DE1200439B - Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes an einem oxydueberzogenen Halbleiterplaettchen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes an einem oxydueberzogenen Halbleiterplaettchen

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer: 1200 439
Aktenzeichen: W 30470 VIII c/21 g
Anmeldetag: 4. August 1961
Auslegetag: 9. September 1965
Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen ist es wichtig, an einem Halbleiterplättchen einen elektrischen Kontakt herzustellen, welcher dauerhaft, mechanisch fest und einen kleinen elektrischen Widerstand hat. Die Dauerhaftigkeit und Stärke des Kontaktes sind für eine lange Lebensdauer wichtig. Der kleine Widerstand ist zur Vermeidung von Widerstandsverlusten wichtig, welche die Leitfähigkeit und den Wirkungsgrad des Bauelementes beschränken.
Die Herstellung eines solchen Kontaktes stellt seit langem ein Problem in der Halbleitertechnik dar. Beispielsweise ist bei der Herstellung von diffundierten Halbleiterplättchen die Oberfläche des Plättchens zur Erzielung einer gleichmäßigen Diffusion fein poliert. Die Herstellung eines befriedigenden Kontaktes an der Plättchenoberfläche ist dann sehr schwierig. Erstens läßt sich eine polierte Oberfläche nur schwer benetzen und zweitens ist die mechanische Adhäsion des Kontaktmaterials an einer solchen Fläche verhältnismäßig klein.
Gewöhnlich werden Legierungsverfahren unter Verwendung von Netzmitteln zur Herstellung von Kontakten an solchen polierten Flächen benutzt. So ist bereits ein Legierungsverfahren zur Herstellung von Kontakten an Halbleiterplättchen bekannt, bei dem ein Kontaktmetall, beispielsweise Zinn, auf die Oberfläche des Plättchens aufgeschmolzen und ein aktives Metall, beispielsweise Titan, als Flußmittel zur Reduzierung der Oxydschicht auf dem Halbleiterplättchen verwendet wird. Es ist auch schon bekannt, daß eine große Zahl von Metallen zur Herstellung von Kontakten an einem Halbleiterplättchen nach dem Legierungsverfahren benutzt werden kann.
Das Legieren erfolgt jedoch nicht gleichmäßig auf der Halbleiteroberfläche und führt stellenweise zu einem verhältnismäßig tiefen unerwünschten Eindringen in die Oberfläche. Außerdem neigen die Legierungsverfahren dazu, kleine Kontakte mit hohem Widerstand zu bilden, ein Ergebnis, das nur mit merklichen Kosten vermieden werden kann. Demzufolge werden verhältnismäßig komplizierte und kostspielige Verfahren erforderlich, um Anschlüsse der gewünschten Eigenschaften herzustellen.
Das Verfahren nach der Erfindung soll demgemäß die Herstellung großflächiger, mechanisch fester, nicht eindringender Kontakte mit geringem Widerstand mit der Oberfläche der Halbleiterplättchen erleichtern.
Dazu wird ausgegangen von einem Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes auf einem oxydüberzogenen Halbleiterplättchen unter Verfahren zum Herstellen eines elektrischen
Kontaktes an einem oxydüberzogenen
Halbleiterplättchen
Anmelder:
Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Als Erfinder benannt:
Martin Paul Lepselter, Franklin Park, N. J.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Dezember 1960
(74 872)
Verwendung einer Schicht aus aktivem, auf die Oxydschicht reduzierend wirkenden Metall und einer darüberliegenden Deckschicht. Die Besonderheit der Erfindung besteht in den folgenden Verfahrensschritten:
a) Abscheiden der aktiven Metallschicht, die aus Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Thorium oder Va;-nadium besteht, auf der Oxydschicht in einer solchen Dicke, daß außer der Reduktion der Oxydschicht mit dieser Metallschicht ein elektrischer Kontakt zum Halbleiterplättchen hergestellt werden kann.
b) Abscheiden der metallischen, aus Gold, Silber, Palladium, Rhodium, Kupfer oder Nickel oder Platin bestehenden Deckschicht auf der aktiven Metallschicht.
c) Erhitzen auf eine Temperatur, die unterhalb der Schmelzpunkte des aktiven Metalls und des Metalls der Deckschicht liegt, so lange, bis ein wesentlicher Teil der oder die gesamte Oxydschicht reduziert und ein Teil der aktiven Metallschicht in ein Oxyd umgewandelt ist, so daß ein inniger, nicht in den Halbleiterkörper eindringender elektrischer Kontakt zwischen der aktiven Metallschicht und dem Halbleiterplättchen hergestellt wird.
