DE3918060A1 - Verfahren zur herstellung kapazitaetsarmer bipolarbauelemente - Google Patents

Verfahren zur herstellung kapazitaetsarmer bipolarbauelemente

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarbauelementen nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei der Herstel­ lung von Bipolarbauelementen und/oder Schaltkreisen auf der Grundlage eines Si-Substrates.
Aus der DE-OS 35 45 238 sind bipolare Halbleiterstrukturen bekannt, die mit herkömmlichen Maskierungs-, Oxidations-, Dotier- und Metallisierungsverfahren, sowie mit der diffe­ rentiellen Epitaxie herstellbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarbauelementen dahingehend zu verbes­ sern, daß damit kapazitätsarme Bipolarbauelemente mit guter Wärmeableitung herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß be­ reits in den ersten Verfahrensschritten die Größe des Bau­ elements und der Schaltungsanordnung festgelegt wird. Da­ durch lassen sich in vorteilhafterweise kleine, kapazi­ tätsarme Rückseitenkontakte des Bauelements herstellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.
In den Fig. 1 bis 14 sind die verschiedenen Verfahrens­ schritte zur Herstellung von Bipolarbauelementen darge­ stellt.
Als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Bipolarbauelemen­ ten, beispielsweise einer Bipolardiode, eignet sich hoch­ dotiertes, n-leitendes Silizium. Dieses Substratmaterial wird gewählt, weil die Kristallqualität des Substrates de­ fektfrei sein muß, um mit Hilfe z.B. der CVD (Chemical Va­ por Deposition) oder der MBE (Molecular Beam Epitaxy) die aktive Halbleiterstruktur auf dem Substrat frei von Kri­ stalldefekten wachsen zu können. In einem späteren Verfah­ rensschritt wird das Substrat vollständig entfernt.
Gemäß Fig. 1 wird auf das n-dotierte Si-Substrat 1 eine hochdotierte p⁺-leitende Si-Schicht 2 mit einer Schicht­ dicke von ungefähr 2µm abgeschieden. Als Dotiermaterial wird vorzugsweise Bor mit einer Ladungsträgerkonzentration von ungefähr 1020cm-3 verwendet. Um die beim Einbau großer Mengen an Bor im Kristall auftretenden mechanischen Span­ nungen auszugleichen, wird annähernd die gleiche Menge an Germaniumatomen beim Epitaxie-Prozeß eingebaut. Die Definition der aktiven Diodenfläche erfolgt beispiels­ weise über einen Planox-prozeß. Dazu wird die Silizi­ umoberfläche in einem Bereich etwa 50 nm oxidiert und dar­ auf eine ungefähr 100 nm dicke Si3Ni4-Schicht abge­ schieden, die an ihrer Oberfläche durch einen weiteren Oxidationsprozeß in eine etwa 20 nm dicke Oxidschicht um­ gewandelt wird (Fig. 2). Die untere Oxidschicht 3 verhin­ dert Spannungen zwischen der Nitridschicht 4 und der p⁺- dotierten Si-Schicht 2, die obere Oxidschicht 3′ dient als Ätzmaske zum Strukturieren der Nitridschicht. Die Nitrid­ schicht selbst wird wiederum als Maske zum Ätzen von Sili­ zium und als Oxidationsmaske bei einem anschließenden Oxi­ dationsprozeß verwendet. Die bei der Strukturierung des Nitrids zurückbleibenden Nitridbereiche definieren später die Diodenfläche. Eine zusätzliche Ätzung der freiliegen­ den Siliziumbereiche ist notwendig, da bei der nachfolgen­ den Oxidation nicht soviel Silizium verbraucht wird, daß die p⁺-dotierte Si-Schicht 2 vollständig in SiO2 umgewan­ delt wird. Bei einer Schichtdicke von etwa 2 µm der p⁺-do­ tierten Si-Schicht 2 werden mindestens 1,5 µm Silizium ge­ ätzt. Die freiliegenden Siliziumbereiche werden an­ schließend oxidiert, wobei eine etwa 1µm dicke Oxid­ schicht 5 entsteht. Nach diesem Oxidationsschritt ver­ bleibt lediglich unter der Si3N4-Schicht 4 eine p⁺-do­ tierte Si-Schicht 2 (Fig. 3). Der Oxidationsprozeß muß derart geführt werden, daß die an den Flanken der Oxid­ schicht 5 entstehen Aufwölbungen minimal sind. Nach Abnahme der Nitridmaske 4 und der Oxidschicht 3 (Fig. 4) wird die Oxidschicht 5 strukturiert. Zur seitlichen Be­ grenzung des jeweiligen Dioden-Chip werden Gräben 6 in die Oxidschicht 5 geätzt (Fig. 5). Dieser Verfahrensschritt kann auch entfallen, wenn ein späteres Spalten oder Sägen des Chip erfolgt.
