DE1966243B2 - Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Diode zur Verwendung als Impedanzelement in integrierten Schaltungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Diode zur Verwendung als Impedanzelement in integrierten Schaltungen

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Herstellung einer Schottky-Diode.
Vor dem Aufkommen der integrierten Schaltungen gab es Vorschläge zur Ausnutzung der Eigenschaften von PN-Übergangsdioden in Sperrichtung, um eine hohe Impedanz in Schaltungen zu erhalten, in welchen diskrete Schaltungselemente verwendet sind. Jedoch erwies sich die Impedanz hochwertiger PN-Übergangsdioden als zu hoch, und die niedrigere Impedanz bewußt verschlechterter Dioden erwies sich als zu schwierig kontrollierbar. Demgemäß sind diese Vorschläge nicht weiter verfolgt worden.
Aus »Solid-State Electronics, Vol.11, Nr. 5, Mai 1968,« Seiten 517 bis 525, sind Schottky-Dioden bekannt, die als Mikrowellen-Mischdioden Verwendung finden sollen und deren Schottky-Übergang zwischen η-leitendem Silicium und einem Metallsilicid auftritt. Zur Erzeugung des Metallsilicide wird der am PN-Übergang f>5 beteiligte Bereich durch Oxidieren und Ablösen des entstandenen Oxids gereinigt, mit Palladium beschichtet und gesintert. Diese Schottky-Dioden weisen im Sperrbereich Widerstandswerte von einigen Megohm auf, also Widerstandswerte, die für integrierte Schaltungen in der Regel viel zu hoch sind.
In »The Bell System Technical Journal«, Band 47, Nr. 2, Februar 1968, Seiten 195 bis 208, sind ähnliche Schottky-Dioden beschrieben, bei denen der Schottky-Übergang zwischen N-leitendem Silicium und Platinsilicid gebildet ist und die von einem Schutzring umgeben sind. Diese Dioden weisen jedoch im Sperrbereich einen noch viel größeren Widerstandswert auf, nämlich etwa 109 bis 10" Ohm, also Werte, die zur Herstellung von Widerständen in integrierten Schaltungen indiskutabel sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren verfügbar zu machen, mit dem sich in gut reproduzierbarer Weise Schottky-Dioden herstellen lassen, die sich als Widerstandselemente in integrierten Schaltungen eignen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet und in Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet
Mit dem angegebenen Verfahren lassen sich Schottky-Dioden herstellen, die im Sperrbereich Widerstandswerte im Kiloohmbereich aufweisen, die sich in integrierten Schaltungen als Widerstandselemente verwenden lassen. Dabei wirkt es sich als besonders vorteilhaft aus, daß die zum Einsatz kommenden Verfahrensschritte vollständig mit jenen Verfahrensschritten verträglich sind, die zur Erzeugung der Elektroderanordnung bei integrierten Schaltungen mit Stützleitern (Beaim Leads) angewendet werden.
Im folgenden wir die Erfindung an Hand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 in Queirschnittsdarstellung die verschiedenen Typen von Metall/Halbleiter-Grenzflächen, die mit dem hier angegebenen Verfahren erzeugt werden können,
Fig.2 in Querschnittsdarstellung einen Teil einer integrierten Schaltung mit Schottky-Dioden,
Fig.3 in Querschnittsdarstellung einen Teil einer integrierten Schaltung mit Schottky-Dioden, die durch Ionenimplantation erzeugte Zonen enthalten,
F i g. 4 die Stnom/Spannungs-Kennlinie der mit dem hier angegebenen Verfahren hergestellten Dioden.
In F i g. 1 ist ein Teil eines einkristallinen Siliziumi-Plättchens 1 dargestellt, dessen Hauptteil 2 η-leitend ist und bei welchem benachbart einer seiner Oberflächen zwei im Abstand voneinander liegende p-Zonen 13 und 14 erzeugt worden sind. In die Zone 14 ist eine relativ stark dotierte n-Zone 5 eingelassen. Eine weitere relativ stark dotierte Zone 5A ist als von der p-Zone 14 im Abstand liegend dargestellt. Die Zonen 13,14,5 und 5Λ können durch Legieren, Festkörper-Diffusion, Ionenimplantation oder durch andere bekannte Prozesse zur Änderung des Leistungstyps eines Halbleiterplättchens erzeugt werden.
