DE2261337A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements

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DE2261337A1 DE19722261337 DE2261337A DE2261337A1 DE 2261337 A1 DE2261337 A1 DE 2261337A1 DE 19722261337 DE19722261337 DE 19722261337 DE 2261337 A DE2261337 A DE 2261337A DE 2261337 A1 DE2261337 A1 DE 2261337A1
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Description

V\ estern Electric Company, Incorporated Herb 1-10
New York, N. Y., USA
Verfahren zur Herstellung eines Halb leiter baueleiuentes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes, das einen Halbleiterkörper mit einem Metallisierungsmuster auf einer Oberfläche aufweist, welches durch Metallniederschlagen und kathodisches Ätzen gebildet wird, wobei wenigstens eine erste Metallschicht niedergeschlagen wird.
Bei der Herstellung sowohl von diskreten als auch von integrierten Halbleiterbauelementen bilden präzise, dicht nebeneinander verlaufende Metallisierungsmuster Elektroden und Verbindungen zwisbhen Elektroden, um arbeitsfähige Bauelemente zu erzeugen. Zufriedenstellende elektronische und angemessene mechanische Anforderungen haben zur Verwendung von Vielfachschichten verschiedener Metalle geführt, um die erwünschten Abdicht- und Haftfähigkeiten zu erhalten.
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Die Bildung präziser Muster dieser Vielfach- iVietallschichten hat Probleme aufgeworfen, besonders wenn der Genauigkeitsgrad Toleranzen von weniger als 10 Mikrometer erfordert. Von bekannten Methoden verwendet eine eine kathodische Atzung und eine andere flussige Ätzmittel, um Metallisierungsmuster zu erzeugen.
Obwohl flussige Ätzmittel hergestellt werden können zun: Angreifen der verschiedenen Metalle und Materialien, die auf mehr oder weniger selektiver Cirundiage verwendet werden, bringt das Ätzen das inhärente Problem nut sich, daß eine Materialabtragugg isotrppisch geschieht, d.h., in allen Richtungen mit derselben Ätzrate. Wenn relativ dicke Metallschichten verwendet werden, tritt somit ein beträchtliches Unterhöhlen auf, was eine präzise Festlegung sehr schwierig und geringe Abstände beinahe unmöglich macht.
Das Unterhöhlen wird effektiv verstärkt, wenn sich bei nachfolgenden Schritten das niedergeschlagene Metall bei vertikalen Schritten in die isolierenden Schichten erstreckt, die pich auf
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dem Silizium befinden. Bestimmte Metalle, insbesondere galvanisch niedergeschlagenes Gold, neigen zum Niederschlagen unter der Photolackmaske. Alle diese Effekte verschlechtern die Genauigkeit und neigen zur Erzeugung von Kurzschlüssen.
Wenn auch kathodisches Ätzen oder Ilücksprühen, bei dem verschiedene Materialien für den Maskierungsprozeß verwendet worden sind, bisher in Verbindung mit der Herstellung von Halbleiterbauelementen empfohlen worden ist, so bleibt doch das Problem, die Maske fur den kathodischen Ätzprozeß selbst festzulegen. Wo eine solche Festlegung begrenzt ist auf eine Methode, bei der eine flüssige Ätzung verwendet wird, bleibt das oben beschriebene Problem der Erzielung einer präzisen Genauigkeit. Dies gilt fur Materialien, die bisher zum Maskieren für kathodisches Ätzen empfohlen worden sind, wie Aluminium, Molybdän und Chrom. Diese Metalle werden nicht ohne weiteres galvanisch niedergeschlagen. Demgemäß ist ein verbessertes Verfahren zur Bildung und Verwendung einer kathodischen Ätzmaske erwünscht.
