專利名稱：超小型半導(dǎo)體器件及其制造和連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超小型半導(dǎo)體器件，而且特別涉及制造超小型半導(dǎo)體器件的改進(jìn)技術(shù)。
一般來說，在半導(dǎo)體工業(yè)中最大的困難和/或問題發(fā)生在外部電連接的形成及在單個基板上不同元件的內(nèi)連接。半導(dǎo)體器件典型地是在一平面基板上通過順序生長或沉積材料的幾個不同的材料層，然后在這些層中的一個或多個上制作圖案或腐蝕以便暴露出一個下表面來制造的。之后為了內(nèi)連接或外部連接，在這些暴露出來的表面上沉積金屬。
在這個工序過程中的一個問題是腐蝕需要掩模，使用掩模要將幾個復(fù)雜的步驟加到這個工序過程中，因而給這一工序過程增加了勞動和費(fèi)用。而且，金屬接觸面需要相對大量的地方，結(jié)果許多半導(dǎo)體器件由于對它們提供外部連接能力在尺寸上受到限制。
因而，提供對于內(nèi)連接及處部連接的形成不包括附加的腐蝕步驟的半導(dǎo)體器件及制造方法，是具有很高優(yōu)越性的。
本發(fā)明的一個目的是提供新型的超小型半導(dǎo)體器件及制造和連接方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供新型的超小型半導(dǎo)體器件及制造和連接方法，其中在各個層形成過程中自動形成內(nèi)連接中的至少一些連接。
本發(fā)明的再一個目的是提供新型的超小型半導(dǎo)體器件及制造和連接方法，其中外部端子和內(nèi)連接的形成不需要附加的掩模及腐蝕步驟。
本發(fā)明還有一個目的，是提供新型超小型半導(dǎo)體器件，它們比以前那些帶有標(biāo)準(zhǔn)外部端子的可能的半導(dǎo)體裝置要小。
本發(fā)明還有另一個目的是使用簡化的制造及連接方法，提供新型超小型半導(dǎo)體器件。
上述問題在一超小型半導(dǎo)體器件及制造方法中至少得到部分解決并實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，這個超小型半導(dǎo)體器件及制造方法包括給一基板的平面表面制作圖案，來形成一圖案邊緣例如一臺面，并以對該圖案邊緣覆蓋的關(guān)系依次形成半導(dǎo)體材料的多個層，使得這些層產(chǎn)生一間斷，而且在圖案邊緣的一側(cè)的第一層與在圖案邊緣另一側(cè)的一個不同層呈(直線)對準(zhǔn)并電連接。
因而在制造過程中器件不同層間的電內(nèi)連接自動形成。在間斷處的相對側(cè)上形成接觸點(diǎn)來完成這個器件。
參看附1是一個現(xiàn)有技術(shù)中諧振帶間隧道二極管的簡化剖面圖；圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的諧振帶間隧道二極管的簡化剖面圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中二個諧振隧道二極管推的簡化剖面圖；圖4和圖5是根據(jù)本發(fā)明形成諧振隧道二極管推的中間步驟的簡化剖面圖；圖6是體現(xiàn)本發(fā)明的諧振隧道二極管堆的簡化剖面圖；圖7是在圖6中示出的諧振隧道二極管堆的示意圖。
特別參看

圖1，示出了一個普通諧振隧道二極管(RTD)10。二極管10是通過InAs/AlSb/GaSb材料體系的順序排列層的外延生長在平面GaSb基板12上制造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的例子。在二極管10的制造中1在基板12的平面表面上外延生成一第一低電阻通路層13，在這之后順序生成第一阻擋層14，有源量子阱層15，第二阻擋層16及第二低電阻通路層17。
