DE1210955B - Verfahren zum Maskieren von Kristallen und zum Herstellen von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

1210 955
J25999 VIIIc/21:
9. Juni 1964
17. Februar 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Maskieren von Kristallen, insbesondere zum Maskieren von Halbleitereinkristallen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es bekannt, die zu beschichtenden, zu dotierenden, zu ätzenden oder sonstwie zu bearbeitenden Bereiche eines Halbleitereinkristalls durch Masken zu definieren. Dabei wurden aus metallischen oder aus nichtmetallischen Substanzen bestehende Schutzschichten durch mechanische Bearbeitung oder durch Lichtätzverfahren mit den der gewünschten Maskenform entsprechenden Ausnehmungen versehen. Dieses Verfahren konnte mit Vorteil bei der Herstellung von Masken mit relativ großen Öffnungen verwendet werden, bei der Herstellung von Masken mit sehr kleinen Ausnehmungen, -d. h. mit Ausnehmungen in der Größenordnung von einigen zehntel Mikron bis einigen Mikron zeigten sich bei den mit diesem Verfahren hergestellten Masken jedoch eine Reihe von schwerwiegenden Nachteilen. So war es beispielsweise schon schwierig, die Bereiche mit derartig kleinen Ausnehmungen mit genügender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit überhaupt herzustellen. Darüber hinaus machte die der Herstellung der Masken folgende Reinigung der durch die Maskenausnehmungen freigelegten Bereiche außerordentliche Schwierigkeiten, da die der Reinigung dienenden Ätzsubstanzen vorwiegend an den Kanten angreifen, die von zwei Flächen eingeschlossenen Ecken jedoch nur langsam und schlecht angreifen. Dieser Umstand macht sich bei kleinen Maskenöffnungen von einigen zehntel Mikron in einer Dimension und großen Längenabmessungen von einigen Millimetern besonders nachteilig bemerkbar, da die Genauigkeit und Linearität dieser Ausnehmungen dadurch in Frage gestellt wurde. Außerdem stellt der der Maskenherstellung notwendigerweise folgende Ätzvorgang zur Reinigung der freigelegten Bereiche einen besonders schwierigen und vor allen Dingen zeitraubenden, aus mehreren Schritten bestehenden Verfahrensabschnitt dar, was sich besonders bei der Massenherstellung von Halbleiterbauelementen als außerordentlich nachteilig erweist.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein besonders schnelles und einfaches Verfahren zum Maskieren von Kristallen anzugeben, das die Herstellung von Masken mit sehr schmalen, langgestreckten Ausnehmungen höchster Präzision und Genauigkeit gestattet. Die durch die Maskenöffnungen freigelegten Bereiche des zu bearbeitenden HaMeiter-Verfahren zum Maskieren von Kristallen und
zum Herstellen von Halbleiterbauelementen

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.,

Sindelf ingen (Württ), Tübinger Allee 49

Als Erfinder benannt:

Dr. Michael Michelitsch, Stuttgart-Vaihingen - -

kristalls sollen darüber hinaus einen hohen Reinheitsgrad aufweisen, so daß eine Veränderung der Konturen durch etwaige Verunreinigungen, die von einem der Reinigung dienenden Ätzprozeß nicht entfernt werden konnten, mit Sicherheit ausgeschlossen wird.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Maskieren von Kristallen, insbesondere zum Maskieren von Halbl'eitereinkristallen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kristall mit einer Schutzschicht überzogen wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Kristalls ist und beides anschließend zur Erzeugung von schmalen, in Richtung von kristallographischen Achsen des Kristalls verlaufenden, als Maskenöffnungen dienenden Rissen in der Schutzschicht einem schnellen Erwärmungsprozeß unterzogen wird.

Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird vorgeschlagen, daß zur Auswahl bestimmter Bereiche und/oder einer oder mehrerer der insgesamt auf Grund der kristallographischen Struktur möglichen Richtungen innerhalb der zu maskierenden Fläche der Erwärmungsprozeß des mit der Schutzschicht versehenen Kristalls mittels in geeigneten Lagen und Richtungen angeordneten linienförmigen Wärmequellen oder mit in linienförmigen Bereichen wirksamen Wärmequellen durchgeführt wird.

