DE19961180C2 - Dünnschichtwiderstand mit hohem Temperaturkoeffizienten als passives Halbleiterbauelement für integrierte Schaltungen und Herstellungsverfahren - Google Patents
Dünnschichtwiderstand mit hohem Temperaturkoeffizienten als passives Halbleiterbauelement für integrierte Schaltungen und HerstellungsverfahrenInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schichtenfolge eines Halbleiterbauelement nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, auf ein passives Halbleiterbauelement nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 2 und ein Verfahren zur Herstellung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Die Erfindung betrifft einen Thermistor als Halbleiterbauelement beispielsweise in
Bolometern. Üblicherweise werden Polysiliziumschichten als Thermistoren eingesetzt.
Dabei läßt sich über die Dotierung des Polysiliziums die Temperaturabhängigkeit des
Widerstands, der sog. TCR-Wert, über weite Bereiche einstellen.
Aus der Schrift US 5,260,225 bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten, auf
Infrarotstrahlung empfindlichen Bolometers unter Verwendung von dotiertem Polysilizium mit
einem TCR-Wert zwischen 1-2%/°C. Als Dotierstoff wird Arsen, Phosphor oder Bor verwendet.
Die IR empfindliche Polysiliziumschicht befindet sich auf einer thermisch isolierenden
Siliziumoxidschicht, die den Wärmeübertrag auf das Substrat verhindern soll.
Ebenso ist eine Anordnung aus der Schrift EP 0 354 369 als Bolometerarray bekannt, das in
eine integrierte Schaltung mit einem bordotierte amorphen-SiH-Widerstand eingebunden ist.
Aus den Schriften US 5,440,174, US 5,310,695 und EP 0848 427 ist die Verwendung von WSiN-
Schichten für Widerstandsschichten und Diffusionsbarrieren in integrierten Schaltungen
bekannt. Die WSiN-Schichten sind auf einer auf einem Substrat befindlichen
Passivierungsschicht angeordnet. Über den Stickstoffgehalt dieser Schichten läßt sich sowohl
der Widerstandswert, als auch die diffusionshemmende Wirkung gegenüber Sauerstoff gezielt
einstellen.
Ebenso ist die Verwendung von WSiN Schichten in MESFETs aus der Schrift Alavi, K. T.
(1995): IEEE Transactions on Elektron Devices, Vol. 42, No. 7, pp. 1205 bekannt. Der
bevorzugte Einsatz dieser Schichten bezieht sich ebenfalls auf die diffusionshemmende Wirkung
in Verbindung mit Temperprozessen bei der Herstellung von GaAs-Bauelementen.
Keine Beachtung bei WSiN-Schichten fanden bisher die thermischen Eigenschaften in
Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Schichten und insbesondere in Bezug
auf den Zusammenhang des TCR-Wertes in Abhängigkeit vom Stickstoffgehalt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schichtenfolge und ein damit verbundenes
passives Halbleiterbauelement mit hohem TCR und geringem 1/f-Rauschen anzugeben, das in
integrierter Halbleiterbauweise herstellbar ist.
Die Erfindung wird in Bezug auf die Schichtenfolge durch die Merkmale des Patentan
spruchs 1, in Bezug auf das passive Halbleiterbauelement durch die Merkmale des
Anspruchs 2, und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung durch die Merk
male des Patentanspruchs 11 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten
vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung beinhaltet eine Schichtenfolge eines Dünnschichtwiderstandes mit
hohem Temperaturkoeffizienten auf einem Substrat. Sie besteht aus einer ersten
Passivierungsschicht, einer für den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand
verantwortlichen WSiN-Schicht und einer ersten Metallisierungsschicht.
