DE1696075C3 - Verfahren zur partiellen Galvanisierung einer Halbleiterschicht - Google Patents

Verfahren zur partiellen Galvanisierung einer Halbleiterschicht

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Description

rer Leitfähigkeit führt, eine übermäßige Erhitzung aber unter Umständen auch Nachbarbezirke kristallisiert, die nicht überzogen werden sollen.
Vorzugsweise wird die amorphe Halbleiierschicht mit der zu überziehenden Oberflächenseite nach oben flach auf einer Unterlage aus gut wärmeisolierendem Material liegend behandelt Die Verwendung des gut wärmeisolierenden Materials für die Unterlage stellt sicher, daß an der Grenzschicht zwischen Halbleiterschich! und Unterlage keine Wärme über die Unterlage auf benachbarte, nicht zu kristallisierende Halbleiterbezirke einwirken kann. Man ist aber nicht unbedingt auf die Verwendung einer wärmeisolierenden Unterlage angewiesen. Verwendet man statt dessen ein wärmeleitende Unterlage, dann erzielt man die gleiche Wirkung, wenn man diese während der lokalen Erhitzung der Halblciterschicht kühlt.
In der Regel genügen für die meisten hier in Frage kommenden Anwendungszwecke von galvanisierten Halbleiterschichten solche in der Stärke einiger Mikrön. Bei so dünnen Schichten wird die Kristallisation am einfachsten so vorgenommen, daß sie sich durch die ganze Schichtstärke erstreckt, wiewohl man sie auch auf eine Oberflächenschicht der Halbleiterschicht beschränken kann, wenn man die lokale Erwärmung ent- 2* sprechend drosselt. Dies ist aber bei sehr dünnen Schichten nur schwierig durchzuführen, weshalb man in Fällen, in denen die Kristallisation nicht die ganze Schichtstärke erfassen soll, besser von einer stärkeren Halbleiterschicht ausgeht.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Leitfähigkeit des kristallisierten wie auch des amorphen Halbleiters von einer vorgenommenen Dotierung abhängig. Man kann sich diesen Umstand zunutze machen und die für die Galvanisierung erwünschten optimalen Leitfähigkeitsverhnltnisse zwischen amorphen und kristallinen Halbleiterbezirken durch Dotierung des amorphen Halbleiterausgangsmaterials voreinstellen.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung naher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 unter a und b jeweils im Diagramm die für die Kristallisation in Germanium erforderlichen Temperaturen und die zugehörigen Widerstände,
F i g. 2 die lokale Kristallisation einer Halbleiterschicht mittels eines Elektronenstrahls, F i g. 2A den Schnitt 2-4/24 aus F i g. 1,
F i g. 3 schematisch das Galvanisieren einer lokal kristallisierten Halbleiterschicht und
F i g. 4 eine lokal kristallisierte Halbleiterschicht, deren kristalline Bereiche an ein aufgebrachtes Leitungssystem angeschlossen sind.
In F i g. 1Λ ist der unter Normalbcdingungen gemessene spezifische elektrische Widerstand R von Germanium gegen diejenige Temperatur T aufgetragen, auf die die Unterlage aufgeheizt wird »vährend das Gernut nium auf die Unterlage aufgedampft wurde. In F i g. 1 h ist auf der vertikalen Achse wie in F i g. IA der unter Normalbedingungen gemessene spezifische elektrische Widerstand K des Germaniums aufgetragen. Das nach Fig. IB vermessene Germanium wurde bei relativ no niedriger Temperatur von etwa 250 Grad Celsius auf der Unterlage niedergeschlagen.
Beim Aufdampfen gemäß F i g. 1A entsteht kristallines und amorphes Germanium, und zwar je nachdem wie hoch die Temperatur der Unterlage beim Auf- <>s dampfen war. Der später unter Normalbedingungcn gemessene spezifische Widerstand des kristallinen Germaniums ist um den Faktor 10' niedriger als der des amorphen Germaniums. Bei der Verfahrensweise nach F i g. 1B entsteht zunächst amorphes Germanium, das in kristallines Germanium umgewandelt wird, wenn die Temperatur der Unterlage auf mindestens 425°C erhöht wird. Bleibt man unter dieser kritischen Temperatur, dann bleibt das Germanium amorph. Will man die Umwandlung des zunächst amorph niedergeschlagenen Germaniums in kristallines Germanium durch einen Elektronen- oder Laserstrahl erzielen, dann muß durch diesen Strahl das amorphe Germanium auf mindestens 425°C lokal erhitzt werden. Die entsprechenden Temperaturen zur Umwandlung amorphen Siliziums in kristallines Silizium liegen etv.as höher als die aus Fig. 1 ersichtlichen für Germanium.
