DE19542943C2 - Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen Bauteils mit einer mehrlagigen Komposit-Struktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mi­ kroelektronischen Bauteils mit einer mehrlagigen Komposit- Struktur.

Die WO 93/01617 A1 offenbart eine Komposit-Struktur für ein mi­ kroelektronisches Halbleiter-Bauteil, das eine elektrische Iso­ lierschicht aus Diamant und eine Isolierschicht aus einem Oxid aufweist, wobei die Oxid-Isolierschicht haftend auf der struktu­ rierten Oberfläche eines Wachstumssubstrats aus Silizium abge­ schieden ist. Auf der diamantenen Isolierschicht ist eine halb­ leitende Funktionalschicht aus polykristallinem Silizium ange­ ordnet. Die gesamte Komposit-Struktur ist in allgemein bekannter Weise zur Ausbildung eines mikroelektronischen Bauteils vorgese­ hen. Die diamantene Isolierschicht weist u. a. den Vorteil auf, daß sie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wodurch über sie die beim Betrieb des Halbleiter-Bauteils entstehende, dissipati­ ve Wärme abgeführt werden kann. Durch diese Maßnahme können Lei­ stungs-Bauteile (Power-Devices), d. h. solche zur Umsetzung hoher Leistungen, hergestellt werden.

Die Abscheidung der Isolierschicht bedingt jedoch immer eine Be­ lastung der darunterliegenden Schichten, u. a. in thermischer und/oder in mechanischer Hinsicht. Des weiteren ist eine derar­ tige Komposit-Struktur wegen der Schwierigkeiten bei der Struk­ turierung der Diamantschicht nur unzureichend zur Kombination von Logik- und Leistungs-Bauteilen auf einem Träger (Chip) ge­ eignet. Des weiteren ist durch die Notwendigkeit dicker Schich­ ten auch die Herstellung von vertikal aufgebauten Bauteilen zu­ mindest erschwert.

Aus der JP 60-128 625 A ist ein Bauteil bekannt, das u. a. eine selbsttragende Metallplatte aufweist. Auf der Metallplatte ist unmittelbar eine Isolierschicht aus Diamant oder aus diamantähn­ lichem Kohlenstoff angeordnet, auf welcher sich eine Funktional­ schicht befindet. Die zwischenschichtartige Isolierschicht weist mit der Metallplatte und der Funktionalschicht einen direkten und haftenden Kontakt auf.

Aus der EP 421 397 A1 ist eine Komposit-Struktur für mikroelek­ tronische Bauteile bekannt, welche eine Metallschicht aufweist. Auf der Metallschicht ist eine Isolierschicht aus polykristalli­ nem Diamant und/oder polykristallinem diamantähnlichem Kohlen­ stoff angeordnet. Auf der Isolierschicht wiederum befindet sich eine Halbleiterschicht, die aus der Gasphase abgeschieden wurde und die zur Ausbildung des Bauteils vorgesehen ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfin­ dung, das entsprechende Herstellungsverfahren dahingehend wei­ terzuentwickeln, daß die obigen Nachteile beseitigt und die Her­ stellung von entsprechenden Bauteilen erleichtert sind.

Die Aufgabe wird bei einem zugrundegelegten Verfahren zur Her­ stellung der Komposit-Struktur mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Durch das weitgehende Aufwachsen der Iso­ lierschicht auf einer insbesondere aus CuMo oder Mo oder Al ge­ bildeten Metallplatte erfolgt weitgehend nur eine Belastung der als Keim für eine Funktionalschicht dienenden Informations­ schicht und allenfalls eine geringfügige Belastung der Metall­ platte.

Die Aufbringung der Informationsschicht auf die Metallplatte kann prinzipiell vor, während oder auch nach der Anordnung der Isolierschicht erfolgen, wobei ggf. eine der Schichten nach de­ ren Abscheidung bereichsweise wieder entfernt werden muß. Aus verfahrenstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, die Informati­ onsschicht vor der Anordnung der Isolierschicht vorzunehmen, da hierbei die Herstellung vereinfacht ist. Da die Bauteilwurzeln der elektronischen Bauelemente zumindest weitgehend oberhalb der informationsschichtfreien Bereiche der Isolationsschicht ange­ ordnet werden, hat dies keinen oder einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Qualität der jeweiligen Bauteile.

