DE1938367A1 - Halbleitervorrichtungen mit Sperrschicht - Google Patents
Halbleitervorrichtungen mit SperrschichtInfo
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Description
WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED M. P. Lepselter
Halbleitervorrichtungen mit Sperrschicht
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen, die aus einem Halbleiterplättchen und einem leitenden
Belag bestehen, welche eine Schottky-Sperrschicht bilden.
Oberflächensperrschicht-Dioden, welche sich durch nicht-ohmisches Verhalten an einem Metall-Halbleiter-Übergang
auszeichnen, sind bekannt. Die elektrischen Charakteristika dieser Vorrichtungen beruhen auf der
Austrittsarbeit des Metalls und außerdem auf der Elektronen-Affinität des Halbleiters, Eine Reihe
Vorrichtungen, welche als wirksame Gleichrichtungs-Sperrschichten dienen, sind in "Bell System Technical
Journal1,' Band XLIV, Seiten 1525-1528 (1965) und Band XLIII, Seiten 215-224 (1964) beschrieben.
Eine Veränderung in den Leit^-Eigenschaften der Sperrschicht
kann man durch Veränderung der die Sperrschicht
bildenden Materialien erhalten. Zur Verwirklichung unterschiedlicher Charakteristika werden gewöhnlich
unterschiedliche individualle Kontaktmetalle verwendet.
Beispielsweise hat eine Platin-Silicid-Silicium-Diode eine Spe'rrschichthöhe von 0,85, während die
9008/1^1 1
Sperrschichthöhe einer Kupfer-Silicium-Sperrschicht
eine Höhe von 0,58 Volt besitzt. Wenn jedoch ein Mechanismus verfügbar wäre, um jede gewünschte Sperrschichthöhe
auf einem zusammenhängenden Bereich zu erhalten, so könnte eine ideale Diode verfügbar
gemacht werden, welche für einen gegebenen Anwendungsfall der Vorrichtung passend ist.
Die für die vorbekannten Vorrichtungen bestehenden Beschränkungen sind erfindungsgemäß durch die
Schaffung einer Halbleitervorrichtung überwunden worden, welche aus eine'm Halbleiterplättchen und
einem leitenden Belag besteht, welche einen Schottky-Sperrschichtkontakt
bilden, wobei der Belag aus wenigstens zwei unterschiedlichen Metallen in solchem Verhältnis zusammengesetzt ist, daß eine
gewünschte Höhe der Schottky-Sperrschicht erhalten
■■-.-.
Gemäß der Erfindung kann eine Oberflächensperrschicht-Diode hergestellt werden, welche eine gewünschte
Strom-Spannung-Charakteristik aufweist, indem man einen Metallkohtakt anbringt, dessen Austrittsarbeit
in der passenden Beziehung zu dem Halbleiter steht. Diese idealisierte Austrittsarbeit wird dadurch
erhalten, daß man unterschiedliche Metalle zusammenbringt oder mischt, um den Metallkontakt zu bilden.
Die vorerwähnten und noch weitere Aspekte der Erfindung
sollen nachstehend an Hand der Zeichnung näher 009808/1211
4 κ. t i t ■ . *
erläutert werden; in der Zeichnung zeigen:
Pig. 1 bis 3 eine Reihe von Schnitten durch ein Halbleiterplättchen, welches im Sinne der
Erfindung behandelt worden ist, um eine Diode mit zusammengesetztem Metallkontakt
zu bilden,
Fig. 4 ein Energie-Pegel-Diagramm für eine typische Metall-Halbleiter-Sperrschicht,
Fig. 5 ein Schaubild mit Darstellung der Beziehung zwischen Logarithmusstrom zurSpannung für
verschiedene Dioden, die entsprechend der Erfindung hergestellt worden sind.
Die Flg. 1 bis 3 veranschaulichen eine typische Folge
von Vorgängen zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Sperrschicht. In Fig. 1 .ist eine n-Typ-Siliciumunterlage
10 dargestellt, welche eine weniger stark dotierte n-Typ-Schicht 11 aus Silicium trägt, die gleichförmig
auf der Oberseite der Unterlage niedergeschlagen ist. Die in der Isoliermaske vorgesehene öffnung 12 begrenzt
den Sperrschichtbereich. Die Sperrschicht wird durch das Auftragen einer Kombination aus wenigstens zwei
Metallen, z. B. Platin und Rhodium, auf das frei zugängliche Silicium gebildet. Die Metallschichten sind in
Fig. 1 mit 13 und 14 bezeichnet. Die Metalle können gleichzeitig aus einer Legierung oder aus zwei getrennten
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Quellen aufgetragen werden; es Ist aber auch möglich, daß sie unabhängig voneinander niedergeschlagen werden.