Will man einen Film aus amorphem Material herstellen, der nach der Erfindung behandelt werden soll, dann muß man von einem geeigneten Halbleiter ausgehen und beim Aufbau unterhalb der kritischen Temperatur bleiben. Das Ausgangsmaterial kann dabei erforderlichenfalls dotiert sein. Wenn man den Film gemäß Fig. IA durch Anlagerung aus einer Dampfatmosphäre aufbaut, dann erfolgt diese Anlagerung in der Regel auf einer Unterlage und wenn man diese Unterlage unterhalb von 25O°C hält, dann ist man auf Grund der aus Fig. IA ersichtlichen Temperaturverhältnisse sicher, daß sich bei Germanium der Film in amorpher Struktur aufbaut, beziehungsweise anlagert, weil bei einer Unterlagentemperatur von 2500C der sich aufbauende Germaniumfilm die kritische Temperatur von etwa 3000C nicht erreicht.
Man kann einen amorphen Halbleiter, der in Verbindung mit der Erfindung benutzt werden soll, auf verschiedene Weisen dotieren. Eine Möglichkeit besteht darin, bei der Vakuumverdampfung gleichzeitig das Halbleitermaterial und die Dotierung zu verdampfen, beziehungsweise aufzudampfen. In einem solchen Fall muß man Vorrichtungen vorsehen, um das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten in der Dampfphase auf den gewünschten Wert einzustellen. Man kann auch bei der Verdampfung von einem Grundmateria! ausgehen, das bereits dotiert ist. In einem solchen Fall hat der niedergeschlagene Film aber nicht die gleiche Zusammensetzung wie das Ausgangsmaterial, aber man kann die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials so wählen, daß der dann aufgedampfte Film die jeweils gewünschte Zusammensetzung hat.
In F 1 g. 2 ist mit 10 eine Unterlage, z. B. aus Quarz, bezeichnet, auf dessen Oberfläche 11 durch Vakuumverdampfung eine amorphe Schicht 12 aus Germanium aufgebracht ist. Die Schicht 12 ist etwa 1 Mikron stark. Die Germaniumschicht 12 kann durch lokale Erhitzung aus ihrem amorphen Ausgangszustand in einen kristallinen Zustand umgesetzt werden. In der Praxis wird zu diesem Zweck die in F i g. 2 dargestellte Anordnung, bestehend aus der Unterlage 10 und der Schicht 12 in ein Vakuum von der Größenordnung IO »Torr gebracht. Im Vakuum wird dann aus einer Elektronenkanone 14 ein Elektronenstrahl 16 über die Oberfläche 17 der Schicht 12 geführt. Der Elektronenstrahl ist dabei auf die Oberfläche 17 fokussiert in der dargestellten Stellung, also auf dem Punkt 18. Der Elektronenstrahl 16 wird entlang der Spuren 21 bis 23 über die Oberfläche 17 geführt und erhitzt die amorphe Schicht 12 entlang dieser Spuren so stark, daß das Germanium kristallisiert. Wenn m;in bei diesem Vorgang die Unterlage 10 kühlt, dann kann die zur Auskristallisicrung des Germaniums zugeführte Wärme durch Difussion schnell abgeführt werden, so daß das Germanium sich
in der Nachbarschaft der Spuren 21 bis 23 nicht so weit erhitzen kann, wie dies zur Auskristallisierung erforderlich ist. Die Umkristallisierung findet dann nur auf den Spuren 21 bis 23 statt und ist scharf auf diese begrenzt. Wie in Fig. 2A zeichnerisch angedeutet, erstreckt sich die Umkristallisierung entlang der Spuren 2t bis 23 durch die ganze Stärke der Schicht 12 hindurch. Man kann die Bedingungen auch leicht so wählen, daß die Umkristallisation nicht die ganze Stärke der Schicht 12 erfaßt, sondern auf einen oberflächlichen Bereich be- ίο schränkt ist. Es ist zweckmäßig, aber nicht unbedingt nötig, bei der Umkristallisation die Unterlage 10 zu kühlen. Durch eine solche Kühlung kann man die Erhitzung und damit die Umkristallisation scharf auf die Spur des Elektronenstrahls begrenzen. Kommt es dagegen darauf an, mit möglichst wenig Energiezufuhr eine Umkristallisation durchzuführen, dann verwendet man zweckmäßig als Unterlage einen Wärmeisolator, so daß die durch den Elektronenstrahl in der Schicht 12 hervorgerufene Wärme nicht ohne weiteres ungenutzt abfließen kann. Der UmkristaHisationsprozeß erfaßt dann unter Umständen auch den Spuren 21 bis 23 benachbarte Bezirke der Schicht 12, die nicht unmittelbar von dem Elektronenstrahl betroffen sind.