通過任何普通的蒸發(fā)和制作圖案技術(shù)在第二通路層17的表面形成第一金屬接觸面18。金屬接觸面18然后被用做掩模來腐蝕各個層用以形成通常的臺結(jié)構(gòu)，這個臺結(jié)構(gòu)將層分離成二極管10。第二金屬接觸面19然后被蒸發(fā)在通路層13的剩余部分的表面，為二極管10形成第二外部端子。
就象那些在本領(lǐng)域中一般技術(shù)人員將理解的那樣，在通路層17的表面上為金屬接觸面18制作圖案需要幾個步驟。需要某種特殊腐蝕來形成臺面的理想垂直側(cè)壁而不破壞各個層并且不減少二管10的預(yù)期壽命。例如，二極管的三種材料InAs，GaSb及AlSb具有不同特性在一個臺面腐蝕液中以不同速率腐蝕。由此不易控制側(cè)壁的形成。而且，需要幾個附加步驟來為與通路層13電連接的金屬接觸面19制作圖案，也不能破壞在其間的其它暴露層或產(chǎn)生短路等等。此外，通路層13必須生成大大厚于其它層的厚度以便為腐蝕提供充足材料，刻化要足夠的深以完全隔離二極管10的各個層，同時保留足夠的厚度為二極管10運(yùn)載電流到金屬接觸面19。
現(xiàn)在參看圖2，示出了體現(xiàn)本發(fā)明的一種新型諧振隧道二極管(RTD)20。應(yīng)該理解到這只是一種典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的例子，這個異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件可以使用將要描述的新型技術(shù)來制造。象結(jié)合圖1的二極管10所說的那樣，二極管10是通過InAs/AlSb/GaSb材料系列的順序排列層的外延生長在GaSb基板22上制造的。當(dāng)然應(yīng)理解到可以使用其它材料及其它材料系列，并且下面描述僅是為了解釋而簡單給出的。
在二極管20的制造中，基板22首先被施以圖案來形成由單個圖案邊緣23代表的一個或多個圖案邊緣。在這個特例實(shí)施例中，基板22被腐蝕以形成一臺面24，臺面24確定了圍繞其上表面的圖案邊緣23。當(dāng)然應(yīng)理解到根據(jù)所制造的特殊器件及與在晶片20上形成的器件及電路數(shù)目，在基片22上可形成廣泛多樣的圖案邊緣。注意到在任何其它結(jié)構(gòu)或?qū)用嫘纬芍霸诰?2上進(jìn)行施加圖案制作和腐蝕等是很重要，使這些步驟大大簡化。然后在制作了圖案的基板而不是平面基板上進(jìn)行外延生長。
一旦基板22完全被制作圖案，在該表面上許多外延層就順序生成。再一次以二極管20為例，第一通路層25外延生長在基板22的平面表面上及在圖案邊緣23上以覆蓋圖案邊緣23的二側(cè)。在通路層25上第一阻擋層26有源量子阱層27第二阻擋層28及第二通路層29順序生成。象將要理解的那樣，通過任何的傳統(tǒng)技術(shù)包括但不限于MBE、MOCVD，CBE等外延生長層25、26、27、28、29。
晶面的生長速率是由吸附原子的粘滯系數(shù)和它們的遷移長度所確定的。粘滯系數(shù)和吸附原子遷移長度強(qiáng)烈地依靠吸附原子種類。晶面及生長參數(shù)并可在一寬的范圍上變化。因而過度生長結(jié)構(gòu)的形態(tài)受在圖案邊緣的晶面生長習(xí)性的強(qiáng)烈影響。這個結(jié)構(gòu)的初始形狀在生長過程中變化并且在圖案邊緣形成特異晶面。這些層的厚度依賴于晶面、吸附原子種類及生長參數(shù)。例如鎵(Gallium)在(111)B面上具有很低的粘滯系數(shù)在這些晶面上具有高的遷移長度。因而，Ga不大可能在這些晶面上成核。鋁(Aluminum)相反在這些面上具有高的粘滯系數(shù)和低的遷移長度。結(jié)果對于這些材料在(111)B面上獲取了不同生長速度及不同的層厚度。根據(jù)生長條件及特殊物質(zhì)，可獲得具有低生長速率的面，這些平面通常稱做不生長面(non-growth plane)。
