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Verfahren zum selektiven Entfernen von Material von einem Werkstück durch kathodische Zerstäubung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Entfernen von Material von einem Werkstück durch kathodische Zerstäubung. Das Verfahren gemäss der Erfindung ist besonders nützlich bei der selek- tiven Entfernung von Material von einem Werkstück, das nicht den hohen Spannungen unterworfen werden darf, die gewöhnlich bei Zerstäubungsverfahren an den kathodischen Teil angelegt werden.
Es ist bekannt, dass die Oberflächen von Werkstücken durch Zerstäubungsverfahren gereinigt bzw. ge- ätzt werden können, weil der kathodische Teil durch die für die Zerstäubungsvorgänge typische Bombardierung erodiert wird. Es ist offenbar, dass dabei als Folge der Entfernung von Oberflächenschichten eineArt Reinigung eintritt.
Anderseits führt aber die Anwendung derkathodischenZerstäubungstechnik zwecks Entfernung von Schichten von der Oberfläche von Halbleiterkörpern unter Anlegen von Potentialen in derGrö- ssenordnung von 3 bis 10 kV an den kathodischen Teil zu Dauerschäden im Halbleiterkörper. Diese Schä- den sind besonders bedeutungsvoll bei oxydgeschützten Halbleiterkörpern, weil starke elektrische Felder einen dauernden Durchbruch der dielektrischen Schutzschicht bewirken,
Die Erfindung zielt dementsprechend darauf ab, ein Verfahren zum selektiven Entfernen von Material von der Oberfläche eines Werkstückes zu schaffen, bei dem direkt am Werkstück keine hohen Spannungen anliegen.
Insbesondere soll das erfindungsgemässe Verfahren geeignet sein, eine selektive Entfernung von Teilen einesOberflächenüberzugesaufeinerHalbleiterfläche, welche einen dielektrischen Oxydfilm trägt, zu bewirken.
Gemäss der Erfindung wird das Werkstück von der Kathode durch eine Isolierschicht getrennt und die Kathode wird so abgeschirmt, dass sich ein Glimmentladungsbereich um die Peripherie des Halbleiterwerkstückes ausbildet. Beispielsweise kann der Glimmentladungsbereich die Form eines Ringes oder einer rechteckigen Schleife haben. Dieser Glimmentladungsbereich neigt zur Ausbreitung von der Kathodenfläche weg und füllt demzufolge den zentralen Raum direkt über dem Werkstück teilweise aus.
Die Ausbildung einer kathodischen Glimmentladung in dieser Form veranlasst die Gas-Ionen, die innerhalb der Vakuumkammer der Zerstäubungseinrichtung gebildet werden, in den Glimmentladungsbereich einzutreten. dort Energie zu gewinnen, sich infolge Kollision in den Raum oberhalb des Werkstückes zu bewegen und dort, experimentiell festgestellt wurde, durch weitere Kollision mit andern Ionen im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Werkstückes aufzutreffen. Es ist dieser Ionenstoss, der offenbar die Zerstäubungswirkung und die Materialentfernung vom getroffenen Werkstück hervorruft. So wird die Oberfläche des Halbleiterwerkstückes bombardiert, ohne dass das Halbleiterstück direkt vom Hochspannungsfeld durchsetzt wird, das an der Kathode zur Erzeugung des Glimmentladungsbereiches dient.
Da der lonenstoss im wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche stattfindet. erfolgt die Ma-
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Weisefindung auf jede in verschiedener Weise beschichtete Oberfläche anwendbar. Hierunter ist eine Oberfläche gemeint, die entweder Schichten unterschiedlicher Dicke aus gleichem Material über verschiedenen Oberflächenteilen aufweist oder bei der verschiedene Oberflächenteile Schichten aus unterschiedlichem Material aufweisen, die einen unterschiedlichen Wirkungsgrad hinsichtlich der Zerstäubung haben.
Im ersteren Falle, wo gleiches Material aber mit verschieden dicken Schichten über verschiedenen Oberflächenteilen benutzt wird, wird das Material durch Zerstäubung überall bis zu einer praktisch gleichen Tiefe von der gesamten Oberfläche entfernt, wobei es natürlich von dünnen beschichteten Oberflächenteilenvöllig verschwindenkann. Im letzteren Falle, wo verschiedenartige Materialien verwendet werden, kann einMaterial, das weniger wirksam und darum langsamer zerstäubt als andere, eine Maske bilden, um die unter der Maske liegenden Teile zu bewahren, während andere Teile erodiert und entfernt werden.