Die Schicht 12 sollte so stark gewählt sein, daß die kristallinen Bereiche, die durch lokale Erhitzung wie beschrieben erzeugt werden, für die Leitung des Stromes zum Galvanisieren ausreichen. In der Praxis hat es sich bei besonderen Umständen als schwierig erwiesen, einen amorphen Film nur in einem oberflächlichen Bereich der Spuren auszukristallisieren, es sei denn, dieser Film beziehungsweise diese Schicht hat eine entsprechend große Stärke. Aus diesem Grunde wird nach der Erfindung vorzugsweise die amorphe Schicht 12 über die ganze Schichtstärke bis zur Oberfläche 11 der darunterliegenden Unterlage durchkristallisiert. Ist die Unterlage ein guter Wärmeisolator, dann lokalisiert sich die Erhitzungszone auf den Bereich der Spuren des Elektronenstrahls auch in dem Bereich zwischen der Schicht 12 und der Unterlage 10. Wenn man die Unterlage mit genügender Stärke und aus wenig wärmeleitendem Material ausbildet, dann wird die eingebrachte Wärme eng in dem Bereich der erhitzten Verbindung zwischen der Halbleiterschicht 12 und der Unterlage 10 gehalten und in ihrer Wirkung auf die Spuren 21 bis 23 eng begrenzt.
F i g. 3 zeigt schematisch ein Bad zum Galvanisieren der Spuren 21 bis 23, die, wie im Text zu F i g. 2 beschrieben, auskristallisiert sind. Die Unterlage 10 mit der wie im Text zu F i g. 2 behandelten Schicht 12 wird zu diesem Zweck in den Behälter 24 gelegt, der mit einer wäßrigen Zyanidlösung als galvanisches Bad 26 gefüllt ist. Entlang der kristallisierten Spuren 21 wird ein Metall, z. B. Kupfer oder Silber, galvanisch niedergeschlagen.
Mit 28 ist eine in das Bad 26 eingetauchte Anode bezeichnet, die an eine Batterie 32 angeschlossen ist. Der negative Anschluß der Batterie 32 liegt über die Leitung 34 und einen verstellbaren Widerstand 36 sowie einen Schalter 38 an einer elektrisch leitenden Sonde 40. Die Sonde ist bis auf ein zu einer scharfen Spitze 42 ausgezogenes freies Ende durch einen Isolator 41 isoliert. Die Spitze 42 berührt die Oberfläche 17 der Schicht 12. Gemäß der Darstellung nach F i g. 3 ist bereits entlang der Spuren 22 und 23 jeweils ein Metallstreifen 22/4, 23/4 abgeschieden. Um auch entlang der Spur 21 einen solchen Metallstreifen abzuscheiden, wird die Spitze 42 der Sonde entlang dieser Spur 21 geführt, während gleichzeitig mittels des Widerstandes 36 bei geschlossenem Schalter 38 ein für die Galvanisierung erforderlicher Stromfluß eingestellt wird. Da der kristalline Bereich entlang der Spur 21 wesentlich besser elektrischen Strom leitet als die benachbarten amorphen Bereiche der Schicht 22, bildet sich auf der Spur 21 eine streifenförmige metallische Schicht, die über ihre Breite weitgehend gleiche Stärke hat.
Obwohl der kristalline Bereich entlang der Spur 21 wesentlich größere Leitfähigkeit als die benachbarten amorphen Bereiche hat, hat der wie eben beschrieben abgeschiedene metallische Streifen eine noch viel höhere elektrische Leitfähigkeit, so daß dieser Metallstreifen praktisch ein elektrischer Kurzschluß für die darunterliegenden kristallisierten Bereiche der Schicht 12 ist. Das kristalline Material ist in dieser Weise elektrisch kurzgeschlossen, weil der Widerstand des abgeschiedenen Metallstreifens in der Größenordnung von 10-* bis 10"5Ohm pro cm liegt, während der Widerstand des kristallisierten Halbleitermaterials der Schicht 12 auf 10~2 bis 103Ohm pro cm leicht eingestellt werden kann.
