Verfahren zur Herstellung von Metallniederschlägen durch Elektrolyse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer Niederschläge durch Elektrolyse auf einer leitenden Unterlage, z.B. zur Herstellung elektrischer Verbindungen bei elektronischen Vorrichtungen.
Bei der Fertigung elektronischer Vorrichtungen, z.B.
Halbleitervorrichtungen, die die Form einer integrierten Schaltung auf einem Halbleitersubstrat oder einem isolierenden Substrat haben können, müssen elektrische Verbindungen zwischen getrennten aktiven oder passiven Bauelementen der Schaltung sowie elektrische Verbindungen zwischen der Schaltung und äusseren Bauelementen hergestellt werden.
Es ist bekannt, zwischen Elektroden von Bauelementen eine dünne leitende Schicht z.B. durch Aufdampfen anzubringen, wonach auf dieser Schicht weiteres leitendes Material in Form von die Elektroden verbindenden Streifen durch Elektrolyse niedergeschlagen wird. Diese galvanische Metallabscheidung auf dem erforderlichen Teil der Streifen erfolgt dadurch, dass die Teile, auf denen kein Metall niedergeschlagen werden soll, mit einem Schutzlack überzogen werden. Der Schutzlacküberzug kann aus einem Photolack bestehen, worin durch optische Verfahren streifenförmige Öffnungen angebracht werden können. Die Verwendung einer Schutzlackschicht hat jedoch bestimmte Nachteile, insbesondere bei der Herstellung einer integrierten Schaltung, die normalerweise eine hohe Konzentration von Bauelementen aufweist.
Der Schutzlacküberzug weist für die üblichen Verfahren eine gute Haftung an der leitenden Schicht auf, aber am Rand der öffnungen, in denen galvanisch Metall abgeschieden wird, kann er sich ablösen, so dass der endgültige Metallniederschlag eine grössere Ausdehnung hat als das ursprüngliche Fenster; diese Ausdehnung kann durch Gasentwicklung gefördert werden. Es hat sich auch herausgestellt, dass einerseits bei Verwendung einer dicken Photolackschicht eine hohe Genauigkeit der optisch vorbestimmten Maskierungsbegrenzungen nicht erreicht wird, die Masshaltigkeit zu wünschen übriglässt, während andererseits dünne Photolackschichten mehr oder weniger porös sein können. Im letzteren Fall kann Metall in den Poren und durch die Poren auf der Oberseite der Photolackschicht oder unter dieser niedergeschlagen werden, was das Ablösen der Photolackschicht von der Unterlage fördert.
Die Erfindung bezweckt, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Metallniederschlägen auf leitenden Unterlagen durch Elektrolyse zu schaffen. Gemäss der Erfindung besteht ein Verfahren zur Herstellung von Metallniederschlägen auf ausgewählten Teile einer leitenden Unterlage durch Elektrolyse aus den folgenden Stufen: auf der leitenden Unterlage wird eine Schicht aus einem metallischen Material hergestellt, auf dem das Metall nicht leicht durch Elektrolyse niedergeschlagen wird, wobei diese Schicht Öffnungen aufweist, die die gewählten Oberflächenteile der leitenden Unterlage bestimmen, wonach das Metall durch Elektrolyse auf diesen Teilen niedergeschlagen und schliesslich die Schicht, auf der das Metall nicht leicht niedergeschlagen wird, entfernt wird.
Die Verwendung einer Maske aus einem metallischen Material, auf dem nicht leicht'durch Elektrolyse ein metallischer Niederschlag hergestellt werden kann, wirkt die Bildung durch Elektrolyse einer guthaftenden Schicht des Metalls auf dem Material der Unterlage ausserhalb der ausgewählten Flächenteile infolge einer Lockerung des Maskenmaterials entgegen, während ferner die Bildung von Porenniederschlägen durch Risse in der Ma skierungsschicht hindurch verringert wird, wenn als Maskierungsmaterial ein metallisches Material benutzt wird, auf dem nicht leicht durch Elektrolyse ein metallischer Niederschlag hergestellt wird. Wenn durch Fehlstellen in der Schicht aus diesem metallischem Material dennoch Niederschläge entstehen, so werden diese winzigen Niederschläge bei der Entfernung der Maskierungsschicht mit beseitigt.
