DE3132555A1

DE3132555A1 - Iii-v-halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3132555A1
Application number: DE19813132555
Authority: DE
Inventors: Alexander Duane 08833 Lebanon N.J. Butherus; Lucian Arthur 07940 Madison N.J. D'Asaro
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1981-08-18
Publication date: 1982-06-16
Also published as: JPS5771185A; JPH0552058B2; US4403241A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein III-V-Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art sowie auf ein Verfahren zum fitzen eines III-V-Halbleiterwafers der im Oberbegriff des Anspruches 2 angegebenen Art.

Es ist bekannt (vgl. beispielsweise US-A 39 86 196), daß das Verhalten bestimmter Halbleiterbauelemente auf der Basis von III-V-Halbleitermaterialien (z. B. Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren) verbessert wird, wenn Metallkontakte zu metallischen Schichten (Elektroden) auf einer Oberfläche des Bauelementes an der Unterseite der Schichten über Öffnungen im Bauelement-Substrat von der anderen Seite her gemacht werden. Im allgemeinen beruhte dabei die Herstellung diesem III-V-Bauelemente auf Methoden, wie Dampfreaktionsni€:derschlagsverfahren, Photolithographie und Naßätzen. Obgleich nach diesen Methoden brauchbare Bauelemente erhältlich sind, besteht ein Bedürfnis nach Herstellungsverfahren, die zu Halbleiterbauelementen mit höherer Qualität bei höherer Produktionsausbeute führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, hier abzuhelfen.

Diese Aufgabe ist für das Halbleiterbauelement der vorausgesetzten Art und für das Ätzverfahren der vorausgesetzten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bz-v. 2 gelöst.

Hiernach erhält man wesentliche Verbesserungen hinsichtlich Ausbeute und Eigenschaften der Bauelemente bei Anwendung einer Bearbeitung, die zu Kontaktöffnungen mit praktisch senkrechten Wänden führt. Dieses wird erreicht mit einer Plasmaätzmethode zum anisotropen Ätzen der III-V-Halbleitermaterialien. Hierbei wird das III-V-Halbleitermaterial eingebracht in eine Plasmaentladung in einer Atmosphäre, die BCl₃ und eine Quelle für atomares Chlor, beispielsweise Cl₂, enthält.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Halbleiterbauelement, wie dieses nach üblichen Methoden wie Naßätzen erhältlich ist,

Fig. 2 einen Herstellungsschritt des bekannten Bauelementen und

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Pig. 3 einen Herstellungsschritt gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines bekannten III-V-Halbleiterbauelementes, wie dieses unter Verwendung von Naßätzverfahren hergestellt ist. Das Bauelement besitzt eine halbisolierende Substratzone 11, eine Pufferzone

12 und eine aktive Zone 13, in der ein Feldeffekttransistor erzeugt ist. Alle Zonen sind aus demselben Grundmaterial, beispielsweise Galliumarsenid, aber unterschiedlich dotiert. Leitende Schichten oder Flecken 14, 34 und 14' befinden sich auf der Oberfläche der Zone

13 und bilden die Source-, Gate- bzw." Drain-Elektrode des Transistors. Leitende Kontakte C stellen die Verbindung zur Unterseite der Flecken 14 und 14' über (mitgestrichelten Linien dargestellte) öffnungen durch das Substrat 11 und die Schichten 12 und 13 von der unteren Oberfläche des Substrats 11 her.

Ein Nachteil dieser bekannten Bauelemente rührt von dem Umstand her, daß bei der Herstellung des Substrats 11 und der hierauf befindlichen Schichten (was nachstehend als Werkstück oder Wafer bezeichnet wird) stets Unregelmäßigkeiten in der Dicke vorhanden sind. Beispielsweise sind für typische Bauelement-Dicken von 30 Mikro-

meter Dickenabweichungen von 35 % längs eines Wafers nicht unüblich. Bei Verwendung bekannter chemischer, isotroper Naßätzverfahren zum Erzeugen der Kontaktöffnungen ist dar, Ergebnis häufig total unbrauchbar. Beispielsweise schreitet isotropes Ätzen akzeptabel zum Kontaktfleck 14¹ (Fig. 2) über eine öffnung 50 durch eine Schutzschicht 51 hindurch fort. Beim Kontaktfleck 14 jedoch, wo das Werkstück dünner ist, geht der Ätzvorgang während der zusätzlichen Periode weiter, die zum Durchätzei der dickeren Zone 44 erforderlich ist, und führt zu einer übermäßig breiten öffnung unterhalb des Kontaktflacks 14. In einigen Fällen wird, wie dargestellt, die geätzte öffnung so weit übergroß, daß der Kontaktfleck in die öffnung einbricht. In jedem Fall geben also Werkstückdickenschwankungen Anlaß zu Schwankungen der Öffnungsgröße bei den verschiedenen Metallisierungsflecken des Bauelementes, was sowohl die Herstellungsausbeute als auch das Verhalten des Bauelementes selber schädlich beeinflußt.

