DE3124239A1 - Halbleiteranordnung mit schottky-diode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Halbleiteranordnung mit schottky-diode und verfahren zu ihrer herstellung

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DE3124239A1
DE3124239A1 DE19813124239 DE3124239A DE3124239A1 DE 3124239 A1 DE3124239 A1 DE 3124239A1 DE 19813124239 DE19813124239 DE 19813124239 DE 3124239 A DE3124239 A DE 3124239A DE 3124239 A1 DE3124239 A1 DE 3124239A1
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Description

U.V."Philips' 6!oei(ampenfabiieken, Eindhoven*;: :":.··'·:··. *": *·:
PHF.80552 . £. 5.5.81
"Halbleiteranordnung mit Schottky-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung".
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einer Schottky-Diode, die einen Halbleiterkörper mit mindestens einem an eine Oberfläche grenzenden Siliciumgebiet, einer auf dem Siliciumgebiet liegenden ersten leitenden Schicht, die mit dem Siliciumgebiet den gleichrichtenden Übergang der Schottky-Diode bildet, einer auf der ersten Schicht erzeugten zweiten Schicht aus mindestens einem Ubergangsmetall. und einer darauf liegenden dritten wenigstens im wesentlichen aus Aluminium bestehenden Schicht enthalte
Eine Halbleiteranordnung der obenbeschriebenen Art ist aus "Journal of Applied Physics", Band 50, Nr. 11, November 1979, S. 6923 - 6926 bekannt.
Unter Ubergangsmetallen sind, wie üblich, die Gruppen von Ubergangselementen aus dem periodischen System mit Atomzahlen 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 zu verstehen (siehe z.B. "Handbook of Chemistryand Physics", 49. Auflage, Chemical Rubber Corporation, Cleveland, Ohio, S. B-3).·
Die Erfindung bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschliesslich auf integrierte Schaltungen mit Schottky-Dioden, vor allem logische integrierte Schaltungen, wobei in diesen Schaltungen im allgemeinen mehr als eine dieser Dioden vorhanden sind und die Schaltgeschwindigkeiten in günstigem Sinne beeinflussen.
Die erste Schottky-Dioden, die in integrierten
Schaltungen gebildet wurden, wurden durch Ablagerung von
Aluminium auf verhältnismässig schwach dotierten Silicium- ·. oberflächen gebildet. Die Herstellung ist einfach, wirtschaftlich und bietet den grossen Vorteil, dass sie sich leicht in d en allgemeinen Vorgang zum Anbringen von Kontakten auf der Oberfläche eines Halbleiterkristalls durch Ablagerung von Aluminium einkörpern lässt.
PHF.80552 * 5.5.81
Bekanntlich ist Aluminium tatsächlich das für diesen Zweck am häufigsten verwendete Metall, und zwar insbesondere wegen seines niedrigen spezifischen Widerstandes und seiner auffallend guten Haftung sowohl auf Silicium als auch auf den zum Isolieren und zum Passivieren verwendeten dielektrischen Schichten, aber auch wegen seiner Verformbarkeit, wodurch es die mechanischen Belastungen leichter als andere Metalle oder Legierungen aufnehmen kann.
Aluminium weist leider auch einen grossen Nachteil auf. Es löst Silicium über eine Diffusionsreaktion in festem Zustand auf. Diese Erscheinung ist bei allen Anwendungen von Kontakten aus Aluminium oder aus Legierungen mit einem grossen Aluminiumgehalt auf Silicium bekannt; sie machtsich durch eine gleichmässige zeitliche Verschiebung der ursprünglichen Grenzfläche zwischen den zwei Materialien in Richtung auf das Silicium bemerkbar. Die Oberfläche des Siliciums unter dem Aluminium scheint mit sehr kleinen Gruben besätzt zu sein. Der Effekt ist vor allen ungünstig für eine Schottky-Diode, bei der sich der Übergang unmittelbar an der Oberfläche des Siliciums befindet. Es führt zu einer schnellen Verschlechterung der Kennlinien der Diode, ja sogar zu einer vollständigen Zerstörung des genannten Übergangs, der den Charakter eines ohmschen Kontakts erhält. In den meisten Fällen wurde also auf die Verwendung von Aluminium für die Herstellung von Metall-Halbleiterdioden verzichtet. Die Schottky-Dioden, die jetzt in integrierten Schaltungen angewendet werden, weisen eine Struktur auf, die der der Dioden nach der französischen Patentschrift Nr. 1.591.489 analog ist.
