DE1952578A1

DE1952578A1 - Verfahren zur Herstellung metallischer Kontakte auf Halbleiterkoerpern

Info

Publication number: DE1952578A1
Application number: DE19691952578
Authority: DE
Inventors: Logan Clair Eugene; Cox Theodore Roger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-10-31
Filing date: 1969-10-18
Publication date: 1970-05-06
Also published as: IE33566L; GB1267828A; FR2022335B1; BE740973A; FR2022335A1; IE33566B1; US3567508A; SE343176B

Description

DIPL-PHYS. F. ENDLICH βο34 unterpfaffenhofen 14. Oktober 1969

PATENTANWALT blumenstrasse_S E/Ebh/ax

TELEFON: (MÜNCHEN) 84 36 38

I CS O L· O /0 TELEGRAMMADRESSE:

PATENDLICH MÜNCHEN CABLE ADDRESS; PATENDLICH MUNICH

Meine Akte: G-2461

Anmelder: General Electric Company, Schenectady, New York, N.Y. USA

Verfahren zur Herstellung metallischer Kontakte auf Halbleiterkörpern

Die Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung metallischer Kontakte auf Halbleiterkörpern.

Bei den meisten Arten von Halbleitervorrichtungen ist es wichtig, elektrische Kontakte anzubringen, die dauerhaft, mechanisch robust und von geringem elektrischem Widerstand sind. Zur Herstellung dieser Anschlußverbindungen werden bekanntermaßen Metalle und Kombinationen von Metallen verwendet, beispielsweise Aluminium, Gold, Silber, Titan usw. Bei Verwendung dieser Metalle sind jedoch gewöhnlich hohe Temperaturen notwendig, die in manchen Fällen die angrenzenden pn-Übergänge oder andere Eigenschaften des Halbleiterkörpers ungünstig beeinflussen. In vielen Fällen ist es ferner notwendig, daß der Metallkontakt auf einen bestimmten, genau liegenden, kleinen Bereich begrenzt ist, der Abmessungen in der Größenordnung von etwa 0,025 mm (0,0001 inch) besitzt. Zur Erfüllung dieser Forderung werden oft Lichtdruck-Verfahren verwendet, bei denen jedoch infolge der oben erwähnten hohen Temperaturen die Schwierigkeiten beim Anbringen der Metallbereiche der Kontakte nur an den gewünschten Stellen anwachsen. Ferner steigen die Schwierigkeiten beim Entfernen von überflüssigem Kontaktmetall von Stellen, wo es nicht erwünscht ist. Daher ist lange nach einem Verfahren zur Ausbildung von Kontakten gesucht worden, das die obigen Forderungen besser erfüllt, ohne daß dabei die angrenzenden pn-Übergänge oder andere elektrische Eigenschaften der fertigen Vorrichtungen ungünstig beeinflußt werden.

Bei einem bekannten Verfahren wird auf der gesamten Oberfläche einer vorher auf einen Halbleiterkörper aufgebrachten Isolierschicht ein geeigneter Fotolack aufgebracht. Der Fotolack wird darauf mit einem gewünschten Muster belichtet und entwickelt, um die gewünschten Bereiche der Isolierschicht aufzudecken. Unter Verwendung eines geeigneten

