DE1811618A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents
HalbleiteranordnungInfo
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Description
Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem
Siliciumträger und einer darauf angeordneten Metallschicht, die mit dem Trägermaterial in Kontaktverbindung steht und
eine Grenzschicht bildet.
Gleichrichtende Grenzschichten, die durch einen innigen Kontakt eines bestimmten Metalls mit einem bestimmten Halbleitermaterial
gebildet werden, sind bei vielen Anwendungsgebieten für Hochfrequenzschaltungen bekannt. Die bei derartigen
gleichrichtenden Grenzschichten heutzutage am häufigsten verwendeten Metalle sind Molybdän und Aluminium.
Ein Anwendungsbeispiel hierfür stellt die Schottky-Diode dar, die in Mischstufen für das X-Band Verwendung findet.
Derartige Dioden für Mischstufen sollen einen niederen
Is/wi
Serienwiderstand
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Serienwiderstand und eine niedrige Durchlasspannung aufweisen.
Obwohl für diesen Zweck Molybdän-Siliciumdioden weitverbreitet
verwendet werden, könnten noch*bessere Schaltungen gebaut werden, wenn sich der Serienwiderstand und die
Durchlasspannung weiter verkleinern Hessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Metall-Halbleitergrenzschicht
zu schaffen, die einen kleineren Serienwiderstand und eine kleinere DurchlasEpannung als bisher bekannte
Grenzschichten dieser Art aufweisen. · -
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die
Metallschicht aus Titan besteht.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht
einer oberflächenorientierten Diode, bei der Titan sowohl für gleichrichtende als auch ohmische Kontaktverbindungen
mit dem Siliciumträgermaterial Verwendung findet.
Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht
einer Verdampfungsanlage zum Aufbringen des für die Kontaktverbindungen gemäss Fig. 1 verwendeten Titans.
. .
Fig. 3 ein Diagramm, das den Durchlasstrom in Abhängigkeit
von der Durchlasspannung einer gleichrichtenden Grenzschicht aus Titan und Silicium neben einer
vergleichbaren gleichrichtenden Grenzschicht aus Molybdän und Silicium zeigt.
- 2 - Die
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Die Erfindung umfasst eine gleichrichtende Grenzschicht aus Titan und Silicium, die durch einen innigen Kontakt dieser
beiden Materialien gebildet wird. Wenn das Titan in Berührung mit einer Siliciumoberfläche gebracht wird, reagiert das Titan
mit der dünnen Siliciumoxydschicht von etwa 50 & Dicke,
< die immer auf einer an sich reinen Oberfläche des Siliciumtr.ägermaterials
vorhanden ist. Durch diese Reaktion und die damit verbundene Absorbtion des Sauerstoffs aus der dünnen
Siliciumoxydschicht entsteht eine sehr viel innigere Verbindung von Metall und Halbleitermaterial, als dies mit weniger
aktiven Metallen, z.B. Molybdän, erreichbar ist. Aus dieser Verbindung ergibt sich ein Serienwiderstand, der nahezu Null
ist. Sowohl die Durchlass- als auch Sperreigenschaften einer M
solchen Grenzschicht aus Titan.und Silicium sind sehr gut, wobei die Sperrdurchbruchspannung von ungefähr 2 Volt bei
etwa 100 Mikroamperes (/uA) und die Durchlasspannung von
etwa 0,2 Volt bei 1 Milliampere (mA) liegen. Im Vergleich dazu liegen für eine gleichrichtende Grenzschicht aus Molybdän
und Silicium eine Sperrdurchbruchspannung von ungefähr 10 bis 15 Volt bei 100 mA und eine Durchlas spannung von ungefähr
0,5 Volt bei 1 mA. Sowohl der niedrige Serienwiderstand als auch die niedrige Durchlasspannung einer gleichrichtenden
Grenzschicht aus Titan und Silicium sind bei einer Diode von besonderem Vorteil, wenn diese für eine
Mischstufe im X-Band Verwendung findet.
In Fig. 1 ist eine oberflächenorientierte Schottky-Diode 10
dargestellt. Im nachfolgenden wird ein Herstellungsverfahren für diese Diode beschrieben, das jedoch nicht das einzig
mögliche Verfahren ist. Ein Bereich 1 mit der Leitfähigkeit
N++ und ein Bereich 2 mit der Leitfähigkeit N werden in herkömmlicher weise durch eine Diffusion oder durch epitaktischen
Aufbau im Sfliciumträger 5 mit der Leitfähigkeit Έ+
angebracht.
