DE1806980A1 - Halbleiter-Bauelement - Google Patents
Halbleiter-BauelementInfo
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Description
- Halbleiter-Bauelement Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Bauelemente, und insbesondere auf Kontaktverbindungen für Halbleiter, z.B.
- Ohmsche Kontakte an Halbleiter-Bauelementen.
- Be bekannten Bauelementen, insbesondere Halbleiter-Bauelementen, trat die Schwierigkeit auf, technisch einwandfreie, gute ohmsche Kontakte an flachen Halbleitergebieten anzubringen. Dieses Problem tritt beispielsweise vor allem bei planaren Halbleiter-Bauelementen aus Silizium auf; Bauelemente dieser Art haben in der Regel Aluminiumlcontakte. Obgleich die beim Verbindungsvorgang auftretende Temperatur nicht das Aluminium-Silizium-Eutektikum überschreitet, das bei etwa 575° C liegt, werden die Übergänge hierbei vielfach kurzgeschlossen. Dieses Kontaktproblem tritt besonders häufig bei dem Emittergebiet eines Transistors auf, wenn flache Abmessungen bestehen (beispielsweise 0,5 Mikron Tiefe und 0,025 mm Breite). Der Kontakt wird dabei häufig durch die Öffnung der Diffusionsmaske ausgebildet, ohne besondere Kontaktmaske, und man bezeichnet solche Gebiete auch als dünne Emitter (washed-emitters). Der Grad bzw. der Umfang, in dem derartige Kurzschlüsse bei Übergängen auftreten, ist veränderlich und schwer vorherzubestimmen.
- Es wurde nun festgeatellt, daß die nach dem Stande der Technik benutzten Alum.inium-Içontakte und ebenso auch die Metallteile. zur Herstellung der inneren Anschldsse oder der sonstigen Anschlußstellen, welche sich über das Oxyd auf den benachbarten Teilen der Oberfläche erstrecken, bestimmte Mengen an diffundiertem Silizium enthalten, und zwar bis zur Löslichkeitsgrenze des Siliziums in Aluminium, die bei etwa 2 Gewichtsprozenten liegt. Auch wurde festgestellt, daß das Kurzschließen von Übergängen in vielen Fällen auf eine Ersche.inung zurückzuführen ist, welche als ¢Spiking" bezeichnet wird und im wesentlichen darin besteht, daß vorstoßende Aluminiumteile sich unter die Oxydschicht an der Oberfläche des Bauelementes erstrecken.
- Die Erfindung bezweckt, Kontaktverbindungen für Halbleiter, und zwar insbesondere ohmsche Kontakte für Halble.iter-Bauelemente, mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen, und sie bezweckt insbesondere, das Problem der Anbringung von Kontakten bei verhältnismäßig flachen Halbleitergebieten einwandfrei zu lösen. Dabei soll auch das Problem des Auftretens des "Spiking-Effektes" gelöst werden, insbesondere bei Siliz.ium-Bauelementen mit Aluminiumkontakt en.
- Erfindungsgemäß wird ein Kontakt bzw. eine Kontaktverbindung für Halbleiter dadurch hergestellt, daß eine Schicht aus Halbleitermaterial in der Kontaktöffnung einer isolierenden Maske aufgetragen wird, dann erfolgt ein Metallisieungsvorgang, und anschließend wird eine Erhitzung vorgenommen, um das Metall mit der Schicht des aufgebrachten Halbleitermaterials und der ursprünglichen Oberfläche des Bauelementes zu verbinden; auf diese Weise wird eine zuverlässige und technisch einwandfreie Kontaktverbindung bei flach.en Übergängen erhalten.
- Bei Anwendung der Erfindung kann die Herstellung und Metallislerung des Bauelementes wie bisher ausgeführt werden, jedoch wird zusätzlich eine Schicht aus Halbleitermaterial vor dem Aufbringen des Kontaktmetalls aufgetragen. Bei planaren Silizium-Bauelementen kann beispielsweise nach der Ausbildung von Kontakt fenstern durch die Oxydschicht eine Siliziumrrchicht aufgetragen werden, beispielsweise durch Vakuumaufdampfen, und es wird anschließend wie bisher eine Aluminiumschicht aufgebracht; anschließend wird eine Erhitzung auf Verbindungstemperatur vorgenommen. Die Kontaktanordnung, die man bei Anwendung dieses Verfahrens erhält, weist eine Schicht aus Aluminium an der Oberfläche auf, welche eine beträchtliche Menge diffundierten Siliziums enthält, und der restliche Teil der aufgetragenen Siliziumschicht, mit dem Aluminium verbunden ist, bildet leitfähige Wege in Berührung mit der Oberfläche des Bauelementes, so daß man einen guten ohmschen Kontakt erhält, welcher nur einen geringen Kontaktw.iderstand hat und bei dem kein Spiking-Effekt auftritt.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Die Figuren 1 - 3 stellen Schnitte durch einen Transistor gemäß der Erfindung bei aufeinanderfolgenden Stufen der Kontaktausbildung dar; die Figuren 2 und 3 sind im Maßstab gegenüber Fig. 1 vergrößert und zeigen nur Teile des Bauelementes einschließlich des Emitterkontaktes.
