DE1521492B2 - Verfahren zum Herstellen von Aluminiumstrukturen auf Halbleiteroberflächen, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Systemherstellung von elektrischen Bauelementen, insbesondere von Mikrohalbleiterbauelementen, die nach der Planar- oder Mesatechnik gefertigt sind, ist einer der letzten Verfahrensschritte das definierte Aufbringen von Aluminiumemittern bzw. Basiskontakten oder -leitbahnen. Dies geschieht in der Weise, daß eine Scheibe aus Halbleitermaterial, beispielsweise eine Siliziumeinkristallscheibe, welche mit einer Vielzahl von Bauelementensystemen versehen und nach Fertigstellung der Systeme zerteilt wird, unter Verwendung entsprechender Masken oder Schablonen mit dem gewünschten Metall, beispielsweise Aluminium, bedampft wird. Bei Halbleiterbauelementesystemen mit geschlossenen und sehr kleinen Geometrien ist jedoch das Verfahren der Bedampfung durch Masken nicht anwendbar, weil die Randzonen der bedampften Bezirke auf der Halbleiterkristalloberfläche durch die Schattenwirkung der Masken nur unvollkommen ausgebildet werden.

Diese Schwierigkeiten werden dadurch umgangen, daß man zunächst eine ganzflächige Aluminiumbedampfung auf der Kristalloberfläche durchführt und anschließend nach Abdeckung mit einem entsprechenden Fotolack und Abbildung der gewünschten Strukturen durch Belichtung und Entwicklung des Fotolacks, die mit dem als Ätzmaske dienenden Photolack nichtabgedeckten Bereiche das Aluminium an den Stellen des Halbleitersystems abiäst, die keine Funktion in den späteren Schaltungen ausüben.

Da nach der Ätzung des Aluminiums der Photolack wieder entfernt werden muß, werden Lacke bevorzugt, welche in organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise Aceton, leicht löslich sind. Da die im Handel erhältlichen, in Aceton löslichen Photolacke nur bis zu einem pH-Wert von 12 leidlich beständig sind, ist es allgemein üblich, zum Ablösen des Aluminiums eine verdünnte Alkalicarbonatlösung zu verwenden. Trotz der geringeren Alkalität bewirkt jede Ätzzeitverlängerung mit verdünnter Alkalikarbonatlösung eine erhöhte Quellung des Photolacks und damit eine Verringerung der Haftfestigkeit, die zu besonders starken Unterätzungen führt. Diese Unterätzungen sind bei Aluminiumschichten, die auf »kalten« Oberflächen aufgedampft sind, noch einigermaßen tragbar. Dagegen führt besonders die wegen der besseren Haftung auf der Kristallscheibe und der leichteren Kontaktierbarkeit allgemein vorgezogene Heißbedampfung zu erheblich stärkeren Unterätzungen. Bedingt durch die bei der Heißbedampfung stattfindende Sinterung löst sich bei etwa 350⁰C aufgedampftes Aluminium etwa um den Faktor 2 langsamer als »kalt-« aufgedampftes. Eine Verkürzung der Ätzzeiten durch Erhöhung der Alkalikonzentration oder durch Erhöhung der Badtemperaturen zu erreichen, verbietet die schon erwähnte Empfindlichkeit des Photolacks.

Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung der Aufgabe, die Ätzzeiten bei der Herstellung von sehr feinen Aluminiumstrukturen als Kontaktflächen auf Halbleitereinkristallen zu verkürzen, ohne die Konturenschärfe und Gleichmäßigkeit der Ätzung zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Aluminium unter Zusatz von Gold und/oder Silber abgeschieden wird.