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Das obige Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das M et aiii eier ungenauster durch selektives galvanisches Niederschlagen einer Metallschicht auf der ersten Metallschicht festgelegt wird, und daß die erste Metallschicht genügend lange einer kathodischen Ätzung ausgesetzt wird, um deren nicht von Nickel bedeckte Teile zu entfernen.
in der Zeichnung zeigen:
Fig. IA bis IE Querschnitte eines Teils eines
Halbleiterkörpers, wobei aufeinander folgende Schritte bei der Herstellung des IVJetallisierungsmusters für ein Halbleiterbauelement gem al* der Erfindung dargestellt ist; und
Fig. 2A und 2B eine ähnliche, alternative erfindungs
gemäße Aueführungsform.
Gemäii einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird
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das Metallisierungsmuster auf einem Halbleiterbauelement durch kathodisches Ätzen gebildet, wobei eine Nickelschicht verwendet wird, die entsprechend dem gewünschten Metallmuster galvanisch niedergeschlagen ist. Vorteilhafterweise wird diese Nickelniaske durch galvanisches Niederschlagen erzeugt, und zwar unter Verwendung eines dielektrischen Materials, wie lichtempfindlicher Lack, als Maske für das galvanische Niederschlagen. Dem Verfahren haftet somit derselbe Genauigkeitsgrad an wie der Photolackentwickiunga, methode, und die Verwendung eines flüssigen Ätzmittels zur Festlegung der Spruhätzmaske ist vermieden.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise zusammen mit Methoden ausgeführt werden, die das Verfahren selbst begrenzend machen. Das Verfahren eliminiert den Effekt ungleichmäßiger Niederschläge der Mehrfachmetallschichten, der besonders an der Umrandung der Oberfläche auftritt, auf der ein Niederschlag aufgebracht werden soll. Außerdem ist die Verwendung von Nickel besonders vorteilhaft im Verein mit den der Stützleitertechnologie zugeordneten Materialien, nämlich Titan, Platin
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oder Palladium und Gold.
In einem Ausfuhrungsbeispiel ist ein Halbleiterkörper, bei dem der bestimmende DotierungsprozeU, nämlich Diffusion
und dergleichen, durchgeführt ist, zur Bildung von Elektrodenverbindungen geeignet maskiert, und es wird eine erste Schicht aus Titan auf der gesamten aktiven Fläche den Körpers niedergeschlagen. Die Titanschicht wird dann mit einer Schicht entweder aus Platin oder aus Palladium bedeckt, die ihrerseits mit einer relativ dicken Goldschicht versehen wird. Eine Photolackmaske, die dem ge wunechten Metallisierungsmuster entspricht, wird dann auf der Goldschicht gebildet» und eine Nickelschicht wird auf den nichtmaskierten Bereichen der Goldschicht galvanisch niedergeschlagen. Vorteilhafterweise kann vor der Bildung der Photolackmaske eine sehr dünne Nickelschicht auf der gesamten Schicht aufgebracht werden, um die Haftfestigkeit der Photolackschicht auf der darunterliegenden Goldober fläche zu verbessern.
Wegen der ausgezeichneten Maskierungseigeiwchaften des
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Nickels können relativ dünne Schichten verwendet werden, die dünner sind ale die Maskierungsschicht des Photolacks. Somit ist die erhältliche Musterauflösung lediglich durch die Möglichkeiten des Photolackprozeßes begrenzt.
Dann wird der Photolack entfernt und läßt die dicke N^ckelschicht als Maske auf der Goldschicht zurück. Die aktive Seite des Halbleiterkörpers wird dann unter Verwendung einer typischen Sprühätz anlage einer kathodischen Ätzung unterzogen. W ährend dieses Schrittes wird die Nickelschicht nur geringfügig geätzt, wohingegen das Gold, Palladium oder Platin und Titan mit einer viel rascheren Rate weggeätzt werden. Somit werden die freiliegenden Bereiche dieser Metalle entfernt, während die unter der Kickelmaske liegenden Teile zurückbleiben.
