DE1803025A1 - Elektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Elektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

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General Electric Company, Schenectady N.T./USA
Elektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Bauelemente, z.B. integrierte Schaltkreise oder monolithische Halbleiterbauelemente, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente.
Bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen oder monolithischen Einheiten ist es häufig erwünscht oder notwendig, metallische Leiter oder Kontaktplatten vollständig in ein isolierendes Medium einzubetten oder mit einem isolierenden Medium zu umhüllen. Es ist jedoch schwierig, derartige Kontakte auszubilden und zu verhindern, daß das Kontaktmaterial das isolierende Medium angreift und schließlich zerstört. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn die verwendeten Materialien später hohen Temperaturen ausgesetzt werden müssen, wie es beispielsweise während des Diffusionsschrittes bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen der Pail ist. Bei zu großer Erwärmung werden einige Metalle außerordentlich reaktionsfreudig und können sogar schmelzen, so daß aus ihnen hergestellte Platten oder Streifen schädlich beeinflußt oder verformt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Halbleiterbauelemente mit in Isolierungsschichten eingebetteten elektrischen Kontakten oder Kontaktplatten zu schaffen, die während der Fabrikation der Halbleiterbauelemente angebracht und dann durch die nachfolgenden Fabrikationsschritte nicht mehr beeinflußt werden. Außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen derartiger Halbleiterbaueinente, z.B. Feldeffekttransistoren,
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angegeben werden. Schließlich sollen insbesondere integrierte und solche Halbleiterbauelemente geschaffen werden, die über aktiven Zonen des Halbleiterkörpers eine eingebettete metallische Schutzschicht aufweisen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird an einem elektrischen Bauelement,· das aus einem Halbleiterkörper besteht, dessen eine Breitseite mit einer Isolierungsschicht überzogen ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche der Isolierungsschicht in einem vorgewählten Muster eine Metallschicht und auf der Metallschicht und den freien OberflächenbereicHen der ersten Isolierungsschicht eine zweite Isolierungsschicht aufgebracht ist, und daß elektrische Kontakte durch die zweite Isolierungsschicht hindurch mit der Metallschicht in Berührung sind. Bei Verwendung eines Siliciumkörpers bestehen die Metallschichten vorzugsweise aus Molybdän oder Wolfram und die Isolierungsschichten vorzugsweise aus Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und/oder Siliciumoxynitrid.
Für die Metallschichten eignen sich besonders Molybdän oder Wolfram, da diese Metalle mit den normalerweise in Halbleiterbauelementen verwendeten Isolierungsmaterialien nicht reagieren und außerdem schwer schmelzbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen derartiger elektrischer Bauelemente ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Breitseite des Halbleiterkörpers eine Isolierungsschicht und auf dieser eine Metallschicht aus einem mit der Isolierungsschicht bei den Fabrikationstemperaturen nicht reagierenden Metall aufgebracht wird, daß ferner die Metallschicht durch fotochemis.che Kopierund Ätzverfahren an vorgewählten Stellen beseitigt wird, daß ferner die verbleibende Metallschicht sowie die freigelegten Oberflächenbereiche der ersten Isolierungsschicht bzw» des Halbleiterkörpers mit einer zweiten Isolierungs-
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schicht bedeckt werden und daß nach dem Maskieren der zweiten Isolierungsschicht und einem fotochemischen Kopier- und Ätzsphritt zum Freilegen eines kleinen Bereichs der Metallschich die Metallschicht in diesem Bereich mit einem elektrischen Kontakt versehen wird, wobei nach dem Aufbringen der zweiten Isolierungsschicht und vor dem Anbringen der Kontakte in dem Halbleiterkörper durch Diffusion, legierung oder dergleichen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgebildet werden können.
Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.
Die Fig. 1 zeigt einen Arbeitsplan für die Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Bauelements mit einer eingebetteten Metallelektrode.
Die Fig. 2a bis 2g zeigen daneben das Bauelement jeweils in demjenigen Zustand, der sich nach'dem entsprechenden, in Fig. 1 dargestellten Verfahrensschritt ergibt.
Die Fig. 3 ist eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Bauelementes,
Die Fig. 4 ist eine perspektivische und- teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Kondensators.
Die Fig. 5 zeigt einen Arbeitsplan für die erfindungsgemäße Herstellung eines Feldeffekttransistors mit einer eingebetteten Gate-Elektrode.
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Die Pig. 6a bis 6j zeigen daneben den Feldeffekttransistor jeweils in demjenigen.Zustand, der sich nach dem.entsprechenden, in Fig. 5 dargestellten.Verfahrensschritt ergibt.
