Halbleiterbauelement für vertikale Integration und Herstel- lungsverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement für vertikale Integration mit für reversible Kontaktierung speziell ausgebildeten Anschlußkontakten sowie ein zugehöri- ges Herstellungsverfahren.

Die vertikale Integration von Halbleiterbauelementen, d. h. die Anordnung verschiedener Funktionsebenen übereinander, er¬ laubt eine parallele Kommunikation dieser Komponenten mit ge- ringem Aufwand elektrisch leitender Verbindung in einer Ebene, und außerdem werden geschwindigkeitsbegrenzende Inter- chip-Verbindungen vermieden. Außerdem kann ein solcher verti¬ kal integrierter Halbleiterchip trotz gesteigerter Funktiona¬ lität in demselben Gehäuse untergebracht werden. Sowohl für die Herstellung dieser Bauelemente als auch für den erforder¬ lichen Test einzelner darin integrierter Schaltungsebenen ist es erforderlich, eine Möglichkeit der reversiblen Kontaktie¬ rung für diese Schaltungsebenen mit extrem miniaturisierten Anschlüssen zur Verfügung zu haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbau¬ element anzugeben, das für reversible vertikale Integration, insbesondere zum Zweck des Testens weiterer Schaltungsebenen, geeignet ist. Außerdem soll das Verfahren zur Herstellung ei- nes solchen Bauelementes angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterbauelement mit den Merk¬ malen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen, ins¬ besondere Herstellungsverfahren und Verwendung, ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement sind Anschlu߬ kontakte für vertikale Kontaktierung auf einer Oberseite an¬ gebracht. Diese Kontakte sitzen auf einer strukturierten Me¬ tallschicht, die in einer Schichtstruktur des Bauelementes verankert ist und in der Art einer Blattfeder in eine Öffnung in dem Halbleitermaterial hineinragt. Auf dem in diese Öff¬ nung ragenden Ende dieser z. B. streifenfόrmigen Metall¬ schicht sitzt jeweils ein Kontakt, der die betreffende Ober¬ seite des Bauelementes so weit überragt, daß bei vertikalem Zusammenschluß mit einem weiteren Bauelement diese Kontakte auf Anschlußflächen des weiteren Bauelementes gedrückt wer¬ den, wenn die einander zugewandten Oberseiten der beiden Bau¬ elemente miteinander in Berührung gebracht werden. Durch die blattfederartigen Metallschichten ist der jeweilige Metall- kontakt so beweglich angebracht, daß die ansonsten planaren Oberseiten der Bauelemente aufeinandergepreßt werden können, wobei der Kontakt in die Öffnung zurückgedrückt wird und gleichzeitig einen für elektrische Verbindungen ausreichend festen Druck auf die gegenüberliegende Kontaktfläche ausübt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die einzelnen Bauelement- ebenen, die vertikal übereinander anzuordnen sind, jeweils zueinander planare Oberflächen aufweisen und gleichzeitig durch eine Art federnder Andruck die Kontakte des einen Bau¬ elementes auf die Anschlußflächen des anderen Bauelementes gedrückt werden. Da die elektrisch leitende Verbindung zwi¬ schen verschiedenen Schaltungsebenen auf diese Weise herge¬ stellt wird, ohne daß die Anschlußkontakte dauerhaft mitein¬ ander verbunden werden müssen, ist eine reversible vertikale elektrische Verbindung verschiedener Schaltungsebenen mög- lieh. Das ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemä¬ ße Halbleiterbauelement zu Testzwecken mit einer weiteren Bauelementeebene verbunden werden soll. Ebenso ist es von Vorteil, wenn bei der Herstellung eines vertikal integrierten Chips die jeweils gefertigten Teilstapel auf Funktionstüch- tigkeit hin überprüft werden sollen und bei Fehlfunktionen die zuletzt hinzugefügte Schaltungsebene wieder entfernt und durch eine andere ersetzt werden können soll. Bei einwand-

freier Funktion der vertikal verbundenen Schaltungsebenen kann die zuletzt hinzugefügte Ebene, die entsprechend der vorliegenden Erfindung realisiert ist, dauerhaft mit dem restlichen Teilstapel verbunden werden, z. B. indem sie er- wärmt wird und dadurch eine zuvor aufgebrachte Klebeschicht aktiviert wird.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Halbleiter¬ bauelementes und eines zugehörigen Herstellungsverfahrens an- hand der Figuren 1 bis 6.