Die Erfindung wird mit ihren Zielen und Merkmalen durch die nachfolgende, ins einzelne gehende Erklärung in Verbindung mit den Zeichnungen leichter verständlich sein. Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine für die Ausübung der Erfindung geeignete Einrichtung ; Fig. 2 ist eine Draufsichtauf den Katho- denteil, das Werkstück und das aufgelegte isolierende und abschirmende Zwischenstück ; Fig. 3 ist eine schematische Wiedergabe eines Teiles der Einrichtung und zeigt die Grenzen des Glimmentladungsbereiches gemäss der Erfindung im Querschnitt ; Fig. 4 ist ein teilweiser Querschnitt des Halbleiterwerkstückes, des darunter liegenden Teiles des Isolierstücke und eines Teiles des tragenden Kathodenstückes.
In Fig. 1 ist durch eine punktierte Linie 11 schematisch ein Vakuumgefäss 10 angedeutet. Als Boden des Gefässes dient ein Anodenstück 12, das auf Erdpotential gehalten wird. Abgeschirmt ist innerhalb des Gefässes ein Kathodenstück 13 abgestützt, das mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und durch diese ein verhältnismässig hohes negatives Potential in der Grössenordnung von 3 bis 10 kV erhält. Schematisch ist ein Rohranschluss 14 am Boden des Gefässes angedeutet, der es ermöglicht, das Gefäss mittels einer Diffusionspumpe od. dgl. zu evakuieren, und ferner eine Einlassleitung 15 mit geeigneten Ventilen 16 und 17. Wie Richtungspfeile angeben, kann die Hauptleitung mit einer Argonquelle verbunden werden und die vom Ventil 17 gesteuerte Hilfsleitung mit einer Sauerstoffquelle, um schützende Oxydüberzüge zu bilden, wie später ausführlich dargelegt wird.
WieinFig. Zgezeigt, istauf derKathode 13 zentral ein ähnlich geformtes keramisches Stück 18 und auf dem keramischen Stück 18 zentral ein Halbleiterwerkstück 19 angeordnet.
Auf der Oberfläche des Halbleiterwerkstückes befindet sich ein Muster von niedergeschlagenen Metallelektroden in Form von Streifen 20. Dieses Muster ist nur als Beispiel gedacht und es versteht sich, dass eine Vielzahl von metallischen Mustern im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann. Die Anordnung der Streifen 20 im Verhältnis zu den andern Teilen der Einrichtung wird mit allenEinzelheiten im teilweisen Querschnitt der Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 enthält das Halbleiterwerkstück drei Regionen verschiedenen Leitfähigkeitstyps, die beispielsweise einen Transistorbilden. Ausser dem Hauptteil 41 aus Silizium 41 ist ein Basis-Bereich 44 vorhanden, der durch einen Diffusions-pn-Übergang 45 begrenzt wird, und ferner ein Emitter-Bereich 46, der durch den zweiten Diffusions-pn-Übergang 45 begrenzt wird.
Auf der Oberfläche der Silizium-Scheibe befindet sich eine Schicht 48 aus Siliziumdioxyd, in die Öffnungen 61 und 62 eingeschnitten sind, um Oberflächenteile der Basis- und EmitterBereiche 44 und 46 freizulegen.
Am Silizium wird ein ohmscher Kontakt angebracht, indem Platin auf der gesamten Oxydschichtniedergeschlagen und das Material auf etwa 6000C erhitzt wird. Dadurch ergibt sich eine Reaktion in der festen Phase, die dem Legieren von Platin und Silizium verwandt ist. Das Platin auf der Oxydoberfläche, das unkombiniert geblieben ist, wird dann leicht durch Behandlung der Oberfläche mit Königswasser entfernt. Stärkere Lösungen als die üblichen drei Teile Salzsäure auf ein Teil Salpetersäure können verwendetwerden, um die Geschwindigkeit der Platin-Entfernung zu beschleunigen. Diese Technik hat den Vorteil, dass sie das legierte Platin unbeeinflusst lässt.
Anschliessend wird eine Schicht 49 aus Titan niedergeschlagen, so dass sie die Oxydschicht 48 überdeckt und Kontakt mit den legierten Oberflächen-Bereichen bekommt. Auf der Titanschicht wird eine zweite Schicht 50 ausPlatinaufgebracht. SchliesslichwirdobenaufdiePlatinschicht eine dünne Schicht aus Aluminium niedergeschlagen. Mittels einer Photo-Ätztechnik wird die Aluminiumschicht unter Verwendung eines geeigneten Ätzmittels entfernt, mit Ausnahme der Elektrodenstreifen 51 und 52, die in Verbindung mit den Öffnungen zum Basis- bzw. Emitter-Bereich stehen. Da dieAluminiumschicht verhältnismässig dünn ist, nämlich in der Grössenordnung von einigen hundert ÄE, bewirkt die chemische Ätzung eine exakte Begrenzung des Musters.