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Ätzmittels, beispielsweise einer verdünnten Lösung von Fluorwasserstoffsäure in entionisiertem Wasser, werden dann die Kontaktöffnungen in die Isolierschicht geätzt. Nachdem der Fotolack entfernt ist, wird ein Kontaktmetall, wie beispielsweise Aluminium, auf die verbleibende Oberfläche der Isolierschicht sowie die Teile der Oberfläche des Halbleiterkörpers, die durch die Kontaktöffnungen frei liegen, aufgebracht. Nach der Ablagerung des Kontaktmetalls wird eine zweite Fotolackschicht über die gesamte Oberfläche des Kontaktmaterials aufgebracht. Die zweite Fotolackschicht wird darauf auf geeignete Weise belichtet und entwickeltem dieselbe mit Ausnahme des Teiles zu entfernen, der das in den Kontaktöffnungen abgelagerte Kontaktmetall abdeckt. Darauf wird der Halbleiterkörper in ein geeignetes Ätzmittel für das Kontaktmetall eingebracht, um das freiliegende Kontaktmetall zu entfernen. Beispielsweise kann Aluminium in einer Lösung von 25 % Natriumhydroxyd und 75% entionisiertem Wasser geätzt werden. Der Rest des Fotolacks wird enfernt und der Metallkontakt wird darauf im allgemeinen in einem Ofen-gesintert oder legiert, so daß sich ein nichtgleichrichtender Kontakt mit vernachlässigbar kleinem Widerstand ausbildet.

Dieses bekannte Verfahren we-ist bei der Anwendung zur Ausbildung von Kontakten folgende Nachteile auf: Erstens erfordert dieses Verfahren eine große Anzahl kostspieliger Verfahrensschritte. Zweitens ist der zur Entfernung des freiliegenden Kontaktmetalls notwendige Ätzvorgang sehr schwer zu steuern, da das Ätzmittel das Kontaktmetall sehr schnell angreift und damit zu einer schlechten Abgrenzung der Kontaktöffnung führen sowie die Isolierschicht angreifen kann, wodurch die Zuverlässigkeit der Anordnung verschlechtert wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ausbildung metallischer elektrischer Kontakte an Halbleiterkörpern zu schaffen, bei dem die oben aufgeführten Nachteile vermieden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung von elektrischen, metallischen Kontakten auf Halbleiterkörpern mit einem Isolierüberzug, der wenigstens mit einer Öffnung zur Anbringung des Kontaktes versehen ist, die einen Teil der oberen Oberfläche des Körpers freigibt und bei dem der Isolierüberzug selbst mit einer selektiv gemusterten Maske aus einem durch Wärmeeinwirkung entfernbaren Material wie beispielsweise einer Schicht aus einem organischen Fotolack abgedeckt ist, zeichnet sich dadurch aus, daß eine Metallschicht aus der Dampfphase in einem Vakuum von etwa 1,0 χ 10 Torr auf der

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ORIGINAL INSPECTED

Oberflbche der Fotolackschicht und der Oberfläche des durch die Öffnung freiliegenden Körpers aufgebracht wird, während das Halbleitermaterial und der Fotolack bei einer Temperatur gehalten werden, die leicht unterhalb der Temperatur liegt, bei der der Fotolack zu verkohlen beginnt. Nach der Ablagerung des Metalls wird durch einmaliges Heizen das Foto lack material zusammen mit dem Teil der Metallschicht entfernt, die über dem Fotolack liegt. In diesem Arbeitsgang werden der Fotolack und das Halbleitermaterial auf eine Temperatur im Bereich zwischen 400 und 570 C geheizt. Bei dieser Aufheizung wird ferner der nicht entfernte Teil der Metallschicht auf den Halbleiterkörper gesintert, wodurch sich eine nicht gleichriphtende elektrische Verbindung von erhöhter mechanischer Festigkeit · ergibt.

Anhand der in der beigefugten Zeichnung dargestellten beispielsweisen Ausführungsform wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer npn-Transistortablette, an der das erfindungsgemtiße Verfahren ausführbar ist;