Es wurden zwar in FR-PS 12 62 176 Verfahren zur Anbringung von Kontakten auf Halbleitern beschrieben, insbesondere ein solches Verfahren zur Anbringung von Aluminiumkontakten auf Halbleitern mittels Photolithographie. Es sind jedoch keine Hinweise dafür enthalten, wie bei einem solchen Verfahren Unterätzungen verringert oder vermieden werden können, so daß sich auch sehr feine Aluminiumstrukturen mit hinreichender Konturenschärfe aufbringen lassen.
Außerdem ist aus Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 1. Bd., »Chemischer Apparatebau und Verfahrenstechnik«, München-Berlin, 1951, S. 960 und 961, auf die Zersetzung von Aluminiumfilmen in Wasser, falls dem Aluminium Quecksilber oder Kupfer zugesetzt wird, hingewiesen. Über die Löslichkeit von Aluminiumschichten bzw. Aluminiumschichten mit Gold- und/oder Silberzusätzen in verdünnten Alkalicarbonatlösungen, wie sie das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, sind jedoch keine Hinweise zu entnehmen.

Aus dem Handbuch »Vacuum Deposition of Thin Films« (Holland), 4. Auflage, London 1.961, S. 14 bis 27, 169 bis 173 und 328 bis 330, lassen sich zwar Charakteristiken für Öl- und Diffusionspumpen entnehmen; es lassen sich ebenfalls Apparaturen zur Aufbringung von Aluminiumschichten im Vacuum entnehmen sowie Aussagen über Aluminiumquellen bei Vacuumbedampfung und Aussagen über Schichtdicken, Bedampfungszeiten, Substrattemperaturen und Zusammensetzungen der abgeschiedenen Schichten bei Verwendung von Glassubstraten. Es lassen sich jedoch keine Aussagen über die Abscheidbarkeit extrem feiner Aluminiumstrukturen auf einem Halbleiterkörper entnehmen, wobei außerdem eine hinreichende Konturenschärfe gewährleistet ist.

Die Aluminiumabscheidung auf der zu behandelnden Oberfläche wird vorzugsweise durch Aufdampfen bei einem Druck <10-⁵ Torr erzeugt, wobei zum Herstellen der Aluminiumschicht ein Zusatz von l%o Gold und/oder Silber verwendet wird. Durch diesen geringen Metallzusatz von beispielsweise l°/oo Silber bei der Aluminiumbedampfung lassen sich die Ätzzeiten von Aluminium etwa auf ein Viertel der Ätzzeit ohne Metallzusatz verringern. Die erhöhte Lösungsgeschwindigkeit des Aluminiums beruht hier auf der Bildung des Lokalelementes Aluminium-Silber. Durch die Verminderung der Ätzzeiten wird eine Quellung und ein Abheben des Photolacks von der Unterlage weitestgehend vermieden, so daß die Randunterätzungen erheblich reduziert werden können. Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren erlaubt deshalb, die, beispielsweise für nach der Planartechnik erzeugte Bauelementesysteme mit Geometrien in der Größenordnung von wenigen μ Breite, notwendigen feinen Aluminiumstrukturen in sehr wirtschaftlicher Weise herzustellen.

Zweckmäßigerweise wird die Schichtdicke der aufgebrachten Aluminiumschicht so gewählt, daß sie etwa 1 μιτι beträgt.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, als Aufdampfquelle ein Aluminiumband zu verwenden, welches mit einem galvanischen Überzug von Gold und/oder Silber versehen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur der Aufdampfquelle auf 900 bis 1000⁰C eingestellt und die Dauer des Aufdampfprozesses auf 5 bis 10 Minuten festgelegt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die zu behandelnde Oberfläche bei der Metallabscheidung auf 200 bis 400⁰C erhitzt wird. Diese Maßnahme hat gegenüber der Kaltbedampfung den Vorteil, daß eine bessere Haftung der Metallschicht auf der Kristallscheibe erzielt wird, was eine leichtere Kontaktierbarkeit zur Folge hat.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung von Siliziumplanartransistoren und -dioden sowie zur Herstellung von integrierten Schaltungen.

Es ist aber ebenso vorteilhaft zur Herstellung von Widerständen und Kondensatoren anwendbar.

Durch das folgende Ausführungsbeispiel soll das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert werden.