Das metallische Material, auf dem nicht leicht ein Metaliniederschlag durch Elektrolyse hergestellt werden kann, ist vorzugsweise auf der Oberfläche, die dem galvanischen Bad ausgesetzt ist, mit einer dünnen Oxydschicht versehen. Das metallische Material muss vorzugsweise an der Metallschicht, auf der der Metallniederschlag erfolgt, haften, aber bei den normalerweise zu verwendenden Temperaturen keine Legierung mit ihr bilden. Das metallische Material muss vorzugsweise entweder in der reinen oder in der passivierten Form chemisch ätzbar sein.
Das metallische Material. auf dem nicht leicht durch Elektrolyse ein Metallniederschlag hergestellt werden kann, ist vorzugsweise auf der Oberfläche, die dem galvanischen Bad ausgesetzt ist, mit einer dünnen Oxydschicht versehen. Das metallische Material muss vorzugsweise an der Metallschicht, auf der der Metallniederschlag erfolgt, haften, aber bei den normalerweise zu verwendenden Temperaturen keine Legierung mit ihr bilden. Das metallische Material muss vorzugsweise entweder in der reinen oder in der passivierten Form chemisch ätzbar sein.
Das metallische Material, auf dem nicht leicht durch Elektrolyse ein Metallniederschlag hergestellt werden kann, besteht vorzugsweise aus Molybdän. Bei der Herstellung eines Goldniederschlages durch Elektrolyse hat sich auch Titan als besonders geeignet bewährt.
Die Schicht des metallischen Materials, auf dem nicht leicht durch Elektrolyse ein Metallniederschlag hergestellt werden kann, kann auf der Oberfläche mit einer Photolackschicht versehen werden mittels eines photolithographischen Verfahrens, das zur Bildung von Öffnungen in der Schicht des metallischen Materials angewandt wird. Diese Photolackschicht kann als physikalische Sperre dienen, welche das Überwachsen des sich niederschlagenden Metalls auf dem Maskierungsmaterial verhindert.
Weil unterhalb der Photolackschicht ein Material vorhanden ist, auf dem nicht leicht durch Elektrolyse ein Metallniederschlag herstellbar ist, wird ein Ablösen der Photolackschicht infolge eines derartigen Niederschlags verhindert. Aus dem gleichen Grund hat das Vorhandensein von Poren in der Photolackschicht keine Porenniederschläge zur Folge. Infolgedessen kann die Photolackschicht dünn, z.B. 1 u oder weniger, sein, wodurch einerseits die Entstehung von Poren zwar wahrscheinlicher wird, aber andererseits die Maske eine hohe Genauigkeit aufweisen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 perspektivisch einen Körper, mit dem eine elektrische Verbindung hergestellt werden muss, die Fig. 2 bis 7 Schnitte durch diesen Körper in Stufen des Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Körper,
Fig. einen Schnitt durch ein Metallmuster auf einem Substrat.
Beispiel I
Fig. 1 zeigt einen einkristallinen Siliziumkörper 1 von einem bestimmten Leitungstyp auf einer ebenen F!äche, dessen eine Siliziumoxydschicht 2 aufgewachsen ist. An diese Oberfläche grenzt eine Oberflächenzone vom entgegengesetzten Leitungstyp, die auf der Oberfläche ein Gebiet bildet, das vom strichpunktiert dargestellten pn-Übergang 3 eingeschlossen wird. Die Oxydschicht 2 hat eine öffnung 4, durch die ein Teil der Oberflächenzone innerhalb des pn-Übergangs freigelegt wird. Das zu beschreibende Verfahren ermöglicht es, eine elektrische Verbindung mit dem in der öffnung 4 freigelegten Gebiet der Oberflächenzone herzustellen. Die Fig. 2 bis 7 sind längs der strichpunktiert angegebenen Ebene 5 geführte Schnitte, in Richtung des Pfeiles 5' betrachtet.