Die zur Epitaxie der Funktionalschicht benötigten Kristallinfor­ mationen werden der Informationsschicht entnommen bzw. gelangen von dieser in die Funktionalschicht. Durch diese Maßnahme weist eine derartige Komposit-Struktur eine Strukturierung zur Her­ stellung der Bauteile auf, die zur Kombination von Logik- und Leistungs-Bauteilen auf einem gemeinsamen Träger, im vorliegen­ den Fall also zumindest bereichsweise auf der Metallplatte, ge­ eignet ist. Hierbei ist es insbesondere günstig, daß die Kompo­ sit-Struktur durch die Metallplatte eine gute Wärmeabfuhr auf­ weist. Des weiteren weist die Komposit-Struktur auch eine hohe mechanische Stabilität auf.

Ferner ist es durch die Verwendung einer Informationsschicht für die Epitaxie auch möglich, die Funktionalschicht und ggf. auch die anderen Schichten mit einer geringen Schichtdicke anzuord­ nen, so daß die Komposit-Struktur auch für die Realisierung von vertikal, also insbesondere mit flächig übereinander angeordne­ ten Schichten aufgebauten Bauteilen in einfacher Weise geeignet ist.

Des weiteren weist eine derartige Komposit-Struktur bzw. ein derartiges mikroelektronisches Bauteil eine hohe mechanische Stabilität auf, da die selbsttragende und wärmeabführende Me­ tallplatte u. a. gleichzeitig mechanisch stabilisierend wirkt.

Als weiterer Vorteil ist zu sehen, daß die Isolierschicht ohne Rücksichtnahme auf andere Schichten frei strukturiert werden kann, also mit einer beliebigen Topologie versehen werden kann.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles erläu­ tert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäß hergestellten Komposit-Struktur mit einem möglichen Be­ reich zur Anordnung einer Bauteilwurzel eines mikroelek­ tronischen Bauteils,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Komposit-Struktur nach Fig. 1,

Fig. 3 eine selbsttragende Metallplatte mit darauf angeordneter Informationsschicht,

Fig. 4 eine Struktur nach Fig. 4 mit darauf angeordneter Iso­ lierschicht,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Komposit-Struktur gemäß Fig. 1 entlang der Linie V-V, wobei dieser Schnitt einer Struk­ tur nach Fig. 4 mit darauf angeordneter Funktional­ schicht entspricht,

Fig. 6 eine Aufsicht auf unterschiedlich angeordneten Informati­ onsschichten einer weiteren Komposit-Struktur und

Fig. 7 nochmals eine Aufsicht auf eine weitere Komposit-Struktur mit nochmals andersartig angeordneten Informations­ schichten.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß hergestellte Komposit- Struktur dargestellt, die zur späteren Applikation von mikro­ elektronischen Bauteilen, wie Dioden, Transistoren (Bipolar, Feldeffekt usw.), Verstärkern und dgl. vorgesehen ist. Die Kom­ posit-Struktur weist eine selbsttragende Metallplatte 1, eine unmittelbar darauf festhaftend angeordnete und elektrisch iso­ lierende Isolierschicht 2 und eine auf der gut wärmeleitenden Isolierschicht 2 unmittelbar festhaftend angeordneten Funktio­ nalschicht 3 auf. An einem Eck der Metallplatte 1 ist eine In­ formationsschicht 4 angeordnet. Die aus weitgehend monokristal­ linem Silizium gefertigte Informationsschicht 4 ist bereichswei­ se von der Isolierschicht 2 und vollständig von der Funktional­ schicht 3 bedeckt. Unter Zuhilfenahme der Funktionalschicht 3 wird nachfolgend ein mikroelektronisches Bauteil hergestellt. Hierbei ist die Bauteilwurzel 5 - also der Bereich des zu appli­ zierenden bzw. des bereits applizierten Bauteiles, der der Funk­ tionalschicht 3 zugewandt ist, in dem Bereich der als Halblei­ terschicht ausgebildeten Funktionalschicht 3 angeordnet, der oberhalb der Metallplatte 1 ohne Informationsschicht 4 liegt. Dies ist daher sinnvoll, da dann die im Betrieb des Bauteils entstehende dissipative Wärme über die aus polykristallinem Dia­ mant und/oder polykristallinem diamantähnlichem Material gefer­ tigte elektrische Isolierschicht 2 direkt aus der Funktional­ schicht 3 in die Metallplatte 1 abfließen kann.