^In der Figur. 1.ist.ein.Arbeitsplan für die fabrikation der einfachsten Halbleiterbauelemente dargestellt,die:erfindungsgemäß hergestellt werden können. _ '■-..,■'. ■■:'·':
Obgleich die.Erfindung auf die Herstellung,von monolithischen, integrierten Schaltkreisen und? dergleich|n_,angewendet werden kann, die einen Halbleiterkörper, aus Germanium, Silicium,^ Galliumarsenid oder irgendeinem anderen zweckmäßigen HaJb-. leitermaterial enthalten, wird sie im folgenden der Einfachheit halber an Halbleiterbauelementen mit einem Siliciumkörper beschrieben. . ,
Gemäß Fig. 1.beginnt die Fabrikation eines Bauelementes mit der Herstellung eines Siliciumkörpers oder einer Siliciumscheibe, die "beispielsweise einen.Durchmesser von.25 mm (.1 Zoll) und eine Dicke von ο,25 mm (o,o1 Zoll) aufweisen kann. Die Siliciumscheibe besitzt zwei monokristalline ,Breitseiten., die vorzugsweise" eine für die Herstellung von 'Halbleiterbauelementen erwünschte kristallografische Orientierung aufweisen", d.h., beispielsweise parallel zur (1,1,1 )-Ebene orientiert sind. Auf einer der Breitseiten des Siliciumkörpers wird eine dünne Schicht aus einem Isolierungsmaterial ausgebildet, durch welches der SiliciumkÖrper gegenüber Leitern, die später auf ihm niedergeschlagen werden, ausreichend elektrisch isoliert wird und das zweckmäßigerweise auch die Eigenschaft besitzt, auf der Siliciumoberflache Leckströme oder sonstige Oberflächenzu-* stände zu verhindern, die eine Qualitätsminderung der Oberfläche zur Folge halaen könnt en ^ Die Is olieruhgs schicht wird zweckmäßigerweise in beliebiger Reihenfolge oder Anzahl atis Materialien wie Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder einer amorphen Kotniination von Silicium, Sauerstoff
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und Stickstoff (Siliciumoxynitrid) gebildet werden. Zum besseren Verständnis wird angenommen, daß auf einer Breitseite eines Siliciumkörpers 10 ein Siliciumoxidfilm 11 gebildet wird Dieser EiIm kann 1000 £ dick sein und dadurch gebildet werden, daß der Siliciumkörper etwa eine Stunde lang in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre auf einer Temperatur von etwa 1100-12000C gehalten wird. Hierdurch 'entsteht eine dichte, gleichförmige, thermisch gewachsene Siliciumdioxidschicht, die als Isolierungs- und Passivierungsmittel für das Silicium wirkt. Erfindungsgemäß wird auf der auf dem Halbleiterkörper TO befindlichen Siliciumoxidschicht 11 eine Schicht 12 aus einem Metall niedergeschlagen,welches mit Siliciumoxid bzw. bei Verwendung von Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid mit diesen nicht reagiert. Als Metalle eignen sich beispielsweise Molybdän oder Wolfram. Die beispielsweise aus Molybdän bestehende1 Metallschicht 12 wird in einer Dicke von etwa 1000 bis 5000 £ dadurch aufgebracht, daß das Metall in einer aus einem inerten Gas wie Argon bestehenden Atmosphäre bei einem Druck von etwa 5 Mikron auf den auf etwa 400 bis 5000G erhitzten Halbleiterkörper aufgedampft oder durch Zerstäubung aufgebracht wird. Anschließend wird in der Metallschicht ein für den späteren Verwendungszweck geeignetes Muster mit der erwünschten Form und Größe ausgebildet.
Zur Ausbildung dieses Husters in der Molybdänschicht können in einem fotochemischen Kopier- und Itzschritt bekannte fotoresistive Materialien verwendet werden. Ein geeignetes fotoresistives Material wird beispielsweise unter dem Warenzeichen "KPR" von der Eastman Kodak Company, Rochester, Hew York,. verkauft und ist beispielsweise in dem Eastman Kodak Company -Heft "Photosensitive Resists for Industry" 1962 beschrieben worden. Bei Verwendung derartiger fotoresistiver Materialien wird das Muster dadurch hergestellt, daß die gesamte Oberfläche der Molybdänschicht 12 mit dem fotoresistivem Materialtfcerzogen und anschließend die fotoreoistlve Schicht durch eine Schablone hindurch mit Licht
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geeigneter Wellenlänge belichtet wird, wodurch in &en belichteten Bereichen des fotoresistiven Materials chemische Reaktionen angeregt werden.
Im allgemeinen werden nur die Bereiche der fötoresistiven Schicht belichtet, die über denjenigen Stellen üer Metallschicht liegen, welche stehenbleiben sollen» '<::.'.' Anschließend wird die fotoresistrve Schicht mit einem geeigneten Entwickler behandelt, torch den die unbelichteten Stellen des fotoresistiven Materials weggelöst werden, während in den belichteten Stellen ein QeI gebildet wird, das auch nach dem Wegspülen des Entwicklers stehenbleibt.
