DE2324780A1 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements

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Description

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, bei dem ein scheibenförmiger Halbleiterkristall an einer Oberflächenseite mit einer gleichförmigen epitaktischen Schicht bedeckt, dann die epitaktische Schicht unter Entstehung mindestens eines mesaartigen Vorsprungs teilweise abgetragen und der mesaartige Vorsprung an seiner Kuppe mit einer Metallelektrode versehen wird.
Eine solche Technik ist bei der Erzeugung von Mesa-Epitaxialtransistoren bzw. Mesaepitaxialdioden gebräuchlich. Der Übergang zwischen ursprünglichen scheibenförmigen Halbleiterkristall und der epitaktischen Schicht kann als pn-übergang ausgebildet sein. In den meisten Fällen ist es jedoch ein nn - oder ein pp -Übergang.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich weniger um die Erzeugung einer Halbleitervorrichtung mit Mesabauart, als um die Herstellung von sog. Dünnschichtelementen, bei denen also der Halbleiterkörper in Form einer dünnen Schicht zwischen zwei - mehr oder weniger flächenhaft ausgebildeten Elektroden angeordnet ist. In der Regel ist dabei ein sich parallel zu der Kontaktfläche dieser Elektroden erstreckender Übergang zwischen Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit vorhanden. Beabsichtigt ist vor allem der Ausbau als
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Lawinendiode, insbesondere auch als Schottkydiode, oder auch, als Gunndiode oder als Varactordiode.
Bei der Herstellung solcher Bauelemente wird vielfach von den technologisch schwieriger als Silizium- oder Germanium zu behandelnden Verbindungshalbleitern, z.B. GaAs oder GaP, Gebrauch gemacht. Die für die Entstehung solcher Dünnschichtdioden erforderlichen Prozesse führen leicht zu Rissen und sonstigen Beschädigungen der spröden Halbleiterkristalle, welche die Funktion der Elemente in Frage stellen. Außerdem treten leicht Ungenauigkeiten der geometrischen Abmessungen auf. Es ist Aufgabe der Erfindung hier eine Abhilfe zu schaffen.
Hierzu geht die Erfindung von einem Verfahren der eingangs definierten Art aus und sieht bei diesem erfindungsgemäß vor, daß nicht nur die Kuppe, sondern auch die Flanke und die Umgebung des an der epitaktischen Schicht entstandenen und eine im Vergleich zur Stärke der epitaktischen Schicht größere Höhe erhaltenden mesaartigen Vorsprungs zur Gänze mit einer schichtförmigen ersten Metallelektrode bedeckt, dann der ursprüngliche scheibenförmige Halbleiterkristall an der dem mesaartigen Vorsprung gegenüberliegenden Seite gleichförmig soweit abgetragen wird, bis das die Umgebung des mesaartigen Vorsprungs bedeckende Metall der ersten Elektrode in Form eines die Basis des — einen Rest der epitaktischen Schicht und des ursprünglichen Halbleiterkristalls aufweisenden - mesaartigen Vorsprungs umgebenden Ringes an der Abtragungsseite freigelegt ist, daß dann die bei dem Abtragungsvorgang neu entstandene Halbleiteroberfläche mit einer inselartig von der ersten Metall-
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elektrode abgesonderten, vorzugsweise als zweite Metallelektrode ausgebildeten Ätzmaske versehen und mit deren Hilfe weiteres Halbleitermaterial soweit abgeätzt wird, bis der Übergang zwischen dem Grundmaterial und der epitaktischen Schicht in dem durch den ehemaligen mesaartigen Vorsprung gebildeten Halbleiterrest nicht mehr durch das Metall der ersten Elektrode kurzgeschlossen ist.
Bevorzugt ist die erste Elektrode als gleichrichtende Elektrode, insbesondere mit Schottkykontakt im Falle der Herstellung einer Lawinenlaufzeitdiode ausgebildet. Auf diesen speziellen Fall wird sich die weitere Beschreibung der Erfindung bevorzugt richten. Im Falle der Erzeugung einer Gunndiode werden beide Elektroden als ohmsche Kontakte ausgebildet. Schließlich kann entweder der durch die Epitaxie erzeugte Übergang ein pn-übergang sein, oder mindestens an einer der Elektroden zu einem pn-übergang führen. Die erste Elektrode wird immer als selbsttragende Schicht hoher Festigkeit ausgebildet, so daß sie in der Lage ist, die bei der weiteren Bearbeitung auftretenden mechanischen Beanspruchungen abzufangen. Die schließlich erhaltene Dicke des Bauelements entspricht ersichtlich höchstens nur der Höhe der ursprünglichen Mesa an der epitaktischen Schicht.