- Fig. 1 zeigt einen doppelt diffundierten Transistor, der in Anwendung der bekannten Planartechnologie hergestellt ist.
- Im vorliegenden Fall ist ein npn-Transistor dargestellt, jedoch kann auch die umgekehrte Polarität gewählt werden. In ein n-Kollektorgebiet 10 sind nacheinander ein p-Basis-Gebiet 12 und ein n-Emittergebiet 14 eindiffundiert worden.
- Die Oberfläche des Bauelementes ist mit einer Schicht 16 aus Isoliermaterial, beispielsweise Silizium-Dioxyd, bedeckt; diese Schicht ist derart bearbeitet, daß sie eine Kontaktmaske bildet, durch die alle Teile der Oberfläche des Bauelementes bedeckt werden, außer derjenigen Stellen, an denen die ohmschen Kontakte anzubringen sind. In der Isolierschicht sind Öffnungen 18 an denjenigen Stellen vorhanden, an denen die Emitter- und Basis-Kontakte auszubilden sind, da in der Regel derXKollektor-Kontakt auf der gogendberliegenden Seite des Bauelementes liegen wird, soweit nicht integrierte Schaltkreise auszubilden sind; r könnte ohne weiteres auch auf der gleichen Oberfläche angebracht werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können jeder beliebige oder mehrere.
- Kontakte an dem Bauelement angebracht werden0 Nach dem Verfahrensschritt, der zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung führt, würde man nach den bisher angewendeten Verfahren eine Metallschicht auf der gesamten Oberfläche des Bauelementes ausbilden. Im Gegensatz hierzu wird gemäß der Erfindung zunächst eine Schicht 20 (Fig. 2) aus Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, wenigstens in den Kontaktöffnungen und vorzugsweise ebenfalls auch auf der Oxydoberfläche aufgebracht, und im Anschluß daran erfolgt wie bisher die Metallisierung, so daß man eine Metallschicht 22 erhält.
- Die Anordnung, die man dann erhält, ist in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Im Anschluß an die Metallisierung und den Verbindungsvorgang, der bei Temperaturen stattfinden kann, wie sie bei der bisher üblichen Herstellung von Aluminiumkontakten angewendet wurden, werden die Kontakte und andere vorgesehene Metallisierungen durch fotolithografische Verfahren abgegrenzt.
- Die in Fig. 3 dargestellte Kontaktanordnung, die man dann erhält, enthält eine erste Schicht 20', welche unmittelbar an der Oberfläche des Bauelementes liegt und aus dem aufgetragenen Silizium besteht; dabei ist Aluminium derart mit ihr verbunden, daß ein ohmscher Kontakt mit der Oberfläche des Bauelementes besteht, wobei auf dem äußeren Teil des Kontaktes eine Schicht 22' aus Aluminium verbleibt, welche in vielen Fällen auch noch einige eindiffundierte Siliziumanteile enthält.
- Die aufgetragene Schicht 20 ist vorzugsweise nicht-epitaktisch, und das Auftragen auf die Unterlage wird vorzugsweise bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen vorgenommen (unter 8000 C und vorzugsweise noch niedriger, beispielsweise 200 -4000 C) und diese Temperatur ist hoch genug, um gute Kontakte bei einer aufgetragenen Schicht zu bilden, welche sich durchgehend über die Oberfläche des Bauelementes einschließlich der Oxydschicht erstreckt. Die genannten Temperaturen haben auch keine wesentliche Wirkung auf das Diffusionsprofil der vorliegenden Einkristallstruktur. Man kann sogar die Vakkumauftragung auf eine Unterlage bei Raumtemperatur mit durchaus befriedigenden Ergebnissen vornehmen, insbesondere bei p-Gebieten, obwohl aus Sicherheitsgründen etwas höhere Temperaturen bevorzugt werden.
- Eine exakte wissenschaftliche Beschreibung der technisch-physikalischen Vorgänge, die der Erfindung zugrunde liegen, ist für eine erfolgreiche Anwendung nicht erforderlich. Es wird angenommen, daß das aufgetragene Silizium ein Herauslösen von Silizium aus der Oberfläche des Bauelementes in einem solchen Umfang verhindert, daß kein Spiking-Effekt auftreten kann.
