DE2645425A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung - Google Patents

Description

GÜNTHER M. DAVID phf 75.585

pGf:ni:,s--_r._:or ^ U VOOR/CB

N.V. f'H.üPS" uLÖrlLAMPENFASRIEÜEN ■ . 20.9-1976

Akte· PHP 75-585 ' .

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, "bei dem auf der Oberfläche eines Halbleitergebietes von einem bestimmten Leitungstyp eine elektrisch isolierende Schicht gebildet wird, in der ein Fenster vorgesehen wird, wonach auf der Isolierschicht und in dem Fenster eine metallene Kontaktschicht erzeugt wird, die innerhalb des Fensters auf der Halbleiteroberfläche einen gleichrichtenden Metall-Halbleiterkoiitakt bildet.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von Dioden mit koplanaren Kontakten, die in dem Millimeterwellen-

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längenbereich wirksam sind.

Die Herstellung eines derartigen Diodentyps mit hoher Grenzfrequenz ergibt grosse technologische Probleme. Es ist bekannt, z.B. Dioden mit einem Schottky-Mikrokontakt herzusteile.·:=., wobei der genannte Kontakt auf einem Halble; ;ermaterial mittels eines Ifolframspitzenkontakts ("whisker") gebildet wird. Eine derartige Anordnung ist in der US-PS Nr. 3-575.732 beschrieben. Ausser der Schwierigkeit bei -der Anwendung einer derartigen Anordnung infolge des Abstandes zwischen den nichtkoplanaren Kontakten hat die genannte Anordnung aber den Nachteil, dass sie im Millimeterwellenlängenbereich einen grossen Selbstinduktionskoeffizienten aufweist, was auf die Verwendung eines Spitzenkontakts zurückzuführen ist.

Auch gibt es Dioden, die auf Mikro-

schaltungen montiert werden können und deren Kontakte lediglich durch Anwendung der Technik gebildet werden, die in Fachkreisen als "Beam-lead"-Technik bezeichnet wird.nEin Beispiel der genannten Technik ist in der französischen Patentschrift Nr. 1.430.5.95 beschrieben.

Die Grenzfrequenz dieser Dioden ist aber verhältnismäs-

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sig niedrig. Der leitende Streifen, der als "Beamlead" bezeichnet wird, ist nämlich gegen, das Halbleitermaterial durch eine Isolierschicht isoliert und auf diese Weise wird eine bedeutende Streukapazität gebildet. Ein Beispiel ist auch in der US-PS Nr. 3.6^(0.812 beschrieben, in der u.a. festgestellt wird, dass die Geometrie der hergestellten Anordnung die Erhöhung der Frequenz erschwert: Es ist in der Tat schwiex^ig, die Oberfläche der wirksamen Zone herabzusetzen.

In der offengelegten französischen

Patentanmeldung Nr. 2.072.233 ist ein Verfahreia zur Bildung eines ohmschen Kontakts auf Halbleitermaterial durch Anwachsen eines Gold- oder Silberkontakts beschrieben. Diese französische Patentanmeldung bezieht sich nicht auf eine Halbleiteranordnung mit hoher Grenzfrequenz. Wohl wird in der Variante II in der genannten Anmeldung die Bildung eines zweiten Kontakts erwähnt, aber dieser Kontakt wird auf der anderen Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet, so dass die so hergestellte Halbleiteranordnung nicht integriert werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung bezweckt, eine Halbleiteranordnung der beschriebenen Art mit wesentlich herabgesetzter Streukapazität und hoher Grenzfrequenz bis zu der Grossenordnung von THz

