DE2252832A1 - Halbleiterelement mit elektroden sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Halbleiterelement mit elektroden sowie verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Anbringung von Elektroden an einem Halbleiterelement, insbesondere an einem Halbleiterelement mit einer flachen bzw. dünnen Übergangszone.
Bisher wird im allgemeinen Aluminium als Elektrodenmaterial bei Halbleiterelementen verwendet. Aluminium führt jedoch zu chemischen bzw. Legierungsreaktionen mit dem Halbleitermaterial bei einer relativ niedrigen Temperatur. Insbesondere bei der Bildung von Halbleiterelement'en wie z.B. Ultrahochfrequenz-Verstärkungstransistoren und Höchstgeschwindigkeits-Schalttransistören mit extrem flachem P-N-
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übergang kann deshalb der Reaktionsbereich leicht den P-N-Ubergang erreichen und die Übergangszone zerstören. Infolgedessen sind die üblichen Halbleiterelemente mit Aluminiumelektroden thermisch ziemlich instabil.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein thermisch stabiles Halbleiterelement zu schaffen.
Ferner sieht die Erfindung ein neues und leicht durchzuführendes Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen mit hoher Zuverlässigkeit vor.
Gemäß der Erfindung bestehen die Elektroden eines Halbleiterelementes aus einer extrem dünnen Aluminiumschicht zum Herstellen eines guten ohmschen Kontaktes mit dem Halbleiter, einer metallischen Sperrschicht aus Tantal, Wolfram oder Molybdän über der dünnen Aluminiumschicht, und einer leitfähigen Aluminiumschicht über der Sperrschicht. Mit einem solchen Elektrodenaufbau wird der ohmsche Kontakt zwischen der Elektrode und dem Halbleiter dadurch erhalten, daß das Halbleitersubstrat auf eine Temperatur in der ilahe der Reaktionsbzv/. Legierungsteinperatur von Silizium und Aluminium aufgeheizt wird. Die Reaktionstenvneratur von Aluminium mit Silizium ist 575° C, während die ueaktionstemperatüren von Tantal, Wolfram und iloiybdän mit Silizium 2400 C, 2150° C und 1870° C betragen und sumit wesentlich höher
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liegen als die Reaktionstemperatur Aluminium-Silizium. Durch Erwärmen des Siliziumträgers auf eine Temperatur in der Näher der Reaktionstemperatur Aluminium-Silizium wird deshalb nur die dünne Aluminiumschicht zur Reaktion mit dem Siliziumträger gebracht, so daß Aluminiumsilicid gebildet wird und dadurch ein guter ohmscher Kontakt hergestellt wird. Die Tiefe der Aluminiumsilicidschicht hängt ab von der Erwärmungstemperatur und der Dicke der dünnen Äluminiumschicht. Wenn deshalb die Dicke der dünnen Aluminiumschicht im voraus auf den richtigen Wert in Abhängigkeit von der Tiefe der Übergangszone eingestellt wird, ist es möglich, eine Zerstörung der Übergangszohe zu vermeiden, auch wenn eine Wärmebehandlung während langer Zeit erfolgt. Mit anderen Worten, wird die Dicke der untersten, dünnen Aluminiumschicht gemäß der Erfindung so ausgewählt,,daß die sich durch Reaktion der dünnen Aluminiumschicht mit dem Siliziumträger bildende Aluminiumsilicidschicht auch eine extrem flach liegende P-N-Übergangszone in dem SiIi- · ziumträger nicht erreicht, und zwar bei jeder möglichen Wärmebehandlung, der der Siliziumträger unterworfen wird.
Wenn z.B. ein ohmscher Kontakt hergestellt werden soll zwischen der dünnen Aluminiumschicht und dem Siliziumträger durch Aufheizen des Siliziumträgers auf 400° C bis 500° C und wenn die Tiefe der obersten Übergangszone in dem Siliziumträger 0,2. bis 0,8 μια beträgt, dann wird die Dicke der dünnen Aluminiumschicht entsprechend der Tiefe der Übergaiißs-
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zone so eingestellt, daß sie weniger als 0,01 bis 0,05 μπι beträgt. Durch diese Maßnahme ißt es möglich, eine Zerstörung der Übergangszone während der Wärmebehandlung zur Ausbildung des ohmschen Kontaktes und auch während etwaiger weiterer Wärmebehandlungen zu vermeiden. Im allgemeinen liegt auch bei nachfolgenden Wärmebehandlungen die Temperatur nicht über 500° C. Die Schicht aus Tantal, Wolfram oder Molybdän oberhalb der dünnen Aluminiumschicht braucht nur eine solche Dicke zu haben, daß sie eine wirksame Sperre gegen die darüber liegende, leitfähige Aluminiumschicht bildet. Wenn ein selektives anodisches Oxydationsverfahren verwendet wird, ist es hauptsächlich aus herstellungstechnischen Gründen erwünscht, daß die Dicke der Tantal-, Wolframoder Molybdänschicht etwa 0,1 μΐη beträgt. Durch den erfindungsgemäßen Elektrodenaufbau wird eine ausgezeichnete thermische Stabilität erhalten, und zwar auch bei Halbleiterelementen, die eine extrem flach liegende Übergangßzone aufweisen.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird zum Bilden der Elektroden nicht das übliche selektive Ätzverfahren, sondern eine selektive anodische Oxydation verwendet. Hierdurch wird gleichzeitig mit der Bildung der Elektroden die Oberfläche des Halbleitersubstrates vollständig mit Schichten aus chemisch und elektrisch stabilen Metalloxyden bedeckt. Infolgedessen ist die in dem Halblei-
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tersubstrat gebildete Übergangszone gegen äußere Korrosionseinflüsse ausreichend geschützt, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit erreicht wird.
AusfUhrungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 a) bis 1 g) zeigen die Herstellung eines Halbleiterelementes gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung durch Anwendung des selektiven anodischen Oxydati onsverfah-r rens. Zunächst wird ein Halbleitersubstrat 1 mit den erforderlichen P-N-Übergängen hergestellt, dessen Oberfläche mit einem Siliziumoxydfilm 2 bedeckt ist, mit Ausnahme der Öffnungen zum Herausführen der Elektroden (Fig. 1 a)). An der Oberfläche des Siliziumoxydfilms 2 mit den Öffnungen wird ein dünner, 0,01 μΐη starker Aluminiumfilm 3 gleichförmig abgeschieden und darauf werden nacheinander eine 0,1 μπι starke Tantalschicht 4 und eine 1,5 μπι dicke Aluminiumschicht 5 abgeschieden, und zwar jeweils durch Aufdampfen (Fig. 1 b)). Eine erste Anodenoxydation wird auf die gesamte Oberfläche der Aluminiumschicht 5 angewendet, um eine etwa 0,1 μπι dicke poröse Aluminiumoxydschicht 6 zu bilden (Fig. 1 c)). Diese poröse Aluminiumoxydschicht 6 hat die Wirkung, daß sie die Haftfestigkeit des photoresistiven
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Lacks beim folgenden zweiten Anodenoxydationaschritt verbessert. Zur Bildung der porösen Aluminiumoxydschicht 6 ist es zweckmäßig, die Anodenoxydation mit einer 10bigen Chromsäure in wässriger Lösung und mit einer konstanten Spannung von 10 V zehn Minuten lang durchzuführen. Anschließend wird eine photoresistive Schicht auf der Oberfläche der porösen Aluminiumoxydschicht 6 aufgebracht, wobei alle Flächen mit Ausnahme derjenigen, an denen die Elektroden gebildet werden sollen, mit der photoresistiven Schicht 12 bedeckt werden. Unter Verwendung der photoresistiven Schicht 12 als Maske wird die zweite Anodenoxydation durchgeführt, wodurch eine stärkere und undurchlässige (composite) Aluminiumoxydschicht 7 in den Teilen gebildet wird, wo die photoresistive Schicht die poröse Aluminiumoxydschicht 6 nicht abdeckt (Fig. 1 d)). Für diese zweite Anodenoxydation ist es zweckmäßig, eine Lösung von Äthylenglykol gesättigt mit Ammoniumborat zu verwenden und die Oxydation mit einer konstanten Spannung von 80 V 15 Minuten lang durchzuführen. Danach wird der photoentwickelte Lack 12 entfernt und die dritte Anodenoxydation durchgeführt unter Verwendung der Aluminiumoxydschicht 7 als Maske. Hierdurch wird derjenige Teil der restlichen Aluminiumschicht 5, dessen Oberfläche nicht von der undurchlässigen Aluminiumoxydschicht V bedeckt isb, d.h. der Teil der Aluminiumschicht 5» der nur mit dem porösen Aluminiumoxydfilm 6 bedeckt ist, über seine ganze Dicke in eine poröse Aluminiumoxydschicht 8 umgewandelt (Fig. 1 e)). Die dritte Anodenoxydation wird vorteilhufterweise durchgeführt
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mit einer auf 10% verdünnten Schwefelsäure und bei einer konstanten Bildungsspannung von 10 V durchgeführt. Bei diesem Beispiel wird die nicht von der Aluminiumoxydschicht 7 abgedeckte Aluminiumschicht 5 in poröses Aluminiumoxyd umgewandelt durch etwa 15 Minuten lange Einwirkung der dritten Anodisierung. Bei dieser dritten Anodisierung ist die Tantalschicht 4 nahezu frei von Oxydation, da zu berücksichtigen ist, daß Tantal nur ein nicht poröses Tantaloxyd bilden kann, ein solches nicht poröses Oxyd aber in der speziell für die Bildung von porösem Oxyd vorgesehenen Lösung sich nicht ausbilden kann. Nunmehr wird eine vierte Anodenoxydation durchgeführt, um die Anodenoxydierung der Tantalschicht 4 zu bewirken. Hierbei wird die restliche Aluminiumschicht 5, die von dem undurchlässigen AluminiLimoxydfilm 7 abgedeckt ist, als Maske verwendet, und die unmaskierten Teile der Tantalschicht 4 und der darunter befindlichen dünnen Aluminiumschicht 3 werden anodenoxydiert und in Tantaloxyd 9 bzw. Aluminiumoxyd 10 umgewandelt (Fig. 1 f)). Für diese vierte Anodisierung wird vorteilhafterweise 3%iges Ammoniumziträt in wässriger Lösung und eine konstante Bildungsspannung von 200 V während einer Dauer von 15 Minuten verwendet. Danach wird das Halbleitersubstrat einer Wärmebehandlung von 450° C während einer Stunde unterworfen. Hierdurch wird ein guter ohmscher Kontakt zwischen den Elektroden und dem Halbleiter hergestellt und gleichzeitig wird das durch die Anodenoxydation gebildete Aluminiumoxyd und Tantaloxyd che-
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misch stabilisiert. Als letzter Schritt werden Öffnungen 11 zum Anbringen elektrischer Zuleitungen oder stromführender Schichten in den gewünschten Teilen der die Elektrode abdeckenden Aluminiumoxydschicht 7 ausgebildet. Damit ist die Bildung der Elektrodenstruktur fertig (Fig. 1 g)).