- Es ist demgegenüber früher festgestellt worden, daß die Verwendung von Aluminium-Silizium-Legierungen für die Kontaktmetallisierung selbst bei Anwesenheit großer Mengen von Silizium in der aufgetragenen Schicht den Spiking-Effekt nicht verhindern konnte, so daß die vorteilhafte Wirkung der Erfindung, nämlich die Verhinderung des Spiking-ffektes, nicht erreicht wurde.
- Im Zusammenhang mit der Erfindung ist von besonderer Bedeutung, daß die aufgetragenejSil.iziumschicht 20 eine Mindeststärke hat, die in einem gewissen Umfang von der Stärke der anschließend aufgetragenen Aluminiumschicht abhängt. Bei einer Aluminiumschicht von etwa 0,5 Mikron Stärke ist es beispielsweise erforderlich, daß die aufgetragene Siliziumschicht eine Stärke von wenigstens etwa 200 Angström hat, während bei einer Aluminiumschicht mit einer Stärke von etwa 1 Mikron die aufgetragene Siliziumschicht wenigstens eine Stärke von etwa 300 Angström haben sollte. Die Aluminiumschicht kann um ein Mehrfaches stärker sein, wenn die Stärke der Siliziumschicht wenigstens etwa 400 Angström beträgt. Es können auch andere Qualitäten des aufgetragenen Siliziums geeignet sein, zuverlässige ohmsche Kontakte gemäß der Erfindung herzustellen, beispielsweise kann die amorphe oder polykristalline Struktur gewählt werden, und es kann zur Ausführung der Erfindung selbst auf das epitaxiale Wachstum zurückgegriffen werden. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß die kritischen Bedingungen, die für ein erfolgreiches epitaxiales Wachstum zu beachten sind, nicht unbedingt eingehalten zu werden brauchen.
- Es wird angenommen, daß bei der erhaltenen Kontaktanordnung die Siliziumschicht auf Grund ihrer Auflösung in dem Aluminium schwächer wird. Man kann feststellen, daß der übrige Teil gekennzeichnet ist durch Siliziumgebiete, die aus dem ursprünglichen Silizium bestehen, während jedoch andere Gebiete aus mit Aluminium angereichertem Rekristallisationsmaterial sich durch die aufgetragene Siliziumschicht erstrecken und mit der Oberfläche des ursprünglichen Bauelementes Kontakt bilden, in der zustzliche Rekristallisationsteile wie bei der bisherigen Art der Metallisierung auftreten Die Siliziumschicht kann durch geeignete Verfahren hergestellt werden, wobei das Vakuumaufdampfen oder die Dampfzersetzungsreaktion bevorzugt werden. Das Vakuumaufdampfen ist besonders zweckmäßig bei der Ausbildung von Schichten von. hohem spezifischen Widerstand. Bei anderen Anwendungsfällen kann es dagegen vorteilhaft sein, eine Dampfzersetzungsreaktion anzuwenden, bei der ein Störstoff anwesend ist, um eine dotierte Schicht zu erzeugen (die beispielsweise den entegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der ursprüngliche Halbleiterkörper hat), und man erhält auf diese Weise eine Diffusionsquelle, um ein flaches Diffusionsgebiet in dem Bauelement auszubilden, wenn es in geeigneter Weise erhitzt wird.
- Für die aufzutragende Schicht können auch Stoffe verwendet werden, die ähnliche elektrisch und kristallographische Eigenschaften wie Silizium haben, beispielsweise Germanium.
- Da jedoch Siliziumschichten ohne weiteres zur Verfügung stehen und ihre Anwendung auch keine Schwierigkeiten bereitet, insbesondere bei der Herstellung von Siliziumbauelementen, wird man in der Regel Silizium bevorzugen. Es können außerdem auch andere bekannte Kontaktmaterialien verwendet werden, beispieLsweise Titan, Gold, Chrom und andere Stoffe, obwohl es als ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung anzusehen ist, daß sie im Zusammenhang mit denjenigen Verfahren verwendet werden kann, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen zur Zeit am weitesten verbreitet sind, also insbesondere bei Silizium-Planar-Bauelementen mit Aluminiumkontakten, wobei nur eine verhältnismäßig einfach durchzuführsnde Änderung der bisher angewendeten Herstellungsverfahren erforderlich ist.