- 3 - Als
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Als erster Verfahrensschritt zur Herstellung der Diode 10
wird auf der Oberfläche des Siliciumträgers. 3 mit der Leitfähigkeit N+ eine dünne Siliciumoxydschicht 6 ausgebildete
Diese Oxydschicht wird durch thermisches Wachsen oder pyrolytische
Beschichtung bis zu einer Dicke von ungefähr 4000 S ausgebildet und besitzt einen Widerstand von. ungefähr 0,008
bis 0,015 Ohmr-cm. In dieser Siliciumoxydschicht 6 wird eine öffnung? mit Hilfe eines photolithographischen Maskier- und
Ätzverfahrens ausgebildet, um einen Teil des Trägermaterials 3 freizulegen. Die Öffnung 7 wird mit einem Siliciummaterial
2 mit N- Leitung und einem Widerstand von ungefähr 0,025 bis
3 Ohm-cm durch epitaktische Beschichtung ausgefüllt. Vorzugsweise
liegt der Widerstandswert zwischen 1 und 2 Ohm-cm. Auf der ersten Siliciumoxydschicht 6 und dem Halbleitermaterial
2 mit Ei-Leitung wird eine zweite Siliciumoxydschicht 8 mit einer Dicke von ungefähr 8000 S pyrolytisch aufgebracht
und anschliessend Öffnungen 9 mit Hilfe eines photolithographischen
Ätz verfahr en's in den beiden Siliciumoxydschichten
6 und 8 ausgebildet, um Teile des Trägermaterials 3 freizulegen.
In den freigelegten. Oberflächenbereich des Trägermaterials
werden durch die Öffnungen 9 Fremdatome vom Leitfähigkeitstyp Έ eindiffundiert und ein Bereich 1 mit der Leitfähigkeit
N++ geschaffen, dessen Widerstand kleiner als ungefähr
0,005 Ohm-cm ist. Mit einem photolithographischen Ätzverfahren
wird die Öffnung 11 ausgebildet, um den Bereich 2 freizulegen, und ferner wird die während der Diffusion gebildete
Oxydschicht von den Öffnungen 9 entfernt und diese erneut freigelegt.
wahrend der Herstellung von Siliciumhaibleiteranordnungen
bildet sich eine dünne Siliciumoxydschicht von ungefähr 50 S
auf der Siliciumoberflache aus. Diese Siliciumoxydschicht
kann selbst bei Raumtemperatur nicht verhindert werden, wenn die Siliciumoberflache der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Das
~ ^ ~ . notwendige
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notwendige Ausschliessen von Luft während der -verschiedenen
"bis zum Anbringen der Kontakte notwendigen Herstellungsschritte kann praktisch nur bei der Herstellung eines Labor-
• modells verwirklicht werden. Bei der Fabrikation kommerzieller Halbleiteranordnungen ist diese Massnahme praktisch
• nicht durchführbar. Deshalb existiert zwischen dem Metallkontakt und der Siliciumoberfläche einer derartigen HaIb-.
leiteranordnung immer eine dünne Siliciumoxydschicht. Da das Siliciumoxid elektrisch isoliert, bewirkt eine dünne
Oxydschicht einen elektrischen Widerstand zwischen dem metal- · lisehen Eontakt und dem Siliciumträgermaterial. Dagegen besitzt
Titan, das mit einer Oxydfläche in Berührung steht, die j
charakteristische Eigenschaft, den Sauerstoff aus dem Oxyd ■
zu absorbieren. Wenn daher eine Titanschicht auf die Oberfläche eines Siliciumtragermaterials aufgebracht wird und
sich eine Siliciumoxydschicht dazwischen befindet, reagiert das Titan mit dem Sauerstoff der Siliciumoxydschicht und
bildet Titanoxyd. Das Titanoxyd zerfällt seinerseits wieder, da der Sauerstoff in die Masse des metallischen Titans diffundiert.
Da der Anteil des metallischen Titans sehr gross ist im Vergleich zu der Menge des absorbierten Sauerstoffs,
wird der Widerstandswert des metallischen Titans durch die Absorbtion des Sauerstoffs nicht beeinflusst. Man kann daher
durch die Verwendung von Titan als Kontaktmaterial eine ohmische-oder gleichrichtende Grenzschicht schaffen, bei der ä
der Wert des Serienwiderstandes nahezu Null ist.
Zur Ausbildung einer Titanschicht auf dem Trägermaterial 3 gemäss Fig. 1 wird dieses in eine Verdampfungsanlage 20 ge-.
mäss Fig. 2 eingebracht. Eine Charge 21 aus Titan wird im "
Innern einer Wolframspule 22 angeordnet, die über elektrische Kontaktanschlüsse 23 mit einer ausserhalb der Verdampfungsanlage angebrachten Stromversorgung verbunden ist. In der
Verdampfungsaniage wird ein Vakuum von ungefähr 5x10 mm
- 5 - Quecksilbersäule
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Quecksilbersäule aufgebaut und die Wolframspule 22 elektrisch so weit erhitzt, dass die Charge 21 aus Titan, ungefähr
eine Temperatur von 24000C erreicht-,· bei der das Titan
verdampft und sich auf dem Siliciumtragermaterial 3 niederschlägt.