Die Metallstreifen 21/4 bis 23A können in üblicher Weise als Stromleiter oder Kontaktverbindungen verwendet werden.
An Hand der F i g. 4 wird nun erläutert, wie für besondere Anwendungsfälle die kristallisierten Spuren 21 bis 23 an äußere Leiter angeschlossen werden können. Gemäß F i g. 4 ist mit 44 ein elektrisch leitender Rahmen bezeichnet, der in bekannter Weise durch Aufdampfen im Vakuum unter Zwischenschaltung einer Maske auf die Schicht 12 aufgebracht ist. Von dem Rahmen 44 gehen Abzweigungen 46 bis 48 aus, die in elektrischem Kontakt mit den kristallinen Spuren 21 bis 23 stehen. Die in F i g. 4 dargestellte Anordnung, bestehend aus der Unterlage 10, der Schicht 12 und dem aufgebrachten metallischen Rahmen 44, wird nun in das Bad 26 gemäß F i g. 3 gebracht, wobei bei eingeschaltetem Strom die Spitze 42 an irgendeiner Stelle des Rahmens 44 mit diesem in elektrischen Kontakt gebracht wird, so daß wieder Metallstreifen 21/4 bis 23/4 abgeschieden werden. Wenn man die Abzweigungen 46 bis 48 für die spätere Anwendung nicht benötigt, kann man sie abtragen, z. B. durch Ätzung.
Bei der Unterlage 10 handelt es sich entweder um einen guten thermischen Isolator, z. B. aus eingeschmolzenem Quarz, oder die Unterlage ist, wenn sie wärmeleitend ist, während der lokalen Erhitzung gemäß F i g. 2 von außen gekühlt, so daß in jedem Fall die mit dem Elektronenstrahl 16 angestrebte lokale Erhitzung und damit auch die lokale Kristallisation auf die von dem Elektronenstrahl tatsächlich betroffenen Teile beschränkt ist.
Als Halbleitermaterialien für die Halbleiterschicht 12 kommen unter anderem Germanium oder Silizium ir Frage. Sowohl bei Silizium als auch bei Germanium wird die Leitfähigkeit durch die Konzentration einei Dotierung bestimmt. Sie kann entweder η-leitend odei p-leitend sein. Sowohl bei Silizium als auch bei Germa nium ist die Leitfähigkeit bei vorgegebener Dotie rungskonzentration in der kristallinen Phase stärker al: in der amorphen Phase von dieser Dotierungskonzen tration abhängig. Diese Umstände machen es möglicr durch Dotierung des amorphen Ausgangsmaterials di Leitfähigkeitsunterschiede zwischen den amorphen um dem kristallinen Material voreinzustellen.
Bei der praktischen Anwendung nach der Erfindun galvanisierter Halbleiterschichten, z. B. in Verbindun
t integrierten Schaltungen, ist es auch möglich, die lorphen Teile der Halbleiterschichten als aktive oder ssive Schaltungselemente ganz oder teilweise mit in : integrierte Schaltung einzubeziehen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
902

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum partiellen Galvanisieren einer Haibleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterschicht aus amorphem Halbleitermaterial hergestellt wird, die dann durch lokale Erhitzung auf der zu überziehenden Oberflächenseite lokal in kristallinen Zustand umgewandelt und dadurch lokal elektrisch leitfähig gemacht wird und daß dann die Galvanisierung nur auf diesen, leitfähig gemachten Bezirken erfolgt.