- Die Erfindung bietet klare Vorteile bei der Anwendung für Kontakte bei flachen Übergängen, und es sind beachtliche Erfolge erreicht worden bei der Herstellung von Kontakten bei Übergängen mit Tiefen unter 1000 Angström. Die Erfindung bietet jedoch noch weitere beachtliche Vorteile0 Beispielsweise haben Forschangs- und Entwicklungsarbeiten gezeigt, daß man erheblichte Verbesserungen im Hinblick auf einen niedrigeren Kontaktwiderstand ohmscher Kontakte bei Anwendung der Erfindung erreichen kann, so daß die Verfahrenstechnik gemäß der Erfindung auch mit besonderem Vorteil selbst bei solchen Halbleiterbauelementen angewendet werden kann, die verhältnismäßig tiefe Übergänge haben, insbesondere auch bei solchen Bauelementen, die normalerweise zur Aufnahme großer Leistungen geeignet sind, bei denen es also darauf ankommt, daß sie eine möglichst hohe Stromaufnahmefähigkeit haben.
- Bei Anwendung der Erfindung besteht hinsichtlich der Vahl der Kontaktmetalle ein weiter Spielraum, der eher noch größer ist als es früher der Fall war, wobei auch solche Stoffe verwendet werden können, welche gegenüber Silizium eine gute Haft fähigkeit haben, an Siliziumdioxyd jedoch wesentlich schlechter haften. Ein Metall, das in diesem Zusammenhang gute Eigenschaften hat, ist Gold, so daß man das Kontakt- und Leitersystem durchweg aus Gold herstellen kann, und man vermeidet auf diese Weise metallurgische Aluminium-Gold-Reaktionen.
- Bei der praktischen Ausführung der Erfindung wird die Erhitzung zur Verbindung des Metalls durch Eindringen durch die aufgetragene Halbleiterschicht entweder vor oder nach der selektiven Entfernung des Metalls vorgenommen; diese selektive Entfernung kann beispielsweise durch fotolithografische Verfahren erfolgen, und sie hat den Zweck, die genaue Abgrenzung der Kontakte, der Zwischenverbindungen und der Anschlußstellen zu ermöglichen. Eine "Vor-Legierung", also die Ausführung des Verbindungsvorganges vor der erwähnten selektiven Entfernung, kann sich vorteilhaft auf die Eigenschaften des Bauelementes auswirken. Eine solche Art des Vorgehens hatte jedoch bei verhältnismäßig flachen Übergängen bei Anwendung der bisher bekannten Verfahren keine besonderen Erfolge, jedoch sind bei Anwendung der Erfindung jetzt bemerkenswert gute Ergebnisse zu erreichen.
- Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung gegeben: Bei der Herstellung bipolare Transistoren wurde ausgegangen von einem Halbleiterkörper aus Einkristall-n-Silizium, in dem p-Basis bzw. Emittergebiete nacheinander durch Masken aus Siliziumdioxyd eindiffundiert wurden. Die Basis wurde auf eine Tiefe von ungefähr 0,3 Mikron eindiffundiert, und die Oberflächenkonzentration betrug etwa 2 x 1019 Atome je com.
- Der Emitter wurde auf eine Tief von ungefähr 2000 Angström eindiffundiert, und die Oberflächenkonzentration betrug etwa 2 x 1020 Atome je com. Der Emitter hatte die Form eines Streifens von ungefähr 0,b25 mm (0,1 mil) Breite. Der Emitter wurde diffundiert, ohne daß eine absichtliche Rooxydation der Oberfläche erfolgte, und das Emitterkontaktfenster wurde durch eine schnelle Ätzung in verdünnter HF-Säure geöffnet. Das Fenster für den Basiskontakt wurde durch Anwendung von Fotore- Rist und. einen Ätzvorgang geöffnet. Auf der gesamten Oberfläche, auch innerhalb der Kontaktfenster, wurde eine Siliziumschicht aufgetragen durch.Vakuumaufdampfe.n aus einem Vorrat mit Siliziumstücken, und die Unterlage wurde dabei auf einer Temperatur von etwa 300° C gehalten. Der Vorgang des Auftragens dauerte so langer bis eine Schicht von twa 400 Angström Stärke erzeugt war. Dann wurde eine Aluminiumschicht mit einer Stärke von ungefähr 0,5 Mikron auf die Siliziumachicht durch Vakuumaufdampfen aufgetragen, wobei die üblichen Verfahren -angewendet wurden Das Ganze wurde dann über die Dauer von ungefähr 2 Minuten auf eine Temperatur von etwa 5500 C erhitzt, und anschließend wurde das Aluminium fotolithografisch entfernt, außer an den Kontaktgebieten und den Gebieten der Anschlußstellen. Weiterhin wurde durch eine leichte .Siliziumätzung das exponierte Silizium entfernt. Auf der gegenüberliegenden Seite. des Bauelementes wurde dann in üblicher Weise ein Kollektorkontakt angebracht.
