EP1243022A2 - Dünnschichtwiderstand mit hohem temperaturkoeffizienten als passives halbleiterbauelement für integrierte schaltungen und herstellungsverfahren - Google Patents
Dünnschichtwiderstand mit hohem temperaturkoeffizienten als passives halbleiterbauelement für integrierte schaltungen und herstellungsverfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung beinhaltet ein Halbleiterbauelement unter Verwendung einer WSiN-Schicht als Dünnschichtwiderstandes mit hohem Temperaturkoeffizienten zum Einsatz als Thermistor in Bolometern. Das Herstellungsverfahren umfasst auch die thermische Entkopplung mittels freistehender oder auf einer Isolationsschicht befindlicher Thermistoren.
Description
Beschreibung
Dύnnschichtwiderstand mit hohem Temperaturkoeffizienten als passives Halbleiter- baueiement für integrierte Schaltungen und Hersteilungsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schichtenfoige eines Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , auf ein passives Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Ansoruchs 4 oder 5, und ein Verfahren zur Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
Die Erfindung betrifft einen Thermistor als Halbleiterbauelement beispielsweise in Bolometem. Üblicherweise werden Polysiliziumschichten als Thermistoren eingesetzt. Dabei läßt sich über die Dotierung des Polysiliziums die Temperaturabhängigkeit des Widerstands, der sog. TCR-Wert, über weite Bereiche einstellen.
Aus der Schrift US 5,260,225 bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten, auf Infrarotstrahlung empfindlichen Bolometers unter Verwendung von dotiertem Polysiiizium mit einem TCR-Wert zwischen 1-2%/°C. Als Dotierstoff wird Arsen, Phosphor oder Bor verwendet. Die IR empfindliche Polysiliziumschicht befindet sich auf einer thermisch isolierenden Siliziumoxidschicht, die den Wärmeύbertrag auf das Substrat verhindern soll.
Ebenso ist eine Anordnung aus der Schrift EP 0 354 369 als Bolometerarray bekannt, das in eine integrierte Schaltung mit einem bordotierte amorphen-SiH-Widerstand eingebunden ist.
Aus der Schrift US 5,440, 174 ist die Verwendung von WSiN-Schichten für Widerstandsschichten und Diffusionsbarrieren in integrierten Schaltungen bekannt. Über die Stickstoffgehalt dieser Schichten läßt sich sowohl der Widerstandswert, wie auch die diffusionshemmende Wirkung gegenüber Sauerstoff gezielt einstellen.
Ebenso ist die Verwendung von WSiN Schichten in MESFETs aus der Schrift Tabatabaie, K. ( 1995): IEEE Transactions on Elektron Devices, Vol. 42, No. 7, pp. 1205 bekannt. Der bevorzugte Einsatz dieser Schichten bezieht sich ebenfalls auf die diffusionshemmende Wirkung in Verbindung mit Temperprozessen bei der Herstellung von GaAs- Bauelementen.
Keine Beachtung bei WSiN-Schichten fanden bisher die thermischen Eigenschaften in
Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Schichten und insbesondere in Bezug auf den Zusammenhang des TCR-Wertes in Abhängigkeit vom Stickstoffgehalt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schichtenfoige und ein damit verbundenes passives Halbleiterbauelement mit hohem TCR und geringem 1 /f- Rauschen anzugeben, das in integrierter Halbleiterbauweise herstellbar ist.
Die Erfindung wird in Bezug auf die Schichtenfolge durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 , in Bezug auf das passive Halbleiterbauelement durch die Merkmale des Anspruchs 4 oder 5, und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung beinhaltet eine Schichtenfoige eines Dunnschichtwiderstandes mit hohem Temperaturkoeffizienten auf einem Substrat. Sie besteht aus einer ersten Passivierungsschicht, einer für den temperaturabhangigen elektrischen Widerstand verantwortlichen WSiN-Schicht und einer ersten Metallisierungsschicht
Vorteilhafterweist befindet sich zwischen der ersten Passivierungsschicht und der WSiN-Schicht eine Zwischenschichtenfolge zur thermischen Isolation gegenüber dem Substrat. Die Zwischenschichtenfolge besteht aus einer Polyimid- oder BCB-Schicht (Benzocyclobuten), die gegebenenfalls auf Haftschichten abgeschieden sind.
