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Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes an einer oxydüberzogenen Halbleiterscheibe
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitereinrichtungen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur
Herstellung eines elektrischen Kontaktes an einer oxydüberzogenen Halbleiterscheibe.
Bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen ist es wichtig, den Halbleiterkörper mit einem Elek- trodenanschluss zu versehen, der dauerhaft und mechanisch fest ist und geringen elektrischen Widerstand hat. Die Dauerhaftigkeit und Festigkeit des Elektrodenanschlusses sind im Hinblick auf die Lebensdauer der Halbleitereinrichtung von Bedeutung, während der niedrige Widerstand wichtig ist, um die Stromwär- meverluste klein zu halten, welche die Ausgangsleistung und den Wirkungsgrad der Halbleitereinrichtung begrenzen.
Die Herstellung eines guten Elektrodenanschlusses oder Kontaktes am Halbleiterkörper stellt nach wie vor ein gewisses Problem in der Halbleitertechnik dar. Beispielsweise muss bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen unter Anwendung des Diffusionsverfahrens die Oberfläche der Rohscheibe aus Halbleitermaterial notwendigerweise hochpoliert sein, um eine gleichmässige Diffusion sicherzustellen. Die Herstellung eines guten Elektrodenanschlusses an einer polierten Oberfläche ist aber ein schwieriges Problem. Erstens ist nämlich eine polierte Oberfläche nicht gut zu benetzen und zweitens ist auch die mechanische Haftung an einer solchen Oberfläche relativ gering.
Im allgemeinen werden zur Herstellung von elektrischen Kontakten an polierten Oberflächen Legierungsverfahren unter Zuhilfenahme von Netzmitteln, z. B. in Form einer Metallschmelze, benutzt. Der Legierungsvorgang spielt sich aber gewöhnlich nicht gleichmässig über die Halbleiteroberfläche ab, was stellenweise zu einem relativ tiefen Eindringen der Legierungszusätze in bestimmte Teile der Oberflächenschicht führt. Durch ein solches tiefes Eindringen werden oft Kurzschlüsse der seichten oberflächlichen Diffusionsregion bewirkt. Überdies führen die gewöhnlich angewendeten Legierungsverfahren zu kleinflächigen Kontakten hohen Widerstandes, was nur mit grösserem Aufwand und erheblichen Kosten vermieden werden kann. Demgemäss sind relativ komplizierte und teure Verfahren erforderlich, um Kontakte bzw. Elektrodenanschlüsse mit gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
Die Erfindung befasst sich nun mit der Aufgabe, an der Oberfläche von Halbleiterscheiben grossflächige, mechanisch feste und praktisch nicht in die Oberflächenschicht eindringende Kontakte niedrigen Widerstandes herzustellen.
Es wurde gefunden, dass ein elektrischer Kontakt niedrigen Widerstandes an einer Halbleiterscheibe ohne Eindringen von Kontaktmaterial in die Scheibe in der Weise hergestellt werden kann, dass an jener Scheibenoberfläche, an welcher der Kontakt erwünscht ist, ein Oxydüberzug gebildet und an der oxyd- überzogenen Oberfläche eine Schicht aus einem geeigneten reaktiven Metall niedergeschlagen wird, u. zw. eines reaktiven Metalles, das befähigt ist. in ein im aktiven Metall lösbares Oxyd übergeführt zu werden, wobei der verfügbare Sauerstoff auf jene Menge zu beschränken ist, welche vom darunterliegenden Oxydüberzug geliefert wird ; sodann wird die Scheibe erhitzt, wobei die Temperatur und die Erhitzungsdauer so gewählt werden, dass die ursprüngliche Oxydschicht bis auf eine vernachlässigbare Dicke reduziert wird.
Gemäss der Erfindung wird demnach zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes an einer oxydüber-
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zogenen Halbleiterscheibe unter Verwendung einer geschlossenen Schicht aus aktivem Metall, wie z. B.