In Fig. 2 ist die Aufsicht auf die Komposit-Struktur nach Fig. 1 dargestellt, wobei die einzelnen Oberflächen der jeweiligen Schichten, die ja teilweise vollständig von der Funktional­ schicht 3 bedeckt sind, durch unterschiedliche Stricharten her­ vorgehoben sind, und zwar die Funktionalschicht 3 mit einem durchgezogenen Linienzug, die diamantene Isolierschicht 2 mit einem punktierten Linienzug, die Informationsschicht 4 aus mono­ kristallinem Silizium mit einem gestrichelten Linienzug und die Bauteilwurzel 5 ebenfalls mit einem gestrichelten Linienzug. Aus dieser Darstellung wird insbesondere deutlich, daß die Informa­ tionsschicht 4 teilweise von der Isolierschicht 2 bedeckt ist, daß die Funktionalschicht 3 die Isolierschicht 2 und die Infor­ mationsschicht 4 vollständig bedeckt und daß die Bauteilwurzel 5 im Bereich außerhalb der Informationsschicht 4 angeordnet ist.

Die Herstellung einer Komposit-Struktur nach Fig. 1 wird im folgenden anhand der Fig. 3, 4 und 5 beschrieben. Die jewei­ ligen Figuren zeigen die Komposit-Struktur nach jeweils einem der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, wobei die Komposit- Struktur entlang der Linie V-V geschnitten ist. Die Linie V-V entspricht etwa einer Diagonalen der viereckigen Metallplatte 1.

Um unnötige Wiederholungen an sich bekannter Verfahrensschritte bei der Epitaxie von Halbleitern und auch der elektrolytischen Abscheidung zu vermeiden, wird bei der Beschreibung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens auf die hinlänglich bekannten Verfah­ rensschritte wie Polieren, Reinigen der jeweiligen freien Ober­ flächen usw. verzichtet, da diese dem einschlägigen Fachmann aus der Literatur bekannt bzw. dieser entnehmbar sind.

Fig. 3 zeigt die selbsttragende Metallplatte 1, auf die im Be­ reich einer Ecke der Metallplatte 1 die Informationsschicht 4 aufgeklebt und/oder gebondet ist.

Fig. 4 zeigt die gemäß Fig. 3 mit der Informationsschicht 4 versehene Metallplatte 1, auf die in an sich bekannter Weise ei­ ne polykristalline Diamantschicht als Isolierschicht 2 mittels Plasma-CVD abgeschieden ist. Die Isolierschicht 2 wird hierbei durch die aus der Halbleiterherstellung bekannte Maskentechnik nur teilweise die Informationsschicht 4 bedeckend abgeschieden.

Alternativ hierzu kann die Isolierschicht 2 zuerst die gesamte freie Oberfläche bedeckend abgeschieden werden. Anschließend wird die Informationsschicht 4 dann durch eine aus der Halblei­ terherstellung bekannte selektive Ätzung zumindest bereichsweise wieder freigelegt. Auf die hierzu zu verwendenden Materialien und Substanzen wird auf die einschlägige Literatur hingewiesen.

Nach einer weiteren aufwendigeren Alternative kann, im Gegensatz zu den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Verfahrensschritten, auch zuerst die Isolierschicht 2 auf der Metallplatte 1 vollflä­ chig abgeschieden und diese anschließend teilweise entfernt wer­ den. Im Bereich der entfernten Isolierschicht 2 kann dann die Informationsschicht 4 angeordnet werden.

In allen Fällen dient die Isolierschicht 2 später zur zumindest partiellen elektrischen Isolierung der Funktionalschicht 3 ge­ genüber der Metallplatte 1 und für einen guten Wärmekontakt zwi­ schen der Metallplatte 1 und der Funktionalschicht 3.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch die Komposit-Struktur gemäß Fig. 1 entlang der Linie V-V dargestellt. Die Fig. 5 zeigt die mit der Informationsschicht 4 und der Isolierschicht 2 versehe­ ne Metallplatte 1 nach Fig. 4. Die Isolierschicht 2 und die In­ formationsschicht 4 sind vollständig mit der Funktionalschicht 3 aus einem kristallinen Halbleitermaterial bedeckt.

Die Funktionalschicht 3 wird mittels eines bekannten und geeig­ neten, vorzugsweise eines Gasphasen-Epitaxieverfahrens abge­ schieden, wobei die zur epitaktischen Abscheidung der Funktio­ nalschicht 3 benötigten Kristallinformationen der monokristalli­ nen Informationsschicht 4 entnommen werden. Damit dieser Infor­ mationsfluß ermöglicht ist, weist die Informationsschicht 4 zu Beginn der Abscheidung zu der abscheidenden Gasphase, aus der die Funktionalschicht 3 abgeschieden wird, eine freie Oberfläche auf. Bei einer Informationsschicht 4 aus dem gleichen Material wie die Funktionalschicht 3 handelt es sich hinsichtlich dieser beiden Schichten um eine homoepitaktische Abscheidung. Bei einer Abscheidung einer Funktionalschicht 3 aus anderem Material wie die Informationsschicht 4 - bspw. die Informationsschicht 4 ist monokristallines Silizium und die Funktionalschicht 3 aus einem anderen kristallinen Halbleitermaterial - spricht man hinsichtlich dieser beiden Schichten von einer heteroepitaktischen Abschei­ dung bzw. von Heteroepitaxie.