Als WSiN-Schichtmateπal wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein weitgehend amorphes Material bezeichnet, das in seiner chemischen Zusammensetzung einen variablen Elementgehalt W SιγNz mit x, y als Hauptbestandteile mit einem Einbau geringer Anteile z besitzt. Mit dem WSiN wird ein bisher nicht für diese Zwecke verwen- detes Material eingesetzt, das auch bei höheren TCRs, beispielsweise über 1°_/°C, ein außerordentlich geringes 1 /f-Rauschen aufweist. Zudem besitzt das WSiN ein Absorptionsband im Infrarotbereich, wodurch ein bevorzugter Einsatz in Bolometern resultiert. Darüber hinaus ist dieses Material durch einen Niedertemperaturprozeß auf fast allen Substratmateπalieπ abscheidbar.
Das aus der Schichtenfoige strukturierte passive Halbleiterbauelement besteht aus einer als Thermistor verwendeten WSiN-Restschicht der erfindungsgemaßen Schichtenfoige. Zwischen den elektrischen Anschlüssen befindet sich eine Öffnung zum Durchtritt der elektromagnetischen Strahlung bis zur thermisch empfindlichen WSiN-Restschicht.
Unter dieser Öffnung ist auch eine zweite, für die Strahlung durchlässige Passivierungsschicht zu verstehen.
Zur thermischen Isolation wird zwischen Substrat und WSiN-Schicht vorteilhafterweise eine Zwischenschichtenfolge angeordnet, die ein Abfließen der Warme in das Substrat verhindert. Diese Zwischenschichtenfolge ist zur thermischen Isolation nur lokal im Bereich der Strahlungseinwirkung ausgebildet. Das Substrat selbst kann jedoch bereits schon aus einem Material mit geringer Wärmeleitung, beispielsweise aus Glas, bestehen. Bei der Verwendung von Silizium werden dann vorteilhafterweise Isolationsscnichten größerer Dicke eingesetzt und das Silizium durch geeignete Prozesse unter dem Thermistor entfernt.
Für eine Anwendung im infraroten Bereich wird die zweite Passivierungsschicht dementsprechend auf Durchlässigkeit für derartige elektromagnetische Strahlung angepaßt.
Außer der Verwendung von Zwischenschichtenfolgen als Isolationsscnichten wird vorteilhafterweise eine thermische Isolation im Bereich der Öffnung für den Durchtritt der Strahlung dadurch erreicht, daß das Substrat von der Unterseite bis zur ersten Passivierungsschicht abgetragen wird.
Eine thermiscne Entkopplung zum Substrat erfolgt entweder durch Atzung des Trager- mateπals oder durch Verwendung einer Schicht mit niedriger Warmeleιtfaπιgκeιt.
Das Verfahren zur Herstellung eines passiven Halbleiterbauelements bestent in einer Abfolge der Prozeßschritte: - auf einem Substrat wird eine erste Passivierungsschicnt abgeschieαen, auf der ersten Passivierungsschicht wird eine WSiN-Schicht und eine erste Metailschicht ganzfiachig abgeschieαen, die erste Metailschicht wird zu einer ersten Anschlußmetallisierung strukturiert, der Bereich zwischen der ersten Anschlußmetallisieruπg wird abgedeckt und die WSiN-Schicht wird zu einer für das Bauteil benotigten WSiN-Restschicht struktu-
πert, eine zweite Passivierungsschicht wird abgeschieden und es werden Öffnungen für elektrische Anschlüsse bevorzugt an den Enden der WSiN-Restschicht ausgebildet, - in diese Offnungen werden Metallkontakte eingebracht, der zwischen den Metallkontakten angeordnete Teil der zweiten Passivierungsschicht wird so ausgestaltet, daß eine für elektromagnetische Strahlung durchlassige Öffnung entsteht.