Als WSiN-Schichtmaterial wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein weitgehend
amorphes Material bezeichnet, das in seiner chemischen Zusammensetzung einen
variablen Elementgehalt WXSiYNZ mit x, y als Hauptbestandteile mit einem Einbau
geringer Anteile z besitzt. Mit dem WSiN wird ein bisher nicht für diese Zwecke verwen
detes Material eingesetzt, das auch bei höheren TCRs, beispielsweise über 1%/°C, ein
außerordentlich geringes 1/f-Rauschen aufweist. Zudem besitzt das WSiN ein Absor
ptionsband im Infrarotbereich, wodurch ein bevorzugter Einsatz in Bolometern
resultiert. Darüber hinaus ist dieses Material durch einen Niedertemperaturprozeß auf
fast allen Substratmaterialien abscheidbar.
Das aus der Schichtenfolge strukturierte passive Halbleiterbauelement besteht aus
einer als Thermistor verwendeten WSiN-Restschicht der erfindungsgemäßen Schichten
folge. Zwischen den elektrischen Anschlüssen befindet sich eine Öffnung zum Durchtritt
der elektromagnetischen Strahlung bis zur thermisch empfindlichen WSiN-Restschicht.
Unter dieser Öffnung ist auch eine zweite, für die Strahlung durchlässige
Passivierungsschicht zu verstehen.
Zur thermischen Isolation wird zwischen Substrat und WSiN-Schicht vorteilhafterweise
eine Zwischenschichtenfolge angeordnet, die ein Abfließen der Wärme in das Substrat
verhindert. Diese Zwischenschichtenfolge ist zur thermischen Isolation nur lokal im
Bereich der Strahlungseinwirkung ausgebildet. Das Substrat selbst kann jedoch bereits
schon aus einem Material mit geringer Wärmeleitung, beispielsweise aus Glas, beste
hen. Bei der Verwendung von Silizium werden dann vorteilhafterweise Isolationsschich
ten größerer Dicke eingesetzt und das Silizium durch geeignete Prozesse unter dem
Thermistor entfernt.
Für eine Anwendung im infraroten Bereich wird die zweite Passivierungsschicht
dementsprechend auf Durchlässigkeit für derartige elektromagnetische Strahlung
angepaßt.
Außer der Verwendung von Zwischenschichtenfolgen als Isolationsschichten wird
vorteilhafterweise eine thermische Isolation im Bereich der Öffnung für den Durchtritt
der Strahlung dadurch erreicht, daß das Substrat von der Unterseite bis zur ersten
Passivierungsschicht abgetragen wird.
Eine thermische Entkopplung zum Substrat erfolgt entweder durch Ätzung des Träger
materials oder durch Verwendung einer Schicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit.
Das Verfahren zur Herstellung eines passiven Halbleiterbauelements besteht in einer
Abfolge der Prozeßschritte:
- - auf einem Substrat wird eine erste Passivierungsschicht abgeschieden,
- - auf der ersten Passivierungsschicht wird eine WSiN-Schicht und eine erste Metallschicht ganzflächig abgeschieden,
- - die erste Metallschicht wird zu einer ersten Anschlußmetallisierung strukturiert,
- - der Bereich zwischen der ersten Anschlußmetallisierung wird abgedeckt und die WSiN-Schicht wird zu einer für das Bauteil benötigten WSiN-Restschicht strukturiert,
- - eine zweite Passivierungsschicht wird abgeschieden und es werden Öffnungen für elektrische Anschlüsse bevorzugt an den Enden der WSiN-Restschicht ausge bildet,
- - in diese Öffnungen werden Metallkontakte eingebracht,
- - der zwischen den Metallkontakten angeordnete Teil der zweiten Passivierungs schicht wird so ausgestaltet, daß eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung entsteht.
Ein besonderer Vorteil des bisher nicht für diese Zwecke verwendeten WSiN-Materials
resultiert aus der Eigenschaft, auch bei höheren TCRs, beispielsweise über 1%/°C, ein
außerordentlich geringes 1/f-Rauschen zu besitzen.
Ein weiterer Vorteil bei derartigen WSiN-Thermistoren resultiert aus der Abscheidbar
keit auf nahezu allen Substratmaterialien. Damit gewährleistet dieses Material eine
einfache und billige Herstellung derartiger Bauelemente.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a-h Herstellungsverfahren eines Thermistors mit freistehender Schicht im be
strahlten Bereich,
Fig. 2a-d Herstellungsverfahren eines Thermistors mit einer BCB-Schicht als
Isolationsschicht,
Fig. 3a-e Herstellungsverfahren eines Thermistors mit einer Polyimid-Mesastruktur als
Isolationsschicht.