Dabei werden bevorzugt folgende Maßnahmen ergriffen:
1. Der gleichrichtende und die erste Elektrode bedingende Kontakt ist ein Schottkykontakt. Verwendet man hierfür eines der Metalle Chrom, Nickel, Platin, Palladium, Molybdän, Titan oder Aluminium, so empfiehlt es sich vielfach, nur den mit dem Halbleiterkörper unmittelbar in Berührung stehenden Teil dieser Elektrode aus dem
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zur Bildung eines Schottkykontakts "befähigten Metall zu fertigen, während der übrige Teil der ersten Elektrode aus einem mechanisch stabileren Metall besteht.
2. Die bei der zweiten Mesaätzung anzuwendende Ätzmaske wird zweckmäßig zugleich als Elektrode ausgebildet, welche den verbliebenen η -Res
. Halbleiterkörper kontaktiert.
welche den verbliebenen η -Rest des ursprünglichen
Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 5 näher beschrieben. Dabei soll eine Lawinenlaufzeitdiode mit Schottkykontakt hergestellt werden.
Ausgangspunkt bildet eine etwa 100 - 400/um Stärke aufweisende η -leitende Scheibe 1 aus Galliumarsenid (z.B. mit einer Dotierungskonzentration von mehr als 10 cm"""), an deren einen Oberflächenseite eine epitaktische Schicht aus dem gleichen Material mit einer Dicke von etwa 2 /um abgeschieden wird. Die Dotierung der euitaktischen Schicht wird auf etwa 2.10 cm"^ eingestellt und besteht beispielsweise aus Zinn (Sn). Auf der epitaktischen Schicht 2 wird dann eine Fotolackmaske 3 aufgebracht, welche einen oder mehrere inselartige Bereiche der freien Oberfläche der epitaktischen Schicht 2 abdeckt. Beispielsweise sind diese inselartig ausgebildeten Fotolackmasken 3 nach einem 1000/um-Raster angeordnet und weisen jeweils etwa 650/um Durchmesser auf.
Als Fotolack ist beispielsweise die Type AZ 1350 geeignet.
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Mit Hilfe dieser Photolackätzmaske 3 und eines geeigneten Ätzmittels, z.B.
wird nun der Halbleiterkörper an der mit der epitaktischen Schicht 2 versehenen Seite solange einer Ätzbehandlung unterzogen, bis mindestens ein mesaartiger Vorsprung 4 entstanden ist, dessen Höhe größer als die Dicke der epitaktischen Schicht 2 gewählt wird. Infolgedessen erhält der mesaartige Vorsprung 4 an seiner Grundfläche einen Teil des ursprünglichen n+-Materials, das später die Entstehung des ohmschen Kontaktes mit der zweiten Elektrode begünstigt (Fig. 1).
Werden mehrere Elemente nebeneinander aus der gMchen Halbleiterscheibe erzeugt, so wird man mehrere mesaartige Vorsprünge 4 an derselben Seite der Halbleiterscheibe, also an der Oberfläche der epitaktischen Schicht 2 erzeugen, indem gleichzeitig mehrere insbesondere rasterartig angeordnete Photolackätzmasken 3 vorgesehen werden.
Nach erfolgtem Ätzvorgang wird die Photolackmaske 3 entfernt und die Anordnung zwecks Abrunden der Kanten kurz überätzt. Dann wird die mit dem mesaartigen Vorsprung 4 versehene Seite der Anordnung mit einer Schicht 5 aus dem Metall der ersten Elektrode bedeckt. Im Beispielsfalle besteht diese aus Cr und soll einen Schottky-kontakt mit dem η-leitenden Material an der Kuppe des mesaartigen Vorsprungs 4 bewirken. Falls erforderlich, wird zur Erzielung eines gleichrichtenden Kontaktes zwischen der ersten Elektrode 5 und dem Halbleiter, z.B. bei Herstellung eines pn-Übergangs, eine thermische Behandlung vorgesehen. Im Falle der Verwendung einer aufgedampften oder galvanisch
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erzeugten Cr-Schicht 5 wird diese zweckmäi3ig durch eine wesentlich dickere Ag-Schicht 6 verstärkt. Es empfiehlt sich die Gesamtstärke der ersten Elektrode 5,6 auf einen Wert von 20-300/um einzustellen. Dann zeichnet sich die Mesastruktur der darunterliegenden Halbleiteroberfläche noch durch die Elektrode hindurch ab. Gegebenenfalls wird die freie Oberfläche der ersten Elektrode noch mit einer den späteren Einbau des Elements erleichternden Löt- oder sonstigen Bindeschicht, z.B. aus einer AuGe-Legierung bedeckt.
