DE19811046C2 - Elektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementes - Google Patents
Elektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines elektronischen BauelementesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement
mit einer aktiven Schicht aus einem Halbleiter mit
einer Bandlücke von über 2 eV und mit einem zwischen
der aktiven Schicht und einer Kontaktierung ausgebil
deten Schottky-Kontakt. Derartige Bauelemente mit
aktiven Schichten aus einem Wide-Gap Halbleiter eig
nen sich beispielsweise zur Überwachung und Steuerung
von bei hohen Temperaturen ablaufenden oder hohe
elektrische Leistungen erfordernden Prozessen.
Insbesondere Diamant mit einer Bandlücke von 5,45 eV
ist aufgrund seiner Materialeigenschaften ein attrak
tives Material für die Hochtemperatur- und Leistungs
elektronik. Diamantfilme, welche z. B. aus der Gaspha
se im CVD-Verfahren abgeschieden werden, bilden mitt
lerweile die Basis für Gleichrichterdioden, Feldef
fekttransistoren sowie Temperatur- und Drucksensoren.
Die Funktion einer Vielzahl dieser elektronischen
Bauelemente erfordert das Aufbringen von gleichrich
tenden Schottky-Kontakten auf den aktiven Diamant
film.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß zur Herstellung
von Schottky-Kontakten auf Diamant Kontaktmaterialien
benötigt werden, welche auch bei hohen Betriebs- und
Umgebungstemperaturen keine chemische Reaktion mit
der Diamantoberfläche eingehen. Aufgrund der chemi
schen Reaktion des Kontaktmaterials mit der Diamant
oberfläche bilden sich an der Grenzfläche zwischen
Kontaktmaterial und Diamant Carbide aus. Weiterhin
werden aufgrund der chemischen Reaktion zwischen Kon
taktmaterial und Diamantoberfläche elektrisch aktive
Defekte erzeugt. Sowohl die Defektbildung als auch
die Carbidbildung bewirken eine Zerstörung der sper
renden Eigenschaften des Überganges vom Diamanten zum
Kontaktmaterial.
Da metallische Kontaktmaterialien wie Titan oder Alu
minium bereits bei Temperaturen von ungefähr
430°C mit der Diamantoberfläche unter Ausbildung von
Carbiden reagieren, scheidet die Verwendung solcher
Elemente als Kontaktmaterialien für Schottky-Kontakte
auf Diamant im Falle von Hochtemperaturanwendungen
aus. Zwar zeichnet sich das Kontaktmetall Gold auch
bei hohen Temperaturen durch seine chemische Inert
heit aus, die mechanische und thermische Stabilität
von Gold ist jedoch gering. Aufgrund dieser Nachteile
metallischer Kontaktmaterialien wurde in letzter Zeit
vermehrt die Verwendung von Silizium, welches sich
durch hohe mechanische und thermische Stabilität
auszeichnet, als Kontaktmaterial untersucht.
In "Silicon Based Schottky Contacts on Diamond With
High Barrier Height and Thermal Stability", P. Gluche
et al., Transactions on Third International High Tem
peratures Electronics Conference, Albuquerque, New
Mexico, USA, 9. bis 14. Juni 1996, Vol. 2, Seiten
189-194, werden Schottky-Kontakte auf epitaktisch
gewachsenem, p-dotiertem Diamant beschrieben. Als
Kontaktmaterial findet hoch p-dotiertes Silizium,
welches durch Ionenstrahlsputtern auf der Diamant
oberfläche abgeschieden wurde, Verwendung. Jedoch ist
auch bei diesen Schottky-Kontakten beginnend bei Tem
peraturen von 600°C eine Carbidbildung zu beobach
ten, welche schließlich noch unterhalb von
700°C einen irreversiblen Totalausfall des Bauele
mentes bewirkt.
Venkatesan et al. offenbaren in J. Electrochem. Soc.,
1992, Vol. 139, Nr. 5, Seite 1445-1449 einen MOS-
Schottky-Kontakt, bei dem zwischen der aktiven
Schicht und der Kontaktschicht eine isolierende
Zwischenschicht aus Siliziumdioxid angebracht wird.
Auch W. Mönch offenbart in J. Vac. Sci. Technol. B,
1996, Vol. 14, Nr. 4, Seite 2985-2993 einen Metall-
Halbleiter bzw. Schottky-Kontakt, bei dem isolierende
Zwischenschichten aus Siliziumdioxid und Si3N4
zwischen die Kontaktschichten als durchtunnelte
Isolatorschichten vorgesehen sind.
Venkatesan et al. offenbaren weiterhin in IEEE
Transactions an Electron Devices, ISSN: 0018-9383,
1993, Vol. 40, Nr. 8. Seite 1556-1558 eine Diamant-
Silizium-Diode.
