DE1282794C2 - Verfahren zum herstellen einer legierungsmaske fuer die gleichzeitige fertigung mehrerer halbleiteranordnungen - Google Patents

Description

Zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit npn- oder pnp-Struktur verwendet man überwiegend das Diffusions- oder Legierungsverfahren. Dabei werden mit Hilfe von sogenannten Legierformen, die aus Graphit oder speziellen Stahlsorten hergestellt werden und in die auf mechanischem Wege öffnungen oder Führungen für das Elektrodenmaterial eingebracht sind, auf die Halbleiterkristalloberfläche entsprechender Dotierung die Elektroden in für das zu fertigende Bauelement entsprechenden Abständen bei höheren Temperaturen, in den meisten Fällen bei 400 bis 600⁰C mit Wasserstoff oder mit einem Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch als Schutzgas aufgebracht. Dabei erfüllen die Öffnungen bzw. Führungen in den Legierformen einen doppelten Zweck: einmal fixieren sie die Lage der Elektroden auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls zueinander, zum anderen aber bestimmen sie den Ausbreitungsdurchmesser und damit die Oberfläche der Elektroden, was in den elektrischen Eigenschaften des herzustellenden Bauelements zum Ausdruck kommt. Von der Reproduzierbarkeit der Abmessungen der Elektroden hängt es in hohem Maße ab, ob die Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der zu fertigenden Bauelemente innerhalb der geforderten Grenzen bleiben. Wenn die Elektroden auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls verschieden breit verlaufen, schwankt die Eindringtiefe der Legierungszone; die Folge davon ist eine unerwünschte Streuung der Kenngrößen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 10 96 501 ist eine Legierungsform bekannt, die aus Ober- und Unterteil mit durch beide Teile gehenden Durchbohrungen oder im Unterteil endenden Sacklöchern besteht, wobei Durchbohrungen und Sacklöcher beider Teile mit Einsätzen aus eloxiertem Material versehen sind. Diese Einsätze können aus eloxiertem Magnesium, Aluminium, Vanadin, Eisen, Nickel, Silber, Tantal oder dessen Legierungen bestehen und werden in die Legierungsform gepreßt. Um ein Anlegieren von leichthaftenden Metallen, z. B. Gold, zu vermeiden, wird die Oberfläche mit einer Riffelung versehen.

Weiterhin ist aus der deutschen Auslegeschrift 1114 940 die Verwendung einer Legierform aus Molvbdän. welche mit einem Überzug aus nichtmetallischen! Material, z. B. aus der Gasphase aufgebrachtem Kohlenstoff, versehen ist, bekannt. D.ese Überzüge können auch aus Oxydschichten bestehen, haben aber dann den Nachteil, daß sie bei hohen Temperaturen von Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltenden Gasen reduziert werden und laufend wieder regeneriert werden müssen. .

Das »leiche gilt auch bei Verwendung von mit einer Oxvdschicht überzogenen Legierformen aus einer Chromeisenlegierung, die aus der deutschen Auslegeschrift 10 27 322 bekannt ist.

Bei verschiedenen Halbleiteranordnungen tritt die Aufeabe auf paarweise dicht nebeneinanderliegende, vorzugsweise extrem kleinflächige Elektroden auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls herzustellen. Ein Beispiel hierfür bietet die Herstellung der als Mesatransistoren bekannten Type.

Legierformen aus Graphit oder speziellen Stahlsorten herzustellen, scheitern bei derartig kleinen Abmessungen an der Unmöglichkeit der Werkstoffbearbeitung Man ist deshalb gezwungen, die Fixierung der Elektroden zueinander und auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls mit Hilfe von Masken oder Schablonen vorzunehmen. Diese Masken müssen aus einem Material bestehen, welches sich mechanisch gut bearbeiten läßt, gegen stark reduzierende Stoffe bei höheren Temperaturen, wie beispielsweise Wasserstoff bei ungefähr 600⁰C, widerstandsfähig ist, mit den in Berührung kommenden Legierungsmaterialien nicht in Wechselwirkung tritt und das von anhaftenden Verunreinigungein, möglicherweise auf chemischem Wege, gut befreit werden kann. Da solche Masken in der Herstellung teuer sind, ist eine möglichst lange Standzeit wünschenswert.