Bei dem Halbleiterelement gemäß der soeben beschriebenen Ausführungsform wird die Menge des Aluminiums für die chemische bzw. Legierungsreaktion mit dem Siliziumträger sehr exakt und klein bemessen. Hierdurch wird die Stabilität gegen Wärmeeinwirkungen merklich verbessert. Wenn eine übliche Aluminiumelektrode an einem Siliziumhalbleiterelement angebracht wird, welches eine verwaschene Emitterstruktur (washed-emitter structure) mit einer Übergangstiefe von 0,3 μπι hat, dann wird der Emitterübergang kurzgeschlossen bereits bei einer Wärmebehandlung von 300° C während etwa 30 Minuten oder bei 400° C während etwa 5 Minuten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde jedoch keine Verschlechterung beobachtet bei einer Wärmebehandlung von 400° C während 20 Stunden oder bei 500° C während 5 Stunden.
Wie beschrieben, bestehen die wesentlichen Merkmale der Erfindung in einer geschichteten Elektrodenstruktur, bestehend aus einer ersten, sehr dünnen Schicht aus Metall, die einen guten ohmschen Kontakt mit dem Halbleitermaterial "bilden kann und eine genau bemessene Dicke hat, einer zwei-
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ten, darüber angeordneten Metallschicht, die mit dem Halbleitermaterial nur bei extrem hohen Temperaturen reagiert, und einer dritten, Über der zweiten angeordneten Metallschicht mit guter Leitfähigkeit. Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung liegt in der Verwendung der Anodenoxydation zur Bildung der Elektroden in einem vorgegebenen Muster. Ein Hauptvorteil der Erfindung liegt in der Schaffung einer thermisch stabilen Elektrode. Ferner ermöglicht es die Erfindung, ein Halbleiterelement zu schaffen, dessen Halbleiteroberfläche vollständig durch elektrische und chemische Metalloxyde geschützt ist.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführraigsform beschränkt, sondern Ausgestaltungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.
Zusammenfassung der Bezugszeichen: Fig. 1 (a) bis 1 (g) veranschaulichen im Schnitt durch ein Halbleitersubstrat verschiedene Stufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens! die Bezugszeichen sind:
1 das Siliziumsubstrat
2 eine Siliziumoxydschicht
3 und 5 Aluminiumschichten
4 eine Tantälschicht
6, 7, 8 und 10 Aluminiumoxyd
9 Tantaloxyd
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    Halbleiterelement mit Elektroden aus einem leitfähigen Metall, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode einen mehrschichtigen Aufbau hat, wobei sich zwischen der Schicht aus leitfähigem Metall und dem Halbleitermaterial eine unterste, extrem dünne Schicht aus einem zur Bildung eines guten ohmschen Kontaktes mit dem Halbleitermaterial befähigten Metall und darüber als zweite Schicht eine Sperrschicht aus einem mit dem Halbleitermaterial schlecht reagierenden Metall befindet.
  2. 2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überflache des Halbleiterelementes eine Siliziumoxydschicht aufweist und diese auf ihrer ganzen Fläche durch die Elektroden und durch elektrisch isolierende Schichten, die aus Oxyden der die Elektrodenschichten bildenden Metalle bestehen, abgedeckt ist.
  3. 3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Schicht aus Aluminium und die zweite Schicht aus Tantal, Wolfram oder Molybdän besteht.
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  4. 4. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der untersten Schicht im Bereich von 0,01 bis 0,05 μπι liegt.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einem Halbleitersubstrat mit einer Siliziumoxydoberfläche auf einem ausgewählten Bereich der Oberfläche die erste Metallschicht, die zweite Metallschicht und die dritte Metallschicht aufbringt, eine Anodenoxydationsbehandlung durchführt, um selektiv Teile der ersten, zweiten und dritten Schicht in elektrisch isolierende Oxydschichten umzuwandeln, und daß mail eine Wärmebehandlung durchführt, um die erste Metallschicht mit dem Halbleitersubstrat zur Reaktion zu bringen.
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