Während der Verdampfung des Titans bleibt das Siliciumtragermaterial 3 ungefähr auf Raumtemperatur«, Die Verdampfung
des Titans bei einer Temperatur von ungefähr 24000C wird so lange aufrechterhalten, bis sich eine für einen niedrigen
elektrischen Widerstand genügend dicke Titanschicht auf dem Halbleitermaterial niedergeschlagen hat. Danach wird
die Wolframspule abgeschaltet und die Temperatur in der Ver»
dampfungsanlage abgesenkt sowie der Unterdruck beseitigt, so
dass der mit Titan überzogene Halbleiterträger 3 aus der Verdampfungsani age entfernt werden kann«,
Die Titanschicht wird mit einer lichtundurchlässigen Deckschicht, z.B. KMER der Firma Eastman Kodak Company, überzogen
und durch eine dem gewünschten Aufbau entsprechende Maske belichtet. Die nicht polymerisierten Teile der KMER-Schicht
werden entfernt, um die Oberflächenteile der Titanschicht
ausser den für die gleichrichtenden und ohmischen Kontaktanschlüsse 4 und 5 benötigten Teile freizulegen. Die
freigelegten Teile der Titanschicht und die KMER-Schicht werden mit einer Flüssigkeit geätzt, die aus Wasser, SaIzsäure
und Salpetersäure besteht und genügend lang einwirkt, so dass die Kontakte 4 eine ohmische Kontakt verbindung
mit dem Bereich 1 mit der Leitfähigkeit ΪΓ++ und der Kontakt
5 eine gleichrichtende Kontaktverbindung mit dem Bereich 2 mit N-Leitung bilden. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt,
kann auf den Kontakten 4 und 5 als oberste Schicht eine Goldoder Aluminiumschicht vorgesehen sein, um die nachfolgende
thermokompressive Tropfchenverlötung der Anschlussdrähte mit
den Kontakten zu erleichtern. Die elektrischen Anschlüsse an die Diode 10 werden durch thermokompressiv an die Kontakte
- 6 - ' und
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'•und 5 angelöteten Golddrähte hergestellt, wobei die Kontakte
4· vtnd 5 einer individuellen Diode zugeordnet sein können
- oder zum Anschluss an andere Schaltungsteile einer monolytischen
integrierten Schaltung aus Flächenbereichen bestehen können.
Vorausstehend wurde eine oberflächenorientierte Diode als Beispiel beschrieben, bei der eine gleichrichtende Grenzschicht
aus Titansilicium Verwendung findet. Es ist offensichtlich, dass der Aufbau der Halbleiteranordnung unter Verwendung
einer gleichrichtenden Grenzschicht aus Titansili- cium beliebig variiert werden kann. So kann z.B. die Diode
auf der· einen Seite des Halbleiterträgers eine gleichrichtende Grenzschicht aus Titansilicium und auf der anderen Seite
des Halbleiterträgers den ohmischen Kontaktanschluss tragen. Zusätzlich kann die gleichrichtende Anordnung gemäss der Erfindung
auch als Grenzschicht bei einem Transistor Verwendung finden.
Die Eigenschaften in Durchlassrichtung und Sperrichtung der
gleichrichtenden Grenzschicht aus Titansilicium sind ausserordentlich
günstig. Die Sperrdurchbruchs spannung beträgt
etwa 2 Volt bei 100 ,uA und ist somit um vieles günstiger als die Sperrdurchbruchspannung bei einer gleichrichtenden
Grenzschicht aus Molybdänsilieium mit einer Durchbruchspannung
von ungefähr 10 bis 15 Volt bei 100 /uA. Das charakteristische
Verhalten in Durchlassrichtung ist in Fig. 3 für eine gleichrichtende Grenzschicht aus Titansilicium im Vergleich
zu einer solchen Grenzschicht aus Molybdänsilicium dargestellt. Der Durehlasstrom L ist auf der Ordinate und
die Durchlasspannung Vf auf der Abszisse angetragen. Der
Strom If der Kurve 30 ergibt sich aus den Messungen an einer
Titansiliciumdiode gemäss Fig. 1 und verläuft von einem
Wert Null auf einen Wert von etwa 1 mA bei einem gleichzeitigen Anstieg der Spannung V« von Null auf ungefähr 0,2 Volt.