Auch kann die Schutzschicht mit einer weiteren, auf Grund ihrer mechanischen Festigkeit das Auftreten von Rissen verhindernden Schicht überzogen

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werden, die die für die Erzeugung von Rissen vor- Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesehenen, vorzugsweise im Sinne einer kristallo- haben ergeben, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn graphischen Achse orientierten Bereiche frei läßt. ein einkristallines Galliumarsenidplättchen, dessen Es kann aber auch vorteilhaft sein, das Verfahren Oberflächen in der (lll)-Ebene orientiert sind, mit so auszubilden, daß die Schutzschicht vorzugsweise 5 einer Schutzschicht aus Siliziumdioxyd von etwa von im Sinne einer kristallographischen Vorzugs- 5000 Ä Dicke bedeckt und anschließend in einen richtung orientierten Kanälen durchsetzt wird, in vorzugsweise zum epitaktischen Beschichten durch deren Bereich sie eine das Entstehen von Rissen Gastransport oder zum Diffundieren durch Gasbegünstigende Dicke aufweist, wenn die Dicke der transport geeigneten Behälter auf eine Temperatur Schutzschicht in den die Kanäle voneinander trennen- 10 von 700 bis 800⁰C bis zum Auftreten einer geden Bereichen eine das Entstehen von Rissen wünschten Anzahl von in (112)-Richtungen vererschwerende bzw. verhindernde Dicke, oder um- laufenden Rissen erwärmt wird,
gekehrt, aufweist. Galliumarsenidhalbleiterdioden können unter An-

Das oben angegebene Profil der Schutzschicht wendung des oben beschriebenen Verfahrens herkann entweder durch die Art ihrer Aufbringung oder 15 gestellt werden, indem ein einkristallines, p-doaber durch ein Ätzverfahren, vorzugsweise durch ein tiertes Galliumarsenidplättchen, dessen Oberflächen Lichtätzverfahren, erzeugt werden. i_n der (lll)-Ebene orientiert sind, mit einer Schutz-

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der schicht aus Siliziumdioxyd von etwa 5000 Ä be-Lage und/oder der Richtung der zu erzeugenden deckt und anschließend in einem zum epitaktischen Risse besteht darin, daß zur Auswahl bestimmter ₂₀ Aufbringen von Schichten aus des Gasphase geeig-Bereiche und/oder einer oder mehrere der insgesamt _net_en Behälter auf eine Temperatur von etwa 700 auf Grund der kristallographischen Struktur .mög- bis 800° C bis zum Auftreten einer gewünschten Anlichen Richtungen innerhalb der zu maskierenden _Zahl von (112)-Richtung verlaufenden Rissen er-Flächer, der Erwärmungsprozeß des mit der Schutz- wärmt wird, daß anschließend das mit einer Risse schicht versehenen Kristalls unter gleichzeitiger 25 aufweisenden Siliziumdioxydschicht bedeckte Galli-Einwirkung von mechanischen Spannungen; von die umarsenidplättchen bei 600 bis 85O⁰C einem aus Kristallstruktur beeinflussenden elektrischen und/ dampfförmigem Arsen, einem kleinen Betrag Selen, oder magnetischen Feldern, vorzugsweise von Galliumchlorid und Wasserstoff bestehenden Gasstehende Wellen erzeugenden mechanischen Schwin- strom bis zum Aufbau von den durch die Risse gungen, durchgeführt wird. 30 freigegebenen Bereichen des Galliumarsenidplätt-

Der Maekierungsprozeß wird vorteilhaft in einem chens ausgehenden, diese Risse ausfüllenden und sie zur Durchführung der sich anschließenden Verfah- pilzförmig überragenden Schicht aus n-dotiertem rensschritte wie z.B. dem Herstellen epitaktischer Galliumarsenid ausgesetzt wird, daß die die ein-Schichten, Diffundieren od. dgl. geeigneten Behälter zelnen Risse pilzförmig überragenden Galliumdurchgeführt. Dabei schließen sich die folgenden 35 arsenidschichten beispielsweise durch Einlegieren Verfahrenschritte so schnell an, daß die extrem von Zinnperlen kontaktiert werden und das schließhohe Reinheit der durch, die Rißbildung freigelegten hch das Galliumarsenidplättchen in eine ent-Flächenbereiche des verarbeiteten Kristalls nicht sprechende Anzahl von jeweils einen pn-übergang oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird. geeigneter Länge aufweisende Halbleiterelemente

Das Verfahren kann besonders vorteilhaft zur ₄₀ aufgeteilt wird.

