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Verfahren zum Herstellen von Kontaktmetallschichten an elektrischen
Bauelementen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer gut haftenden,
kontaktierbaren Metallisierung auf Oberflächen von elektrischen Bauelementen, insbesondere
von Silicium-Planarhalbleiterbauelementen.
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Bei der Systemherstellung von elektrischen Bauelementen, insbesondere
von Mikrohalbleiterbauelementen, die nach der Planar-oder Mesatechnik gefertigt
sind, ist einer der letzten Verfahrensschritte das definierte Aufbringen von Aluminium-Emitter-
bzw. Basiskontakten oder -leitbahnen. Dies geschieht in der Weise, daß eine Scheibe
aus Halbleitermaterial, beispielsweise eine Siliciumeinkristallscheibe, welche mit
einer Vielzahl von Bauelementsystemen versehen und nach Fertigstellung der Systeme
zerteilt wird, unter Verwendung entsprechender Masken oder Schablonen mit dem gewünschten
Metall, beispielsweise Aluminium, Silber, Gold oder Platin, bedampft wird.
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Wenn, bedingt durch die Kleinheit der Geometrien, ein Bedampfen durch
Masken nicht mehr möglich ist, wird die Metallschicht ganzflächig aufgebracht und
anschließend nach Abdeckung mit einem entsprechenden Fotolack und Abbildung der
gewünschten Struktur durch Belichtung und Entwicklung des Fotolacks die Metallschicht
an den unerwünschten Stellen des Italbleitersystems wieder abgelöst. Außer der Metallbedampfung
ist es auch möglich, die Metallisierung einer lialbleiterober M äche durch Kathodenzerstäubung
(sputtern) oder aus einer galvanischen Lösung aufzubringen. Diese Verfahren erfordern
einen erheblichen apparativen Aufwcnã und haben zudem noch den Nachteil,
daß
die durch sie erzeugten Metallisierungen bezüglich ihres Haftvermögens und ihrer
Schichtdicke auf der Halbleiteroberfläche nicht immer optimal sind und daher die
Kontaktierbarkeit erschweren. Dies führt zu mechanischen und zlektrischen Ausfällen
bei den so gefertigten Halbleiterbauelementen.
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Die vorliegende ErSindungdient zur Lösung der Aufgabe, die Haftfestigkeit
und damit die Kontaktierbarkeit von Metallisierungen, die hauptsächlich aus Aluminium,
Gold, Platin und Silber bestehen, auf Halbleiteroberflächen zu verbessern und dabei
gleichzeitig ein Verfahren anzugeben, welches rationell und ohne großen apparativen
Aufwand arbeitet.
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Dabei wird gemäß der Lehre der erfindung auf die zu metallisierende
Oberfläche eine das Metall enthaltende Lösung oder Suspension in flüssiger Form
aufgebracht, die Flüssigkeit verdampft und die zurückbleibende, die Metallverbindung
enthaltenge ßurch Erhitzen in eine reine Metallschicht übergeführt und anschließend
in die Halbleiteroberfläche eingesintert oder einlegiert.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine in Lösung vorliegende Metallverbindung
zu verwenden. Es ist aber ebenso möglich, eine in suspendierter Form vorliegende
Metallverbindung aufzubringen. Ebenso kann eine bereits das elementare Metall in
suspendierter Form enthltonde Flüssigkeit aufgebracht werden.
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In einer Weiterbildung des rfindungsgedankens ist vorgesehen, die
Bildung der reinen Metallschicht entweder durch thermische Zersetzung oder durch
Reduktion zu bewirken.
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Es kann aber auch gemäß der vorliegenden Erfindung eine solche Anordnung
gewählt werden, bei der die Metallverbindung (bzw. das Metall) unter Verwendung
von organischen Lacken oder lackartigen Lösungs- bzw. Suspenionsmitteln, insbesondere
von
Fotolack, aufgebracht wird. Durch die Verwendung von organischen Lacken können nämlich
besonders gleichmäßige Beschichtungsdicen über die gesamte zu beschichtende Halbleiteroberfläche
erreicht werden, die dann zu entsprechend gleichmäßigen Metallschichten führen.
Bei Verwendung von Fotolacken lassen sich durch die bekannten Verfahrensschritte
der Fototechnik mit nachfolgendem Erhitzen sehr feine detaillierter Metallstrukturen
bis herunter zu Breiten von einigen 1/1000 mm erzeugen.
