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Dreidimensional integrierte elektronische Schaltungen.
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Die Brfindung betrifft dreidimensional integrierte elektronische Schaltungen,
insbesondere monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen mit sehr großer räumlicher
Dichte der Anzahl der aktiven bzw. speichernden Bauelemente.
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Bei den bekannten Halbleiterschaltungen, bei derez1 eine große Anzahl
von aktiven Bauelementen auf einer Haibleiterscheibe integriert sind, sind die Bauelemente
im wesentlichen in einer Schichtebene in der Nahe der halbleiteroberfläche angeordnet.
Es handelt sich hier um eine zweidimensional integrierte schaltung. Insbesondere
für elektronische Speicher besteht der Bedarf die Integrationsdichte um mehrere
Zehnerpotenzen zu steigern.Der konventionelle Weg hierzu ist, die Abmessungen der
Bauelemente auf der Halbleiterscheibe zu verkleinern und somit die Flächendichte
der Anzahl der Bauelemente zu vergroßem. Es wurden auch bereits vom Verfasser Vorschläge
gemacht, die Bauelemen-! e monoll l;hisch in drei Dimensionen zu integrieren. Jedoch
ist es bisher nicht gelungen während des Kristallwachstums Bauelemente und Verbindungsleitungen
mit großer Integrationsdichte in den Kristall einzubauen.
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Nachfolgend werden dreidimensionale integrierte Schaltungen beschrieben,
die mit den verfügbaren Technologien realisierbar sind. Hierzu werden erfindungsgemäß
mehrere Scheiben mit integrierten Schaltungen senkrecht zur großen Scheibenoberflächenebene
übereinander gestapelt, wobei der Abstand zwischen den Scheiben viel kleiner als
der Durchmesser der Scheiben ist und die Scheiben über Energieiibertragungstrecken
und/oder Signaliibertragungsstrecken miteinander verbunden sind. Mit integrierte
Bauelemente werden hier Anordnungen bezeichnet, bei denen auf bzw. in einer Scheibe
viele aktive bzw. speichernde Bauelemente durch monolithische Integration, Aufdampfen,
Aufstäuben, Molekularstrahlen, Ionenimplantation, Epitaxie oder durch chemisches
bzw. elektrolytisches Niederschlagen hergestellt sind. Die Bauelemente können Halbleiterbauelemente,
Supraleitungsbauelemente oder magnetische Bauelemente sein.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend
anhand von Beispielen und Figuren beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 Eine Anordnung bei
der zwischen den Scheiben eine dünne Schicht eines leitenden kontaktierenden Materials,z.B.
leitender Klebstoff, angeordnet ist.
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Fig. 2 Eine Anordnung bei der das leitende kontaktierende Material
in einer Vertiefung der Scheiben angeordnet ist.
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Fig 3 Eine Anordnung bei der die elektrische Verbindung zwischen den
Scheiben durch eine große Anzahl leitender Flecken hergestellt wird. Die Flecken
brauchen nicht relativ zu den Kontakten justiert werden.
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Fig. 4 Eine Anordnung bei der die Kontakte erhöht auf den Scheiben
angeordnet sind und bei der die Kontaktierung durch ein leitendes elastisches Maserial
erfolgt, dessen Lei.tfähigkeit druckabhängig ist.
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Fig. 5 Ebene Anordnung bei der die .Scheiben durchlocht sind und bei
der die Kontaktbabnen innerhalb zer Löcher angeordnet sind.
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Fig. 6 Eine Anordnung bei der die elektrischen Verbindungen an den
Schmalseiten der Scheiben angeordnet sind.
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Fig. 7 Eine Anordnung bei der die Halbleiterzwischenschicht 3 zwischen
den Halble it ersche ib en 1 durch Injektion von beweglichen Ladungsträgern leitend
gemacht wird.
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Fig. 8 Eine Anordnung bei der die Leitfähigkeit der Halbleiterzwischenschicht
3 durch elektrische Felder im gewinschten Sinne beeinflußt wird.
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Zu beachten ist, daß die Figuren 1, 2, 3, 4 - um die wesentlichen
Merkmale besser zeichnen zu können - die Anordnungen vor dem Zusammenpressen der
Scheibenstapel zeigen. Weiterhin sind in den Figuren nur zwei bis fünf Scheiben
übereinander angeordnet. In der Regel werden aber sehr viele Scheiben übereinander
angeordnet werden.
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Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung bei der die Scheiben 1 - z.B. Halbleiterscheihen
in der die Bauelemente monolithisch integriert sind - mit den Kontakten 2 durch
eine Schicht aus leitendem Klebstoff 3 miteinander elektrisch und mechaniroh verbunden
werden. Die Fig. 1 zeigt die Anordnung vor dem Zusammenpressen des Scheibenstapels.
Außerdem ist es praktisch nicht möglich die Anordnung maßstablich zu ze:ichnen.
