DE2422621A1 - Halbleiteranordnung vom iii-v-typ mit ohmschen kontakten und verfahren zur herstellung dieser kontakte - Google Patents

Halbleiteranordnung vom iii-v-typ mit ohmschen kontakten und verfahren zur herstellung dieser kontakte

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DE2422621A1
DE2422621A1 DE2422621A DE2422621A DE2422621A1 DE 2422621 A1 DE2422621 A1 DE 2422621A1 DE 2422621 A DE2422621 A DE 2422621A DE 2422621 A DE2422621 A DE 2422621A DE 2422621 A1 DE2422621 A1 DE 2422621A1
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Description

FPHN.7095. 3.5.1972W Va/EVH.
ONTH1:* M. Γν'ΛΊΓ) An- ?■'·■ .N> Y. Philips'Gloeilampenfabriekeo
AMt. PHN- 7095 2422321
Anmeldune vom: 8. Mai 1974 .
Halbleiteranordnung vom HI-V-Typ mit ohmschen Kontakten und Verfahren zur Herstellung dieser Kontakte
Die Erfindung bezieht sich auf einen Körper aus Halbleitermaterial, das im wesentlichen aus mindestens einem Element der Spalte IXXA des periodischen 'Systems von Elementen mit einer unter 50 liegenden Atomzahl und mindestens einem Element der Spalte VA des genannten Systems mit einer unter 52 liegenden Atomzahl besteht, wobei der Körper mindestens ein Gebiet von einem bestimmten Leitfähigkeitstyp enthält, in dem die Nettoanzahl den genannten .Leitfähigkeitstyp
17 herbeiführender Verunreinigungen niedriger als 10 Atom«/cm ist und das mindestens einen ohmschen Kontakt aufweist«
Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Körpers«
BAD ORIGINAL
409849/0778
FPHN.7095. - 2 - 3.5.7**.
2422521
Es ist bekannt, dass die Eigenschaften an der Oberfläche oder in der Masse eines Körpers aus Halbleitermaterial in erheblichem Masse durch alle Gitterfehler beeinträchtigt werden, die durch das Vorhandensein von freien Elektronen oder von Lücken herbeigeführt werden. Im ersten Falle ist das Material η-leitend und im zweiten Falle p-leitend.
Diese Gitterfehler werden oft durch das Vorhandensein von Verunreinigungen herbeigeführt,. die entweder den n- oder den p-Leitfähigkeitstyp herbeiführen, welchem Vorhandensein bei Verbindungen noch eine geringe Störung des stöchiometrischen Gleichgewichts hinzugefügt werden kann, wobei das Element, das, in Ueberschuss vorhanden ist, eine Verunreinigung bilden kann«
Bs ist bekannt, dass, wenn in einem gleichen Material die Anzahl den η-Typ herbeiführender Verunreinigungen der Anzahl den p-Typ herbeiführender Verunreinigungen äquivalent ist, dieses sogenannte kompensierte Material einen grossen Teil der Eigenschaften der reinen Materialien wiedergewinnt und dass die Merkmale eines Materials, das durch Einführung. von nur wenig voneinander verschiedenen Anzahlen von Verunreinigungen erhalten wird, gerade von dem Unterschied zwischen diesen beiden Anzahlen von Verunreinigungen abhangig sind«
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Halbleiterkörper, in denen die Nettoanzahl an Verunreinigungen
17 T
niedriger als 10 Atome/cm ist,
- BAD ORIGINAL
409849/0 778
PPHN.7095. ·- 3 - 3.5.72U
Es ist bekannt, dass die Herstelltang ohmscher Kontakte auf Gebieten von Halbleiterkörpern mit einer geringen Anzahl von Verunreinigungen .eines einzigen Typs oder mit einem geringen Nettounterschied zwischen, den Anzahlen von Verunreinigungen der beiden Typen ein schwer zu lösendes Problem ergibt. Auf einem praktisch degenerierten Halbleitergebiet kann durch ein beliebiges Verfahren eine Schicht aus bestimmten Metallen, z.B. eine Aluminiumschicht, niedergeschlagen werden, wobei der Halbmetallcharakter des Materials genügend ist, um den ohmschen Charakter des so erhaltenen Kontaktes herbeizuführen.