I. Eine 2500 A dicke Schicht 7 aus Molybdän wurde auf der ganzen Oberfläche des Körpers 1 niedergeschlagen, so dass sie die Oxydschicht 2 und die freigelegte Oberfläche der Zone 6 in der öffnung 4 bedeckte. Der Körper 1 wurde während des Niederschlagvorganges auf einer Temperatur von 5000C gehalten. Fig. 2 zeigt die Geometrie der verschiedenen Schichten in dieser Stufe.
Es wurde gefunden, dass bei einer Körpertemperatur von 5000C während des Niederschlagvorganges ohmische Kontakte auf n+-leitenden diffundierten Zonen (mit einer Oberflächenkonzentration an Phosphor von 1020 Atomen/cm2) und p-leitenden diffundierten Zonen (mit einer Oberflächenkonzentration an Bor von 5 X 10tS Atomen/ cm2) hergestellt werden konnten. Offensichtlich kann es erforderlich sein, bei der Herstellung ohmischer Kontakte auf anderen Materialien eine andere Temperatur anzuwenden.
II. Es wurden nunmehr nacheinander eine Goldschicht 8 und eine Molybdänschicht 9 niedergeschlagen, so dass sich der in Fig. 3 dargestellte Querschnitt ergab. Die Goldschicht 8 ist etwa 5000A dick und wurde durch Aufdampfen im Vakuum bei einer Temperatur des Substrats von 4000C niedergeschlagen. Gold haftet gut an Molybdän, wenn es durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht wird. Die obere Schicht 9 aus Molybdän war etwa 1500 Ä dick und wurde gleichfalls bei einer Substrattemperatur von 4000C niedergeschlagen. Diese obere Molybdänschicht 9 dient als die Schicht aus metallischem Material, auf dem nicht leicht durch Elektrolyse Metall niedergeschlagen werden kann, und beschränkt die Ausdehnung des nachher aufgebrachten Metalls auf vorherbestimmte Gebiete, nach dem geeignete Öffnungen angebracht worden sind.
Die Molybdänschicht 9 haftet gut an der Goldschicht 8, aber bildet bei den während des Verfahrens auftretenden Temperaturen keine Legierung mit dem Gold.
III. Eine Schicht eines im Handel unter dem Namen K.T.F.R. (aKodak Thin Film Resist ) erhältlichen Photolacks wurde dann bis zu einer Dicke von 1 u auf die oberen Molybdänschichten 9 angebracht, durch eine optische Maske hindurch belichtet und entwickelt, so dass sich ein Fenster in der Lackschicht ergab, das über der Öffnung 4 lag und sich bis zu einem Rand der Molybdänschicht 9 erstreckte.
IV. Die freigelegte Molybdänschicht wurde dann durch Ätzen entfernt, wobei das Ätzmittel die nachfolgende Zusammensetzung hatte: (konzentrierte) Salpetersäure 1 Volumenteil (konzentrierte) Schwefelsäure 1 Volumenteil
Wasser 5 Volumenteile.
Die Ätzzeit war kurz, denn es genüge, die freigelegte Schicht in das Ätzmittel einzutauchen und sofort im Wasser zu waschen. Die Goldschicht 8 war dann unter dem Fenster freigelegt, und Fig. 4 zeigt im Schnitt die Anordnung der Schichten in dieser Stufe.
V. Die zurückgebliebene Photolackschicht 10 wurde 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 1300C gebrannt, um die freigelegten Ränder wieder abzuschliessen.
VI. Auf der Goldschicht 8 wurde dann an einer geeigneten Stelle ein elektrischer Kontakt angebracht und auf der Goldschicht 8 wurde eine etwa 5 u dicke Goldschicht 11 durch Elektrolyse niedergeschlagen auf dem vorherbestimmten Gebiet, in dem die Gold schicht 8 nicht durch die geätzte obere Molybdänschicht 9 maskiert wurde. Gemäss diesem Beispiel wird die Photolackschicht 10 nicht vor der Elektrolysebehandlung von der Oberfläche der Schicht 9 entfernt. Im Prinzip kann aber auch ohne Lackschicht vorgegangen werden, aber durch die Beibehaltung der Photolackschicht erübrigt sich der Vorgang der Auflösung der gehärteten Schicht. Wenn die Schicht 10 entfernt wurde, bevor die Goldschicht 11 niedergeschlagen wurde, könnte auf dem Molybdän eine sehr poröse und schlecht haftende Goldschicht gebildet werden, die sich leicht abreiben lässt.
