DE2429705A1

DE2429705A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2429705A1
Application number: DE2429705A
Authority: DE
Inventors: Julian Robert Anthony Beale; John Martin Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1974-06-20
Publication date: 1975-01-16
Also published as: NL7408438A; DE2429705C3; NL163904B; DE2429705B2; GB1459231A; CH574167A5; FR2235492A1; CA1003576A; US3943552A; JPS5034484A; FR2235492B1; NL163904C; IT1015298B; JPS5223217B2

Description

GÜNTHER-M. DAVID

Anmelder: «.V. PHILiPS¹ ÜLöElUMPEN/ABßiHKEN

> PHß 32

Voor/Va/R, IO.5.74

Anmeldung vomi

"Halbleiteranordnung".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer untiefen Oberflächenschicht, die einen höheren Dotierungspegel als der unterliegende Teil des.Halbleiterkörpers aufweist, während auf der untiefen Oberflächenschicht eine Metallelektrode liegt, die mit dem Halbleiterkörper eine Schottky-Sperx'e bildet, wobei die untiefe Oberflächenschicht dazu dient, die effektive Höhe der Sperre zu bestimmen. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung.

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10.5.74

Die Schottky-Sperrschichttechnik spielt eine
immer wichtigere Rolle in Halbleiteranordnungen und
-schaltungen, z.B. für Mikrowellendioden und Hochleis-

tungs-Schottky-Dioden, für sogenannte durch Schottky- ;

i Dioden begrenzte T.T.L.-Schaltungen (= transistor- j

transistor logic circuits) und für logische Schaltungen ^!

vom sogenannten "injection integra.tion"-Typ (l L) . ;

Die Höhe einer Schottky—Sperre wird durch den j

Unterschied in Austrittsarbeit des Halbleiters und des

ι die Sperre bildenden Metalls bestimmt. Venn verschiede- s ne Höhen der Sperre für verschiedene Sehältungsanwen— j düngen erforderlich sind, werden dazu im allgemeinen
verschiedene Metalle gewählt. Dies kann jedoch nachteilig sein. Gewisse Metalle sind x^eaktiv oder lassen
sich schwer ätzen. Gewisse Metalle, z.B. Aluminium,
können für die Anwendung in der Technik monolithischer
integrierter Schaltungen wünschenswert sein, aber können eine unerwünschte Sperrenhöhe für die Schaltung
bilden.

Es ist bekannt, dass die Höhe von Schottky-Sperren, die auf nicht stark dotierten Teilen eines

Halbleiterkörpers gebildet sind (z.B. η-Typ Silicium j

15 I

mit einer Dotierung in der GrossenOrdnung von 10 ;

• ί

Donatoratomen/cm³) von dem Dotierungspegel praktisch ί unabhängig ist. Wenn die Dotierung jedoch auf einen
hohen Pegel, z.B. etwa 5 · 10 Dotierungsatome/cm³,

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_ 3 —

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gesteigert wird, wird die effektive Höhe der Sperre herabgesetzt und ändert sich mit der angelegten Spannung. Es wird angenommen, dass dies durch Tunnelung von Ladungsträgern durch die Sperre herbeigeführt wird, die infolge der grösseren Biegung der Halbleiterenergiebändejj in der Nähe der Metallschicht durch die zugenommene Halbleiterdotierung verengt wird. Die Sperrkenn— linie einer derartigen erniedrigten.Sperre wird aber beträchtlich verschlechtert. Die Durchschlagspannung der Sperre in der Sperrichtung wird erheblich durch die zugenommene Halbleiterdotierung herabgesetzt und kann nur einige Volts betragen. Der Sperrstrom vor dem Durchschlag ist nicht mehr praktisch konstant, sondern¹ nimmt mit der angelegten Spannung zu.