Man wird erkennen, daß der oben beschriebene Prozeß die Bildung des Vielschichtmetallisierungsmusters als eine kontinuierliche und gleichförmige Metallstruktur ermöglicht. Insbesondere werden im Vergleich zu bisher bekannten Methoden
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die einzelnen Schichten verschiedener Metalle keiner getrennten Photolackmaekierung oder feuchten chemischen Behandlung unterzogen. Zusätzlich wird die dicke Goldschicht ohne die Unterbrechung durch eine Zwischenphotomaskierung erzeugt, wie es beim Stand der Technik üblich ist. Diese Vorteile verbessern die Gleichförmigkeit, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelementes.
Das Vorhandensein von Sauerstoff in der Sprühkammer sieht im Zusammenhang mit bestimmten Materialien eine bequeme Steuerung vor. Beispielsweise verlangsamt das Vorhandensein von Sauerstoff hinsichtlich bestimmter, erfindungsgemäß betroffener Metalle das kathodische Ätzen von Titan und Nickel, wahrend es eine geringe Wirkung auf die Abtragungsrate von Gold, Palladium und Platin hat.
Demgemäß kann Sauerstoff während des Verfahrens zugeführt werden, wenn die Palladium-oder Platinschicht entfernt wird. Das Vorhandensein von Sauerstoff ermöglicht die Bildung einer Titanoxidschicht, wenn die Titanschicht frei gelegt ist. Diese
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Schicht ist widerstandsfähiger gegen das kathodische Ätzen als reines Titan und beendet den Prozeß wirksam. Bei Anwendung dieser Methode wird die relativ dünne restliche Titanschicht unter Verwendung eines flüssigen Ätzmittels, wie EDTA (Äthylendiamintetraessigsäure), entfernt.
EJLn erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit den Fig. IA bis IE beschrieben. Zunächst sei auf Fig. IA Bezug genommen. Ein Siliziumhalbleiterkörper 11 mit pn-Übergängen 12 und mit einer Maskierungsschicht 13 aus Siliziumoxid wird einer Folge von Metallschichtniederschlägen unterzogen.
Zunächst wird eine Schicht 14 aus Titan mit einer Dicke von 500 bie 1000 K niedergeschlagen. Darauf folgt der Niederschlag einer zweiten, etwa 2000 R dicken Schicht 15 aus Platin oder Palladium. Im Falle bipolarer Halbleiterbauelemente wird für diese Schicht Platin vorgezogen, während diese zweite Schicht für Feldeffektbauelemente mit isolierter Steuerelektrode derzeit aus Palladium ist. Auf der zweiten Metallschicht 15 wird eine dritte Schicht 16 au» etwa 2 Mikrometer (20000 K) dickem Gold niedergeschlagen. Di··· drei
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Schichten können durch eine Reihe von Methoden in zufriedenstellender Weise niedergeschlagen werden. Beispielsweise können sie durch Aufdampfen oder1 kathodisches Aufsprühen gebildet werden und im Fall von UoId durch galvanisches Niederschlagen.
Ein nächster Schritt besteht darin, auf der Goldschicht eine sehr dünne Schicht 17 aus Nickel galvanisch niederzuschlagen, um die Haftfestigkeit der als nächstes aufzubringenden Photolackachicht 18 zu verbessern. Ein geeignetes galvanisches Beschichtungsbad auf der Grundlage von Nickelsulfamat ist das Bad vom SM-Typ, das von Allied-Kelite Products Division, Richardson Chemical Company, öl Industrial Road. Berkeley Heights, New Jersey, erhältlich ist. Die dünne Nickelschicht 17 hat vor teilhafter weist eine Dicke von etwa 350 K. Darauf wird eine Schicht 18 au· lichtempfindlichen Photolack auf der dünnen Nickelachicht 17 gebildet, und daa gewünschte Metallisierungsmuster wird in dieser durch die Standardbelichtungs- und Entwicklungemethoden entwickelt. Darauf ergibt sich ein Aufbau, wie er in Fig. IB gezeigt ist.
