zusammenfügen vertikal zueinander angeordneter erfindungsge¬ mäßer Halbleiterbauelemente getestet werden, wodurch die Aus¬ beute erhöht wird, weil nur funktionsfähige Komponenten mit¬ einander kombiniert werden. Es ist auch möglich, Sensoren oder Aktoren in der Form erfindungsgemäßer Halbleiterbauele¬ mente herzustellen. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement läßt sich besonders einfach unter Anwendung eines Verfahrens (wie z. B. CMOS) herstellen, das geringe Verlustleistung des Chips durch geringe Versorgungsspannung garantiert, planar ist (einschließlich MLV) , um ein Verbinden der einzelnen Ebe¬ nen mittels wafer bonding zu ermöglichen und keine spezielle und aufwendige nachträgliche Planarisierung zu erzwingen, freie Plazierung der Inter-Layer-Verbindungen ermöglicht, h über Standardverfahren der Mikroelektronik zur Herstellung der Verbindungen verfügt und ggf. die Verwendung spezieller Materialien, wie niedrig schmelzendes Metall, am Ende des Prozesses ermöglicht.
Das Herstellungsverfahren dreidimensional integrierter Chips unter Verwendung der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente ist modular, d. h., daß die einzelnen Ebenen unabhängig von¬ einander hergestellt, getestet und dann miteinander verbunden werden können. Als Einzelebenen kommen nicht nur CMOS-Schal- tungsebenen in Frage, sondern auch in anderen Technologien hergestellte Schaltungsebenen, die den oben aufgezählten Ei¬ genschaften des verwendeten Verfahrens entsprechend aufgebaut sind (z. B. Bipolar oder Speicher wie DRAM, SRAM oder nicht flüchtige Speicher) . Es ist auch möglich, zwischen den Teil- schaltungsebenen Ebenen ohne aktive Komponenten als reine Verdrahtungsebenen anzuordnen. Nachfolgend werden Ausfüh¬ rungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes und der zugehörigen Herstellungsverfahren beschrieben, die leicht abgewandelt und den jeweiligen speziellen Anforderun¬ gen angepaßt werden können.
Es folgt die Beschreibung der erfindungsgemäßen Bauelemente und der Herstellungsverfahren anhand der Figuren 1 bis 13.
Fig. 1 und 2 zeigen im Ausschnitt jeweils einen Querschnitt durch zwei vertikal miteinander verbundene erfindungs- gemäße Halbleiterbauelemente. Fig. 3 bis 7 zeigen jeweils im Ausschnitt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement nach verschiedenen Schritten eines zugehörigen Herstellungs¬ verfahrens. Fig. 8 bis 13 zeigen jeweils Ausschnitte aus dem Querschnitt einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes nach verschiedenen Schritten ei¬ nes anderen zugehörigen Herstellungsverfahrens. In Fig. 1 sind auεschnittweise im Querschnitt zwei vertikal zueinander angeordnete und elektrisch leitend miteinander verbundene erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente darge¬ stellt. Es ist im Hinblick auf das Herstellungsverfahren be- sonders vorteilhaft, wenn für das erfindungsgemäße Bauelement ein dreilagiges Substrat verwendet wird. Bei diesem Substrat sind zwei Halbleiterschichten durch eine Isolatorschicht von¬ einander getrennt. Es kann sich dabei z. B. um ein SOI- Subεtrat (Silicon on insulator) handeln. Das erfindungεgemäße Halbleiterbauelement trägt die Funktionselernente nur auf ei¬ ner Seite, der Oberseite, des Substrates. Bei Verwendung von dreilagigen Substraten wird zweckmäßig die der Oberseite ge¬ genüberliegende Halbleiterschicht vollständig abgetragen, so daß die Isolatorschicht auf der Unterseite freigelegt ist. Damit bei der vertikalen Verbindung verschiedener Halbleiter¬ chips die Funktionselernente nicht durch die jeweils darunter befindliche Ebene beeinträchtigt werden, kann es vorteilhaft sein, wenn die Isolatorschicht wesentlich dicker ist als bei SOL-Substraten üblich. Es kann als Isolatorschicht z. B. eine dicke Oxidschicht vorgesehen sein, wobei das dreilagige Substrat mittels wafer bonding hergestellt sein kann. Bei Verwendung eines SOI-Substrates ist von dem oberen in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelement nur die Isolatorschicht 22 und die dünne Siliziumschicht 21 übrig. Die Schicht 21 kann aber auch eine auf ein herkömmliches Substrat aufgewachsene Halbleiterschichtstruktur sein. Ebenso kann die Isolator¬ schicht 22 eine entsprechend dickere Schicht eines mehrlagi¬ gen Substrates sein. Die unterste Halbleiterschicht des Substrates ist bei dem unteren Halbleiterbauelement in Fig. 1 ausschnittweise als Tragerscheibe 20 eines SOI-Substrates dargestellt. In der Siliziumschicht 21 (oder allgemein einer Halbleiterεchichtεtruktur) iεt alε Beispiel in diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel der Figur 1 ein Feldeffekttransistor ausgebil¬ det. Die Gate-Metallisierung 24 darüber ist ebenfallε einge- zeichnet. Diese SchichtStruktur auε Halbleitermaterial kann einlagig oder mehrlagig sein. Verschiedene leitende Bereiche aus Halbleitermaterial können durch dazwischen angeordnete Isolationsbereiche 23 getrennt sein. Außerdem kann eine ein- oder ebenfalls mehrlagige Metalliεierungsschichtstrukcur vor¬ handen sein. In Fig. 1 ist der Überεichtlichkeit halber diese Metalliεierungsschichtεtruktur auf die Gate-Metalliεierung 24 beschränkt. Zwischen dieser Schichtεtruktur aus Halbleiter- schicht und Metallisierungεebenen und der für die Leiterbah¬ nen vorgeεehene Ebene εind in