Es sei bemerkt, dass Schottky-Sperrschichten durch das Ablagern einer Metallelektrode auf einem Teil eines Halbleiterkörpers, in den Dotierungsmaterial implantiert ist, hergestellt sind. In diesem Zusammenhang sei auf den Artikel "Device Fabrication by Ion Implantation" von A.U. Mac Rae in "Radiation Effects," 1971, Band 7, S. 59 - 63 und auf den Artikel "Low-Power Bipolar Transistor Memory Cells" von D.A. Hodges et al in I.E.E.Ev Journal of Solid State Circuits, Band Sc-4, Nr. 5, October I969, S. 280-28*t verwiesen. Der letztere Artikel beschreibt die Anwendung einer Schottky-Diode mit niedriger Sperre, die durch Rhodiumsilicid auf

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einem implantierten Teil eines p-leitenden Siliciumkörpers gebildet ist. Dieser Teil weist eine Tiefe von 0,65/um (65OO Ä) auf und wird als eine p—Typ—Quelle durch Borimplantation in die η-leitende epitaktische Schicht der monolithischen integrierten Schaltung gebildet. Die Quelle weist eine Oberflächendotierung von 5 · 10

1V Atomen/cm³ und eine Spitzendotierung von 10 Atomen/cm³ auf. Diese Schottky-Diode mit niedriger Sperre weist eine verschlechterte Sperrkennlinie auf, wie im vorangehenden Absatz der vorliegenden Anmeldung beschrieben und in Fig. 2 des genannten Artikels dargestellt ist, wobei der Leckstrom stark von der Grosse der Sperrspannung abhängig, ist. Die Zunahme des Sperrstroms bei angelegter Spannung wird dazu benutzt, einen kompakten Widerstand von 20 kXl. zu erhalten, der einen Strom von 50 ,uA bei 1 V durchlässt.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die effektive Höhe einer Schottky-Sperre für ein bestimmtes Metall-Halbleiter-System ohne beträchtliche iVerschlechterung der Sperrkennlinien dieser Metall·? Halbleiter-Sperre abzuändern.

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft die Erfindung eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer untiefen Oberflächenschicht, die einen höheren Dotierungspegel als der unterliegende Teil des Halbleiterkörpers

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aufweist, während auf der untiefen Oberflächenschicht eine Metallelektrode liegtj die mit dem Halbleiterkörper eine Schottky-Sperre bildet, rcobei die untiefe Oberflächenschicht dazu dient, die effektive Höhe der Sperre zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der untiefen Oberflächenschicht derartig ist, dass die Schicht im spannungslosen Zustand in bezug auf Ladungsträger praktisch erschöpft ist, wodurch die Neigung der Sperrstrom-Spannungskennlinie (die die Impedanz im Sperrspannungszustand ist), der Sperre unterhalb des Durchschlags durch die Dotierung des genannten Teiles des Halbleiterkörpers bestimmt wird und von dem Vorhandensein der genannten untiefen Oberflächenschicht praktisch unabhängig ist.

Der höhere Dotierungspegel der untiefen Oberflächenschicht kann entweder vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Dotierung des genannten Teiles des Halbleiterkörpers oder von einem dem der Dotierung des genannten Teiles entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein. Die Ausdrücke "Dotierung", "dotiert" und "Dotierungsmaterialien¹¹ beziehen sich in dieser Beschreibung auf den Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigungsatome, d.h. Donatoren oder Akzeptoren.

Die Schottky-Sperre einer derartigen Anordnung im Vergleich zu der Schottky—Sperre, die die Metallelektrode mit dem genannten Teil des Halbleiterkörpers