Fig. 1 bis 4 zeigen Zwischenprodukte für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement nach verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens im Querschnitt. Fig. 5 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel des erfin¬ dungsgemäßen Bauelementes im Querschnitt. Fig. 6 zeigt beispielhaft den vertikalen Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Bauelementes mit einem weiteren Bau¬ element.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie auf einem Substrat 1 eine Schichtstruktur für die vorgesehene Funktionsweise des ferti¬ gen Bauelementes aufgebracht ist. Als Beispiel ist hier auf dem Substrat 1 eine untere Dielektrikumschicht 2, z. B. ein Isolationsoxid, als Isolation aufgebracht. Bei Verwendung ei¬ nes se iisolierenden Substrates kann diese Schicht entfallen. Die lateral begrenzte Schicht 3 soll ein in dem Bauelement integriertes Funktionselement darstellen. Bei einem IC auf Silizium kann diese Schicht 3 z. B. eine Polysiliziumschicht für das Gate eines Transistors sein. Diese leitfähige Struk¬ tur wird in weitere Dielektrikumschichten 4, 5 eingebettet, wobei die erste Dielektrikumschicht 4 eine Planarisierung der Oberfläche bewirkt. In diesen Dielektrikumschichten 4, 5 be¬ finden sich entsprechende Kontaktlöcher für den elektrischen Anschluß der Struktur der Funktionselemente zu auf der Ober¬ seite der oberen Dielektrikumschicht 5 aufgebrachten Metalli¬ sierungen 6. Diese Metallisierungen 6, z. B. Anschlußkontakte

oder Leiterbahnen, werden mit einer Iεolierungsschicht 7 be¬ deckt, in der Öffnungen zum Freilegen der Metallisierungen 6 hergestellt werden.

Es kann dann entsprechend Fig. 2 eine Metallschicht derart aufgebracht und strukturiert werden, daß der verbleibende An¬ teil dieser Schicht als Anschlußmetallisierung 8 mit der freien Anschlußfläche der Metallisierung 6 verbunden ist. Die Oberseite wird dann wieder in eine Dielektrikumschicht 9 ein- gebettet.

In die obere Dielektrikumschicht 9 wird dann senkrecht ein Loch bis auf die Oberfläche der Anschlußmetallisierung 8 ge¬ ätzt. Für das weitere Verfahren ist es vorteilhaft, wenn das obere Dielektrikum aus drei Schichtlagen aufgebaut ist, aus einer ersten Dielektrikumschicht 9, einer ÄtzstoppSchicht 10 und einer darauf aufgebrachten zweiten Dielektrikumschicht 11. Das geätzte Loch wird mit einer weiteren Metallisierung aufgefüllt. Diese weitere Metallisierung kann z. B. Wolfram sein und zunächst so hoch aufgefüllt werden, daß sie die Oberseite der oberen Dielektrikumschicht, hier also der zweiten Dielektrikumschicht 11, bedeckt. Durch ein anschlie¬ ßendes Rückätzen wird erreicht, daß diese Metallisierung als Kontaktstab 12 wie in Fig. 3 gezeigt bis zur Oberseite der obersten Dielektrikumschicht reicht. Als Dielektrikum kommt z. B. Siθ2 in Frage. Bei der gezeigten Struktur ist die Ätz¬ stoppschicht 10 z. B. Si3N4.

In einem nachfolgenden Schritt wird das Dielektrikum so weit entfernt, daß der Kontaktstab 12 die Oberseite in einer Höhe 13 wie in Fig. 4 gezeigt überragt. Diese Höhe 13 beträgt z. B. typisch 2 μm. Bei diesem Schritt, der zu der Struktur der Fig. 4 führt, ist die Ätzstoppschicht 10 vorteilhaft. Es kann nämlich die zweite Dielektrikumschicht 11 naßchemisch bis zur Ätzstoppschicht 10 vollständig entfernt werden. Durch die geeignete Wahl der Schichtdicken wird dann erreicht, daß der Kontaktstab 12 die Oberseite der Ätzstoppschicht 10 in der

vorgesehenen Höhe 13 überragt. Es können dann, falls er¬ forderlich, Anschlußflächen auf der Oberseite der Metallisie¬ rungen oder Leiterbahnen freigeätzt werden.