Es ist bekannt, derartige Masken aus Glimmer herzustellen, doch wird die mechanische Bearbeitung des sehr spröden Materials erheblich erschwert durch die Eigenschaft des Glimmers, sehr leicht in Blättchen zu spalten. Auch können diese Masken oder Schablonen schon nach wenigen Einsätzen während des Legierungsvorganges unbrauchbar werden, da die Ränder der öffnungen in der Maske ausfransen, die Stege zwischen den öffnungen durchbrechen und die damit hergestellten Halbleiteranordnungen in ihren elektrischen Kenngrößen erheblich streuen oder sogar zu mechanischen oder elektrischen Ausfällen führen. Ein weiterer Nachteil ist die nur auf mechanischem Wege durchzuführende Reinigung von anhaftendem Legierungsmaterial.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Legierungsmaske herzustellen, die eine gute mechanische Bearbeitung erlaubt, unempfindlich gegen mechanische und chemische Einflüsse und widerstandsfähig gegen heißen Wasserstoff ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Legierungsmaske für die gleichzeitige Fertigung mehrerer Halbleiteranordnungen mit kleinflächigen, paarweise dicht nebeneinanderliegenden Elektroden auf einem Halbleiterkristall.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Fertigung von Halbleiteranordnungen, deren Elektrodenoberflächenabinessungen und -abstände wie bei Mesatransistoren bemessen sind, als Material für die Maske Tantal verwendet wird und daß nach dem Anbringen der Bohrungen die Maske durch anodische Oxydation in einer 0,1 n-Phosphorsäurelösung bei etwa 70°C mit einer dichten und homogen

ausgebildeten Oxydschicht bis zu einer Schichtdicke von 2 μιη, vorzugsweise 0,5 μίτι, bedeckt wird.

Es wurde nämlich nach eingehenden Untersuchungen an verschiedenen Metallen festgestellt, daß sich das metallische Tantal, da es ausgezeichnete mechanische Eigenschaften mit hervorragender chemischer Widerstandsfähigkeit vereinigt, zum Hirsteilen solcher Masken als besonders gut geeignet erweist. Nun besitzt aber metallisches Tantal die Fähigkeit, Wasserstoff, in der Hitze auch Stickstoff, sehr stark zu absorbiertn; es wird dabei spröde und brüchig. Auf Grund des für ein Metalloxyd sehr seltenen Verhaltens des Tantaloxyds gegenüber chemischer Agenzien, schmelzenden Metallen bzw. Legierungen, auch gegenüber Königswasser und in Wasserstofform bei höheren Temperaturen außerordentlich widerstandsfähig zu sein, wurde nach der mechanischen Bearbeitung der Maske die Oberfläche mit einer Oxydschicht versehen. Ein weiterer Vorteil ist, daß sich das Oxyd durch einen sehr hohen Schmelzpunkt auszeichnet.

Eine durch eine thermische Oxydation erzeugte Oxydschicht, beispielsweise durch Erhitzen des metallischen Tantals bei höheren Temperaturen, z. B. bei 900"C, etwa 5 Sekunden im Luftstrom in Form eines dunkelgrauen Überzugs von unterschiedlicher Schichtstärke, verursacht bei dem schon bearbeiteten Tantal thermische Spannungen, die die Geometrie der angebrachten öffnungen und die Planparallelitäl der Maske erheblich beeinträchtigen.

Durch das Aufbringen der Oxydschicht auf elektrochemischem Wege durch eine anodische Oxydation wird gewährleistet, daß eine gleichmäßige Ausbildung der Oxydschicht erfolgt, die eine dichte und homogene Oberflächenbedeckung zur Folge hat, was für den späteren Einsatz der Masken beim Legierungsvorgang und bei der Reinigung von großem Nutzen ist.