Nachdem die vorstehend beschriebenen Zonen erzeugt worden sind, wird ein Muster von öffnungen durch eine passivierende Siliziumoxydschicht 17 hindurch erzeugt, um Teile der Oberfläche dieser Zonen und/oder des Hauptteils freizulegen. Insoweit als selbst die wirksameren chemischen Reinigungsmethodcn mehrere Atomlagen anorganischer Schichten zurücklassen, sind chemische Reinigungsmethoden allgemein zum Reinigen von Oberflächen unbrauchbar, auf welchen Sperrschichtdioden geringer Sperrspannung erzeugt werden sollen. Um eine saubere Siliziumoberfläche sicherzustellen, werden deshalb das Oxid und die freigelegte Siliziumoberfläche einem Rückzerstäu-
bungsprozeß unterworfen.
Auf die Reinigungsprozedur folgend wird eine 20—50 nm dicke Rhodium-Dünnschicht, beispielsweise durch Zerstäuben oder Verdampfen, auf die Oberfläche des Oxides und der freiliegenden Zonen niedergeschalgen. Die Anordnung wird dann einige Minuten lang auf ♦50—7500C erhitzt, um das Rhodium zur Reaktion mit dem Silizium zu bringen. Obgleich Temperatur und Dauer der Erhitzung relativ unkritisch sind, verursachen höhere Temperaturen, z.B. 7000C, eine stabilere Ordnung der resultierenden Kristallite und sind deswegen vorzuziehen. Nach diesem Schritt befindet sich Rhodiumsilicid in jedem der Fenster, wo sich das Rhodium mit dem Silizium in Kontakt befand, also in den Bereichen 7, g, 9 und 10 in F i g. 1.
Da Rhodium ein relativ inertes Material ist, wird vorteilhaft Rückzerstäubung angewandt, um das unreagiert gebliebene Rhodium von der Oberfläche des Plättchens zu entfernen. Das Rhodiumsilicid braucht während der Rückzerstäubung nicht geschützt zu werden, da das verbliebene Rhodium mit etwa der doppelten Geschwindigkeit wie Rhodiumsilicid entfernt wird und da die Dicke des Rhodiumsilicids bedeutend größer als die Dicke des Rhodiums ist.
Zur Komplettierung der Vorrichtung werden geeignete Metallelektroden 22, 23, 24, 25 und 26 und, soweit erforderlich, Zwischenverbindungen hergestellt, beispielsweise durch einen Titan-Platin-Gold-Stützleiter.
Zur Erläuterung der verschiedenen Typen der Rhodiumsilicid/Silizium-Grenzflächen, die nach dem vorstehend beschriebenen Prozeß erzeugt werden können, haben in Fig. 1 die p-Zone 13 eine Obe-flächenkonzentration von etwa 2 χ 10i7 Akzeptoren/cm3, der n-Hauptteil 2 eine Oberflächenkonzentration von etwa 1016 Donatoren/cm3, die p-Zone 14 eine Oberflächenkonzentration von etwa 5 χ ΙΟ18 Akzeptoren/cm3 und die N-Zonen 5 und 5Λ eine Oberflächenkonzentration von etwa 1020 Donatoren/cm3.
Die Rhodiumsilicid-Zonen 9 und 10 bilden mit ihren entsprechenden Siliziumzonen 4, 5 und 5Λ Schottky-Dioden, die aber wegen der relativ hohen Werte der ionisierten Dotierstoffe in diesen Zonen praktisch als ohmsche Kontakte erscheinen. Aus diesem Grunde wird im Nachstehenden angenommen, daß diejenigen Rhodiumsilicid/Silizium-Grenzflächen, an welchen das Silizium relativ stark dotiert ist, ohmisch sind.
Die Rhodiumsilicid-Zone 8 bildet in reproduzierbarer Weise zusammen mit dem N-leitenden Hauptteil 2 eine Schottky-Diode hoher Qualität, derart, daü das Silicid die Anode und das Silizium die Kathode der Diode ist. Diese Diode hat eine Durchlaßspannung von etwa 0,35 Volt bei etwa 100 Ampere/cm2 Durchlaßstrom und in Sperrichtung eine Leckstromdichte von etwa 10~6 Ampere/cm2 bei etwa 1 Volt Sperrspannung. Dieser Diodentyp sei nachstehend als NSB(N-Type Schottky Barrier)-Diode bezeichnet.
Die Rhodiumsilicid-Zone 7 bildet gleichfalls in reproduzierbarer Weise mit der p-Zone 13 eine Schottky-Diode hoher Qualität derart, daß das Silicid die Kathode und das Silizium die Anode der Diode ist. Diese Diode hat eine Durchlaßspannung von etwa 0,02 Volt bei etwa 100 Ampere/cm2 Durchlaßstromdichte und eine Leckstromdichte in Sperrichtung von etwa 100 Ampere/cm2 bei etwa 1 Volt Sperrspannung. Dieser Diodentyp sei nachstehend als PSB(P-type Schottky barrier)-Diode bezeichnet.