Nach dieser Patentschrift wird der Schottky-Ubergang zwischen einer Schicht aus Platinsilicid und Silicium gebildet. Zur Bildung des genannten Übergangs wird Platin auf einer unbedeckten Zone eines Silicxumsubstrats niedergeschlagen, wobei diese Zone von mit einem Isolier—
3^ material überzogenen Gebieten begrenzt wird.
Um diese Nachteile zu beheben, -wurden Schottky— Dioden hergestellt, bei denen statt des Aluminiums eine
S-
Schicht aus Silicid von Metallen, wie z.B. Platin, Molybdän und Kobalt, als Schottky-Kontakt verwendet wird, auf dem dann zur Kontaktierung ein Metall, wie Gold oder Aluminium, angebracht wird. Dabei kann im letzteren Falle zur Verhinderung von Diffusion von Aluminium durch das Silicid hindurch eine dünne Zwischenschicht aus z.B. Wolfram oder Titan-Wolfram zwischen dem Aluminium und dem Silicid angebracht werden, wie in der genannten Veröffentlichung in "Applied Physics Letters" beschrieben wurde. Für die Bildung der Silicidschicht wird zunächst das Metall, z.B. Platin, auf einer unbedeckten Zone eines Siliciumsubstrats niedergeschlagen, wobei diese Zone von mit einem Isoliermaterial überzogenen Gebieten begrenzt wird. Dann wird das Metall durch eine Wärmebehandlung teilweise in Silicid umgewandelt.
Danach wird das nichtgebundene Metall durch Atzen entfernt.
Schliesslich wird das Metallsllicid zunächst mit der ·. s
Zwischenschicht und dann mit einer Aluminiumkontaktschicht überzogen. Auf diese Weise wird eine Diode erhalten, deren ^ elektrische Eigenschaften und deren Stabilität und Lebensdauer viel besser als die von Aluminium-Silicium-Dioden sind.
Diese Vorteile werden aber nur auf Kosten einer beträchtlichen Erhöhung des Selbstkostenpreises der hergestellten Erzeugnisse erhalten, wobei diese Erhöhung einerseits mit der Verwickeltheit des Herstellungsverfahrens,· das einen besonderen Schritt zum Atzen des Metalls umfasst, und andererseits mit der Verwendung verhältnismässig kostspieliger Metalle zusatnmernhängt. Dieses Metall wird oft nur durch sehr aggressive Atzmittel - z.B. Königswasser angegriffen, gegen die kein einziger Schutzlack beständig
Der Metallüberschuss muss dann entfernt werden, bevor andere metallische Schichten niedergeschlagen werden, die nicht leicht geschützt werden können.
Die Erfindung hat u.a. die Aufgabe, eine HaIbleiteranordnung mit einer Schottky-Diode einer neuen
-Struktur zu schaffen, die sich billiger und einfacher als eine Schottky-Diode mit einer Metall-Silicid-Kontaktschicht Ltsii lässt und deren ülukii'iaolie ifiigenscJuil'fcon besser
PHF.80552 Jk 5.5.81 Jl
und stabiler als die der bekannten Aluminium-Silicium-Dioden sind.
Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass dazu Aluminium als Schottky-Kontakt verwendet werden kann, wenn dafür gesorgt wird, dass die Menge Aluminium, die das darunterliegende Silicium lösen kann, auf ein Mindestmass beschränkt wird.
Eine Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht ebenfalls im wesentlichen aus Aluminium besteht und eine Dicke von mindestens 10 mm und höchstens 100 nm aufweist.