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in Abwesenheit der untiefen Oberflächenschicht bilden würde, weist eine gesteigerte oder erniedrigte Höhe der Sperre auf, je nach den relativen Leitfähigkeitstypen der untiefen Oberflächenschichtdotierung und der Dotierung des genannten Teiles des Halbleiterkörpers, und weist eine Sperrkennlinie auf, die durch das Vorhandensein der untiefen Oberflächenschicht nicht beträchtlich verschlechtert wird. Obgleich im allgemeinen die Grosse des Sperrstroms geändert werden wird, ist die Neigung der Sperrstrom-Spannungskennlinie nicht wesentlich verschieden und wird die Durchschlagspannung in der Sperrichtüng nicht beträchtlich herabgesetzt. Die Änderung der effektiven Höhe der Sperre nach der vorliegenden Erfindung wird dadurch erhalten, dass das elektrische Feld an der Oberfläche des Halbleiters gesteuert wird. Die Grosse dieses Oberflächenfeldes wird praktisch durch die Gesamtanzahl effektiv wirksamer Dotierungsatome .in der untiefen Oberflächenschicht bestimmt. Es sei betont, dass der betreffende physikalische Mechanismus von einem anderen Mechanismus ganz verschieden ist, der kleine Änderungen in der Höhe der Sperre durch Änderung der Anzahl Oberflächenzustände an der Metall-Halbleiter—Grenzfläche herbeiführt, z.B. dadurch, · dass die Halbleiteroberfläche vor der Ablagerung der Metallelektrode gereinigt wird. Derartige Schottky-Sperrschichten von Anord-

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mangen nach der Erfindung lassen sich in verschiedenen Strukturen verwenden. In diskreten Schottky-Dioden oder in integrierten Schaltungen, wie logischen Schaltungen, die integrierte Schottky-Sperrschichten enthalten, kann also die effektive Höhe der Sperre einer besonderen technisch günstigen Metall-Halbleiter-Sperrschichtkombination auf einen gewünschten ¥ert für die betreffende Schaltungsanwendung eingestellt werden. Die Grosse des Leckstroms in der Sperrichtung unterhalb des Durchschlags kann durch Regelung der Dotierung der untiefen Oberflächenschicht geregelt und kann zum Erhalten einer praktisch konstanten Stromquelle benutzt werden. Bei Schottky-Sperrschichtgleichrichterxi für hohe Leistungen kann eine erniedrigte effektive Höhe der

c
Sperre für eine bestimmte Metall-Halbleiter-Kombination zu der Herabsetzung der Durchlasspannung beitragen. Weiter kann eine erniedrigte effektive Höhe der Sperre -infolge des Vorhandenseins der untiefen Oberflächenschicht zu der Verringerung der Gefahr vor Durchbrennen in Hoehleistungs-Schottky-Dioden beitragen. Im letzteren Falle wird angenommen, dass, wenn örtlich ein heisser Punkt in der Diode vorhanden ist und das Metall der Elektrode örtlich durch die genannte untiefe Oberflächenschicht bis zu dem genannten Teil des Halt>leitex\körpers vordringt, die Höhe der Sperre an der Stelle diesesheissen Punktes die erniedrigte ef-

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fektive Höhe der Sperre an anderen Stellen überschreitet und also ein örtliches Ausschalten an der Stelle des heissen Punktes bewirkt.

Vorzugsweise ist der Dotierungspegel des Teiles des Halbleiterkörpers genügend, niedrig (z.B. höchstens in der GrossenOrdnung von IO Dotierungsatomen/ cm³ ), um in der Sperrichtung einen Sättigungsstrom mit einem (für die Durchschlagspannung unterschreitende Sperrspannungen) praktisch spannungsunabhängigen Wert zu erhalten.

Die höher dotierte Oberflächenschicht ist derart untief, dass sie im spannungslosen Zustand der Sperre in bezug auf beweglichen Ladungsträger praktisch erschöpft ist. Die Tiefe der untiefen Oberflächenschicht kann z.B. nach einer bevorzugten Ausführungsform höchstens 150 A° (0,015 /um) betragen. Derartige untiefe Schichten können auf reproduzierbare Weise mit einer praktisch gleichmässigen Tiefe durch Implantation gebildet werden. Es sei bemerkt, dass derartige Schichten mehr als 40mal untiefer als die p-Typ Implantation sind, die im genannten Artikel in I.E.E.E. Journal of Solid State Cix⁴cuits, Band Sc-4 (1969), S. 280-284 beschrieben ist.