Die Metalle können unter Anwendung der üblichen Techniken aufgedampft werden; man kann sie aber auch
auf die gesamte Oberfläche verstäuben·
Das entstandene Gebilde wird dann erhitzt, damit die
Metalle mit dem darunter liegenden Silicium reagieren, so daß aus den aufgetragenen Metallen gemäß Fig· 2
eine zusammengesetzte Silicid-Schicht 15 entsteht. Die Silicid-Schicht 15 bildet sich teilweise innerhalb
der Oberfläche des aufgetragenen Siliciums und ragt teilweise aus dieser Oberfläche heraus; das
beruht darauf, daß ein Teil des Siliciumkristalls als
Siliciumquelle bei der Bildung des Silicide dient·
Der Bereich 15 besteht hauptsächlich aus den bei der
Reaktion entstandenen Metall-Siliciden· Danach wird unter Anwendung üblicher Techniken ein Kontakt an
der zusammengesetzten Metall-Sillcid-Schicht angebracht.
Der in Fig. 3 dargestellte Kontakt ist ein üblicher Durchschleifkon;takt, der beispielsweise aus
einer unteren Titanschicht 16 von 1000 Ä , einer mittleren Platinschicht 17 von 3000 Ä und einer
oberen Schicht 18 aus Gold von einer Stärke von 10ju· zusammengesetzt ist. Wenn die Schichten 13 und
14 (Fig. 1) auf der gesamten Oberseite des Gebildes niedergeschlagen werden, kann es erwünscht sein, das
nicht benötigte Metall durch Zerstäubung zu entfernen.
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In der fertiggestellten Vorrichtung gemäß Fig. 3
ist die interessierende Sperrschicht bei 19 angegeben· Diese Diodenform, welche auf einer Metallsilicid-Silicium-Sperrschicht
beruht, ist besonders wirksam, da die Sperrschicht innerhalb des Halbleiterkörpers
gebildet wird, und zwar als Folge des Legierungsprozesses. Es besteht daher eine
gewisse Unabhängigkeit von dem Oberflächenzustand des Siliciums bevor der Mischmetallfilm aufgebracht
wird. Das Silicid bildet bekanntlich eine wirksame Gleichrichtungs-Sperrschicht mit dem Silicium.
Das Gebilde nach Fig. 3 soll als Beispiel der Gruppe
von Vorrichtungen dienen, deren Funktion auf einer Metall-Halbleiter-Gleichrichtungssperrschicht beruht.
Die Erfindung ist allgemein bei allen Formen solcher Vorrichtungen anwendbar, wie sich aus der folgenden
Beschreibung noch ergeben wird.
In Fig. 4 ist ein Energiepegel-Diagramm einer Metall-Halbleiter-Sperrschicht
dargestellt. Die Energie, die ein Durchschnittselektron e für den Durchgang in der
Gegenrichtung benötigt, ist weitgehend durch die Sperrschichthöhe h bestimmt. Die SperrSchichthöhe ist
gleich der Differenz der Austrittsarbeit zwischen dem Metall und dem Halbleiter oder mit anderen Worten,
zwischen Fermi-Verkeilungs-Pegeln der Metallmasse und der Halbleitermasse. Aus dieser Beziehung ergibt
sich das wesentliche Erfordernis, daß die Austrittsarbeit des Metalls die entsprechende Eigenschaft des
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-ir-
Halbleiters überwiegen'muß, damit eine Sperrschicht
gebildet wird. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, so entsteht eine ohmsche Verbindung.
Wenn nach Fig. 4 eine Spannung in Vorwärtsrichtung an die Sperrschicht angelegt wird, so wird der Fermi-Pegel
in dem Halbleiter nach oben verschoben, und eine stetig größer werdende Anzahl von Elektronen
erhält die für den Durchgang durch die scheinbar niedrigere Sperrschicht ausreichende Energie. Beim
Anlegen einer Spannung in der Gegenrichtung wird der Fermi-Pegel in dem Halbleiter auf eine tiefere Lage
gebracht und die Sperrschicht wird effektiv angehoben.
