NL8103021A - Halfgeleiderinrichting met schottky-diode en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

f ^ i PHF 80-552 1 N.V. Philips' Gloeilairpenfabriéken te Eindhoven.

"Halfgeleiderinrichting met Schottky-diode en werkwijze voor het vervaardigen daarvan".

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting met een Schottky-diode, bevattende een halfgeleiderlichaam met ten minste een aan een oppervlak grenzend siliciumgebied, een op het siliciumgebied liggende eerste, geleidende laag die met het siliciumgebied de gelijk-5 richtende overgang van de Schottky-diode vormt, een op de eerste laag aangebrachte tweede laag van ten minste een overgangsmetaal, en een daarop gelegen derde laag die ten minste in hoofdzaak uit aluminium bestaat.

Een halfgeleiderinrichting als hierboven beschreven is bekend . uit Journal of .applied Physics, Vol.50 Nö.11, November 1979, blz.6923 10 t/m 6926.

Onder overgangsmetalen worden zoals gebruikelijk verstaan metalen uit de groep van overgangselementen, zie bijvoorbeeld "Handbook of Chemistry and Physics, 49-ste editie, The Chemical Rubber Co., Cleveland Ohio, biz. B-3.

15 De uitvinding heeft in het bijzonder, maar niet uitsluitend, betrekking op geïntegreerde schakelingen met Schottky-dioden, vooral logische geïntegreerde schakelingen, waarbij in deze schakelingen over het algemeen meer dan êên van deze dioden aanwezig zijn en in gunstige zin de schakelsnelheden beïnvloeden.

20 De eerste Schottky-dioden, die in geïntegreerde schakelingen werden gerealiseerd, werden door neerslag van aluminium op betrékkelijk zwak gedoteerde siliciumoppervlakken gevormd. De vervaardiging is eenvoudig, economisch en biedt het grote voordeel, dat zij gemakkelijk kan worden ingebouwd in het algemene proces voor het aanbrengen van contac-25 ten op het oppervlak van een halfgeleiderkristal door neerslag van aluminium. Zoals békend is aluminium in feite voor dit doel het meest gebruikte metaal, en wel speciaal vanwege zijn geringe soortelijke weerstand en zijn opvallend goede hechting zowel op silicium als op de voor het isoleren en het passiveren gebruikte diëlektrische lagen, maar ook 30 vanwege zijn vervormbaarheid, waardoor het de mechanische belastingen gamakkelijker kan opnamen dan andere metalen of legeringen.

Helaas heeft aluminium ook een groot nadeel: het lost silicium op via een diffusiereactie in vaste toestand. Dit ver- 81 03 0 2 1 ί 1 PHF 80-552 2 s schijnsel is bekend bij alle toepassingen van contacten van aluminium of van legeringen met een groot aluminiumgehalte op silicium; het komt tot uiting in een geleidelijke verschuiving in de tijd van het oorspronkelijke grensvlak tussen de twee materialen in de richting van het silicium.

5 Het oppervlak van het silicium onder het aluminium lijkt bezaaid met heel kleine putjes. Het effect is vooral ongunstig voor een Schottky-diode, waarbij zich de overgang direct aan het oppervlak van het silicium - bevindt. Het heeft aanleiding tot een snelle degradatie van de karakteristieken van de diode, ja zelfs tot volledige vernietiging van de genoemde 10 overgang, die het karakter krijgt van een ohms contact.

Om deze bezwaren te ondervangen heeft men Schottky-dioden vervaardigd waarbij in plaats van aluminium een laag van een silicide van metalen zoals bijvoorbeeld platina, molybdeen en cobalt als Schottky-contact wordt toegepast, waarop dan ter contactering een metaal zoals goud 15 of aluminium wordt aangebracht. Daarbij kan in het laatste geval, ter voorkoming van diffusie van aluminium door het silicide heen, een dunne tussenlaag van bijvoorbeeld wolfram of titaan-wolfram tussen het aluminium en het silicide worden aangebracht zoals in de genoemde publicatie in Applied Physics Letters wordt beschreven. Voor het vormen van de sili-20 cidelaag wordt eerst het metaal, bijvoorbeeld platina, neergeslagen op een onbedekte zone van een siliciumsubstraat, welke zone wordt begrensd door gebieden bedekt met een isolerend materiaal. Vervolgens wordt het metaal door een thermische behandeling gedeeltelijk omgezet in silicide* Daarna wordt het niet gebonden metaal door etsen verwijderd. Tenslotte 25 wordt het metaalsilicide eerst met de tussenlaag en daarna met een alumi-niumcontactlaag bedekt. Zodoende wordt een diode verkregen, waarvan de elektrische karakteristieken en de stabiliteit en de levensduur veel beter zijn dan die van aluminium-siliciumdioden.

