DE2556038A1 - Verfahren zur herstellung von feldeffekttransistoren fuer sehr hohe frequenzen nach der technik integrierter schaltungen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von feldeffekttransistoren fuer sehr hohe frequenzen nach der technik integrierter schaltungenInfo
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Description
75008 PARIS / Frankreich
Unser Zeichenί Τ 1904
Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren für
sehr hohe Frequenzen nach der Technik integrierter Schaltungen
Die Erfindung bezieht sich auf Strukturen, die auf ein und demselben Halbleiterplättchen integriert sind und zumindest
einen Feldeffekttransistor enthalten, der bei einer Frequenz von mehr als etwa zehn Gigahertz und insbesondere
oberhalb von 30 GHz arbeiten soll. Im gleichen Fall besteht das Halbleiterplättchen aus einem Körper mit sehr hohem
spezifischem Widerstand, wie beispielsweise einem halbisolierenden Galliumarsenideinkristall. Das Plättchen dient
als Substrat für eine Feldeffekttransisterstruktur, die in
Mesa-Technik hergestellt ist, d.h. die von den benachbarten Strukturen durch eine Rille isoliert ist, welche das
halbisolierende Substrat freilegt.
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In der herkömmlichen Technik der Herstellung von Feldeffekttransistoren bringt man durch Epitaxie die Schicht auf, in
welcher sich der leitende Kanal ausbilden soll, und anschließend werden durch Maskierungen und aufeinanderfolgende
Aufträge die Source-, Gate- und Drainkontakte gebildet. Schließlich graviert man die durch Epitaxie aufgewachsene
Schicht, um eine Mesastruktur zu gewinnen. In dem Fall von Transistoren, die bei Frequenzen oberhalb von 30 GHz arbeiten
sollen, überschreiten gewisse Abmessungen einen Mikrometerbruchteil nicht, insbesondere die Tiefe des Kanals,
wobei der Abstand zwischen Source- und Drainkontakt in der Größenordnung von einem Mikrometer liegt. Die aufeinanderfolgenden
Maskierungsoperationen werden schwierig, insbesondere um eine ausreichend genaue Positionierung zu erzielen.
In dem Fall der integrierten Schaltungen, in welchem einige zehn und einige hundert Strukturen auf demselben
Plättchen hergestellt werden sollen, wird der Herstellungswirkungsgrad äußerst gering, was dazu zwingt, zu
der Herstellung von unitären Bauelementen zurückzukehren. Eines der Ziele der Erfindung ist es, die satzweise Herstellung
zu ermöglichen, d.h. die gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl von Strukturen mit einem akzeptablen
Wirkungsgrad und zu einem mäßigen Herstellungspreis.
Das Verfahren nach der Erfindung geht von einem Substrat aus einem halbisolierenden Material aus, das mit einer
Halbleiterschicht mit vorbestimmter Leitfähigkeit überzogen
ist. Es ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- Auftragen einer leitenden Schicht, die später die Source-
und Drainkontakte bilden soll, auf die Halbleiterschicht,
- Ionengravieren auf einer Fläche, die durch eine die Kontakte schützende metallische Maske begrenzt ist, mit Hilfe
von Ionen mit vorbestimmter Energie und vorbestimmter Dichte, mit denen die Halbleiterschicht beschossen wird,
- Auftragen einer durch ein Lösungsmittel angreifbaren Schutzschicht
auf eine durch Maskierung begrenzte Fläche, mit Ausnahme des Zwischenraumes zwischen den Kontakten;
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- Auftragen einer Metallschicht auf die in dem vorhergehenden Schritt erhaltene Anordnung, wobei die Dicke des Auftrags
auf den zu der Halbleiterschicht senkrechten Flächen minimal ist und wobei die Metallschicht den Gatekontakt in dem
Zwischenraum zwischen den Kontakten bildet,
- elektrolytisches Gravieren der Metallschicht, außer in
dem Zwischenraum zwischen den Kontakten,
- Beseitigung der Schutzschicht durch ein Lösungsmittel, und
- Ionengravieren zum Beseitigen der Halbleiterschicht dortf
wo sie freiliegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 bei (a) einen Querschnitt durch und bei
(b) eine Draufsicht auf einen Transistor, der dem durch das Verfahren nach der Erfindung
erhaltenen sehr nahekommt,
die Fig. 2-6 die Hauptschritte des Verfahrens nach der
Erfindung, und
Fig. 7 den am Schluß erhaltenen Transistor.