Es entspricht nun der Erfindung, wenn - wie aus Fig. 3 ersichtlich - der GaAs-Körper 1 an der der ersten Elektrode 5,6 gegenüberliegenden Seite gleichförmig soweit abgetragen wird, bis die tiefsten Stellen der ersten Elektrode in Form eines den mesaartigen Vorsprung an seiner Basis rings umgebenden Metallringes an der Abtragungsseite sichtbar sind. Der verbliebene Halbleiterrest besteht dann nur noch aus dem ehemaligen mesaartigen Vorsprung und besteht an seiner Basis aus dem Rest der ehemaligen η -Zone und an seiner Deckfläche aus dem Rest der ehemaligen epitaktischen Schicht. Hat man mehrere sdßhe mesaartigen Vorsprünge 4 an der Halbleiteroberfläche nebeneinander erzeugt, so erhält man eine entsprechende Vielzahl solcher von der ersten Elektrode umgebene Halbleiterreste, falls die Elektrode 5,6 gleichförmig über die gesamte mit den mesaartigen Vorsprüngen versehene Oberflächenseite des GaAs-Körpers aufgebracht wurde. Dann wird jeder dieser Halbleiterinseln zu je einem Halbleiter-
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element weiterverarbeitet. Schließlich wird nach Absolvierung aller noch anstehenden Prozesse die den Zusammenhalt noch gewährleistende erste Elektrode 5t6 zwischen den einzelnen Elementen, z.B. durch Zersägen oder durch Ätzen, aufgetrennt.
Falls die Dicke des n+-leitenden Restes 1 des ehemaligen Kristalls 1 noch weiter reduziert werden soll, kann man die Grundfläche der erhaltenen Inseln noch der Einwirkung eines insbesondere die erste Elektrode nicht angreifenden Ätzmittels aussetzen. Aus Fig. 3 ist bereits die von einem solchen Zwischenätzprozeß herrührende reduzierte Dicke des dem ehemaligen mesaartigen Vorsprungs entsprechenden Halbleiterrest berücksichtigt.
Es entspricht nun der Erfindung, wenn die freigelegte Grundfläche des noch vorhandenen Halbleiterrestes 4 mit einer das dort noch vorhandene η -leitende Material sperrfrei kontaktierenden flächenhaften Elektrode 7 versehen wird, die zugleich als Ätzmaske geeignet ist. Falls die Elektrode 7 nicht ätzfest ist, wird sie zweckmäßig mit einer Ätzmaske abgedeckt, die zudem überall etwas über den Rand der Elektrode 7 hinausragt, um eine Unterätzung der Elektrode 7 zu vermeiden. Aber auch wenn die Elektrode 7 ätzfest ist, wird sie zweckmäßig aus dem gleichen Grund von einer an die Elektrode 7 ringsum dicht anschließenden ringförmigen Photolackschicht umgeben, so daß bei dem fertigen Bauelement die Elektrode nicht seitlich über den Halbleiterkörper des Elements hinausragt.
Zur Herstellung der die zweite Elektrode des herzustellenden Elements bildenden begrenzten Metallschicht kann man
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das Elektrodenmetall "beispielsweise ganzflächig aufdampfen und dann mit Hilfe einer Photolackätztechnik das überschüssige Elektrodenmetall an den unerwünschten Stellen wieder entfernen. Man kann es aber auch mit Hilfe einer entsprechenden Bedampfungsmaske im vornherein selektiv aufdampften oder galvanisch aufbringen.