Die Scheiben haben einen Durchmesser von z.B. 1 mm bis So r.m. Die Dicke der Scheiben
ist z.B. maximal o,5 mm. Sie wird aber in der Regel kleiner als 5o1m, vorzugsweise
kleiner als 10µm sein. Die Scheibendicke kann,wenn besonders große Packungsdichten
gefordert werden, kleiner als 2µm sein. Die leitende Klebstoffschicht 3 ist nach
dem Zusammenpressen und Aushärten so dünn, daß der Widerstand zwischen benachbarten
Kontakten verschiedener Scheiben viel kleiner ist, als der Widerstand zwischen benachbarten
Kontakten auf einer Scheibe. Es tritt bei der Anordnung nach Fig. 1 zwar ein Ubersprechen
zwischen verschiedenen Signalbahnen auf, dieses Ubersprechen ist aber aufgrund der
Spannungsteilung in der Klebstoffschicht und der niedrigen Impedanzen der Signalquellen
bzw. Signalsenken vernachlässigbar klein. Zudem können noch mit Masse verbundene
Abschirmleiterbahnen zur Verringerung des Übersprechens zwischen benachbarte Kontakte
einer Scheibe eingefilgt werden. Der Abstand zwischen den Scheiben und damit die
Dicke der Klebstoffschicht 3 ist nach dem Zusammenpressen in der Regel kleiner als
,Xog;m, vorzugsweise sogar kleiner als 3µm. Dagegen wird der Abstand der Kontakte
auf einer Scheibe meistens größer als 50µm sein. Der Vorteil der Anordnung nach
Fig. 1 ist, daß die Kontaktierung vieler Kontakte ohne präzises justieren der Scheiben
möglich ist und somit mit geringen Kosten und guter Ausbeute in einem Massenprodulctionsprozeß
erfolgen kann. Nicht gezeichnet in Fig. 1 sind die in bzw. auf den Scheiben integrierten
Bauelemente und elektrischen Verbindungen, sowie die der Oberflächenpassivierung
und Isolierung dienenden Oberflächenschichten, die z.B. alis SiO2 bestehen.
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Die Scheiben 1 in Fig. 1 sind durchzogen von nichtgezeichneten Kontaktbahnen
von den Bauelementen an der einen großen Oberfläche zu den Kontakten 2 auf der gegenüberliegenden
großen Oberfläche. Diese Kontaktbahnen können z.B. durch Thermomigration oder Diffusion
llergestellt werden. Es ist vorteilhaft die Pakkungsdichte der Bauelemente dadurch
zu erhöhen, daß die Bauelemente sowohl an der oberen als auf an der unteren großen
Oberfläche angeordnet werden. Bei sehr dünnen Scheiben können die einzelnen Bauelemente
auch von der oberen bis zur unteren großen Oberfläche der Scheibe reichen.
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Der leitende Klebstoff in Fig. 1 kann durch andere leitende Materialien
ersetzt werden. Geeignet sind vorallem: leitender Kunststoff, insbesondere chemoplasti
scher oder thermoplastischer3 ici ende elastische Kunststoffe, insbesondere Schaumstoffe,
leitende kautschukartige Stoffe; Halbleiter; einschließlich polykristalline und
organische Halbleiter; leitende Gläser, insbesondere Gläser mit niedriger Schmeltztemperatur;
leitende Keramiken, die insbesondere vor dem Brennen auf die Scheibe aufgetragen
werden; leitende Cermets. Die aufgezählten leitenden kontaktieren den Materialien
werden in der Regel durch Behandlung mit Wärme, Lösungsmitteln oder Chemikalien
in festen mechanischen Kontakt mit den Scheiben 1 gebracht. Bei den e]astischen
Kunststoffen und kautschukartigen Stoffen genügt es die Schichten zwischen den Scheiben
1 anzuordnen und den Scheibenstapel zusammenzupressen.
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Das unerwünschte Übersprechen zwischen den verschiedenen Signalwegen
kann erbeblich vnrringort werden wenn die leitende kontaktierende Schicht 3 in Fig.1
aus einem Material mit anisotroper Leitfähigkeit besteht, so daß die Leitfähigkeit
senkrecht zur Leitschichtebene größer als parallel zu dieser Ebene ist.
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Die Anisotropie kann z.B. realisiert werden, indem in ein nicht oder
nur wenig leitendes Material (z.B. Klebstoff) viele kleine längliche, insbesondere
nadelförmige ferromagnetische1 Partikel eingebettet sind. Während des Aushärtens
diees Materials in dem die ferromagnetischen Nadeln angeordnet sind wird der Scheibenstapel
in einem technischen Magnetfeld angeordnet, in dem die Feldlinien etwa senkrecht
zu den Schichtebenen verlaufen. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen und die Kontakte
zwischen den Partikel zu verbessern kann die Oberfläche der ferromagnetischen Partikel
von einem Kontaktwerkstoff, insbesondere von Silber oder einem Edelmetall überzogen
sein.