Um ein derartig vorstrukturiertes Substrat zu erhalten, kann auch die auf das Substrat aufgewachsene p⁺-dotierte Si-Schicht mesageätzt werden mit den gewünschten Diodenab­ messungen. Anschließend wird ganzflächig eine Oxidschicht aufgebracht und derart strukturiert, daß die Oberfläche der mesageätzten p⁺-dotierten Si-Schicht freiliegt. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des vorstruktu­ rierten Substrates besteht darin, eine Oxidschicht auf das Substrat aufzubringen, ein Fenster in die Oxidschicht mit den gewünschten Diodenabmessungen einzubringen und an­ schließend ganzflächig eine p⁺-dotierte Si-Schicht abzu­ scheiden. Die Si-Schicht wächst einkristallin auf dem Sub­ strat und polykristallin auf der Oxidschicht auf. Die po­ lykristalline Si-Schicht wird nachfolgend entfernt.
Auf das vorstrukturierte Substrat wird nun epitaktisch eine Halbleiterschichtenfolge für beispielsweise eine Di­ odenstruktur aufgewachsen. Als Epitaxie-Verfahren eignen sich insbesondere die MBE oder die LPCVD (low pressure Chemical Vapor Deposition). Die Schichtenfolge (Fig. 6) besteht z.B. aus einer p-dotierten Si-Schicht 7 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1017 Bor- oder Galliumato­ men pro cm3 und einer Schichtdicke von 0,4 µm, einer 0,4 µm dicken, n-dotierten Si-Schicht 8 mit einer Ladungsträgerkonzentration von etwa 1017 Antimonatomen pro cm3 und einer etwa 0,2 µm dicken, n⁺-dotietren Si-Schicht 9 mit einer Ladungsträgerkonzentration von mehr als 2 1019 Antimonatomen pro cm3. Letztere Schicht wird vorzugsweise durch Rekristallisieren einer amorphen Siliziumschicht in der MBE-Kammer erzeugt. Die Tatsache, daß ein teilweise mit Oxid bedecktes Substrat vorliegt, führt zur differen­ tiellen Epitaxie. Auf den einkristallinen Si-Bereichen wächst einkristallines Silizium auf und auf der Oxid­ schicht wächst polykristallines Silizium auf. Der Vorteil der differentiellen Epitaxie besteht darin, daß das poly­ kristalline Silizium bei gleicher Dotierung einen wesent­ lich höheren spezifischen Widerstand (Faktor 106) besitzt als einkristallines Silizium, außer der n⁺-Schicht. Erst bei einer Dotierung ab 1018cm3 wird auch polykristallines Silizium leitend. Die polykristalline Siliziumschicht 10 braucht deshalb nicht entfernt zu werden, um funktions­ tüchtige Dioden zu erzeugen, sondern kann in vorteilhaf­ terweise zur mechanischen Stabilisierung, zur Passivierung und zur Wärmeableitung genützt werden.
Als nächster Verfahrensschritt folgt der Aufbau eines Kon­ taktes auf der n⁺-dotierten Si-Schicht 9. Es wird z.B. eine Goldschicht ganzflächig auf der Si-Schicht 9 aufge­ dampft mit Titan als Haftvermittler. Die Strukturierung des Kontaktes 11 erfolgt durch geeignete Foto- und Ätzpro­ zesse (Fig. 7). Die geometrischen Abmessungen des Kontak­ tes 11 sind kleiner als die der Diode. Dadurch wird eine Überlappungskapazität vermieden und es werden Justierpro­ bleme verhindert. Bei der nachfolgenden Entfernung der n⁺- dotierten Si-Schicht 9 werden auch die Aufwölbungen am Di­ odenrand mit abgetragen. Der Ätzprozeß wird mit einer HF/HNO3 - haltigen Ätze oder durch Plasma-Ätzen durchge­ führt (Fig. 8). Die Entfernung der n⁺-dotierten Si-Schicht 9′ ist notwendig, da ansonsten der durch die Si-Schichten 7, 8 gebildete pn-Übergang über die polykristalline Si- Schicht 10 kurzgeschlossen würde. Die polykristalline Si- Schicht 10 besitzt einen derartig großen Flächenanteil, daß der Gesamtwiderstand relativ niedrig ist und die Kapa­ zität sehr hoch wird. Um einen Kurzschluß zu vermeiden, kann die n⁺-dotierte Si-Schicht 9′auch durch Ionenimplan­ tation in hochohmiges Material umgewandelt werden und braucht dann nicht entfernt zu werden.