In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird das Verfahren zur Herstellung eines
Thermistors als passives Halbleiterbauelements eingehend beschrieben. Das Verfahren
besteht aus einer Abfolge der folgenden Prozeßschritte:
Auf einem ca. 400 µm dicken Siliziumsubstrat 1 wird eine 2 im dicke Oxidschicht als erste Passivierungsschicht 2 bevorzugt mit einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) abgeschieden. Auf dieser ersten Passivierungsschicht 2 wird mit der PVD- Methode (Physical Vapor Deposition) eine WSiN-Schicht 3 unter definiertem Hinzumischen von Stickstoffgas während des Abscheideprozesses abgeschieden. In Abhängigkeit des Stickstoffgehaltes im Prozeßgas läßt sich der TCR-Wert und die mechanischen Schichteigenschaften über weite Bereiche gezielt beeinflussen. Als Deckschicht folgt eine mittels derselben PVD-Methode ganzflächig abgeschiedene WTi/Al-Schicht als erste Metallschicht 4 (Fig. 1a).
Auf einem ca. 400 µm dicken Siliziumsubstrat 1 wird eine 2 im dicke Oxidschicht als erste Passivierungsschicht 2 bevorzugt mit einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) abgeschieden. Auf dieser ersten Passivierungsschicht 2 wird mit der PVD- Methode (Physical Vapor Deposition) eine WSiN-Schicht 3 unter definiertem Hinzumischen von Stickstoffgas während des Abscheideprozesses abgeschieden. In Abhängigkeit des Stickstoffgehaltes im Prozeßgas läßt sich der TCR-Wert und die mechanischen Schichteigenschaften über weite Bereiche gezielt beeinflussen. Als Deckschicht folgt eine mittels derselben PVD-Methode ganzflächig abgeschiedene WTi/Al-Schicht als erste Metallschicht 4 (Fig. 1a).
Im weiteren Verlauf wird die erste Metallschicht 4 zu einer ersten Anschlußmetalli
sierung strukturiert, indem mit einer ersten Maske 5 die nicht zu ätzenden Bereiche
abgedeckt werden und mittels eines naßchemischen Verfahrens die erste Metallschicht
4 bis auf den verbleibenden Rest als erste Anschlußmetallisierung 4' abgetragen wird
(Fig. 1b).
Die durch den Ätzvorgang an die Oberfläche tretende WSiN-Schicht 3 wird dann im
Bereich zwischen der ersten Anschlußmetallisierung 4' durch eine weitere zweite
Maske b bedeckt. Das WSiN wird mittels RIE (Reaktives Ionenätzen) in den umlie
genden Bereichen abgetragen. Die unter den Masken 5 und 6 verbleibende WSiN-
Schicht definiert die aktive Zone des Thermistors (Fig. 1c).
Eine weitere Oxidschicht als zweite Passivierungsschicht 7 wird mit einer ungefähren
Dicke von 400 nm abgeschieden. An den Stellen der ersten Anschlußmetallisierung 4'
werden Öffnungen für elektrische Anschlüsse an den Enden der WSiN-Restschicht 3'
strukturiert (Fig. 1d).
In diese Öffnungen werden Metallkontakte 8 aus WTi/Au eingebracht. Der zwischen
den Metallkontakten angeordnete Teil der zweiten Passivierungsschicht 7 wird so
ausgestaltet, daß dieser eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung
darstellt. Gegebenenfalls wird die Passivierungsschicht im durchstrahlte Bereich
gedünnt (Fig. 1e).
Im weiteren Verlauf wird das Substrat 1 zur thermischen Entkopplung von der Substrat
unterseite bis zur Unterseite der ersten Passivierungsschicht 2 im Bereich zwischen der
Anschlußmetallisierung 4' abgetragen. Hierzu wird die Oberseite mit einer dritten
Maske 9 abgedeckt (Fig. 1f).
