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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Halbleitervorrichtungen
und insbesondere auf ein Photolithographieverfahren und eine -vorrichtung
zum Herstellen einer Vorrichtung durch ein Verwenden eines Teils
der gebildeten Vorrichtung als eine Maske und ein Belichten eines
Photoresists mit Licht, das durch den anderen Abschnitt der Vorrichtung
hindurchgeht.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung kann Bezug nehmend auf die Herstellung isolierender
Schichten leichter verstanden werden; es ist jedoch für Fachleute
auf dem Gebiet aus der folgenden Erläuterung ersichtlich, dass die
Erfindung in einer breiten Vielzahl von Vorgängen eingesetzt werden könnte. Eine
Halbleiterherstellung erfordert oftmals die Bildung einer Isolierungsschichtstruktur,
die mit der Oberfläche
von Halbleitervorrichtungen ausgerichtet ist, die Mikrostrukturen
in der Größenordnung
von μm aufweisen. Yoshinori
Kumura u.a. z.B. haben ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterlaservorrichtung
unter Verwendung eines Materials auf GaN-Basis (Jpn. J. Appl. Phys.,
Band 37 (1998), Seiten L1231–L1233)
offenbart, bei dem ein schmaler optischer Wellenleiter mit einer
Breite von 5 μm
oder weniger hergestellt werden muss. Ein Photoresist, das auf eine
Breite von etwa 5 μm
strukturiert wurde, oder ein Ätzmaskenmaterial,
das unter Verwendung dieses Photoresists strukturiert wurde, wird
als eine Ätzmaske
verwendet. Das darunter liegende Material auf GaN-Basis, das die
Basisstruktur aufweist, wird geätzt,
um eine Multi-Mesa-Struktur zu bilden. Mit einer Vorrichtung wie
dieser muss der Bereich um den optischen Wellenleiter herum mit
einem isolierenden Materi al bedeckt werden, um den Abschnitt um
den optischen Wellenleiter herum von der Elektrodenanschlussfläche, die
auf diesem isolierenden Material vorgesehen ist, zu isolieren.
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Eine
Anzahl von Verfahren des Stands der Technik wurde zur Bildung einer
derartigen Struktur verwendet. Eine Photoresiststruktur kann z.B.
photolithographisch über
dem optischen Wellenleiter gebildet werden, wobei die Struktur derart
angepasst ist, dass dieselbe kleiner ist als der optische Wellenleiter. SiO2 oder dergleichen wird dann über der
gesamten Oberfläche
aufgedampft und dann wird dann ein organisches Lösungsmittel, ein Photoresist-Abblätterungsmittel
oder dergleichen verwendet, um das SiO2 auf
dem Photoresist gemeinsam mit dem Photoresist in den Regionen der
darunter liegenden Struktur zu entfernen, die freigelegt werden
muss, um elektrische Kontakte herzustellen.
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Alternativ
wird gleichzeitig, wenn die Basisstruktur gebildet wird, eine zweite
Schicht, die aus einem anderen Material aufgebaut ist, strukturiert. Diese
Schichten werden dann als Ätzmaskenmaterialien
verwendet und das darunter liegende Material auf GaN-Basis wird
geätzt.
Ein isolierender Film, wie z.B. SiO2, wird
dann aufgedampft und die zweite Schicht und ein darüber liegender
isolierender Film werden gemeinsam entfernt, um eine Isolierungsfilmstruktur
zu bilden. In GaN-Systemen z.B. wird das Material auf GaN-Basis durch Reaktivionenätzen geätzt, wobei
das während
der Bildung der Basisstruktur verwendete Photoresist noch intakt
ist. Dann wird eine Abhebestrukturierung des SiO2 oder
eines anderen isolierenden Films unter Verwendung dieses Photoresists
als Abhebematerial durchgeführt.