In Fig.2 ist im Schnitt eine etwa 160 μιτι dicke, beispielsweise mit Antimon η-dotierte Siliziumeinkristallscheibe 1 gezeigt, in welcher durch Diffusion mittels einer p-dotierenden Substanz, beispielsweise Bor, durch ein in die auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls 1 befindliche Oxidschicht mittels Phototechnik geätztes Fenster 8 eine Zone 2 erzeugt wurde. Die in F i g. 1 mit 3 bezeichnete η-dotierte Zone entsteht durch Diffusion mittels Phosphor durch ein in die Oxidschicht auf der Zone 2 geätztes Fenster 9. Bei der Phosphordiffusion wird die gesamte Siliziumkristallscheibe mit einer Phosphoroxidglasschicht versehen, in die mittels Phototechnik und gepufferter Flußsäurelösung ein weiteres Fenster 10 zum Anbringen des Aluminiumkontakts geätzt wird, so daß die Teile der Oxidschichten auf der Siliziumkristallscheibe stehenbleiben, die mit 4,5 und 6 bezeichnet sind. Die mit 7 bezeichneten Bereiche des Halbleiterkörpers stellen die durch eine ganzflächige Aluminiumabscheidung erzeugte Aluminiumschicht dar, in der dem aufgedampften Aluminium l%o Silber beigemischt worden ist Die Kristallscheibe wird nach der Bedampfung mit einem handelsüblichen Photolack abgedeckt und die gewünschten Strukturen durch Belichtung und Entwicklung des Photolacks festgelegt. Anschließend werden die nichtabgedeckten Bereiche der Metallschicht herausgelöst und die Kristallscheibe zur Herstellung eines Siliziumplanartransistors weiterverarbeitet.

In Fig.2 wird die für das vorliegende Verfahren benutzte Aufdampfapparatur dargestellt. Vor dem Aluminiumbedampfungsprozeß wird die mit den verschieden dotierten Zonen versehene, eine Vielzahl von Bauelementesystemen enthaltende Siliziumkristallscheibe von dem für die Fensterätzung (Fenster 10 in Fig. 1) aufgebrachten Photolack in üblicher Weise befreit. Anschließend erfolgt eine etwa 5 Minuten dauernde Behandlung mit heißem Aceton und eine gründliche Spülung in deionisiertem Wasser, meistens im Ultraschallfeld. Nach einer ausreichenden Trocknung unter Heißluft wird eine Charge von etwa 16 Scheiben sofort in einen aus dem Rezipienten 11 bestehende Aufdampfapparatur, wie in F i g. 2 abgebildet, eingebracht. Die Scheiben 12 werden auf ein durch die Stromzuführungen 13 beheizbaren Träger 14 aus Tantalblech gelegt An die Aufdampfapparatur ist bei dem mit 15 bezeichneten Pfeil zur Evakuierung des Rezipienten 11 eine öldiffusionspumpe angeschlossen. Als Verdampfer für das abzuscheidende Aluminium wird eine Wolframwendel 16 verwendet, in die eine Legierung 17, bestehend aus Aluminium mit einem Gehalt von l%o Silber, in Bandform in zusammengerolltem Zustand eingefüllt worden ist. Die Wolframwendel 16 mit der Legierung 17 wird nun bei geschlossener Blende 18 mittels der Stromzuführungen 19 auf eine Temperatur gebracht, bei der die Legierung kontinuierlieh verdampft, z. B. auf etwa 900° C. Der Träger 14, auf dem sich die zu bedampfenden Kristallscheiben 12 befinden, wird ebenfalls mittels der Stromzuführungen 13 auf eine Temperatur von 350⁰C erhitzt. Durch Messung der Temperatur mittels eines Thermoelementes 20, dessen Schenkel beispielsweise mit einem Millivoltmeter 21 verbunden sind, läßt sich die während der Bedampfung herrschende Temperatur sehr gut einstellen. Wenn der Druck im Rezipienten < IO-⁵ Torr beträgt, wird bei geöffneter Blende 18 die in der Wolframwendel 16 befindliche Aluminiumlegierung 17 verdampft und bis zur gewünschten Schichtstärke von beispielsweise 0,8 μπι auf den auf dem Träger 14 befindlichen Kristallscheiben 12 abgeschieden. Der Bedampfungsprozeß dauert etwa 5 bis 8 Minuten.