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Wie in Fig. IC gezeigt ist, wird als nächstes eine dickere Nickelschicht 19 auf der nichtmaskierten Überflache der Metallschicht 17 gebildet und zwar unter Verwendung einer Methode zum galvanischen Niederschlagen. JJIs kann sov/ohl galvanisches als auch stromloses Nickelbeschichten in zufriedenstellenderweise verwendet werden, und beide sollen für die Zwecke dieser Offenbarung durch den Ausdruck "galvanischer Niederschlag" umfaßt sein. Diese endgültige Nickelschicht hat eine typische Dicke von etwa 4000 bis 5000 A und ist im allgemeinen etwas dünner als die Photolackschieht, um die Genauigkeit des im Photolack festgelegten Musters nicht herabzusetzen.
Alternativ dazu kann das Metallisierungsmuster in der Nickelschicht festgelegt werden, und zwar durch galvanisches Niederschlagen von Nickel über der gesamten darunterliegenden !Metalloberfläche, anschließendes Bilden eines Lackmusters über den zu erhaltenden Teilen und nachfolgendes Entfernen des nichtniaskierten Nickels zur Erzeugung der Nickelmaske. V enn des darunterliegende Metall Gold ist, besteht eine Methode zur Entfernung des nichtmaskierten Nickels im Ätzen mit
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Eisen (Jll)-Chlorid.
Vie in Fig. D gezeigt ist, wird als nächstes der Photolack entfernt, Mas günstigerweise durch Verdampfen während der Einwirkung in einem Plasmagenerator geschieht. Diese Methode verhindert die Verwendung gewisser flüssiger Lösemittel, die die Nickelschicht angreifen können. Alternativ dazu ist fur positiven Photolack Aceton ein geeignetes Lösemittel für die Lackschicht.
Die in Fig. ID gezeigte Anordnung wird in eine Sprühvorrichtung zum kathodischen Ätzen der Nickelbeschichten überflache 17 bis 19 gebracht. In einem speziellen Triodensystem wird beispielsweise eine Spitze-Spitze-HF Spannung von
2 400 Volt und eine Stromdichte von 155 niA/cm verwendet.
Unter Verwendung der oben spezifizierten Parameters wird die Nickelschicht in einer Sprühvorrichtung des Triodentyps bei Vorhandensein von Sauerstoff mit einer Rate von etwa 250 bis 300 Ampere pro Minute durch das Sprühen geätzt.,
Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird, die Goldschicht durch das Sprühen um etwa 1600 A pro Minute, und das Platin und Palladium um etwa 500 bis 600 Ä pro Minute abgetragen. ' ■ ■ ' ·
Andererseits können andere bekannte kathodische Ätzmethoden einschließlich des Direktstromsystems verwendet werden. Die erfindungsgemäße Durchführung ist nicht auf das oben beschriebene Triodensystem begrenzt.
Nach der Entfernung der dünnen Nickelschicht 17, der GoIdschicht 16 und der Platin- oder Palladiumschicht 15 kann die Sauerstoffzufuhr abgestellt und die Sprühätzung fortgeführt werden, um die Titanschicht 14 zu entfernen. Der Sprühätzprozeß wird dann beendet, wenn die Siliziumoxidschicht 13 erreicht 1st. Dieses Verfahren erfordert eine Beobachtung und in Folge davon eine manuelle Steuerung des Prozeßee. Die Sauerstoffzufuhr kann fortgesetzt werden, was zur Bildung einer Titanoxidschicht führt, wenn die Titanschicht freigelegt ist. Dies hat die Wirkung, daß der Spriihätzprozeß für Titan auf eine sehr niedrige Abtragungsrate von etwa
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10 bis 15 Ä pro Minute verlangsamt wird, so da£ der Abtragungsprozeß im wesentlichen angehalten wird. Die Abtragungsrate eteht ini Gegensatz zur Abtragungarate für Titan ohne sauerstoff, die etwa 50 bis 00 K pro Minute beträgt. Bei dieser alternativen Methode wird der Rest der Titanschicht ohne Schwierigkeit unter Verwendung von EDTA Atzmittel entfernt.