diesem Ausführungεbeispiel eine erste Dielektrikumschicht 25 und eine zweite Dielektrikum- εchicht 26 angeordnet. Die Leiterbahnen 10 sind durch eine dritte Dielektrikumschicht 9 voneinander isoliert. Auf den Leiterbahnen 10 befindet sich bei dem Beiεpiel der Fig. 1 ein Metallkontakt 12 in einer Deckεchicht 11 auε Dielektrikum. Dieεer Metallkontakt 12 kann z. B. einer elektriεchen Kontak- tierung mit einem über diesem Bauelement angeordneten weite¬ ren Halbleiterbauelement dienen. Wie diese Kontaktierung in vertikaler Anordnung erfolgt, ist auε der Verbindung deε obe¬ ren Halbleiterbauelementes mit dem unteren Halbleiterbauele¬ ment in Fig. 1 zu entnehmen. Elektrisch leitfahige Kontakt¬ schichten auε Halbleitermaterial, weitere Leiterbahnen oder Metallkontakte in verschiedenen Metallisierungsebenen (in dem Beiεpiel der Fig. 1 eine Kontaktschicht des FET auε Silizium) werden durch senkrecht zur Substratoberseite verlaufende Me¬ tallstifte 8 mit den Leiterbahnen 10 oder den Metallkontakten 12 verbunden. Diese Metallstifte 8 durchbohren das Substrat oder die von dem Substrat übrig gebliebene Isolatorschicht 22 und überragen deren Unterseite. An der Unterseite ist ein weitereε Bauelement derart angeordnet, daß beim Zusammenfügen der Chipε die Enden der Metallstifte 8 elektrisch leitende Verbindungen mit den entsprechenden Metallkontakten 12 ' des unteren Bauelementes eingehen. Das untere Bauelement ist ähn- lieh dem oberen aufgebaut. Auf einem SOI-Substrat 20, 21', 22' ist in der Siliziumschicht 21' ein Feldeffekttransistor auεgebildet. Dieser Feldeffekttransistor ist elektrisch lei¬ tend mit einer Leiterbahn 10' durch einen entsprechenden Me¬ tallstift 8' verbunden. Die Ebene der Leiterbahnen 10' ist von der Ebene der Siliziumschicht 21' wieder durch Schichten auε Dielektrikum 26' getrennt. Auf den Leiterbahnen 10' sind die Metallkontakte 12 ' für die vertikale leitende Verbindung aufgebracht. Die Deckschicht 11' dient der Planarisierung der Oberfläche und erleichtert das vertikale Verbinden der beiden Halbleiterbauelemente. Da bei diesem Beispiel das untere Bau¬ element als unterstes Bauelement vorgesehen ist, ist die Trä- gerεcheibe 20 deε Subεtrates vorhanden und die Isolator- Schicht 22' nicht von dem Metallstift 8' durchbohrt.
Analog zu der Darεtellung in Fig. 1 εind in Fig. 2 aus¬ schnittweise im Querschnitt zwei vertikal übereinandergesetz- te Halbleiterbauelemente einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungεform dargestellt. Auf einem Substrat 15, das eine einlagige Halbleiterscheibe sein kann oder die Iεolator- schicht oder Oxidschicht eines urεprünglich mehrlagigen Subεtrateε sein kann, befindet sich eine SchichtStruktur mit Funktionselementen. Beispielhaft ist in Figur 2 eine epitak- tisch aufgewachsene Schichtstruktur für einen Feldeffekttran¬ sistor mit einer darauf aufgebrachten Gate-Metallisierung eingezeichnet. Auf dem Substrat 15 und den darauf aufgebrach¬ ten oder darin integrierten Funktionselementen befindet sich eine Zwischenschicht 13 aus Dielektrikum, in der eine oder mehrere Metallisierungsebenen mit Leiterbahnen aufgebracht oder eingebettet sind. In Fig. 2 sind eine obere Metallebene 1 sowie darunter weitere Metallebenen 2 eingezeichnet. Ein das Substrat 15 durchbohrender Metallstift 8 für eine leiten¬ de Verbindung der Leiterbahn 3 mit einem vertikal darunter angeordneten Halbleiterbauelement ist von dem Substrat 15 und einem Anteil der Zwischenschicht 13 durch ein Dielektrikum 6 getrennt. Zwischen der Leiterbahn 3 und dem Metallstift 8 be¬ findet sich eine leitende Passivierung 5, die bei der Her¬ stellung des Metallstiftes 8 eine Kontamination des Substra- tes 15 mit dem Metall der Leiterbahn 3 verhindert. Auf der rechten Seite der Fig. 2 iεt ein weiterer Metallstift einge¬ zeichnet. Beide Metalstifte sind mit den Metallkontakten 12' eines darunter angeordneten weiteren Halbleiterbauelementes elektrisch leitend verbunden. Von diesem weiteren Halbleiter- bauelement sind eine oberεte Metallebene 1' und darunter wei¬ tere Metallebenen 2 ' in einer Zwiεchenschicht 13 ' eingezeich¬ net. Eine Deckschicht 11 ' aus Dielektrikum planarisiert die dem oberen Bauelement zugewandte Oberseite zwischen den Me- tallkontakten 12'. Die Zwischenschicht 13 des oberen Halblei- terbauelementes ist in dem dargestellten Beispiel mit einer Planarisierung 4 auε Dielektrikum eingeebnet. Auf der rechten Seite (ε. Pfeil 19) befindet sich auf dem oberen Halbleiter- Bauelement ein Metallkontakt 12 auf der obersten Metallebene 1. Die Oberfläche ist mit einer Deckεchicht 11 eingeebnet. Der Metallkontakt 12 ist aus einem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt als das Metall der Leiterbahnen 1. Dieser Me¬ tallkontakt 12 dient einer elektrisch leitenden Verbindung mit einem darüber angeordneten Metallstift eines weiteren vertikal zu verbindenden Halbleiterbauelementeε. Das Metall des Metallkontaktes 12 hat einen niedrigeren Schmelzpunkt, weil die leitende Verbindung zwischen Metallkontakt 12 und Metallstift 8 durch Erwärmen hergestellt wird und die Reakti- onstemperatur dabei εo niedrig bleiben εoll, daß die Leiter¬ bahnen 1, 2 , 3 und restlichen Metallisierungen dadurch nicht beeinträchtigt werden. Bei Leiterbahnen aus Aluminium kann der Metallkontakt 12 z. B. Auln sein.