Dagegen ist auf einem Halbleitergebiet mit einer geringen Anzahl (oder Nettoanzahl) von Verunreinigungen der Niederschlag eines Metalls nicht genügend, um den ohmschen Charakter des Kontakts zu gewährleisten, sogar wenn diesem Niederschlagvorgang eine Diffusionserhitzung folgt. Dies trifft insbesondere für die sogenannten III-V-Halbleitermaterialien zu, dih, Verbindungen, die im wesentlichen mindestens ein Element der Spalte HIA des periodischen Systems' von Elementen und mindestens ein Element der Spalte VA des genannten Systems enthalten. Auf diesen Materialien bildet sich eine Oberflächensperrschicht auf dem genannten Dotierungspegel von 10 Atomen/cm , wodurch das obengenannte üblicherweise angewandte Verfahren, bei dem eine starke Dotierung verwendet wird, völlig unbrauchbar wird.
Uebrigens ist der Gebrauch von Materialien vom III-V-Typ mit einem niedrigen Dotierungspegel für die
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PPHN.7095.
- h - 3.5.74.
Herstellung einer Vielzahl von Anordnungen unvermeidlich. So erfordert z.B. eine befriedigende Wirkung elektrolumineszierender Galliumphosphiddioden (GaP) zum Erhalten einer zweckmässigen grünen Lumineszenz eine optimale Nettoanzahl .
17 *ί von Verunreinigungen, die niedriger als 10 Atome/cm ist.
Ebenso erfordern die Galliumarsenidoszillatoren (GaAs) mit Gunn-Effekt eine optimale Nettoanzahl von Verunreinigungen
15 3
von etwa 10 Atomen/cm .
In gewissen Fällen wurden fir diese Anordnungen Kontakte aus"reinem Gold oder aus einer Goldlegierung hergestellt, aber diese Technik hat sich als schwierig erwiesen und ihre Ergebnisse sind häufig ungünstig. Das Gold diffundiert nämlich sehr schnell in die Ill-V-Verbindungen ein und sein Vorhandensein in der Nähe der Uebergänge ändert die Wirkung derselben. XJm das Gold an der Oberfläche beizubehalten, müssen die während des Niederschlag- und des Härtungsvorgangs angewandten Temperaturen verhältnismässig niedrig sein, um eine schnelle Diffusion zu vermeiden, aber müssen diese Temperaturen doch genügend hoch sein, um eine Haftung des Goldes auf dem Material herbeizuführen; dadurch sind die Temperaturbereiche sehr klein und lassen sich schwer und mit grossem Aufwand erhalten, während die Mengen an fehlerhaften Erzeugnissen gross sind.
Schliesslich ist Gold dazu geneigt, mit der III-V-Verbindung ternäre Legierungen zu bilden, die bei Erhitzung wiederkristallisieren. Diese Erscheinung äussert sich besonders
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PPHN.7095. - 5 - ' 3·5.7^.
deutlich im Falle von Gold-Germanium und Gold-Zinn, wobei die gebildete Legierung ohne Zweifel komplexer ist.
Die wiederkristallisierten Zonen, die die Basiseigenschaften des Materials verlieren, bilden ein Hindernis für ein befriedigendes Photoätzen.
Weiter wird die Anzahl Strukturen, in denen Gold brauchbar ist, erheblich herabgesetzt, weil dieses Metall weder an Siliciumoxid noch an Siliciumnitrid haftet. Dadurch ist es unmöglich, bei der Durchführung zahlreicher Techniken, insbesondere der sogenannten Planartechniken, Gold zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Nachteilen zu begegnen. Nach der Erfindung ist ein Körper aus Halbleitermaterial, das im wesentlichen aus mindestens einem Element der Spalte IXXA: des periodischen Systems von Elementen mit einer unter 50 liegenden,Atomzahl und mindestens einem Element der Spalte VA des genannten Systems mit einer unter 52 liegenden Atomzahl besteht, wobei der genannte Körper mindestens ein Gebiet von einem bestimmten Leitfähigkeitstyp enthält, in dem die Nettoanzahl den genannten Leitfähigkeitstyp herbei-
17 "i
führender Verunreinigungen niedriger als 10 ' Atome/cm ist und das mindestens einen ohmschen Kontakt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte ohmsehe Kontakt mindestens zwei Elemente enthält, von denen ein erstes Basismetallelement aus einer ersten aus Aluminium, Tantal, Titan und Zirkon bestehenden Gruppe und ein zweites Element aus einer zweiten aus Zink, Beryllium, Magnesium, Cadmium, Silicium, Germanium,
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FPHN.7095. - 6 - 3.5.74.
