DE3808251A1

DE3808251A1 - Halbleitersubstrat mit mindestens einem monolithisch integriertem schaltkreis

Info

Publication number: DE3808251A1
Application number: DE19883808251
Authority: DE
Inventors: Johann Friedrich Dipl Ing Luy; Karl Dr Rer Nat Strohm; Josef Dipl Ing Buechler; Peter Prof Dr Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1988-03-12
Filing date: 1988-03-12
Publication date: 1989-09-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat mit mindestens einem monolithisch integriertem Schaltkreis nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 36 13 258 A1 ist eine derartige Anordnung be kannt, bei welcher auf einem Halbleitersubstrat eine metal lische Resonator- und Antennenstruktur vorhanden ist, ins besondere für den Millimeterwellenbereich, d. h. für einen Frequenzbereich oberhalb 40 GHz. Unterhalb des Mittelpunktes der kreisförmigen Resonatorstruktur befinden sich ein kegel förmig durch das Halbleitersubstrat hindurch gehendes Durch gangsloch, das z. B. mit Hilfe einer anisotrop wirkenden Ätzlösung hergestellt wurde. In diesem Durchgangsloch be findet sich eine Impattdiode derart, daß deren einer Kontakt mit einer Resonatorstruktur verbunden ist. Der andere Kontakt wird durch einen kegelförmigen Metallkontakt, z. B. Gold, gebildet, welcher das Durchgangsloch möglichst vollständig ausfüllen soll und welcher gleichzeitig als möglichst gute Wärmesenke für die Verlustwärme der Impatttdiode dienen soll. Dieser kegelförmige Metallkontakt ist mit einem flächenhaf ten Metallkontakt (Metallschicht), welcher sich auf der Unterseite des Halbleitersubstrates befindet, verbunden.

Eine derartige Anordnung ist in nachteiliger Weise unwirt schaftlich herstellbar, denn für die kegelförmigen Wärmesen ken sind galvanische Abscheidungsvorgänge erforderlich. Diese passen nicht in die derzeit übliche Halbleitertech nologie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge mäßes Halbleitersubstrat dahingehend zu verbessern, daß eine kostengünstige Herstellung mit derzeit üblicher Halbleiter technologie möglich ist und daß eine zusätzliche Wärmesenke vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen und/oder Ausgestaltungen sind den Unteran sprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß alle metallischen Kontakte von vornherein auf derselben Oberflä chenseite des Halbleitersubstrates vorhanden sind, so daß ansonsten nötige Durchkontaktierungen, sogenannte "via holes" unnötig sind.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß im Bereich des Halb leiterbauelements störende mechanische Spannungen vermieden werden. Diese entstehen durch die Durchgangslöcher sowie die Durchkontaktierungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kontaktierungsme talls sowie des Halbleitersubstrates.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß coplanare aktive Schaltungsanordnungen, z. B. Oszillatoren, herstellbar sind, die zu anderen coplanaren Schaltungen, z. B. Antennenanord nungen, kompatibel sind, so daß eine kostengünstige Ferti gung möglich ist, insbesondere in einer industriellen Massen produktion.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf eine schemati sche Zeichnung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine beispielhafte PLIMPATT-Diode, d. h. eine in planarer Technologie hergestellte Halbleiter-Impattdiode, die auf einem Halbleitersubstrat aufgewachsen ist und die durch metallische Leiterstrukturen kontaktiert ist.

Fig. 2a bis 2f zeigen beispielhafte Verfahrensschritte zur Her stellung einer PLIMPATT-Diode gemäß Fig. 1.

Fig. 3 und 4 zeigen Anwendungsbeispiele einer PLIMPATT-Diode in coplanaren Schaltungsanordnungen.