在圖案邊緣23上面的層25-29生長利用了晶面生長習(xí)性，結(jié)果在圖案邊緣23處的層25-29產(chǎn)生了一個間斷。一般來說結(jié)晶取向。吸附原子種類及生長參數(shù)確定基板22上在外延生長期間與圖案邊緣相鄰的面的形成。用圖案邊緣23處的晶面生長習(xí)性，在圖案邊緣23的一面(在臺面頂部)上生成的第一通路層25與生成在圖案邊緣23的另一端的第二通路層29成直線對準(zhǔn)并電連接。
二極管20制造中的關(guān)鍵點(diǎn)是在生成在圖案邊緣23的一側(cè)(在臺面上)的第一通路層25與生成在圖案邊緣23的另一側(cè)的第一通路層25之間避免短路。這個完全的間斷是通過選取適當(dāng)腐蝕厚度(臺面高度)，圖案取向及外延層25-29的厚來取得的。一般說來，希望使圖案邊緣23層可能陡而且臺面的高度大于層25-28的總厚度但小于層25-29的總厚度。
在這個特殊例子中，二極管20的尺寸為50μm×50μm面層25及29是由InAs構(gòu)成約為100nm厚。阻擋層26和28由AlSb構(gòu)成約2.5nm厚而有源量子勢阱層27由GaSb構(gòu)成的約6.5nm厚。確定圖案邊緣23的臺面以約500nm的高度形成。
帶有層25-29完全生成的及在圖案邊緣23的一側(cè)(臺面頂部上)生成第一通路層25與在圖案邊緣23的另一側(cè)生成的第二通路層29呈直線對準(zhǔn)并電連接，二極管20通過在其上形成外部接觸面或端子而被完成。這僅是用剝離技術(shù)(lift-off technique)通過蒸發(fā)在二極管20的表面形成來達(dá)到的，使在圖案邊緣23第一側(cè)(在臺面的頂部)的層29上形成第一接觸面30以及在圖案邊緣23的相對另一側(cè)上的層29上形成第二接面32。在這個實(shí)施例中，與臺面相對的圖案邊緣23一側(cè)的層25-28并不被連接而僅僅是充填圍繞著臺面的溝槽。
現(xiàn)在參看圖3，以簡化的剖面圖示出了現(xiàn)有技術(shù)中的諧振隧道二極管(RTD堆35，堆35包括一基板36，基板36具有沉積在其上的第一雙勢壘RTD37以及沉積在第一RTD37上的第二雙勢壘RTD38。只能通過最初形成在基板36上的一個導(dǎo)電層造成從RTD38頂部上的頂接觸面到RTD37底部的電連接。在現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)際上不可能接觸到RTD37和RTD38的結(jié)合處，除非腐蝕頂部RTD38來在下面RTD37上形成一臺面。在這種場合，RTD37的橫剖面積必須大于RTD38，這嚴(yán)重地限制了二個器件裝置的尺寸。
現(xiàn)在將解釋此以前帶有標(biāo)準(zhǔn)處部端子的可能的半導(dǎo)體器件小的新型超小型半導(dǎo)體器件。特別參看圖4，示出了一個基板40，基板40帶有以任何普通制作圖案技術(shù)在其上形成的第一圖案邊緣42。然后在基板40的整個表面包括圖案邊緣42的側(cè)壁一致地沉積成一介質(zhì)層。介質(zhì)層可以是任何普通的材料如Si3N4，SiO2等。然后各向異性地腐蝕該介質(zhì)層以形成一側(cè)壁間隔44。一般地如本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將會理解的那樣，間隔44在其底部的厚度(這是所希望的尺寸)是由介質(zhì)層的初始厚度控制的。
在第一圖案邊緣42的側(cè)壁上形成所希望厚度的間隔44的情況下，用間隔44作為掩模進(jìn)行對基板40第二腐蝕。如圖5所示，第二腐蝕產(chǎn)生了以第一圖案邊緣42橫向(和縱向)分開的圖案邊緣45。因而，上表面46被確定到圖案邊緣42的一側(cè)，階梯表面47被確定到圖案邊緣42與45之間而且下表面48被確定到圖案邊緣45的相對另一側(cè)。這時注意二件事是重要的第一，在形成半導(dǎo)體器件的任何層之前進(jìn)行所有的制作圖案及腐蝕，這樣對這些層無任何損害發(fā)生；第二，由介質(zhì)層的厚度控制階梯表面47的尺寸并且可取得比用標(biāo)平面印制所實(shí)現(xiàn)的幾何形狀小得多的幾何形狀。