Zinn, Schwefel, Selen und Tellur bestehenden Gruppe gewählt ist und in einem Halbleitermaterial den Leitfähigkeitstyp des den genannten Kontakt tragenden Gebietes herbeiführt.
Anmelderin hat nämlich gefunden, dass alle Metalle der ersten genannten Gruppe eine bestimmte Anzahl gemeinsamer Eigenschaften aufweisen, durch die sie dazu geeignet sind, das Basiselement des Kontaktes zu bilden: sie bilden keine Legierungen mit der Verbindung vomlll-V-Typj sie üben selber keinen Einfluss auf den Leitfähigkeitstyp des Materials aus, insbesondere weil sie nicht bei niedriger Temperatur diffundieren.; sie haften an der Oberfläche des Materials vom III-V-Typ. Weiter haften sie an den gewöhnlich auf der Schutzschicht von in. der Planartechnik verwendeten Materialien, z.B. Siliciumoxid und Siliciumnitrid,.wodurch es möglich wird, sie in dieser Technik zu verwenden und dadurch diese Technik für-Materialien vom III-V-Typ mit einer geringen Anzahl an Verunreinigungen zu benutzen, was bisher unmöglich war. Dann können zugleich mit den eigentlichen Kontakten die Leiterbahnen der Anordnung hergestellt werden, die. auf der isolierenden Schutzschicht niedergeschlagen werden.
Veiter lassen sich diese Metalle leicht zum Photoätzen verwenden. Uebrigena können sie als Lösungsmittel für das zweite Element des Kontaktes dienen.
Anmelderin hat weiter gefunden, dass die Elemente der zweiten Gruppe, von denen Zink, Beryllium, Magnesium und Cadmium in einer III-V-Verbindung den p-Leitfähigkeitstyp
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FPHN57095. - 7 - 3.5.7^.
herbeiführen, Zinn, Schwefel, Selen und Tellur den η-Leitfähigkeit styp herbeiführen und Silicium und Germanium amphoter sind, leicht in den Metallen der ersten Gruppe, insbesondere durch Lösung und bei niedriger Temperatur durch Diffusion, aufgenommen werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Aluminium als Basismetallelement verwendet.
Dieses Element weist nämlich den Vorteil einer grossen Biegsamkeit und einer grossen AnfangsStabilität auf, welche Eigenschaften die Kontinuität der Leiterbahnen über die Ränder der Schutzschichten hin gewährleisten.
Weiter ermöglicht Aluminium, das lötbar ist, einen Anschluss an einem Gehäuse.
Bei einer zweiten günstigen Ausführungsform wird Titan verwendet, das nachher mit einer Goldschicht überzogen wird. Dabei wird kein einziges wiederkrxstallisierbares Eutektikum gebildet und das Gold kann mit dem Gehäuse verbunden werden.
Als zweites Element wird vorzugsweise Zink auf den p-leitenden Gebieten, und Tellur auf den η-leitenden Gebieten verwendet.
Das Zink weist nämlich eine grosse Löslichkeit in den III-V-Materialien auf. Diese Eigenschaft ist an sich wichtig, v/eil sie eine hohe Dotierungskonzentration ohne Bildung von Legierungen bei geringen Konzentrationen ermöglicht; sie ist auch wichtig, weil sie zu einer grossen Diffusionsgeschwindigkeit bei niedriger Temperatur beiträgt, was die Aufnahme
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FPHN.7095. - 8 - 3.5.71*.
dieser Verunreinigung erleichtert. Weiter verdampft dieses Material, das einen niedrigen Schmelzpunkt und bei niedriger Temperatur eine verhältnismässig hohe Dampfspannung aufweist, leicht mit Aluminium, was eine einfache Herstellung ermöglicht, Andererseits ist dieses Metall preiswert.
Tellur weist einen niedrigen Schmelzpunkt und günstige Diffusionseigenschaften auf. Es lässt sich übrigens gut zusammen mit Aluminium verwenden, weil es keine Legierungen mit diesem Metall bildet, was die Diffusion in das Material stören würde.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers mit Kontakten, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des genannten Körpers durch ein beliebiges Verfahren und an geeigneten Stellen Schichten gebildet werden, die das erste und'das zweite Element enthalten, die Kontakte bilden, und dass nachher in einer neutralen oder reduzierenden Atmospäre während 10 bis 40 Minuten eine Erhitzung bei einer Temperatur zwischen 350 und 6500C durchgeführt wird.