Der Halbleiterkörper 11 sieht dann im wesentlichen so aus. wie es in Fig. JE gezeigt ist. Es bleiben lediglich die Teile des Metallisierungsmusters zurück, die durch die Nickelschicht 17 bis 19 maskiert sind. Obwohl in der dargestellten Querechnittsansicht der Metallisierungsteil die Elektroden umfaßt, die durch dieSiliziumoxidmaske hindurch eine Verbindung mit dem Halbleiterkörper herstellen, ist es selbstverständlich, daß das Metallisierungsmuster Verbindung»- leitungsteile aufweisen kann, die auf dem Oxid liegen oder auf anderen dielektrischen Schichten, wie Kombinationen von Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid.
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Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung ist es selbstr verständlich, daß der Hinweis auf die Bildung einer Materialschicht auf einem Halbleiterkörper nicht auf die Anordnung beschränkt ist, bei welcher die Schicht in direktem Kontakt mit einer Oberfläche des Körpers ist, sondern er soll sich auch auf Mehrfachschichtanordnungen erstrecken, bei denen die betrachtete Schicht auf anderen metallischen oder dielektrischen Schichten liegt. In Verbindung mit der Beschreibung dieser Erfindung beispielsweise handelt es sich bei der Metallschicht, die von besonderer Bedeutung ist, und die durch kathodisches Ätzen unter Verwendung von Maskier ungsmethoden zu einem bestimmten Muster geformt werden soll, um eine auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildete Metallschicht. Selbstverständlich können zwischen dieser besonderen Metallschicht und der eigentliche Oberfläche des Halbleiterkörpers eine öder mehrere dielektrischeiScmichteh wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid, oder auch eine oder mehrere Metallschichten liegen.
Obwohl es nicht dargestellt ist, wird die Nickelschicht schließ-
IG
licli auf bequeme ^eifie iuit einen Lösungsmittel viie Eisen (UT)-Chlorid entfernt. Ersatzweise kann in luancheri Anordnungen das Nickel als Teil de f. !Yietallisierim^paufbaus besteher bleiben.
Obwohl die vertikalen Abmessungen in Pig. IE übertrieben sind und in der Darstellung Disproportionen vorhanden Bind, stellen die das Fetallisierungsmuster beschreibenden, durch Sprühen geatzten Seiten im wesentlichen das Ergebnis dar, das man durch Anwenden des Sprihätzverfahrens gemäfl dieser Erfindung erhält. Es ist dieses Merkmal, das die Erfindung gegenüber der isotcpischen Ätzmethode besonders vorteilhaft für präzise Genauigkeit der Metallisierungstiiuster macht. IVlan kann auch sehen, daR die Sprühätzmethode bei Verwendung von galvanisch niedergeschlagenen Nickelruasken die feinen Toleranzen und geringen Abstände ermöglicht, die fur Halbleiterbauelemente mit höherer Leistungsfähigkeit und höherer Qualität gefordert wird.
Ein anderes Ausfuhrungsbeispiel, bei dem dieselbe galvanisch niedergeschlagene Nickelniaske zur Spruhatzung verwendet wird.
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ist in den Fig. 2A und 2B dargestellt. In. wesentlichen kann die Goldschicht lö weggelassen werden, und die Nickeln)aske selbst, die an die ,Stelle des Goldes getreten ist, oder, in einigen Fällen, die Platin- oder Palladium schicht kann als die äußere Schicht des Metallisierungsmusters verwendet werden. Bezüglich Fig. 2A ist die Methode ähnlich der bereits beschriebenen, mit der Ausnahme, daß das Photolackmuster 20 direkt auf der Oberfläche der Platin- oder Palladiumschicht 15 gebildet ist. Im allgemeinen haften Standardphotolacke an diesen besonderen Metallen zufriedenstellend
gut, und die dünne Nickelschicht ist unnötig. Das dickere Nickelmaskenmuster 21 wird dann wie oben erwähnt durch einen galvanischen Niederschlagungsprozei? gebildet.
V.'ie in Fig. 2B gezeigt ist, folgt auf das anschließende Entfernen des Photo lackmusters wieder ein Spruhätzvorgang, um das präzise Metallisierungsmuster festzulegen.