Fig. 2 einen Querschnitt der npn-Transistortablette aus Fig. 1 in einem Zwischenstadium während des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 3 einen Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten npn-Transistortablette·nach der Beendigung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist eine Halbleiteranordnung 1 gezeigt, an der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll. Diese Halbleiteranordnung ist als npn-Planartransistor dargestellt, das Halbleitersubstrat besteht aus η-leitendem Silizium. Die als npn-Transistor dargestellte Halbleiteranordnung 1 umfaßt einen Emitterbereich 4, einen Basisbereich 5 und einen Kollektorbereich 6. Die freiliegenden oberen Oberflächen des Siliziums werden als Kontaktflächen 10 bezeichnet. Die zwei inneren Übergänge, d.h. der Emitter-%flasisübergang Π und der Kollektor-Basis-Ubergang 12 sind mit einer Isolierschicht 3 abgedeckt, die beispielsweise aus Siliziumoxyd bestehen kann. Die Verfahren zur Ausbildung der obigen Teile der Halbleiteranordnung 1 sind bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Eine Schicht aus durch Wärmeeinwirkung entfernbarem Maskenmaterial, beispielsweise eine Fotolackschicht 2, deckt die obere Oberfläche der Isolierschicht 3 vollständig ab.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines beispielsweisen Kontaktaufbaus 20, der während der anfänglichen Verfahrensschritte einer Ausführungsform der Erfindung gewonnen

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wird. Dieser Kontakt wird auf dem in Fig. 1 gezeigten Halbleiterkörper folgendermaßen gebildet. Eine erste Schicht 7 aus einem aktiven Metall, d.h. einem Metall, das hervorragende Hafteigenschaften auf dem Halbleiterkörper aufweist, wird auf der oberen Oberfläche der Fotolackschicht 2 und den Kontaktflächen 10 aufgebracht. Das aktive Metall der ersten Schicht 7 kann beispielsweise aus einem Metall aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Niob, Zirkon, Palladium, Tantal und einer intermetallischen Verbindung derselben bestehen. Eine zweite Schicht 8 aus einem Kontaktmetall, d.h. einem Metall, das sich mit den äußeren Leitern oder Anschlüssen sehr gut verlöten bzw. verschmelzen läßt und sich mit diesen sehr gut verbindet, wird darauf über der ersten Schicht 7 aufgebracht. Das Kontaktmetall kann beispielsweise aus einem Metall aus der Gruppe ^ bestehend aus Aluminium, Silber, Gold, Platin und intermetallischen Verbindungen derselben bestehen. Es sei angemerkt, daß erfindungsgemäß entweder die erste Schicht 7 aus aktivem Metall oder die zweite Schicht 8 aus Kontaktmetall getrennt aufgebracht werden kann.

Im folgenden soll nunmehr im einzelnen ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung der in Fig. 2 gezeigten Metallschichten 7 und 8 in den Öffnungen 30 beschrieben werden. Vor der Aufbringung des Kontaktes auf die Oberfläche der Fotolackschicht 2 und die Kontaktflächen 10 sollten zweckmäßigerweise zunächst die Flächen gereinigt und verhältnismäßig frei von Oxyden gehalten werden. Dies ist wichtig, um eine gute Haftung des Kontaktes am Silizium sicherzustellen. Der erste Arbeitsschritt bei der Reinigung der Kontaktflächen 10 besteht darin, daß die Halbleiteranordnung 1 in geeigneten Lösungsmitteln, beispielsweise in Lösungen von Trichloräthylen und Methanol entfettet wird. Darauf wird in entionisiertem Wasser gespült und in einer Stickstoff atmosphäre getrocknet. Darauf wird das unerwünschte Siliziumoxyd auf den Kontaktflächen 10 entfernt, beispielsweise mit Hilfe eines Ätzmittels aus Fluorwasserstoffsäure. Der Vorteil dieser Reinigung der Kontaktflächen 10 gegenüber bekannten Verfahren besteht darin, daß die Fotolacks^hicht nach der Reinigung nicht entfernt zu werden braucht, wie es in dem vorher beschriebenen Ätzverfahren notwendig ist. Die Möglichkeiten zur nochmaligen Ocydation der Kontaktflächen 10 werden vermindert, da die Verfahrensschritte zur Entfernung des Fotolacks ausgeschaltet werden, bei denen die freiliegenden Siliziumflächen der Öffnungen zusätzliche Zeit zur Oxydation haben.