Fig. 5 zeigt im Schnitt die Anordnung der Schichten in dieser Stufe. Die Schicht 10 hat dazu beigetragen, zu verhindern, dass die Schicht 11 auch auf die dünnere Schicht 9 aufwächst und wirkt somit mehr oder weniger als Lehre.
Das galvanische Bad wurde dadurch hergestellt, dass 28 g 46%iges Natriumgoldcyanid und 100 g Diammoniumwasserstoffcitrat in 1 Liter destilliertem Wasser gelöst wurden, das 4 Stunden lang auf 650C gehalten wurde.
Der pH-Wert des Bades betrug 5,2.
Bei dem Galvanisierungsvorgang hatte das Bad eine Temperatur von 650C und es wurde dadurch gerührt, dass gasförmiger Stickstoff hindurchgeleitet wurde. Die Stromdichte betrug 5 mA/cm2 und 1 ;tt Gold wurde in 4 Minuten niedergeschlagen.
VII. Die Photolackschicht 10 wurde dann entfernt und auf den freigelegten Oberflächen der Goldschicht 11 und der Molybdänschicht 9 wurde eine etwa 3 u dicke Schicht 12 aus einem Photolack angebracht, der im Handel unter dem Namen K.M.F.R. ( Kodak Metal Film Resisb > ) erhältlich ist. Die Photolackschicht 10 kann aber auch beibehalten werden, wenn die Schicht 12 aufgebracht wird. Durch Belichtung und Entwicklung der Photolackschicht 12 wurde ein Teil der Goldschicht 11 freigelegt, der sich vom Rand des Körpers 1 nach innen, aber nicht bis in die Öffnung 4 hinein, erstreckt. Danach wurde durch Elektrolyse eine etwa 5,1l dicke Goldschicht
13 niedergeschlagen, so dass die Gesamtdicke des nieder geschlagen Goldes etwa 10 u beträgt.
Fig. 6 zeigt einen
Schnitt durch den Körper in dieser Stufe der Herstellung.
In dieser Stufe kann Photolack als Maske verwendet werden, weil ein etwaiger Niederschlag unter der Maske auf der Goldschicht 11 noch genugsam von der öffnung 4 entfernt bleibt und daher nicht stört. Die Goldschichten
8 und 11 können gleichsam als eine einzige Schicht be trachtet werden, auf der die weitere Goldschicht 13 niedergeschlagen wird.
VIII. Die Photolackschicht 12 und die obere Molyb dänschicht 9 wurden danach entfernt, wobei für das Molybdän das bei der Beschreibung der Stufe IV vorerwähn te Ätzmittel benutzt wurde.
IX. Die Goldschicht 8, die sich zwischen den vorher bestimmten Gebieten, auf denen ein Niederschlag erfolgte, erstreckte und mit der oberen Molybdänschicht 9 in Be rührung war, wurde dann durch einen kurzzeitigen Ätz vorgang in einer wässrigen Lösung von 15 Gewichtspro zent Kaliumjodid und 5 Gewichtsprozent Jod entfernt.
Diese Goldschicht wurde nur benutzt, um eine elektrische
Verbindung für die Galvanisierungsvränge zu bilden.
X. Das Gebiet der Molybdänschicht 7, das ausser halb des Gebiets des niedergeschlagenen Goldes frei gelegt worden war, wurde dann mit dem bei der Be schreibung der Stufe IV beschriebenen Ätzmittel entfernt.
Dadurch wurde die Siliziumoxydschicht 2 freigelegt, aus genommen an den Stellen, an denen die Goldschichten 13 und 11 niedergeschlagen worden waren.