509 660/356
Es können auf diese Weise innige, festhaftende Kontakte mit kleinem Übergangswiderstand geschaffen werden, die nicht in die Oberfläche des HaIbleiterplättchens eindringen und daher nicht 2x1 Kurzschlüssen führen können. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren einfach und billig durchzuführen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Siliziumplättchen mit einer dünnen diffundierten Oberflächenschicht, beispielsweise eine Siliziumzelle in einer Sonnenbatterie, mit einem elektrischen Kontakt versehen, indem man eine verhältnismäßig dünne Schicht von elementarem Titan auf den Überzug aus Siliziumdioxyd aufdampft, der sich durch natürliches Wachstum auf den äußeren Flächen eines solchen Plättchens bildet, wenn eine Siliziumfläche bei Raumtemperatur der Luft ausgesetzt wird. Somit wird die Oxydschicht, die sonst nach den bisherigen Verfahren entfernt wird, in den Prozeß einbezogen. Diesem Schritt folgt das Aufdampfen einer verhältnismäßig starken Silberschicht auf die Titanschicht. Anschließend wird die Temperatur des Plättchens erhöht, um die Oxydation der Schicht aus elementarem Titan in Titanoxyd zu fördern.
Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleiter-Bauelement, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Der Klarheit der Beschreibung wegen sind die Abmessungen des Bauelementes nicht maßstabgerecht dargestellt. Bekanntermaßen bedeckt sich ein Siliziumplättchen mit einer dünnen Schicht von Siliziumdioxyd, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Diese Schicht ist gewöhnlich etwa 20 A dick und überschreitet nur selten 5OA. Die Oberfläche eines Siliziumplättchens, das mit einer solchen Siliziumdioxydschicht bedeckt ist, ist passend für das Verfahren nach der Erfindung.
Die Verfahrensschritte sind nun die folgenden:
a) Abscheiden des aktiven Metalls auf dem Ausgangsmaterial,
b) Abscheiden des Kontaktmetalls auf dem aktiven Metall, - , ■
. c) mäßige Erwärmung.
Es wird also eine Schicht aus aktivem Metall auf der oxydbedeckten Oberfläche des Siliziumplättchens niedergeschlagen. Als aktives Metall kann Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Thorium und Vanadium verwendet werden. Alle genannten Metalle werden mit Ausnahme des Tantals vorteilhafterweise durch Aufdampfen niederschlagen. Tantal wird jedoch aufgestäubt, da die zur Verdampfung in einer Aufdampfkammer notwendigen Temperaturen eine rasche Zerstörung der Wolfram-Drahtspirale verursachen.
Die Menge des nach irgend einem Verfahren niedergeschlagenen aktiven Metalls ist in bekannter Weise regelbar. Die Dicke des Films aus aktivem Metall ist jedoch vorteilhafterweise größer als die der darunterliegenden Schicht aus Siliziumdioxyd. Genauer gesagt wird soviel aktives Metall niedergeschlagen, daß praktisch aller Sauerstoff der darunterliegenden Siliziumdioxydschicht bei der nachfolgenden Oxydation des aktiven Metalls aufgenommen werden kann. Zweckmäßig ist der aktive Metallfilm mehr als 5mal so dick wie die Siliziumdioxydschicht Dieses Verfahren sichert erstens, daß die Menge des erzeugten Oxyds aus aktivem Metall nicht ausreicht, um die elektrischen Eigenschaften des Anschlusses nachteilig zu beeinflussen und zweitens, daß entweder vorzugsweise eine innige Verbindung zwischen dem aktiven Metall und der Siliziumunterlage hergestellt wird oder daß die Trennung zwischen dem aktiven Metall und dem Silizium so gering ist, daß bei sehr kleinen angelegten Spannungen eine quantenmechanische Durchtunnelung quer durch die zwischengeschaltete Siliziumdioxydschicht auftritt, so daß ihr Widerstand vernachlässigbar klein ist.
Um das aktive Metall daran zu hindern, sich mit dem Luftsauerstoff während der nachfolgenden Erhitzung zu verbinden, wird eine verhältnismäßig starke Schicht eines Kontaktmetalls, wie Silber oder Platin, durch Aufdampfen oder Zerstäubung unmittelbar nach der Abscheidung des aktiven Metalls niedergeschlagen. Es entstehen dann in enger Nachbarschaft getrennte Schichten aus Siliziumdioxyd, aktivem Metall und Kontaktmetall nacheinander auf der Oberfläche des Siliziumplättchens. Anschließend wird das Plättchen erhitzt.