Dann werden der Kontaktstab 12 und der Anteil der Anschlußme¬ tallisierung 8, auf dem dieser Kontaktstab 12 sitzt, ringsum freigeätzt (umgebende Öffnung 14 in Fig. 5) , so daß das fer¬ tige Bauelement wie in Fig. 5 im Querschnitt gezeigt ent¬ steht. Die Metallisierung 6 ist auf diese Weise über die An- Schlußmetallisierung 8 und den Kontaktstab 12 mit einem die Oberseite überragenden, aber bei Andruck federnd nachgebenden Anschlußkontakt versehen.

Bei der in Fig. 6 dargestellen Verbindung dieses Bauelementes mit einem weiteren Bauelement werden die einander zugewandten Oberflächen miteinander in Verbindung gebracht, wobei der Kontaktstab 12 des erfindungsgemäßen Bauelementes auf die freie Oberfläche eines Kontaktes 15 in einer Kontaktöffnung 16 des anderen Bauelementes aufgedrückt wird. Da beim Zusam- menpressen der Bauelemente der Kontaktstab 12 in die umge¬ bende Öffnung 14 zurückgedrückt wird, können die Oberseiten der Bauelemente in innige Berührung gebracht werden, wobei ein sicherer elektrischer Kontakt auch bei möglichen Uneben¬ heiten der Oberseiten gegeben ist.

Bei der Anordnung der Fig. 6 kann das erfindungsgemäße Bau¬ element z. B. an einer Halterung angebracht sein, so daß die Kontaktstäbe 12 nach unten gerichtet sind. Das Bauelement kann dann zum Testen des Basis-IC (in Fig. 6 das obere Bau- element) eingesetzt werden. Das Layout der Schaltungen muß dann für diesen Test entsprechend konzipiert sein. Auf diese Weise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Bauelement nach¬ einander die zu testenden IC's reversibel kontaktieren.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Bauelementes er¬ gibt sich bei der vertikalen Integration von Schaltungsebe¬ nen. Die verschiedenen Schaltungsebenen werden mit Kontakt-

Stäben entsprechend dem erfindungsgemäßen Bauelement verse¬ hen. Bei der vertikalen Verbindung erfolgt dann wie beim Te¬ sten die elektrische Kontaktierung zunächst reversibel. Wird festgestellt, daß der betreffende Teilstapel seine Funktion nicht erfüllt, kann die zuletzt hinzugefügte Schaltungsebene entfernt werden und durch eine andere ersetzt werden. Wenn ein Test, z. B. unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bau¬ elementes, ergibt, daß der Teilstapel seine Funktion erfüllt, kann die zuletzt hinzugefügte Schaltungsebene dauerhaft mit dem restlichen Teilstapel verbunden werden, z. B. indem eine auf der Verbindungsfläche zuvor aufgebrachte Haftschicht z. B. durch Aufheizen aktiviert wird. Diese Haftschicht oder Klebeschicht wird vor dem Zusammenbringen der Schaltungsebene mit dem Teilstapel auf die Oberseite des bereits zusammenge- fügten Teilstapels aufgebracht. Nach dem Aufbringen dieser Haftschicht werden Öffnungen hergestellt, um die Kontaktflä¬ chen für den elektrischen Anschluß mit der nachfolgenden Schaltungsebene freizulegen. Dabei wird in diesen Bereichen die Haftschicht mit entfernt.

Das erfindungsgemäße Bauelement kann im Prinzip beliebig viele federnd gelagerte Kontaktstäbe aufweisen. Zwei mitein¬ ander zu verbindende Halbleiterbauelemente können an den mit¬ einander zu verbindenden Oberseiten jeweils sowohl derartige Kontaktstäbe als auch Anschlußflächen aufweisen. Wenn das für die Herstellung verwendete Substrat entfernt wird, kann auch die gegenüberliegende Oberseite des Bauelementes mit rückfedernden Kontaktstäben versehen werden.