XI. Das ganze Gebilde wurde dann mit Hilfe von
Wachs so auf einer dünnen Siliziumoxydscheibe angeord net, dass die niedergeschlagenen Schichten der Scheibe zugekehrt waren. Durch bekannte Photomaskierungs- und Ätzverfahren wurde der Siliziumkörper 1 teilweise entfernt, so dass sich der Körper 1' ergab, der mit dem Anschluss 14 versehen war, der über einen Rand hinausragt und aus zwei durch Elektrolyse niedergeschlagenen Goldschichten 13 und 11 auf einer im Vakuum aufgedampften Goldschicht 8 besteht und auf einer Seite eine Molybdänschicht aufweist.
Nach Beseitigung der Siliziumoxydscheibe mit dem Wachs konnte die Anschlussleitung 14 den Körper 1' tragen, während sie eine elektrische Verbindung mit dem Oberflächengebiet 6 herstellte. Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch den Körper in dieser Stufe des Verfahrens. Die Molybdänschicht 7 kann nach Wunsch entweder beibehalten oder entfernt werden.
Das Verfahren kann auch Anwendung finden, wenn elektrische Verbindungen mit mehreren Oberflächenzonen hergestellt werden müssen, und es ist auch nicht beschränkt auf die Bildung selbsttragender Anschlüsse, die über die Ränder eines Halbleiterkörpers hinausragen.
Das beschriebene Verfahren kann benutzt werden, um Zonen in einem Halbleiterkörper durch 20 u breite und 5 > dicke Anschlüsse miteinander zu verbinden; der Anschluss 14 war 10 .tt dick und 100 p breit. Dabei kann die Stufe, in der die Schicht 13 niedergeschlagen wird, entfallen und das erfindungsgemässe Verfahren kann Anwendung finden, um durch Elektrolyse niedergeschlagene dünne Verbindungen zwischen aktiven oder passiven elektronischen Bauelementen auf oder in einem einzigen Halbleitersubstrat herzustellen.
Beispiel 2
Ein Gassubstrat 15 wurde chemisch gereinigt und eine 5000A dicke Chromschicht 16 wurde im Vakuum aufgedampft, wobei das Substrat auf 4000C erhitzt wurde.
Dann wurde eine 5000A dicke Goldschicht 17 im Vakuum aufgedampft, wobei das Substrat auf 4000C erhitzt wurde.
Eine mit Öffnungen versehene Molybdänschicht 18 mit einem Photolacküberzug 19 wurde dann mittels des in den Stufen II bis V des Beispiels 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt. Die Öffnung oder öffnungen in der Molybdänschicht bildeten eine Patrone von freigelegten Teilen der Goldschicht 17, auf denen mittels des in der Stufe VI des Beispiels 1 beschriebenen Verfahrens eine Goldschicht 20 durch Elektrolyse niedergeschlagen wurde. Fig. 8 zeigt die Anordnung in dieser Stufe. Die Goldschicht 20 war 5 a dick.
Die Photolackschicht 19, die Molybdänschicht 18 und die Gebiete der Goldschicht 17, auf dem kein Gold niedergeschlagen worden war, wurden mit Hilfe der in Beispiel 1 erwähnten Lösungsmittel und Ätzmittel entfernt.
Die dadurch freigelegten Gebiete der Chromschicht 16 wurden dann durch Eintauchen in eine Lösung von 60volumenprozentiger Schwefelsäure entfernt.
In dieser Stufe trägt das Glassubstrat eine Schablone von Gold auf einer Oberfläche, wobei die Goldschicht durch Elektrolyse auf ausgewählten Gebieten einer dün nen Goldschicht niedergeschlagen worden war.
Es ist im Prinzip möglich, insbesondere wenn ein dünnerer Goldniederschlag verlangt wird, die Photolack schicht 19 vor der elektrolytischen Behandlung zu entfernen, so dass die Molybdänschicht der Einwirkung der Galvanisierlösung ausgesetzt wird. Dabei kann sich ein poröser Goldniederschlag auf der Molybdänoberfläche bilden, der leicht abgerieben werden kann.
Die leitende Schablone kann benutzt werden, um elek trische Verbindungen mit auf einer Oberfläche eines iso lierenden Substrats gebildeten aktiven und passiven Dünnschichtvorrichtungen herzustellen.