Herstellung extrem schmaler, scharf begrenzter, j>j_e Erfindung wird anschließend an Hand der

geradliniger, langgestreckter, insbesondere als selbst- _em besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des

erregte Laser geeigneter pn-Übergänge verwendet Erfindungsgedankens darstellenden Figuren näher

werden. . erläutert. Es zeigt

Die durch das genannte Verfahren hergestellten ₄₅ Fig. 1 ein Galliumarsenid-Einkristallplättchen,

Masken eignen sich außerdem zur Herstellung so- das mit einer Risse aufweisenden Schicht aus SiIi-

genannter HeteroÜbergänge, das sind Übergänge ziumdioxyd überzogen ist,

zwischen zwei verschiedenen Substanzen, beispiels- _Fi_g. ₂ ein Gamumarsenid-Einkristallplättchen, weise Übergänge zwischen einer Germanium- und _das mit einer Kanäle aufweisenden Siliziumdioxydeiner Siliziumschicht oder einer Germanium- und 50 schicht überzogen ist
einer Galliumarsenidschicht. Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch das

Nach der in einem ersten Verfahrensschritt erfolg- Plättchen nach F i g. 2,

ten, der Herstellung von Übergängen dienenden Fig. 4 einen Schnitt aus einem Galliumarsenid-Beschichtung oder Dotierung der bei der Rißbildung Einkristallplättchen, das mit einer Risse aufweisenfreigelegten Fläche des Kristalls kann der Herstel- 55 den Siliziumdioxydschicht überzogen und bei dem lungsprozeß durch Aufbringen weiterer Schutz- der dargestellte Riß durch epitaktisches Aufwachsen schichten durch Rißbildung und. weitere Beschich- mit einer Galliumarsenidschicht ausgefüllt ist,
tung oder Dotierung der durch die neuerliche Riß- F i g. 5 eine Anordnung zur Durchführung des bildung freigelegten Bereiche zwecks Herstellung von ernndungsgemäßen Verfahrens.
Halbleiterelementen mit mehreren Übergängen fort- 60 I_n der Fig. 1 ist ein kreisförmiges Galliumgesetzt werden. arsenid-Halbleiterplättchen 1 dargestellt, dessen

Zur weiteren Verarbeitung der durch das be- Oberfläche in der (lll)-Ebene orientiert. ist. Das

schriebene Verfahren hergestellten Elemente werden Galliumarsenidplättchen 1 ist mit einer Silizium-

die anfallenden, langgestreckte Übergänge auf- dioxydschicht 2 von etwa 5000 Ä Dicke überzogen,

weisenden Halbleiterplatten durch an und für sich 65 die von in {112)-Richtung liegenden Rissen 5 durch-

bekannte Verfahren in Halbleiterbauelemente mit setzt ist. Wie aus der Figur zu ersehen, liegen die

einer vorgegebenen Länge des oder der Übergänge eingezeichneten Risse in zueinander parallelen oder

aufgeteilt. . einander unter einem Winkel von 60° schneidenden

Richtungen, die beide mit den kristallographischen (112)-Richtungen des Galliumarsenid-Halbleiterplättchens 1 zusammenfallen. Die sehr gerade und regelmäßig verlaufenden Risse 5 haben durchweg eine Breite von ungefähr 0,1 μ. Die genannten Risse entstehen durch die Erwärmung der gezeigten Anordnung auf etwa 800° C und sind durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schichten 1 und 2 bedingt. In der F i g. 2 ist ein Galliumarsenid-Halbleiterplättchenl mit einer Siliziumdioxydschicht 2 bedeckt, die Kanäle 3 aufweist. Der Zweck der in der Darstellung übertrieben breit gezeichneten Kanäle 3 besteht darin, die Entstehung der unregelmäßig und an unvorhersehbaren Bereichen der Siliziumdioxydschicht auftretenden *5 Risse 5 auf die Grundflächen der Kanäle 3 zu beschränken, so daß eine Selektion der Risse aufweisenden Bereiche durchgeführt werden kann. Die' Dicke der Siliziumdioxydschicht 2 beträgt an den Böden der Kanäle etwa 5000 Ä, während die zwisehen den Böden der Kanäle 3 stehengebliebenen erhöhten Bereiche 4 eine Dicke von etwa 10 000 Ä aufweisen. Versuche haben gezeigt, daß eine Oxydschicht im Bereich von 5000 Ä Dicke wesentlich leichter reißt als die Oxydschicht im Bereich von 10 000 Ä. Durch extrem schmale Ausgestaltung der Kanäle 3 wird erreicht, daß in jedem Kanal nur ein einziger im allgemeinen -durchgehender und geradlinig verlaufender Riß 5 auftritt.