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Bei
den oben beschriebenen Verfahren müssen die Photomaske und die
Struktur, die zuerst auf der Probe gebildet ist, durch einen Vorgang
ordnungsgemäß ausgerichtet
werden, der die Kosten der Herstellung wesentlich erhöht. Die
Ausrichtung wird üblicherweise
manuell unter Verwendung von Ausrichtungsmarkierungen auf der Probe
und Ausrichtungsmarkie rungen auf der Photomaske geprüft. Ein
XY- und Drehtisch wird dann verwendet, um die relativen Positionen
der Photomaske und der Probe auszurichten, bis eine Fehlausrichtung
innerhalb einer Toleranz ist. Da jedoch ein Ausrichtungsspielraum
von etwa 1 μm
erforderlich ist, können
diese Verfahren nur auf eine Photomaske angewendet werden, die etwa
1 bis 2 μm
kleiner ist als die Basisstruktur.
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Die
Ausrichtung könnte
außerdem
unter Verwendung eines Elektronenstrahllithographiesystems oder
eines Photo-Steppers mit einem automatischen Positionierungssystem
mit hoher Genauigkeit durchgeführt
werden. Die hohen Kosten dieser Ausrüstung erhöhen jedoch die Herstellungskosten
wesentlich.
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Um
die Ausrichtungskosten zu vermeiden, wird ein SiO2-
oder ein anderer isolierender Film über der gesamten Oberfläche einer
Probe aufgedampft und der isolierende Film wird durch Photolithographie und Ätztechnologie
nur von dem erwünschten
Bereich entfernt. Bei dem Ätzen
des Materials auf GaN-Basis
z.B. wird auch das Photoresist, das als das Maskenmaterial dient,
auf demselben geätzt. Leider
wird die resultierende Struktur abgerundet, insbesondere an den
Kanten. Zusätzlich
machen die Reaktionsprodukte, die während des Ätzens hergestellt werden, ein
Abschälen
des Photoresists noch schwieriger. Die Formveränderungen in dem Photoresist
und die Bildung von Reaktionsprodukten führen zu gesenkten Erträgen, was
wiederum die Herstellungskosten erhöht. Während dieses Verfahren keinen
genauen Maskenausrichtungsschritt erfordert, erfordert es die selektive
Entfernung des SiO2- oder des anderen isolierenden
Films, der auf der Probeoberfläche
gebildet ist, gemeinsam mit dem Photoresist nach dem Ätzen des
Materials auf GaN-Basis.
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Breit
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes
Herstellungsverfahren zum Bereitstellen einer strukturierten isolierenden
Schicht über
einer darun ter liegenden Halbleitervorrichtung oder dergleichen
bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren
bereitzustellen, das keinen hochpräzisen Ausrichtungsvorgang erfordert.
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Wiederum
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Herstellungsverfahren bereitzustellen, das keine kostspielige Ausrichtungsausrüstung erfordert.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute
auf dem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
Erfindung und den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert ist, ist ein
Verfahren zum Erzeugen einer Photoresiststruktur auf einem Objekt,
das eine Schicht aus einem Material umfasst, das undurchlässig für Licht
einer vorbestimmten Wellenlänge
ist. Das Objekt wird zuerst mit einer Schicht eines Photoresistmaterials
bedeckt. Die Schicht des Photoresistmaterials wird dann mit Licht
einer vorbestimmten Wellenlänge
aus einer Position unter dem Objekt bestrahlt, derart, dass das
Objekt einen Schatten in die Schicht des Photoresists wirft. Das
Photoresistmaterial wird dann entwickelt, um die Photoresiststruktur zu
erzeugen. Der Schritt des Bestrahlens der Schicht aus Photoresistmaterial
von unterhalb des Objekts wird durch ein Bereitstellen einer reflektierenden Oberfläche unterhalb
des Objekts und einer Lichtquelle oberhalb des Objekts erzielt.