Durch Regelung der Dotierung der untiefen Oberflächenschicht kann das Ausmass der Erniedrigung oder der Steigerung der Höhe der Sperre leicht bestimmt

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"werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Dotierungspegel der untiefen Oberflächenschicht

"1 *7
mindestens 5 .10 Dotierungsatome/cm³ und ist dieser Pegel mindestens zwei Grössenordnungen höher als der Dotierungspegel des genannten Teiles des Halbleiterkörpers. ■

Die effektive Höhe der Sperre kann leicht um mindestens 0,15 eV geändert werden. Sie kann z.B. um mehr als 0,2, eV erniedrigt werden. Es wird schwierig sein, denselben Erniedrigungsbetrag lediglich durch Erhöhung der Dotierung des Halbleiterkörpers zu erreichen, weil im allgemeinen "eine derart hohe' Dotierung notwendig .wäre, dass die'.Sperre eine sehr niedrige Durchschlagspannung, z.B. von etwa 1 V für eine Metall-Silicium-Sperre, aufweisen mrde. Nach der vorliegenden Erfindung ist aber die Höhe von Schottky-Sperren, die durch Nickel auf η-Typ Silicium gebildet sind, um sogar 0,3 eV unter Beibehaltung einer Durchschlagspannung von mehr als 35 V erniedrigt.

Venn die Dotierung der untiefen Oberfläch'enschicht den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die des unterliegenden Teiles des Halbleiterkörpers aufweist, ist die effektive Höhe der Sperre niedriger als die " · Höhe der Sperre, die'die genannte Metallelektrode mit diesem Teil des Halbleiterkörpers beim Fehlen der ge- . nannten untiefen Oberflächenschicht bilden würde. Es

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wird, angenommen, dass diese Erniedrigung der Höhe der Sperre sowohl auf Tunnelung als auch auf Herabsetzung der Bildkraft zurückzuführen ist, Im ersteren Falle sind infolge der höheren Dotierung und der geringen Tiefe der untiefen Oberflächenschicht die Halbleiterenergiebänder in der Nähe der Metallelektrode stark gekrümmt, so dass die Sperre genügend eng ist, um Tunnelung von Ladungsträgern herbeizuführen.

Wenn die Dotierung der untiefen Oberflächenschicht einen dem der Dotierung des unterliegenden Teiles des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitfähigkeit styp aufweist, ist die effektive Höhe der Sperre grosser als die Höhe der Sperre, die die genannte Metallelektrode mit diesem Teil- des Halbleiterkörpers beim Fehlen der genannten untiefen Oberflächenschicht bilden würde. Diese Zunahme der effektiven Höhe der Sperre ist auf ein Diffusionspotential zwischen den Gebieten entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen in Reihe mit der Sperre zurückzuführen.

Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem eine Schottky-Sperre mit einer vorbestimmten Höhe zwischen einer Metallelektrode und einem Teil eines Halbleiterkörpers gebildet wird, wobei unter Verwendung eines lonenbeschusses ein Dotierungsmaterial in den genannten Teil des Körpers

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zur Bildung einer untiefen hölier dotierten Oberflächenschicht an der Stelle implantiert wird, an der die genannte Schottky-Sperre gebildet werden muss, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ionendosis derart gewählt wird, dass der erforderliche höhere Dotierungspegel der untiefen Oberflächenschicht den Wert der effektiven Höhe der Sperre regelt, wobei die. Ionenenergie derart gewählt wird, dass die Oberflächenschicht dsrart dünn ist, dass die Schicht im spannungslosen Zustand der Sperre in bezug auf Ladungsträger praktisch erschöpft ist, wodurch die Neigung der Sperrstrom-Spannungskennlinie der Sperre unterhalb des Durchschlage durch die Dotierung des genannten Teiles des Halbleiterkörpers bestimmt wird und von dem Vorhandensein der genannten untiefen Oberflächenschicht praktisch unabhängig ist.