In der F i g. 3 wird ein Schnitt durch die in F i g. 2 gezeigte Anordnung dargestellt.

Die F i g. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem mit einer Schutzschicht aus Siliziumdioxyd versehenen Galliumarsenid-Einkristallplättchen. Der in stark vergrößertem Maßstab gezeichnete Riß 5 ist durch einen Aufwachsprozeß mit einer auf dem Galliumarsenidsubstratl aufbauenden epitaktischen Schicht 6 aus Galliumarsenid ausgefüllt, die sich oberhalb des Risses pilzförmig erweitert. Da der Galliumarsenid-Einkristall 1 p-dotiert und der Galliumarsenidbereich 6 η-dotiert ist, wirkt die Trennlinie 7 zwischen diesen beiden Bereichen als pn-Ubergang. Die in der F i g. 4 gezeigte Anordnung stellt eine Halbleiterdiode mit langgestrecktem pn-Ubergang dar, die mit Hilfe einer Siliziumdioxydmaske, in der durch thermische Einwirkung ein Riß entstanden ist, hergestellt wurde.

Die in der F i g. 5 dargestellte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Gefäß 10 mit einem Zuleitungsrohr 11 und einem Ableitungsrohr 12. Im Innern des Gefäßes 10 ist eine heizbare Platte 13 angeordnet, auf der sich ein Galliumarsenid-Einkristallplättchen 1 befindet, das mit einer Siliziumoxydschicht von etwa 5000 Ä Dicke überzogen ist. Zur Durchführung des Verfahrens wird das mit einer Siliziumdioxydschicht bedeckte Galliumarsenidplättchen in das Gefäß 10 eingebracht und unter gleichzeitiger Zuführung eines Wasserstoffstroms auf etwa 800⁰C erwärmt. Bedingt durch die unterschiedliche Ausdehnung der Schichten 1 und 2 treten Risse 5 auf. Nach Entstehung der Risse wird durch den Zuführungsstutzen 1 ein Gemisch aus Galliumchlorid, Arsen, Selen und Wasserstoff bei einer Temperatur von 75O⁰C zugeführt, das eine Abscheidung einer η-dotierten Galliumarsenidschicht in den Spalten 5 bewirkt. Anschließend wird die Anordnung unter einem durch den Zuführungsstutzenil zugeführten Wasserstofüstrom abgekühlt. Das Kontaktieren der pilzförmig überstehenden Teile der Bereiche 6 ist besonders einfach.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Maskieren von Kristallen, insbesondere von Halbleitereinkristallen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit einer Schutzschicht überzogen wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Kristalls ist und beides anschließend zur Erzeugung von schmalen, in Richtung von kristallographischen Achsen des Kristalls verlaufenden, als Maskenöffnungen dienenden Rissen in der Schutzschicht einem schnellen Erwärmungsprozeß unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswahl bestimmter Bereiche und/oder einer oder mehrerer der insgesamt auf Grund der kristallographischen Struktur möglichen Richtungen innerhalb der zu maskierenden Fläche der Erwärmungsprozeß des mit der Schutzschicht versehenen Kristalls mittels in geeigneten Lagen und Richtungen angeordneten linienförmigen Wärmequellen oder mit in linienförmigen Bereichen wirksamen Wärmequellen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswahl bestimmter Bereiche und/oder einer oder mehrerer der insgesamt auf Grund der kristallographischen Struktur möglichen,. Richtungen innerhalb der zu maskierenden Fläche der Erwärmungsprozeß des mit der Schutzschicht versehenen Kristalls unter gleichzeitiger Einwirkung von mechanischen Spannungen oder von die Kristallstruktur beeinflussenden elektrischen und/oder magnetischen Feldern, vorzugsweise von stehende Wellen erzeugenden mechanischen Schwingungen, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht mit einer weiteren, auf Grund ihrer mechanischen Festigkeit das Auftreten von Rissen verhindernden Schicht überzogen wird, die die für die Erzeugung von Rissen vorgesehenen, vorzugsweise in einer kristallographischen Vorzugsrichtung orientierten Bereiche frei läßt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht von in einer kristallographischen Vorzugsrichtung orientierten Kanälen durchsetzt wird, in deren Bereiche sie eine das Entstehen von Rissen begünstigende Dicke aufweist, während die Dicke der Schutzschicht in den die Kanäle voneinander trennenden Bereichen eine das Entstehen von Rissen erschwerende oder verhindernde Dicke, oder umgekehrt, aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Schutzschicht durch die Art ihrer Aufbringung erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Schutzschicht durch ein Ätzverfahren, vorzugsweise durch ein Lichtätzverfahren, erzeugt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Maskierungsprozeß in einem zur Durchführung von sich anschließenden Verfahrensschritten geeigneten Behälter durchgeführt wird und daß die folgenden Verfahrensschritte sich so schnell anschließen, daß die extrem hohe Reinheit der durch die Rißbildung freigelegten Flächenbereiche des verarbeiteten Kristalls nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird,