現(xiàn)在參看圖6，示出了其上形成有堆疊的雙勢壘二極管50和52的基板40(圖5的)。半導(dǎo)體材料的多個層在基板40的上表面上順序形成以覆蓋二個圖案邊緣42和45的二側(cè)。在這個特殊實(shí)施例中，多個層是外延生長的，在基板40的表面上形成第一通路層55、在層55上的形成第一阻擋層57、在第一阻擋層57上形成有源量子阱層59、在有源量子阱層59上形成第二阻擋導(dǎo)60并在第二阻擋層60上形成第二通路層62。
選擇圖案邊緣42和45為不生長面。利用在圖案邊緣42和45處的晶面生長習(xí)性，在圖案邊緣42的一側(cè)(在表面46上)上生成的第一通路層55與在圖案邊緣42的另一側(cè)(在表面47上)的第二通路層62直線對準(zhǔn)并電連接而且在圖案邊緣45的一側(cè)(在表面47)上生成的第一通路層55與在圖案邊緣45的另一側(cè)(在表面48上)上生成的第二通路層62直線對準(zhǔn)并電連接。
通過將外引接觸面或端子形成到其上就完成了二極管50和52。這僅僅是通過利用剝離技術(shù)將歐姆金屬接觸面蒸發(fā)到層62的表面，層62與基板40的表面46、47和48是相疊加覆蓋的關(guān)系。在這種方式中，第一接觸面70是形成在位于圖案邊緣42的第一側(cè)上的層62上，用作二極管50及52的第一端子。而第二接觸面74是形成在位于圖案邊緣45的相對另一側(cè)上的層62上用作二極管52的第二端子。在這個實(shí)施例中，位于圖案邊緣45的相對于階梯表面47的一側(cè)上的層55、57、59及60并不連接且只是充填與圖案邊緣45鄰接的溝槽。
特別參看圖7，示出了堆疊的二極管50和52的示意圖。如在圖7中可見的，二極管50被連在端子70和層55之間而二極管52被連在層62和端子74之間。在特殊的應(yīng)用中，二極管50的面積可做的大大超過二極管52的面積，使二極管50實(shí)質(zhì)上成為對二極管52的一個歐姆接觸面。在這個應(yīng)用中，二極管52可做得很小以致用普通方法不能制造外引電接觸面。然而，在這個披露的實(shí)施例中二極管52可以做得與所希望的一樣小并且通過較大的二極管50和接觸面74做外部連接。此外，由于用于構(gòu)成階梯表面47的新型技術(shù)，二極管52可以做得大大小于使用標(biāo)準(zhǔn)平面印刷技術(shù)可能制作的二極管。
因此，這里披露了新型半導(dǎo)體器件及制造方法，取消了在半導(dǎo)體器件及其內(nèi)連結(jié)和外部連接的形成過程中的許多制作圖案和/或腐蝕步驟。此外，用在本新型器件和方法中的制作圖案和腐蝕步驟是在器件內(nèi)的任何有源層形成之前進(jìn)行的，結(jié)果沒有損壞和/或沾污的危險(xiǎn)。此外，披露了新型超小型半導(dǎo)體器件和制造與連接方法，其中至少一些內(nèi)連接是在各個層形成過程中自動形成的。而且，披露了新型超小型半導(dǎo)體器件，它們比以前用標(biāo)準(zhǔn)外部端子的可能的半導(dǎo)體器件要小。
雖然我們已示出并描述了本發(fā)明的特殊實(shí)施，但本領(lǐng)域中一般技術(shù)人員會有進(jìn)一步的修改和改進(jìn)。因而我們希望人們理解到本發(fā)明不限于這些已示出的特殊形式，并且我們認(rèn)為在所附的權(quán)利要求書中包括那些與本發(fā)明的主旨和范圍不能分離的所有改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征為以下步驟；提供帶有平面表面的支持基板；為基板的平面表面制作圖案以形成第一圖案邊緣；以及以覆蓋第一圖案邊緣的相對側(cè)的關(guān)系，順序形成至少部分確定半導(dǎo)體器件的材料覆蓋使得第一圖案邊緣處的層形成一間斷而且在第一圖案邊緣的二相對側(cè)之一上的多個層中的第一層與在第一圖案邊緣的二相對側(cè)中的另一個上的多層面中的一個不同層直線對準(zhǔn)并電連結(jié)。