Die Details des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 werden nach¬ folgend anhand der Beschreibung eines Herstellungsverfahrens näher erläutert. Als Ausgangsmaterial kann z. B. ein SOI- Subεtrat mit einer maximal 100 nm dicken Siliziumschicht 21 auf einer Isolatorschicht 22 (z. B. Oxid) auf einer Träger- scheibe 20 (z. B. Silizium) verwendet werden. Ein derartigeε SOI-Substrat kann mit bekannten Verfahren wie Waferbonding oder SIMOX hergestellt werden. In der Siliziumschicht 21 wer¬ den die Funktionsele ente (die aktiven Komponenten dieses Bauelementes) in einer Technologie für niedrige Verlustlei- stungen, wie z. B. SOI-CMOS für vollständig verarmte (fully depleted) MOSFET's hergestellt. Die einzelnen Funktionsele¬ mente wie z. B. diese Feldeffekttransiεtoren werden durch Iεolationεbereiche 23 voneinander getrennt. Diese Isolations¬ bereiche 23 werden z. B. hergestellt, indem die Siliziu - Schicht 21 zwischen den Funktionselementen entfernt wird und diese Bereiche mit einem Oxid aufgefüllt wird. Es kann statt dessen eine lokale Oxidation dieser Bereiche oder eine Isola- tionεimplantierung vorgenommen werden. Eine erforderliche Do- tierung der Funktionselemente durch Ionenimplantation, z . B. zur Einstellung der Einsatzspannung für MOSFET'ε, kann an¬ schließend erfolgen. Daε Dielektrikum für die Isolation des Gates bei dem MOSFET kann z. B. als thermisches Oxid mittels RTP (Rapid Thermal Proceεεing) erzeugt werden. Erforderliche Metallisierungen, wie z. B. die in Fig. 3 eingezeichnete Ga¬ te-Metallisierung 24, auε z. B. dotiertem Polysilizium oder Metall oder Metallεilizid werden anεchließend aufgebracht. Nach der Strukturierung des Gates können erneut Dotierungen eindiffundiert werden, um die Bereiche für Source und Drain mittels Ionenimplantation und nachfolgender Aktivierung (Ausheilen) herzustellen. Entsprechend werden auch andere Funktionselemente unter Anwendung der zur Verfügung stehenden Basiεtechnologie hergeεtellt. Zusätzlich können auch Halblei- terschichten epitaktisch aufgewachsen werden. In dem ersten Abschnitt des Herstellungsverfahrens wird auf diese Weise ei¬ ne SchichtStruktur auf der Oberseite des Substrates hergestellt. Diese Schich Struktur enthält die aktiven Gebie¬ te mit den Funktionselementen und eine oder mehrere Kontak- tierungsebenen. Diese Kontaktierungsebenen können z. B. durch Kontaktschichten aus Halbleitermaterial, das hoch für guten niederohmigen Metall-Halbleiter-Kontakt dotiert ist, oder durch eine Metallebene mit durch Dielektrika voneinander iso¬ lierten Leiterbahnen oder durch einzeln aufgebrachte Metall- kontakte gebildet sein. Zur Vereinfachung ist bei dem Ausfüh¬ rungsbeispiel nur ein MOSFET in dieser SchichtStruktur einge¬ zeichnet. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine erste Dielektrikum¬ schicht 25 ganzflächig aufgebracht. In Fig. 4 sind zwei ver- schiedene Anordnungen für die Metallstifte der herzustellen¬ den Kontaktstrukturierung mit einem linken Pfeil 18 und einem rechten Pfeil 19 bezeichnet. Die Bereiche für den herzu¬ stellenden Metallεtift werden jeweils ausgeätzt. Dabei ist in dem rechten Beiεpiel (rechter Pfeil 19) in Fig. 4 daε Dielektrikum der erεten Dielektrikumεchicht 25, deε Iεola- tionεbereicheε 23 und der Iεolatorschicht 22 wegzuätzen. Es wird dann das Material der Trägerscheibe 20 (z. B. Silizium) wie eingezeichnet ausgeätzt. In dem linkε gezeichneten Bei- spiel (linker Pfeil 18) wird bei Verwendung selektiver Ätzen für das Oxid oder sonstige Material der Dielektrikumschichten und für das Silizium oder sonεtige Halbleitermaterial der aktiven Gebiete und der Trägerεcheibe 20 abwechεelnd jeweilε ein andereε Ätzmittel eingeεetzt. Die Trägerεcheibe 20 wird jeweilε εo auεgeätzt, wie für die Länge deε aus dem später gedünnten Substrat ragenden Metallstiftes vorgesehen is . Die ausgeätzten Bereiche werden dann mit Metall 8 (ε. Fig. 5) gefüllt, waε z. B. durch ganzflächige Abεcheidung des Metal- les (z. B. Wolfram) mittels CVD und Zurückätzen des Metalleε auf der Oberfläche geschehen kann. Dann wird eine zweite Di¬ elektrikumschicht 26 gan∑flächig abgeεchieden und planari- εiert. Dieεe Planarisierung geschieht z. B. durch Abscheiden einer planarisierenden Hilfsschicht (wie z. B. spin-on glass) und Rückätzen oder durch chemisch-mechanisches Polieren (chemical mechanical polishing) . In diese zweite Dielek¬ trikumschicht 26 werden dann Öffnungen 14 hergestellt ober¬ halb des eingebrachten Metalles 8.