Bach dem Entwickeln entspricht äie auf der Oberfläche des beschichteten Halbleiterkörpers gebildete Maske aus photoresistivem Material dem Muster, welches in der Molybdänschicht gebildet werden soll« Be-r Halbleiterkörper wird nun in destilliertem Wasser gewaschen und. mit einem Ferrieyanid-Itzmittel -behandelt, um die Molybdänschicht an ihren freiliegenden Stellen zu entfernen« Da das Ferricyanid-Ätzmittel das Molybdän mit einer Geschwindigkeit" von etwa 9000 S pro Minute abträgt, braucht eine 1GQQ & dicke Molybdänschicht nur etwa eine n'euntel Minute, eine 5000 S. dicke MoTybdänschieht nur etwa eine halbe Minute mit dem Ferritcyanid-Ätzmittel behandelt werden· Des Eerricysniä-Ätzmittel enthält beispielsweise 92 g k,Ffe(Cl!E}gv 20 g KOM und 300 H2O.
Fach dem Entfernen aller derjenigen Bereiche der Molybdänschicht, die nicht durch das entwickelte fotoresistive Material bedeckt sind, wird das Halbleiterbauelement in destilliertem Wasser gewaschen and anschließend in 5ErI-chloräthylen oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel für. das fotoresistive Materal gespült· lach dem Entfernen der fotoresistiven Schicht wirä <fer gesarate Halbleiterkörper mit einer etwa 1000 ~ 5000 5 ätok&a. Scfticht 15 aus einem Isoliermaterial wie SiliciumäiQxieL? Siliciumnitrid oder.
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Siliciumoxinitrid überzogen. Pur die.zweite Isolierungsschiht wird im allgemeinen das gleiche Isolierungsmaterial wie für die erste Isolierungsschicht 11 verwendet, doch, ist dies nicht notwendig. Wenn beispielsweise ein Kondensator nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, dann kann die Isolierungsschicht zwischen den beiden Platten aus irgendeinem bekannten Material "bestehen, welches eine geeignete Dielektrizitätskonstante und Durchbruchfestigkeit aufweist. Ein Material mit ausgezeichneter Durchbruchfestigkeit gegenüber Hochspannungen ist beispielsweise Siliciumdioxid. "·''" ^
Der mit der Oxidschicht versehene Siliciumkörper ist in der Pig. 2b dargestellt. Die fig. 2c zeigt den Halbleiterkörper nach dem Aufbringen der Metallschicht 12, die Mg. 2d den Halbleiterkörper nach dem Wegätzen von Teilen d'er Metallschicht und die Pig. 2e den Halbleiterkörper nach dem Aufbringen der zweiten Isolierungsschicht 13. In allen' Figuren sind die aufgebrachten Schichten übertrieben dick dargestellt, da sie größenordnirngsmäßig eine Dicke von etwa 1000 bis 5000 Ä arfweisen, was ein unbedeutender Bruchteil der Dicke des Haltleiterkörpers 10 ists und in einer Zeichnung mit natürlichem Maßstab nicht sichtbar wären.
Nach dem Aufbringen der zweiten Isolierungsschicht 13 auf der Metallschicht 12, die die gewünschte Geometrie aufweist, können eine Anzahl weiterer Verfahrensschritte angeschlossen werden, die alle zu erfindungsgemäßen Ausführungsformen führen. Bei der einfachsten Ausführungsform gemäß den Pig. 1 und 2 ist nur ein einziger, eingebetteter, leitender Streifen vorgesehen, der beispielsweise einen Leitungszug' darstellt, durch den zwei integrierte, Schaltkreise eines monolythischen, integrierten Halbleiterbaueimentes elektrisch verbunden sind.
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Anstatt die leitende Metallschicht 12 sofort zu kontaktieren, können zum Herstellen eines integrierten Schaltkreises als weitere Verfahrensschritte 'beispielsweise zunächst Diffusionsschritte bei hohen Temperaturen angeschlossen·werden, nach denen dann die eingebettete Metallschicht kontaktiert wird. Ein weiterer Verfahrensschritt könnte auch zum direkten Verbinden zweier Leitungszüge durch Metallisierung und Ätzung durchgeführt werden.
Vor dem Abschluß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Metallschicht bereits vollständig eingebettet und braucht nur noch elektrisch kontaktiert werden. Hierzu wird der gesamte Halbleiterkörper mit einem geeigneten fotoresistiven Material wie KPR überzogen, das anschließend zum Herstellen einer geeigneten Ätzmaske belichtet wird. Im vorliegenden EaIl soll die Ätzmaske die gesamte Metallschicht 12 außer an denjenigen Stellen bedecken, an denen die Metallschicht kontaktiert werden soll oder längs denen zwei oder mehrere elektrische Leitungszüge oder verschiedene aktive oder inaktive Zonen verbunden werden sollen. Nach dem Entfernen der Schablone, durch die das fotoresistive Material belichtet wird, und'nach dem Entwickeln des fotore'si-stiven Materials wird das Halbleiterbauelement mit einem für die Isolierungsschidit geeigneten Ätzmittel behandelte Als Ätzmittel eignet sich beispielsweise gepufferte HF (ein Teil konzentrierter HP-Lösung mit 10 Volumteilen einer 40$igen NH.P-Losung), wenn es sich um Siliciumdioxid handelt. Aufgrund der Tatsache, daß das Molybdän durch diejenigen Ätzmittel nicht angegriffen wird, die normalerweise zum Ätzen der Isolierungsschichten verwendet werden, kann die Molybdänschicht auch als Ätzmaske verwendet werden, durch die die darunterliegende Isolierungsschicht bei diesem Verfahrens schritt vor dem Ätzmittel geschützt- ist. Nach dem Entfernen des fotoresistiven Materials weist die über die gesamt.^0 Breitseite des Halbleiterbauelements ausgedehnte Isolierungssiahicht 13 ein Fenster 14 auf, durch welches. die 'Me ta 11-
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schicht 12 sichtbar ist (Pig'. 2f). Anschließend folgt der Kontaktierungssehritt.