Bei dem Erhitzen in Luft auf eine Temperatur, die genügend unter dem Schmelzpunkt jedes der Stoffe oder unter den Eutektiken im System liegt, aber zweckmäßig oberhalb 2000C, wandelt sich die aktive Metallschicht Atomschicht für Atomschicht in ein Oxyd des aktiven Metalls innerhalb einer Zeit um, die von der Temperatur und der Dicke des Oxyds abhängt. Gewöhnlich sind 3 bis 10 Minuten für die Dicke einer natürlich gewachsenen Oxydschicht erforderlich.
Die entstandene Anordnung 20 ist in der Abbildung im Querschnitt dargestellt. Das Siliziumplättchen 21 ist gewöhnlich von einer Siliziumdioxydschicht 22 eingehüllt, die der Einfachheit halber auf die Oberflächenschicht 23 des Plättchens beschränkt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Oxydschicht nicht gänzlich zur Umwandlung eines Teils der Titanschicht 24 in die Titanoxydschicht 25 ausgenutzt, welche wahrscheinlich die Formel TiO2 besitzt. Vermutlich bilden die ursprünglichen Schichten von Siliziumdioxyd und Titan in der Wärme dünnere Schichten von Siliziumoxyd und Titanoxyd bzw. Titan. Jedoch geht das Titanoxyd in eine feste Lösung im Titan über und bildet einen direkten Kontakt Metallhalbleiter. In der Abbildung sind die Titanschicht 24 und die Titanoxydschicht 25 durch die Linie 26 getrennt, welche gestrichelt ist, um die anschließende Bildung einer festen Lösung anzudeuten. Der gesamte Kontaktaufbau wird von einer Silberschicht 27 abgedeckt, um eine Reaktion zwischen Luft und Titan, wie oben angegeben, zu verhindern.
Die Siliziumunterlage enthält einen dünnen Oberflächenbereich 29, der zusammen mit dem Hauptteil des Plättchens einen großen p-n-Übergang 31 bildet. Dieser Übergang wird durch eine Diffusionstechnik hergestellt, welche normalerweise eine Glasschicht auf der Siliziumunterlage ergibt. Diese Glasschicht wird vorteilhafterweise vor der Bildung der Oxydschicht entfernt.
Das Heizen bei dem Verfahren nach der Erfindung braucht nicht notwendigerweise in Luft durchgeführt zu werden. Dieses kann auch in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre oder im Vakuum durchgeführt werden. In diesen Fällen können verschiedene andere Kontaktmetalle als oben beschrieben, wie etwa Gold, Palladium, Rhodium, Kupfer und Nickel, benutzt werden, um die aktive Metallschicht zu be-
decken. Bei jeden Alternativ-Verfahren ist jedoch der verfügbare Sauerstoff auf die Menge beschränkt, die von der Siliziumdioxydschicht geliefert wird, und die Eigenschaften des Kontaktes sind demgemäß sowohl regelbar als auch reproduzierbar.
Aus dem Verfahren gemäß der Erfindung können sich gewisse Vorteile ergeben, wenn eine Siliziumdioxydschicht vorgesehen wird, deren Dicke größer ist als die, die natürlich auftritt. Normalerweise hat die Siliziumdioxydschicht eine Dicke von 50 bis 100 A. Eine bedeutend dickere Schicht wächst auf thermischem Wege zu einer Dicke von mehreren tausend A und vorzugsweise 5000 bis 10 000 A, wie sie erforderlich ist, um die Diffusion von Aktivatoren in das darunterliegende Halbleitermaterial durch die Oberfläche aus einer Dampfatmosphäre zu verhindern. Diese dickere oder passivierende Oxydschicht gestattet es, die elektrischen Eigenschaften der Halbleiteroberfläche zu kontrollieren. Beispielsweise kann Zirkon auf einer dicken Oxydschicht nach einem vorgeschriebenen Muster niedergeschlagen, mit einer Rhodiumschicht bedeckt und alsdann erhitzt werden, damit das Zirkon selektiv mit der Siliziumdioxydschicht reagiert. Das anschließende Behandeln mit dem Dampf eines Aktivators würde eine Diffusion in die Siliziumunterlage nur dort gestatten, wo das Zirkon mit dem Siliziumdioxyd reagiert hat, wobei nämlich der übrigbleibende Siliziumdioxydüberzug als Diffusionsmaske wirkt. Bei diesem Beispiel ist die Dicke des Zirkons gewöhnlich dicker als die gewachsene Oxydhaut.