Mit einer vierten Maske 10, der Dicke von ungefähr 15 bis 20 µm, wird die Substrat
rückseite abgedeckt und in den Bereichen der aktiven Thermistorschicht auf der
Vorderseite für einen Ätzprozeß geöffnet. Aufgrund des relativ dicken Substrates 1 wird
mittels eines Hochratenätzprozesses das Substrat bis auf den Substratrest 1' abgetra
gen (Fig. 1g). Das aus dem Prozeß strukturierte Bauteil mit einer freitragenden aktiven
Thermistorschicht ist in Fig. 1h dargestellt.
Alternativ wird
eine Zwischenschichtenfolge 13, 14 bzw. 15 abgeschieden und so strukturiert,
daß diese eine thermische Isolation zum Substrat 1 hin darstellt (Fig. 2a). Die
Zwischenschichtenfolge besteht aus einer Haftschicht 13 und einer BCB-Schicht (Benzocyclobuten) 14
bzw. einer Polyimiddummyschicht 15 (Fig. 2d bzw. Fig. 3e). In diesem Fall wird das
Substrat 1 zur thermischen Entkopplung nicht geätzt. Die übrigen Prozeßschritte (Fig.
2b, 2c, 3b und 3c) entsprechen im wesentlichen den zuvor beschriebenen
Verfahrenschritten.
Im Falle der in Fig. 2d dargestellten Vorgehensweise wird die thermische Entkopplung
zum Substrat über die Dicke der BCB-Schicht gewährleistet. Zur Reduzierung des
thermischen Widerstandes werden die auf die BCB-Schicht 14 folgenden Schichten
lateral auf die Fläche des aktiven Thermistors zurückgeätzt (Dicke der BCB-Schichten
beträgt ungefähr 25-75 µm).
Im Falle der in Fig. 3 dargestellten Vorgehensweise wird beispielsweise eine Polyimid
schicht bereits in einem frühzeitigen Stadium der Herstellung lateral auf die später
gebildete Thermistorstruktur ausgebildet (Fig. 3a) und der Thermistor anschließend
nach den analog zu den bereits beschriebenen Verfahrensschritten gemäß der Fig. 3b,
3c und 3d auf dieser Mesastruktur hergestellt (Fig. 3e). Abschließend wird die
Polyimidschicht 15 im Sauerstoff-Plasma mittels eines isotropen Ätzprozesses entfernt.
Der unter dem Thermistor entstehende Hohlraum 20 führt zur thermischen Entkopplung
gegenüber dem Substrat.
Claims (13)
1. Schichtenfolge eines Dünnschichtwiderstandes mit hohem Temperaturkoeffizienten auf
einem Substrat (1), bestehend aus:
einer Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation, wobei die Zwischenschichtenfolge eine BCB-Schicht (14) enthält
einer ersten Passivierungsschicht (2),
einer WSiN-Schicht (3)
eine erste Metallschicht (4).
einer Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation, wobei die Zwischenschichtenfolge eine BCB-Schicht (14) enthält
einer ersten Passivierungsschicht (2),
einer WSiN-Schicht (3)
eine erste Metallschicht (4).
2. Passives Halbleiterbauelement, bestehend aus:
einem Substrat (1),
einer Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation,
einer ersten Passivierungsschicht (2),
einer WSiN-Restschicht (3'),
einer ersten Anschlußmetallisierung (4'),
einer zweiten Passivierungsschicht (7) mit Öffnungen für elektrische Anschlüsse an beiden Enden der WSiN-Restschicht (3'),
Metallkontakte (8) an den Steilen der in der zweiten Oxidschicht vorgesehenen Öffnungen,
einer weiteren zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten, für elektromagne tischer Strahlung durchlässige Öffnung zur Bestrahlung der WSiN-Restschicht (3').
einem Substrat (1),
einer Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation,
einer ersten Passivierungsschicht (2),
einer WSiN-Restschicht (3'),
einer ersten Anschlußmetallisierung (4'),
einer zweiten Passivierungsschicht (7) mit Öffnungen für elektrische Anschlüsse an beiden Enden der WSiN-Restschicht (3'),
Metallkontakte (8) an den Steilen der in der zweiten Oxidschicht vorgesehenen Öffnungen,
einer weiteren zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten, für elektromagne tischer Strahlung durchlässige Öffnung zur Bestrahlung der WSiN-Restschicht (3').