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herzustellen, die sich leicht auf einer Mikroschaltung montieren lässt. Bei einem derartigen Verfahren werden die genannten bei bekannten Verfahren auftretenden Nachteile vermieden und dieses Verfahren eignet sich z.B. für:

a) - die Herstellung von Mischdioden, die in dem Bereich des Q-Bandes wirksam sind, das von den Frequenzen 26 GHz und 40 GHz begrenzt wird, wobei die genannten Dioden nur einen geringen Umwandlungsverlust und einen niedrigen Rauschfaktor aufweisen. Bei derartigen Dioden soll das Verhältnis zwischen der Grenzfrequenz und der Betriebsfrequenz etwa betragen;

b) — die Herstellung anderer Dioden für Signalverarbeitung (Detektionsdioden, PIN-Dioden, usw.) zur Anwendung in Ultrahochfrequenzvorrichtungenf

c) - vielerlei andere Anwendungen, für die eine hohe Grenzfrequenz erforderlich oder erwünscht ist.

Nach der Erfindung ist ein Verfahren der eingangsbeschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht in Form mindestens einer Insel erzeugt wird; dass auf elektrolytischem Wege auf den nicht von der Insel bedeckten Teilen der Halbleiteroberfläche eine metallene Maskierungsschicht angewachsen wird, bis sich diese über den

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Rand der Insel hinweg teilweise über die Isolier™ schicht erstreckt und einen kleinen Oberflächenteil der Insel freilässt; dass dann die Isolierschicht an der Stelle des genannten Oberflächenteils durch einen Ionenbeschuss entfernt wird, um das Fenster zu bilden, wobei die Maskierungsschicht höchstens nur teilweise entfernt wird, und dass danach die MaskierungsschMit völlig entfernt und die metallene Kontaktschicht erzeugt wird.

Eine besondere bevorzugte Ausfuhrungsfonn ist dadurch gekennzeichnet, dass der nicht unter der Insel liegende Teil der Halbleiteroberfläche auf elektrolytischem Wege mit einer Elektrodenschicht überzogen wird, die einen nichtgleichrichtenden Kontakt auf der Halbleiteroberfläche bildet.

Die durch dieses Verfahren hergestellten Dioden weisen folgende Vorteile auf:

- die Abmessungen des erhaltenen Metall-Halbleiter-Kontakts sind sehr klein, was in erheblichem Masse Streueffekte (Selbstinduktionen, Kapazitäten, Streuwiderstände) herabsetzt, die die Grenzfrequenz Fc der Anordnung nach der bekannten Formel Fc = K/KG (wobei K eine Konstante ist j R die Summe der verwendeten Widerstände und C die Summe der Streukapazitäten darstellt) beeinträchtigen können j

da der ohmsche Kontakt die ganze nicht mit Siliziumoxid überzogene OberHäche des Halbleitersub-

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strats bedeckt, schützt der genannte Kontakt dadurch selbst die genannte Oberfläche und sammelt der genannte Kontakt besser die elektrischen Ladungsträger.

Die Montage derartiger Dioden auf¹ einer Mikroschaltung ergibt kein Problem.

Eine weitere.bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der metallenen Kontaktschicht eine elektrisch isolierende Maskierungsschicht erzeugt wird, die die Kontaktschicht in dem Fenster und innerhalb eines Gebietes um das Fenster herum freilässt, wonach auf elektrolytischem Vege auf diesem unüberzogenen Gebiet eine weitere Metallschicht, vorzugsweise aus Gold, angewachsen wird, worauf die isolierende Maskierungsschicht und der darunterliegende Teil der Kontaktschicht entfernt werden.

Die nach der genannten bevorzugten Ausführungsform erhaltene Diode weist eine verhältnisinässig hohe Leistungsdichte auf, denn der massive Kontaktkörper erfüllt die Funktion eines Kühlkörpers. Der genannte Kontaktkörper, der einen kleinen vorspringenden Teil bildet, erleichtert die Montage auf der Mikroschaltung an der Stelle, an der die genannte Diode angeordnet werden wird, wobei der andere Kontakt der Diode, der ein ohmscher Kontakt ist, durch einen leitenden Streifen gebildet wird, dessen Höhe der des Kontakt-

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körpers entspricht. Schliesslich führt dieser Kontakt infolge seiner kleinen Abmessungen keine Verstärkung der unvermeidlichen Streueffekte herbei.