Der Schottky-Ubergang befindet sich zwischen der dünnen Unterschicht aus Aluminium und dem Silicium. Das Vorhandensein dieser beiden Materialien führt dazu, dass das Silicium durch das Aluminium gelöst wird, wie oben beschrieben ist. Im vorliegenden Falle läuft diese Reaktion aber schnell ab, infolge der Tatsache, dass das Aluminium nur in beschränkter Menge verfügbar ist. Tatsächlich ist nur das Aluminium der dünnen Unterschicht an dem Lösungsvorgang beteiligt. Die aus einem Ubergangsmetall bestehende Zwischenschicht hemmt auf bekannte Weise jede Wanderung von Aluminiumatomen von der Oberschicht zu dem darunterliegenden Silicium und verhindert dadurch, dass dieses Aluminium sich an dem Lösungsvorgang beteiligt.
Die dünne Aluminiumschient wird schnell mit
• Silicium gesättigt, und zwar umso schneller, je nachdem sie dünner ist. Wegen der beschränkten Verfügbarkeit eines der Elemente werden der Umfang und die Dauer des Lösungs— Vorgangs hereibge setzt. Die Verschlechterungen des Uberguiifvs sind aclrr beschränkt. Dadurch weist, bei Untersuchung die Sillciumoberfläche nach einigen Hundert Betriebsstunden nur eine sehr geringe Anzahl sehr untiefer Gruben auf.
Die Anmelderin hat gefunden, dass nach der Erfindung aufgebaute Schottky-Dioden eine auffallende Stabilität ihrer Kennlinien in der Zeit aufweisen. Der Gebrauch von Aluminium ist denn auch wieder dem Gebrauch anderer seltener Metalle vorzuziehen. Dies ist ein grosser
PHF. 80552 «5» 5-5.81 *>
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Vorteil sowohl vom technologischen als auch vom wirtschaftlichen Standpunkt, vor allem in bezug auf die Herstellung integrierter Schaltungen.
Vom technologischen Standpunkt wird einerseits vermieden, dass eine Erhitzung (Bildung von Metallsilicid) sofort nach der Ablagerung des Aluminiums durchgeführt werden muss. Andererseits kann, während bei Anwendung von Metallsiliciden zunächst ein Ablagerungsschritt und dann ein Atzschritt durchgeführt werden müssen. (Ablagerung und dann Atzung des verbleibenden Metalls nach der Bildung des Metallsilicide, anschliessend Ablagerung und Atzung der anderen zusammensetzenden Metalle der Elektrode), die aus Aluminium, einem Ubergangsmetall(z.B. Wolfram oder Titan oder einer Legierung dieser beiden Elemente) und wiederum Aluminium zusammengesetzte Schicht in einem einzigen Schritt abgelagert und dann in einem einzigen Schritt geätzt werden.
Vom wirtschaftlichen Standpunkt sind die Vorteile deutlich, sowohl in bezug auf den Preis der Materialien als auch in bezug auf die Vereinfachung des Herstellungs-Verfahrens .
Es sei bemerkt, dass die abgelagerte zusammengesetzte Schicht aus Aluminium - Ubergangsmetall - Aluminium auch besonders gut für die Bildung von Schottky-Ubergangen auf schwach dotiertem Silicium sowie für die Bildung ohmscher Kontakte auf stark dotiertem Silicium anderswo auf dem Substrat geeignet ist. Diese abgelagerte zusammengesetzte Schicht eignet sich daher besonders gut für integrierte Schaltungen.
Ein sehr geeignetes Verfahren zur Herstellung der Halbleiteranordnung ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Siliciumgebiet, ohne dass der Halb— leiterkörper aus dem Gerät entfernt wird, nacheinander die genannte erste, die genannte zweite und die genannte dritte Schicht abgelagert werden; dass dann diese Schichten durch Atzung in die Form der gewünschten Elektrodenkonfiguration gebracht werden, und dass schliesslich das Ganze einer einzigen Temperaturbehandlung bei etwa 430 C unterworfen wird.