Pur die Kontaktierung kann ein geeignetes Material wie Aluminium in einer inerten Atmosphäre wie Argon auf die gesamte Oberfläche der Isolierungsschicht 13 in einer Weise aufgedampft oder durch Zerstäubung aufgebracht werden, daß das Penster 14 ausgefüllt und das aufgedampfte Metall mit der Metallschicht 12 in Kontakt ist. Danach wird auf der Oberfläche der Aluminiumschicht unter Verwendung eines fotoresistiven Materials und eines Ätzmittels eine Atzmaske gebildet. Zum Wegätzen der unbedeckten Stellen der Aluminiumschicht eignet sich eine Lösung aus 76 Volumenprozent Orthophosphorsäure, 6 Volumenprozent Eisessigsäure, 3 Volumenprozent Salpetersäure und 15 Volumenprozent Wasser. Das nach dem Ätzen zurückbleibende Kontaktmaterial 15 füllt das Fenster H in der Isolierungsschicht 13 aus und bildet auf der Oberfläche der Isolierungsschicht 13 einen kleinen Streifen 16, an dem mittels üblicher Kontakt- oder Plattierungsmittel elektrische Anschlüsse angebracht werden können, wenn es sich um Anschlüsse für integrierte Schaltkreise handeln soll.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weisen gegenüber den bekannten Bauelementen und Verfahren beträchtliche Vorteile auf. Bei allen bekannten Herstellungsverfahren müssen zunächst die aktiven Zonen fertiggestellt werden, da die bekannten Kontaktmaterialien und Kontaktierungsverfahren nur zu Kontakten führen, die ohne daß sie und die benachbarten Isolierungen schädlich beeinflußt werden, nicht den hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, die' zum Herstellen von aktiven Zonen (z.B. durch Diffusion) notwendig sind. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens treten diese Nachteile dagegen nicht auf. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren können elektrische Kontakte zwischen Teilen des gleichen Bauelementes oder zwischen Teilen verschiedener Bauelemente sowohl vor als auch während der Herstellung der aktiven Zonen angebracht werden, da die erfindungagemäßen Kontakte die
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hohen Fabrikationstemperaturen vertragen können, ohne daß sie oder die benachbarten Materialien schädlich beeinflußt werden,
Wach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nacheinander eine Vielzahl von Kontakten, die zum elektrischer Verbinden irgendwelcher Zonen eines Halbl'eiterkörpers verwendet werden sollen, auf dem ein monolithischer, integrierter Schaltkreis aufgebaut wird, in die verschiedenen Schichten eingearbeitet werden, ohne daß sie wirklich miteinander verbunden werden, bevor es erwünscht ist. Nur wenn zwei sich kreuzende Schichten elektrisch verbunden werden sollen, muß dies geschehen, bevor die zuletzt niedergeschlagene Schicht bedeckt wird. Es ist jedoch nicht notwendig, einen bestimmten Leitungszug zu kontaktieren, bevor alle Schichten niedergeschlagen sind. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil die durch eingebettete Metallschichten gebildeten Verbindungen nicht der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt werden müssen und daher sehr gut gegen Korrosion und gegen Reaktionen mit den Ätzmitteln während der Fabrikation des Halbleiterbauelementes geschützt sind. Das gesamte Halbleiterbauelement braucht also erst nach seiner Fertigstellung kontaktiert werden, und für die Kontaktierung ist; es lediglich erforderlich, die Isolierungsschichten mit einem geeigneten Ätzmittel wegzuätzen. Bei der Verwendung von Siliciumdioxid eignet sich hierfür als Ätzmittel gepufferte Flußsäure (ein Teil HF und 10 Teile Ammohiumchlorid). Bei Verwendung von Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid eignet sich als .Atzmittel 85%ige;r Phosphorsäure. Bei der Verwendung vnn Siliciumnitrid in Abwesenheit von Siliciumdioxid eignet sich schließlich auch Flußsäure.
In der Fig. 3 ist ein Teil eines integrierten Schaltkreises mit drei nebeneinanderliegenden Leitungszügen 20, 21 und 22 sowie mit einem Metallstreifen 23 gezeigt, durch den die--Leitungszüge 20 und 22 zwischen ihren Endkontakten 24 und 25 miteinander verbunden sind* Alle elektrischen Leiter und
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Kontakte sind gegen den Halbleiterkörper 33 isoliert. Die Endkontakte 24 und 25 sind so hergestellt, wie es im letzten Schritt des Arbeitsplans der Fig. 1 bzw, in Pig. 2 dargestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Pig. 3 ist außerdem die Metallschicht 23 durch eine dünne Isolierungsschicht vom Leiter 21 getrennt.