Bei derartigen Ausführungsbeispielen
ist eine Maske zwischen dem Objekt und der Lichtquelle positioniert,
derart, dass die Maske einen Schatten wirft, der das Objekt und einen
Abschnitt des Bereichs um das Objekt herum bedeckt. Das Ver fahren
der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 3 definiert ist, ist
gut geeignet für
ein Aufbringen einer Schicht aus dielektrischem Material über einer
Vorrichtung, in der die dielektrische Schicht ein Durchgangsloch
durch dieselbe hindurch aufweist, das auf einer Metallanschlussfläche abschließt, die
Teil der Vorrichtung ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer teilhergestellten Laserdiode, in
der die verschiedenen Schichten, die den letztendlichen Laser bilden,
aufgebracht und zurückgeätzt wurden,
um eine Mesa-Struktur zu bilden.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten
Laserdiode, nachdem die Photoresistschicht der vorliegenden Erfindung
strukturiert wurde.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der in den 1 und 2 gezeigten
Laserdiode nach der Aufbringung der dielektrischen Schicht.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer teilhergestellten Laserdiode, die
die Art und Weise darstellt, auf die eine Lichtquelle oberhalb des
Substrats in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung ihre Vorzüge erzielt,
ist unter Umständen
Bezug nehmend auf eine exemplarische Anwendung des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung auf die Herstellung einer Kantenemissionslaserdiode leichter
verständlich.
Es wird nun Bezug auf 1 genommen, die eine Querschnittsansicht
einer teilhergestellten Laserdiode 1 ist, in der die verschiedenen Schichten,
die den letztendlichen Laser bilden, aufgebracht und zurückgeätzt wurden,
um eine Mesa-Struktur zu bilden. Wie in 1 gezeigt
ist, umfasst die Vorrichtung eine n-GaN-Schicht 3, eine
Multiquantenmulden-(MQW-)Schicht 4 und eine p-GaN-Schicht 5,
die in dieser Reihenfolge durch einen herkömmlichen Aufdampfungsvorgang,
wie z.B. MOCVD, auf ein Saphir-Substrat 2 aufgewachsen werden.
Der Schichtstapel wurde dann in eine Mesa-Struktur 6 umgewandelt,
indem diese Schichten bis zu einer Tiefe teilweise durch die n-GaN-Schicht 3 hindurch
geätzt
wurden, wodurch eine Mesa-Struktur 6 gebildet
wurde. Die Mesa-Struktur 6 weist typischerweise eine Breite
von 100 μm
und eine Höhe von
etwa 1,4 μm
auf.
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Als
Nächstes
werden die Metallelektroden, durch die Leistung an die fertige Vorrichtung
geliefert wird, aufgebracht. Ein Nickel-Dünnfilm 7 mit einer
Dicke von 50 nm wird durch Vakuumaufdampfung auf die p-GaN-Schicht
aufgebracht. Der Nickeldünnfilm 7 wird
dann durch Photolithographie und Ätzen strukturiert, um eine
Struktur mit einer Breite von 1 bis 100 μm zu bilden. Dieser strukturierte
Nickel-Dünnfilm 7 wird
als eine Ätzmaske
verwendet, um das p-GaN durch
Reaktivionenätzen
zu ätzen
und einen Vorsprung 8 mit einer Höhe von 400 nm auf der Mesa-Struktur 6 bereitzustellen.
Dann wird ein Dünnfilm 9 aus
Aluminium in einer Dicke von 200 nm durch ein Abhebeverfahren auf
dem freiliegenden Abschnitt des n-GaN neben der Unterseite der Mesa-Struktur 6 gebildet.