Die Öffnungen 14 in der zweiten Dielektrikumschicht 26 werden ebenfalls mit Metall aufgefüllt. Auf der zweiten Dielektri¬ kumschicht 26 wird eine Metallebene hergestellt, die z. B. Leiterbahnen oder einzelne Metallkontakte enthält. Die zweite Dielektrikumεchicht 26 definiert dabei den Abεtand dieser Me- tallebene von den aktiven Gebieten. Die Metallstifte 8 sind entsprechend bis zur Oberfläche der zweiten Dielektrikum¬ schicht 26 verlängert. Zusätzlich zu den eingezeichneten Öff¬ nungen 14, die den unteren Teil der herzustellenden Metall¬ stifte 8 freilegen, können weitere Öffnungen vorgesehen sein, um einzelne Bereiche der SchichtStruktur von oben kontaktie¬ ren zu können. Da für das erfindungsgemäße Halbleiterbauele¬ ment primär die Kontaktstrukturierung mit Metallstiften 8 maßgeblich ist, εind weitere Kontaktierungen in den Figuren der Überεichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Auf der zweiten Dielektrikumschicht 26 werden z. B. die Leiterbahnen 10 wie in Fig. 6 gezeichnet so aufgebracht und strukturiert, daß sie wie vorgesehen mit dem Metall in den Kontaktlöchern (in diesem Beispiel die Metallstifte 8) in elektrisch leiten- der Verbindung sind. Zwiεchen den Leiterbahnen 10 wird eine dritte Dielektrikumεchicht 9 zur Iεolation und Planariεierung aufgebrach . Dieεe dritte Dielektrikumschicht 9 kann auch zu¬ erst auf die zweite Dielektrikumschicht 26 aufgebracht und strukturiert werden. Die für die Leiterbahnen 10 vorgesehenen Bereiche werden auε der dritten Dielektrikumεchicht 9 ent¬ fernt. Diese Öffnungen der dritten Dielektrikumschicht 9 wer¬ den dann wie bei der Herstellung der Metallstifte 8 mit Me¬ tall gefüllt, was auch hier durch selektive CVD-Abscheidung (z. B. von Wolfram auf einer Haftschicht) oder durch ganzflä¬ chige Abscheidung und Rückätzung mittels RIE (reactive ion etching) oder chemical mechanical polishing geεchehen kann. Eε können dann weitere Dielektrikumschichten aufgebracht und strukturiert werden, entsprechend der Anzahl der erforderli- chen Metallisierungεebenen. Auf dieεe Weise können mehrere Ebenen von Leiterbahnen und Metallkontakten übereinander an¬ geordnet werden, die jeweils durch dazwischen befindliche Dielektrikumschichten voneinander getrennt sind. Diese Die¬ lektrikumschichten können in den Bereichen der Metallstifte 8 auch jeweils mit Metall weiter aufgefüllt werden, so daß die Metallstifte 8 bis zu weiter oben angeordneten Metallebenen verlängert werden können. Alternativ dazu ist es möglich, ei¬ ne weiter oben angeordnete Metallebene mit einem Metallstift der erfindungsgemäßen Kontaktstrukturierung zu versehen, wie anhand des Ausführungsbeispieles der Figur 2 weiter unten be¬ schrieben wird. In Fig. 6 ist zusätzlich eine Deckschicht 11 aus Dielektrikum mit einem darin befindlichen Metallkontakt 12 auf der Oberseite eingezeichnet. Dieser Metallkontakt 12 kann z. B. mit üblicher Fotomaskentechnik aufgebracht werden. Statt dessen kann die Deckschicht 11 zuerst ganzflächig auf¬ gebracht und strukturiert werden. Das Metall des Metallkon¬ taktes 12 wird dann durch Aufdampfen oder Sputtern aufge¬ bracht. Dabei wird ein Metall mit einem gegenüber dem Metall der Leiterbahnen niedrigeren Schmelzpunkt aufgebracht. Der Metallkontakt 12 dient einer Verbindung mit einem ent¬ sprechenden Metallstift eines weiteren erfindungsgemäßen Bau¬ elementes, das vertikal zu diesem Bauelement angeordnet wird. Eine Verbindung dieses weiteren Metallstiftes 8 mit dem Me- tallkontakt 12 geschieht durch Erwärmung. Damit die Reaktionstemperatur für diese vertikale Verbindung der Kon¬ taktstrukturen ausreichend gering sein kann, damit die Bela¬ stung für die vorhandenen Leiterbahnen und Metallisierungen gering gehalten wird, wird für den Metallkontakt 12 ein Me¬ tall mit niedrigerem Schmelzpunkt vorgesehen. Bei Leiterbah¬ nen aus Aluminium kann das Metall deε Metallkontaktes 12 z. B. Auln sein. Überschüεsiges Metall, Material der Maεke oder im Lift-off-Verfahren verwendete Materialien