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Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung bei der das leitende kontaktierende
Material nicht als homogene Schicht, sondern in Form von Inseln 4 zwischen den Scheiben
1 angeordnet ist. Grundsätzlich kann das lokale Aufbringen des leitenden kontakticrenden
Materials mit Verfahren .hnli.ch denen der Druckereitechnik erfolgen.
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Es ist jedoch vorteilhaft die in Fig. 2 gezeigte Anordnung zu verwenden,
bei der zur Lokalisierung des leitenden kontaktierenden Materials 4 Vertiefungen
7 - indenen sich die Kontakte 2 befinden - in den Scheiben 1 angeordnet sind. Die
Scheibe kann z.B. mit leitenden Klebstoff relativ dick bestrichen werden. Dabei
rillen sich die Vertiefungen 7 mit dem Klebstoff. Anschließend wird der Klebstoff
von der Scheibe heruntergewischt. Durch die Oberflächenspannung des Klebstoffes
bleibt. aber auch nach dem Herunterwischen eine Erhebung von Klebstoff 4
über
den Kontaktlöchern 7 stehen. Werden Jetzt die Scheiben zusammengepresst, dann vereinigen
sich die in den gegerniberliegenden Kontaktlöchern befindlichen Klebbstoffe. Der
Vorgang des Vereingens kann unterstützt werden, wenn während des Zusammenpressens
der Scheibenstapel erhitzt wird und sich dadurch der Klebstoff ausdehnt oder zu
fließen beginnt oder wenn sich ein Treibmittel (insbesondere ein Treibgas) ausdehnt
bzw. gebildet wird. Das Treibmittel bzw. der das Treibmittel erzeugende Stoff wird
in den Kontaktlöchern 7 oder im leitenden kontnktierendem Material 4 angeordnet.
Weitere Kräfte, die die Vereinigung des leitenden kontaktierenden Materials benachbarter
Scheiben bewirken können, sind Zentrifugalkräfte oder magnetische Kräfte auf in
dem leitenden kontaktierendem Material 4 eingebettete ferromagnetische Partikel.
Die Anwendung der oben aufgeführten Zusatzkräfte ist auch bei Anordnungen vorteilhaft
bei denen das leitende kontaktierende Material nicht in Löchern angeordnet ist.
Statt leitendem I;lebstoff können auch hier wieder die bei der Beschreibung der
Fig. 1 aufgezähl-Sen leitenden kontaktierendon Materialien verwendet werden. In
der Fig. 2 sind als Beispiel auch einige Bauelemente 5 und verbindende Leitungen
6 eingezeichnet.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird das zur Kontaktierung dienende
leitende Maserial 3 (z.B. leitender Kautschuk oder leitender Klebstoff, thermoplastischer
Kunststoff oder eines der bei der Beschreibung von Fig. 1 aufgezählten leitenden
Materialien) in Form von vielen kleinen Flecken 3 zwischen den Scheiben 1 angeordnct.
Die Anzahl der Flecken ist vorzugreise viel größer als die Anzahl der zu kontaktierenden
Kontakte 2. Der Abstand zwischen den Flecken 3 in einer vorgegebenen Raumrichtung
ist kleiner als die Länge der Kontakte 2 in dieser Raumrichtung. Die Länge der Flecken
3 in einer vorgegebenen Raumrichtung ist kleiner als der Abstand der Kontakte 2
in dieser Richtung. Damit ist gewährleisteht, daß immer mindestens ein Fleck die
Kontaktierung zwischen benachbarten Kontakten von verschiedenen Scheiben übernimmt,
ohne daß unerwünschte Verbind dungen auftreten können. Der Vorteil der Anordnung
ist, daß die Flecken 3 nicht relativ zu den Kontakten justiert zu werden brauchen,
gleichgültig ob die Flekken 3 in einem regelmäßigen Muster oder statistisch verteilt
angeordnet sind.
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Die Flecken 3 können z.E. mittels einer Maske oder eines Stempels
auf die Scheibe 1 aufgebracht werden Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird die Montage
dadurch erleichtert,daß die leitenden Flecken 3 in einer Trägerschicht 8 aus nichtleitendem
Material (z.B. thermoplastischer Kunststoff) eingelagert sind. Diese Trägerschicht
8 kann unabhägig von der Scheibe 1 gefertigt werden und wird
während
der Montage zwischen je zwei Schei.ben 1 gelegt und, bei dem gewählten Beispiel
mit einer Trägerschicht aus thermoplastischen Kunststoff, bei Zusammenpressen des
Scheibenstapels erhitzt, wodurch sich der thermoplastische Kunststoff mechanisch
mit den Scheiben 1 verbindet.