Die Erfindung beruht sowohl auf dem Erkennen dieser Nachteile des bekannten Verfahrens als auch auf dem Auffinden elites Weges zur Beseitigung dieser Nachteile.

Entsprechend der Erfindung werden beachtliche Verbesserungen bei der Produktionsausbeute und im Bauelementverhalten erreicht, wenn Kontaktöffnungen mit "im wesentlichen senkrechten" oder "praktisch senkrechten" Seitenwänden verwendet werden. Im wesentlichen senkrecht oder praktisch senkrecht bedeutet hier, daß der Winkel 15 in Fig. 2 zwischen der Normalen 16 zur unterseitigen Substratoberfläche und einer Linie 18 vom Rand der Kontaktöffnung zur Öffnungsseitenwand bei der halben Tiefe der Öffnung (wobei der Winkel 15 in einer zur Öffnungsseitenwand senkrechten Ebene liegt) nicht größer als i 10° ist. Unter Verwendung solcherart senkrechter Seitenwände für die Öffnungen wird die Größe der. Kontaktöffnungen bei den Kontaktflecken ir,i wesentlichen unabhängig von der Werkstückdicke genau kontrolliert. Sonach sind die den bekannten Bauelementen und Herstellungsverfahren eigenen Probleme gelöst.

Gemäß der Erfindung werden öffnungen mit. solcherart vertikalen Seitenwänden erhalten durch ein anisotropes Ätzverfahren, bei dem die Ätzung längs Richtungen fortschreitet, die senkrecht zur Substratoberfläche sind.

Anisotropes Ätzen von III-V-Halbleitern wie GaAs, InP

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und GaP wird unter Verwendung eines Plasmaätzverfahrens erreicht,, das auf einer Mischung von BCl₃ zusammen mit einer Quelle für atomares Chlor, z. B. Cl₂, als die Ätzmischung beruht. Typischerweise wird vor dem Ätzen ein Maskieruncfsmaterial 24 (Fig. 3) auf das zu ätzende Material aufgebracht, so daß nur das zu entfernende Gebiet freiliegt. Dieses Gebiet und das darunterliegende Volumen wird dann geätzt. Um die gewünschten Resultate zu erreichen, ist es notwendig, eine Quelle für atomares Chlor und BCl. in einem speziellen Konzentrationsbereich zu verwenden. Generell sollte die Chlorquelle im Bereich von 5 bis 13 % des BCl- liegen (die Prozenzangaben beziehen sich auf Volumprozente). Zusätzlich sollte der Partialdruck der Chlorquelle-BCl^-Mischung zwischen ·=· · 10 und ■=· · 10 bar (zwischen 50 und 200 Millitorr) liegen. Eine Abweichung von diesen Verhältnissen und Drücken verursacht eine entsprechende Abweichung vom Erhalt einer anisotropen Ätzung.

Das Ätzverfahren ist ein chemisches Plasmaätzverfahren und nicht ein reaktives Ionenätzverfahren. Beim ersteren wird der Materialabtrag in erster Linie durch die chemische Reeiktion der im Plasma erzeugten Ionen mit dem geätzt wordenden Material induziert. Im letzteren Fall geht zusätzlich zur Materialentfernüng durch chemische Reaktionen ein bedeutsamer Prozentsatz des

Materialabtrags auf Rechnung von Stoßprozessen, wie Zerstäuben. Dieses ist generell unerwünscht, weil sich einiges des zerstäubten Materials an den Öffnungsseitenwänden niederschlägt und dadurch eine Abweichung von der gewünschten senkrechten Konfiguration verursacht.

Methoden zum Steuern von Plasmaätzprozessen zum Erhalt eines chemischen Ätzens bei Vermeidung eines reaktiven Ätzens sind allgemein bekannt. Beispielsweise werden zwei Elektroden benutzt, die ähnliche Geste.lt haben und parallel zueinander in symmetrischer Anordnung direkt einander gegenüberstehen. Beim Betrieb wird eine Elektrode geerdet, das zu ätzende Material auf der anderen Elektrode angeordnet und eine hochfrequente Wechselspannung von 500 bis 1500 Volt bei typischerweise 50 bis 50:000 kHz an die Elektroden angelegt. Es bildet sich ein Plasma zwischen den beiden Elektroden bei

Mikrowellenleistungsdichten von 0,1* bis 2 Watt/cm aus.