Wie weiter oben bereits erwähnt, ist das Verfahren nach der
Erfindung bei der satzweisen Herstellung einer großen Anzahl von Strukturen auf ein und demselben Plättchen anwendbar,
welches für die Strukturen ein gemeinsames Ausgangssubstrat bildet. In dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird ein Teil eines Plättchens betrachtet, der den als Beispiel gewählten Feldeffekttransistor tragen
soll. Es versteht sich jedoch, daß jede der im folgenden beschriebenen und dargestellten Operationen gleichzeitig auf
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anderen Teilen des Plättchens entsprechend den aus einer
einzigen Maske ausgeschnittenen Mustern bei jedem Herstellungssehritt ausgeführt wird.
Die in Fig. 1 als Beispiel dargestellte Struktur ist ausgehend von einem Teil 10 eines einkristallinen Galliumarsenidplättchens
mit einer Dicke von 300 ,um bis 400 ,um hergestellt worden. Dieses Plättchen hat eine bekannte
lonenbehandlung erhalten, durch die es halbisolierend gemacht worden ist. Die eigentliche Feldeffekttransistor-Struktur
enthält außer dem Substratteil:
- einen Streifen 11 aus N-dotiertem Galliumarsenid (Länge:
einige hundert Mikrometer; Breite: 3 ,um bis 4 ,um; Dicke
ungefähr 3 ,um); der Streifen hat in seinem Mittelteil
einen Einschnitt .110 mit einer Breite in der Größenordnung
von einem Mikrometer und mit einer solchen Tiefe, daß er für den Bereich, in welchem sich der Kanal ausbilden
soll, eine Höhe h von 0,5 ,um stehen läßt;
- ohmsche Kontakte, welche einen Stapel aus Streifen 12
und 13 (Legierungen aus Gold und Germanium, die mit Nickel überzogen sind) und aus Aluminiumüberzügen 14 und 15 enthalten,
welche die Source- und Drainkontakte bilden;
- einen Aluminiumüberzug 111, welcher einen Schottky-Gatekontakt
bildet, welcher auf den Grund des Einschnittes aufgebracht ist.
Im folgenden werden die aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung einer Struktur beschrieben, die der in Fig. 1
dargestellten sehr nahekommt:
Schritt (a): Auf ein halbisolierendes Galliumarsenidplättchen trägt man, beispielsweise durch Epitaxie, eine Halb-
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leiterschicht (beispielsweise aus Galliumarsenid) auf,
die mit Verunreinigungen vom N-Typ (Zinn- oder Texluratome) dotiert ist/ deren Konzentration von 10 bis
10 Atome pro Kubikzentimeter geht.
Die Dicke der in den Fig. 1 und 2 mit der Bezugszahl 11 bezeichneten Schicht beträgt beispielsweise 3 ,um. Aus
Gründen einer leichteren Herstellung beträgt diese Dicke zumindest 1 ,um, was genügt, um in dem unten angegebenen
Schritt (d) einen Kanal zu erhalten, der ungefähr 0,5 ,um tief ist.
Schritt (b): Auf die in dem Schritt (a) aufgetragene Halbleiterschicht trägt man eine in Fig. 2 mit der Bezugszahl 20 bezeichnete Schicht auf, die:
- entweder aus einer Legierung aus Gold und Germanium besteht, welche beispielsweise 80 bis 90 % Gold und 10 bis
20 % Germanium enthält,
- oder aus einer gleichen Legierung besteht, welche mit einer Schicht aus reinem Nickel (mit einer Dicke von
einigen hundert Angström) überzogen ist.
Die Dicke der Schicht 20 liegt in der Größenordnung von eintausend Angstrom.