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Als geeignete Lacke kommen alle organischen Verbindungen in Betracht,
sov/eit sie in Wasser oder organischen Lösungsmitteln löslich sind und nach Verdunsten
des Lösungsmittels zu einem die Metallverbindung enthaltenden homogenen Film erstarren.
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Als Beispiel seien genannt Polyvinylalkohol und Gelatine gelöst in
Wasser, ferner Polyvinyläther, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, olyvinylazetat,
Polyvinylazetale, Zellulosederivate, Polyester und Polyamide.
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Als Lösungsmittel sind geeignet halogenierte Kohlenwasserstoffe, Alkohole,
Äther, Ketone, Ester, Amine, usw. sowie spezielle Kunststofflösungsmittel wie Tetrahydrofuran,
Tetramethylensulfon (für Polyvinylchlorid, Polyacrylnitril, PVC, Polyvinylazetat,
Polyacrylnitril und Celluloseazetat), Dimethglformamid (für Polyacrylnitril~, PVO,Polyurethan)
und Dimethylsulfoxid (für Polyacr.ylderivate, Nitrocellulose, Celluloseazetat und
Polyfluoräthylen).
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Für otolacke sind Jene Yerbindungsgruppen geeinget, die durch Belichten
mit sichtbarer oder UV-Strahlung Strukturänderungen und damit so starke Veränderungen
in Löslichkeitsverhalten erleiden, daß bei "Positivlacken" die belichteten1 bei
"egativlacken" die unbelichteten Stellen des Lackfilms durch entsprechende nachfolgende
Behandlung mit einem geeigneten Lösungsmittel (=Entwickler) abgelöst werden können.
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Diesen Fotolacken, die üblicherweise mit organischen Lösungsmitteln
verdünnt sind, werden im gleichen Lösungsmittel löso liche Metailverbindungen oder
Suspensionen zugegeben.
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Soweit sich die organischen Lackbestandteile beim Erhitzen nicht rückstandslos
verflüchtigen, kann ggf. die Erhitzung in Gegenwart einer oxydierenden Atmosphäre
durchgeführt werden, wodurch störende, die Anwendung einer homogenen Metallschicht
verhindernde Crackprodukte zu gasförmiges Kohlendioxid (cm2), Wasserdampf (H20)
und Stickstoff (N2) oxidiert werden. Der gleiche Effekt der vollstandigen Oxidation
des Lackes kann auch durch Zugabe oxidierend wirkender organischer Verbindungen
(z.B. von Peroxiden, Nitro- und Nitrosoverbindungen) in einer für die Oxidation
der nichtflüchtigen Lackanteile ausreichenden Menge erreicht werden.
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In Pällen, wo durch das Erhitzen in oxydierender Atmosphäre oder durch
den Zusatz von Oxydationsmitteln zum Lack die direkte thermische. Zersetzung zum
elementaren Metall nicht mehr möglich ist, kann dieses zunächst thermisch zum Oxid
zersetzt und durch eine nachfolgende thermische Behandlung in reduzierender Atmosphäre
(besonders in Wasserstoff) zum Metall reduziert werden.
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Als geeignete Metallverbindungen werden in vorteilhafter Weise Metalloxide,
-Hydroxide, Metallhalogenide, ferner Metallsalze von organischen und anorganischen
Sären, Metallhydride, -Nitride, Azide,-Cyanide,-Sulfide,-Carbonyle, Organometallverbindungen
wie Cyclopentadienylkomplexe, Acetylacetonate, Metallalkyle und Metallaryle, Metallalkylester,
Metallarylester, sowie Komplexverbindungen derselben miteinander und mit anderen
organischen Gruppen verwendet Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel
nach der Lehre der Erfindung wird zur Herstellung einer aus Aluminium bestehenden
Metallisierung eine N-'2riisobutylalazan-Lösung in Cyclohexan aufgebracht, welche
in eine reine Aluminiumschicht durch thermische Zersetzung bei mindestens 2500 C
übergeführt und bei 600 bis 700 °C in die Halbleiteroberfläche eingesintert wird.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung
wird zur Herstellung einer aus Silber bestehenden Metallisierung eine ammoniakalische
Lösung von Silberchlorid aufgebracht und durch Erhitzen in Formiergas oder Wasserstoff
gemäß der Gleichung AgOl + 1/2K2 = Ag + HC1 in eine reine Silberschicht übergeführt.