Mit Vorteil wird das erfindungsgemässe Verfahren nach einer Variante derart durchgeführt, dass nach Entfernung der metallenen Maskierungsschicht und vor der Erzeugung der metallenen Kontaktschicht der nicht von der Insel bedeckte Teil des Halbleitergebietes teilweise weggeätzt wird, wobei die Ätzung fortgesetzt wird, bis ein frei hervorragender Teil der Insel erhalten ist.

Auf diese Weise ist es in der Tat möglich, die Ausdehnung der aktiven Zone auf angemessen beliebige Weise zu ändern und also eben den Diodentyp zu erhalten, der für eine bestimmte Schaltung benotigt wird.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher "erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 bis 5 aufeinanderfolgende

Stufen der Herstellung einer Diode nach der Erfindung, die durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens erhalten wird,

Figuren 6a bis 9a aufeinanderfolgende

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Stufen der Herstellung einer Diode, die durch. Anwendung einer ersten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, erhalten wird und

Figuren 6b bis 9b eine zweite Variante des Verfahrens gemäss der Erfindung.

Die Figuren sind schematisch und nicht masssfcäblich gezeichnet. Entsprechende Teile sind in der Regel mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Zunächst wird durch ein bekanntes Verfahren, z.B. durch thermische Oxidation, eine Siliziumoxidschicht auf der ganzen Oberfläche 2 einer Halbleitermaterialscheibe erzeugt, in der zu gleicher Zeit mehrere Dioden gebildet werden.

Dann werden, wie in Fig. 1 dargestellt, durch ein übliches Photoätzverfahren Td.le 3 aus dem Siliziumoxid ausgeätzt, wobei z.B. ein negativer photoempfindlicher Lack Anwendung findet.

Diese kreisförmigen Teile, die aus der vorher gebildeten Siliziumoxidschicht ausgeätzt werden, werden eine Dicke aufweisen, die von den höchstzulässigen Streuparametern (Kapazität und Streuwiderstände) abhängig ist, wobei die genannte Dicke z·.B. 1 bis 5 /Um beträgt..

Fig. 2 zeigt die Erzeugung auf elektrolytischem ¥ege einer Metallschicht 4 auf der Ober-

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fläche der Halbleiterscheibe, wobei das genannte Metall z.B. Gold oder eine Gold-Silber-Legierung ist. Dieses Metall schlägt nicht auf den Siliziumoxidteilen. 3 nieder, weil dieses Material isolierend ist.

Die Dicke des so abgelagerten Metalls

kann 0,5 bis 2 ,um betragen. Fig. 3 zeigt das Anwachsen auf elektrolytischem Wege einer weiteren Metallschicht 5j z.B. einer Nickelschicht. Diese Schicht 5 ist auf diese Weise also automatisch in bezug auf den Siliziumoxidteil 3 zentriert. Infolge der Tatsache, dass dieser Teil 3 isolierend ist, wird das Metall nur langsam auf dem genannten Teil, und zwar von dem Rande desselben an, niederschlagen. Aussex-dem wird infolge der Tatsache, dass der Umfang des Oxidteils 3 kreisförmig ist, am Ende des elektrolytischen Anwachsens eine kleine !.kreisförmige Zone 6 verbleiben, die sich in der Mitte des Teiles 3 befindet und auf der das. Metall 6 nicht niedergeschlagen ist.

Dann (siehe Fig. 4) wird die erzeugte

Nickelschicht 5 einem lonenbeschuss unterworfen, der ein Fenster 7 mit sehr kleinem Durchmesser" (z.B. in der Grössenordnimg von 2 /um) und mit bestimmten Eigenschaften in der Mitte des Siliziumoxidteiles j bilden wird. Die Nickelschicht 5 schützt den verblei-

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benden Teil der Oberfläche des Halbleitermatex-ials vor dem lonenbeschuss.