Die nachfolgenden Verfahrensschritte dienen zum Aufbau ei­ ner Schutzschicht für das Rückseitenätzen der Diodenstruk­ tur und zur mechanischen Stabilisierung des Dioden-Chips. Zunächst wird eine ca. 500 nm dicke Trennschicht 12 aus Silber oder SiO2 aufgedampft. Diese Trennschicht wird spä­ ter zum Ablösen des Bauelementes benötigt (Fig. 9). Als Haftvermittler dient im Falle einer Silber-Trennschicht Chrom. Damit wird eine ausreichende Selektivität beim spä­ teren Ablösen gegenüber der Titanschicht erreicht, die die Haftung des Goldkontaktes 11 bewirkt. Als Schutzschicht 13 wird eine 3µm dicke Goldschicht abgeschieden (Fig. 10). Diese Schichtdicke ist notwendig, um die Vorderseite der Diodenstruktur vor den Ätzangriffen von KOH während des nachfolgenden Rückseitenätzens zu schützen. Die Funktion dieser Schutzschicht kann auch von einer Schicht aus orga­ nischem Material, z.B. Parylen übernommen werden. Die Pa­ rylenschicht läßt sich bei Raumtemperatur mit einer Schichtdicke bis zu 50 µm abscheiden und bildet zusammen­ hängende, dichte Folien.
Die weiteren Verfahrensschritte werden nun an der Rück­ seite der Diodenstruktur durchgeführt. Zunächst wird das Substrat 1 vollständig mit einer KOH-Ätze entfernt. Diese Ätze hat die Eigenschaft, daß sie p⁺-dotiertes Silizium wesentlich langsamer ätzt als n-dotiertes Silizium und außerdem SiO2 kaum angreift. Die Diodenstruktur wird bis zur p +-dotierten Si-Schicht 2 freigelegt. An den Stellen an denen die Gräben 6 in die SiO2-Schicht 5 geätzt wurden, werden die einkristallinen Si-Schichten 7, 8 ebenfalls von der KOH-Ätze angegriffen. Dieser Vorgang stoppt an der Trennschicht 12. Auf der Rückseite der p⁺-dotierten Si- Schicht 2 wird der Rückseitenkontakt 14, z.B. ein Goldkon­ takt, ausgebildet mit Titan als Haftvermittler. Dieser Kontakt 14 ist ebenfalls in seinen geometrischen Abmessun­ gen kleiner als die Diodenstruktur. Dadurch werden Ju­ stier- und Ätzprobleme vermieden und es entstehen keine parasitären Kapazitäten durch überlappende Kontakte.
Als letzter Verfahrensschritt erfolgt das Herauslösen des Bauelementes aus der stabilisierenden Unterlage. Dies ge­ schieht durch Auflösen der Trennschicht 12, welche das Bauelement von der Unterlage trennt. Während der Rücksei­ tenkontakt 14 mit Bonddrähten angeschlossen wird, wird der Vorderseitenkontakt 11 mit einem vergoldeten Diamanten als Wärmesenke 15 verbunden (Fig. 13). Die Aufwölbungen am Di­ odenrand müssen durch Ätzen und Aufbau des Kontaktes 11 unterhalb der Kontaktoberfläche liegen, weil sonst eine zu­ verlässige Kontaktierung zwischen Kontakt 11 und Wär­ mesenke 15 nicht gewährleistet ist.