Zur Verbesserung der Qualität der Funktionalschicht 3 wird diese anschließend erhitzt und in bekannter Weise rekristallisiert. Die Erhitzung erfolgt günstigerweise durch einen Heizdraht, der über die Fläche der Funktionalschicht 3 hinweggeführt wird. Da­ durch wird die Funktionalschicht 3 von oben her erwärmt. Die Be­ wegung des Heizdrahts beginnt zweckmäßigerweise oberhalb eines unmittelbar kontaktierenden Bereichs der Informationsschicht 4 mit der Funktionalschicht 3 und wird von dort aus unterbre­ chungsfrei und flächendeckend fortgeführt. Nach diesen Arbeits­ schritt kann mit der Applikation des mikroelektronischen Bau­ teils in bekannter Weise begonnen werden.

In den Fig. 6 und 7 ist je eine Aufsicht auf je eine weitere Komposit-Struktur dargestellt, die gegenüber dem Ausführungsbei­ spiel nach den vorhergegangenen Figuren auf der Metallplatte 1 unterschiedlich angeordnete Informationsschichten 4 aufweisen.

Zur Kennzeichnung der unterschiedlichen Schichten (Metallplatte 1, Informationsschicht 4, Isolierschicht 2, Funktionalschicht 3) sind diese mit demjenigen Linienzug dargestellt, wie er in der Fig. 2 für die jeweils entsprechende Schicht verwendet wurde.

In Fig. 6 ist eine Komposit-Struktur mit einer runden Metall­ platte 1 dargestellt. Der Durchmesser der Metallplatte 1 beträgt sechs Zoll und entspricht damit hinsichtlich ihrer Bemaßung den meist bei der Halbleiterherstellung üblichen 6-Zoll-Wafern aus Silizium. Die zwei streifenartigen Informationsschichten 4 aus monokristallinem Silizium sind parallel zum Durchmesser der Me­ tallplatte 1 ausgerichtet und randseitig auf dieser angeklebt. Auf den Informationsschichten 4 und der Metallplatte 1 ist die Isolierschicht 2 aus Diamant und/oder diamantähnlichem Material abgeschieden, wobei bei der Metallplatte 1 außenseitig ein kreisringförmiger Streifen freibleibt. In Bereich dieses Kreis­ rings weisen die beiden Informationsschichten 4 ebenfalls eine freie Oberfläche auf. Oberhalb der Isolierschicht 2 ist die Funktionalschicht 3 angeordnet, die die Isolierschicht 2 voll­ ständig bedeckt. Innerhalb eines weiteren, kleineren und rand­ seitigen verbleibenden kreisringförmigen Kontaktrings 7 weisen die Informationsschichten 4 und die Metallplatte 1 eine freie Oberfläche auf. Die etwa rechteckige Bauteilwurzel 5 ist im we­ sentlichen in dem Bereich angeordnet, der außerhalb der die In­ formationsschicht 4 aufweisenden Schichtfolge der Komposit- Struktur liegt.

In Fig. 7 ist eine weitere Komposit-Struktur mit ebenfalls ei­ ner runden Metallplatte 1 dargestellt. Der Durchmesser der Me­ tallplatte 1 beträgt ebenfalls sechs Zoll. Auf der Metallplatte 1 sind randseitig in direktem und festhaftenden Kontakt zu die­ ser vier quadratische Informationsschichten 4 aus monokristalli­ nem Indiumphosphid (InP) angeordnet. Auf den Informationsschich­ ten 4 und der Metallplatte 1 ist die Isolierschicht 2 aus Dia­ mant und/oder diamantähnlichem Material abgeschieden, wobei bei der Metallplatte 1 außenseitig ein kreisringförmiger Streifen freibleibt. Im Bereich dieses Kreisrings weisen die vier Infor­ mationsschichten 4 ebenfalls eine freie Oberfläche auf. Oberhalb der Isolierschicht 2 ist die aus Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) oder Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP) gebildete Funk­ tionalschicht 3 angeordnet, die die Isolierschicht 2 vollständig bedeckt.