3. Passives Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich
der Öffnung das Substrat (1) zur thermischen Entkopplung abgetragen ist.
4. Passives Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Schicht der Zwischenschichtfolge eine BCB-Schicht (14) ist.
5. Passives Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation lokal im Bereich der
Strahlungseinwirkung ausgebildet ist.
6. Passives Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation durch Entfernung einer
Polyimidschicht (15) mittels eines Oxidplasmas lokal im Bereich der Strahlungseinwirkung
einen wärmeisolierenden Hohlraum (20) aufweist.
7. Passives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) aus Silizium oder Glas besteht.
8. Passives Halbleiterbauelement einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Passivierungsschicht (2) eine Oxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 2 µm ist.
9. Passives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung zur Bestrahlung der WSiN-
Restschicht (3') mit einer zweiten Passivierungsschicht (7) abgedeckt ist, die für
Infrarotstrahlung durchlässig ist.
10. Verwendung eines passives Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement als Thermistor in
Bolometern eingesetzt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines passiven Halbleiterbauelements, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem Substrat (1) eine Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation abgeschieden wird,
daß darauf eine erste Passivierungsschicht (2) abgeschieden wird, daß auf der ersten Passivierungsschicht (2) eine WSiN-Schicht (3) und eine erste Metallschicht (4) ganzflächig abgeschieden wird,
daß die erste Metallschicht (4) mittels einer ersten Maske (5) zu einer ersten An schlußmetallisierung (4') strukturiert wird,
daß mittels einer zweiten Maske (6) der Bereich zwischen der ersten Anschlußme tallisierung (4') abgedeckt wird und die WSiN-Schicht (3) zu einer für das Bauteil benötigte WSiN-Restschicht (3') strukturiert wird,
daß eine zweite Passivierungsschicht (7) abgeschieden wird, in die Öffnungen für elektrische Anschlüsse bevorzugt an den Enden der WSiN-Restschicht (3') als Widerstandsschicht strukturiert werden,
daß in diese Öffnungen Metallkontakte (8) eingebracht werden
daß der zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten Teil der zweiten Passi vierungsschicht (7) für elektromagnetische Strahlung durchlässig ausgestaltet wird.
daß auf einem Substrat (1) eine Zwischenschichtenfolge (13, 14, 15) zur thermischen Isolation abgeschieden wird,
daß darauf eine erste Passivierungsschicht (2) abgeschieden wird, daß auf der ersten Passivierungsschicht (2) eine WSiN-Schicht (3) und eine erste Metallschicht (4) ganzflächig abgeschieden wird,
daß die erste Metallschicht (4) mittels einer ersten Maske (5) zu einer ersten An schlußmetallisierung (4') strukturiert wird,
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daß eine zweite Passivierungsschicht (7) abgeschieden wird, in die Öffnungen für elektrische Anschlüsse bevorzugt an den Enden der WSiN-Restschicht (3') als Widerstandsschicht strukturiert werden,
daß in diese Öffnungen Metallkontakte (8) eingebracht werden
daß der zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten Teil der zweiten Passi vierungsschicht (7) für elektromagnetische Strahlung durchlässig ausgestaltet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zur
thermischen Entkopplung von der Substratunterseite im Bereich zwischen der
Anschlußmetallisierung (4') abgetragen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtenfolge aus
einer Haftschicht (13) und einer BCB-Schicht (14) oder einer Polyimidschicht (15) besteht,
die derart strukturiert wird, daß diese im Bereich des thermischen Eintrags zum Substrat (1)
hin eine Isolation darstellt.
Priority Applications (4)
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