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Erhitzung durch Bestrahlung der zu überziehenden Oberflächenseite mit einem auf diese Oberflächenseite fokussieren Energiestrahl erfolgt, der nach Maßgabe eines angestrebten Überzugsmusters über die Halbleiterschicht geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Erhitzung mit einem Elektronenstrahl vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Erhitzung mit einem Laserstrahl vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Haibleiterschicht mit der zu überziehenden Oberflächenseite nach oben flach auf einer Unterlage aus gut wärmeisolierendem Material liegend behandelt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Halbleiterschicht mil der zu überziehenden Oberflächenseite nach oben flach auf einer Unterlage aus wärmeleitendem Material liegend behandelt wird und bei der lokalen Erhitzung der Haibleiterschicht die Unterlage gekühlt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Haibleiterschicht in einer Stärke im Bereich von einigen Mikron hergestellt wird und die lokale Kristallisation durch die ganze Schichtstärke vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Galvanisierung erwünschte Leitfähigkeitsverhältnis zwischen amorphen und kristallinen Halbleiterbezirken durch Dotierung des amorphen Halbleiterausgangsmaterials voreingestellt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisierung erfolgt, indem mit einer kathodisch vorgespannten Elektrodenspitze die kristallinen Bezirke einer in ein anodisch vorgespanntes EJektrolytbad gelegten vorbereiteten Haibleiterschicht nachgefahren werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisicrung erfolgt, indem zunächst die kristallinen Bezirke einer vorbereiteten Haibleiterschicht yii ein /u diesem Zweck auf die Haibleiterschicht aufgebrachtes metallisches Leitersystem angeschlossen werden und daß dann dieses Leitersystem kathodisch vorgespannt wird, während sich die Haibleiterschicht in einem anodisch vorgespannten Elektrolytbad befindet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partieller Galvanisierung einer Haibleiterschicht. Für viele An wendungsfälle sind Halbleiierschichten mit Überzüger nach einem bestimmten vorgegebenen Muster, z. B. ir Form eines elektrischen Leitungssystems wünschenswert. Dies ist z. B. bei der Verwendung solcher Halbleiterelemente bei integrierten Schaltungen der Fall.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Alt so auszugestalten, daß die ίο Galvanisierung nach einem vorgegebenen Muster durchgeführt werden kann. Der Überzug soll dabei entsprechend den sich aus der späteren Anwendung ergebenden Forderungen mit sehr hohem optischen Auflösungsvermögen, d. h. also sehr präzise, nach dem vorgegebenen Muster aufbringbar sein. Schließlich sollen auch feine Musterstrukturen in den Überzug übertragbar sein.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Haibleiterschicht aus amorphem Halbleitermaterial hergestellt wird, die dann durch lokale Erhitzung auf der zu überziehenden Oberflächenseite lokal in kristallinen Zustand umgewandelt und dadurch lokal elektrisch leitfähig gemacht wird und daß dann die Galvanisierung nur auf diesen leitfähig gemachten Bezirken er-
2j folgt.
D'.c Erfindung macht sich den Umstand zunutze, daß Halbleitermaterialien in ihrer amorphen Struktur wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit haben, als in ihrer kristallinen Struktur. Diese Leitfähigkeitsverhältnisse zueinander sind zwar von der Dotierung des Ausgangshalbleitermaterials abhängig, aber die Leitfähigkeit des kristallinen Materials ist immer wesentlich höher als die des amorphen Materials. Die Erfindung macht sich weiter den Umstand zunutze, daß eine amorphe Haibleiterschicht durch lokale Erhitzung lokal kristallisiert werden kann, so daß sich an den Stellen, die lokaler Erhitzung ausgesetzt waren, Bezirke höherer Leitfähigkeit ergeben. Für das Galvanisieren ist bekanntlich die elektrische Leitfähigkeit der Unterlage, die überzogen werden soll, maßgeblich, und man kann leicht die Galvanisierung einer so vorbereiteten Haibleiterschicht so ansetzen, daß der Überzug streng und exakt auf die kristallisierten Bezirke beschränkt ist, auch wenn die amorphen Bezirke eine geringe elektrisehe Leitfähigkeit haben.
Als sehr vorteilhaft für die Erfindung erweist sich die Tatsache, daß die lokale Erhitzung mit einem Schreibstrahl durchführbar ist. Die dementsprechende Weiterbildung des erfinderischen Verfahrens ist dadurch ge-
so kennzeichnet, daß die lokale Erhitzung durch Bestrahlung der zu überziehenden Oberflächenseite mit einem auf diese Oberflächenseite fokussierten Energiestrahl erfolgt, der nach Maßgabe eines angestrebten Überzugsmusters über die Haibleiterschicht geführt wird.
Diese Weiterbildung des erfinderischen Verfahrens zeichnet sich durch eine sehr einfache Umkristallisierung präzise nach einem vorgegebenen Muster aus, weil in der Technik Energiestrahlen zur Verfügung stehen, /.. B. als Elektronenstrahl oder als Laserstrahl, die
6c mit bekannten einfachen Mitteln fokussierbar und auch nach einem vorgegebenen Muster über eine Oberfläche geführt werden können. In Verbindung mit solchen Energiestrahleii kann die lokale Erhitzung nicht nur präzise lokalisiert, sondern auch präzise dimensioniert
fts werden und eine präzise Dimensionierung ist im Interesse einer präzisen Galvanisierung deshalb wünschenswert, weil eine zu geringe lokale Erhitzung nur zu einer unvollständigen Kristallisierung und damit zu geringe-
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