Die Methode wurde an einem Siliziumplättchen durchgeführt, dessen Abmessungen 6,35 · 6,35 · 0,254 mm waren. Das Plättchen bestand aus einem p-leitenden Hauptteil und einem Widerstand von 20 Ohm/cm (bei gleichmäßiger Bor-Konzentration) und einem η-leitenden Oberflächenteil (mit einer von der Oberfläche her absinkenden Konzentration von 1020 Atomen/ccm), womit eine flache, diffundierte, breite Fläche mit einem p-n-Ubergang von 0,00076 mm von der Fläche 31 her begrenzt wurde. Diese Oberfläche des Plättchens wurde nach wohlbekannter Ätztechnik gesäubert, um die während des Diffusionsvorgangs gebildete restliche Glasschicht zu entfernen. Die so gesäuberte Oberfläche des Plattchens wurde dann der Luft bei Raumtemperatur ausgesetzt, damit sich eine Schicht von etwa 20 A Dicke bildete. Auf die Oberfläche des Plättchens wurde dann eine Titan-Schicht von 1000 A Dicke in der Größe 6,35-0,27 mm aufgedampft. Das Aufdampfen erfolgte in einer üblichen Aufdampfkammer bei einem Druck von 1-1O-5 mm Hg durch Erhitzen eines Titanvorrats auf einem spiralig gewundenen Wolframdraht auf eine Temperatur von etwa 25000C für 5 Minuten. Alsdann wurde eine Silberschicht von 10 000 A Dicke auf der Titanschicht niedergeschlagen, ohne das Vakuum im System zu unterbrechen, indem ein auf einer zweiten Wolframspirale angebrachter Silbervorrat auf eine Temperatur von 2500° C für 5 Minuten erhitzt wurde. Anschließend wurde das beschichtete Teil aus der Aufdampfkammer entfernt und 2 Minuten auf annähernd 600° C erhitzt. Der andere Kontakt bestand bei dieser speziellen Ausführungsform aus einer eutektischen Standard-Silber-Aluminium-Legierung, die mit dem Hauptteil des Plättchens von p-Typ-Leitf ähigkeit verbunden war.
Der Wechselstromwiderstand betrug weniger als 1 Ohm bei 110 mA Gleichstromgefälle für Material mit einem Widerstand von 20 Ohm/cm, was anzeigt, daß der Kontakt einen vernachlässigbaren Widerstand hat.
Das Verfahren nach der Erfindung, das für Silizium als Halbleitermaterial beschrieben worden ist, kann in gleicher Weise auch auf andere oxydbildende Halbleiter-Stoffe wie Germanium und Gallium angewendet werden.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes auf einem oxydüberzogenen HaIbleiterplättchen unter Verwendung einer Schicht aus aktivem, auf die Oxydschicht reduzierend wirkenden Metall und einer darüberliegenden Deckschicht eines Kontaktmetalls, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) Abscheiden der aktiven Metallschicht, die aus Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Thorium oder Vanadium besteht, auf der Oxydschicht in einer solchen Dicke, daß außer der Reduktion der Oxydschicht mit dieser Metallschicht ein elektrischer Kontakt zum HaIbleiterplättchen hergestellt werden kann,
b) Abscheiden der metallischen, aus Gold, Silber, Palladium, Rhodium, Kupfer oder Nickel oder Platin bestehenden Deckschicht auf der aktiven Metallschicht,
c) Erhitzen auf eine Temperatur, die unterhalb der Schmelzpunkte des aktiven Metalls und des Metalls der Deckschicht liegt, so lange, bis ein wesentlicher Teil der oder die gesamte Oxydschicht reduziert und ein Teil der aktiven Metallschicht in Oxyd umgewandelt ist, so daß ein inniger, nicht in den Halbleiterkörper eindringender elektrischer Kontakt zwischen der aktiven Metallschicht und dem Halbleiterplättchen hergestellt wird.
2.Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) Aufdampfen einer zusammenhängenden Titanschicht von etwa 1000 A Dicke auf wenigstens einen Teil der Oxydschicht auf einem Siliziumplättchen,
b) unmittelbares Aufdampfen einer Silberschicht von 10 000 A Dicke auf die Titanschicht,
c) erhitzen auf eine Temperatur zwischen 200 bis 600° C für etwa 3 Minuten zur Umwandlung eines Teils der Oxydschicht in Titanoxyd.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abscheiden der aktiven Metallschicht die Oxydschicht auf dem Halbleiterplättchen in einer Dicke zwischen 5000 und 10000 A gebildet wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1018 557,
1044286, 1093 911;
USA.-Patentschriften Nr. 2695 852, 2922092.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 660/356 8.65 © Bundesdruckerei Berlin
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