Zwar wird in einem anderen Zusammenhang in der französischen Patentschrift 12 41 646 ein Eloxierverfahren bei der Herstellung von Gebrauchs- und Schmuckgegenständen aus Tantal beschrieben, welches darauf beruht, daß zum Überziehen dieser Gegenstände mit einem Oxydfilm eine anodischc Oxydation in einer O,l°/oigcn Phosphorsäure durchgeführt wird, wobei der Oxydfilm in der Größenordnung der Weilenlänge des sichtbaren Lichtes entsteht. Dieser dünne Oxydfilm dient jedoch nur dem Schütze des Gegenstandes gegen chemische und mechanische äußere Einflüsse; er soll außerdem durch das Auftreten der verschiedenen Farbtönungen den Gegenstand bezüglich seiner äußeren Erscheinung verbessern.

Die zu oxydierende Tantalmaske wird als Anode geschaltet, als Kathode dient ein Tantal-, Nickel- oder Platinblech. Auf Grund der während des Prozesses auftretenden Verfärbung der als Anode dienenden Tantalmaske läßt sich eine sehr gute Gleichmäßigkeit der sich bildenden Oxydschicht erzielen, weil der Prozeß dadurch sehr gut kontrollierbar ist und zum gewünschten Zeitpunkt unterbrochen werden kann.

Die Maßnahme der genauen Einstellung der Oxydschichtdickc sowie die Ausbildung einer möglichst dünnen, aber homogenen Oxydschicht (kleiner als 2 μηι) sind für die Herstellung von Halblcitcranordnungen mit paarweise dicht nebeneinanderliegenden, extrem kleinflächigen Elektroden, wegen der Reprodu/icrbarkeit der Elektrodengeometrie auch nach mehreren Legierungspro/cssen von großer Wichtigkeit. Durch die dünne, sehr homogene Ausbildung der Oxydschicht ist die bei bekannten Verfahren zur Vermeidung des Anlegierens von leichthaitendea Metallen noch zusätzlich angebrachte Riffelung der Oberfläche überflüssig.

Die Farbfolge der Oxydschichten bei der anodischen Oxydation erfolgt von Hellgrau über Dunkelgrau, Braun, Gelb, Gold, Braun, Grau, Silbergrau, Rosa, Violett nach Grün. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Dicke der Oxydschicht und der Farbe der oxydierten Tantalmaske, was sich sowohl bei der Herstellung als auch bei der Reinigung der Masken besonders günstig auswirkt. Auch ließe sich ein eventueller Abb^u der Oxydschicht durch eine Farbveränderung sehr sicher und genau feststellen.

Die Lebensdauer einer z. B. aus Tantal gefertigten Maske ist praktisch unbegrenzt. Selbst nach 200 Legierungsdurchläufen in Wasserstoffatmosphäre bei 500 bis 600°C konnte keine geometrische Veränderung der Masken festgestellt werden. Sollten trotzdem Beschädigungen an Oxydoberflächen mechanischer Art, z. B. durch eine Pinzette, auftreten, so lassen sich solche Schäden in einer Nachbehandlung mittels anodischer Oxydation leicht wieder beseitigen.

Die durch längeren Gebrauch im Einsatz befindlichen Masken lassen sich von anhaftenden Verunreinigungen, insbesondere von Legierungsmateriaüen, mittels Säuregemischen, die den Legierungsmateriaüen angepaßt sind, oder mittels Königswasser, im Ulsraschallfeld wegen der sehr kleinen öffnungen, besonders gut reinigen.