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Unabhängig davon, ob eine Justierung von Flecken aus leitenden kontaktierendem
Material nach den Kontakten 2 erfolgt oder ob nur viele unjustierte Flecken angeordnet
werden, können die leitenden kontaktierenden Flecken nach einem der nachfolgend
beschriebenen Verfahren hergestellt, werden: a.) In nichtleitendes Material werden
kleine Partikel (Atome, Moleküle, kleine leitende makroskopische Partikel) implantiert
(hereingeschossen), hereingedrückt oder eindiffundiert. Von besonderem Interesse
ist hier ein Verfahren, bei dem die Scheiben 1 mit einem nichtleitendem Material
(z.B. Kunststoff) im flüssigem, plastischem oder pulverförmigen Zustand beschichtet
werden. In dieses Material werden dann leitende Partikel mit einem Durchmesser von
ungefähr Ijum lokal selektiv hineingeschossen oder hereingedrückt. Die so beschichteten
Scheiben werden dann gestapelt und die isolierende Schicht wird (z.B. durch MSårme)
ausgehärtet. Zum Hereintiicken bzw. Eindiffundieren genügt es, wenn die Partikel
auf die Oberfläche des isolierenden Materials aufgetragen werden. Spätestens während
des Zusammenpressens des Scheibenstapeis dringen die Partikel in das dann flüssige,plastische
oder pulverförmige nichtleitende Material ein-und machen es leitend.
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b.) In nichtleitendes Material werden längliche leitende Partikel
eingebettet.
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Dio Konzentration der leitenden Partikel ist so gering, daß bei statistischer
Richtungsverteilung der langen Achsen der Partikel noch keine wesentliche Leitfähigkeit
vorhanden ist. Wenn das nichtleitende Material flüssig, plastisch oder pulverförmig
ist, wird lokal senkrecht zu den großen Scheibenebenen ein magnetisches oder elektrisches
Feld angelegt, welches die größen Achsen der Partikel ausrichtet, so daß sich dort
viele Partikel berühren. Die Leitfähigkeit wird entsprechend erhöht. Anschließend
wird das isolierende Material verfestigt.
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c.) Es wird leitendes photoempfindliches oder strahlungsempfindliches
Material (z.B. mit leitenden Partikeln gefüllter Fotolack) auf die Scheibe 1 aufgetragen.
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An den Stellen an denen keine Kontaktierung erfolgen soll bzw. wo
eine Unterbrechung erforderlich ist, wird das photoempfindliche bzw. strahlungsempfindliche
Material
in bekannter Weise entfernt. Die lokale Bestrahlung kann mit Partikel oder Photonen
erfolgen.
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d.) Ein leitendes kontaktierendes Material, das auf die Scheiben 1
aufgebracht wird, wird lokal selektiv entfernt. Zum Entfernen des Materials sind
mechanische Verfahren (z.B. Fräsen, Sägen Schleifen, Sandstrahlen) chemische Verfahren
oder lonenstrahlätzen (Sputtern) brauchbar, Die nicht zu entfernenden Stellen werden
gegebenenfalls maskiert.
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e.) Die Leitfähigkeit eines nichtleitenden Materials wird lokal irreversibel
durch elektrische Durchschläge oder Entladungen oder durch Erhitzen (z.B. mit Laserstrahlen)
erhöht.
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ï.) Es werden lokal chemische Prozesse ausgelöst deren Reaktionsprodukt
ein leitendes Material ist. Die chemische Reaktion kann durch Strahlung, Wärme,
elektrischen Strom oder lokales Auftragen eines chemisch wirksamen Stoffes (z.B.
einen Katalysator) ausgelöst werden. Beispiel: Ein Silbersalz (z.B.
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AgCl, AgBr) wird in den zusammenhängenden Poren eines elastischen
Schaumstoffes angeordnet. An den Orten die beleuchtet werden fällt Silber aus und
schlägt sich auf den iSånden der Poren nieder. Es bilden sich so leitende Kanäle
im Schaumstoff.
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Mit den Verfahren a.) bis f.) können auch die anhand der Fig, 3 beschriebenen
Trägerschichten 8 hergestellt werden.
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Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung hei der die Kontakte 2 auf der Scheibe
1 erhöht angeordnet sind. Zwischen den Scheiben 1 ist eine Schicht 9 aus einem Material
angeordnet dessen Leitfähigkeit an den Stellen steigt auf die ein mechanischer Druck
ausgeübt wird. Ist der Druck ausreichend groß, dann kann erreicht werden, daß die
Schicht 9 nach dem Zusammenpressen des Stapels mit den Scheiben 1 praktisch nur
an den Stellen mit den Kontakten 1 leitet. Als Schicht 9 besonders geeignet sind
mit leitenden Partikeln gefüllte elastische Schaumstoffe oder kautschukartige Stoffe.
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In Abwandlung des Verfahrens nach Fig. 4 bieten erhöht auf der Scheibe
1 angeordnete Kontakte auch den Vorteil, daß sie relativ einfach selektiv an den
Orten der Kontakte mit dem leitenden kontaktierendem Material (z,B. leitendem
Klebstoff)
beschichtet werden können.
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Die Fig. 9 zeigt eine Anordnung bei der in den Scheiben 1 durchgehende
Löcher 10 angeordnet sind. Die Kontakte auf den Scheiben 1 sind innerhalb bzw. am
Rande der Löcher 10 angeordnet. Nach Übereinanderstapeln der Scheiben 1 werden die
Löcher io mit einem leitenden Material (Metall, leitender Kunststoff, leitendes
Glas o. ä.) gefüllt. Die Anordnung nach Fig. 5 ist besonders für Betricsspannungen
und Signale geeignet, die einer größeren Anzahl von Scheiben parallel zugeführt
werden.