Ein besonderer Vorteil des bisher nicht für diese Zwecke verwendeten WSiN-Mateπals resultiert aus der Eigenschaft, auch bei höheren TCRs, beispielsweise uoer 1 /°C, ein außerordentlich geringes 1 /f-Rauschen zu besitzen
Ein weiterer Vorteil bei derartigen WSiN-Thermistoren resultiert aus der Abscheidbar- keit auf nahezu allen Substratmateπalien. Damit gewährleistet dieses Material eine einfache und billige Herstellung derartiger Bauelemente.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen in den Figuren naner erläutert. Es zeigen
Fig. 1 a-h Herstellungsverfahren eines Thermistors mit freistehender Schicht im bestrahlten Bereich, Fig. 2 a-d Herstellungsverfahren eines Thermistors mit einer BCB-Schicht als Isolationsschicht, Fig. 3 a-e Herstellungsverfahren eines Thermistors mit einer Polyimiα-MesastruKtur als Isolationsschicht.
In einem Ausfύhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird das Verfahren zur Herstellung eines Thermistors als passives Halbleiterbaueiements eingehend beschrieben. Das Verfahren besteht aus einer Abfolge der folgenden Prozeßschritte:
Auf einem ca. 400 μm dicken Siliziumsubstrat 1 wird eine 2 μm dicke Oxidschicht als erste Passivierungsschicht 2 bevorzugt mit einem CVD-Prozeß (Chemical Vapor Deposition) abgeschieden. Auf dieser ersten Passivierungsschicht 2 wird mit der PVD- Methode (Physical Vapor Deposition) eine WSiN-Schicht 3 unter definiertem Hinzumischen von Stickstoffgas während des Abscheideprozesses abgeschieden. In Abhängigkeit des Stickstoffgehaltes im Prozeßgas läßt sich der TCR-Wert und die mechanischen Schichteigenschaften über weite Bereiche gezielt beeinflussen. Als Deckschicht folgt eine mittels derselben PVD-Methode ganzflächig abgeschiedene WTi/AI-Schicht als erste Metailschicht 4 (Fig. 1a).
Im weiteren Verlauf wird die erste Metailschicht 4 zu einer ersten Anschlußmetallisierung strukturiert, indem mit einer ersten Maske 5 die nicht zu ätzenden Bereiche abgedeckt werden und mittels eines naßchemischen Verfahrens die erste Metailschicht 4 bis auf den verbleibenden Rest als erste Anschlußmetallisierung 4' abgetragen wird (Fig. 1 b).
Die durch den Ätzvorgang an die Oberfläche tretende WSiN-Schicht 3 wird dann im Bereich zwischen der ersten Anschlußmetallisierung 4' durch eine weitere zweite Maske 6 bedeckt. Das WSiN wird mittels RIE (Reaktives lonenätzen) in den umlie- genden Bereichen abgetragen. Die unter den Masken 5 und 6 verbleibende WSiN- Schicht definiert die aktive Zone des Thermistors (Fig. 1 c).
Eine weitere Oxidschicht als zweite Passivierungsschicht 7 wird mit einer ungefähren Dicke von 400 nm abgeschieden. An den Stellen der ersten Anschlußmetallisierung 4' werden Öffnungen für elektrische Anschlüsse an den Enden der WSiN-Restschicht 3' strukturiert (Fig. 1d).
In diese Öffnungen werden Metallkontakte 8 aus WTi/Au eingebracht. Der zwischen den Metallkontakten angeordnete Teil der zweiten Passivierungsschicht 7 wird so ausgestaltet, daß dieser eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung
darstellt. Gegebenenfalls wird die Passivierungsschicht im durchstrahlte Bereich gedünnt (Fig. 1e).