Der genaue Vorgang der hier angewandten anodischen Oxydation soll an Hand des in der Fig.l dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Bei dem in Fig.l im Querschnitt dargestellten Beispiel einer Anordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Lehre der Erfindung ist eine Tantalmaske 1 von 100 μηι Stärke ausschnittsweise mit den dem herzustellenden Bauelement entsprechenden öffnungen dargestellt. Die öffnungen haben einen Durchmesser von beispielsweise 150 μιη, der Abstand der paarweise auftretenden öffnungen beträgt 50 μιη. Nach der mechanischen Bearbeitung wird die Tantalmaske nach einer Reinigung mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels im Ultraschallfeld von anhaftenden Verschmutzungen befreit. Die auf diese Weise extrem gereinigte Maske wird, als Anode geschaltet, in 0,1 n-Phosphorsäurelösung beispielsweise bei etwa 70°C mit einer Oxydschicht 2 von beispielsweise 0,5 μητ Stärke versehen, wobei eine Gleichspannung angelegt wird, die einer Stromdichte von !OmA/cm² entspricht. Durch die sich aufbauende Tantaloxyd-Sperrschicht sinkt die Gleichspannung ab und wird nun schrittweise bis auf 250 V eingeregelt; bei der jetzt vorhandenen Stromdichte von 1 mA/cm² treten in der Folge Grau-Blau-Gelb-Braun-Rosa-Violett-Grün die der wachsenden Oxydschicht entsprechenden Farbtöne auf. Nach 3 Minuten Zeitdauer ist die gemäß der Lehre der Erfindung ausreichende Oxydschichtdicke zum Herstellen von Halbleiteranordnungen mittels oxydierter Tanialmasken erreicht. Die Maske ist nach einem kurzen Spülprozeß in Wasser und Alkohol und anschließender Trocknung einsatzfähig.

F ι g. 2 zeigt in Draufsicht eine gemäß der Erfindung zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer Halbleiteranordnungen angefertigte Tantalmaske, bei der die Anordnung der öffnungen für das die Elektroden bildende Legierungsmaterial genau ersichtlich ist.

F i g . 3 veranschaulicht die Anwendung der oxydierten Tantalmaske. Beim Legiervorgang, bei dem die

Elektroden mit dotierenden Eigenschaften auf einem Halbleiterkristall angebracht werden, wird die Maske 1, die mit einer Oxydschicht 2 versehen ist, auf die Oberfläche des Halbleiterkristalls 3 gelegt. In die vorhandenen öffnungen der Maske 1 werden die Elektroden 4 in Kugelform aus dem für das Halbleiterbauelement entsprechenden Legierungsmaterial eingebracht. Mit einem Gewicht 5 aus Graphit wird zur Erzielung ebener pn-Übergänge im Kristall in bekannter Weise das Legierungsmaterial der Elektroden gegen die Halbleiteroberfläche gedrückt. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 bedeutet 3 einen Halbleiterkristall mit p-Dotierung aus, Germanium, der der Kollektorzone der herzustellenden Halbleiteranordnung entspricht, während 4 je nach vorliegender Dotierung die Basis- bzw. die Emitterelektroden aus einer beispielsweise Pb/Sb- bzw. Pb/Sb/Al-Legierung darstellen. Das hier beschriebene Bauelement entspricht nach Fertigstellung (Diffusion) der pnp-Struktur; ebenso sind aber auch Transistoren nach der npn-Bauweise herstellbar.

Mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung können auch Dioden mit Elektroden extrem kleiner Oberflächen hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

12 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Legierungsmaske für die gleichzeitige Fertigung mehrerer Haibleiteranordnungen, mit kleinflächigen, paarweise dicht nebeneinanderliegenden Elektroden auf einem Halbleiterkristall, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fertigung von Halbleiteranordnungen, deren Elektrodenoberflächenabmessungen und -abstände wie bei Mesatransistoren bemessen sind, als Material für die Maske Tantal verwendet wird und daß nach dem Anbringen der Bohrungen die Maske durch anodische Oxydation in einer Ο,ΐη-Phosphorsäurelösung bei etwa 70⁰C mit einer dichten und homogen ausgebildeten Oxydschichi bis zu einer Schichtdicke von 2 μΐη, vorzugsweise 0,5 μιτι, bedeckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur anodischen Oxydation eine Gleichspannung angelegt wird, die am Anfang einer Stromdichte von 10 mA/cm² entspricht.