PHF.8O552 tr 5.5.81
Einige AusfÜhrungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch im Querschnitt eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung, und
Fig. 2 schematisch im Querschnitt eine integrierte Schaltung mit einer Schottky-Diode nach der Erfindung.
Die Figuren sind"insbesondere in der Dickenrichtung nicht masstäblich gezeichnet. Entsprechende Teile ^0 sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Die Metall-Halbleiter-Diode nach Fig. 1 ist auf einem Siliciumgebiet 10, z.B. vom n-Leitungstyp, erzeugt, das schwach dotiert ist (zwischen 10 ° und 10 Atomen/cm ) und eine erste Elektrode dieser Diode, im vorliegenden Beispiel die Kathode, bildet. Auf dem· Silicium ist über eine Öffnung 11, die in einer Isolierschicht 12 aus z.B. Siliciumdioxid vorgesehen ist, eine zusammengesetzte Schicht I3 erzeugt, die aus' einer ersten Schicht I3I» einer zweiten Schicht 132 und einer dritten Schicht 133 besteht, wobei
diese zusammengesetzte Schicht I3 die zweite Elektrode der Diode, im vorliegenden Beispiel die Anode, bildet. Die erste Schicht 131 bildet mit dem Gebiet 10 den Schottky-Ubergang; die zweite Schicht I32 besteht aus einem oder mehreren Ubergangsmetallen und die dritte Schicht 133 besteht im
wesentlichen aus Aluminium.
Nach der Erfindung besteht die erste Schicht 131» die mit dem genannten Substrat 10 in Kontakt steht, ebenfalls im wesentlichen aus Aluminium und weist eine Dicke von mindestens 10 nm und.höchstens 100 nm auf.
Der Schottky-Ubergang befindet sich an der Stelle
14 des Kontakts zwischen der dünnen Schicht I3I und dem Substrat 10.
Die erste Schicht I3I besteht im vorliegenden Beispiel- entweder aus reinem Aluminium oder aus einer
Legierung mit einem hohen Prozentsatz an Aluminium (z.B. Aluminium und 2% Kupfer); die Dicke dieser Schicht ist im vorliegenden Beispiel etwa 50 nm.
6 #·> O O
O0 * O OO * A, Λ ο D O ft
PHFo80552 S^ 5o5o81
Die zweite Schicht 132 besteht vortoilhafterweise • aus einer Legierung von Wolfram und Titan, z„B„ 90 0Jo Wolfram und 10 °/o Titan« Diese Wahl ist nicht beschränkend; es können auch Metalle ^^nd metallische Legierungen.;, wie Z0B0 reines Wolfram, reines Titan» Chrom und die Legierungen dieser Elemente, verwendet werden. Die Dicke der Schicht 132 wird vorteilhafterweise zwischen 20 und 100 nm gewählt»
Schliesslich weist die dritte Schicht 133 vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung wie die Schicht I3I auf.