Deze voordelen worden echter slechts verkregen ten koste van een 30 aanmerkelijke verhoging van de kostprijs van de vervaardigde producten, waarbij deze verhoging enerzijds met de ingewikkeldheid van de vervaar-digingswerkwijze verband houdt, die een bijzondere stap voor het etsen van het metaal omvat, en anderzijds met het gebruik van relatief kostbare metalen verband houdt. Dit metaal wordt vaak slechts door zeer agressieve 35 etsmiddelen - b.v. aqua regia - aangetast, waartegen geen enkele beschermende lak bestand is.

Het teveel aan metaal moet dan worden verwijderd, voordat andere metallische lagen worden neergeslagen, die niet gemakkelijk kunnen worden 8103021 i v PHF 80-552 3 beschermd.

De uitvinding beoogt onder meer, een half geleider inrichting met een Schottky-diode van een nieuwe struktuur te verschaffen, die goedkoper en eenvoudiger te vervaardigen is dan een Schottky-diode met een metaal-5 silicidecontactlaag, en waarvan de elektrische eigenschappen beter en stabieler zijn dan die van de bekende aluminium-siliciumdioden.

De uitvinding berust onder meer qp het inzicht, dat hiertoe aluminium als Schottky-contact kan worden toegepast indien ervoor gezorgd wordt dat de hoeveelheid aluminium die het onderliggende silicium kan qp-10 lossen tot een minimum wordt beperkt.

Een halfgeleider inrichting van de in de aanhef beschreven soort is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat de eerste laag eveneens in hoofdzaak uit aluminium bestaat en een dikte heeft van ten minste 10 nm en ten hoogste 100 nm.

15 De Schottky-ovargang bevindt zich tussen de dunne onderlaag van aluminium en het silicium. De aanwezigheid van deze beide materialen geeft aanleiding tot het oplossen van het silicium door het aluminium, zoals hierboven is beschreven. In het onderhavige geval echter loopt deze reactie snel af, doordat het aluminium slechts in beperkte hoeveelheid be-20 schikbaar is. In feite neemt aan het oplossen alleen het aluminium van de dunne onderlaag deel. De uit een overgangsmetaal bestaande tussenlaag be-leunert cp bekende wijze elke migratie van aluminiumatcmen van de bovenlaag naar het onderliggende silicium en verhindert daardoor, dat dit aluminium deelneemt aan het oplossen.

2S De dunne aluminiumlaag wordt snel verzadigd met silicium, en wel des te sneller, naarmate deze dunner is. Vanwege de beperkte beschikbaarheid van één van de elementen worden de crnvang en de duur van het oplossingsproces verminderd. De degradaties van de overgang zijn zeer beperkt. Daardoor vertoont bij onderzoek het siliciumoppervlak na enkele honderden 30 bedrijfsuren slechts zeer weinig, zeer ondiepe putjes.

Aanvraagster heeft vastgesteld, dat volgens de uitvinding opgebouwde Schottky-dioden een opvallende stabiliteit van hun karakteristieken in de tijd bezitten. Men kan dan ook weer aan het gebruik van aluminium de voorkeur geven boven dat van andere, meer zeldzame metalen. Dit 35 is een groot voordeel zowel van technologisch als van economisch standpunt gezien, vooral met betrekking tot de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen.

Van technologische standpunt gezien wordt enerzijds vermeden, dat 81 03 0 2 1 EHF 80-552 4 een verhitting (vorming van metaalsilicide) moet worden uitgevoerd, direct nadat het aluminium is neergeslagen. Anderzijds kan, terwijl bij toepassing van metaalsiliciden eerst een neerslagstap en dan een etsstap moet worden uitgevoerd (neerslaan en daarna etsen van het overgebleven metaal 5 na de vorming van het metaalsilicide, vervolgens neerslaan en etsen van de andere samenstellende metalen van de elektrode), de uit aluminium, een overgangsmetaal (b.v. wolfraam of titanium of een legering van deze beide elementen) en weer aluminium samengestelde laag in êên enkele stap worden neergeslagen en daarna in êên enkele stap worden geëtst.