AnStellederAluminiumstreifenkönnen Goldstreifen ausgebildet werden, die von viel grösserer Dicke sind. Solche Gbldstreifen können leicht in einem genauen Muster erzeugt werden, indem das Gold auf ein
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photoresistives Muster niedergeschlagen wird, welches den Streifenbereich als unbedeckten Teil der Oberfläche freilässt. Die abgeschiedenen Goldstreifenkönnen zu erheblicher Dicke aufgebaut werden und liefern eine verschiedenartig bedeckte Oberfläche. Während das Aluminium einen schlechten Zerstäubungs-Wir- kungsgradhat und deswegen nicht wesentlich angegriffen wird, wird das Gold, wie nachfolgend beschrieben wird, zerstäubt, kann aber wegen seiner grösseren Dicke schliesslich doch widerstehen, bis alles Platin und Titan entfernt worden ist.
Um die Herstellung der Elektrodenstruktur am Halbleiterwerkstück zu vollenden, müssen die erste und zweite Metallschicht, nämlich Titan und Platin, von der Werkstückoberfläche entfernt werden, ausgenommen dort, wo diese Schichten unter den Aluminiumstreifen-Elektroden 51 und 52 liegen. Gemäss der Erfindung erfolgt dies in bequemer Weise durch das Verfahren der Rückzerstäubung. DieseTechnik ist besonders wertvoll, wenn der Abstand zwischen den Elektroden 51 und 52 im Bereich von nur einigen Mikron liegt.
Wie im Querschnitt nach Fig. 4 gezeigt, erfordert das Verfahren gemäss der Erfindung eineAluminium- Kathode 43, auf welcher das Halbleiterwerkstück unter Verwendung eines keramischen Zwischenisolators 42 montiert wird.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der Beschreibung der Arbeitsweise der Einrichtung. Die Bedingungen für kathodische Zerstäubung sind bekannt (s. "Vacuum Deposition of Thin Films" - L. Holland, J. Wiley & Sons, Inc., New York, 1956). Bei diesem Verfahren wird ein reaktionsfähiges Gas, wie beispielsweise Wasserstoff oder ein Edelgas, wie Helium, Argon oder Neon, in die Kammer eingeleitet. WieinderzitiertenAbhandlung von Holland dargelegt wird, kann das kathodische Zerstäubungs- system statisch durchgeführt werden, indem ein konstanter fester Gasdruck im System aufrecht erhalten wird, oder dynamisch, indem der feste Gasdruck durch einen konstanten Gasstrom durch das System erzeugt wird.
Im Betrieb wird die Einrichtung nach Fig. 1 z. B. auf einem Argon-Druck von etwa 10 t gehalten und an die Kathode wird eine negative Spannung von 5 kV angelegt, während die Anode 12 auf Erdpotential gehalten wird. Unter diesen Bedingungen wird, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Glimmentladungsbereich miteinemQuerschnitt, wieihndiestrichpunktiertenLinien 31 wiedergeben, rund um die Peripherie des keramischenTeiles 18 hervorgerufen. DieserGlimmentladungsbereich ist ringförmig, umgibt das Werkstück auf allen Seiten und erstreckt sich in geringerem Ausmass auch in den Raum oberhalb des Werkstükkes 19. Dieser Glimmentladungsbereich 31 stellt in erster Linie den kathodischen Entladungsbereich dar und ist die Energiequelle für Partikel, die diesen Bereich durchlaufen oder sich darin befinden.
Unter den beschriebenen Bedingungen werden Ionen von Argongas innerhalb der Vakuumkammer erzeugt. Wenn sich diese Partikel umherbewegen, kollidieren sie, und einige von ihnen werden in den Glimmentladungsbereich getrieben, wo sie an Energie gewinnen und durch weitere Kollisionen in den Raum oberhalb des Werkstückes wandern und von dort auf die Werkstückoberfläche stossen. Ein möglicher Weg wird durch die mit Pfeilen versehene punktierte Linie 32 in Fig. 3 dargestellt, welche Kreise verbindet, die Gaspartikel darstellen sollen.