Während dieser Erhitzung dringt das in dem Basismetall aufgenommene Dotierungselement in die Oberflächenschicht des Körpers ein, bildet dort eine örtliche diffundierte Schicht, die gerade durch die Sperrschicht hindurchgeht und die Wirkung des Potentialwalles auf diesem Dotierungspegel auf ein Mindestmass beschränkt.
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FPHN.7095. - 9 - 3.5.7**.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Die. einzige Figur zeigt die Energiepegel des Materials eines Halbleiterkörpers in der Nähe der Grenzfläche.
In dieser Figur ist als x-Achse der Abstand von der Oberfläche des genannten Körpers aufgetragen; als y-A'chse sind in eV die Energiepegel aufgetragen.
Kurve 1 stellt den niedrigsten Pegel des Leitungsbandes und Kurve 2 den höchsten Pegel des Valenzbandes dar.
Die Teile 1a und 2a dieser beiden Kurven entsprechen der Sperrschicht»
In dieser Figur ist mit dem Pfeil F ein einfallendes Elektron angedeutet.
Um in den Körper einzudringen und das Leitunsband zu. erreichen, muss das Elektron F durch einen Tunneleffekt durch die Schicht mit einer Dicke a-b hindurchdringen. Diese Dicke liegt in der Grössenordnung von 0,1 /um im Falle von GaAs, GaP und GaAsP, wenn der Dotierungspegel dieser Materialien
17 3
10 Atome/cm beträgt, und liegt in der Grössenordnung von 1/um für GaAs, wenn der Dotierungspegel 10 Atome/cm beträgt. Die Anzahl Elektronen, die durch einen Tunneleffekt durch eine derartige Dicke hindurchdringen kann, ist nun üusseret beschränkt.
Die Zufuhr des Dotierungselements, das als zweites Element in dem Kontakt aufgenommen ist und das in sehr geringem Masse durch Erhitzung diffundiert ist, verwandelt einen Teil der Kurve 3,
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FPHN.7095. - 10 - 3.5.7^.
Bei den durch diese Verwandlung herbeigeführten Aenderungen ergibt sich, dass die Materialdicke, durch die ein einfallendes Elektron durch den Tunneleffekt hindurch-
o dringen muss, stark, z.B. in der*Grössenordnung von 500 A herabgesetzt ist, was die Dicke der örtlich durch Diffusion gebildeten dotierten Schicht ist.
Gerade weil es sich um eine Diffusion und nicht um eine Legierung handelt, behält der Halbleiterkörper in allen in ihm enthaltenen Gebieten, einschliesslich in denjenigen Gebieten, in denen die Kontakte gebildet sind, die gleichen Eigenschaften bei, wodurch insbesondere die Bildung dieser Kontakte mit der Anwendung von Photoätzbearbeitungen kompatibel ist.
Als nichtbeschränkendes erstes Beispiel sei die Bildung von Kontakten auf p-leitendem Material von GaAs beschrieben, wobei das Basismetallelement des Kontakts Aluminium und das zweite Element Zink ist. Vorzugsweise erfolgt der Niederschlag durch Verdampfen im Vakuum, wobei von einer Scheinlegierung von Aluminium und Zink mit einigen Prozenten (z.B. 1 bis 10 Zink ausgegangen wird. Während der Bearbeitung verdampft das Zink zunächst und anschliessend das Aluminium, was nur Vorteile ergibt. Die Dicke der niedergeschlagenen Schicht liegt vorzugsweise in der Grossenordnung von 1 /um.
Sobald das Material niedergeschlagen ist, wird der Körper in einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre während 10 bis 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen
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und 600CC, vorzugsweise während 15 Minuten bei 5000C, erhitzt. Selbstverständlicli gibt es eine optimale Regelung für jede Erhitzung, die eine maximale Güte mit sich bringt. Dieses Verfahren schafft die Möglichkeit, eine
diffundierte Schicht auf einer Tiefe in der Gr8ssenordnung
von 500 A zu bilden, die sich zur Herstellung von elektrolumineszierenden Dioden und von Anordnungen mit Gunn-Effekt eignet.
■ Auf GaAs P1 , wobei χ zwischen 1 und 0,8 liegt, ist das Verfahren identisch.
Auf GaP besteht die einzige Aenderung darin, dass die Erhitzung bei einer etwas höheren Temperatur, und zwar zwischen 550 und 6200C (vorzugsweise bei 600°C) und während 10 bis 20 Minuten (vorzugsweise während 15 Minuten) stattfindet.