Das Dotierungsmaterial kann in den genannten Teil des Halbleiterkörpers durch indirekte Implantation (recoil implantation aus einer das Dotierungsmaterial enthaltenden Schicht implantiert werden, welche Schicht auf der Oberfläche des genannten Teiles des Körpers gebildet und mit Ionen beschossen wird, um die indirekte Implantation durchzuführen.

Der lonenbeschuss kann aber auch mit Dotierungsionen erfolgen, die direkt in den betreffenden Teil des Körpers implantiert werden. Die Dotierungs-

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ionendosis wird in Übereinstimmung mit der erforderlichen Höhe der Sperre gewählt und kann in der Grössen-Ordnung von TO Dotierungsionen/cm² liegen. Der Dotierungspegel der untiefenOberflächenschicht, die durch Ionenimplantation gebildet ist, kann aus der Ionendosis und der Tiefe der untiefen Oberflächenschicht ermittelt werden, die durch den Bereich im Halbleiterkörper der Ionen mit der betreffenden gewählten Ener-

12 13

gie bestimmt wird. Pur lonendosen von 10 - 10 Dotierungsionen/cm² , die zur Bildung einer untiefen Ober-

flächenschicht mit einer Tiefe von höchstens I50 A implantiert sind, liegt der Dotierungspegel der gebildeten Schicht in der Grossenoi-dnung von etwa 10 Dotierungsatomen/cm³, d.h. erheblich höher als die Dotierungspegel, die gewöhnlich für den genannten Teil des Halbleiterkörpers gewählt werden und in der Regel in der Grössenordnung von 10 Dotierungsatomen/cm³ liegen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Sperrspannungskennlinien einer üblichen Schottky-Sperre, einer infolge erhöhter Dotierung des Halbleiterkörpers erniedrigten Schottky-Sperre und einer Schottky-Sperre nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen

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Halbleiterkörper während der Herstellung einer Schottky-Sperrschichtanordnung nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Ionenimplantation,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen Halbleiterkörper während der Herstellung einer Schottky-Sperrschichtanordnung nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von indirekter Implantation,

Fig. h einen schematischen Schnitt durch eine Schottky—Sperrschichtanordnung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch eine Halbleiteranordnung während der Herstellung einer· anderen/Schottky-eperrschicht-Anordnung nach der vorliegenden Erfindung,'

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines. Teiles der Durchlass- und Sperrkennlinien verschiedener Schottky-Sperreh aus Nickel auf n—Typ Silicium, die unter Verwendung des in den Figuren 2 und 4 veranschaulichten Verfahrens hergestellt sind,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Zu- und Abnahme der effektiven Höhe der Sperre als Funktion der implantierten lonendosis,

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines

Teiles der Durchlass— und Sperrkennlinie verschiedener Schottky-Sperren aus Nickel auf p-Typ Silicium, die unter Verwendung des in Fig. 5 veranschaulichten Verfahrens hergestellt sind, und

■ Fig. 9 einen schematischen Schnitt durch einen Halbleiterkörper.einer weiteren Schottky-Sperr-

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sehichtanordnung nach der vorliegenden Erfindung.

I bezeichnet in Fig. 1 den Sperrstrom in Amperes, der über die Sperre bei angelegter Sperrspannung V in Volts fliesst. Die Kurve 1 zeigt die Sperrkennlinie einer üblichen Schottky—Sperrschichtdiode. Ein Beispiel einer derartigen Sperre ist eine jSTickelelektrode auf einer n—leitenden epitaktischen Schicht mit einer Donatordotierung von etvra. 5 · 10 Atomen/cm? . Eine derartige übliche Schottky-Sperre weist eine hohe Durchschlagspannung V₀.., z.B. von etwa 60 V, auf. Unter-

Jj ι

halb des Durchschlags wird der Sperrstrom.auf einen praktisch konstanten Wert von z.B. 9O nA gesättigt. Eine derartige übliche Schottky-Sperre "aus Nickel auf n—Typ Silicium weist eine Höhe von etwa 0,59 eV auf. Durch Anwendung desselben Metalls und durch

Erhöhung der Dotierung der epitaktischen Schicht, z.B.