Der Überzug wird beispielsweise hergestellt, indem eine
Gold-Germanium-Legierung im Vakuum aufgedampft wird, woran anschließend, gegebenenfalls, reines Nickel im Vakuum
aufgedampft wird.
Die so hergestellte Schicht erhält eine Wärmebehandlung, beispielsweise indem das Plättchen ungefähr fünf Minuten
lang in einem Ofen unter Wasserstoffatmosphäre auf einer Temperatur von 450 C gehalten wird.
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Schritt (c) : Auf die in dem Schritt (b) aufgetragene Schicht werden zwei Chromstreifen (in Fig. 2 mit den
Bezugszahlen 21 und 22 bezeichnet) mit einer Dicke von ungefähr 3000 Angström aufge" .acht. Die Herstellung
dieser Streifen erfolgt durch ein herkömmliches Mas*: kierungs- und Belichtungsverfahren eines lichtempfindlichen
Harzes unter Verwendung einer Maske, die entsprechend dem Muster der Streifenpaare 21, 22 ausgeschnitten
ist (diese Maske dient zur Herstellung aller Strukturen ein und desselben Plättchens). Nach
dem Entwickeln des Harzes erhält man langgestreckte Vertiefungen, die den herzustellenden Paaren von Streifen
21 und 22 entsprechen. Durch Vakuumaufdampfung von Chrom füllt man die Vertiefungen aus und man überzieht
das Harz mit einer Schicht, deren Dicke gleich der Tiefe der Vertiefungen ist» Nach der Auflösung des Harzes
verschwindet das auf das Harz aufgebrachte Chrom ebenfalls und es bleiben nur Paare von Streifen 21
und 22 bestehen. Die gesamten Operationen erfordern keine besondere Genauigkeit hinsichtlich der Positionierung
der Streifen in bezug auf das Plättchen. Lediglich der Abstand zwischen den Streifen jedes Paares soll mit
einer Genauigkeit eingehalten werden, die besser als ein Mikrometer ist (in der Größenordnung eines ZehnteJmikrometers
, wenn möglich).
Schritt (d): Es wird eine Ionengravierung der in dem Schritt (c) erhaltenen Struktur ausgeführt, indem das
Plättchen in ein Gerät gebracht wird, in welchem es mit Ionen bearbeitet wird. Dieses Gerät enthält eine
Quelle von Argonionen, denen eine Energie von 1 keV gegeben wird, wobei die Dichte des Ionenbeschusses einem
ο
Strom von 1 mA/cm entspricht. Wenn gewisse Teile des Plättchens, welches die zu gravierenden Strukturen trägt, geschützt werden sollen, bedeckt man sie mit einer Metallmaske (beispielsweise Aluminium oder Chrom, mit
Strom von 1 mA/cm entspricht. Wenn gewisse Teile des Plättchens, welches die zu gravierenden Strukturen trägt, geschützt werden sollen, bedeckt man sie mit einer Metallmaske (beispielsweise Aluminium oder Chrom, mit
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einer ausreichenden Dicke, d.h. mit einer Dicke von einem Millimeter bis zu mehreren Millimetern). Es ist
bekannt, daß sich unter den vorstehend angegebenen Ionenbeschußbedingungen folgende Gravierungsgeschwindigkeiten
ergeben:
- 2 500 Angström/Minute für Galliumarsenid,
200 Angström/Minute für Chrom,
- 400 Angström/Minute für Aluminium.
Fig. 3 zeigt die Struktur nach einer gewissenen Ionenbearbeitungszeit,
beispielsweise nach etwa fünfzehn Minuten. Die Schicht 20 ist außerhalb der Streifen 21
und 22 verschwunden, die mit einer viel geringeren Dicke stehenbleiben. Die Schicht 11 ist tief graviert
und bleibt mit einer Dicke h bestehen. Man reguliert diese Dicke, indem man die Bearbeitung entsprechend den
Angaben anhält, die von einer Probestruktur geliefert werden, welche unter den üblichen Bedingungen, die bei
der Ionenbearbeitung praktiziert werden, als Muster benutzt wird. In diesem Stadium ist zwischen den Streifen
21 und 22 ein Einschnitt vorhanden.