Innerhalb des noch verbleibenden randseitigen kreisringförmigen Kontaktrings 7 weisen die Metallplatte 1 und die Informations­ schichten 4 auch weiterhin eine freie Oberfläche auf, die zur Kontaktierung des Bauteiles, dessen Bauteilwurzel 5 vollständig außerhalb der die Informationsschichten 4 aufweisenden Schicht­ folge der Komposit-Struktur angeordnet ist, verwandt werden kön­ nen. Derartige Anschlüsse 6 und 6' sind in Fig. 7 rechtsseitig des Kontaktrings 7 und linksseitig des Kontaktrings 7 darge­ stellt. Die rechtsseitigen Anschlüsse 6 sind elektrisch leitend mit der Metallplatte 1 verbunden. Die linksseitigen Anschlüsse 6' hingegen sind gegenüber der Metallplatte 1 elektrisch iso­ liert. Mit den elektrisch leitenden Anschlüssen 6 kann durch die Metallplatte 1 in einfacher Weise bspw. ein Gate ausgebildet werden.

Allgemein ist es auch möglich, die Funktionalschicht 3 oder eine beliebige Schicht des mikroelektronischen Bauteils dadurch mit der Metallplatte 1 elektrisch leitend zu kontaktieren. Die Kon­ taktierung erfolgt hierbei günstigerweise dadurch, daß vor der Abscheidung der zu kontaktierenden Schicht die entsprechenden darunterliegenden und die zu kontaktierende Schicht von der Me­ tallplatte 1 trennenden Zwischenschichten (bspw. Isolier- 2 und/oder Informationsschicht 4) selektiv entfernt werden, so daß die zu kontaktierende Schicht in diesem Bereich der entfernten Zwischenschichten direkt auf der Metallplatte 1 abgeschieden wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines mikroelektronischen Bauteils mit einer mehrlagigen Komposit-Struktur mit folgenden Verfah­ rensschritten:

• - auf einer selbsttragenden Metallplatte (1) werden eine Infor­ mationsschicht (4) und eine Isolierschicht aufgebracht, wobei die zumindest weitgehend monokristalline Informationsschicht (4) die Metallplatte (1) stellenweise bedeckt und wobei die Isolierschicht als polykristalliner Diamant und/oder polykri­ stalliner diamantähnlichem Kohlenstoff - im folgenden verein­ fachend Diamantschicht (2) genannt - abgeschieden wird und die von der Informationsschicht (4) freien Bereiche der Oberfläche der Metallplatte (1) bedeckt;
• - auf der zumindest bereichsweise freiliegenden Oberfläche der Informationsschicht (4) auf der Diamantschicht (2) wird eine Funktionalschicht (3) aus einem halbleitenden kristallinen Ma­ terial - im folgenden Halbleiter genannt - unmittelbar abge­ schieden, wobei für eine epitaktische Abscheidung der diamant­ freien und von diamantähnlichem Kohlenstoff freien kristalli­ nen Funktionalschicht (3) notwendigen Kristallinformationen aus der Informationsschicht (4) entnommen werden; und
• - das mikroelektronische Bauteil wird unter Hinzunahme der Funk­ tionalschicht (3) hergestellt, wobei das Bauteil ausschließ­ lich in Flucht außerhalb der Informationsschicht (4) appli­ ziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht (2) und/oder die Funktionalschicht (3) mittels CVD-Verfahren, insbesondere mittels eines Plasma-CVD- Verfahrens, abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationsschicht (4) auf der Metallplatte (1) aufge­ klebt und/oder aufgebondet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionalschicht (3) nach ihrer Abscheidung rekristal­ lisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionalschicht (3) oberflächenseitig erhitzt und re­ kristallisiert wird, wobei mit der Erhitzung oberhalb eines un­ mittelbar kontaktierenden Bereichs der Informationsschicht (4) begonnen und von dort aus unterbrechungsfrei flächendeckend wei­ tergeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht (2) auch auf der Informationsschicht (4) abgeschieden und die Informationsschicht (4) vor der Abscheidung der Funktionalschicht (3) zumindest bereichsweise wieder freige­ legt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Anschlüsse (6) des Bauteils an der Metallplatte (1) zur außenseitigen Kontaktierung elektrisch isolierend ange­ ordnet werden

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Anschlüsse (6') des Bauteils an der Metallplatte (1) elektrisch leitend kontaktiert werden.