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Bei der Anordnung nach Fig. 6 erfolgt die Verbindung zwischen den
Scheiben 1 entlang den SchmaLseiten der Scheiben 1. Beim gezeichneten Beispiel sind
zwischen den Scheiben 1 Isolierscheibenl(die fest mit den Scheiben 1 verbunden sein
können) angeordnet. Die Leiterbahnen 12 werden z.B. durch schräges Bedampfen bzw.
Bestäuben (Sputtern) mit Metall, in Richtung der Pfeile 13, hergestellt.
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An den Orten an denen die Leiterbahnen unterbrochen sein sollen, reicht
die I-clierschicht 11 nicht bis zum Rand der Scheiben 1. Die dadurch entstehende
Lükke 14 verhindert das Entstehen einer durchgehenden Leiterbahn 12. Anstatt die
Isolierschichten 11 an den Unterbrechungsstellen der Leiterbahnen zuriickzusetzen,
können sie auch über der Rand der benachbarten Scheibe 1 überstehen, wie es am Ort
15 gezeigt ist. Weiterhin können auch durch vorstehende Scheiben 1 (am Ort 16) oder
durch zurückgesetzte Sche jbenlunterbrechungen in den Leiterbahnen geschaffen werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Anordnung nach Fig. 1 die Scheiben 1
elektrisch miteinander zu verbinden besteht darin, die Kontakte stark aufzurauhen.
Wenn die Rauhtiefe (z.B. 10µm) größer als die Unebenheit der Oberfläche der Scheilaien
1 nach dem Zusammenpressen ist, dann kommt es zu einem elektrischen Kontakt zwischen
den Kontakten benachbarter Scheiben 1; und zwar auch dann, wenn zwischen den Halbleiterscheiben
eine dünne Schicht aus einem nichtleitendem Material (z.B. Klebstoff) angeordnet
ist. Dabei ist es aber meistens notwendig, daß die Schicht aus nichtleitendem Material
während des erstmaligem Zusammenpressens ccs Scbeibenstapels flüssig, plastisch
oder pulverförmig ist. Statt die Kontakte aufzurauhen können auch Whiskers, Dendriten
oder Fasern aus leitenden Material 1lf bzw. zwischen den Kontakten angeordnet werden.
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Wenn bei der Anordnung nach Fig. 1 die Schicht 3 ein isolierendes
Material, insbesondere ein isolierender Klebstoff ist, kann die Kontaktierung auch
ohne Aufrauhung (oder ähnlichem) der Kontakte 2 erfolgen, wenn der Abstand zwischen
den Kontakten 2 eines Leitungsweges kleiner als etwa 5nm (<lonm) ist. In diesem
Fall tunneln die Ladungstr;ger durch die isolierende Schicht 3. Um zwischen allen
zu kontaktierenden Kontakten 2 so kleine Abstände zu realisieren wird z.B.
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die Scheibe 1 (z.B. Halbleiterscheibe) sehr dünn (<10µm) gemacht.
Bei so kleinen Scheibendicken ist auch sprödes Material biegsam. Wahrend der Montage
des Scheibenstapeis drückt an jeder Kontaktstelle eine Spitze mit großem Druck auf
die Scheibe 1 bis die isolierende Schicht 3 ausgehärtet ist. Die Kontakte 2 brauchen
keine Metallkontakte sein, sondern können z.B. als dotiertes Halbleitermaterial
realisiert sein.
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Bei einem anderen Verfahren zur Kontaktierung der Scheiben 1 wird
zwischen den Scheiben 1 eine Zwischenschicht aus nichtleitendem oder halbleitendem
Material (z.B. ein organischer ffalbleiter) angeordnet. Vor dem Zusammenfügen der
einzelnen Scheiben 1 zu einem Stapel wird auf oder unter oder in die Kontakte ein
Material (z.B. Dotierlmgsstof.f) aufgebracht, daß während bzw. nach dem Zusammenfügen
der Scheiben zu einem Stapel in die Zwischenschicht eindringt bzw. mit der Zwischenschicht
chemisch reagiert und damit leitend macht. Zur Unterstützung des Eindringens in
bzw. der chemischen Reaktion mit der Zwischenschicht wird zweckmäßig der Scheibenstapel
erwärmt.
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Statt über galvanische Verbindungen können die Signale auch über kapazitive
oder induktive Kopplungen auf die benachbarten Scheiben mit integrierten Schaltungen
übertragen werden. Hierzu sind bei der kapazitiven Kopplung auf jeder der zu verkoppelnden
Scheiben an jedem Koppelpunkt je eine leitende Koppelfläche (z.B.