Schritt (e): Man bringt auf die am Ende des Schrittes (d) erhaltene Struktur, die in Fig. 4 erneut dargestellt
ist, eine Maske 41 aus Harz auf. Das Harz bedeckt die gesamte Struktur mit Ausnahme des Bodens des Einschnittes
und der Ränder·dieses Einschnittes. Um nämlich
die Genauigkeit zu begrenzen, die für die Herstellung der Maske erforderlich ist, überzieht man nur
einen Teil der Streifen 21 und 22 mit Harz. Diese Maskierung kann mit Hilfe von elektronenempfindlichem Harz
(beispielsweise Polymethacrylsäuremethylester) in einem
elektronischen Maskierer ausgeführt werden. Die Dicke des Harzes liegt in der Größenordnung von 0,5 μια.
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Man schreitet dann durch Aufdampfung im Vakuum zum Auftragen einer Aluminiumschicht auf die gesamte
Struktur. Diese Aufdampfung erfolgt gerichtet (mit
Hilfe einer entfernt angeordneten Quelle) und senkrecht zu der großen Fläche des Plättchens 10. Man erhält
so in Fig. 4 dargestellte Aufträge mit folgenden Bezugszeichen:
- 43 für den Mittelteil, mit Schichten 431 (auf dem oberen Niveau) und 432 (auf dem unteren
Niveau), weiche eine Dicke von 0/5 ,um haben und durch
einen sehr dünnen Streifen verbunden sind;
- 44 für die seitlichen Teile, mit Schichten 441 (auf dem oberen Niveau) und 443 (auf dem unteren
Niveau), die durch viel dünnere Streifen 442 verbunden sind.
Schritt (f): Die in dem Schritt (e) aufgebrachte Aluminiumschicht
wird elektrolytisch . graviert, indem der Elektrodenkontakt auf dem Überzug 443 gebildet
wird. Sobald der Streifen 442 entfernt ist, was aufgrund seiner geringen Dicke schnell vor sich geht,
wird der elektrolytische Angriff nur bezüglich der Schicht 443 fortgesetzt und man erhält die in Fig.
dargestellte Struktur, in welcher an der Stelle sehr wenig Aluminium noch vorhanden ist.
Schritt (g)ι Man beseitigt das Harz 41 mit Hilfe eines
Lösungsmittels und man erhält so die in Fig. 6 dargestellte Struktur, wobei die Schichten 441 und 443 gleichzeitig
mit dem Harz, das sie trug, beseitigt worden sind.
Schritt (h): Man führt eine neue Ionengravierung unter denselben Bedingungen wie in dem Schritt (d) aus, aber
mit einem Probemuster, das derart gewählt ist, daß die Gravierung unterbrochen wird, wenn die Schicht 11 und
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eine oberflächliche Schicht des Plättchens 10 auf dem
Umfang der Struktur beseitigt worden sind. Man beobachtet, so wie in Fig. 7 dargestellt, eine Rille 70. Die
übrigbleibenden Aluminiumüberzüge (dieses Metall hat gegenüber der Ionengravierung eine bessere Beständigkeit
als das Halbleitermaterial) bilden die Source- und Drainkontakte 71 und 72 sowie den Schottky-Gatekontakt
73.
Das beschriebene Herstellungsverfahren kann im Rahmen
der Erfindung folgendermaßen geändert werden:
- in dem Schritt (a) kann man von einem Plättchen aus Saphir (Kristall aus reinem Aluminiumoxid) oder aus
Indiumphosphid ausgehen;
- in dem Schritt (c) kann man auf das Verfahren der elektronischen Maskierung zurückgreifen, indem elektronenempfindliche
Harze benutzt werden;
- in dem Schritt (e) kann man, wenn die geforderte Genauigkeit nicht zu groß ist, die photographische Maskierung
mit lichtempfindlichem Harz anwenden;
- in demselben Schritt (e) kann man ein Metall auftragen, bei welchem es sich nicht um Aluminium handelt,
vorausgesetzt, daß es ein guter elektrischer Leiter ist.