- 7 - Die
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I Θ I 1 Ö> S ο
Die Werte für den Strom Xf der Kurve 31 ergeben sich aus
einer Messung an einer vergleichbaren Molybdänsiliciumdiode,
wonach der Strom erst bei einer Spannung von 0,5 Volt auf 1 ml angestiegen ist. Die Spannung Vf der Kurve 30 bei einem
Strom von 10 mA beträgt etwa 0,3 Volt im Vergleich zu 0,8 Volt bei der Kurve 31. Der Vorteil bezüglich des durch die
Kurve 30 beschriebenen DurchlassVerhaltens der Titansiliciumdiode
gegenüber der durch die Kurve·31 beschriebenen
Molybdänsiliciumdiode ist besonders augenfällig, wenn man den Widerstand der Grenzschichten vergleicht, der durch die
Neigung der entsprechenden Kurven bestimmt wird. Der Wider-
• stand R. der Kurve 3.0 liegt bei ungefähr 10 mA zwischen un-0
' .
gefahr 4 bis ungefähr 6 0hm, wogegen der Widerstand E. der,
J Kurve 31 bei ungefähr 10 mA zxcLschen etwa 7 und 10 0hm liegt.
Der Grund für den Unterschied bezüglich der Widerstandswerte zwischen einer Titansiliciumdiode und einer Molybdänsiliciumdiode
ist bisher noch nicht klar erkennbar= Es wird
jedoch angenommen, dass der Unterschied von dem Ärbeitsfaktor der Materialien Titan, Molybdän und Silicium abhängt,
wobei der Arbeitsfaktor, als diejenige Energie bestimmt ist, welche benötigt wird, um ein Elektron von dem Fermi-Niveau
des Materials we'gzubewegen. .
Der sich aus dem Entfernen der SiIiciumoxydschicht von der
Wk Grenzschicht zwischen dem Titan und dem Silicium ergebende
niedrige Serienwiderstand zusammen mit der niedrigen Durchlasspannung führt zu einer gleichrichtenden Grenzschicht,
die für Mischerdioden ideal ist, welche sowohl für die'Anwendung
bei Höchstfrequenzen als auch für allgemeine Zwecke
geeignet ist«,
- 8 - -Patentansprüche
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Claims (6)
1. Halbleiteranrodnung mit einem Siliciumträger und einer darauf angeordneten Metallschicht, die mit dem Trägermaterial
in Kontaktverbindung steht und eine Grenzschicht bildet, dadurch g e k e η η ζ eich η et,
dass die Metallschicht aus Titan besteht.
2. Halbleiteranordnung nach -Anspruch 1, dadurch g e kennz
e i ohne t, dass die elektrische Kontaktverbindung zwischen dem Siliciumträger (3) und der
Titanschicht (5) eine gleichrichtende Grenzschicht ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch ge- g
kennzeichnet, dass zwischen dem Silicium- träger
und der Titanschicht ein Bereich (2) aus Silicium mit N-Leitung vorgesehen ist, der einen Widerstand
von ungefähr 0,025 "bis 3 Ohm-cm besitzt.
4. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,
dass die Titanschicht aus einer ersten (4) und einer zweiten (5) getrennten Schicht aufgebaut ist, dass die
erste Titanschicht die gleichrichtende Grenzschicht mit
- 9 - dem
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dem Siliciumträger "bildet, und dass die zweite Titan™
schicht einen ohmischen Kontakt mit einem Teil des Siliciumträgers
bildet, wodurch eine ScHottky-Siode entsteht
.
5. Halbleiteranordnung nach .Anspruch 4S dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (1) mit der
Leitfähigkeit Έ++ zwischen dem Siliciumträger "und der
zweiten Titanschicht vorgesehen ist, wodurch eine ohmische KontaktverMndung geschaffen wird, die einen Widerstand
von weniger als 0,005 Ohm-cm aufweist«,
6. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Titanschicht eine weitere Metallschicht . aus Gold oder Aluminium angebracht ist»
- 10 -
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1968
- 1968-11-13 GB GB53865/68A patent/GB1222594A/en not_active Expired
- 1968-11-22 ES ES360564A patent/ES360564A1/es not_active Expired
- 1968-11-26 FR FR1593382D patent/FR1593382A/fr not_active Expired
- 1968-11-29 DE DE19681811618 patent/DE1811618A1/de active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2058385A1 (en) * | 1969-08-20 | 1971-05-28 | Ibm | Diode with schottky barrier |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR1593382A (de) | 1970-05-25 |
| US3621344A (en) | 1971-11-16 |
| ES360564A1 (es) | 1970-10-16 |
| GB1222594A (en) | 1971-02-17 |
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