Die Dicke dieser Schicht liegt zoB„ zwischen 0,5 und 3 -/um»
Die beschriebene Halbleiteranordnung kann mit Hilfe an sich bekannter Techniken hergestellt werdeno Die drei Schichten 1319 132 und 133 werden vorteilhafterweise durch Kathodenzerstäubung erhalten, wobei von zwei Auftreffplatten ausgegangen wird, die nacheinander beschossen werden, ohne dass das Substrat in die Umgebungsatmosphäre zurückgeführt wird. Die chemische Atzung dieser Schichten erfolgt, was das Aluminium anbelangt, mit Phosphorsäure und, was das Wolfram-=>Titan anbelangt, mit Wasserstoffperoxido Die Wärmebehandlung,während deren die Passivierungsschicht, die ZoBo aus Siliciumoxid besteht (in den Figuren nicht dargestellt), abgelagert wird und während deren zu gleicher Zeit'die Kontakte zwischen den unterschiedlichen Materialienp insbesondere der Aluminium-Silicium-Kontakt, stabilisiert werden, wird bei einer Temperatur von etwa 430oC durchgeführt»
Jetzt wird an Hand der Figur 2 eine integrierte Schaltung mit einer Schottky-Diode nach der Erfindung beschrieben»
Auf einer p-leitenden Siliciumscheibe 1S auf deren oberer Fläche eine η-leitende epitaktische Schicht abgelagert ist, die schwach dotiert ist, ist eine integrierte Schaltung gebildet„ Von dieser Schaltung sind in Figo2 ein Transistor T und eine Schottky-Diode D dargestellt, wobei diese Diode über ihrer Kathode mit dem Kollektor des Transistors und über ihre Anode mit der Basis des Transistors yokoppelt iat0 Dies ist eine bei logischen integrierten Schaltungen bekannte Konfiguration»
PHF.80552 8r 5.5.81
-AO-
Sichtbar sind das p-leitende Basisgebiet 20 und das n+-leitende Emittergebiet 21; das Kollektorgebiet wird durch die epitaktische Schicht 10 gebildet, wobei eine n+~ Zone 22 zur Bildung von Kontakten für den Kollektorausgang dient.
Eine Metallschicht, die aus drei Schichten von Aluminium 131» Wolfram/Titan 132 und Aluminium 133 zusammengesetzt ist, bildet auf den drei Gebieten 20, 21 und 22 einen ohmschen Kontakt und auf dem Gebiet 10 einen gleichrichtenden Schottky-Ubergang 14, so dass die Schottky-Diode zu dem Basis/Kollektor-Ubergang parallel liegt. Die Schottky-Diode 14 ist in Fig. 2 mit einer fetten Linie angedeutet.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich,dass alle ohmschen
Kontakte des Transistors T zusammen mit dem gleichrichtenden Kontakt der Diode D sowohl in bezug auf die Erzeugung der metallischen Schichten als auch in bezug auf die Atzung dieser Schichten gleichzeitig gebildet werden können.

Claims (8)

  1. .··:,· ·„· .:. 312423
    PHF.80552 . 5.5.81
    "PATENTANSPRÜCHE":
    /Ty Halbleiteranordnung mit; einer Schottky-Diode, die einen Halbleiterkörper mit mindestens einem an eine Oberfläche grenzenden Siliciumgebiet, einer auf dem Siliciumgebiet liegenden ersten leitenden Schicht, die mit dem Siliciumgebiet den gleichrichtenden Übergang der Schottky-Diode bildet, einer auf der ersten Schicht erzeugten zweiten Schicht aus mindestens einem Ubergangsmetall und einer darauf liegenden dritten wenigstens im wesentlichen aus Aluminium bestehenden Schicht enthält,
    1^ dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht ebenfalls im wesentlichen aus Aluminium besteht und eine Dicke von mindestens 10 nm und höchstens 100 nm aufweist.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus praktisch reinem Aluminium besteht.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus einer Legierung von etwa 98 °/o Aluminium und etwa 2 °/o Kupfer besteht.
  4. k. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht ausdemselben Material wie die erste Schicht besteht.
  5. 5. . Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch'gekennzeichnet, dass die zweite Schicht aus einer Legierung von Wolfram und Titan besteht.
  6. 6. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Dicke von mindestens 20 nm und höchstens 100 nm aufwe is t.
  7. 7. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden
    Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schottky-Diode zu dem Kollektor/Basis-Ubergang eines Bipolartransistors parallelgeschaltet ist.
    PHF. 80552 .3. 5.5.81
  8. 8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach, einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Siliciumgebiet, ohne dass der Halbleiterkörper aus dem Gerät entfernt wird, nacheinander die genannte erste, die genannte zweite und die genannte dritte Schicht abgelagert werden; dass dann diese Schichten durch Atzung in die Form der gewünschten Elektrodenkonfiguration gebracht werden, und dass schliesslich das Ganze einer einzigen Temperaturbehandlung bei etwa 4300C unterworfen wird.
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