Ein entsprechender Schottky-Kontakt ist auch in der
US 4,982,243 A offenbart, wobei hier auf einen ein
kristallinen Diamant epitaxial eine Diamantschicht
abgeschieden wird. Auf diese Diamantschicht wird eine
weitere Schottky-Elektrodenschicht aufgebracht.
Ausgehend von diesen und weiteren Nachteilen des
Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein elektronisches Bauelement zu schaffen,
das mit einem Schottky-Kontakt versehen ist, welcher
selbst bei Temperaturen oberhalb von 600°C noch
gleichrichtende Eigenschaften aufweist. Außerdem soll
ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Bauele
ment angegeben werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Bauelement gemäß
Anspruch 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren ge
mäß Anspruch 12. Die jeweiligen Unteransprüche be
treffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf einen Wide-
Gap Halbleiter, der eine Bandlücke von über 2 eV auf
weist, eine mindestens zweischichtige Schottky-Kon
taktierung aufzubringen, welche eine auf dem Wide-Gap
Halbleiter angeordnete dotierte, mindestens 5 nm
dicke Grenzflächenschicht enthaltend Silizium und
mindestens eines der Elemente Stickstoff, Kohlenstoff
oder Sauerstoff sowie eine auf der Grenzflächenschicht
angeordnete dotierte Kontaktschicht umfaßt.
Die Kontaktschicht kann sowohl p- als auch n-dotiert
sein. Der Wide-Gap Halbleiter kann p-dotiert,
n-dotiert sowie undotiert sein. Die Grenzflächen
schicht enthält Dotierstoffe. Die Grenzflächenschicht
kann weiterhin ein refraktäres Metall wie Titan,
Wolfram, Tantal oder Molybdän enthalten.
Aufgrund des Einbaus mindestens eines der Elemente
Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff sowie ggf.
eines refraktären Metalles in die Grenzflächenschicht
wirkt diese als chemisch inerte Barriere zwischen
Kontaktmaterial und Oberfläche des Wide-Gap Halb
leiters. Die Gesamtanteile dieser Elemente in der
Grenzflächenschicht müssen derart eingestellt werden,
daß eine ausreichende chemische und thermodynamische
Stabilität der Grenzflächenschicht gewährleistet
wird. Die Gesamtanteile dieser Elemente in der Grenz
flächenschicht bezogen auf das in der Grenzflächen
schicht enthaltene Silizium sollten vorteilhafterwei
se mindestens 25 Atom-% betragen. Bevorzugt ist ein
Gesamtanteil zwischen 40 und 80 Atom-%. Die Stöchio
metrie zwischen Silizium (bzw. den refraktären Metal
len) und der zur chemischen Stabilisierung eingebau
ten Elemente Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff
kann mit der Dicke der Grenzflächenschicht variieren.
Die angegebenen Atom-% geben den
Mittelwert für die Stöchiometrie der Grenzflächen
schicht an. Zur Erzielung der gewünschten Effekte
genügen prinzipiell Schichtdicken von wenigen Atom
lagen. Entscheidend ist weniger die Dicke der Grenz
flächenschicht, als vielmehr deren Funktionalität. So
muß am Übergang zum Wide-Gap Halbleiter eine ther
modynamisch stabile Phase vorliegen, welche Aus
tauschreaktionen verhindert und sich auch bei hohen
Temperaturen nicht zersetzt. Bei geringen Dicken der
Grenzflächenschicht kann diese von den Ladungsträgern
durchtunnelt werden. Bei größeren Schichtdicken wird
eine Dotierung der Grenzflächenschicht erforderlich,
damit der Serienwiderstand nicht steigt. Es hat sich
gezeigt, daß insbesondere amorphe Grenzflächenschich
ten Diffusionsvorgänge an Grenzflächen unterdrücken,
wodurch die elektrischen Eigenschaften des Bauelemen
tes erhalten bleiben. Voraussetzung ist, daß die
Grenzflächenschicht nicht bei hohen Temperaturen re
kristallisiert. Durch die Beschaffenheit der
beschriebenen Grenzflächenschicht wird eine Rekri
stallisation an der Grenzfläche jedoch selbst bei
hohen Temperaturen unterdrückt.
Als Kontaktmaterial kann auf der Grenzflächenschicht
eine bevorzugt ebenfalls amorphe und hochdotierte
Siliziumschicht angeordnet sein. Anstatt Silizium
kann diese Kontaktschicht auch Wolframsilizid enthal
ten. Um ein späteres Bonden des Bauelementes zu er
möglichen, läßt sich auf der Kontaktschicht noch eine
ggf. durch eine Diffusionsbarriere vom Kontaktmateri
al getrennte Kontaktmetallisierung aufbringen.
Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und den
Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfin
dungsgemäßen Schottky-Kontaktierung; und
Fig. 2: die Strom-Spannungs-Kennlinie einer erfin
dungsgemäßen Schottky-Kontaktierung.
Obwohl die aktiven Schichten der erfindungsgemäßen
Bauelemente prinzipiell aus allen Wide-Gap Halblei
tern wie Diamant oder SiC, GaN, AlN, kubischem Bor
nitrid oder deren ternären Verbindungen bestehen kön
nen, wird nachfolgend anhand von Fig. 1 exemplarisch
die Herstellung einer Schottky-Diode auf Diamantbasis
beschrieben.
Auf ein für das Diamantwachstum geeignetes Substrat 1
wird ein Diamantfilm 2 aus der Gasphase im CVD-Ver
fahren aufgebracht. Auf Silizium-, Molybdän- und Si
liziumdioxidsubstraten lassen sich polykristalline
Diamantschichten und auf Diamantsubstraten homoepi
taktisch einkristalline Diamantschichten abscheiden.
Die Dicke der aktiven Diamantschicht beträgt in Ab
hängigkeit von Dotierung und gewünschter Durchbruchs
spannung typischerweise 40-500 nm.
Die Funktion einer Schottky-Diode auf homoepitaktisch
einkristallinen Diamantschichten und polykristallinen
Diamantschichten erfordert eine niedrige Dotierung
der abgeschiedenen Diamantschicht von unter 1017 cm-3
im Bereich der Grenzfläche zur Schottky-Kontaktie
rung. Diese Dotierung erfolgt üblicherweise mit Bor.
Um einen scharfen Übergang von dem hochdotierten
Rückkontakt 1 zu der gering dotierten aktiven Schicht
zu erhalten, wird eine Bor-Feststoffquelle zu Beginn
des mikrowellenunterstützten epitaktischen Wachstums
für kurze Zeit in die CVD-Kammer eingeführt. An
schließend wird der Film in Abwesenheit von der Bor-
Feststoffquelle weitergewachsen. Die Oberflächenkon
zentration von Bor hängt von der Wachstumszeit ab und
kann bei einer Dicke der aktiven Schicht von 0,5 µm
bis auf 2 × 1015 cm-3 sinken.
Im Anschluß an das epitaktische Abscheiden der Dia
mantschicht 2 wird die Diamantoberfläche 3 zur Ver
ringerung der Oberflächenleitfähigkeit in einem Sau
erstoffplasma behandelt.
Die Abscheidung der amorphen Si:N-, Si:C- bzw. Si:O-
Grenzflächenschicht 4 auf der durch das Sauerstoff
plasma passivierten Diamantoberfläche 3 erfolgt in
einer Ionenstrahl-Sputteranlage. Dabei werden mit
einer ersten Ionenquelle je nach Art der Grenzflä
chenschicht 4 Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und/
oder Methan (CH4) ionisiert und die entstehenden
Stoffe direkt auf die Probe geführt. Eine zweite
Ionenquelle sputtert gleichzeitig das hochdotierte
Silizium auf die Probe. Mit einer solchen Vor
gehensweise lassen sich in das Silizium Sauerstoff
(Si:O), Stickstoff (Si:N) bzw. Kohlenstoff (Si:C)
einbauen. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einer
Dicke der Grenzflächenschicht 4 im Bereich von 5 nm
die Grenzflächenschicht bereits als Barriere fun
giert. Bevorzugt ist eine Schichtdicke von etwa
10 nm.
Auf die Grenzflächenschicht 4 wird anschließend amor
phes, bordotiertes Silizium als Kontaktschicht 5 mit
einer Dicke von typischerweise 10 nm bis 1 µm und
bevorzugt 50 nm aufgebracht. Das Aufbringen kann
ebenfalls in einer Ionenstrahl-Sputteranlage erfol
gen.
Die Dotierung des Kontaktmaterials 5 sollte minde
stens 1018 cm-3 betragen. Bevorzugt ist eine Dotierung
des Kontaktmaterials 5 von über 1020 cm-3. Technolo
gisch bedingt wird auch die in der Regel durchtunnel
te Grenzflächenschicht 4 eine Dotierung aufweisen.
Fig. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie des in
Fig. 1 dargestellten Bauelementes. Deutlich zu erken
nen ist, daß die Schottky-Kontaktierung auch bei
1000°C noch gleichrichtende Eigenschaften aufweist.