Gleichzeitig mit der Reduktion der Metallverbindung zum reinen Metall wird die Silberschicht
in die Halbleiteroberfläche eingesintert oder einlegiert.
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Zur Aufbringung einer aus Gold bestehenden Metallisierung wird Chlorogoldsäure
(HAu0l4) in Polyvinylalkohol oder Wasser gelöst.
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Die thermische Zersetzung dieser Verbindung erfolgt gemäß der Reaktionsgleichung
HAuC14 =--Au + HOl + C12 bei 350 bis 370 °C gleichzeitig mit der Einlegierung in
die Halbleiteroberfläche.
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Zur Erzeugung einer aus Platin bestehenden Metallisierung wird eine
ammoniakalische Lösung des Ammoniumsalzes der Hexachloroplatinsäure ((NH4)2PtUl6)
verwendet und gemäß der Reaktionsglcichung (NH4)2PtCl6 -7- Pt + 2N11401 + 2Cl2 in
eine reine Platinschicht übergeführt und bei 500 bis 600 0 in die Halbleiteroberfläche
einlegiert.
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Das Aufbringen der die Metallverbindung enthaltenden Suspension kann
auch durch Siebdruck erfolgen.
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Die Überführung der Metallverbindung in die reine Metallschicht durch
Reduktion oder thermische Zersetzung und der daran anschließende Sinter- bzw. Legierungsprozeß
werden zweckmäßigerweise in einem Durchlaufofen vorgenommen.
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Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung läßt sich in besonders
vorteilhafter Weise verwenden zur Herstellung von Metallkontakten auf freien und
mit Maskierungs- oder Schutzschichten (SiO2, Si3N4) bedeckten Halbleiterkristalloberflächen;
hier eventuell unter Zusatz von Haftvermittlern. Es ist auch in Gegenwart von Fotolackabdeckungen
anwendbar.
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Das Verfahren gestattet die einfache Herstellung mehrerer
dicker
Metallschichten, welche sich wegen ihres außerordentlich guten Haftvermögens durch
eine gute Kontaktierbarkeit auszeichnen. Bin weiterer Vorteil gegenüber den durch
bekannte Verfahren hergestellten Metallkontaktierungen ist die Gleichmäßigkeit in
der Ausbildung der Schicht und ihr guts elektrisches Leitvermögen. Die Schichten
sind deshalb besonders gut geeignet zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,
insbesondere in der Planartechnik.
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Seine Anvwendungsweise ist aber nicht allein auf die Halbleitertechnik
beschränkt, sondern läßt sich mit gleichem Vorteil auch für die Herstellung von
Kontaktschichten bei elektrischen Konensatoren und Widerständen einsetzen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele
wird nunmehr auf die Figuren 1 bis 4 der Zeichnung Bezug genommen. Dabei ist in
den Figuren 1 und 3 das Aufbringen der die Metallverbindung enthaltenden Flüssigkeit
dargestellt, während die Figur 2 einen für die thermische Zersetzung der Metallverbindung
und für die anschließende Einlegierung bzw. Einsinterung der Metallschicht in den
Halbleiterkörper vorgesehenen Ofen mit zwei Teniperaturzbnen zeigt. Figur 4 zeigt
einen Durchlaufofen, in welchem eine kontinuierliche Beschichtung vorgenommen werden
kann, wodurch sich das Verfahren besonders rationell gestalten läßt.
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Ausführusbeisiel 1: Eine 1 - lo folge Lösung von N-Triisobutylalazyn
in Cyclohexan wird, wie in Figur 1 dargestellt ist, mittels eines Zerstäubers 1
auf die am vorteilhaftesten durch IR-Strahlung 2 auf ca.
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85 bis 110° C beheizten, auf einer Metallplatte 3 liegenden Siliciumscheiben
4 gesprüht. Dabei verdampft das Lösungsmittel
spontan, so daß eine
gleichmäßige Schicht des N-Triisobutylalazans die Scheibenoberflächen bedeckt. Durch
anschließendes Einbringen in die vordere Zone 5 eines in Figur 2 abgebildeten Rohrofens
6 wird die Schicht in einer Inertgasatmosphäre, dargestellt durch die Pfeile 7 und
8, bei ca. 250° C zu Aluminium zersetzt und durch weiteres Einschieben in den heißeren
Ofenbereich 9 des Rohrofens 6 bei einer Temperatur von 550 bis 700°C C in das Silicium
eingesintert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Inertgasstroms, welcher aus Stickstoff
oder Argon oder auch aus Wasserstoff bestehen kann, wird auf 1 1/Min.