Als weitere Ausführungsform ist in Fig. 4 ein Kondensator gezeigt, der Teil.eines monolithischen, integrierten Schaltkreises sein kann. Er wird dadurch hergestellt, daß nach dem Aufbringen einer Isolierungsschicht 32 auf einem Siliciumkörper 33 auf der Isolierungsschicht eine Metallschicht 30 (z.B. Molybdän) niedergeschlagen wird,die einen für die Kontaktierung geeigneten seitlichen Vorsprung'31 aufweist und durch Anwnndung der entsprechenden, in den Pig. 1 und 2 dargestellten Verfahrenschritte in eine ansonsten rechteckige Form gebracht wird. Anschließend wird eine zweite Isolierungsschicht 34 mit der gewünschten Dielektrizitätskonstante aufgebracht und auf dieser eine zweite Metallschicht 35 (z.B. Molybdän) niedergeschlagen, die im wesentlichen die gleiche Porm und Größe wie die Metallschicht 30 erhält. Die Metallschicht 35 erhält außerdem fu "--3 Kontaktierung einen seitlichen Vorsprung 36, der nicht oberhalb des Vorsprungs 31 angeordnet wird (Pig. 4). Schließlich wird die Oberfläche dieses Bauelementes mit einer über der Metallschicht 35 liegenden dritten Isolierungsschicht versehen, durch die hindurch die Vorsprünge 31 bzw. 36 gemäß Fig. 1 und 2g mit je einem Kontakt 38 bzw. 37 versehen werden, so daß ein vollständig eingebetteter, leicht anschließbarer Kondensator als Teil eines integrierten Bauelements entsteht. Das Dielektrikum dieses Kondensators kann so gewählt werden, wie es für den Einzelfall erforderlich, ist. Ebenso kann die Dicke des Dielektrikums dem Einzelfall angepaßt werden.
Der Kondensator' nach Fig. 4 ist ein Beispiel für die vielen ve>schiedenen Bauelemente und Schaltkreise, die erfindungsgemäß hergestellt werden können. Durch Änderung der Größe, der
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Geometrie und der Zahl der miteinander verbundenen oder gegeneinander isolierten Leitungszüge sowie der elektrischen Eigenschaften der Isolierungsschiehten können beispielsweise auch Übertragungjsleitungen für Hochfrequenzzwecke hergestellt werden, durch die z.B. Informationen enthaltende Signale übertragen werden können. Drei derartige isolierte Leiter können eine Übertragungsleitung bilden, deren charakteristische Impedanz von der zwischen dem Innenleiter und den ggf. geerdeten Außenleitern liegenden Kapazität pro Einheitslänge und der Induktanz des mittleren Leiters pro Einheitslänge abhängt. .
In der Pig. 5 ist ein Arbeitsplan zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors gezeigt. Daneben zeigen die Pig. "6a - 6h Schnitte'durch den Halbleiterkörper des herzustellenden Feldeffekttransistors nach Abschluß des entsprechenden, aus der Mg. 5 hervorgehenden Verfahrensschrittes. · ·
Die Herstellung einer Vielzahl ähnlicher Feldeffekttransistoren auf einem einzigen Halbleiterkörper beginnt mit der Auswahl eines geeigneten monokristallinen Siliciumkörpers 30, der beispielsweise:einen Durchmesser von 25 mm (1 Zoll) und eine Dicke von 25,8 mm (1,04 Zoll) aufweist. Der Halbleiterkörper 30 wird zum Herstellen des erwünschten
• T 5 Leitungstyps beispielsweise mit etwa 10 ^ Phosphor- oder
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Boratomen/cm (N- oder P-Leitungstyp) dotiert. Anschließend wird auf dem Halbleiterkörper 30 eine Isolierungsschicht 31 gebildet. Wie im Beispiel nach Pig. 2 kann diese Isolierungsschicht aus Siliciumdioxid bestehen. Sie wird zweekmäßigerweiff durch thermisches Wachstum hergestellt, in dem'der Halbleiterkörper etwa eine Stunde lang in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre auf einer Temperatur von 1100 bis 1200 0C gehalten wird. Durch pyrolytische Reaktion zwischen Silanen, Ammoniak und Sauerstoff kann jedoch auf dem Siliciumkörper, der dazu auf etwa 110O0C erhitzt wird, auch eine etwa 1000 £ dicke Siliciumnitrid- oder Siliciumoxynitridschicht niedergeschla-
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gen werden. Schließlich kann eine beliebige Kombination der obigen Schichten, beispielsweise eine 1000 S. dicke Schicht aus thermisch gewaschsenem Siliciumdioxid in Verbindung mit einer 1000 A dicken Si^IT .-Schicht, verwendet werden.