Im weiteren Verlauf wird das Substrat 1 zur thermischen Entkopplung von der Substrat- Unterseite bis zur Unterseite der ersten Passivierungsschicht 2 im Bereich zwischen der Anschlußmetallisierung 4' abgetragen. Hierzu wird die Oberseite mit einer dritten Maske 9 abgedeckt (Fig. 1f).
Mit einer vierten Maske 10, der Dicke von ungefähr 15 bis 20 μm, wird die Substrat- rückseite abgedeckt und in den Bereichen der aktiven Thermistorschicht auf der Vorderseite für einen Ätzprozeß geöffnet. Aufgrund des relativ dicken Substrates 1 wird mittels eines Hochratenätzprozesses das Substrat bis auf den Substratrest 1' abgetragen (Fig. 1 g). Das aus dem Prozeß strukturierte Bauteil mit einer freitragenden aktiven Thermistorschicht ist in Fig. 1 h dargestellt.
Alternativ wird zwischen der WSiN-Restschicht 3' und der ersten Anschlußmetallisierung 4' eine Zwischenschichtenfolge 13, 14 bzw. 15 abgeschieden und so strukturiert wird, daß diese eine thermische Isolation zum Substrat 1 hin darstellt (Fig. 2a). Die Zwischenschichtenfolge besteht aus einer Haftschicht 13 und einer BCB-Schicht 14 bzw. einer Polyimiddummyschicht 15 (Fig. 2d bzw. Fig. 3e). In diesem Fall wird das Substrat 1 zur thermischen Entkopplung nicht geätzt. Die übrigen Prozeßschritte (Fig. 2b, 2c; 3b und 3c) entsprechen im wesentlichen den zuvor beschriebenen Verfahreπschritten.
Im Falle der in Fig. 2d dargestellten Vorgehensweise wird die thermische Entkopplung zum Substrat über die Dicke der BCB-Schicht gewährleistet. Zur Reduzierung des thermsicheπ Widerstandes werden die auf die BCB-Schicht 14 folgenden Schichten lateral auf die Fläche des aktiven Thermistors zurückgeätzt (Dicke der BCB-Schichten beträgt ungefähr 25-75 μm).
Im Falle der in Fig. 3 dargestellten Vorgehensweise wird beispielsweise eine Polyimid- schicht bereits in einem frühzeitigen Stadium der Herstellung lateral auf die später gebildete Thermistorstruktur ausgebildet (Fig. 3a) und der Thermistor anschließend nach den analog zu den bereits beschriebenen Verfahrensschritten gemäß der Fig. 3b, 3c und 3d auf dieser Mesastruktur hergestellt (Fig. 3e). Abschließend wird die Polyimidschicht 15 im Sauerstoff-Plasma mittels eines isotropen Ätzprozesses entfernt. Der unter dem Thermistor entstehende Hohlraum 20 führt zur thermischen Entkopplung gegenüber dem Substrat.
Claims
1. Schichtenfolge eines Dünnschichtwiderstandes mit hohem Temperaturkoeffizienten auf einem Substrat, die besteht aus: einer ersten Passivierungsschicht (2), einer WSiN-Schicht (3) eine erste Metailschicht (4).
2. Schichtenfoige nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Passivierungsschicht (2) und der WSiN-Schicht (3) eine Zwischenschichtenfolge ( 13, 14, 15) zur thermischen Isolation eingebracht ist.
3. Schichtenfolge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtenfolge eine BCB-Schicht ( 15) enthält.
4. Passives Halbleiterbauelement, bestehend aus:
- einem Substrat ( 1 ),
- einer ersten Passivierungsschicht (2),
- einer WSiN-Restschicht (3'),
- einer ersten Anschlußmetallisierung (4'),
- einer zweiten Passivierungsschicht (7) mit Öffnungen für elektrische Anschlüsse an beiden Enden der Widerstandsschicht,
- Metallkontakte (8) an den Stellen der in der zweiten Oxidschicht vorgesehen Öffnungen,
- einer weiteren zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten, für elektromagnetischer Strahlung durchlässige Öffnung zur Bestrahlung der WSiN-Restschicht (3').