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mit einem Durchmesser von 30µm) so angeordnet, daß bei gegebenem Scheibenabstand
die Kapazität möglichst groß wird. Das ist dann der Fall, wenn die beiden Flächennormalen
der beiden leitenden Koppelflächen die durch den jeweiligen Flächenschwerpunkt gehen
auf einer Geraden liegen. Die Dicke der isolierenden Zwischenschicht zwischen den
beiden Koppelflächen eines Koppelpunktes sollte möglichst kleiner als d,er Durchmesser
der Koppelfläche sein (z.B. 1c m). Die isolierende Zwischenschicht wird «,weckmäßi.g
aus einem Material mit großer Dielektrizitätskonstante , insbesondere einem ferroelektrischen
Material hergestellt. Bei der induktiven Kopplung werden an jedem Koppelpunkt auf
Jeder der
zu veroppelnden Scheiben je eine Koppelschleife (ein
oder mehrere Windungen) so angeordnet, daß bei gegebenem Abstand der Scheiben die
Gegeninduktivität möglichst groß ist. Das ist der Fall, wenn die beiden Flächennormalen
der beiden Koppelschleifen, die durch den jeweiligen Schwerpunkt der beiden Koppelschleifen
gehen auf einer Geraden liegen. Der Abstand zwischen den beiden Koppelschleifen
eines Koppelpunktes sollte möglichst kleiner als der Durchmesser der Koppelschleifen
sein (z.B. 30µm). Der Durchmesser einer Koppelschleife beträgt z.B.
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100µm. Bei dünnen zu verkoppelnden Scheiben kann die induktive Kopplung
auch durch die Nachbarsobeibe hindurch auf die z.B. übernächste Scheibe erfolgen.
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Wegen der kleinen Abstände zwischen den Scheiben mit den integrierten
Schaltungen sind mit der kapazitiven und induktiven Kopplung überraschend große
Koppelfaktoren realisierbar, so daß eine galvanische Kopplung überflüssig wird.
Die Vorteile der kapazitiven und induktiven Kopplung im Vergleich zur galvanischen
Kopplung bei dreidimensionalen integrierten Schaltungen sind ihre große Betriebszuverlässigkeit
und die Einfachheit ihrer Herstellung, weil keine zusätzlichen Kontnktmaterialien
erforderlich sind. Besonders bei der induktiven Kopplung wird jedoch in der Regel
auf der Empfängerseite des Koppelpunktes ein Impulsformer erforderlich sein, der
die kurzen während der Impulsflanke des Sendeimpulses übertragenen Impulse in länger
andauernde Signale umwandeld.
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Bei einigen Halbleitern, insbesondere bei GaAs, kann die Signalübertragung
zwischen benachbarten Scheiben mit integrierten Schaltungen durch einen optischen
Koppelpunkt erfolgen. Auf der einen Halbleiterscheibe ist ein optisch strahlenes
Bauelement (z.B. eine Lumineszenzdiede) angeordnet und auf der anderen zum Koppelpunkt
gehörenden Halbleiterscheibe ist in möglichst geringem Abstand von dem optisch strahlendem
Bauelement ein Photodetektor (z.B. eine Photodiode) angeordnet. Um einen guten Übertragungswirkungsgrad
zu erhalten, erfolgt die Übertragung der Signale vorteilhaft nur während der Änderung
eines Signalzustandes, dh. zur Zeit der Impulsflanken.
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Fii'r alle dreidimensional integrierten Schaltungen, insbesondere
für solche mit ni.chtgalvanischer Signalkopplung zwischen Halbleiterscheiben gilt,
daß die Energieversorgung der einzelnen Scheiben mit den integrierten Schaltungen
außer durch galvanlsche Kopplung auch dadurch erfolgen kann, daß der gesamte Scheibenstapel
mit optischer Strahlung durchstrahlt wird. Die Energie der dadurch -i'-rei'esetzten
Elektronen bzw. Löcher wird dann für die Versorgung der aktiven
Bauelemente
verwendet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Wellenlänge der optischen Strahlung
ungefähr gleich der Wellenlänge der Absorbtionskante des Halbleitermaterials ist.
In diesem Fall gelingt es viele Halbleiterscheiben zu durch strahlen und trotzdem
eine ausreichende Energiewandlung in den einzelnen Ilalbleiterscheiben zu erreichen.
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Ilit. relativ großen Koppeischleifen, die z.B. nahezu so groß sind
wie die Fläche der zu versorgenden Scheibe mit den integrierten Bauelementen, oder
mit großen kapazitiven Elektroden, können di.e einzelnen Scheiben auch mit hochfrequenter
Energie versorgt werden. Die auf die einzelnen Scheiben übertragene Energie kann
gleichgerichtet werden, es können aber auch Schaltungen angewendet werden, die unmittelbar
mit hochfrequenter Energie arbeiten.