2.如權(quán)利要求1中所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中制作圖案步驟進(jìn)一步的特征在于以所選擇的高度在基板表面上制作圖案成一臺面且圖案邊緣被臺面的邊緣所確定。
3.如權(quán)利要求2所要求的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中該方法進(jìn)一步特征在于臺面的高度被選為小于多個層總厚度。
4.如權(quán)利要求1所要求的半導(dǎo)體器件制造方法，其中制作圖案步驟的進(jìn)一步特征在于以一側(cè)壁形成第一圖案邊緣，在基板表面包括第一圖案邊緣的側(cè)壁上統(tǒng)一形成一材料層，各向并性地去除這個材料層以遺下覆蓋這個側(cè)壁的材料層的所選擇厚度，通過用覆蓋側(cè)壁的材料層的所選厚度作掩摸腐蝕基板表面來形成在橫向上與第一圖案邊緣間隔所選厚度的第二圖案邊緣，然后在進(jìn)行順序形成步驟之前去除覆蓋側(cè)壁的材料層的所選厚度。
5.如權(quán)利要求4所要求的半導(dǎo)體器件制造方法，其中制作圖案步驟的進(jìn)一步特征在于在基板表面以所選高度制作圖案形成臺面并且第一圖案邊緣由臺面的邊緣確定，而第二圖案邊緣在第二圖案邊緣與第一圖案邊緣之間確定了一個階梯表面。
6.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于一個帶有平面表面的支持基板；形成在基板的平面表面上的第一圖案邊緣；以及多個材料覆蓋層，它們至少部分確定半導(dǎo)體器件，以覆蓋第一圖案邊緣的二個相對側(cè)的關(guān)系連續(xù)設(shè)置，使得在第一圖案邊緣處的層產(chǎn)生一個間斷，而且在第一圖案邊緣二個相對側(cè)之一的多個層中的第一層與在第一圖案邊緣二相對側(cè)的另一側(cè)的多個層的另一個不同層直線對準(zhǔn)并電連接。
7.如權(quán)利要求6所要求的半導(dǎo)體器件，其進(jìn)一步特征在于第一圖案邊緣是由一個基板表面上具有高度的臺面形成的，而且這個圖案邊緣由臺面的邊緣所確定。
8.如權(quán)利要求6所要求的半導(dǎo)體器件，其進(jìn)一步特征在于臺面的高度低于多個個層的總厚度。
9.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其進(jìn)一步特征在于第二圖案邊緣從橫向與第一圖案邊緣相隔一所選距離。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其進(jìn)一步特征在于第一圖案邊緣包括在基板表面上具有所選高度的臺面，第二圖案邊緣在第二圖案邊緣與第一圖邊緣之間確定一階梯表面，該階梯表面具有的高度低于臺面的所選高度。
全文摘要
超小型半導(dǎo)體器件與制造方法，包括對一基板的平面表面制作圖案以形成一圖案邊緣(例如一臺面)而且以覆蓋圖案邊緣的關(guān)系，順序形成多個半導(dǎo)體材料層使得在層中形成一間斷，在圖案邊緣的一側(cè)的第一層與圖案邊緣的另一側(cè)的一個不同層直線對準(zhǔn)并電連接。
文檔編號H01L29/06GK1137169SQ96102200
公開日1996年12月4日 申請日期1996年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月7日
發(fā)明者赫伯特·戈倫金, 塞埃德·N·蒂赫拉尼, 馬丁·沃爾特, 雷蒙德·楚 申請人:摩托羅拉公司