DE1236083B

DE1236083B - Legierungsverfahren zum Herstellen von Anschluessen an Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE1236083B
Application number: DEW34577A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schmidt
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1962-06-29
Filing date: 1963-05-25
Publication date: 1967-03-09
Also published as: NL294675A; US3231421A; GB1030927A; BE634311A

Description

DEUTSCHES JmTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-11/02

Nummer: 1 236 083

Aktenzeichen: W 34577 VIII c/21 g

J 236 083 Anmeldetag: 25.Mai 1963

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Legierungsverfahren zum Herstellen einer leitenden Verbindung mit einem ausgewählten Teil einer Oberfläche eines Halblekerkörpers, der auf seiner übrigen Oberfläche mit einer isolierenden Oxydschicht versehen ist.

Diese Oxydschicht, häufig eine Siliziumdioxydschicht, dient insbesondere bei den sogenannten planaren Halbleiterbauelementen dazu, die geometrische Form der pn-Übergänge und der Elektrodenanschlüsse auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers zu definieren.

Nach einem bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger Halbleiterbauelemente wird im Prinzip die Oxydschicht auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers erzeugt, mit einer Öffnung der gewünschten Abmessung versehen, das innerhalb der Öffnung frei liegende Halbleitermaterial zumeist im Diffusionsverfahren umdotiert und schließlich ein Kontaktmetall auf die Oxydschicht mit dem Ziel aufgedampft, es nachfolgend in das frei liegende Gebiet einzulegieren und einen niederohmigen Anschluß herzustellen.

Ein bevorzugtes Kontaktmetall für die Ausbildung eines niederohmigen Kontakts ist bekanntlich Aluminium, insbesondere wenn der Halbleiterkörper aus Silizium besteht; denn Aluminium bildet auf p-Gebieten im wesentlichen einen ohmschen Kontakt und ist außerdem — auch bei größeren Mengen — im Halbleitermaterial zu schwach löslich, um die Oberfläche eines entartet dotierten η-Gebiets im Leitungstyp umzukehren.

Das hierbei jedoch auftretende Problem ist, daß das Aluminium beim nachfolgenden Legierungsvorgang auch durch die Oxydschicht hindurch diffundiert und in das darunterliegende Halbleitermaterial einlegiert wird, so daß das Kontaktgebiet nicht auf den Bereich der Öffnung in der Oxydschicht begrenzt bleibt. Die Oxydschicht wirkt also gegenüber Aluminium nicht als Maske. Hierdurch wird es schwierig, Lage und Größe des Kontakts genau und reproduzierbar festzulegen, wodurch die Zuverlässigkeit und die Reproduzierbarkeit des Halbleiterbauelements beeinträchtigt wird.

Aus diesem Grunde war es bisher notwendig, vor dem Einlegieren des Aluminiums in den bloßliegenden Teil der Halbleiteroberfläche dafür Sorge zu tragen, daß sich auf der Oxydschicht kein Aluminium mehr befindet. Sowohl die Steuerung des Aufdampfvorgangs derart, daß Aluminium nur innerhalb der öffnung niedergeschlagen wird, als auch die nachträgliche Wiederentfernung des auf der Oxydschicht gut haftenden Aluminiums, wenn im ganzen aufge-Legierungsverfahren zum Herstellen von
Anschlüssen an Halbleiterbauelementen

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
Rudolf Schmidt,

Warren Township, Ν. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 29. Juni 1962 (206 242)

dampft wird, stellen Maßnahmen dar, die ersichtlich zeitraubend, umständlich und teuer sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, dem Abhilfe zu schaffen. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zunächst eine Palladiumschicht auf die Oxydschicht und die frei liegende Oberfläche des Halbleiterkörpers und anschließend eine Aluminiumschicht auf die Palladiumschicht aufgebracht wird und daß dann das Ganze auf zumindest die eutektische Temperatur von Aluminium und Halbleitermaterial während einer Zeitspanne erhitzt wird, die für die Legierungsbildung zwischen Metall und Halbleiter ausreicht, und schließlich das auf der Oxydschicht nicht haftende Metall von dieser entfernt wird.