werden entfernt. Eine Haftschicht 16 und eine Trägerscheibe 17 werden wie in Fig. 7 gezeigt aufgebracht. Die Trägerεcheibe 17 dient der Stabiliεierung deε Bauelementes. Das Substrat wird dann von der Rückseite gedünnt, was bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch geschieht, daß das Halbleitermaterial (Silizium) der Trägerscheibe 20 selektiv zu dem Material (Oxid) der Iεola- torschicht 22 entfernt wird. Das geschieht z. B. durch naßchemisches Rückätzen. Es ergibt sich die Struktur, die in Fig. 7 dargestellt ist. Die Halbleiterscheibe wird mit dieser Stabilisierungsschicht aus Haftschicht 16 und Trägerscheibe 17 in Chipε zerteilt. Die einzelnen Chips werden auf einen vorbereiteten ersten Chip oder auf einen Stapel mehrerer Chipε juεtiert und bei erhöhter Temperatur mit Druck aufein¬ ander befeεtigt. Dabei gehen die einzelnen Metallkontakte 12 und Metallstifte 8 aufeinander je eine Verbindung ein. Es iεt auch möglich, die Verbindung vor dem Zerteilen der Chips durchzuführen. In diesem Falle ist aber keine Vorselektion funktionsfähiger Chips und damit eine Ausbeuteerhöhung mög¬ lich. Bevor auf der Oberseite des Bauelementes ein weiteres Halbleiterbauelement vertikal kontaktiert wird, werden die Haftschicht 16 und die Trägerscheibe 17 darauf entfernt.
In einem Stapel mehrerer übereinander angeordneter erfin¬ dungsgemäßer Halbleiterbauelemente sind für die unterste Ebene nur Metallkontakte auf der Oberseite zu erzeugen und daε Subεtrat braucht nicht gedünnt zu werden. Die oberεte
Ebene wird nur mit Metallεtiften 8 versehen, d. h. die erfin¬ dungsgemäße Kontaktstrukturierung besitzt keine Metallkontak¬ te 12 auf der Oberseite. Die dazwischen angeordneten Halblei- terbauelemente besitzen jeweils eine Kontaktstrukturierung mit Metallkontakten auf der Oberseite und aus dem gedünnten Substrat ragenden Metallstiften an der Unterseite.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren laεεen εich auch Halblei¬ terbauelemente ohne aktive Komponenten, d. h. ohne Funkionse¬ lemente, realisieren. Derartige Halbleiterbauelemente dienen dann ausschließlich der leitenden Verbindung zwischen verti¬ kal zueinander angeordneten weiteren Bauelementen. Es sind auch Kombinationen mit weiteren Technologien wie die Techno¬ logien zur Herεtellung von Bipolartranεiεtoren und Speichern möglich. Zur Herstellung entsprechender Bauelemente sind Schichtstrukturen für diese entsprechenden Bauelemente zu realisieren und dann mit der erfindungsgemäßen Kontaktstruk- turierung wie beschrieben zu versehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird von einem Substrat mit einer SchichtStruktur und z. B. mehreren Metal¬ lisierungsebenen (z. B. CMOS mit Mehrlagenverdrahtung) und mit Passivierung (z. B. Oxid, Nitrid), bei dem die Passivie¬ rung über Testpads geöffnet ist, um eine Selektion zur Aus¬ beuteerhöhung vornehmen zu können, ausgegangen. In Fig. 8 ist als Beispiel auf dem Substrat 15 eine Schichtfolge 21 aus Halbleitermaterial zur Ausbildung eines FET mit Gate-Metalli- sierung 24 eingezeichnet. In einer Zwischenschicht 13, die mehrlagig sein kann, ist mindestens eine Metallisierungsebene ausgebildet. In Fig. 8 befindet sich eine oberste Metallebene 1 über weiteren Metallebenen 2. Es kann sich um einzelne Kon¬ takte oder Leiterbahnen handeln. Eine untere dieser weiteren Metallebenen 2 ist bereits mit einem Metallstift 8 der erfin¬ dungsgemäßen Kontaktstrukturierung versehen. Dieser Metall- εtift 8 kann z. B. wie in dem vorhergehenden Ausführungsbei- εpiel hergeεteilt sein. Bei dem jetzt beschriebenen Herstel¬ lungsverfahren wird ein weiterer Metallstift nachträglich hergestellt, mit dem eine bereits vorhandene noch zu kontak¬ tierende Metallebene 3 in die erfindungsgemäße Kontaktstruk¬ turierung mit einbezogen wird. Falls die Oberfläche deε Bau¬ elementes keine ausreichende Planarität aufweist, wird auf die Zwischenschicht 13 eine Planarisierung 4 aus Dielektrikum (z. B. mittels PECVD abgeschiedenes