Die Erfindung ist bei der Herstellung von Strukturen anwendbar , die von den Feldeffekttransistoren des beschriebenen
und dargestellten Typs abgeleitet sind:
- sättigbare Widerstände , die man erhält, indem man durch eine ständige Verbindung den Sourcekontakt mit
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dem Gatekontakt verbindet;
- Dioden, die man erhält, indem allein der Schottky^·
Übergang benutzt wird.
Schließlich ist die Erfindung bei der Herstellung von integrierten Schaltungen anwendbar, welche zumindest
einen Feldeffekttransistor oder eine sich davon ableitende Struktur enthalten.
Die Erfindung gestattet das Herstellen von Strukturen, welche bei Frequenzen oberhalb von 30 GHz verwendbar
sind.
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Claims (13)
1.) Verfahren zur Herstellung von Feldeffekttransistoren,
äie für den Betrieb bei sehr hoher Frequenz bestimmt sind/ nach der Technik integrierter Schaltungen, wobei
von einem Substrat aus einem halbisolierenden Material ausgegangen" wird, das mit einer Halbleiterschicht vorbestimmten
Leitungstyps überzogen ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
. - Auftragen einer leitenden Schicht, die später die
Source,- und Drainkontakte bilden soll, auf die Halbleiterschicht,
- Ionengravieren auf einer Fläche, die durch eine die Kontakte schützende metallische Maske begrenzt ist, mit
Hilfe von Ionen mit vorbestimmter Energie und vorbestimmter
Dichte, mit denen die Halbleiterschicht beschossen wird,
- Auftragen einer durch ein Lösungsmittel angreifbaren Schutzschicht auf eine durch Maskierung begrenzte Fläche,
unter Ausschluß des Zwischenraums zwischen den Kontakten;
- Auftragen einer Metallschicht auf die in dem vorhergehenden Schritt erhaltene Anordnung, wobei die Dicke
des Auftrags auf den zu der Halbleiterschicht senkrechten Flächen minimal ist und wobei die Metallschicht den Gatekontakt
in dem Zwischenraum zwischen den Kontakten bildet,
- elektrolytisches Gravieren der Metallschicht, außer in dem Zwischenraum zwischen den Kontakten,
- Beseitigung der Schutzschicht durch ein Lösungsmittel, und
- Ionengravieren zum Beseitigen der Halbleiterschicht dort, wo sie freiliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dasselbe Substrat für die gleichzeitige Herstellung von mehreren Feldeffekttransistoren benutzt wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das halbisolierende Material Galliumarsenid ist und daß die Halbleiterschicht aus Galliumarsenid
besteht, das mit Verunreinigungen vom N-Typ dotiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial reines Aluminiumoxid
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Indiumphosphid ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmaske aus einer Chromschicht
besteht, die im Verlauf eines Zwischenschrittes hergestellt wird, welcher eine vorherige Maskierung
und ein Auftragen von Chrom durch Aufdampfen im Vakuum umfaßt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ionengravieren mit Hilfe von Ärgonionen ausgeführt wird, die eine Energie von ungefähr
1 keV und eine Dichte haben, welche einem Strom von un-
2
gefähr 1 mA/cm entspricht.
gefähr 1 mA/cm entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Harz gebildet wird, welche durch Entwickeln einer elektronen- oder
photonenempfindlichen Harzmaske erhalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus Aluminium besteht.
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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolytische Gravieren ausgeführt
wird, indem ein Elektrodenkontakt auf einem Teil der Metallschicht, der sich außerhalb des Zwischenraums
zwischen den Kontakten befindet, gebildet wird.
11. Halbleiterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Herstellung ein Verfahren nach einem der Ansprüche
1 bis 10 beinhaltet.
12. Feldeffekttransistor, dadurch gekennzeichnet, daß
seine Herstellung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 beinhaltet.
13. Integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Herstellung ein Verfahren nach einem der Ansprüche
1 bis 10 beinhaltet.
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FR2294544A1 (fr) | 1976-07-09 |
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