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Diese
dielektrische Schicht verhindert Kurzschlüsse zu den Elektroden während der
Aufbringung der Metallschicht, die verwendet wird, um die Vorrichtung
mit einem weiteren Schaltungsaufbau zu verbinden. Bei diesem Schritt
wird die gesamte obere Oberfläche
der oben erwähnten
Struktur durch Aufschleudern mit einem Photoresist, wie z.B. AZ6124, her gestellt
durch Hoechst, beschichtet, um eine Photoresistschicht 10 mit
einer Dicke von 2,5 μm
zu bilden. Die Photoresistschicht wird dann unter Verwendung einer
Lichtquelle 15 strukturiert, die die Photoresistschicht 10 von
der Unterseite des Substrats 2 belichtet, derart, dass
die Dünnfilme 7 und 9 als
Belichtungsmasken wirken. Eine Ultraviolettbelichtung von 20 Sekunden
bei einer Energiedichte von 1,5 mW pro Quadratzentimeter ist ausreichend,
um die oben erläuterte
Photoresistschicht zu belichten, unter der Voraussetzung, dass die
Wellenlänge
derart ausgewählt
ist, dass das Substrat bei dieser Wellenlänge transparent ist. Nach der
Bestrahlung wird die Vorrichtung 40 Sekunden lang in einen
Entwickler (wie z.B. einen AZ-Entwickler, hergestellt durch Hoechst, der
1:1 mit entionisiertem Wasser verdünnt wurde) eingetaucht, um
den Abschnitt des Resists zu entfernen, der mit dem ultravioletten
Licht bestrahlt wurde. Eine Querschnittsansicht der resultierenden
Struktur 20 mit Photoresiststrukturen 101 und 102 ist
in 2 gezeigt.
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Nun
wird Bezug auf 3 genommen, die eine Querschnittsansicht
der Vorrichtung nach der Aufbringung der dielektrischen Schicht
ist. Ein SiO2-Film 12 wird dann
auf die Struktur 20 aufgedampft. Das SiO2 über den
Photoresiststrukturen 101 und 102 wird dann durch
ein herkömmliches
Abhebeverfahren entfernt, um SiO2-Filme 121, 122 und 123 zu
bilden, während
Dünnfilme 7 und 9 zur
nachfolgenden Metallaufbringung freigelassen werden, was die in 3 gezeigte
Vorrichtungsstruktur 30 ergibt.
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Die
Form der Photoresiststruktur, die bei der oben beschriebenen Prozedur
erzeugt wird, wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop gemessen. Die
Ergebnisse zeigten an, dass die Photoresiststruktur mehr oder weniger
die gleiche Form aufwies wie die der darunter liegenden Metallfilme.
Die Größendifferenz
zwischen dem gebildeten Photoresist und dem darunter liegenden Nickel-Dünnfilm betrug etwa
0,2 bis 0,3 μm,
wenn das oben erläuterte
Verfahren verwendet wurde.
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So
kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
um selbst auf einer Basisstruktur mit einer Breite von 0,5 bis 1 μm eine Photoresiststruktur
zu bilden.
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Das
oben beschriebene Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung verwendete Aluminium und Nickel als die Basisstruktur.
Es ist jedoch für Fachleute
auf dem Gebiet aus der vorangehenden Erläuterung ersichtlich, dass jedes
beliebige Material, das Licht blockiert, eingesetzt werden kann.
Wolfram, Titan, Platin, Palladium, Tantal, Chrom, Silber, Gold,
Aluminium oder ein anderes Licht blockierendes Material könnte z.B.
anstelle von Nickel oder Aluminium eingesetzt werden.
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Das
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das oben beschrieben wurde, verwendete eine
Anordnung, in der die Lichtquelle, die zur Belichtung des Photoresists
verwendet wurde, unter dem Substrat platziert war, auf dem der Laser
hergestellt wurde. Anordnungen, bei denen die Lichtquelle oberhalb
des Substrats platziert ist, könnten
jedoch ebenso eingesetzt werden. Derartige Anordnungen ermöglichen
es, dass das Substrat auf einem undurchsichtigen Träger befestigt
werden kann, wie z.B. denjenigen, die in herkömmlichen Photolithographievorrichtungen
eingesetzt werden.