Oxid) aufgebracht. Ggf. iεt dazu eine planariεierende Rückätzung erforderlich. Auεge- hend von der Struktur der Fig. 8 wird auf der linken Seite (Pfeil 18) der Metallstift 8 für die vertikale Kontaktierung hergestellt. Dazu wird eine Maske ∑. B. in Fototechnik aufge¬ bracht und die Zwischenschicht 13 ggf. einschließlich der Paεεivierung 4 innerhalb der Maεkenöffnung εelektiv zu dem Metall der zu kontaktierenden Metallebene 3 entfernt. Daε Me- tall wird dann selektiv zu dem Material der Zwischenεchicht 13 ebenfalls geätzt. Man erhält so den oberen Teil des für den Metallstift vorgesehenen zylindrischen Bereiches. Deεεen Innenεeite wird mit einer Paεεivierung 5 (ε. Fig. 9) verεehen (z. B. elektrisch leitend dotiertes Polysilizium) , um in nachfolgenden Verfahrenεεchritten daε Halbleitermaterial
(Silizium) des Substrates 15 gegen eine Kontamination mit Me¬ tall aus der zu kontaktierenden Metallebene 3 zu schützen. Die Passivierung 5 wird auf der Oberfläche der Zwischen¬ schicht 13 bzw. der Planarisierung 4 und auf dem Boden des geatzten Bereiches durch anisotrope Ätzung entfernt. Das Ma¬ terial (z. B. Oxid) der Zwischenschicht 13 wird anisotrop und selektiv zu dem Silizium des Substrateε 15 biε zu der Ober- εeite deε Substrates 15 geätzt. Danach erfolgt die Ätzung des Substrates 15 bis aus eine definierte Tiefe, die sich aus der vorgesehenen Restdicke deε Subεtrates 15 und der Länge deε auε der Unterseite des Substrates später herausragenden An¬ teiles des Metallεtiftes ergibt. Wie in Fig. 10 dargestellt, wird in die geätzte Öffnung ein Dielektrikum 6 abgeschieden (z. B. Oxid mittels PECVD) und anisotrop auf der Oberfläche und auf dem Boden des ausgeätzten Bereiches entfernt. Dieses Dielektrikum 6 wird dann entsprechend Fig. 11 im Bereich der zu kontaktierenden Metallebene 3 entfernt. Das kann ∑. B. dadurch erfolgen, daß die geätzte Öffnung teilweise, d. h. bis zu einer Höhe unterhalb der zu kontaktierenden Metall- ebene 3 mit einer Maske 7 z. B. aus Lack gefüllt wird und mit einer isotropen Ätzung das Material, z. B. Oxid, dieses Di¬ elektrikums 6 in dem oberhalb dieser Maske 7 befindlichen Be¬ reich entfernt wird. Anschließend wird dieεe Maske 7 eben- falls entfernt. Wie in Fig. 11 dargestellt befindet sich daε Dielektrikum 6 im unteren Bereich der geätzten Öffnung als Iεolation deε herzuεtellenden Metallεtifteε 8 gegenüber dem Material deε Substrates 15 und der darauf befindlichen Schichtstruktur. Der Kontakt des Metallεtifteε 8 mit der zu kontaktierenden Metallebene 3 wird durch die elektriεch lei¬ tende Paεεivierung 5, die von dem Dielektrikum 6 freigelegt iεt, ermöglicht. Die geätzte Öffnung wird dann mit dem Metall deε Metallεtifteε 8 gefüllt, was z. B. durch ganzflächige Ab- Scheidung von Wolfram mittelε CVD und Zurückätzen deε Wolf¬ rams auf der Oberfläche erfolgen kann.
Nachdem die erfindungεge äße Kontaktstrukturierung aus Me- tallεtiften 8 im unteren Bereich deε Bauelementeε hergestellt ist, wie in Fig. 12 dargestellt, werden die Metallkontakte 12 auf der Oberseite für die vertikale Kontaktierung mit Metall¬ stiften weiterer Bauelemente hergestellt. Die obere Metall¬ ebene 1 wird im rechten Bereich der Fig. 12 (s. Pfeil 19) mit einem derartigen Metallkontakt 12 versehen. Dazu kann z. B. eine Deckschicht 11 aus Dielektrikum ganzflächig abgeschieden und planarisiert werden. Mit den üblichen Verfahren für die Herstellung von Metallkontakten wie Fototechnik und Lift-off- Technik wird dann die Herstellung fortgesetzt. Das Material der Deckschicht 11 wird im Bereich des herzustellenden Me- tallkontaktes 12 entfernt und das Metall durch Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht. Es wird wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel Metall mit relativ zu den Leiterbahnen niedrigerem Schmelzpunkt aufgebracht. Die Masken und über¬ schüssiges Metall auf der Oberfläche werden entfernt. Die planare Oberseite kann durch Aufbringen einer Haftschicht 16 und einer Tragerscheibe 17 stabilisiert werden.