Nach dem Abkühlen werden die Kristallscheiben aus dem Rezipienten entnommen und mit einem handelsüblichen Photolack in einer Schichtstärke von 0,5 μ beschichtet. Dann wird die Photolackschicht entspre-

chend der gewünschten Struktur mittels einer zu justierenden Maske belichtet und anschließend entwikkelt. Die gewünschte Geometrie bleibt dabei als Lackstruktur erhalten und dient während des Ätzprozesses als Schutzüberzug oder Ätzmaske. Die Kristallscheiben werden in alkalischer Lösung, beispielsweise 3%iger Kaliumcarbonatlösung, von etwa 50⁰C etwa 8 bis 10 Minuten geätzt, wobei die für die Herstellung von Kontaktflächen notwendigen feinen Aluminiumstrukturen unter der Photolackschicht mit ausgezeichneter Konturenschärfe und Gleichmäßigkeit erhalten bleiben. Der Ätzprozeß wird optisch kontrolliert und unterbrochen, wenn die unter der abzuätzenden Aluminiumschicht befindliche Siliziumdioxidschicht freigelegt ist.

In den Fig.3 bis 5 soll der Unterschied in der Herstellung sehr feiner Aluminiumstrukturen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den herkömmlichen Verfahren klar zum Ausdruck gebracht werden.

F i g. 3 zeigt eine Anordnung vor dem Ätzprozeß.

Dabei bedeutet 3 die zu kontaktierende Oberfläche, beispielsweise eine η-dotierte Zone eines Siliziumeinkristalls, 7 die aufgedampfte Aluminiumschicht aus Aluminium, das mit 1%o Silber, versehen ist, und 22 die entsprechend der gewünschten Struktur belichtete und entwickelte Photolackschicht.

Fig.4 zeigt eine Abbildung der in Fig.3 ohne Metallzusatz beschriebenen Anordnung nach dem Ätzprozeß. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.3.

In F i g. 5 wird eine Abbildung der ebenfalls in F i g. 3 beschriebenen Anordnung nach dem Ätzprozeß dargestellt, bei der die mit 7 bezeichnete Metallschicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch ganzflächige Aluminiumabscheidung unter Zusatz von Gold und/oder Silber erfolgt ist. Dadurch konnte die in F i g. 4 deutlich sichtbare Unterätzung der Metallschicht 7 unter dem als Ätzmaske dienenden Photolack 22 weitestgehend vermieden werden. Es gelten auch hier die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von aus einer Aluminiumschicht bestehenden, sehr feinen Strukturen auf Halbleitereinkristallen durch ganzflächige Aluminiumabscheidung auf der zu behandelnden Oberfläche, anschließende Abdeckung mit einem entsprechenden Photolack und Abbildung der gewünschten Strukturen durch Belichtung und Entwicklung des Photolacks und Ablösung der mit dem als Ätzmaske dienenden Photolack nicht abgedeckten Bereiche der Aluminiumschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium unter Zusatz von Gold und/oder Silber abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufdampfen bei einem Druck < 10~⁵ Torr abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abscheiden l%o. Gold und/oder Silber zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht von etwa 1 μηι Dicke abgeschieden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Zeit von 5 bis 10 Minuten abgeschieden wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Oberfläche bei der Abscheidung auf 200 bis 400⁰C erhitzt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferquelle ein Aluminiumband mit einem galvanischen Überzug aus Gold und/oder Silber ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Verdampferquelle 900 bis 1000⁰C beträgt.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von Siliziumplanartransistoren und -dioden sowie zur Herstellung von integrierten Schaltungen.

10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von Widerständen und Kondensatoren.