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Die kontaktierende Verbindung zwischen den Scheiben 1 kann auch silber
epitaktisches Zusammenwachsen der Scheiben erfolgen. Heteroepitaxie ist insbesondere
bei den in Fig. 1 gezeigten Verfahren sinnvoll, wenn z,B. die Scheiben 1 Halbleiterscheiben
sind und das Material der Schichten 3 ein vom Material der Scheiben 1 abweichendes
Halbleitermaterial ist. Nachfolgend werden Verfahren gezeigt, bei denen die Scheiben
auch homoepitaktisch zusammenwachsen. Es bildet sich also ein - von den Dotierung
abgesehen - Block aus homogenem Material. Das homoe'iit;ische Zusammenwachsen ist
von besonderer Bedeutung,wenn die Scheiben 1 Halbleiterscheiben sind. Nachfolgend
einige Herstellungsbeispiele: a.) Die Scheiben 1 werden im Gasepitaxiereaktor mittels
Distanzstücke im Abstand von einigen Mikrometern gehalten. Ein Temperaturgradient
parallel zu den Scheibenoberflächen bewirkt, daß das epitaktische Wachstum in der
Scheibenmitte oder an einer Scheibenseite am größten ist und entlang des Temperaturgradienten
kontinuierlich abfällt. Die Scheiben wachsen also zuerst in der Mitte bzw. an einer
Seite zusammen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß keine Gebiete beim Zusammenwachsen
von der Gasversorgung abgeschnitten werden.
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b.) Die Scheiben werden schrcig angeschliffen aber so unter Einhaltung
eines kleinen Luftspaltes gestapelt, daß die Kristallachse der Scheiben 1 parallel
liegen. Das Abschniiren von der Gasversorgung während des epitaktischen Wachstums
wird hier durch den Schrägschliff vermieden.
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c.) Bei Verbindungshalbleitern (z.B. GaAs) wird auf die eine Scheibe
1 ein Uberschuß der einen Komponente (z.B. Ga) und auf die epitaktisch zu verbindende
Seite der Nachbarscheibe 1 ein tiberschuß der anderen Komponente (z.B. As) aufgebracht.
Dann werden die Scheiben zusammengepreßt und erhitzt.
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d.) Zwischen die Scheiben wird ein Lösungsmittel gebracht und anschließend
wird der Scheibenstapel zusammengepreßt. Dieses Verfahren ist insbesondere bei organischen
Halbleitern anwendbar.
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e.) Die einkristalline Oberflächenschicht der Scheiben 1 wird (z.B.
durch Beschuß mit Wasserstoffionen) amorph gemacht. Dann wird der Scheibenstapel
unter Hitzeanwendung zusammengepreßt.
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Für die Verfahren c bis e ist es vorteilhaft, wenn die Scheiben 1
sehr dünn (z.B. 5µm) und damit biegsam sind und/oder wenn nicht die gesamte Scheibenfläehe
epitaktisch verbunden wird sondern nur der Kontaktbereich. Letzteres kann dadurch
realisiert werden, daß die Kontaktstellen Erhebungen auf den Scheiben sind oder
wenn die Scheibe abse L'ts der Kontaktbereiche mit einer Schicht abgedeckt ist,
auf der das epitaktische Wachstum langsamer als auf der Scheibe im Kontaktbereich
ist.
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Insbesondere wenn eine epitaktische Verbindung zwischen den Scheiben
1 nur bei den Kontakten vorhanden ist, dann kann bereits während des epitaktischen
Zusam menwachsens ein Dotierungsstoff in die Epitaxiezone eingebaut werden, um so
eine ausreichende Leitfähigkeit der epitaktischen Kontaktierung zu erreichen.
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Besonders wenn eine über die gesamte Scheibenfläche zusammenhängende
hochohmige epitaktische Verbindung geschaffen wird, kann die Leitfähigkeit der Epitaxieschicht
an den Kontaktpunkten durch Ausdiffusion von Dotierungsstoff aus den Kontnktbereichen
der Scheiben 1 erhöht werden. Hierzu wird ein Überschuß an Dbtierungsstoff im Kontaktbereich
deponiert. Es kann aber auch eine ausreichend niederohmige Epitaxieschicht 3 durch
Ausdiffusion an Stellen an denen keine Kontakte sind im Leitungstyp umgekehrt werden
(aus einer N-Dotierung wird z.B. eine P-Dotierung) und damit die unerwünschten Leitungswege
in der Epitaxie der sonstigen Halbleiterschicht 3 durch Icolierdiffusionszonen unterbrochen
werden.
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Insbesondere zwischen epitaktisah zusammengewachsenen Halbleiterscheiben
kann die Verbindung zwischen den Scheiben 1 auch durch Injektion von Ladungsträgern
erfolgen
(Fig. 7). In die N-dotierten iTalbleiterscheiben 1 ist eine P+-dotierte Zone 17
und N+-dotierte Zone 18 angeordnet. Die Zone 13 ist durch die P-dotierte Zone 19
vom Halbleitersubstrat isoliert. Die Zon17 und 18 sind über nichtgezeichnete Leitungen
mit den zu verbindenden Punkten der Schaltung verbunden.