Zu bemerken ist noch, daß gegebenenfalls die Elektroden 5>6 bzv/. 7 um ihre Funktionen erfüllen zu können, eingetempert werden müssen. Weiterhin ist festzustellen, daß die zweite Elektrode 7 im Beispielsfalle immer nur den η -leitenden Rest an der Grundfläche des noch vorhandenen Halbleiterrestes 4 kontaktiert. Die ohmsche Elektrode 7 kann gegebenenfalls in ähnlicher- Weise wie die Elektrode 5,6 aus mehreren Schichten bestehen. Beispielsweise kann an das GaAs unmittelbar eine 125cige Au-Ge-Schicht grenzen, die von einer Cr-Hi-Schicht und diese durch eine Au-Schicht abgedeckt ist. Ebenso kann auch die erste Elektrode 5,6 noch weitere Schichten, z.B. eine den späteren Einbau des Elements erleichtenden Schicht an der freien Oberfläche der Ag-Schicht 6 versehen werden. Der Durchmesser der zweiten Elektrode 7 kann beispielsweise 50 - 300yum betragen.
Falls mehrere Elemente nebeneinander erzeugt werden, wird jedes Element seine eigene zweite Elektrode 7 erhalten, die von der allen Elementen gemeinsamen ersten Elektrode 5»6 inselartig abgesondert ist.
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Der folgende Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wiederum ein Ätzvorgang, mit dessen Hilfe der bisher bestehende Kurzschluß des η η-Übergangs in dem noch verbliebenen Halblexterrestkörper 4 beseitigt wird. Dabei wird unter Verwendung der Elektrode 7 als Ätzmaske (oder einer gesonderten Ätzmaske, ggf. auch vor dem Aufbringen der Elektrode 7) ringförmig Halbleitermaterial um die Elektrode 7 (bzw. die ihr entsprechende Ätzmaske) abgeätzt, bis dieser Kurzschluß durch die erste Elektrode 5,6 beseitigt ist. Vorwiegend wird man noch daruberhinausgehend weiteres Halbleitermaterial abtragen, bis nur noch ein Kegelstumpf 9 verblieben ist, der an seiner Deckfläche von der ersten Elektrode 5,6 und an seiner Grundfläche von der ohmschen Elektrode 7 bedeckt und kontaktiert wird. Parallel zu den beiden Elektroden erstreckt sich der noch vorhandene Teil des ursprünglichen η η-Übergangs quer durch den Kegelstumpf ((Fig. 4).
Falls mehrere Elemente nebeneinander aus der Halbleiterscheibe hergestellt wurden, ist es nun an der Zeit, die erste Elektrode zwischen den einzelnen Elementen aufzutrennen, um diese selbständig zu machen. Dies ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 dargestellt. Schließlich wird das Element in ein Gehäuse in der üblichen Weise eingebaut. Dabei wird die Tatsache, daß die Elektrode 5,6 robust ausgebildet werden kann, ausgenutzt, wenn man, wie aus Fig. 4 ersichtlich, diese Elektrode durch Thermokompression mittels eines nur mit dieser Elektrode in Berührung kommenden Stempels 11 (Fig. 5) mit einer für
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die Montage des Elements vorgesehenen metallischen Unterlage 12 verbindet. Gegebenenfalls kann auch eine andere Technik, z.B. Ultraschallötung oder -schweißung angewendet werden. Das eingebaute Element wird schließlich nochmals kurz überätzt und dann mit einem die Elektrode 7 kontaktierenden Anschluß, z.B. im Deckel des Gehäuses beim Verschluß, in bleibenden Kontakt gebracht.
Es ist klar, daß es sich bei dem anhand der Fig. beschriebenen EaIl nur um ein Ausführungsbeispiel handeln kann. Die Herstellung einer Gunndiode beispielsweise gestaltet sich ähnlich. Lediglich die Elektrode 5,6 ist ebenfalls wie die zweite Elektrode 7 als ohmscher Kontakt ausgebildet. Bei der Herstellung einer Varaktordiode wird man andererseits dafür sorgen, daß die erste Elektrode mit dem Material der epitaktischen Schicht 2 einen pn-Kontakt bildet. Schließlich ist es auch möglich, daß der Übergang zwischen der epitaktischen Schicht 2 und dem Ausgangskristall 1 ein pn-übergang ist.