Dennoch wird das Nickel gewissermassen von dem Beschuss über eine in der Figur mit 8 bezeichnete Tiefe angegriffen werden.

Der Beschuss wird mit Hilfe von Argonionen 9 durchgeführt, die zunächst beschleunigt (Beschleunigungsspannung etwa 1000 v) und dann neutralisiert werden, damit sekundären Streuungs- und Speichereffekten der Ladungen auf das Substrat entgegengewirkt wird.

Fig. 5 zeigt den nächsten Herstellungsschritt, und zwar das Wegätzen der Nichelschicht 5 durch ein bekanntes chemiaches Verfahren.

Es sei insbesondere darauf zu achten, dass das Halbleitermaterial nicht angegriffen wird. Dies kann durch die Anwendung geeigneter und genügend selektiver chemischer Bäder und durch möglichst grosse Verkürzung der Ätzzeit vermieden werden.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, verbleibt nacht dem genannten Herstellungsschritt auf dem Halbleitersubstrat eine Schicht aus legiertem Gold und Zinn oder eine Schicht aus Gold allein, während der Silziunioxidteil 3 eine mittlere Öffnung aufweist.

Von Fig. 6 an sollen zwei Varianten des Verfahrens unterschieden werden:

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-fit,

Im Falle der Fig. 6a (Variante l) wurde ein Metall-Halbleiter-Kontakt durch eine Kontaktschicht 10 (zB. einen Doppelschichtkontakt aus Titan und Gold) auf der ganzen Oberfläche der Halbleiterscheibe gebildet. Die genannte Kontaktschicht 10 kann durch verschiedene Verfahren erhalten werden: Kathodenzerstäubung bei hoher Frequenz, Aufdampfen, usw. je nach den verschiedenen gewählten Materialien. Die Dicke der Schicht 10 kann 0,2 bis 1 ,um betragen. Der Metall-Halbleiter-Kontakt wird eine sehr kleine Oberfläche aufweisen und eine Diode bilden, die in den Figuren mit D bezeichnet wird. Nach einer ersten Variante des Verfahrens ist im vorliegende Falle die Elektrodenschicht 11, auf der der ohmsche Kontakt gebildet werden wird, vorzugsweise aus Gold oder einer Legierung von Gold und Zinn hergestellt.

Nach einer zweiten Variante wird zunächst auf chemischem Wege die Metallschicht k nach Fig. 5 entfernt, wonach die in Fig. 6b gezeigte Struktur durch die Bildung einer schützenden Lackschicht auf einem bestimmten Teil der Oberfläche des Halbleitermaterials erhalten wird, wie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei der weitere Teil der genannten Oberfläche von einem chemischen Bad derart angegriffen wird, dass schliesslich eine pilzförmige Struktur mit einer

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nebenliegenden ¥and mit einer Höhe gleich der der genannten Struktur erhalten wird.

Wie in Fig. 6b dargestellt, verbleibt nach der genannten Bearbeitung einerseits nur der gelochte Siliziumoxidteil 3₅ der über einen ersten Teil 12 des Substrats hinausragt, wobei diese Schicht vorzugsweise verhältnismässig schwach dotiert ist, während andererseits ein vorstehender Teil I3 aus Halbleitermaterial verbleibt, dessen Oberflächenschicht also auf die gleiche Weise dotiert ist. Dann (siehe Fig. 7a) werden auf elektrolytischem Wege zu gleicher Zeit die folgenden Teile angewachsen:

- ein Kontaktkörper 14 aus Gold über den in dem Siliziumoxidteil 3 vorgesehenen Fenster 7>"- wobei der genannte Kontaktkörper 14 die Verbindung zwischen dem Metall-Halbleiterkontakt und einer der Seiten der Mikroschaltung, auf der die Halbleiteranordnung nach der Erfindung montiert werden soll, ermöglicht, und

- ein leitender Streifen I5 ('Beam-lead"), der ebenfalls aus Gold besteht und den zweiten ohmschen Kontakt bilden wird.