Wenn beispielsweise die PSB-Diode ein Tüpfelchen mit einem Durchmesser von 7,62 χ 10-4cm ist, dann beträgt bei 1,0 Volt Sperrspannung der in Sperrichtung fließende Strom etwa 45 Mikroampere, d.h. die Impedanz bei 1,0 Volt Sperrspannung ist etwa 22 200 Ohm. Diese Impedanz ist für integrierte Mikroleistungshalbleiterschaltungen brauchbar.
Schottky-Dioden, die auf Silizium mit relativ niedrigem spezifischem Widerstand erzeugt worden sind, erscheinen praktisch als ohmsche Leitungswege. Aus diesem Grunde werden PSB-Dioden mit einer brauchbaren Impedanz in Sperrichtung auf Silizium erzeugt, dessen Oberflächenkonzentration kleiner als etwa 5 χ 1017 Akzeptoren/cm3 ist. Obgleich es möglich ist, diese Konzentrationswerte durch Festkörper-Diffusion von Bor durch eine Siliziumoxidmaske hindurch zu erzeugen, ist dieser Prozeß in diesem Bereich schwierig reproduzierbar auszuführen. Daher werden anhand der F i g. 2 und 3 zwei alternative Methoden zum Erzeugen von P-Zonen mit relativ niedrigen Oberflächenkonzentrationen erläutert.
F Ί g. 2 zeigt einen Teil einer integrierten Schaltung 1 aus Silizium mit zwei epitaktischen Schichten 2 und 3, die mit einem Substrat 4 eines spezifischen Widerstandes von etwa 10 Ω cm angeordnet sind. Die weitgehend gleichförmige epitaktische N-Schicht 2 wurde in einer Dicke von etwa 1,5 Mikrometer auf einer ganzen Hauptfläche des P-Subtrats 4 erzeugt, und danach wurde auf der ganzen Oberfläche der Schicht 2 die weitgehend gleichfc. .;ige epitaktische P-Schicht 3 gleichfalls in einer Dicke von etwa 1,5 Mikrometer
JO erzeugt. Vorteilhaft haben die Schichten 2 und 3 etwa die gleiche Dotierstoffkonzentration, z. B. 2 χ 1017/cm3, um die Verschiebung ihrer Grenzfläche, des PN-Übergangs 35, während nachfolgender Warmbehandlungen zu reduzieren. Im einzelnen hat die N-Schicht 2 einen spezifischen Widerstand von etwa 0,07 Ω cm bei einer im wesentlichen gleichförmigen Konzentration von etwa 2 χ 1017 Antimonatomen/cm3 im Innern, und die P-Schicht 3 hat einen spezifischen Widerstand von etwa 0,2 Ω cm bei einer im wesentlichen gleichförmigen Konzentration von etwa 2 χ 10" Bor-Atomen/cm3 im Innern. P+-Isolationszonen 36, n+-Kollektorkontaktzonen 5A und eine N+ -Emitterzone 5 wurden nach üblichen Diffusionsmethoden unter Verwendung von Bor als Akzeptor und Phosphor als Donator hergestellt.
Es leuchtet ein, daß die epitaktische P-Schicht 3 eine relativ niedrige Oberflächenkonzentration für die Erzeugung der PSB-Diode 9 hierauf darstellt. Der Einfachheit halber sind keine elektrischen Anschlüsse an die anderen Zonen dargestellt.
so F i g. 3 zeigt einen Teil einer integrierten Schaltung 1 aus Silizium mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand, beispielsweise 0,3 Ω cm, wobei eine eritaktische N-Schicht 2 auf einem P-Substrat 4 vorgesehen ist. P+-Isolationszonen 36, eine p-Basiszone 14, eine N+ -Emitterzone 5 und eine N+-Kollektorzone 5/4 wurden durch Festkörper-Diffusion nach üblichen Methoden hergestellt. Eine PSB-Diode 9 wurde auf der p-Zone 13 erzeugt, die ihrerseits durch Ionenimplantation auf eine Oberflächenkonzentration von etwa
bü 2 χ 1017 Boratomen/cm3 erzeugt worden ist.