Im allgemeinen hat in beiden oben beschriebenen Ausführurigs-
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iurmen me dxcke mckelmatikenschicnt eine Dictte vuii uüÜO bis büüü A. Die Photolacitschiciil äulite die de Jjic übersteigen, um ein über beschichten, und somit eine schlechte JVi aster Genauigkeit zu verhindern. In mauchen Fällen werden, wie es nach dem Stand der Technik bekannt IBt, dickere Photolackschichten durch Mehrfachbeschichten erzeugt, was den zusätzlichen Vorteil der verringerten jNadellochdichte und der verbesserten Genauigkeit hat.
Aus der vorausgegangenen Darlegung, die anhand von Ausfuhrungsformen gemacht worden ist, bei denen besondere Metalle verwendet werden, ist es ersichtlich, daü eine Vielzahl anderer Metallisierungskombinationen in gleicher Vveise durch Sprühätzen mit Hilfe von Nickelniaakeii festgelegt werden können, wenn die infrage stehenden Metalle geeignete Spruhätzraten haben. Beispielsweise sind zwei Aietallanordnungen wie Vv olfrain und Titan vorgeschlagen worden und sogar Einmetallschichten können fur besondere Bauelemente arte η verwendet werden. Die vorteilhaften Nierk male der Erfindung beruhen auf dem hohen Genauigkeitsgrad
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und den Maskierungseigenschaften einer galvanisch niedergeschlagenen Nickelschicht. Generell können anstelle der ersten oder Titanmetallschicht folgende Metalle gesetzt werden: Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Niob und Chrom. Anstelle der zweiten Metallschicht können zusätzlich i\t Platin oder Palladium Nickel, Rhodium,
Wolfram, Tantal, Molybdän und Silber treten.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Herstellung einen
    elementen, das einen Halbleiterkörper ii.it einem IvIetallieieruugäiiiustex" auf einer überfläche auf we ist, welches durch Metallinederschlageη und kathudischee Atzen gebildet WiFd4 wobei wenigstens eine erste Metallschicht niedergeschlagen wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dall das Ivietallisierungsniuster durch selektives galvanisches Miederschlagen einer Nickelsehicht (19) auf der ersten Metallschicht festgelegt wird, und daii die erste Metallschicht genügend lange einer kathodischen Ätzung ausgesetzt wird, um deren nicht vun Nickel bedeckte Teile zu entfernen*
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß auf der Oberfläche der Metallschicht eine das M et aiii-
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    Cl X
    sierungsmuster bestimmende Maskierungsschicht aus dielektrischem Material (18) gebildet, eine Nickelschicht (19) auf den nicht maskierten Teilen der Metallschicht galvanisch niedergeschlagen und die Maskierungsschicht wieder entfernt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Nickelschicht (17) auf der Metallschicht aufgebracht wird, um die Maskierungsschicht aus dielektrischem Material zu unterlegen.
    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Platin, Palladium, Nickel, Rhodium, Wolfram und/oder Silber gebildet wird,
    5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Metallzwischenschicht (15) auf der ersten Metallschicht aufgebracht wird.
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    Verfahren nach Anapruch r>, .! a I u r c h gekeniiz e i chu11, lld': e.i'ie zweite IVit'tallz vvischenochicht (Iu) auf^euracht wird, 'lie· .infer der Nickel^oliicht lie^t.
    7. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dal? die erste IVietalLiwisehenschicht .aui Titan, Zirkonium, Ilafniiuii, Vanadium, Tantal, Niob und/jdor Chi\m- gebildet
    ?. Verfahren nach Anspruch i>,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallzwischenschicht aus C)Id gebildet wird.
    1J. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch ^ukennzei c ti η e t, duiJ die eine Metallschicht aus Titan gebildet wird und die kathotlische Atzung in einer aauerstuffhaltigen Uiiigebung vorgenornmen wird, wodurch der Atzprozeß von selbst auf hört, wenn die Titanachicht freigelegt ist.
    3098 30/0822
    BAD
    Leerseite
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