Mittels einer photoempfindlichen Lackschicht 16 wird die Goldschicht in bezug auf den verbleibenden Teil der Metalloberfläche geschützt.

Nach der Erzeugung der genannten Lackschicht 16 braucht nur noch der überschüssige Teil

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der Metallschicht 10 entfernt zu werden, der zur Bildung des Metall-Halbleiter-Kontakts verwendet wurde (siehe Fig. 8a). Dazu wird die photoempfindliche Lackschicht 16 entfernt und die Gold-Titanschicht selektiv weggeätzt. Auf diese Weise werden der Metall-Halbleiter-Kontakt und der ohmsche Kontakt gebildet.

Fig. 7b illustriert die Anordnung, die erhalten wird, nachdem, in diesem Falle auf elektrolytischem ¥ege, die Schicht 11 aus einer G-oId-Zinn-Legierung auf der ganzen Oberfläche des Halbleitersubstrats ex'zeugt ist. Der ohmsche Kontakt 11 wird auf diese ¥eise auf dieser ganzen Oberfläche gebildet, wodurch er der aktiven Zone der Halbleiteranordnung näher kommt, wobei durch diese symmetrische geometrische Form eine radiale Sammlung der Ladungsträger um den ganzen.in der Mitte des Siliziumoxi'ds liegenden Metall-Halbleiterkontakt herum, gleich wie bei der ersten Variante, erreicht wird.

Die aktive Zone der durch diesesVer—

fahren hergestellten Halbleiteranordnung kann noch durch die Anwendung eines dtirch mehrere Schichten gebildeten Substrats verkleinert werden. Im Falle, z.B. eines durch zwei Schichten gebildeten Substrats

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kann in unmittelbarer Nahe des Metall-Halbleiter-Kontakts eine Schicht, die in den Figuren mit 12 bezeichnet ist, gebildet werden, deren Dotierung und Dicke der gewünschten Anwendung dex* Halbleiteranordnung nach der Erfindung angepasst sind. Auf grösserer Tiefe wird in dem Substrat eine stark dotierte Schicht 13 erzeugt, um den Streureihenwiderstand der Anordnung herabzusetzen.

Die Schicht 13 weist z.B. eine Dotierung

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zwischen 10 ' und 5 · 10 Atomen/cm³, die Schicht z.B. eine Dotierung zwischen 10 und 10 Atomen/cm und eine Dicke zwischen z.B. 0,5 und 10 /um,auf.

In Fig. 8b ist die Bildung des Metall-

Halbleiter-Kontakts veranschaulicht. Wie im Falle der Fig. 6a wurde hier der Metall-Halbleiter-Kontakt dadurch gebildet, dass in einem Vakuum Titan und Gold auf der ganzen Oberfläche des Halbleitersubstrats abgelagert wurden.

Es kann festgestellt werden, dass infolge der Tatsache, dass nach dieser Variante ein Metall-Halbleiterkontakt erhalten wird, der sich in unmittelbarer Nähe eines ohmschen Kontakts befindet, der Streureihenwiderstand stark herabgesetzt wird.

Schliesslich werden die so hergestellten Halbleiteranordnungen voneinander z.B. durch chemisches

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Ätzen getrennt, wie in Figuren 9a und 9b dargestellt ist.

Eine pho to empfindliche Lackschicht 17 dient als Schutz des unteren Teiles des Halbleitersubstrats, übrigens unter Abdeckung der Vorderseite der Halbleiterscheibe; das Material zwischen den gesonderten Anordnungen wird mittels eines chemischen Bades B weggeätzt. Auf diese Yeise ist es dann möglich, jede der so hergestellten Dioden auf einer Ultrahochfrequenzmikroschaltung zu montieren.