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Darauf werden auf den Oberflächen der Fotolackschicht 2 und in den Kontaktöffnungen 30 die verschiedenen Metallschichten aufgebracht, die den metallischen Kontaktaufbau 20 bilden. Es kann ein beliebiges geeignetes Verfahren zur Vakuumabscheidung angewendet werden, bei dem ein Vakuum von wenigstens 1,0 χ 10 Torr aufrechterhalten wird. Beispielsweise kann nach der Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Halbleiteranordnung 1 dieselbe in eine Vakuumkammer eingebracht und ein Vakuum von etwa 1,0 χ 10 Torr aufrechterhalten werden. Es ist festgestellt worden, daß die Höhe des Vakuums sich insofern gUnstig auswirkt, als sie zur Verringerung der Verunreinigung der Isolierschicht 3 beiträgt, die infolge der Gegenwart der Fotolackschicht 2 häufig auftritt und die Haftung der Fotolackschicht 2 an der Isolierschicht 3 vermindert. Darauf werden unter Anwendung einer geeigneten Ablagerungseinrichtung, wie beispielsweise einer Einrichtung zur Ablagerung mittels eines Heizdrahtes, eine aktive Metallschicht 7 aus Titan und eine Kontaktmetallschicht 8 aus Aluminium auf die Oberfläche der Fotolackschicht 2 und die Öffnungen 30 aufgebracht. Andere geeignete Einrichtungen zur Ablagerung umfassen Einrichtungen zur Ablagerung durch Zerstäubung und durch einen Elektronenstrahl.

Um unerwünschtes Metall (d.h. Teile der Schichten 7 und 8) auf der oberen Fläche der Fotolackschicht 2 zu entfernen, muß begonnen werden, die Fotolackschicht 2 von der Isolierschicht 3 zu lösen. Es ist festgestellt worden, daß dies geschieht, wenn die Halbleiteranordnung 1 und die Fotolackschicht 3 aufgeheizt werden. Es ist jedoch festgestellt worden, daß bei Temperaturen, die höher sind, als diejenige , bei der der Fotolack zu verkohlen beginnt, bestimmte Bestandteile der Fotolackschicht 2 in die Isolierschicht 3 eindringen oder sie auf andere Weise verschmutzen. Dieses Ergebnis ist überaus unerwünscht, da derartige Bestandteile, insbesondere wenn sie Natrium, Kalium oder andere Elemente enthalten, die bewegliche Ionen erzeugen, was bei den gegenwärtig handelsüblichen Fotolacken der Fall ist, eine schlechte elektrische Stabilität in der Arbeitsweise der fertigen Vorrichtung bewirken. Diese Verunreinigungen können ebenfalls die Kontaktschichten 7 und 8 selbst vergiften, wodurch die Vorrichtung ungünstig beeinflußt wird. Daher werden während der Aufbringung der ersten Schicht 7 und der zweiten Schicht 8 die Halbleiteranordnung 1 und die Fotolackschicht 2 bei einer vorherbestimmten, erhöhten Temperatur gehalten, die die Lösung der Fotolackschicht 2 fördert, die jedoch unterhalb der Temperatur liegt, bei der eine wesentliche Verunreinigung der Isolierschicht 3 durch die Fotolackschicht 2 auftritt, und die unterhalb der Temperatur liegt, bei der

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die Fotolackschicht 2 zu verkohlen beginnt. Bei Verwendung von organischen Fotolacken liegt die vorherbestimmte Temperatur zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 150 und 210°C.