Auf denselben Materialien erfolgt die Bildung von Aluminium-Beryllium-Kontakten auf gleiche Weise, wobei von einer Legierung von Aluminium-Beryllium mit 0,1 - 2 At.$ Beryllium ausgegangen wird.
Auf η-leitendem Material wird der Aluminium-Tellur-Kontakt durch Erhitzung bei 6000C während 20 bis ho Minuten erhalten.
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Claims (1)

  1. FPHN.7095. - 12 - 3.5.74.
    PATENTANSPRUECHE;
    1.J Körper aus einem Halbleitermaterial, das im wesentlichen aus mindestens einem Element der Spalte UIA des periodischen Systems von Elementen mit einer unter 50 liegenden Atomzahl und mindestens einem Element der Spalte VA des genannten Systems mit. einer unter 52 liegenden Atomzahl besteht, wobei der genannte Körper mindestens ein Gebiet von einem bestimmten Leitfähigkeitstyp enthält, in dem die Nettoanzahl den genannten Leitfähigkeitstyp herbeiführender Verunreinigungen
    17 T
    niedriger als 10 Atome/cm ist und das mindestens einen ohmschen Kontakt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte ohmsche Kontakt mindestens zwei Elemente enthält, von denen ein erstes Basismetallelement aus einer ersten aus Aluminium, Tantal, Titan und Zirkon bestehenden Gruppe und ein zweites Element aus einer zweiten aus Zink, Beryllium, Magnesium, Cadmium, Silicium, Germanium, Zinn, Schwefel, Selen und Tellur bestehenden Gruppe gewählt ist und in einem Halbleitermaterial den Leitfähigkeitstyp des den genannten Kontakt tragenden Gebietes herbeiführt.
    2. - Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismetallelement Aluminium und das zweite Element Zink ist.
    3·. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement Aluminium und das zweite Element Beryllium ist, ht Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement Titan ist, das mit einer Goldschicht überzogen ist,
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    FPHN.7095.
    - 13 - 3.5.71*.
    5« Körper nacli Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass das Basismetallelement Aluminium und das zweite Element Tellur ist.
    6. Verfahren zum Erhalten eines Körpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den geeigneten Stellen Schichten angebracht werden, die das erste und das zweite Element enthalten, die den Kontakt bilden, und dass nachher in einer sauerstoffreien Atmosphäre eine Erhitzung bei einer Temperatur zwischen 350 und 65O°C durchgeführt wird, wobei die genannte Erhitzung 10 bis hO Minuten dauert.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten von Halbleiterkörpern aus Materialien, wie GaAs und GaAs P1 , (wobei für das letztere Material χ zwischen 1 lind 0,8 liegt) die Kontakte tragen, die Aluminium und Zink enthalten, an geeigneten Stellen eine Aluminiumschicht mit 1 bis 10 At,$ Zink angebracht wird, und dass dann eine Erhitzung während 10 bis 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen 400 und 6000C durchgeführt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten von Halbleiterkörpern aus Materialien, wie GaAs und GaAs P1 , (wobei für das letztere Material χ zwischen 1 und 0,8 liegt) die Kontakte tragen, die Aluminium und Beryllium enthalten, an geeigneten Stellen eine Aluminiumschicht mit 0,1 bis 2 At.$ Beryllium angebracht wird, und dass dann eine Erhitzung während 10 bis 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen 400 und 6000C durchgeführt wird.
    409849/0 7.7 8
    FPHN.7095. - 14 - 3.5.74.
    9· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten von Halbleiterkörpern aus GaP, die Kontakte tragen, die Aluminium und Zink enthalten, an geeigneten Stellen eine Aluminiumschicht mit 1 bis 10 At.^ Zink niedergeschlagen wird, und dass .dann während 10 bis 20 Minuten eine Erhitzung bei einer Temperatur zwischen. 550 und 6200C durchgeführt wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten von Halbleiterkörpern aus GaP, die Kontakte tragen, die Aluminium und Beryllium enthalten, an geeigneten Stellen eine Aluminiumschicht mit 0,1 bis 2 At.$ Beryllium niedergeschlagen wird, und dass dann eine Erhitzung während 10 bis 20 Minuten bei einer Temperatur zwischen 550 und 6200C durchgeführt wird.
    409849/0.7 78
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