Bei einer vorteilhaften Methode zur Anwendung der Ionenimplantation wird zuerst eine dünne Metallmaske auf der ganzen Oberfläche einer halbleitenden Unterlage erzeugt. Die Maske kann beispielsweise eine 1000 nm
t>5 dicke Goldschicht sein mit Fenstern, durch die Teile der Halbleiteroberfläche freigelegt sind. Ein Ionenbombardement der Maske erzeugt lokalisierte Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps nur in jenen Bereichen
des Halbleitermaterials, welche durch die Fenster in der Maske frei liegen.
Ein Vorteil des Dotierens durch Ionenimplantation ist die Fähigkeit die Dotierprofile durch Modulieren der Energie, des Stromes und der Lage des Ionenstrahl in drei Dimensionen steuern zu können. Beispielsweise kann in Fig.3 die Zone 13 eine Dotierstoffverteilung haben, bei der die Oberflächenteile der Zone weniger stark als die inneren Teile dotiert sind. Für viele die PSB-Dioden betreffenden Anwendungsfälle ist diese Dotierprofilform vorteilhaft, weil hier eine niedrige Oberflächenkonzentration vorhanden ist, in welcher Schottky-Dioden mit niedriger Poter.tialschwelle erzeugt werden können, und gleichzeitig relativ hoch dotierte innere Teile den Serienwiderstand in der Diode reduzieren.
Fig.4 zeigt eine Kennlinie für eine Schottky-Diode, die zwischen Rhodiumsilicid und P-Siüzium erzeugt worden ist. Fig.4 zeigt die verschiedenen Sperrstrom-Leitungsmechanismen, die in einer solchen Diode wirksam sind. Im einzelnen ist die ausgezogene Linie 71 der tatsächliche Sperrstromverlauf als Funktion der Spannung für eine Diode, die auf P-Silizium mit einer Oberflächenkonzentration von 2 χ 1017 Boratomen/cm3 erzeugt worden ist. Die gestrichelte Linie 72 gibt den von einem idealen Übergang mit einer gleichrichtenden Sperrschicht konstanter Höhe zu erwartenden Sperrstrom wieder und ist als solcher eine Komponente des gesamten Sperrstroms in der Diode.
ίο Die gestrichelte Linie 73 bezeichnet die Größe des Stroms, der durch einen Tunneleffekt bei gegebenen Spannungswerten erzeugt wird, und ist daher eine weitere Komponente des Gesamtstroms in der Diode Der gekrümmte Teil der Kurve 71 zwischen etwa 0,015 Volt und etwa 7 Volt gibt die Erniedrigung der Sperrschichthöhe wieder.
Diese Nichtlinearität kann selbstverständlich in verschiedenen digitalen und linearen integrierten Schaitungsanwendungsfällen ausgenutzt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer Schottky-Diode
in einem Siliciumkörper, der eine ebene Hauptfläche j besitzt, bei welchem in dem Siliciumkörper mindestens eine der Hauptfläche benachbarte Zone mit einer vorbestimmten Dotierstoffkonzentration gebildet wird, eine Maske auf der Hauptfläche erzeugt wird, welche ein Fenster aufweist, welches zumindest einen Teil der Oberfläche der Zone freilegt, der freiliegende Teil der Oberfläche gereinigt wird, eine gleichförmige Schicht eines Metalls oder einer Legierung auf der Maske und innerhalb des Fensters derart niedergeschlagen wird, daß ein Teil der Schicht an den Teil der Oberfläche der Zone in dem Siliciumkörper angrenzt, und der Siliciumkörper für eine zur Bildung eines Metallsilicide ausreichende Zeitdauer erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone P-leitend ist und durch Dotierung auf eine relativ niedrige Akzeptorkonzentration von weniger als 5 χ lO'Vcm3 an der Oberfläche gebracht wird, daß der Siliciumkörper auf einer vom Siliciumkörper elektrisch isolierten Kathode angeordnet und zum Reinigen einer Rückzerstäubung unterworfen wird und daß anschließend eine Erwärmung im Bereich zwischen 450° und 7500C durchgeführt wird, so daß sich das Metallsilicid bildet, wodurch eine Schottky-Diode, die sich als Impedanzelement in einer integrierten Schaltung eignet, entsteht, deren Kathode durch das Metallsilicid und deren Anode durch das Silicium gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwaiger Rest des niedergeschlagenen Metalls, welches nicht in das Metallsilicid umgewandelt wurde, entfernt wird, indem der Siliciumkörper einer weiteren Rückzerstäubung unterworfen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rhodiumsilicid, Platinsilicid, Palladiumsilicid oder Zirkonsilicid verwendet werden.
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