10 Van economisch standpunt gezien zijn de voordelen duidelijk, zowel met betrekking tot de prijs van de materialen als met betrekking tot de vereenvoudiging van het vervaardigingsproces.

Opgemerkt wordt, dat de neergeslagen samengestelde laag van aluminium-overgangsmetaal-aluminium ook erg geschikt is‘ voor het vormen 15 van Schottky-overgangen op zwak gedoteerd silicium alsmede voor het elders op het substraat vormen van ohmsche contacten op sterk gedoteerd silicium. Deze neergeslagen samengestelde laag is daarom uitstékend geschikt voor geïntegreerde schakelingen.

Een zeer geschikte werkwijze voor het vervaardigen van de half-20 geleiderinrichting is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat qp een siliciumgebied zonder het halfgeleiderlichaam uit de apparatuur te verwijderen achtereenvolgens de genoemde eerste, tweede en derde laag worden neergeslagen, dat daarna deze lagen door etsen in de vorm van de gewenste elektrodeconfiguratie worden gebracht, en dat tenslotte het ge-25 heel wordt onderworpen aan êên enkele temperatuurbehandeling bij ongeveer 430°C.

De uitvinding wordt hierna aan de hand van de bijgaande tekeningen nader toegelicht, waarin:

Fig. 1 schematisch in dwarsdoorsnede een halfgeleiderinrichting 30 volgens de uitvinding toont, en

Fig. 2 schematisch in dwarsdoorsnede een geïntegreerde schakeling met een Schottky-diode volgens de uitvinding toont.

De tekeningen zijn in het bijzonder in de dikterichting, niet op schaal weergegeven. Overeenkomstige delen zijn met hetzelfde verwijzings-35 cijfer aangeduid.

De metaal-halfgeleiderdiode volgens Fig. 1 is gevormd op een siliciumgebied 10, b.v. van het n-geleidingstype, dat zwak gedoteerd is (van 15 17 3 10 tot 10 Atomen/cm ) en een eerste elektrode van deze diode vormt, in 81 03 0 2 1 EHF 80-552 5 * dit voorbeeld de katode. Op het silicium is via een opening 11, die is aangebracht in een isolerende laag 12 van b.v. siliciumdioxyde, een samengestelde laag 13/ bestaande uit een eerste laag 131, een tweede laag 132 en een derde laag 133 gevormd, welke samengestelde laag 13 de tweede elek-5 trode van de diode, in dit voorbeeld de anode, vormt. De eerste laag 131 vormt met het gebied 10 de Schottky-overgang, de tweede laag 132 bestaat uit een of meer overgangsmetalen, en de derde laag 133 bestaat in hoofdzaak uit aluminium.

Volgens de uitvinding bestaat de eerste laag 131, die in contact 10 staat met het genoemde substraat 10 eveneens in hoofdzaak uit aluminium, en heeft zij een dikte van tenminste 10 nm en ten hoogste 100 nm.

De Schottky-overgang, bevindt zich bij 14 ter plaatse van het contact tussen de dunne laag 131 en het substraat 10.

De eerste laag 131 bestaat in dit voorbeeld hetzij uit zuiver 15 aluminium hetzij uit een legering met een hoog percentage aan aluminium (b.v. 98% aluminium en 2% koper); de dikte ervan is in dit voorbeeld ongeveer 50 nm.

De tweede laag 132 bestaat met voordeel uit een legering van wolfram en titaan, bijvoorbeeld 90% wolfram en 10% titaan. Deze keuze is niet 20 beperkend; men kan ook metalen en metallische legeringen, zoals b.v. zuiver wolfram, zuiver titaan, chroom en de legeringen daarvan toepassen.

De dikte van de laag 132 wordt met voordeel tussen 20 en 100 nm gekozen.

Tenslotte heeft de derde laag 133 bij voorkeur dezelfde samenstelling als de laag 131. De dikte ervan ligt bijvoorbeeld tussen 0,5 en 25 3^um.

De beschreven halfgeleider inrichting kan met behulp van op zichzelf bekende technieken worden vervaardigd. De drie lagen 131, 132 en 133 worden met voordeel door katodeverstuiving verkregen, uitgaande van twee trefplaten, die achtereenvolgens worden gebombardeerd, zonder het sub-30 straat in de cmgevingsatmosfeer terug te brengen. Het chemische etsen van deze lagen geschiedt voor wat het aluminium betreft met fosforzuur en voor wat betreft het wolfraam-titaan met waterstofperoxide. De thermische behandeling, gedurende welke de passiveringslaag, die b.v. uit siliciumoxyde bestaat (in de figuren niet weergegeven) wordt neergeslagen en gedurende 35 welke tegelijkertijd de contacten tussen de verschillende materialen, in het bijzonder het aluminium-siliciumcontact, worden gestabiliseerd, wordt uitgevoerd bij een temperatuur van ongeveer 430°C.

Thans wordt aan de hand van Figuur 2 een geïntegreerde schakeling 8103021 t PHF 80-552 6 met een Schottky-diode volgens de uitvinding beschreven.

Op een plaatje 1 van silicium van het p-type, op het bovenvlak waarvan een epitaxiale laag 10 van het n-type is neergeslagen, die zwak gedoteerd is, is een geïntegreerde schakeling gevormd. Van deze schake-5 ling zijn in Fig. 2 een transistor T en een Schottky-diode D weergegeven, waarbij deze diode viadekatode is gekoppeld met de collector van de transistor en via zijn anode met de basis van de transistor. Dit is een bij logische geïntegreerde schakelingen bekende configuratie.

Zichtbaar zijn het p-type basisgebied 20 en het n+type emitter-10 gebied 21; het collectorgebied wordt gevormd door de epitaxiale laag 10, waarbij een n zone 22 voor het vormen van contacten voor de collector-uitgang dient.

Een metaallaag die is samengesteld uit drie lagen van aluminium 131, wolfraam/titaan 132 en aluminium 133 vormt op de drie gebieden 20, 15 21 en 22 een ohms contact en op het gebied 10 een gelijkrichtende Schottky-overgang 14, zodat de Schottky-diode parallel over de basis-collectorover-gang staat. De Schottky-overgang 14 is in Fig. 2 met een dikke lijn aangeduid.

Uit Fig. 2 is het duidelijk, dat alle ohmse contacten van de tran-20 sistor T samen met het gelijkrichtende contact van de diode D gelijktijdig kunnen worden gevormd zowel voor wat betreft de vorming van de metallische lagen als voor wat het etsen van deze lagen betreft.

25 30 35 81 0 3 0 2 f

Claims (8)

1. Half geleider inrichting met een Schottky-diode, bevattende een halfgeleiderlichaam met ten minste een aan een oppervlak grenzend silici-umgebied, een op het siliciumgebied liggende eerste, geleidende laag die met het siliciumgebied de gelijkrichtende overgang van de Schottky-diode 5 vormt, een op de eerste laag aangebrachte tweede laag van ten minste een overgangsmetaal, en een daarop gelegen derde laag die ten minste in hoofdzaak uit aluminium bestaat, met het kenmerk, dat de eerste laag eveneens in hoofdzaak uit aluminium bestaat en een dikte heeft van ten minste 10 nm en ten hoogste 100 nm.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste laag uit praktisch zuiver aluminium bestaat.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste laag uit een legering van ongeveer 98% aluminium en ongeveer 2% koper bestaat.

4. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de derde laag uit hetzelfde materiaal bestaat als de eerste laag.

5. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tweede laag uit een legering van wolfram en titaan 20 bestaat.

6. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tweede laag een dikte van ten minste 20 nm en ten hoogste 100 nm heeft.

7. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, 25 met het kenmerk, dat de Schottky-diode parallel geschakeld is aan de col-lector-basisovergang van een bipolaire transistor.

8. Werkwijze ter vervaardiging van een halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat qp een siliciumgebied zonder het halfgeleiderlichaam uit de apparatuur te verwijderen 30 achtereenvolgens de genoemde eerste, tweede en derde laag warden neergeslagen, dat daarna deze lagen door etsen in de vorm van de gewenste elek-trodeconfiguratie worden gebracht, en dat tenslotte het geheel wordt onderworpen aan êên enkele temperatuurbehandeling bij ongeveer 430°C. 35 8103021