Das Substrat 15 wird dann von der Rückseite gedünnt, indem das Halbleitermaterial rückgeätzt wird, z. B. durch chemisch- mechanisches Polieren (CMP) , bis die unteren Spitzen der Me- tallεtifte 8 freigelegt sind. Daß dieser Zustand erreicht ist, kann ∑. B. daran erkannt werden, daß sich die Reibung bei dem chemisch-mechanischen Polieren verändert. Das Materi- al des Substrates 15 wird dann noch selektiv zu den Metall- stiften 8 weiter zurückgeät∑t, bis die Enden der Metallstifte 8 in der vorgesehenen Weise über die Unterseite des Subεtra- tes 15 hinauεragen (ε. Fig. 13). Auch bei diesem Ausführungε- beiεpiel kann dieser letzte Verfahrensschritt dadurch verein¬ facht sein, daß ein mehrlagiges Substrat verwendet wird. Zwi¬ schen einer mit der Schichtstruktur versehenen oberen Halb¬ leiterschicht und der eigentlichen Trägerscheibe auε Halblei¬ termaterial befindet εich eine Zwiεchenschicht (∑. B. Oxid), bezüglich der das Halbleitermaterial (z. B. Silizium) der
Trägerscheibe selektiv geätzt werden kann. Die Metallstifte 8 werden dann so weit in die Trägescheibe hineinragend herge¬ stellt, daß in dem letzten Verfahrenεεchritt nur die Träger¬ εcheibe deε Substrates vollständig und selektiv bezüglich der Zwischenεchicht entfernt zu werden braucht. Statt eines SOI- Subεtrateε mit einer üblichen dünnen Isolatorschicht kann für das erfindungsgemäße Bauelement ein speziell hergestelltes mehrlagiges Substrat mit einer wesentlich dickeren Isolator¬ schicht verwendet werden, damit eine ausreichende Isolation der Schichtstruktur mit den Funktionselementen von den Ober¬ flächenschichten eines vertikal darunter angeordneten weite¬ ren Bauelementeε gewährleistet ist.
Die weitere Verarbeitung des Halbleiterbauelementeε, die Ver- einzelung in Chipε und vertikale Verbindung mit weiteren Bau¬ elementen kann wie in dem zuerεt beschriebenen Ausführungs- beiεpiel erfolgen. Passivierung 5 und Dielektrikum 6 auf den Seitenwänden des für den Metallstift 8 ausgeätzten Loches können auch in dem Herstellungsverfahren der ersten Ausfüh- rungεform eingesetzt werden. In diesem ersten Ausführungsbei- εpiel können die Metallstifte 8 ähnlich wie in dem zweiten Ausführungεbeispiel erst nach dem Aufbringen der Dielektri¬ kumschichten und der Leiterbahnen 10 hergestellt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Herstellung der oberen Metall- kontakte für die Verbindung zu Metallstiften 8 weiterer Bau¬ elemente erεt zulet∑t auf der oberεten Metallebene. Die Me- tallεtifte 8 können auch durch weitere obere Metallebenen hindurch hergestellt werden, wenn in dem für den Metallstift 8 vorgesehenen Bereich in diesen oberen Metallebenen keine Leiterbahnen oder ein∑elne Metallkontakte gekreu∑t werden, sondern nur durch daε entεprechende Dielektrikum dieser Schichten hindurch geät∑t werden muß. Die Herstellung der er- findungsgemäßen Kontaktstrukturierung läßt sich auf diese
Weiεe an die jeweilige Schichtstruktur der Bauelemente anpas- εen, und der Herεtellungεprozeß kann entsprechend optimiert werden. Als Schichtstruktur im Sinne der Ansprüche ist dabei jeweils eine beliebige Struktur aus Halbleiterschichten und/oder Metallisierungsebenen mit Kontaktschichten auε leit- fähig dotiertem Halbleitermaterial, Leiterbahnen und/oder einzelnen Metallkontakten zu verεtehen. Die elektrisch lei¬ tenden Bereiche sind jeweils voneinander durch isolierendes Dielektrikum getrennt. Zur Vereinfachung der Herstellungs- technologie kann vorgesehen sein, daß die vertikal miteinan¬ der zu verschaltenden Halbleiterbauelemente gleichartig auf¬ gebaut sind und die schaltungstechnische Verbindung durch die spezielle Anordnung der erfindungsgemäßen Kontaktstrukturie¬ rung erreicht wird. Jedes Bauelement enthält dann die glei- chen Funktionselemente, die bei der vertikalen Verbindung aufgrund der Kontaktstrukturierung in der vorgesehenen Weise zusammengeschaltet werden. Unter einer Planarisierung oder Deckschicht ist jeweils eine oberste Dielektrikumschicht oder ein oberster Schichtanteil einer Dielektrikumschicht zu ver- stehen, die bzw. der die Oberseite des Bauelementes einebnet.