Es wird also im Prinzip eine alummiumhaltige Metallbelegung verwendet, die zwar am Halbleitermaterial haftenbleibt, nicht aber, wie gefunden wurde, auf der Oxydschicht und die die weitere Forderung erfüllt, daß aus ihr das Aluminium bei den in Rede stehenden Legierungstemperaturen nicht in die Oxydschicht und damit auch nicht in das darunterliegende Halbleitermaterial eindiffundiert. Letzteres deshalb, weil sich zwischen dem Aluminium und dem Palladium eine stabile Metallverbindung ausbildet. Nach Durchführung des Legierens kann das überschüssige Metall, also das auf der Oxydschicht liegende Metall, auf einfachste Weise entfernt werden, beispielsweise durch leichtes Abbürsten u.dgl. Die Kontaktierung ist also auf das innerhalb der Öff-

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nung in der Oxydschicht frei liegende Gebiet des Halbleitermaterials beschränkt. Außerdem ist ein. weiterer wesentlicher Vorteil der, daß bei der Herstellung mehrerer Kontakte auf der gleichen Halbleiteroberfläche, wie dies bei planaren Halbleiterbauelementen regelmäßig der Fall ist, die Kontaktierung aller Anschlüsse gleichzeitig durchgeführt werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Laufschema für ein beispielsweises Verfahren gemäß der Erfindung und

Fig. 2 und 3 je schematische Schnittansichten eines Halbleiterbauelements bei verschiedenen Fertigungsstufen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Selbstverständlich sind die Figuren nicht unbedingt maßstabsgerecht, da gewisse Abmessungen zur Erläuterung vergrößert dargestellt sind.

Der Block I der Fig. 1 deutet das Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf eine Halbleiterscheibe an, wobei die Schicht schließlich bewirkt, eine Vielzahl von Kontakten gegeneinander zu isolieren. Für eine Siliziumscheibe stellt Siliziumdioxyd eine zweckmäßige isolierende Schicht dar. Der Block II deutet die Ausbildung einer Figur an, die wenigstens eine öffnung in der isolierenden Schicht enthält. Dies geschieht typischerweise durch photographische Verfahren. Wie im Block IIA angedeutet ist, werden durch diese Öffnungen Verunreinigungen eindiffundiert, um ein dotiertes Gebiet zu bilden, an dem ein elektrischer Anschluß hergestellt wird.

Eine Schicht, vorzugsweise aus Palladium, wird auf die Oberfläche aufgebracht, die sowohl die isolierende Schicht als auch den freigelegten Halbleiterkörper enthält, wie im Block III angedeutet ist. Dann wird eine Schicht aus Aluminium auf das Palladium aufgebracht, wie im Block IV angedeutet ist. Diese geschichtete Anordnung wird danach erhitzt, um eine stabile Legierung oder Verbindung zu bilden. Das Erhitzen ist im Block V angedeutet. Das auf dem Oxyd aufliegende restliche Metall wird leicht durch Abbürsten entfernt, wie es im Block VI angedeutet ist.

In der F i g. 2 ist ein Teil 10 einer Silizium-Halbleiterscheibe mit einem nach dem Verfahren der F i g. 1 aufgebrachten Kontakt dargestellt. Wenn auch der Kontakt so dargestellt ist, als habe er einzelne Schichten, so tritt doch nach der Erwärmung eine gewisse Vermischung der Materialien der Schichten ein, so daß der Kontakt der F i g. 3 die endgültige Anordnung besser wiedergibt. Der Hauptteil 10 hat η-Leitfähigkeit, doch ist ein Oberflächengebiet 11 mit p-Leitf ähigkeit vorhanden, in dem ein kleineres Oberflächengebiet 12 η-Leitfähigkeit besitzt. Die Oberfläche 13 ist anfangs vollständig mit einer Schicht aus Siliziumdioxyd 14 bedeckt, doch wird diese Schicht teilweise entfernt, um die Öffnung 15 auf einem Teil des Gebiets 11 und die Öffnung 16 auf einem Teil des Gebiets 12 zu bilden. Dann wird die Palladiumschicht 17 typischerweise durch Aufdampfen auf das Oxyd mit einer Dicke von etwa 2000 AE aufgebracht, wobei sie die Gebietell und 12 berührt, wo diese frei liegen. Die Aluminiumschicht 18 wird vorteilhaft auf die Palladiumschicht 17 mit einer Dicke von etwa 4000 ÄE aufgedampft.

Die obige Anordnung wird auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Aluminium und Silizium von 577° C erhitzt, wobei bei dieser Temperatur eine gewisse Menge des Palladiums