Es wurde gefunden, dass bei der gezeigten Anordnung die Hauptmenge derbombardierendenPartikel die Werkstückoberfläche im wesentlichen senkrecht trifft, und demzufolge erzeugt die "Schneidwirkung" des Zerstäubungs-Verfahrens eine glattwandige Struktur, wie durch die punktiertenLinien 53 in Fig. 4 dargestellt wird. Wie in der gleichen Figur gezeigt ist, ergibt die maskierende Wirkung der Aluminium-Elektroden 51 und 52 in Verbindung mit diesem Zerstäubungsverfahren sehrscharf begrenzte Muster auf der Oberfläche des Halbleiterwerkstückes.
Das beschriebene erfindungsgemässe Verfahren ist höchst vorteilhaft, wenn man es mit der üblichen chemischen Ätztechnik vergleicht, bei welcher die erodierendewirkung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortschreitet, wenn die Ätztiefe zunimmt. Dies begünstigt das Erzeugen von Unterschnitten oder vonQuerschnittenmit krummen Wänden an Stelle von präzisen rechteckigen Querschnitten. Der Wert der Rückzerstäubungstechnik ist besonders zu beachten, wenn das unmaskierte Gebiet eine Breite der Grössenordnung von 0, 0012 mm oder weniger hat. Für solche Konfigurationen ist die Verwendung chemischer Ätzmittel für Tiefen von mehr als einigen tausend E praktisch unmöglich.
Die Wirksamkeit der hier beschriebenen Anordnung zur Rückzerstäubung von Material von einer Halbleiteroberfläche, auf welcher eine schützende Oxydhaut angebracht ist, ist aus dem Effekt erkennbar, der sich ergibt, wenn das hohe Kathoden-Potential an das Werkstück selbst angelegt wird. Wenn beispielsweise die Siliziumdioxydschicht 5000 A E dick ist und das angelegte Potential 5 kV beträgt, was beides typische Werte sind, so beträgt das an das dielektrische Oxyd angelegte Feld etwa 108V/cm. Daraus folgt, dass der stärkste Potentialabfall innerhalb der Oxydschicht auftritt. Da die Durchbruchsspannung für dielektrische Oxyde verhältnismässig hoher Qualität etwa lOV/cm ist, führt das Anlegen so starker Felder zu Na- delstich-Durchbrüchen durch die Oxydhaut, was natürlich den Überzug als Schutzschicht zerstört.
Bei der
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Erfindung werden solche Folgen auf die schon beschriebene Weise vermieden.
Die erfindungsgemässe Rückzerstäubungstechnik für die selektive Entfernung von Metall kann vorteilhaft mit bekannten Verfahren zum Abscheiden von Überzügen durch kathodische Zerstäubung innerhalb derselben Vakuumkammerkombiniert werden. Insbesondere können Oxydschichten auf der Oberfläche des Halbleiterwerkstückes in jedem gewünschten Fabrikationsstadium hergestellt werden, indem kontrollierte Mengen von Sauerstoff durch die Einlassleitung unter Verwendung des Ventils 17 eingeleitet werden. Bei den in der Fachwelt bekannten Zerstäubungsverfahren können beispielsweise Oxydschichten vonAluminium aut dem Halbleiterstück niedergeschlagen werden, wenn der Kathodenteil aus Aluminium besteht.
So ist es klar, dass Oberflächen durch Niederschlagen von Metallen aufgebaut und im ganzen oder inTeilen entfernt oder mit dielektrischen Schichten bedeckt werden können, indem die beschriebene Einrichtung nacheinander in verschiedenen Betriebsweisen verwendet wird.
Überdies haben die erhaltenen Produkte extrem gute Dauerstabilität, was sich einfach als Folge dessen ergibt, dass die Oxydschicht einmal mit Metall bedeckt gewesen ist. Insbesondere haben Produkte der beschriebenen Art, bei welcher die Oxydschicht Material mit p-Leitfähigkeit bedeckt und die beiden Metallschichten auf die Oxydschicht niedergeschlagen und dann von dieser wieder entfernt worden sind, eine sehr vollkommene Widerstandsfähigkeit gegen die Bildung von Oberflächenkanälen im Material, welche die Produkte unbrauchbar machen würden.
Obgleich die Erfindung nur an Hand einer besonderen Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, dass auch andere Anordnungen vom Fachmann getroffen werden können, die gleichfalls unter den Erfindungsgedanken fallen. Beispielsweise können andere Kathoden-Ausbildungen verwendet werden, sogar unter Weglassen des keramischen Zwischenstückes, solange nur das Werkstück von der Kathode elektrisch isoliert ist und der erzeugte Glimmentladungsbereich peripher angeordnet und ausserhalb des Kontaktes mit dem Werkstück ist.