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Nun
wird Bezug auf 4 genommen, die die Art und
Weise darstellt, in der die vorliegende Erfindung mit einer Lichtquelle
oberhalb des Substrats praktiziert werden kann. 4 ist
eine Querschnittsansicht des Substrats und der Schichten bei der
gleichen Stufe des Herstellungsvorgangs wie in 1 gezeigt
ist. Die in 1 gezeigte Vorrichtungsstruktur
ist auf einem Tisch 10 platziert, der eine Oberfläche 41 aufweist,
die das Belichtungslicht reflektiert. Der Tisch 40 könnte z.B.
ein Probetisch aus rostfreiem Stahl sein, der Teil einer herkömmlichen
Ultraviolettbelichtungsvorrichtung ist. Eine Photomaske 42 mit
einer Maskenstruktur, die undurchsichtige Bereiche 441 und 442 aufweist,
ist so über
der Photoresistschicht 10 positi oniert, um einen Schatten über Filme 7 und 9 zu
werfen. Diese Maske blockiert Licht von der Lichtquelle 15,
das andernfalls direkt die obere Oberfläche der Photoresistschicht 10 in
der Region der Filme 7 und 9 belichten würde. Die
Projektion der Maskenstrukturen 441 und 442 in
der Emissionsrichtung des Belichtungslichts bedeckt die Dünnfilme 7 und 9,
wie durch die gepunkteten Linien in 4 dargestellt
ist.
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Die
Photoresistschicht 10 kann in etwa in der gleichen Form
strukturiert sein wie die Basisstruktur, die durch die Filme 7 und 9 definiert
ist, indem die Maskenstrukturen 441 und 442 verwendet
werden, die sich von den Kanten der Dünnfilme 7 und 9 etwa 10 μm heraus
erstrecken. Die Belichtung erfordert lediglich eine Positionierungsgenauigkeit
von etwa 5 μm,
da das Belichtungslicht in die Region unter den Maskenstrukturen 441 und 442,
mit Ausnahme der Region auf dem Dünnfilm 7 und 9,
reflektiert wird. Eine Ausrichtungsgenauigkeit von 5 μm kann ohne weiteres
lediglich durch ein Verwenden eines einfachen XY- und Drehtischs
und eines Mikroskops erzielt werden. So kann dieses Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung an einer herkömmlichen UV-Belichtungsvorrichtung praktiziert werden,
ohne dass eine hochpräzise
Ausrichtung erforderlich wäre.
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Mit
diesem Verfahren kann ein beliebiger Abschnitt des Photoresists 10 auf
der Basisstruktur durch ein Verwenden einer geeigneten Photomaskenstruktur
bedeckt werden. So können
auch Bereiche, die die entwickelte Photoresiststruktur nicht umfassen
sollen und nicht über
einer entsprechenden Dünnfilmmaske
sind, geschützt
werden.
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Selbst
wenn der Tisch 40 keine reflektierende Oberfläche aufweist,
kann dieses Verfahren mit Leichtigkeit implementiert werden, wenn
die Rückoberfläche der
Probe mit einem Material beschichtet ist, das Licht reflektiert,
wie z.B. Nickel, Wolfram, Titan, Platin, Palladium, Tantal, Chrom,
Silber, Gold oder Aluminium. Zusätzlich
kann die Menge an Belichtungslicht, die in die Basisstruktur kriecht,
durch ein Einstellen der Entfernung zwischen der reflektierenden
Oberfläche 41 und
den Basisstrukturfilmen modifiziert werden. Die Belichtung kann
durch ein Verändern
der Entfernung zwischen der Lichtquelle und der Vorrichtungsstruktur
und durch ein Verändern
der Richtung, Polarisation und Fokussierung des Lichts feinabgestimmt
werden.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung wurden Bezug nehmend auf den Aufbau einer
Laserdiode erläutert. Es
ist aus der vorstehenden Erläuterung
jedoch zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden
kann, um eine Photoresiststruktur über einer beliebigen undurchsichtigen
Struktur zu erzeugen, ohne dass es erforderlich ist, dass eine Maske
mit hoher Genauigkeit über
dieser Struktur positioniert werden muss.
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Verschiedene
Modifizierungen der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute
auf dem Gebiet aus der vorstehenden Beschreibung und beigefügten Zeichnungen
ersichtlich werden. Entsprechend soll die vorliegende Erfindung
lediglich durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche eingeschränkt sein.