Die Dotierungskonzentratinnen, die Durchmesser· der Öffnungen und die Schxchtdicken, die in dieser Beschreibung erwähnt wurden, sind naturgemäss nur beispielsweise gegeben und können keineswegs als Beschränkung der Anwendung der Erfindung betrachtet werden.

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Claims (1)

1. PHP 75*. 585 20.9.1976

   PATEFTAJSrSPRUBCHB:

   V 1. Verfahren zur Herstellung einer

   Halbleiteranordnung, bei dem auf der Oberfläche eines Halbleitergebietes von einem bestimmten Leitungstyp eine eleltrisch isolierende Schicht gebildet wird, in der ein Fenster vorgesehen wird, wonach auf der Isolierschicht und in dem Fenster eine metallene Kontaktschicht erzeugt wird, die innerhalb des Fensters auf der Halbleiteroberfläche einen gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Kontakt bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht in Form mindestens einer Insel angeordnet wird; dass auf elektrolytischem ¥ege auf den nicht von der Insel bedeckenten Teilen der Halbleiteroberfläche eine metallene Maskierungsschicht erzeugt wird, bis sich diese über den Rand der Insel hinweg teilweise über dielsolierschicht erstreckt und einen Kleinen Oberflächenteil der Insel freilässt; dass dann die Isolierschicht an der Stelle des genannten Oberflächenteiles mittels eines lonenbeschusses entfernt wird, um das Fenster zu bilden, wobei die Maskierungsschicht höchstens nur teilweise entfernt wird, und dass danach die Maskierungsschicht völlig entfernt und die metallene Kontaktschicht erzeugt wird.

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   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j dass vor der Erzeugung der Maskierungsschicht der nicht von der Insel bedeckte Teil der Oberfläche auf elektrolytischem Wege mit einer metallenen Hilf sscliicht überzogen wird, die sich nicht über die Isolierschicht erstreckt und mit der Halbleiteroberfläche einen nichtgleichrichtenden Kontakt bildet.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht unter der Insel liegende Teil der Halbleiteroberfläche auf elektrolytischem ¥ege mit einer Elektrodenschicht überzogen ist, die einen nicht^-eichrichtenden Kontakt auf der Halbleitex'oberflache bildet.

   h. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 s

   dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenshhicht durch die genannte Hilfsschicht gebildet wird. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden

   Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der metallenen Kontaktschicht eine elektrisch isolierende Maskierungsschicht erzeugt wird, die die Kontakt- . schicht in dem Fenster und innerhalb eines Gebietes um das Blister herum freilässt, wonach auf elektrolytischem Wege auf diesem unüberzogenen Gebiet eine weitere Metallschicht,' voi^zugsweise aus Gold, ange-

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   wachsen wird, worauf die isolierende Maskierungsschiclit und der darunterliegende Teil der Kontaktschicht entfernt werden.

   6. Verfahren nach Ansprüchen 3 und 5»

   dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Metallschicht auch auf wenigstens einem Teil der genannten Elektrodenschicht angewachsen wird.

   7 · Verfahren nach einem der Ansprüchen 1,

   2, 3» 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Entfernung der metallenen Maskierungsschieht und vor der Bildung der metallenen Kontaktschicht der nicht von der Insel bedeckte eil des Halbleitergebietes teilweise weggeätzt wird, wobei die Ätzung fortgesetzt wird, bis ein frei hervorragender· Randteil der Insel erhalten ist.

   8. Verfahren nach Ansprüchen 3 und 7 5

   dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Elektrodenschicht wenigstens teilweise auf dem geätzten Teil des Halbleitergebietes gebildet wird.

   9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte unüberzogene Teil des Halbleitex-gebietes nur über einen Teil seiner Oberflache weggeätzt wird, und dass die Elektrodenschicht sich ausserdem auf einem nicht geätzten Randteil des Halbleiterkörpers erstreckt.

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