5 Figuren
12 Patentansprüche
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Claims (12)

  1. ί 1 .^Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, bei dem ein scheibenförmiger Halbleiterkristall an einer Oberflächenseite mit einer gleichförmigen epitaktischen Schicht bedeckt, dann die epitaktische Schicht unter Entstehung mindestens eines mesaartigen Vorsprungs teilweise abgetragen und der mesaartige Vorsprung an seiner Kuppe mit einer Metallelektrode versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur die Kuppe sondern auch die Flanke und die Umgebung des an der epitaktischen Schicht entstandenen und eine im Vergleich zur Stärke der epitaktischen Schicht größere Höhe erhaltenden mesaartigen Vorsprungs zur Gänze mit einer schichtförmigen ersten Metallelektrode bedeckt, dann der ursprüngliche scheibenförmige Halbleiterkristall an der dem mesaartigen Vorsprung gegenüberliegenden Seite gleichförmig soweit abgetragen wird, bis das die Umgebung des mesaartigen Vorsprungs bedeckende Metall der ersten Elektrode in Form eines die Basis des - einen Rest der epitaktischen Schicht und des ursprünglichen Halbleiterkristalls aufweisenden - mesaartigen Vorsprungs umgebenden Ringes an der Abtragungsseite freigelegt ist, daß dann die bei dem Abtragungsvorgang neu entstandene Halbleiteroberfläche mit einer inselartig von der ersten Metallelektrode abgesonderten, vorzugsweise als zweite Metallelektrode ausgebildeten Ätzmaske versehen und mit deren Hilfe weiteres Halbleitermaterial soweit abgeätzt wird, bis der Übergang zwischen dem Grundmaterial und der epi-
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    taktischen Schicht in dem durch den ehemaligen mesaartigen Vorsprung gebildeten Halbleiterrest nicht mehr durch das Metall der ersten Elektrode kurzgeschlossen ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die erste Elektrode ein zur Bildung eines Schottkykontaktes "befähigtes Metall verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die zweite Elektrode ein zur Bildung eines ohmschen Kontakts befähigtes Metall verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß bei Verwendung von η-leitendem GaAs für die epitaktische Schicht für die erste Elektrode mindestens eines der Metalle Cr, Ni, Pt, Pd, Mo, Ti oder Al, vorzugsweise in Form einer aufgedampften oder galvanisch erzeugten Schicht, verwendet wird.
  5. 5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein η -leitender scheibenförmiger GaAs-Einkristall verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Elektrode bildende Metallschicht durch Aufbringen einer weiteren, aus einem anderen Metall bestehenden Schicht verstärkt wird.
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  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Gr, Ni, Pt, Pd, Mo, Ti oder Al bestehende, einen Schottky-kontakt mit dem Halbleiter liefernde erste Elektrode durch eine Ag-Schicht verstärkt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elemente aus einer einzigen Halbleiterscheibe hergestellt und zu diesem Zweck die mit der epitaktischen Schicht versehene Seite des scheibenförmigen Halbleiterkristalls mit mehreren, insbesondere rasterartig angeordneten gleichen mesaartigen Vorsprüngen versehen und die betreffende Seite der Anordnung mit einer Schicht aus dem die erste Elektrode bildenden Metall zur Gänze bedeckt wird.
  9. 9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die infolge der Abtragung des ursprünglichen Halbleitermaterials an der den mesaartigen Vorsprüngen gegenüberliegenden Seite des scheibenförmigen Halbleiterkristalls verblieben und durch die ehemaligen mesaartigen Vorsprünge gegebenen Halbleiterinseln an ihrer jeweiligen Grundfläche mit je einem flächenhaften ohmschen Kontakt versehen werden, der von der gemeinsamen ersten Elektrode inselartig abgesondert ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Elementen entsprechenden Halbleiterkörper nach dem abschließenden Ätzvorgang in Gestalt von kegelstumpfartigen, mit
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    mindestens einem dem Übergang zwischen Grundmaterial und epitaktischer Schicht entsprechenden und parallel zur Grund- und Deckfläche des Kegelstumpfs verlaufenden Übergang, insbesondere n-n -Übergang, erhalten werden, deren Deckfläche von der ersten Metallelektrode und deren Grundfläche von der zweiten Elektrode bedeckt sind.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Ätzmaske dienende zweite Elektrode durch eine an ihrem Rand anschließende ringförmige zweite Ätzmaske, insbesondere Photolackmaske, in ihrer Wirkung als Ätzmaske unterstützt wird.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Montage .des Elements in einem Gehäuse die erste Elektrode des Elements mit einer metallischen Unterlage durch Thermokompression und/oder durch Verlöten bleibend verbunden wird.
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