Nach Ausbildung einer geeigneten Isolierungsschicht 31 wird diese mit einer dünnen Metallschicht 32 aus beispielsweise Molybdän oder Wolfram überzogen, wie es die Pig. 5c zeigt. Anstelle von Molybdän oder Wolfram können auch andere Metalle verwendet werden, die mit Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid bei Temperaturen zwischen etwa 1000 und 1500 0O nicht reagieren und durch die üblicherweise zum Herstellen von Mustern in diesen Materialien verwendeten Ätzmittel, die meistens Hydrofluorsäure enthalten, nicht angegriffen werden.
Zur Herstellung eines Feldeffekttransistors wird die Metall- · schicht 32 durch Verwendung photoresistiver Materialien und Ätzmittel in der oben beschriebenen Weise in die erwünschte Geometrie gebracht. Im vorliegenden Pail verbleibt von der Metallschicht 33 nur ein als Gate-Elektrode dienender Abschnitt, der'~ beispielsweise 50 Mikron breit sein kann. Fach dem Ausbilden der Gate-Elektrode wird die gesamte Oberfläche des Halbleiterbauelementes mit einer zweiten Isolierungsschicht 34 überzogen, die in der Pig. 6e dargestellt ist. Während der folgenden Verfahrensschritte zum Fertigstellen des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors wird die-zwischen den Isolierungs- und Passivierungsschichten 31 und 34 eingebettete Metallschicht nicht schädlich beeinflußt bzw. reagiert, das Metall mit den Isolierungsmaterialien nicht derart, daß deren Isolierungs- und Passivierungseigenschaften verschlechtert werden oder verloren gehen.
Der nächste Verfahrensschritt bei der Herstellung des Feldeffekttransistors besteht darin, in die Isolierungsschichten
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31 und 34 Fenster 36 und 37 zu ätzen, die zum Herstellen der Source und der Drain (Quelle unü Senke) des Feldeffekttransistors dienen. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, daß die gesamte Oberfläche der Isolierungsschicht 34 mit einem fotoresistiven Material überzogen und dieses dann mittels einer geeigneten Schablone-nur an den Stellen nicht belichtet wird, an denen die Source und die Drain ausgebildet werden sollen. Wie die Fig. 6 zeigt, ist" das Halbleiterbauelement nicht radialsymmetrisch sondern längssyaietriseh. Aus diesem Grunde sind die Fenster 36 und 37 nicht Ausschnitte von Ringzonen. Nachdem das fotoresistive Material entwickelt und im Bereich der Fenster 36 und 37 entfernt ist, werden die darunter befindlichen Teile der Oxid-, üfitrid- öder Oxynitridschichten weggeätzt, bis der Siliciumkörper freiliegt. Zum Entfernen des Siliciümdioxids oder des Siliciumoxynitrids kann die oben beschriebene, gepufferte HF-Lösung verwendet werden,, .während bei Vorhandensein einer Siliciumnitridschicht als Ätzmittel eine wässrige, 85 Gewichtsprozent H5PO4 enthaltende, auf etwa 1800G erwärmte Lösung oder konzentrierte HF geeignet sind. Nach dem Wegätzen der Isolierungsschichten 31 und 34 im Bereich der Fenster 36 und 37 besitzt das Halbleiterbauelement die in Fig. 6f dargestellte Form. Anschließend wird das Halbleiterbauelement in destilliertem Wasser gespült. Danach läßt man durch die Fenster 36 und 37 eine geeignete Verunreinigung in den Halbleiterkörper diffundieren, damit die oberflächennahen Zonen des Halbleiterkörpers 30 veränderte Leitfähigkeitseigenschaften erhalten. Wenn beispielsweise der Halbleiterkörper J) ursprünglich n-le it end ist, können nahe der Oberfläche zwei p-leitende Zonen 38 und 39 hergestellt werden, indem man durch die Fenster 36 und 37 in den Isolierungsschichten 31 und 34 Bor diffundieren läßt. Diea kann dadurch geschehen, daß über den auf eine Temperatur von 11000C gebrachten Halbleiterkörper eine kontinuierliche Gasströmung geleitet wird, so daß das Bor aus einer gasförmigen Atmosphäre eindiffundiert. Me Gasströmung enthält beispielsweise
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F2, eine Mischung von o,25 Volumenprozent BGl, in Stickstoff, Sauerstoff und Hp, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten für den Stickstoff I9OO cm?/Minute, für die Mischung 1800 cmVminute, für den Sauerstoff 1 cnr/Minute 1^d für den Wasserstoff o,5 cm /Min betragen. Die Gasströmung wird etwa eine halbe Stunde lang aufrechterhalten. Während dieser Zeitspanne diffundiert Bor in die oberflächennahen Bereiche des Siliciumkörpers, so daß kleine Zonen 38 und 39 entstehen. Durch eine etwa ti? Sekunden dauernde Ätzung wird dann das auf der Isolierungsschicht 34 gebildete Borglas entfernt. Anschließend wird das gesamte Halbleiterbauelement mit einer etwa 2000 £ dicken Schutzschicht 35 aus SiO2, S^^^a oder Siliciumoxynitrid überzogen.