Diese Verfahrensbedingungen beeinflussen die Ätzgeschwindigkeit des Halbleitermaterinls, die Ätzgeschwindigkeit des Resistmaterials und das ünterschneidungsausmaß bedeutsam. Beispielsweise führt im vorliegenden

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Verfahren eine Erhöhung des Gesaratdruckes zu einer Erhöhung der Hinterschneidung und der Ätzgeschwindigkeit von GaAs/ aber zu einer Erniedrigung der Ätzgeschwindigkeit des Resistmaterial. Eine Erhöhung des prozentualen Anteils der Quelle für atomares Chlor, z. B. Cl₂, in der BCl_-Mischung führt zu einer Erhöhung aller drei Faktoren. Da Unterschneiden und Ätzen des Resistmaterials gensrell unerwünscht sind und eine Erhöhung der Ätzgeschwindigkeit des Halbleitermaterials erwünscht ist, ist es vorteilhaft, die ersteren Paktoren zu reduzieren und den letzteren Faktor zu erhöhen. Dieses wird typischerweise erreicht durch Anwendung der vorstehend angegebenen Verfahrensbedingungen. Eine Abweichung von diesen Bedingungen führt generell zu einem übermäßigen Zuwachs von Hinterschneidung und Resistätzung und ζυ einer unerwünschten Verringerung der Ätzgeschwindigkeit für das III-V-Halbleitermaterial.

Nachdem die Kontaktöffnungen durch das Plättchen zur Unterseite dor Kontaktflecken 14 und 14.' hergestellt worden sind, werden die Kontakte C erzeugt, und zwar vorzugsweise nach bekannten Goldplattierungsverfahren, wie diese in US-A 41 62 337 beschrieben sind.

Wie beschrieben, werden mit der Erfindung technologische Verbesserungen durch die Verwendung von Kontaktöffnungen ermöglicht, die im wesentlichen senkrechte Wände besitzen. Es sei jedoch bemerkt, daß auch bekannte Naßätzverfahren zu öffnungen mit im wesentlichen vertikalen Wänden führen, vorausgesetzt aber, daß die geätzten öffnungen extrem groß sind. Solche großen öffnungen sind aber nicht praktikabel, weil sie eine extreme Verschwendung von sowohl Material als auch Bearbeitungszeit bedingen. Zur Abgrenzung gegen solche zwar technisch mögliche aber unpraktikable naßgeätzte Öffnungen sind die erfindungsgemäß hergestellten Kontaktöffnungen weiterhin dadurch definiert, daß sie einen Schlankheitsgrad D/W von mehr als 0,5 haben, wobai D die Tiefe (29 in Fig. 3) der öffnung und W deren Breite (22)in Fig. 3), gemessen bei der halben Tiefe der öffnung, sind, öffnungen, die c-urch Naßätzverfahren hergestellt werden, haben von Hause aus stets Schlankheitsverhältnisse kleiner als 0,5.

Claims

• ♦

BLUMBACH - WE&^R'^BERGEN*- KRAMER ZWiRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Pateniconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Butherus 10

III-V-Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Patentansprüche Ϊ

III-V-Halbleiterbauelement mit

- einem Wafer, das zwei gegenüberliegende Oberflächen und eine leitende Schicht (14) auf· einer der beiden Flächen aufweist,

- einer durch das Wafer geätzten öffnung zwischen den Oberflächen und

- einem Kontakt (C) innerhalb der öffnung in Kontakt

mit eine;m Teil der über der öffnung liegenden Schicht, dadurch gekennzeichnet , daß ~ die geät zten Wände der öffnung im wesentlichen

München: R. Kramet Dlpl.-Ing. · W. Wesor Dlpl.-Phys. Dr. ror. not. > Ei. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: f>.G. Blumbach Dlpl.-Ing. · P. borgen Prof. Dr. Jur.Dlpl.-Ing.,Pot.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · O. Zwirnor Dlpl.-Ing. Dipl.-W.-!ng.

senkrecht zu den Oberflächen sind und

- die Öffnung ein Schlankheitsverhältnis D/W von mehr als 0,5 besitzt, wobei D die'Tiefe der Öffnung und W die Breite der Öffnung, gemessen bei deren halben Tiefe, sind.
2. Verfahren zum Ätzen eines III-V-Halbleiterwafers zwecks Erzeugen einer Öffnung, die die Unterseite . einer auf dem Wafer liegenden Schicht freilegt, gekennzeichnet durch

- Plasmaätzen des Plättchens in einem BC1_ und eine Quelle für atomares Cl enthaltenden Mediums zum chemischen Ätzen des Plättchens bei Vermeidung eines reaktiven Ätzens des Plättchens.
3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß Cl_ als die Quelle verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß

2 —4

- der Partialdruck des Ätzmediun s zwischen ■=· · 10

und -| · 10~⁴ bar (zwischen 50 und 200 Millitorr) liegt.

* A r.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das atomare Chlor mit 5 bis 13 % im Ätzmedium zugegen ist.