- Mit Hilfe des beschriebeaen Verfahrens wurde eine große Zahl von. -Bauelementen gleichzeitig hergestellt. Elektrische Prtifungen ergaben, daß die Kontakte den gestellten Anforderungen voll entsprachen, und daß sie eine wesentlich größere Zuverlässigkeit aufwiesen, als es bei direkter Aluminiumauftragung erreicht werden. konnte und bei Bauelementen.ähnlicher Art.
- Dioden und Transistoren beider Polaritäten mit Übergangstiefen bis herunter auf etwa 6o0 Angström sind gemaß der Erfindung mit gutem Erfolg mit Kontakten und Anschlußstellen versehen worden, und e3.ist anzunehmen, daß-auch bei noch flacheren Gebieten ebenfalls gute Erfolge -erreicht werden können.
- Abänderungen.und weitere Ausbildungen der Erfindung sind im Rahmen fachmännischen Handelns möglich.
Claims (11)
- Patentansprüche 1. Halbleiterbauelement mit einem Einkristallkörper aus Halbleitermaterial, das ein erstes Gebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen ohmschen Kontakt auf dem ersten Gebiet aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Kontakt eine erste Schicht (20) aus Halbleitermaterial aufweist, weiche mit dem ersten Gebiet (14) in Berührung steht, und eine zweite Schicht (22) aus; leitfähigem Metalls welche mit der ersten Schicht (20) derart verbunden ist, daß sie mit dem ersten Gebiet (14) Kontakt hat.
- 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) aus Silizium besteht und das erste Gebiet (14) eine Tiefe von ungefähr 2000 Angström oder weniger hat.'
- 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristallkörper (10) aus Silizium besteht, daß die erste Schicht (20) aus nicht-epitaktischem Silizium und daß die zweite Schicht (22) aus Aluminium besteht.
- 4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) eine Stärke von wenigstens etwa 200 Angström hat.
- 5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gebiet (14) innerhalb eines zweiten Gebietes (12) eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, das einen zweiten ohmschen Kontakt aufweist, der entsprechend dem ersten ohmschen Kontakt -aufgebaut ist.
- 6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung (18) in einer Schicht (16) aus Isoliermaterial auf einer Fläche des Bauelementes ausgebildet wird, daß eine erste Schicht (20) aus Haibleitermaterial wenigstens innerhalb der Öffnung (18) aufgebracht wird, daß eine zweite Schicht (22) aus leitfähigem Metall auf der ersten Schicht (20) aufgebracht wird, und daß dann eine Erhitzung erfolgt, um die zweite Schicht (22) mit der ersten Schicht (20) zu verbinden und einen ohmschen Kontakt zu dem ersten Gebiet (14) herzustellen.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (18) in einer Schicht (16) aus Siliziumoxyd auf einer Einkristall-Siliziumoberfläche ausgebildet wird. daß die erste Schicht (20) durch Ausbildung nicht-epitaktiachen Siliziumsin einer Schicht von wenigstens 200 Angström Stärke aufgetragen wird, und daß die zweite Schicht (22) durch Aufdampfen von Aluminium aufgetragen wird, wobei die Erhitzung in einem Temperaturbereich von etwa 3000 a bis etwa 5650 C vorgenommen wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) durch Aufdampfen von Silizium ausgebildet wird, wobei das Bauelement auf einer Temperatur unter 8000 C gehalten wird, daß die erst. Schicht (20) wenigstens 300 Angström stark ist und die zweite Schicht (22) eine Stärke von wenigstens 100 Angström hat.
- 9. Verfahren nach einem der Anspruche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) aus Halbleitermateriai einen wesentlich höheren spezifischen Viderstand als das erste Gebiet (14> hat.
- 10. Verfahren nach einem der Anspruche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) aus Halbleitermaterial besteht, welches mit Störstoffon dotiert ist.
- 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (20) mit Störstoffen aufgetragen wird, die ihr einen Leitfähigkeitstyp geben, welcher dem benachbarten Material an der Oberfläche des Bauelementes entgegengesetzt ist, und daß vor dem Aufbringen der zweiten, aus Metall bestehenden Schicht (22) das Bauelement erhitzt wird, damit Störstoffe aus der ersten Schicht (20) in das Bauelement eindiffundieren und einen pn-Ubergang ausbilden.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| US68336367A | 1967-11-15 | 1967-11-15 |
Publications (1)
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