Das_ Halbleiterbauelement wird anschließend ausreichend lange auf einer Temperatur von etwa 110O0C gehalten, damit das eindiffundierte Bor auch nach den Seiten diffundiert und sich die Zonen 38 und 39 schließlich bis unter den mittleren Abschnitt der Metallschicht 33, äie Gate-Elektrode erstrecken. Bei einem Halbleiterbauelement, bei dem sich der Rand der Zonen 38 und 39 0,0025 mm (0,0001 Zoll) über den Rand der Metallschicht 33 hinausersteckt, ist eine Erwärmungsdauer von etwa 4 Stünden ausreichend. Ein Überlappungsbereich von 0,005 mm (0,0002 Zoll) erfordert eine Erwärmungsdauer von etwa 16 Stunden, da die benötigte Zeitspanne mit dem Quadrat der Überlappungslänge wächst. Während dieses Verfahrensschrittes entstehen eine Source 40 und eine Drain 41 mit einer Tiefe von etwa 20 £.
Wenn gemäß einer .weiteren Ausführungsform der Halbleiter-, körper 30 p-leitend ist, dann können in ihm n-leitende Zonen 38 und 39 dadurch hergestellt werden, daß der Halbleiterkörper etwa eine halbe Stunde lang auf etwa 100O0O gehalten wird, und zwar in einem Reaktionsgefäß, das ^2^5 enthält, welches bei dieser Temperatur verdampft und mit dem Halbleiterkörper unter Bildung von Zonen 38 und 39 reagiert,
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-ιο
8 O 3 025
die stark mit Phosphor dotiert sind. 'Durch Reaktion mit dem Siliciumdioxid der IsOlierungssehicht '34 entsteht gleichzeitig eine Schicht aus phosphorreichem Glas. Dieses Glas kann mit Hilfe eines Ätzmittels zusammen mit dem überschüssigen PpO1- von der Oberfläche des Siliciumkörpers . entfernt werden. Als-Ätzmittel eignet sich eine Lösung aus 15 cnr5 konzentrierter HF, /10 cm-.konzentrierter MOj und 300 cm%p0· Die Behandlungszeit beträgt etwa 15 Sekunden, anschließend wird mit destilliertem Wasser gespült. Wie bei der Eindiffusion von Bor wird der Halbleiterkörper nach der Eindiffusion des Phosphors mit einer Is,οlierungsschicht 35 überzogen. Anschließend wird.der Halbleiterkörper in Gegen- wart einer indifferenten Atmosphäre wie Argon entweder 4 -oder 16 Stunden lang bei etwa 110O0C ausgeheizt, wobei sich Zonen 40 und 41 mit der oben angegebenen Geometrie bilden.
Nach dem Herstellen der oberflächennahen Zonen 40 und 41 im Halbleiterkörper 30 wird unter Verwendung fotoresistiver Materialien und.Ätzmittel ein bis zur Metallschicht verlaufendes Fenster geätzt, wobei als: Ätzmittel konzentrierte Hi* verwendet werden kann. Nach dem Ätzen ist durch ein Fenster 42 in den Isolierungsschichten, 34 und 35 ein Teil der Metallschicht 33 freigelegt. Ähnlich, werden durch die ... Isolierungsschicht 35 Fenster 43 und 44 geätzt, um einen Teil der Zonen 40 und 41 freizulegen. Anschließend kann die gesamte Oberfläche des Halbleiterbauelementes beispielsweise durch einen Aufdampfschritt metallisiert werden. Schließlich wird unter. Verwendung von Ätzmitteln, und aus fotoresistiven MaterialienbestehendeMasken auf der Metallschicht ein Muster ausgebildet,, so daß nach dem Entfernen der erwünschten Bereiche nur noch ein Kontakt 45 für die Source 40, einKontakt 46 für die Gate-Elektrode 33 und ein Kontakt 47 für die Drain v41 verbleibt. . .
Beim Betrieb des beschriebenen Snhancement-Mode~3?eldeffekttransistors erfolgt der Stromrferansport zwischen den Zonen
3098 367 07
' ΨΜ ι«11»
40 und 41 nur durch, einen schmalen, P- oder K-leitenden Kanal, der durch Anlegen eines Potentials geeigneter Polarität an die Gate-Elektrode 33 gebildet wird. Aus praktischen Erwägungen ist es erwünscht, daß der Kanal zwischen Source und Drain möglichst kurz, dafür aber relativ breit ist. Die Gate-Elektrcd< ist daher etwas breiter, als es der länge des Kanals entsprich und etwas langer, als es der Breite des Kanals entspricht. Aufgrund dieser Tatsachen werden zum Herstellen von Kontakten normalerweise "landing pads", d.h. an die aktiven Bereiche der Gateelektrode angrenzende Zonen mit vergrößerten Dimensinnen vorgesehen.In der nur schematischen Fig. 6 sind diese Kontakte nicht sichtbar.
Anhand der Pig. 5 und 6 sind Enhancement-Mode-Feldeffekttransistoren beschrieben, bei denen der Kanal zwischen Source und Drain durch Anlegen eines Potentials an die Gate-Elektrode geschaffen wird. Depletion-Mode-Feldeffekttransistoren, bei denen ein bestehender Kanal durch Verarmung der in ihm befindlichen Ladungsträger moduliert wird, kann ebenfalls erfindungsgemäß hergestellt werden. Hierbei ist es nicht notwendig, daß Source und Drain bis unter die Gate-Elektrode ausgedehnt sind.
Zusammengefaßt wird anhand einiger Ausführungsbeispiele die Herstellung verschieden ausgebildeter Metallschichten aus gegenüber Ätzung widerstandsfähigen, nicht reagierenden Metallen wie Molybdän oder Wolfram beschrieben, die in Oxid-, Nitrid- oder Oxynitridschichten an Siliciumhalbleiterbauelementen eingebettet sind. Hierdurch können beispielsweise die Herstellungsverfahren für integrierte Schaltkreise oder integrierte Halbleiterbauelemente wesentlich vereinfacht werden. Die beschriebenen Kontakte sind während des Fabrikationsprozesses jederzeit leicht zugänglich. Besonders vorteilhaft ist es, daß die Metallschichten in den integrierten Bauelementen schon vor der Fertigstellung der aktiven Elemente untergebracht werden können und erst am Ende des Fabrikationsprozesses kontaktiert oder miteinander verbunden werden brauchen.
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Claims (9)

— I Ο—- " - Patentansprüche
1. Elektrisches Bauelement, bestehend aus einem Halbleiterkörper, dessen eine Breitseite mit einer Isolierungsschicht, überzogen ist, dadurch gekennzeiohn et, daß auf der Oberfläche der Isolierungsschicht (11) in einem vorgewählten Muster eine Metallschicht (12) und auf der · Metallschicht und den freien Oberflächenbereichen der ersten Isolierungsschicht' (11) eine zweite Isolierungs&eM.ciit( 13) aufgebracht ist und daß elektrische Kontakte (1.6). durch die zweite Isolierungsschicht (13) hindurch mit der Metallschicht (12) in Berührung sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Siliciumkörpers die Metallschicht (12) aus Molybdän oder Wolfram und die Isolierungsschichten.(11, 13) aus Siliciumdioxid t Siliciumnitrid und/oder Siliciumoxynitrid bestehen.
3.' Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge~ kennzeichnet, daß die beiden Isolierungsschichten (11, 13) aus dem gleichen Material bestehen.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r ch gekennzeichnet, daß in einer aus Isolierungsschichten (34) bestehenden Matrix zwei elektrisch, ironeinander isolierte Metallschichten (30, 35) eingebettet sind.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennz e i chnet, daß die beiden Metallschichten (30, 3.5) zur Herstellung eines elektrischen Kondensators durch ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante voneinander isoliert sind. · ' . '
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6. Bauelement nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e η nz e lehne t, daß die Metallschichten (20, 21, 22) durch ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante voneinander isoliert sind und daß die Metallschichten und das dielektrisch Material derart zueinander angeordnet sind, daß sie eine elektrische "Übertragungsleitung bilden.
/7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g ekennz e i c hne t, daß in einen mit einer Isolierung schicht (31) überdeckten Halbleiterkörper (30) vom einen Leitungstyp eine Anzahl von an die Oberfläche grenzenden Zonen (-4-0, 41) vom entgegengesetzten Iieitungstyp eingelassen sind und daß zwischen diesen Zonen auf der Oberfläche der Isolierungsschicht (31) eine von einer weiteren Isolierungsschicht (34) überdeckte Metallschicht (33) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Bauelementes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7» da durch g ek. e η ηζ ei c h η et, daß auf der einen Breitseite des Halbleiterkörpers eine Isolierungsschicht und auf dieser eine Metallschicht aus einem mit der Isolierungsschicht bei den Fabrikationstemperaturen nicht reagierenden Metall aufgebracht wird, daß ferner die Metallschicht durch fotochemische Kopier- und Ätzverfahren an vorgewählten Stellen-beseitigt wird, daß ferner die verbleibende Metallschicht sowie die freigelegten Oberflächenbereiche der ersten Isolierungsschichir bzw. des Halbleiterkörpers mit einer zweiten Isolierungsschicht bedeckt werden und daß nach dem Maskieren der zweiten Isolierungsschicht und einem fotochemischen Kopier- und Ätzschritt zum Freilegen eines kleinen Bereichs der Metallschicht die Metallschicht in diesem B.ereich mit einem elektrischen Kontakt versehen wird.
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9. Verfahren nach Anspruch 8,dadurch gekennze ichnet, daß nach dem Aufbringen der zweiten Isolierungsschicht und vor dem Anbringen der Kontakte in· dem Halbleiterkörper durch Diffusion, Legierung oder dergleichen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgebildet werden.
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