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Herstellung extrem schmaler, scharf begrenzter, geradliniger, langgestreckter, insbesondere als selbsterregter Laser geeigneter pn-Übergänge,

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Herstellung sogenannter HeteroÜbergänge.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristallines GaAs-Plättchen, dessen Oberflächen in der (lll)-Ebene orientiert sind, · mit einer Schutzschicht aus SiO₂ von etwa 5000 Ä Dicke bedeckt und anschließend in einem vorzugsweise zum epitaktischen Aufbringen von Schichten aus der Gasphase oder zum Diffundieren von Aktivatoren aus einem Gasstrom geeigneten Behälter auf eine Temperatur von 700 bis 800⁰C bis zum Auftreten einer gewünschten Anzahl von in (112)-Richtungen verlaufenden Rissen erwärmt wird.

12. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit mehreren Übergängen unter Anwendung eines Verfahrens nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach der in einem ersten Verfaihrensabschnitt erfolgten, der Herstellung von Übergängen dienenden Beschichtung oder Dotierung der bei der Rißbildung freigelegten Fläche des Kristalls, der Herstellungsprozeß durch Aufbringen weiterer Schutzschichten, Rißbildung und weitere Beschichtung oder Dotierung der durch die neuerliche Rißbildung freigelegten Bereiche fortgesetzt wird.

13. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen unter Anwendung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die anfallenden, langgestreckte Übergänge aufweisenden Halbleiterplatten durch an und für sich bekannte Verfahren derart aufgeteilt werden, daß die Halbleiterkörper eine vorgegebene Länge des oder der Übergänge besitzen.

14. Verfahren zur Herstellung von GaAs-Halbleiterdioden unter Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristallines p-dotiertes GaAs-Plättchen, dessen Oberfläche in der (Hl)-Ebene orientiert ist, mit einer Schutzschicht aus SiO₃ .von etwa 5000 Ä bedeckt und anschließend in einem zum epitaktischen Aufbringen von Schichten aus der Gasphase geeigneten Behälter auf eine Temperatur von 700 bis 800⁰C bis zum Auftreten einer gewünschten Anzahl von in (112)-Richtung verlaufenden Rissen erwärmt wird, daß anschließend das mit einer Risse aufweisenden SiO₂-Schicht bedeckte GaAs-Plättchen bei 600 bis 85O⁰C einem aus dampfförmigem As, einem kleinen Betrag Se, GaCl und H₃ bestehenden Gas-Strom bis zum Aufbau von den durch die Risse freigegebenen Bereichen des GaAs-Plättchens ausgehenden, diese Risse ausfüllenden und sie pilzförmig überragenden Schicht aus η-dotiertem GaAs ausgesetzt wird, daß die die einzelnen Risse pilzförmig überragenden GaAs-Schichten, beispielsweise durch Einlegieren von Sn-Perlen, kontaktiert werden, und daß schließlich das GaAs-Plättchen in eine ent-•sprechende Anzahl von jeweils einen pn-übergang geeigneter Länge aufweisende Halbleiterbauelemente vorzugsweise durch Spalten aufgeteilt wird. :

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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