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Wird an die Zone 17 eine positive Spannung relativ zur Zone 18 gelegt,
dann werden von der Zone 18 Elektronen und von der Zone 17 löcher in die schwachleitende
Zwischenschicht 3 injiziert. Dadurch wird die Zone 3 an den Kontaktstellen niederohmig
und es können Signale oder Betriebsspannungen über die Kontaktstrecke übertragen
werden. Die Zone 19 braucht nicht kontaktiert zu werden. Insbesondere für die Übertragung
der Betriebsspannung kann die Isolationszone 19 auch entfallen. Weiterhin ist es
möglich solche Injektionskontnkte 17, 18 auf isolierenden Scheiben 1 anzuordnen.
Statt dessen , kann die Kontaktierung auch durch eine als bipolarer Transistor wirkende
Anordnung erfolgen. Der Emitter und die Basis dieses Transistors ist auf der einen
Scheibe 1 angeordnet, der Kollektor auf der, durch die Epitaxieschicht getrennten,
benachbarten Scheibe 1. Die schwache Dotierung der Epitaxieschicht ist . vorzugeweise
so gewählt, daß sie als Kollektorzone wirkt. Möglich, aber wegen der größeren Ladungsträgerlaufzeiten
nicht so ginstig, ist es die Zwischenzone 3 als Basis zu betreiben.
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Insbesondere bei epitaktisch zusamniengewachsenen IIalbleiterschichten
kann weiterhin der Signalweg durch elektrische Spannungen festgelegt werden. In
Fig. 8 ist die epitaktische zur Kontaktierung dienende Schicht 3 gerade so leitfähig,
daß eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten 2, die z.B. als hochdotierte
Zone realisiert ist, vorhanden ist. Damit aber keine unerainschte @ Verbindung zwischen
verschiedenen Kontnktstellen zustande kommt, wird derStromfluß parallel zur Ebene
der Schicht 3 durch ein die Ladungsträger abstoßendes Feld abgeschnürt. Hierzu wird
an die P-dotierten Halbleiterscheiben 1 in Fig. 8 eine negative Spannung relativ
zu den Spannungen an den Kontakten 2 gelegt. Die Epitaxieschicht 3 ist.N-dotiert.
Die Spannung ist so groß, daß sich die Raumladungszone von der einen Scheibe 1 bis
zur anderen Scheibe 1 ausdehnt. Hierdurch wird der Stromfluß, außerhalb der Kontaktbereiche
2, entlang der Epitaxieschicht 3 unterbrochen. Die Anordnung nach Fig. 8 ist besonders
einfach.
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Statt dieser Anordnung kann aber das Abschnüren des Stromflusses auch
mit isolierten Halbleiterscheiben oder mit zusätzlichen Abschnürelektroden, in Form
von PN-t'bergängen, Schottky-Kontakten oder isolierten Elektroden, erfolgen. Die
Kontakte 2 in Fig. 8 liegen in einer Isolierwanne 20, sie können aber, wenn sie
z.B. als N-dotierte Zone ausgebildet sind, auch direkt im P-dotiertem Halbleitersubstrat
angeordnet sein.
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Statt die beweglichen Ladungsträger bei der Anordnung nach Fig. 8
aus der Epitaxieschicht in den Gebieten außerhalb der Kont:aktbereicbe zu entfernen,
kann man auch die beweglichen Ladungsträger in den Kontaktgebieten mittels elektrischer
Felder anreichern. Hierzu sind in Fig. 8 die Scheiben 1 wieder P-dotiert, die Epitaxieschicht
aber undotiert (I-Zone) oder schwach P-dotiert. Die Kontakte sind relativ zu den
anderen Zonen positiv vorgespannt. Dadurch sammelt sich Elektronen in den Gebieten
zwischen den Kontakten 2 an, dh. die Epitaxieschicht iJ'schen den Kontakten 2 wird
im Leitfähigkeitstyp invertiert. Durch die Anreicherung mit Elektronen wird das
Gebiet so niederohmig, daß die gewünschte Kontaktierung zwischen den iibcreinandernneeordneten
Kontakten 2 zustande kommt.
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Auch hier kann gegebenenfalls die Anreicherungszone mit größerem Aufwand
durch Hilfselektroden hergestellt werden.
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Alle oben beschriebenen Halbleit eranordnungen können durch die entsprechenden
koniplementären Anordnungen ersetzt werden.
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Es gibt Materialien, insbesondere Kunststoffe, die bei Bestrahlung
mit optischer Strahlung oder anderen energiereichen Strahlen, ihre mechanischen
Abmessungen verändern Die Scheiben 1 werden bei einem weiteren Verfahren mit leitendem
Kunststoff dieser Art in Form von vielen Flecken beschichtet und räumlich selektiv
so bestrahlt, daß an den Kontaktstellen der leitende Kunststoff dicker ist als an
den Orten an denen kein Kontakt hergestellt werden soll. Nach dem Stapeln und Zusammenpressen
der Scheiben erfolgt dann die Kontaktierung an den Stellen, an denen der leitende
I5unstritofA dicker ist.