und des Siliziums ineinander diffundieren und die Gebiete 20 aus Siliziden an den öffnungen im Oxyd bilden. Gleichzeitig vermischen sich das Aluminium und das Palladium und bilden die auf den Gebieten 20 liegenden Gebiete 21, wo ein guter elektrischer Kontakt mit dem darunterliegenden Silizium mit Hilfe der Gebiete 20 hergestellt wird. Dann können durch herkömmliche Mittel leitende Drähte an diesen Gebieten befestigt werden. Die auf dem Oxyd ίο befindlichen Metallschichten vermischen sich ebenfalls während der Wärmebehandlung. Jedoch ist dieser Teil der Metallverbindung in der Zeichnung nicht dargestellt, da sie durch Abschälen oder auf andere Weise leicht entfernt werden können.
Bei einer speziellen Ausführung bestand die Scheibe 10 aus einer η-leitenden Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 2,5 cm und einer Dicke von 0,03 cm. Die Scheibe enthielt eine gleichmäßige Konzentration von IO¹⁷ Atomen Phosphor je ecm und ao hatte einen spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohm · cm. Es wurde eine Siliziumdioxydabdekkung mit einer Dicke von 5000 AE durch bekannte Dampfoxydationsverfahren aufgebracht und geätzt, um ein Oberflächengebiet durch bekannte photographische Verfahren freizulegen. Das Gebiet 11 wurde mit einer Tiefe von 15000 AE durch Aufbringen und Eindiffundieren von Bor bei einer erhöhten Temperatur aus einem Dampf aus Boroxyd (B₂O₃) mit Hilfe bekannter Verfahren hergestellt. Eine weitere Oxydschicht wurde wieder aufgebracht und wieder geätzt, um ein kleineres Oberflächengebiet freizulegen. Anschließend wurde durch Diffusion in einem Dampf aus Phosphorpentoxyd (PoO₅) bei einer erhöhten Temperatur das Gebiet 12 mit einer Tiefe von 5000 AE gebildet. In die Siliziumdioxydschicht wurde eine Öffnung geätzt, um einen Teil der Oberfläche des Gebietsll freizulegen. Auf die Siliziumdioxydschicht wurde eine Palladiumschicht von 4000 ÄE aufgedampft, die einen Kontakt an den freigelegten Stellen mit den Gebieten 11 und 12 herstellt. Auf das Palladium wurde eine Aluminiuinschicht von 2000 ÄE aufgebracht und die sich ergebende Anordnung etwa 5 Minuten lang auf etwa 750° C erhitzt. Durch herkömmliche Vergoldungsverfahren wurde ein elektrischer Kontakt mit der Oberfläche 22, der in der Figur nicht dargestellt ist, hergestellt.

Vorteilhaft werden die einzelnen Scheiben durch Teilung einer größeren Siliziumscheibe hergestellt, auf der zweckmäßig eine größere Anzahl von Systemen erzeugt werden.

Die relative Dicke der Palladium- und Aluminiumschichten ist nicht von großer Bedeutung, solange eine ausreichende Aluminiummenge vorhanden ist, die durch das Palladium in das Silizium diffundiert, bevor das Aluminium gänzlich in der Metallverbindung gebunden ist. Dadurch ist gewährleistet, daß das Gebiet des Kontakts mit dem darunterliegenden Silizium Aluminium enthält. Jedoch macht es diese Forderung nicht notwendig, daß die gesamte Palladiumschicht in der Metallverbindung gebunden ist. Dies kann der Fall sein, braucht es aber nicht. Wenn die gesamte Palladiumschicht an das Aluminium gebunden ist, haftet die Verbindung am Silizium, nicht aber an dem Siliziumdioxyd. Wenn etwas Palladium oder Palladiumsilizid übrigbleibt oder gebildet wird, bevor das ganze Palladium mit dem Aluminium verbunden ist, haftet das Palladium

Claims

an Stelle der Metallverbindung an dem Silizium und nicht an dem Siliziumdioxyd. Patentansprüche:

1. Legierungsverfahren zum Herstellen einer leitenden Verbindung mit einem ausgewählten Teil einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers, der auf seiner übrigen Oberfläche mit einer isolierenden Oxydschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Palladiumschicht auf die Oxydschicht und die frei liegende Oberfläche des Halbleiterkörpersund anschließend eine Aluminiumschicht auf die Palladiumschicht aufgebracht wird und daß dann das Ganze auf zumindest die eutektische Temperatur von Aluminium und Halbleitermaterial während einer Zeitspanne erhitzt wird, die für die Legierungsbildung zwischen Metall und Halbleiter ausreicht, und schließlich das auf der Oxydschicht nicht haftende Metall von dieser entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl unabhängiger Verbindungen mit dem darunterliegenden Halbleiter in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt wird, indem von einer entsprechenden Mehrzahl Öffnungen in der Oxydschicht ausgegangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Silizium als Halbleiterkörper und Siliumoxyd als die isolierende Oxydschicht verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen etwa fünf Minuten lang durchgeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1 254 861;
Proc IRE, November 1952, S. 1341/1342;
L. P. Hu nt er, »Handbook of Semiconductor Electronics«, 1. Auflage, 1956, Kap. 8, S. 13/14;

Gmelins Handbuch der Anorg. Chemie, Germanium, Ergänzungsband, 1958, S. 370/371.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen