DE1589959B2

DE1589959B2 - Verfahren zum herstellen von schottky-dioden

Info

Publication number: DE1589959B2
Application number: DE1967J0034160
Authority: DE
Inventors: Francois Max Ossining; Esaki Leo Chappaqua; Seki Hajime Road Yorktown Heights; N.Y. dHeurle (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-07-15
Filing date: 1967-07-15
Publication date: 1972-09-07
Also published as: FR1527509A; US3451912A; NL6709110A; GB1151643A; DE1589959A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Schottky-Dioden, bei dem W, Cr oder Mo als Metallschicht auf ein N-leitendes Halbleitersubstrat, bestehend aus Ge, Si oder GaAs, in innigem Kontakt hiermit aufgebracht wird.

Eine Schottky-Diode (Schottky-barrier diode) ist eine Halbleiter-Sperrschichtdiode. Diese besitzt einen Übergang zwischen einem Metall und einem Halbleiterkörper und weist infolge des Austrittsarbeitsunterschiedes zwischen dem metallischen und dem halbleitenden Bereich der Diode gleichrichtende Eigenschaften auf. Infolgedessen besteht am Metall-Halbleiter-Übergang eine Kontaktpotentialdifferenz und eine dieser entsprechenden Potentialschwelle, welche vom Betriebsstrom bzw. von dessen Ladungsträgern überwunden werden muß. Im Betrieb zeigen die Schottky-Dioden eine unsymmetrische Leitungscharakteristik, wie sie von PN-Halbleiterübergängen bekannt sind.

Da die Speicherung von Minoritätsladungsträgern bei Übergängen zwischen Metallen und Halbleitern sehr gering sind, weisen die Schottky-Dioden außerordentlich kurze Wiedererholungszeiten auf, d. h., sie besitzen eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit, als das bei PN-Übergängen zwischen Halbleitern der Fall ist, und sie sind daher geeignet für eine Reihe von industriellen Anwendungen, für die reine Halbleiter-Übergänge weniger vorteilhaft sind.

Augenblicklich werden Schottky-Dioden nicht in besonders hohem Maße industriell benutzt, denn die PN-Halbleiterdioden sind leicht erhältlich und die zur Zeit benutzten Fabrikationsverfahren gewährleisten für viele Zwecke ausreichend reproduzierbare Eigenschaften. Der Gebrauch der Schottky-Dioden ist insbesondere auf die Anwendung für sehr hohe· Energieumsätze beschränkt, da die heute benutzten ' Fabrikationsverfahren nicht in der Lage sind, genügend großflächige Metall-Halbleiterübergänge und reproduzierbare Kennlinien, Schwellenwertspannungen Vj, und Serienwiderstände JR₅ zu gewährleisten.

ίο Während z. B. die Schwellenwertspannung V₁ wesentlich mit der Differenz der Austrittsarbeiten der metallischen Schichten bzw. des daran angrenzenden Halbleiterkörpers zusammenhängt, ist eine Korrelation zwischen den genannten Daten und denKennlinien der Schottky-Dioden ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen weniger ausgeprägt. Diese mangelnde Korrelation scheint zumindest auf der Anwesenheit von verunreinigenden Schichten, z. B. solchen aus Fremdmetallen zu beruhen, die in der Gegend des Überganges adsorbiert sind, weiterhin von Reaktionsprodukten auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers, welche es sehr schwierig machen, die Potentialschwelle an dem Metall-Halbleiterübergang reproduzierbar zu gestalten. Die Anwesenheit derartiger verunreinigender Schichten, deren Dicke derjenigen eines Moleküls oder auch mehrerer Moleküle entsprechen kann, verhindert einen innigen Kontakt zwischen der Metallschicht und dem Halbleiterkörper, wodurch die Potentialschwelle am Übergang sich in unkontrollierbarer Weise ändert.

Es wurden bereits Schottkydioden bekannt, die im wesentlichen aus Übergängen aus je einem der Metalle Wolfram oder Molybdän und einem der Halbleiter Germanium oder Silicium aufgebaut sind. Insbesondere gehört es auch bereits zum Stand der Technik, zur Erzielung kleiner Bahnwiderstände als Unterlage für die Diodensysteme epitaktisch aufgewachsene Schichten zu verwenden. Die in der Technik verwendeten Verfahren waren zwar auch bereits darauf abgestellt, schädliche Verunreinigungsschichten zu vermeiden; die bisher bekannten Verfahren jedoch erwiesen sich als unhandlich und schwer durchführbar. Insbesondere waren sie nicht geeignet, genügend großflächige Übergänge zu realisieren.

Es wird hierzu auf folgende Literaturstellen verwiesen:

G. Seit er, »Bauelemente mit Metall-Halbleiter-Kontakt« in »Internationale Elektronische Rundschau«, 1966, Nr. 2, S. 93 und 94;

CR. Crοwe 11 et al., »Tungsten Semiconductor Schottky-Barrier Diodes« in »Transactions of the Metallurgical Society of AIME«, Bd. 233, März 1965, S. 478 bis 481.

!

Hieraus geht ferner hervor, daß die erzielten Strom- ί

dichten bei bekannten Schottky-Dioden relativ gering j sind. Wenn weiterhin berücksichtigt wird, daß noch j

keine großflächigen Übergänge realisiert sind, dann I

θο bedeutet dies, daß die zur Verfügung stehenden j

Schottky-Dioden nur für kleine Ströme ausgelegt ■ sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Schottky-Dioden mit relativ großflächigen Übergängen und mit reproduzierbaren Kennlinien anzugeben. Die Dioden sollen ferner beim Betrieb geringe Verluste und einen möglichst geringen Serienwider- ;

3 4

stand R_s aufweisen, hohe Ströme bei verhältnismäßig trotz Anwendung von Kathodenzerstäubungsverfahgeringen Spannungen führen können und auch bei ren, die extremen Reinhaltungsbedingungen bei der höheren Frequenzen noch gute gleichrichtende Eigen- Herstellung von Schottky-Dioden zu erfüllen. Die schäften besitzen. Energie der zerstäubten Metallionen ist viel größer Das Dioden mit den genannten Eigenschaften her- 5 als die, welche bei normalem Aufdampf- oder Hochzustellen gestattende Verfahren ist erfindungsgemäß vakuumaufdampfverfahren auftreten, die etwa in der dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht mit- Gegend von 1 eV liegen. Infolge dieser erhöhten tels eines Kathodenzerstäubungsverfahrens auf das Energie können die aufgestäubten Metallionen einen Halbleitersubstrat niedergeschlagen wird, wobei innigen Kontakt mit der Oberfläche des Halbleitergleichzeitig zwischen dem Plasma der zur Kathoden- io körpers eingehen, und gleichzeitig wird die Potenzerstäubung dienenden Gasentladung und dem Halb- tialschwelle am Metall-Halbleiterübergang wesentleitersubstrat eine negative Vorspannung angelegt lieh reduziert. Außerdem gelangen Ionen aus dem wird, deren Höhe zwar ausreicht, Gasionen der Ent- Plasma des Zerstäubungsgases in das Feld, welches ladungsatmosphäre so zu beschleunigen, daß Fremd- infolge der Vorspannung des Halbleiterkörpers voratome und sonstige Verunreinigungen an der Grenz- 15 handen ist und werden in diesem zur Oberfläche des ' schicht durch das Ionenbombardement herausge- Halbleiterkörpers hin beschleunigt, wobei sie geschleudert werden, jedoch nicht, die auf das Halb- nügend Energie, z. B. 100 bis 120 eV gewinnen, um leitersubstrat niedergeschlagenen Metallionen aus während des eigentlichen Niederschlages der metalihrer Anlagerung zu lösen. lischen Schicht ihrerseits die verunreinigenden Die reproduzierbaren Eigenschaften der so ge- 20 Schichten durch Stoß zu entfernen. Glücklicherweise fertigten Schottky-Diode werden demnach im we- besitzen die Ionen nicht die ausreichende Energie, sentlichen durch die Anwendung eines mit besonde- um die Metallschicht selbst während des Niederren Vorspannungsvorkehrungen arbeitenden Verfah- schlagens zu beeinträchtigen. Der genannte Mecharens zur Niederschlagung von metallischen Schichten nismus wirkt vielmehr dahingehend, daß die veräuf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers mittels 25 unreinigenden Schichten wirksam entfernt werden bei Kathodenzerstäubung erzielt. Ein Niederschlagspro- gleichzeitigem Niederschlagen der metallischen zeß, zu dessen Durchführung Kathodenzerstäubung Schicht in innigem Kontakt mit der Oberfläche des verwendet wird, ist zwar z. B. in einer Arbeit von Halbleiterkörpers. Dementsprechend wird die Po-L. I. Maissei et al. im »Journal of Applied Phy- tentialschwelle beim Metall-Halbleiterübergang im sics«, Bd. 36, Nr. 1, Januar 1965, beschrieben, je- 30 wesentlichen festgelegt durch die entsprechenden doch ist es den einschlägigen Literaturstellen (s. oben) Austrittsarbeiten der metallischen Schicht und des zu entnehmen, daß Kathodenzerstäubung bei Her- Halbleiterkörpers unter Sicherstellung von reprodustellung von Schottky-Dioden bisher nicht angewen- zierbaren Eigenschaften der so erzeugten Schottkydet worden ist, wenn auch in der deutschen Patent- Dioden.

schrift 966 906 ein Verfahren angegeben ist, mit 35 Die Benutzung von Kathodenzerstäubungsverfahdem eine polykristalline Halbleiterschicht mit Hilfe ren zum Niederschlagen von Metall bei der Herstelvon Kathodenzerstäubung auf ein Substrat aufge- lung von Schottky-Dioden ergibt zusätzlich noch bracht werden kann, um anschließend sperrschicht- weitere Vorteile. Beispielsweise wird die Adhäsion frei die metallischen Elektroden in nicht speziell an- der metallischen Schicht wesentlich verbessert, da gegebener Weise anbringen zu können. 40 diese in innigem Kontakt mit der Oberfläche des In spezieller Durchführung des Verfahrens wird Halbleiterkörpers aufgebracht wird, wobei großem Halbleiterkörper nach chemischem Polieren und flächige Metall-Halbleiter-Übergänge realisierbar Reinigen seiner Oberfläche mitsamt einem metalli- sind, die hohen Betriebsströmen, d. h. sehr viel höheschen Target in eine Kathodenzerstäubungskammer ren als bisher bekannt, gewachsen sind. Infolge der eingebracht, in der eine Kathodenzerstäubung einge- 45 Dynamik des Kathodenzerstäubungsprozesses beleitet wird, um die metallische Schicht auf den Halb- sitzen die auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers leiterkörper aufzustäuben. Trotz aller Vorsicht, die auftreffenden Partikeln ausreichende Energien, um beim chemischen Polieren und bei der Reinigung der eine adhäsionsintensive Schicht, z. B. ein Metall-Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgewendet wird, silizid an der Stelle des Metall-Halbleiter-Uberganges verbleibt auf dieser stets eine verunreinigende Schicht 5° zu bilden. Weiterhin können auch großflächige Mezurück. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß tall-Halbleiter-Übergänge hergestellt werden mit z. B. diese Oberflächen stets gewissen reaktiven Ga- gleichförmigen, guten mechanischen und elektrischen sen, die in der Atmosphäre vorhanden sind, ausge- Eigenschaften, wodurch die erzielbaren Betriebssetzt sind, was auch für die Atmosphäre innerhalb ströme der Schaltung beträchtlich vergrößert werden der Kathodenzerstäubungskammer gilt. Während des 55 können. Die so erhaltenen Metall-Halbleiter-Über-Aufstäubungsprozesses wird der Halbleiterkörper als gangsflächen sind um mehrere Größenordnungen Substrat mit einer negativen Spannung vorgespannt, größer als diejenigen, die mit den bisherigen Verfahwodurch dessen Oberfläche durch dem Zerstäubungs- ren erzielbar waren. Weiterhin kann zur Reduziegas entstammende Ionen hoher Energie bombardiert rung des Serienwiderstandes der wirksame Halbleiterwird. 60 körper der Diode als sehr dünne epitaktische Schicht Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kathodenzer- auf einem hochdotierten oder sogar entartet dotierten stäubungsverfahrens besteht darin, daß die zerstäub- Halbleiterplättchen des gleichen Leitfähigkeitstyps ten metallischen Ionen ausreichend Energie, d. h. ausgebildet werden, wodurch eine fast ideale Diodenetwa 10 bis 20 eV besitzen und daher in der Lage charakteristik erzielbar ist. Dementsprechend ergeben sind, die verunreinigenden Schichten zu durchdrin- 65 Schottky-Dioden, die entsprechend der Lehre der gen. Sie besitzen dahingegen nicht genügend Energie, vorliegenden Erfindung hergestellt sind, einen sehr um in die Oberfläche des Halbleiterkörpers selbst geringen Spannungsabfall in Flußrichtung bei sehr einzudringen. Damit ist es wider Erwarten gelungen, großen Arbeitsströmen.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen bedeutet

F i g. 1 eine im Querschnitt dargestellte epitaktische Schottky-Diode,

F i g. 2 ein Energiebanddiagramm eines Metall-Halbleiterüberganges entsprechend der Diode nach Fig. 1,

F i g. 3 eine im Querschnitt dargestellte Ansicht eines Kathodenzerstäubungsapparates zur Herstellung von Schottky-Dioden,

F i g. 4 und 5 Darstellungen von Strom-Spannungs-Diagrammen von Wolfram-Silicium-, Chrom-Silicium- und Molybdän-Silicium-Schottky-Dioden.

Die Fig. 1 zeigt eine Schottky-Diode im Querschnitt. Diese umfaßt einen Körper mit einem HaIbleiterplättchen 3 vom N⁺+-Leitfähigkeitstyp und mit einem Halbleitersubstrat 5 vom N-Leitfähigkeitstyp, das als epitaktische Schicht ausgebildet ist. Das Halbleitersubstrat 5 kann durch Züchtung aus der Dampfphase oder durch eine Disproportionisierungsreaktion erzeugt werden. Die Metallschicht 7 ist in innigem Kontakt auf die Oberfläche der Schicht 5 unter Benutzung · eines Kathodenaufstäubungsverfahrens aufgebracht, das im folgenden näher beschrieben wird. Da das Halbleitersubstrat 5 und die Metallschicht 7 unterschiedliche Austrittsarbeiten ψ_ε unaip_m aufweisen, zeigt der durch die beiden aneinander angrenzenden Bereiche gebildete Übergang 9 gleichrichtende Eigenschaft, wenn der Körper und die metallische Schicht? in geeigneter Weise mit einer Spannung beaufschlagt werden. Wie die Theorie lehrt, erscheint an dem Übergang 9 ein Kontaktpotential -ψ, welches abhängt von der Differenz der entsprechenden Austrittsarbeiten ip_s und ψ,_η des Halbleitersubstrats 5 sowie der Metallschicht 7, fernerhin von der Elektronenaffinität des Halbleitermaterials, aus der das Halbleitersubstrat 5 besteht und aus der Verteilung der Oberflachenenergiezustan.de in der Gegend des Überganges 9. Die Potentialschwelle ψ an dem Übergang 9 wird durch die Spannung der Spannungsquelle V moduliert, welche mit der Metallschicht 7 über den Kontakt 11 verbunden ist. Ferner wird ein am Lastwiderstand R entstehendes Ausgangssigna] an der Ausgangsklemme 13 abgenommen. Dieser Lastwiderstand ist an dem Halbleiterplättchen 3 über den ohmschen Kontakt 15 angeschlossen. Bisher wurden in der Technik Schottky-Dioden durch andere als durch Kathoden-Zerstäubungsverfahren hergestellt, beispielsweise durch Elektroplattierung, durch Strahlplattierung, durch pyrolytischen Niederschlag, durch Aufdampfen usw. einer metallischen Schicht auf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers. Näheres hierüber kann einem Aufsatz von E.H. Bornemann et al, in dem Journal of Applied Physics, Bd. 26, S. 1021, vom August 1965 entnommen werden (Elektroplattierung elektrischer Kontakt auf Germaniumoberflächen).

Ferner seien in diesem Zusammenhang hier erwähnt: E. C. Wurst, Tr. et al, Journal of Applied Physics, Bd. 28, Nr. 2, Februar 1957, S. 235 bis 240 (Gleichrichtende Eigenschaften von Metall-Silicium-Kontakten); CR. Crowell et al, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Bd. 23, März 1965, S. 478 bis 481 (Pyrolytischer Niederschlag von dünnen Wolframschichten auf Germanium-, Silicium- und Galliumarsenid-Oberflächen); D. K ah ng, Solid State Electronics, Vol. 6, 1936,

S. 281 bis 295 (Eigenschaften von aufgedampften Kontaktierungen aus Gold auf Siliciumoberflächen).

Obwohl zahlreiche Verfahren zur Herstellung von

Sperrschichtdioden des in F i g. 1 gezeigten Typs angewendet werden, besitzen jedoch Dioden dieser Art ι verhältnismäßig kleine Übergangsflächen und werden ausschließlich für den Umsatz geringer Energien bei hohen Frequenzen benutzt. Auf Grund der schlechten elektrischen und mechanischen Eigenschaften,

ίο weiche auf die Anwesenheit von verunreinigenden Schichten in der Gegend des Überganges zwischen Metall und Halbleiter zurückzuführen sind, wurden reproduzierbare Kennlinien für derartige Dioden, die : diese für den Umsatz hoher Energien geeignet i machen, bisher nicht erzielt. Die Anwesenheit der- j artiger verunreinigender Schichten verändert die Potentialschwelle ψ an dem Übergang zwischen Metall und Halbleiter derart, daß der Wert für die Spannungsschwelle Vj nicht reproduzierbar ist und im allgemeinen größere Beträge annimmt, als es den theoretischen Voraussagen entspricht; weiterhin setzen derartige verunreinigende Schichten den Serienwider- j stand R_s herauf. Bei bisher angewendeten Verfahren wurden große Anstrengungen darauf verwendet, diese verunreinigenden Schichten zum Zwecke der -: Sicherstellung reproduzierbarer Dioden-Kennlinien zu eliminieren. Die Anstrengungen waren aber nicht von zufriedenstellenden Ergebnissen begleitet, da die Halbleiteroberflächen notwendigerweise bei der Diodenherstellung für kurze Zeitspannen reaktionsfähigen Gasen ausgesetzt werden müssen, welche an der Oberfläche Reaktionsprodukte mit einer Dicke einer ein- oder mehrlagigen Molekülschicht hervorrufen. Zum Beispiel ergibt ein kurzes Einbringen einer Siliciumoberfiäche in Luft oder Sauerstoff oder Wasserdampf, wie sie in den verschiedenen Aufdampfsystemen stets anzutreffen sind, eine dünne Schicht aus Siliciummonoxid oder Siliciumdioxid auf der Oberfläche; weiterhin können organische Maierialien, wie sie z. B. in den Treibmitteln von Diffusionspumpen oder auch in Verdampfungssystemen enthalten sind, an die Siliciumoberfläche adsorbiert werden.

Die Arbeitsweise der Schottky-Diode von Fi g. 1 und die Effekte der verunreinigenden Schicht köniien arn besten unter Zuhilfenahme der F i g. 2 verstanden werden, welche ein Energiebanddiagramm einer N-leitenden Schicht 5, z. B. aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid usw. in Kontakt mit einem Metall im Gleichgewicht darstellt, wobei dieses Metall eine hohe Austrittsarbeit aufweist, was z. B. bei Molybdän, Wolfram, Chrom usw. der Fall ist. Es ist augenscheinlich für den Fachmann, daß sofern der Körper aus p-leitendem Halbleitermaterial hergestellt ist, bei dem der Stromtransport im wesentliehen durch die Bewegung von Defektelektronen getragen wird, eine geringe Austrittsarbeit für das Me- ; tall zu fordern ist, was z. B. bei Aluminium, Zink, j Indium usw. der Fall ist, um eine gute Gleichrich- J tungswirkung zu erhalten. Die Energieniveaus am oberen bzw. unteren Ende des Valenz- und des Leitfähigkeitsbandes der Metallschicht 7 sind mit E_v und E_c bezeichnet, wobei beide durch die mit AE bezeichnete verbotene Zone getrennt sind. Wird nun die Metallschicht 7 in Flußrichtung oder aber in Sperrichtung bezüglich des Körpers 1 vorgespannt, so werden die Energiebänder des Halbleitersubstrats5 aus N-Ieitendem Halbleitermaterial aufwärts oder abwärts umgebogen, wie es durch die gestrichelte Li-

nienführung angedeutet ist. Die Oberfläche des Halbleitersubstrats 5 ist normalerweise an Ladungsträgern verarmt, was durch eine Aufbiegung des Energiebandes nach oben in der Nähe des Überganges 9, angedeutet ist, wobei sich die Verarmungsschicht in eine Tiefe der Größenordnung von ΙΟ"⁶ bis 10~⁴ cm erstreckt. Tatsächlich bedeutet diese Verarmungsschicht einen hohen Widerstand zwischen dem Halbleitersubstrat 5 und der Metallschicht 7, welcher der Kathode und der Anode der Diodenstruktur entsprechen. Da die Austrittarbeiten ψ₃ und y_m des Halbleitersubstrats 5 und der Metallschicht 7 dem Betrag nach verschieden sind, ist die Potentialschwelle beim Übergang 9 theoretisch gegeben durch den Ausdruck yj_m—ip_s.

Die Anwesenheit einer verunreinigenden Schicht von veränderlicher Dicke und gleichfalls die Anwesenheit von Oberflächen-Energiezuständen in der Gegend des Überganges 9 können jedoch den Betrag der Potentialschwelle ψ um einen Betrag i/ verändern, wie er in der Figur dargestellt ist und damit ebenfalls die Schwellenwertspannung V_T beeinflussen. Die Elimination einer derartigen Verunreinigungsschicht oder des hierzu Anlaß gebenden Fremdmaterials in der Gegend des Überganges 9 bewirkt, daß die Potentialschwelle ψ sich dem theoretischen Wert nähert, wobei auch eine bessere Reproduzierbarkeit der Schwellwertspannung F₇- erreicht wird.

Werden geringe Spannungen in Flüßrichtung über das Halbleitersubstrat 5 und die Metallschicht 7 der F i g. 1 angelegt, so entfällt der Hauptteil des Spannungsabfalles auf den hohen Widerstand der Verarmungszone, wodurch die Dichte der Träger bzw. der Elektronen moduliert wird. Dementsprechend wird die Potentialschwelle beim Übergang 9, die von den Elektronen innerhalb der Schicht 7 überwunden werden muß, reduziert und die Energiebänder der Schicht 5 werden nach oben gekrümmt, wie es bei E_c, E_v angezeigt ist. Wird die Potentialschwelle am Übergang 19 hinreichend reduziert, d. h. rückt sie in die Nähe der Schwellenwertspannung V_c, so besitzen die Elektronen in der Schicht 7 ausreichende Energie, um diese zu überwinden, d. h., sie tunneln durch diese reduzierte Potentialschwelle hindurch und durchlaufen den Übergang 9. Wird dahingegen die in Flußrichtung angelegte Spannung V vergrößert, so wächst der Fluß der Elektronen über den Übergang 9 nach eigenem Expotentialgesetz an, wie es gegeben ist durch den Ausdruck

wobei I₀ einen Faktor bedeutet, der mit der Übergangsfläche in Beziehung steht, q die Elektronenladung, V die Spannung, die über dem Übergang 9 anliegt, k die Bolzmannkonstante und T die absolute Temperatur bedeutet.

Wird dahingegen eine Spannung in Sperrichtung an die Schicht 15 und an die Metallschicht 7 angelegt, so ist die Schwellenenergie unter Berücksichtigung der genannten Polung gegeben durch den Ausdruck

Dementsprechend zeigt die Schottky-Diode der F i g. 1 eine unilaterale Leitfähigkeitscharakteristik, ähnlich, wie dies bei Halbleiterdioden bekannt ist.

Da die Schwellenenergie am Metall-Halbleiterübergang verknüpft ist mit den Austrittsarbeiten ψ_ιη und V'_s der Metallschicht 7 und dem Halbleitersubstrat 5, kann man die Schwellwertspannung V_T reproduzierbarer machen durch geeignete Auswahl der benutzten Materialien, wenn jegliche verunreinigende Schicht oder fremdes Material in der Gegend des Überganges 9 vermieden wird. Nach einem speziellen Aspekt des Erfindungsgedankens werden nun unerwünschte verunreinigende Schichten zum Zwecke der Sicherstellung einer reproduzierbaren Charakteristik und zur Erhaltung von großflächigen Übergängen 9 wesentlich unterdrückt, wenn die Metallschicht 7 durch Kathodenzerstäubung unter Verwendung einer Vorspannung des Halbleiterkörpers auf diesen aufgebracht wird. Ein hierzu benutzbarer Kathodenzerstäubungsapparat ist in der Fig. 3 als Beispiel dargestellt. Dieser besitzt die Vakuumkammern 21, welche aus einem zylindrischen Glaskörper 23 besteht, der auf seinen Stirnflächen durch geerdete ring-

ao förmige Deckel 25 und 27 abgeschlossen ist. Weiterhin sind in der Figur die Kathoden und Anoden als fingerartige Fortsätze oder Einbuchtungen 29 und 31 zu erkennen, die beispielsweise aus rostfreiem Stahlrohr bestehen können, welche in die Vakuumkammer 21 durch Öffnungen innerhalb der die Stirnflächen abschließenden Deckelbleche 25 und 27 eingeführt sind. Die Kathoden- und Anodenfinger 29 und 31 besitzen einen sich nach außen erstreckenden Flansch 33 und 35, welche in je einen isolierenden Bund 37 und 39 eingepreßt sind. Die einander gegenüberstehenden Enden der Kathoden- und Anodenfinger 29 und 31 sind durch hart eingelötete hohle Kupferscheiben 41 und 43 abgeschlossen, welche in einem Abstand von etwa 5 cm einander gegenüberstehen.

Die so gebildete Kammer 21 kann niedrige Drucke in der Größenordnung von 10~⁶ Torr aushalten.

Die Kathoden- und Anodenfinger 29 und 31 sind von geerdeten Aluminiumschinnen 45 und 47 umgeben, welche in wirksamer Weise eine Glimm-

40-entladung auf die einander gegenüberstehenden Oberflächen der Scheiben 41 und 43 begrenzen. Ein dünnes Plättchen 49 aus dem Target-Material, z. B. aus Wolfram, Chrom, Molybdän usw., d. h. aus dem Material, aus dem die metallische Schicht 7 der F i g. 1 bestehen soll, wird weich oder hart auf die Scheibe 41 gelötet; während der als Substrat dienende Körper entsprechend der Fig. 1, der entweder aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid besteht, in bekannter Weise auf der Platte 43 befestigt wird. Das Plättchen 49 ist während des Zerstäubungsprozesses mit Wasser gekühlt, was beispielsweise mit Hilfe der aus Plastik bestehenden Zu- und Ableitungsrohre 53 und 55 geschehen kann, die innerhalb der Platte 41 zu einer Spirale aufgewickelt sind. Außerdem kann das Substrat 51 vor oder nach dem eigentlichen Zerstäubungsprozeß zusätzlich durch eine geeignete Heizvorrichtung 57 geheizt werden, beispielsweise durch eine Heizpatrone, welche in der Nähe der Scheibe 43 angebracht ist. Weiterhin kann auch ein abgeschirmtes Thermoelement 59 vorgesehen werden, das zu einem geeigneten Galvanometer 61 führt und der Temperatursteuerung für die geregelte Heizvorrichtung 57 dient, wodurch das Substrat 51 auf einer vorgegebenen Temperatur, etwa auf 300⁰C während des Zerstäubungsprozesses gehalten wird.

Die Kammer 21 wird zunächst evakuiert, was durch die mit einem Ventil versehene Absaugöffnung 63 geschieht, welche mit einem wirksamen,

ΟΛΟ COT'OCO

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nicht gezeigten Vakuumpumpsystem verbunden ist. Energie besitzen, um eine metallische Verbindung Dieses System sollte in der Lage sein, Drücke von mit dem Substratmaterial einzugehen, was einer Erwenigstens 10~⁶ Torr zu erzeugen und aufrecht- höhung des Bindungsanteiles zwischen den JR.eakzuerhalten. Außerdem ist der Behältern mit einer tionspartnern entspricht. ...
Quelle verbunden, welche die eigentliche Zerstäu- 5 Diese stärkere Bindung zwischen Substrat und Mebungsatmosphäre beispielsweise Argon liefert, was tallschicht hat, wenn überhaupt, dann einen nur geüber die mit Ventil versehene Eingangszuleitung 65 rmgfügigen Einfluß auf die Potentialschwelle xp. Weigeschieht. Während der anfänglichen Evakuierung terhin ist die Oberfläche des Substrates einem Bomder Kammer 21 und vor der Einführung des Zer- bardement von Argonionen ausgesetzt, welche mit stäubungsgases durch die Eingangszuführung 65 wird io etwa 100 eV ausreichend Energie besitzen, um die die Absaugöffnung 63 gedrosselt und ein Partialdruck verunreinigende Schicht durch Zerstäuben zu enteingestellt, welcher ausreicht, die Glimmentladung fernen. Diese Energie reicht aber nicht dazu aus, die aufrechtzuerhalten, d. h. ein solcher von etwa niedergeschlagenen Metallionen ihrerseits zu beein-2 · 10~³ bis 5 · 10~³ Torr in die Kammer 21 über die trächtigen, oder gar zu lösen, vielmehr ist trotz des Eingangszuleitung 65 eingegeben. Nunmehr wird die 15 Vorhandenseins energiereicher Argonionen ein me-Absperrvorrichtung 67 in die gezeigte Lage gebracht chanisch und elektrisch guter Kontakt zwischen Me- und der Target mit einer Vorspannung, beispielsweise tallschicht 7 und dem Halbleitersubstrat 5 gewährmit 5 kV versehen, indem der Schalter 69 geschlossen leistet. Dementsprechend zeigt die Schottky-Diode wird. Hierdurch wird eine Glimmentladung zur Rei- der F i g. 1 eine Potentialschwelle ψ in der Gegend nigung der Oberfläche des Substrats 51 in Gang ge- 20 des Überganges, welche sich weitgehend dem theobracht, Vorzugsweise wird die Absperrvorrichtung 67 retischen Wert ip_m — yj_s nähert, wobei die Schwellenmit Wasserkühlung versehen, wobei das Wasser die wertspannung F₇- reproduzierbar ist und die Diode Eingangs- und Ausgangsrohre 73 und 75 durchläuft. infolge des großflächigen Überganges 9 einem hohen Ist das Plättchen 49 auf diese Weise ausreichend Betriebsstrom gewachsen ist.

lang behandelt, so wird das Substrat 51 mit einer 25 Weiterhin weist das vorgesehene hochdotierte Vorspannung von etwa 100 V beaufschlagt, indem Halbleiterplättchen 3 einen geringen Serienwiderder Schalter 79 betätigt und die Spannungsquelle 81 stand R_s auf, und der in Flußrichtung fließende angelegt wird. Die Absperrvorrichtung 67 wird dann Strom / pro Einheit der in Flußrichtung angelegten aus seiner Lage zwischen Plättchen 49 und Substrat Spannung wächst sehr stark mit der Schwellenspan-51 mit Hilfe des äußeren Betätigungsknopfes 77 30 nung F₇- an. Wird der Serienwiderstand R_s reduziert, herausgebracht, wobei die Metallionen, welche durch so liegt ein größerer Teil der zwischen Körper 1 und Zerstäubung aus dem Target frei werden und in die Metallschicht 7 angelegten Spannung über dem ÜberKammer 21 gelangen, auf die exponierte Oberfläche gang 9 selbst. Beispielsweise ist die Spannung V, des Substrats 51 auftreffen, auf welcher sie die Me- welche über dem Übergang 9 liegt, gegeben durch tallschicht 7 bilden. Gleichzeitig ist das Substrat 51 35 den Ausdruck
vermöge seiner Vorspannung einem Bombardement V-I-R
von positiven Argonionen hoher Energie ausgesetzt, ^s
die sich innerhalb des Entladungsplasmas befinden.

Der beschriebene Aufstäubungsprozeß wird über eine und entsprechend ist der in Flußrichtung durch die

ausreichende Zeit hinweg fortgesetzt, um eine zusam- 4° Diode fließende Strom der F i g. 1 gegeben durch den

menhängende Metallschicht 7 von gleichförmiger Ausdruck

Dickenabmessung zwischen 10000 bis 50000A auf / = /₀-(e«(^v-'-«s)"- 1)
das Halbleitersubstrat 5 aufzubringen. Nach Niederschlag der Metallschicht 7 werden mittels der Schal- Es ist demnach offensichtlich, daß die Strom-Spanter 69 und 79 die Spannungen von Substrat 51 und 45 nungs-Kennlinien der Schottky-Diode festgelegt wer-Plättchen 49 abgeschaltet, der Anodenfinger 31 wird den kann durch Dimensionierung der Dotierung des aus der Vakuumkammer 21 entfernt, um Zugang zu Halbleiterplättchens 3, wobei die so erhaltenen Kennder erstellten Schottky-Diode zu erhalten. linien sich einer idealen Kennlinie nähern, wenn das

Die Wirkung des beschriebenen Aufstäubverfahrens Halbleiterplättchen 3 hochdotiert wird,
durch Kathodenzerstäubung ist eine zweifache. Zu- 50 Typische Strom - Spannungs - Kennlinien von nächst besitzen die Metallionen, die durch Kathoden- Schottky-Dioden aus Wolfram—Silicium, Chrom— zerstäubung vom Plättchen 49 abgelöst wurden, eine Silicium und Molybdän—Silicium, die nach dem vorausreichende Energie (10 bis 20 eV), um eine ein stehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, oder mehrere Moleküle dicke Schicht Fremdmaterials, sind in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. Während des welche sich auf dem Substrat 51 ausgebildet hat, zu 55 Metallniederschlages mittels Kathodenzerstäubung durchdringen. Infolgedessen werden die durch den wurde der Partialdruck des Argons innerhalb der Zerstäubungseffekt losgelösten Metallionen als me- Kammer 21 auf einen Wert von etwa 3 ■ 10~² Torr tallische Schicht in innigem Kontakt mit der Ober- gehalten. Spannung und Strom betrugen am Plättfläche des Substrats 51, d. h. auf dem Halbleiter- chen 49 15OmA bei 4 kV, am Substrat 45 mA bei substrat5 der Fig. 1 niedergeschlagen. Weiterhin 60 — HOV. Die Temperatur des Substrates wurde auf weisen derartige Metallschichten eine sehr starke einem Wert von 300° C gehalten. Die so hergestellten Bindung mit der Oberfläche des Substrats 51 auf, so Schottky-Dioden zeigten sehr niedrige Schwellendaß man erwarten kann, daß auf die genannte Art wertspannungen F₇-, wie sie mittels bisher bekannter das Aufbringen einer größeren Metall-Halbleiter- Verfahren nur gelegentlich erzeugt werden konnten, Oberflächenverbindung hergestellt werden kann, als 65 was auf eine wesentliche Elimination jeglicher veres mit den bisherigen Verfahren möglich war. Es unreinigender Schichten in der Gegend des Uberscheint, daß die Metallionen, welche auf die Ober- ganges 9 zurückzuführen ist. Die F i g. 4 zeigt z. B. fläche des Substrats 51 treffen, eine ausreichende die Strom-Spannungs-Kennlinie einer nicht epitak-

tischen Schottky-Diode, welche aus einer dünnen Metallschicht aus Wolfram mit der Abmessung von 0,4 · 0,4 mm bestand, die auf einen N-leitenden Halbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm · cm aufgebracht war. Während eine derartige Diode einen viel niedrigeren Spannungsabfall in Flußrichtung aufweist, ist die Rate des Stromanstieges mit ansteigender Spannung V relativ gering, da der Serienwiderstand R_s infolge des Widerstandbeitrages des Halbleiterkörpers ziemlich groß ist. Die Wirkung eines reduzierten Serienwiderstandes R_s in einer Schottky-Diode mit einer epitaktischen Halbleiterschicht, die auf einem bis zur Entartung dotierten Halbleiterplättchen aufgebracht ist, geht aus dem Vergleich der F i g. 4 mit den F i g. 5 und 6 hervor. Die F i g. 5 und 6 zeigen die Stromspannungskennlinien, von epitaktischen Schottky-Dioden aus Chrom-Silicium und Molybdän-Siücium, bei denen die Metallschicht Abmessungen 2,5 · 2,5 mm beträgt, und die eine N-leitende epitaktische Siliciumschicht besitzen, welche ihrerseits getragen wird durch ein N-leitendes entartet dotiertes Siliciumplättchen. In

derartigen Strukturen ist der Serienwiderstand R$ sehr stark reduziert und besitzt eine Größenordnung von etwa 0,003 Ohm, was auf die verwendete epitaktische Schicht zurückzuführen ist, die infolgedessen wesentlich zur Niedrighaltung des Widerstandes des Halbleiterkörpers beiträgt. Wie in F i g. 6 gezeigt ist, liegt die Schwellenwertspannung V_T der Schottky-Diode aus Molybdän—Silicium in der Größenordnung von 0,35 V. Durch den herabgesetzten Serienwiderstand Rg ist die Stromanstiegsrate mit ansteigender Betriebsspannung V wesentlich verstärkt. Wie z.B. aus der Fig. 5 hervorgeht, kann der Strom, der durch eine epitaktische Schottky-Diode aus Chrom—Silicium fließt, innerhalb eines Bereiches der völligen Sperrung bis maximal auf einen Wert von 2000 mA verändert werden, entsprechend einer Änderung der angelegten Spannung V zwischen Werten von 1 und 3 V, während bei einer epitaktischen Schottky-Diode aus Molybdän—Silicium diese Werte sich von etwa 0 bis maximal 50 A entsprechend einer angelegten Spannung zwischen 0,1 und 0,52 V erstrecken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Schottky-Dioden, bei dem W, Cr oder Mo als Metallschicht auf ein N-leitendes Halbleitersubstrat, bestehend aus Ge, Si oder GaAs in innigem Kontakt hiermit aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (7) mittels eines Kathodenzerstäubungsverfahrens auf das Halbleitersubstrat (5) niedergeschlagen wird, wobei gleichzeitig zwischen dem Plasma der zur Kathodenzerstäubung dienenden Gasentladung und dem Halbleitersubstrat (5) eine negative Vorspannung angelegt wird, deren Höhe zwar ausreicht, Gasionen der Entladungsatmosphäre so zu beschleunigen, daß Fremdatome und sonstige Verunreinigungen an der Grenzschicht durch das Ionenbombardement herausgeschleudert werden, jedoch nicht, die auf das Halbleitersubstrat (5) niedergeschlagenen Metallionen aus ihrer Anlagerung zu lösen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung in einer Argonatmosphäre bei einem Partialdruck von etwa 3 · 10~² Torr unter Anlegung einer Spannung von 4 kV zwischen einem den Gesamtladungsraum umschließenden Gehäuse (25, 27) und dem zu zerstäubenden Metall (49) herbeigeführt wird und gleichzeitig zwischen dem Gehäuse (25, 27) und dem Halbleitersubstrat (5) eine negative Vorspannung von —110 V angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat während des Kathodenzerstäubungsvorganges auf 300° C aufgeheizt wird.