Titan, das als Reduktionsmittel in Berührung mit der Halbleiterscheibe steht, und einer dieses Reduktionsmittel überdeckenden Metallschicht in der Weise verfahren, dass über der geschlossenen Schicht aus aktivem Metall, das ausser Titan auch Zirkon, Niobium, Tantal, Thorium oder Vanadium sein kann, eine Schicht aus Kontaktmetall, ausgewählt aus der Gruppe Gold, Silber, Palladium, Thorium, Kupfer, Nikkel und Platin, niedergeschlagen wird und dass das Ganze sodann auf eine. noch unter den Schmelzpunkten sowohl des aktiven Metalles als auch des Kontaktmetalles liegende Temperatur erhitzt wird, u. zw. solange, bis wenigstens ein Teil des im Halbleiterüberzug enthaltenen Sauerstoffes in eine sich ausbildende Schicht eines Oxyds des aktiven Metalls übergeführt ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Siliciumscheibe mit einer seichten oberflächigen Diffusionsregion, wie sie für Silicium-Solarzellen charakteristisch ist, mit einem elek - trischen Kontakt versehen, indem eine relativ dünne Schicht aus elementarem Titan auf einen an der freien Oberfläche der Scheibe natürlich entstandenen Siliciumdioxydüberzug aufgedampft wird ; dabei wird also der Oxydüberzug nutzbringend verwertet, der bei den bisher üblichen Verfahren entfernt werden musste. Auf diesen Vorgang erfolgt das Aufdampfen einer relativ dicken Schicht aus Silber auf die Titanschicht. Hernach wird die Temperatur des Zwischenproduktes erhöht, um die Oxydation der elementaren Titanschicht in Titanoxyd zu begünstigen.
Unter einem natürlich entstandenen Siliciumdioxydüberzug ist jener Oxydüberzug zu verstehen, der sich von selbst ausbildet, wenn eine Siliciumoberfläche bei Raumtemperatur der Luft ausgesetzt wird.
Ein Merkmal der Erfindung besteht demnach darin, dass auf einen Oxydüberzug, etwa einen natürlich entstandenen Siliciumdioxydüberzug an der Oberfläche einer Halbleiterscheibe aus Silicium, eine geschlessene Schicht aus aktivem Metall, wie Titan, niedergeschlagen wird.
Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt einer Halbleitereinrichtung, die nachdem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist. Zur Verdeutlichung der Darstellungen sind die Abmessungen in der Zeichnung nicht massstabgerecht gewählt.
Bekanntlich tritt an einer Siliciumscheibe, wenn sie der Luft ausgesetzt wird, ein dünner Überzug aus
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eignetes Ausgangsmaterial für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dar. Dieses Verfahren umfasst im wesentlichen die folgenden drei Schritte :
I. Niederschlagen eines aktiven Metalls am Ausgangsmaterial,
II. Niederschlagen von Kontaktmetall am aktiven Metall,
III. Erhitzen auf mässige Temperaturen.
Es wird also nach dieser Verfahrensweise zunächst aktives Metall auf der oxydüberzogenen Oberfläche der Siliciumscheibe niedergeschlagen. Das aktive Metall wird aus der Gruppe Titan, Zirkon, Niobium, Tantal, Thorium und Vanadium gewählt. Alle diese Metalle, mit Ausnahme von Tantal, werden vorzugsweise durch Verdampfen niedergeschlagen. Tantal wird hingegen besser durch Zerstäubung niedergeschlagen, weil die zu seiner Verdampfung in einer Verdampfungskammer erforderlichen hohen Temperaturen schon eine starke Schädigung der in solchen Verdampfungskammern üblicherweise zur Heizung verwendeten Wolframwendel führen würden.
Die Menge des nach einer dieser Verfahrensweisen niedergeschlagenen aktiven Metalles ist nach bekannten Methoden regelbar. Die Dicke des aktiven Metallfilm wird vorteilhaft grösser gewählt als die Dicke des darunterliegenden Überzuges aus Siliciumdioxyd. Insbesondere wird soviel aktives Metall niedergeschlagen, dass praktisch der gesamte Sauerstoff, der in der darunterliegenden Siliciumdioxydschicht gebunden ist, bei der nachfolgenden Oxydation des aktiven Metalles verbraucht werden kann.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel ist der aktive Metallfilm mehr als fünfmal so dick wie der Überzug aus Si- liciumdioxyd. Diese Massnahme sichert, dass erstens die entstehende Menge an Oxyd des aktiven Metalles aicht ausreicht, um die elektrischen Eigenschaften des hergestellten Kontaktes schädlich zu beeinflussen, und zweitens zwischen dem aktiven Metall und dem Siliciumsubstrat sich entweder ein mittelbarer inni- ger Kontakt ergibt, was gewöhnlich bevorzugt wird, oder aber nur noch eine dünne Trennschicht verbleibt, die so schmal ist, dass schon bei sehr niedrigen angelegten Spannungen eine quantenmechanische TunnelBildung durch die zwischenliegende'Siliciumdioxyd-Trennschicht auftritt, so dass deren Widerstand ver- lachlässigbar ist.
Um zu verhindern, dass sich das aktive Metall in diesem System während der nachfolgenden Erhit-
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zungsstufe mit dem Luftsauerstoff verbindet, wird unmittelbar nach dem Niederschlagen des aktiven Metalles oberhalb desselben durch Verdampfen oder Zerstäuben eine relativ dicke Schicht von Kontaktme-
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führt worden. Das so erhaltene Zwischenprodukt weist in inniger Bindung Schichten von Siliciumdioxyd, aktivem Metall und Kontaktmetall in der erwähnten Reihenfolge, ausgehend von der Oberfläche der Sili- ciumscheibe, auf.
Nun wird dieses Zwischenprodukt nach dem Verfahrensschritt III erhitzt. Beim Erhitzen, das norma- lerweise an der Luft erfolgt, wird eine Temperatur angewendet, die weit unter dem Schmelzpunkt eines jeden der verwendeten Materialien und unter den eutektischen Temperaturen des Systems liegt und in einem typischen Fall 2000C beträgt. Die aktive Metallschicht geht dabei von einer atomaren Schicht zur andern in ein Oxyd des aktiven Metalles über, wobei die hiezu erforderliche Zeit von der Temperatur und von der Dicke der darunterliegenden Oxydschicht abhängt. In einem typischen Fall sind bei der Dicke natürlich entstandener Oxydüberzüge 3 - 10 min Erhitzungszeit erforderlich.
Das so erhaltene Halbleiterelement 20 ist in der Zeichnung im Querschnitt dargestellt. Die Silicium- scheibe 21 ist gewöhnlich mit einem Siliciumdioxydüberzug 22 überzogen, der der Einfachheit halber nur an der Oberfläche 23 der Scheibe gezeichnet worden ist. Beim dargestellten Beispiel ist der Oxydüberzug bei der Umwandlung eines Teiles der Titanschicht 24 in eine Titanoxydschicht 25 (die mit der Formel TiO bezeichnet ist) nicht vollständig verbraucht worden. Vermutlich bilden die ursprünglichen Schichten aus
Silidiumdioxyd und Titan bei Hitzeeinwirkung dünne Schichten aus Siliciumoxyd, Titanoxyd und Titan.
Das Titanoxyd geht aber eine feste Lösung mit dem Titan ein und ermöglicht somit tatsächlich einen di- rekten Kontakt zwischen Metall und Halbleiter. In der Zeichnung sind die Titanschicht 24 und die Titan- oxydschicht 25 durch eine Linie 26 getrennt dargestellt, die unterbrochen ist, um die nachfolgende Bil- dung einer festen Lösung anzudeuten. Die gesamte Kontakteinheit wird von einer Silberschicht 27 bedeckt, um in der schon beschriebenen Weise eine Reaktion zwischen der Luft und dem Titan zu verhindern.
Das Siliciumsubstrat enthält in einem typischen Fall eine seichte Oberflächenregion 29, die mit der
Hauptmasse der Scheibe einen grossflächigen pn-Übergang 31 bildet. Dieser pn-Übergang wird nach dem
Diffusionsverfahren hergestellt, das normalerweise zu einem glasartigen Überzug am Siliciumsubstrat führt.
Dieser glasartige Überzug wird vorteilhaft vor der Ausbildung des Oxydüberzuges beseitigt.
Der im Rahmen der Erfindung angewendete Erhitzungsvorgang muss sich nicht notwendigerweise in Luft abspielen. Alternativ kann die Erhitzung auch in einer reduzierenden oder in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum erfolgen. In diesem Falle können von den vorstehend erwähnten Kontaktmetallen ver- schiedene Kontaktmetalle angewendet werden, wie Gold, Palladium, Rhodium, Kupfer und Nickel, um die aktive Metallschicht abzudecken. Bei jedem dieser alternativen Erhitzungsvorgänge wird jedoch der verfügbare Sauerstoff auf jene Menge beschränkt, die von der Siliciumdioxydschicht abgegeben werden kann, und die erzielten Kontakteigenschaften sind demgemäss regelbar und reproduzierbar.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können noch weitere Vorteile erzielt werden, wenn ein Si- liciumdioxydüberzug angewendet wird, dessen Dicke grösser ist als jener Wert, der auf natürlichem Wege erreichbar ist. Normalerweise erreicht ein natürlich entstandener Siliciumdioxydüberzug eine Dicke zwi- schen 50 und 100Â. Durch thermische Behandlung kann aber eine wesentlich grössere Dicke von einigen tausend Angström-Einheiten, vorzugsweise von 5000 bis 10000Ä, erreicht werden, die erforderlich ist, um eine Diffusion kennzeichnender Verunreinigungen in die Oberfläche des darunterliegenden Halbleiterma- terials aus einem umgebenden Dampf zu verhindern. Dieser dicke und schützende Oxydüberzug erleichtert es, die elektrischen Eigenschaften der Oberfläche des Halbleitermaterials zu regeln.
Beispielsweise kann auf einem dicken Oxydüberzug nach einem vorgegebenen Muster Zirkon niedergeschlagen und sodann mit einer Schicht aus Rhodium überzogen und erhitzt werden, wobei das Zirkon selektiv mit dem Silicium- dioxydüberzug in Reaktion tritt. Bei einer nachfolgenden Anwendung eines Dampfes einer kennzeichnen- den Verunreinigung (Donator oder Akzeptor) kann dann eine Diffusion in das Siliciumsubstrat nur dort er- folgen, wo das Zirkon selektiv mit dem Siliciumdioxyd in Reaktion getreten ist, wogegen der restliche
Siliciumdioxydüberzug als Diffusionsmaske wirkt. In diesem Falle soll die Dicke der Zirkonschicht grösser als die Dicke eines natürlich entstandenen Oxydüberzuges sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist beispielsweise bei einer quadratischen Siliciumscheibe von
6,35 mm Seitenlänge und 2, 54 mm Höhe angewendet worden. Die Hauptmasse der Scheibe bestand aus
Material der Leitfähigkeitstype p (mit einer gleichmässigen Konzentration von Bor), das einen spezifi- schen Widerstand von 20 Ohm. cm hatte ; ferner hatte die Scheibe einen Oberflächenteil der Leitfähigkeitstype n (mit einer von der Oberfläche nach innen von 1020 Atom/cm8 abnehmenden Konzentration an Phosphor), wobei diese seichte Diffusionsschicht mit der Hauptmasse der Scheibe in einem Abstand
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von 0, 00076 mm von der Oberfläche der Scheibe einen grossflächigen pn-Übergang 31 bildete.
Die freie Scheibenoberfläche wurde nach dem Diffusionsvorgang in bekannter Weise durch Ätzen gereinigt, um die während des Diffusionsvorganges entstandene glasartige Schicht zu beseitigen. Die gereinigte Scheiben- oberfläche wurde sodann bei Raumtemperatur der Luft ausgesetzt, um einen Oxydfilm von etwa 20Ä Dikke auszubilden. Auf diesen Oberflächenteil der Scheibe wurde hernach eine rechteckige Titanschicht mit
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hitzung einer auf einen wendelförmigen Wolframheizdraht aufgebrachten Titanmenge auf etwa 25000C während ungefähr 5 min.
Sodann wurde an der Oberseite der Titanschicht ohne Unterbrechung des Vaku- ums eine 10000 dicke Silberschicht niedergeschlagen, indem die Temperatur einer auf eine zweite
Wolframwendel aufgebrachten Silbermenge während 5 min auf ungefähr 25000C erhöht wurde. Sodann wurde das geschichtete Zwischenprodukt aus der Verdampfungskammer entnommen und für 2 min auf un- gefähr 6000C erhitzt. Als zweiter Kontakt wurde bei dem beschriebenen scheibenförmigen Halbleiter- element an der Hauptmasse mit der Leitfähigkeitstype p ein üblicher eutektischer Legierungskontakt auf der Basis Silber-Aluminium angebracht.
Der am Halbleiterelement gemessene Wechselstromwiderstand lag bei dem verwendeten Material mit einem spezifischen Widerstand von 20 Ohm. cm und bei einem Ruhegleichstrom von 100 Milliampere unter 1 Ohm, was zeigt, dass der hergestellte Kontakt einen vernachlässigbaren Widerstand hatte.
Vorstehend ist die Anwendung der Erfindung auf Halbleitermaterial aus Silicium genauer beschrieben worden, doch versteht sich, dass die Erfindung auch bei andern oxydbildenden Halbleitermaterialien, wie Germanium und Galliumarsenit, in ähnlicher Weise angewendet werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes an einer oxydüberzogenen Halbleiterscheibe unter Verwendung einer geschlossenen Schicht aus aktivem Metall, wie z. B. Titan, das als Reduktionsmittel in Berührung mit der Halbleiterscheibe steht, und einer dieses Reduktionsmittel überdeckenden Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, dass über der geschlossenen Schicht (24) aus aktivem Metall, das ausser Titan auch Zirkon, Niobium, Tantal, Thorium oder Vanadium sein kann, eine Schicht (27) aus Kontaktmetall, ausgewählt aus der Gruppe Gold, Silber, Palladium, Rhodium, Kupfer, Nickel und Platin, niedergeschlagen wird und dass das Ganze sodann auf eine noch unter den Schmelzpunkten sowohl des aktiven Metalls als auch des Kontaktmetalls liegende Temperatur erhitzt wird, u.
zw. solange, bis wenigstens ein Teil des im Halbleiterüberzug enthaltenen Sauerstoffs in eine sich ausbildende Schicht eines Oxyds des aktiven Metalles übergeführt ist.