Sind die Titan- und Aluminiumschichten 7 und 8 aufgebracht, so wird die Halbleiteranordnung 1, beispielsweise in einem Ofen mit Stickstoff als Hüllgas etwa 30 Minuten lang auf eine Temperatur im Bereich von 400 bis 570 C geheizt. Diese Heizung bewirkt die Lösung und Entfernung durch Zersetzung im wesentlichen der gesamten Fotolackschicht 2 und des Teilsder ersten und zweiten Schichten 7 und 8 auf der Fotolackschicht 2. Bei weiterer Heizung sintern die beiden Schichten 7 und 8 auf die Halbleiteranordnung 1 auf, so daß sich gut haftende, nichtgleichrichtende Kontakte mit den Kontaktflächen 10 ausbilden. GewUnschtenfalls kann die Oberfläche der Isolierschicht 3 einer zusätzlichen Reinigungsbehandlung unterzogen werden, beispielsweise indem sie in ein durch Ultraschall bewegtes Bad aus entionisiertem Wasser eingetaucht wird.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer fertigen Ausführungsform eines erfindungsgemäß hergestellten Kontaktaufbaus 20. Die gesamte in Fig. 2 gezeigte Fotolackschicht 2 ist zusammen mit unerwünschten Schichten auf der oberen Fläche derselben, (d.h. Teilen der Schichten 7 und 8) von dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau entfernt worden. Die Schichten 7 und 8 sind auf die Kontaktöffnungen 30 beschränkt.

0 0 9 8 19/1679 Pa.entansj.Uch.e

Claims

-7- 15. Oktober 1969 E/Ebh/αχ

Meine Akte: G-2461

Patentansprüche

/ 1/. Verfahren zur Herstellung von metallischen Kontakten·auf Halbleiterkörpern mit einer an ihre obere Oberfläche angrenzenden Isolierschicht, die wenigstens mit einer Kontakt-Anbringungsöffnung versehen sind, die einen Teil der oberen Oberfläche des Körpers freigibt, wobei die Isolierschicht mit einer Maske aus durch Wärmeeinwirkung entfernbarem Material verbunden ist, das bei seiner Aufheizung über seine Verkohlungstemperatur die Isolierschicht verunreinigen oder in diese eindringen kann, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vakuum von etwa 1,0 χ 10 Torr durch Vakuumablagerung wenigstens eine Schicht aus metallischem Material über die Oberfläche der durch Wärmeeinwirkung entfernbaren Maske und der durch die Öffnung freiliegenden Oberfläche des Körpers aufgebracht wird, während der Halbleiterkörper und die daraufliegende Maske aus durch Wärmeeinwirkung.entfernbarem Material auf einer Temperatur gehalten werden, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Maske zu verkohlen beginnt, so daß verhindert wird, daß das durch Wärmeeinwirkung entfernbare Material in die Isolierschicht eindringt, daß die durch Wärmeeinwirkung entfernbare Maske auf eine ausreichende Temperatur im Bereich zwischen 400 und 570 C aufgeheizt wird, um das durch Wärmeeinwirkung entfernbare Material und den darauf liegenden Teil der metallischen Schicht zu lösen, und daß die Heizung fortgesetzt wird, um die Schicht aus metallischem Material auf den Körper zu sintern und darauf innerhalb der Öffnung einen nichtgleichrichtenden Kontakt auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte Temperatur im Bereich zwischen 150 und 210 C liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem letztgenannten Heiz-Arbeitsgang der Körper in ein durch Ultraschall bewegtes Bad gelegt wird, um Restteile des Fotolacks und der den Fotolack abdeckenden Metallschicht zu entfernen.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergeherden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht ein aktives Metall aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Palladium, Tantal und intermetallischen Verbindungen derselben enthält.

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5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kenn· zeichnet, daß die Metal !schicht ein Kontaktmetal I aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Gold, Silber, Platin und intermetallischen Verbindungen derselben enthält.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Wärmeeinwirkung entfernbare Material aus einem organischen Fotolack besteht.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Wärmeeinwirkung entfernbare Material aus dem Fotolack KMER der Firma Eastman Kodak besteht.

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