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eingestellt.
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Anstelle eines Rohrofens kann auch jede andere Heizungsvorrichtung,
z. B. ein Strahlungsheizer, eine Hochfrequenzbeheizung oder sogar eine Heizplatte
verwendet werden.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Heizvorrichtung eine Veränderung
der Temperaturen von 85 bis 11 0° C auf 2fo° a und weiter auf 600°C C zuläßt, da
dann sämtliche Reaktionsschritte vom Aufsprühen bis zum Einsintern ohne Ortsveränderung
der Scheiben hintereinander erfolgen können.
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Am einfachsten legt man hierzu die Scheiben auf eine elektrisch b«
eizte Metallplatte, die sich in einem mit Inertgas gespülten Behälter befindet.
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Ausfüh y~~sSiel II: Figur 7 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie
Figur 1.
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Auf die Siliciumscheiben 4 wird mittels einer Pipette lo eine Lösung
11 von 1 g Goldchlorid in loo ml einer lo zeigen wässrigen Polyvinylalkohollösung
aufgebracht. Dabei entsteht ;uf der Siliciumscheibe 4 eine dünne Schicht 12, welche
mittels einer Zentrifugalschleuder (1000 UpM.) von Überschüssiger Flüssigkeitsmenge
befreit wird. Die Siliciumscheibe
4 wird dann auf einer Heizplatte
bei 50 bis looO C getrocknet und durch höheres Erhitzen dieser Heizplatte auf 35e
bis 370° C der zunächst gebildete Film aus Polyvinylalkohol mit Goldchlorid zu eirxr
gleichmäßigen Goldschicht zersetzt. Im Falle von Gold (und anderen Edelmetallen)
kann dies vorteilhaft in Gegenwart von Buftsauerstoff erfolgen, wobei derselbe mit
den organischen Lackanteilen zu C02 und H20 reagiert und damit eine restlose Umwandlung
in rückstandslose flüchtige Gase gewährleistet: tC2H40)X + 5/2x °2 =2x- 0092 2x
1120 Für eine kontinuierliche Beschichtung vieler Scheiben wird zweckmäßigerweise
ein Durchlaufofen - wie in Figur 4 abgebildet - verwendet. Dabei durchwandern die
Scheiben auf einem endlosen Metallband 13 liegend die verschiedenen Brhitzungszonen
5 und 9, welche durch die Heizwicklungen 14 und 15 auf die entsprechende Temperatur
von 100° C und 400° C gebracht werden. Die mit 16 bezeichneten Rollen sichern einen
kontinuierlichen Durchlauf des Metallbandes 13.
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Der eigentliche Erhitzungsofen besteht aus einem Quarz-oder Pyrexrohr
17. An der mit 18 bezeichneten Stelle verlassen die beschichteten Siliciumscheiben
4 den Durchlaufofen und das Metallband 13 und werden-in einem Behälter 19 gesammelt.
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Im halle der Verwendung von Inertgasatmosphäre wird der Durchlaufofen
in der Mitte noch mit einer Gas zuführung und an den Enden mit entsprechenden Gasschleusen
versehen (in der Figur nicht dargestellt).
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Die Herstellung dickerer Metall schichten wird durch Verwendung konzentrierterer
Lösungen oder durch nochmaliges Aufbringen der Lösung und anschließendes Verdunsten
des Lösungsmittels erreicht.
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Bei der Herstellung von Metallstrukturen werden die Metailsalze in
fotosensitiven Lacken gelost und wie beschrieben aufgebracht, jedoch unter Ausschluß
von Tageslicht (Beleuchtung mit Na-Lampe). Nach Abschleudern, Trocknen und Belichten
durch entsprechende Masken werden in der für die Herstellung von Strukturen in der
Siliciumplanartechnik üblichen Weise beim Entwickeln die unerwünschten Lackbereiche
abgelöst und die zurückgebliebenen Lackbereiche - wie bei Polyvinylalkohol beschrieben
-zu Gold und flüchtigen Kohlenwasserstoffen bzw. in Gegenwart von Sauerstoff oder
Oxydationsmitteln zu CO2 und H2û zersetzt.
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4 Figuren 24 Patentanspruche