Fig. 1 zeigt ein hochohmiges Halbleitersubstrat 1, vorzugs weise p-Silizium mit einer Leitfähigkeit von 10 000 Ohm · cm und einer Dicke von ungefähr 180 µm. Darauf ist eine Halblei ter-Kontaktierungsschicht 2 abgeschieden, vorzugsweise P⁺-dotiertes Si. Die Halbleiter-Kontaktierungsschicht 2 besitzt z. B. eine Dicke von ungefähr 2 µm und eine B-Ge- Dotierung mit einer Borkonzentration von ungefähr 1 × 10²⁰ cm^-3 und einer Ge-Konzentration von 1 × 10²¹ cm^-3. Auf dieser Halbleiter-Kontaktierungsschicht 2 ist eine dem herzustellenden Halbleiterbauelement entsprechende Halblei ter-Schichtenfolge aufgewachsen und strukturiert. Das darge stellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Impattdiode mit einer mesaförmig strukturierten Halbleiter-Schichtenfolge, beste hend aus einer p-Si-Schicht 3 (Dotierstoff Ga mit einer ungefähren Konzentration n = 1 × 10¹⁷ cm^-3) mit einer Dicke von ungefähr 300 nm, sowie einer n-Si-Schicht 4 (Dotierstoff Sb mit einer ungefähren Konzentration n = 0,7 × 10¹⁷ cm^-3) mit einer Dicke von ungefähr 300 nm. Darauf ist eine n⁺-Si- Schicht 5 (Dotierstoff Sb mit einer ungefähren Konzentration n = 3 × 10¹⁹ cm^-3) mit einer Dicke von ungefähr 200 nm abge schieden. Auf dem Halbleitersubstrat 1, der Halbleiter kontaktierungsschicht 2 sowie der Halbleiter-Schichtenfolge 3, 4, 5 ist ganzflächig eine Isolationsschicht 6, z. B. SiO₂ mit einer Dicke von ungefähr 500 nm abgeschieden. In diese Isolationsschicht 6 sind Kontaktfenster 7 bzw. 8 geätzt zum Kontaktieren der Halbleiter-Kontaktierungsschicht 2 bzw. der p⁺-Schicht 5. Die derart strukturierte Isolationsschicht 6 ist abgedeckt mit einer strukturierten metallischen Kontakt schicht 9, z. B. einer Ti-Au-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 3 µm. Diese Kontaktschicht 9 enthält z. B. Leiterbahnen für die Spannungs- sowie Stromversorgung der Impattdiode sowie Leitungsstrukturen, z. B. für einen Millimeterwellen resonator, was anhand der Fig. 3 und 4 noch näher erläutert wird.

In den Fig. 2a-2f ist das Herstellungsverfahren einer Anordnung gemäß Fig. 1 näher erläutert. Mit Hilfe des Si- MBE-Verfahrens ("Silicon-Molekular-Beam-Epitaxy") werden auf einer Oberflächenseite des Si-Halbleitersubstrats 1 zunächst ganzflächig die Kontaktierungsschicht 2 und die Halbleiter- Schichtenfolge 3, 4, 5 abgeschieden (Fig. 2a). Dann erfolgt gemäß Fig. 2b ein erster Ätzvorgang bis in das Halbleiter substrat 1 hinein, so daß eine mesaförmige Halbleiterstruk tur mit der Grundfläche der endgültigen Kontaktierungsschicht 2 (Fig. 1) entsteht. Es erfolgt dann ein zweiter Ätzvorgang, bei welchem die endgültige mesaförmige Strukturierung der Halbleiterschichtenfolge 3, 4, 5 erfolgt (Fig. 2c). Dabei dient die Kontaktierungsschicht 2 aufgrund ihrer Dotierung in vorteilhafter Weise als Ätzstoppschicht. Diese Halblei terstruktur wird dann ganzflächig mit der Isolationsschicht 6 überzogen (Fig. 2d), in welche dann die Kontaktfenster 7, 8 geätzt werden (Fig. 2e). Anschließend erfolgt die Metalli sierung und deren Strukturierung, z. B. durch Aufgalvanisie rung in Lackstrukturen und anschließendem Ätzen der Startschichten.