Die Formel für den Stromdurchgang durch die Sperrschicht lautet:
I = A* T2 e -^/kT Ampere /cm2
4t
Dari bedeutet A die Richardson-Konstante, welche die
thermionische Emission in de» Halbleiter beschreibt « 120 Ampere / cm? deg.2).
T ist die Temperatur, q bezeichnet die Ladung des Trägers, kT ist der übliche Boltzmann-Ausdruck und
0 ist die Sperrschichthöhe. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Änderung von 0 und demgemäß die
Einstellung der Leitungseigenschaften der Sperrschicht
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auf eine vorbestimmte Charakteristik.
Di· Erfindung soll durch die folgenden Beispiele näher erläutert werden:
Sine der Fig. 3 ähnliche Diode wird mit einer Unterlageschicht 11 aus 1 Ohm-cm, n-Typ-Sillcium hergestellt. Die Unterlage 10 besteht aus n+ Silicium und
die Isoliermaske 12 besteht aus Siliciumoxyd. Das
ο niedergeschlagene Netall besteht aus 500 A Rhodium 13
ο
und 200 A Zirkon 14; die beiden Metalle können in
beliebiger Folge oder aus einer Legierungsanode
niedergeschlagen werden. Das Gebilde wird auf eine Temperatur von wenigstens 500 ° C erhitzt, und zwar
für eine Dauer von mehr als zwei Minuten. Das führt zur Bildung einer Zr-Rh-Silicidschicht 15 (Fig. 3).
Nach dem gleichen Verfahren wurde eine Vorrichtung mit einer Zirkon-Rhodium-Silicid/Sillcium-Sperrschicht
hergestellt. Die nach diesem Verfahren erzeugten Sperrschichten sind in dem Strom-Spannungsschaubild
der Fig. 5 wiedergegeben. Das Schaubild veranschaulicht den Logarithmus des Vorwärtsstroms gegen Spannung und
ergibt eine relativ lineare Darstellung der Sperrschichthöhe. Die Sperrschicht für die (ZrRh) Si-Diode,
nämlich die Kurve 30, liegt etwa 25 mV tiefer als diejenige von Rh-Si auf Silicium (Kurve 31) und 190 mV
höher als diejenige von Zr-Si auf Silicium (Kurve 32). Die Leiteigenschaften der (TiRh) Si-Diode, die in Kurve
33 veranschaulicht ist, sind ebenfallsvesentlich
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- ar -
verschieden von denjenigen der Rhodium Silicid-Silicium-Diode (Kurve 31). Es ergibt sich daraus,
daß eine stetige Einstellung der Sperrschichthöhe zwischen den Endwerten erhalten werden kann, indem
man die relativen Mengenverhältnisse der den Film 19 bildenden Metalle verändert. Zu den für die
Gemischbildung brauchbaren Metalle gehören Zr9
Ti, V, Cr, Mo, ¥, Au, Cu, Ni und die Metalle der
Platingruppe (Atomzahlen 44-46 und 76-78).
Wenn auch die vorliegende Beschreibung auf Sperrschichtdioden angestellt 1st, so ist doch verständlich, daß auch andere Vorrichtungen nach den Lehren
der Erfindung hergestellt werden können, wie 2. B*
Transistoren, welche la wesentlichen Dioden-Strukturen enthalten. Beispielsweise können Feldeffekt-Transistoren
von der Erfindung Gebrauch machen, bei welchen Metall-Halbleiter-Sperrschichten als Quelle und Ableitkontakte
Anwendung finden.
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Claims (5)
- - r-M. P. LepselterPatentansprüche1^ Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterplättchen und einem, leitenden Belag, welche einen Schottky-Sperrschichtkontakt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus wenigstens zwei verschiedenen Metallen in solchem Verhältnis zusammengesetzt ist, daß eine gewünschte Höhe für die Schottky-Sperrschicht entsteht.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Silicium besteht und daß die zusammengesetzte Metallschicht ein Metallsilicid-Gemisch ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Metallschicht wenigstens zwei Metalle aus der Gruppe enthält, welche Ti, V, Cr, Mo, W, Ni, Cu, Au und die Metalle der Platingruppe umfaßt.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Metallschicht ein Gemisch aus Ti und Rh ist.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Metallschicht ein Gemisch aus Zr und Rh ist.009808/12 1 1
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