5. Passives Halbleiterbauelement, bestehend aus:
- einem Substrat ( 1 ),
- einer ersten Passivierungsschicht (2),
- einer WSiN-Restschicht (3'), - einer Zwischenschichtenfolge ( 13, 14, 15) zur thermischen Isolation,
- einer ersten Anschlußmetallisierung (4'),
- einer zweiten Passivierungsschicht (7) mit Öffnungen für elektrische Anschlüsse an beiden Enden der WSiN-Restschicht (3'),
- Metallkontakte (8) an den Stellen der in der zweiten Oxidschicht vorgesehen Öffnungen,
- einer weiteren zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten, für elektromagnetischer Strahlung durchlässige Öffnung zur Bestrahlung der WSiN-Restschicht (3').
6. Passives Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtenfolge ( 13, 14, 15) zur thermischen Isolation lokal im Bereich der Strahlungseinwirkung ausgebildet ist.
7. Passives Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtenfolge ( 13, 14, 15) zur thermischen Isolation eine Polyimidschicht ( 15) enthält, die mittels eines Oxidplasmas entfernt wird, wobei an dieser Stelle ein wärmeisolierender Hohlraum (20) entsteht.
8. Passives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Silizium oder Glas besteht.
9. Passives Halbleiterbauelement einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Passivierungsschicht (2) eine Oxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 2 μm ist.
10. Passives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung zur Bestrahlung der WSiN-Restschicht (3') mit einer zweiten Passivierungsschicht (7) abgedeckt ist, die für Infrarotstrahlung durchlässig ist.
1 1. Passives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Öffnung das Substrat ( 1 ) bis zur ersten Passivierungsschicht (2) zur thermischen Entkopplung abgetragen ist.
12. Verwendung eines passives Halbleiterbaueiements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement als Thermistor in Bolometern eingesetzt wird.
13. Verfahren zur Herstellung eines passiven Halbleiterbaueiements, dadurch gekennzeichnet,
- daß auf einem Substrat ( 1 ) eine erste Passivierungsschicht (2) abgeschieden wird, - daß auf der ersten Passivierungsschicht (2) eine WSiN-Schicht (3) und eine erste
Metailschicht (4) ganzflachig abgeschieden wird,
- daß die erste Metailschicht (4) mittels einer ersten Maske (5) zu einer ersten An- schlußmetallisierung (4') strukturiert wird,
- daß mittels einer zweiten Maske (6) der Bereich zwischen der ersten Anschlußme- tallisierung ( '} abgedeckt wird und die WSiN-Schicht (3) zu einer für das Bauteil benotigte WSiN-Restschicht (3') strukturiert wird,
- daß eine zweite Passivierungsschicht (7) abgeschieden wird, in die Öffnungen für elektrische Anschlüsse bevorzugt an den Enden der WSiN-Restschicht (3') als Widerstandsschicht strukturiert werden, - daß in diese Offnungen Metallkontakte (8) eingebracht werden
- daß der zwischen den Metallkontakten (8) angeordneten Teil der zweiten Passivierungsschicht (7) so ausgestaltet wird, daß diese eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Öffnung besitzt
14 Verrahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeicnnet, daß aas Substrat ( 1 ) zur thermischen Entkopplung von der Substratunterseite bis zur Unterseite der ersten Passivierungsschicht (2) im Bereich zwischen der Anschlußmetallisierung (4') abgetragen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der WSiN- Restschicht (3') und der ersten Anschlußmetallisierung (4') eine Zwischenschichtenfolge ( 13, 14, 15) abgeschieden und so strukturiert wird, daß diese eine thermische Isolation zum Substrat hin darstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtenfolge aus einer Haftschicht (13) und einer BCB-Schicht ( 14) oder einer Polyimid- schicht ( 15) besteht, die derart strukturiert wird, daß diese im Bereich des thermischen Eintrags zum Substrat ( 1 ) hin eine Isolation darstellt.
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