Fig. 3 zeigt die Aufsicht auf eine metallische Leiterstruk tur 9, die als Resonator für die PLIMPATT-Diode A-A′ (Fig. 1) ausgebildet ist. Der Resonator besteht im wesentlichen aus einer kreisförmigen Leiterstruktur, mit einem Durch messer von ungefähr 470 µm, welche diametral durch einen elektrisch isolierenden Schlitz 10 getrennt ist. Dieser besitzt im Bereich der PLIMPATT-Diode A-A′ eine Breite von ungefähr 3 µm und ansonsten eine Breite von ungefähr 7 µm. Die Pfeile bezeichnen Anschlußbahnen zum elektrischen An schluß einer derartigen Anordnung.

Fig. 4 zeigt eine vollständige Leiterstruktur zur Herstel lung eines PLIMPATT-Oszillators für einen Frequenzbereich von ungefähr 75-110 GHz (W-Band). Die kreisförmige Struktur entspricht derjenigen gemäß Fig. 3, die Strukturen 11 sind elektrische Sperrfilter (Tiefpässe) für die erzeugten Milli meterwellen. Über die Anschlüsse 12 erfolgt die Gleich- Strom-Spannungsversorgung der PLIMPATT-Diode A-A′. Die Lei terstruktur 13 dient zum Auskoppeln der erzeugten Millime terwellen.

Claims

1. Halbleitersubstrat mit mindestens einem monolithisch integriertem Schaltkreis, zumindest bestehend aus planaren Leitungsstrukturen sowie einem mitintegriertem aktivem Halbleiterbauelement, insbesondere für den Millimeterwellen bereich, dadurch gekennzeichnet,

- daß auf einer Oberflächenseite des Halbleitersubstrates (1) eine Halbleiter-Kontaktierungsschicht (2) aufge bracht ist,
- daß auf der Halbleiter-Kontaktierungsschicht (2) eine dem Halbleiterbauelement entsprechende Halbleiterschich tenfolge (3, 4, 5) aufgewachsen ist, und
- daß die Leitungsstrukturen auf derselben Oberflächen seite angeordnet sind und elektrisch zumindest mit der Halbleiter-Kontaktierungsschicht (2) sowie der Halb leiterschichtenfolge (3, 4, 5) verbunden sind.

2. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Halbleiterbauelement als Impattdiode ausgebil det ist.

3. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Halbleiterbauelement aus einer Mesa-förmig strukturierten Halbleiterschichtenfolge (3, 4, 5) besteht, die auf einer Halbleiter-Kontaktierungsschicht (2) aufgewachsen ist,
- daß die Grundfläche der Halbleiterkontaktierungsschicht (2) größer ist als diejenige der Mesa-förmig struktu rierten Halbleiterschichtenfolge (3, 4, 5) und
- daß zugehörige metallische Leitungsstrukturen (9) auf der Halbleiterkontaktierungsschicht (2) sowie auf der obersten Halbleiterschicht (5) der Halbleiterschichten folge (3, 4, 5) angebracht sind.

4. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) aus hochohmigem Silizium besteht und daß die Halbleiter kontaktierungsschicht (2) sowie die Halbleiterschichtenfolge (3, 4, 5) mit Hilfe eines Silizium-MBE-Verfahrens aufgewachsen sind.

5. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkontak tierungsschicht (2) derart dotiert ist, daß sie bezüglich der darüber angeordneten Halbleiterschichtenfolge (3, 4, 5) als Ätzstoppschicht ausgebildet ist.

6. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) sowie das darauf befindliche Halbleiterbauelement im wesentlichen ganzflächig durch eine Isolationsschicht (6) abgedeckt sind und daß in der Isolationsschicht (6) zumin dest Kontaktfenster (7, 8) für das Halbleiterbauelement vorhanden sind.

7. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Halbleiterbauelement als Impattdiode ausgebil det ist, welche eine Silizium-MBE-Halbleiterschichten folge besitzt,
- daß die zugehörigen metallischen Leiterstrukturen einen Schlitz (10) besitzen, welcher den Mesa-Anschluß (8) elektrisch von dem Halbleiter-Kontaktierungsschicht-An schluß (7) trennt, und
- daß die Leiterstrukturen als elektrischer Resonator für die Impattdiode ausgebildet sind.

8. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impattdiode sowie die als Resonator ausgebildete Leiterstruktur ein Oszillator bilden, insbesondere für den Millimeterwellenbereich.