Claims

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einer Kontaktstrukturierung für vertikale Kontaktierung mit weiteren Halbleiterbauelementen und mit einem Substrat (15), daε auf einer Oberseite eine Schichtεtruktur aufweist, bei dem mindestenε ein Metallstift (8) vorhanden ist, der dieseε Subεtrat (15) senkrecht zu dieser Oberseite durch¬ bohrt, bei dem dieser Metallstift (8) in elektrischem Kontakt ist mit mindestens einer Kontaktschicht aus Halbleitermaterial oder einer metallischen Leiterbahn (10) oder einem Metallkon¬ takt (12) in dieser Schichtstruktur und bei dem dieser Metallstift (8) die der Oberseite gegenüber- liegende Unterseite des Substrates (15) so weit überragt, daß er mit einem dafür vorgesehenen Metallkontakt (12') eines weiteren Halbleiterbauelementes elektrisch leitend verbunden werden kann, wenn dieses weitere Halbleiterbauelement mit diesem Metallkontakt (12') zu diesem Metallstift (8) hin an dieser Unterseite ausgerichtet wird.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem auf der SchichtStruktur ein Metallkontakt (12) mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem von Leiterbahnen vorhanden iεt, der für die elektrisch leitende Verbindung mit einem Me¬ tallstift an der Unterseite eines weiteren Halbleiterbauele¬ mentes vorgesehen iεt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem mindestens ein Metallstift (8) und mindestens ein Me¬ tallkontakt (12) vorhanden sind derart, daß zwei gleichar¬ tige, mit dieser Kontaktstrukturierung versehene Halbleiter¬ bauelemente vertikal zueinander so angeordnet werden können, daß dieser Metallstift (8) deε einen Halbleiterbauelementeε mit diesem Metallkontakt (12') des anderen Halbleiterbauele¬ mentes elektrisch leitend verbunden werden kann.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem daε Subεtrat eine Oxid-Schicht (22) iεt und daε Halb¬ leiterbauelement auf der Schichtεtruktur mit einer Haft¬ schicht (16) und einer Trägerscheibe (17) εtabiliεiert iεt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktstrukturierung ei- neε Halbleiterbauelementeε nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in einem ersten Schritt auf einem Substrat (15; 20, 21, 22) die Schichtstruktur (1, 2, 3; 21, 24) auf der Ober- εeite εoweit hergeεtellt wird, daß eine mit einem Metallstift zu kontaktierende Kontaktschicht aus Halbleitermaterial oder eine Leiterbahn oder ein Metallkontakt vorhanden ist, bei dem in einem zweiten Schritt unter Verwendung einer Maske in anisotropen Ätzschritten diese SchichtStruktur und das Substrat von der Oberseite zur Unterseite hin im Bereich des herzustellenden Metallstiftes entfernt werden, bei dem in einem dritten Schritt Metall in diesen Bereich eingebracht wird und bei dem in einem vierten Schritt die Unterseite des Substra¬ tes (15; .20) soweit entfernt wird, daß der in dem dritten Schritt hergestellte Metallstift (8) diese Unterseite wie vorgesehen überragt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem ersten Schritt ein Substrat aus zwei durch ei- ne koplanar zur Oberseite angeordnete Isolatorschicht (22) getrennten Schichten (20, 21) aus Halbleitermaterial verwen¬ det wird, bei dem in dem zweiten Schritt der für den Metallstift vorge¬ sehene Bereich mindestens bis in die die Unterseite des Substrates bildende Schicht (20) aus Halbleitermaterial ge¬ atzt wird und bei dem in dem vierten Schritt diese Schicht (20) aus Halb¬ leitermaterial vollständig entfernt wird, indem das Halblei¬ termaterial selektiv bezüglich dieser Isolatorschicht (22) geätzt wird.
7. Verf hren nach Anspruch 6, bei dem das Substrat ein SOI-Substrat iεt, bei dem in dem ersten Schritt vorgesehene Funktionselemente in der dünnen Siliziumschicht dieses Substrates hergestellt werden und dann ganzflächig eine erste Dielektrikumschicht (25) aufgebracht wird, bei dem zwischen dem dritten und dem vierten Schritt eine zweite Dielektrikumschicht (26) ganzflächig aufgebracht und planarisiert wird, unter Verwendung von Maskentechnik Öffnun¬ gen (14) in dieser zweiten Dielektrikumschicht (26) als Kon¬ taktlöcher hergeεtellt werden, dieεe Kontaktlöcher mit Metall gefüllt werden und darauf in einer dritten Dielektrikum¬ εchicht (9) Leiterbahnen (10) oder Metallkontakte (12) herge¬ εtellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem ein Metallεtift für die Kontaktierung einer Leiter¬ bahn oder eines MetalIkontaktes hergestellt wird, indem der zweite Schritt so ausgeführt wird, daß in einem ersten weite¬ ren Schritt eine Planarisierung (4) aus einem Dielektrikum aufgebracht wird, in einem zweiten weiteren Schritt unter Verwendung einer Maske der für den Metallstift vorgesehene Bereich bis ein¬ schließlich in die Leiterbahn oder den Metallkontakt hinein ausgeätzt wird, in einem dritten weiteren Schritt die Seiten dieses ausgeätz- ten Bereiches mit einer Passivierung (5) versehen werden, in einem vierten weiteren Schritt der für den Metallstift vorgesehene Bereich vollständig ausgeätzt wird, in einem fünften weiteren Schritt die Seiten des ausgeätzten Bereiches mit einem Dielektrikum (6) beschichtet werden und in einem sechsten weiteren Schritt dieses Dielektrikum (6) unter Verwendung einer Maske (7) in dem Bereich der Leiter¬ bahn oder des Metallkontaktes entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Folge der Verfahrensschritte zur Herstellung ei¬ nes Metallstiftes der Kontaktstrukturierung mehrmalε für die Kontaktierung verschiedener Ebenen der Schichtstruktur ausge¬ führt wird.
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