Da die Diodenfläche klein ist im Vergleich zur Ausdehnung des Chip kann es beim Verbinden von Bauelement mit der Wärmesenke zu Verkantungen kommen. Die Wärmesenke würde dann auf dem polykristallinen Silizium aufliegen, wobei ein Kurzschluß mit der p-⁺-Schicht 2 entsteht. Um dies zu verhindern wird in einer weiteren Ausführungsform der Ein­ bau einer Distanzschicht 16 aus dielektrischen Material vorgeschlagen. In diesem Fall wird vor Aufbringen der Trennschicht 12 (Fig. 8) auf dem polykristallinen Silizium eine SiO2- oder Si3N4-Schicht abgeschieden mit einer Schichtdicke die der Distanz zwischen polykristalliner Schicht 10 und der Oberfläche des Kontaktes 11 entspricht. Die ganzflächig aufgebrachte Distanzschicht 16 wird derart strukturiert, daß einerseits das Bauelement und anderer­ seits die Gräben 6 freiliegen. Die Distanzschicht kann be­ reits in einem früheren Verfahrensschritt z.B. nach Ab­ scheiden der MBE-Schicht aufgebracht werden. Die Folge­ schritte müssen dann entsprechend modifiziert werden.
Die Erfindung ist nicht auf das angegebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern das Verfahren eignet sich zur Herstellung von bipolaren Mehrschichtbauelementen wie z.B.IMPATT-Dioden, zweipolige und dreipolige Transistoren mit bipolarer Mehrschichtstruktur. Desweiteren lassen sich Kombinationen von zweipoligen Bauelementen herstellen (siehe deutsche Patentanmeldung P 38 13 837). Als Halblei­ termaterialien zur Herstellung derartiger Mehrschichtbau­ elemente eignen sich Silizium, Germanium, SiGe-Mischkri­ stalle, III/V- und II/VI- Verbindunghalbleiter.
Desweiteren kann die Ätzstoppschicht 2 als elektrische Zu­ leitung für das Bauelement ausgebildet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von bipolaren Halbleiterbau­ elementen unter Verwendung der differentiellen Epitaxie, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mindestens ein mechanisch stabiles, lediglich aus aktiven Halbleiterschichten und einer Ätz­ stoppschicht bestehendes Halbleiterbauelement her­ gestellt wird,
  • - daß das Halbleiterbauelement seitlich durch poly­ kristalline Halbleiterbereiche stabilisiert und isoliert wird, und
  • - daß ein kapazitätsarmer Rückseitenkontakt für das Halbleiterbauelement hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Planox- Verfahren ein vorstrukturiertes Substrat hergestellt wird, bestehend aus einer in Oxid eingebette­ ten Ätzstoppschicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf dem Substrat (1) eine dotierte, einkri­ stalline Halbleiterschicht (2) aufgewachsen und mesageätzt wird,
  • - daß anschließend eine Oxidschicht aufgebracht und derart strukturiert wird, daß die Oberfläche der mesageätzten Halbleiterschicht freiliegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf dem Substrat (1) eine Oxidschicht aufge­ bracht und darin mindestens ein Fenster geöffnet wird,
  • - daß ganzflächig eine dotierte Halbleiterschicht aufgewachsen wird, die auf der Substratoberfläche einkristallin und auf der Oxidschicht polykristal­ lin aufwächst, und
  • - daß die polykristalline Halbleiterschicht an­ schließend entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Strukturie­ rung der Oxidschicht die Bauelementgeometrie festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur seitlichen Begrenzung der Bauelementstruktur Gräben (6) in die Oxidschicht (5) ge­ ätzt werden (Fig. 5).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bauelementschichtenfolge epitaktisch gewachsen wird, derart, daß auf der Ätzstopp­ schicht und in den Gräben (6) einkristalline Halbleiter­ schichten (7, 8, 9) und auf der Oxidschicht (5) polykri­ stalline Halbleiterschicht (9′, 10) erzeugt werden (Fig. 6).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf der Bauelementoberfläche ein erster Kon­ takt (11) hergestellt wird,
  • - daß die einkristalline und polykristalline, obere Halbleiterschicht (9, 9′) bis auf den Bereich un­ terhalb des Kontaktes (11) entfernt wird (Fig. 8), und
  • - daß anschließend ganzflächig eine Trennschicht (12) und darauf eine Schutzschicht (13) abgeschie­ den wird (Fig. 10).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Substrat (1) vollständig entfernt wird, und
  • - daß ein zweiter Kontakt (14) auf der Rückseite des Bauelements auf die Ätzstoppschicht aufgebracht wird (Fig. 12).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Trennschicht (12) von der Bauelementober­ fläche weggelöst wird, und
  • - daß der erste Kontakt (11) mit einer Wärmesenke (15) verbunden wird (Fig. 13).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen polykristalliner Halbleiterschicht (10) und Wärmesenke (15) eine Distanzschicht (16) eingebracht wird (Fig. 14).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ätzstoppschicht gleichzeitig als elektrische Zuleitung für das Bauelement verwendet wird.
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