Für technische Diodenstrukturen sollte die Schottky-
Kontaktierung mit einer Kontaktmetallisierung verse
hen werden. Hierzu wird auf die Silizumschicht zu
nächst eine Silizium-Wolfram-Legierung aufgebracht,
in die ca. 10 Atom-% Stickstoff eingebaut ist. Auf
diese Diffusionsbarrierenschicht wiederum wird eine
Metallisierung aus Gold abgeschieden, welche das Bon
den des Bauelementes ermöglicht. Derartige Schottky-
Dioden eignen sich beispielsweise hervorragend als
Hochleistungsgleichrichter oder Thermistor. Die erfindungsgemäße
Schottky-Kontaktierung kann jedoch
auch als Steuerelektrode von Transistoren für den
Hochtemperatureinsatz fungieren. Auch im Falle von
sensorischen Anwendungen wie insbesondere der Strah
lungs-, Druck- oder Temperaturmessung oder der Ver
wendung für Aktuatoren erschließt die erfindungsgemä
ße Schottky-Kontaktierung neue Einsatzbereiche. Eine
aufwendige Kühlung kann bei Bauelementen mit dem er
findungsgemäßen Kontaktsystem entfallen.
Claims (16)
1. Elektronisches Bauelement mit einer aktiven
Schicht aus einem Halbleiter mit einer Bandlücke
von über 2 eV und mit einem zwischen der aktiven
Schicht und einer Silizium enthaltenden Kon
taktierung ausgebildeten Schottky-Kontakt, wobei
die Kontaktierung mindestens eine auf der
aktiven Schicht angeordnete amorphe, dotierte Silizium-Grenzflächenschicht (4) die min
destens eines der Elemente Stickstoff, Kohlen
stoff und Sauerstoff enthält
sowie eine auf der Grenzflächen
schicht (4) angeordnete dotierte Kontaktschicht
(5) umfaßt, die Grenzflächenschicht (4)
eine Dicke von über 5 nm aufweist und
wobei die Elemente Stickstoff, Kohlenstoff und
Sauerstoff in der Grenzflächenschicht (4) einen
Gesamtanteil zwischen 40 und 80% aufweisen.
2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht
(5) eine Siliziumschicht ist.
3. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grenzflächenschicht (4) ein refraktäres
Metall enthält.
4. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elemente Stickstoff, Koh
lenstoff und Sauerstoff in der Grenzflächen
schicht (4)
einen derartigen Gesamtanteil aufweisen, daß eine diskrete, thermodynamische
stabile Phase aus dem mindestens ein Element und Silizium vorliegt.
5. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die aktive Schicht (2) einkristallin oder poly
kristallin ist.
6. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die aktive Schicht (2) aus Diamant oder SiC be
steht.
7. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Kontaktschicht (5) eine Kontaktmetalli
sierung angeordnet ist.
8. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktmetal
lisierung und Kontaktschicht (5) eine als Dif
fusionsbarriere fungierende Schicht angeordnet
ist.
9. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektronische Bauelement eine Schottky-Diode
ist.
10. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektronische Bauelement ein Sensor oder ein
Aktuator ist.
11. Elektronisches Bauelement nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das elektronische Bauelement ein Transistor ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen
Bauelementes mit einer aktiven Schicht (2) aus
einem Halbleiter mit einer Bandlücke von über
2 eV und mit einem zwischen der aktiven Schicht
(2) und einer Silizium enthaltenden Kontaktie
rung ausgebildeten Schottky-Kontakt, enthaltend
die Schritte
- a) epitaktisches Wachstum der aktiven Schicht (2) auf einem Substrat (1);
- b) Aufbringen einer amorphen, dotierten Silizium-Grenzflächenschicht, die mindestens eines der Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält mit einer Dicke über 5 nm auf die aktive Schicht (2) derart, daß die Elemente Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff in der Grenzflächenschicht einen Gesamtanteil zwischen 40 und 80% aufweisen, und
- c) Aufbringen einer dotierten Kontaktschicht (5) auf die Grenzflächenschicht (4).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß vor dem Aufbringen der Grenz
flächenschicht (4) die Oberfläche (3) der
aktiven Schicht (2) in einem Sauerstoffplasma
behandelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der
aktiven Schicht (2) nur zu Beginn des epitakti
schen Wachstums erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen
schicht (4) durch Sputtern abgeschieden wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß von einer ersten Sputterquelle das
hochdotierte Silizium gesputtert wird und
gleichzeitig von einer zweiten Sputterquelle
mindestens eines der Elemente Sauerstoff, Stick
stoff und Methan ionisiert und gesputtert wird.
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-
1998
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VENKATESAN V., VON WINDHEIM J.A., DAS K.: Deep-Le-vel Effects on Forward Characteristics of Recti- fying Contacts on Semiconducting Diamond. In: IEEE Transactions on Electron Devices, ISSN:0018-9383, 1993, Vol. 40, No.8, S. 1556-1558 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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