18 /i
auf etwa 10 Atome/cnr , kann die Höhe einer derartigen

üblichen Sperre im spannungslosen Zustand um etwa 0,09 eV erniedrigt werden. Die Kurve 2 zeigt aber den Effekt "dieser erhöhten Dotierung auf die Sperrkennlinie der Sperre. Es sei- bemerkt, dass die Durchschlagspannung; Vt-,„ viel geringer als V .. ist und dass der Sperr-B2 BI

strom IL unterhalb des Durchschlags mit der angelegten

Spannung V erheblich zunimmt. Eine derartige verschlech-R

terte Sperrkennlinie ist bei Anwendung in vielen Schaltungen für eine Schottky—Sperre unerwünscht. Daher wird

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nieist' ein anderes Metall statt einer anderen Halbleiterdotierung verwendet, um eine andere Höhe der Schottky-Sperre zu erhalten.

Die Kurve 3 in Fig. 1 zeigt die Sperrkennlinie einer Schottky-Sperre mit einer effektiven Höhe, die um etwa 0,09 eV im Vergleich zu der üblichen Diode der Kurve 1 erniedrigt und durch das erfindungsgemässe

Verfahren erhalten ist. Die Durchschlagspannung V_.„ - - -fcU

ist weniger als 20 <$* niedriger als V₁ und der Sperrstrom I_n unterhalb des Durchschlags wird auf praktisch

JtC , ·

einen konstanten Wert gesättigt, der um eine Grossen— Ordnung höher als der der Kurve .1 ist. Die Neigung Tier Sperrkennlinie (die im Sperrspannungszustand die Impedanz ist) unterhalb des Durchschlags ist im Vergleich zu der Kurve 1 nicht wesentlich erhöht.

An Hand der Figuren 2 uiid h wird nun die Her-^ stellung einer Schottky—Sperre nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Der in den Figuren 2 und 3 gezeigte Halbleiterkörper enthält eine η-leitende epitaktische Schicht 10 auf einem η-leitenden einkristallinen Substrat' 11 mit hoher Leitfähigkeit. Der Körper kann z.B. aus Silicium bestehen und die epitaktische Sch±ht 10 kann z.B. einen spezifischen Widerstand von etwa 5-ß .cm aufweisen, was einer Donatordotierung von etwa 10-Atomen/cm³ entspricht.

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Auf übliche Weise wird eine Isolierschicht auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht 10 erzeugt. Ein Fenster 13 wird in der Schicht 12 an der -Stelle angebracht, an der die Schottlcy-Sperre gebildet werden muss. Die Schicht 12 kann aus Siliciumoxid mit einer Dicke von etwa 2000 A bestehen.

Auf dieser epitaktischen Schicht 10 könnte eine übliche Schottky-Sperre dadurch gebildet werden, dass eine z.B. aus Nickel bestehende Metallschichtelektrode in dem Fenster 13 angebracht wird. Nach der vorliegenden Erfiridung wird aber eine andere Höhe der j Sperre dadurch erhalten, dass ein Dotierungsmaterial in dem Fenster 13 in eine untiefe Oberflächenschicht i4 mit praktisch"gleichmässiger Tiefe implantiert wird.

Diese Implantation kann dadurch erfolgen, dass der Halbleiterkörper mit_<einem Dotierungsionenstrahl mit niedriger Energie beschossen wird, wie mit den Pfeilen in Fig. 2 angegeben ist. Zum Erhalten ei-

ner Schottky-Sperre mit einer niedrigeren Höhe werden Donatorionen in die η-leitende epitaktische Schicht implantiert. Die lonenmasse und die Ionenstrahlenergie j werden derart gewählt, dass die Tiefe der gebildeten ' implantierten Schicht 14 höchstens etwa 150 A (0,015 /um) beträgt. Diese Vahl basiert auf dem JEonenbereich im Halbleiterkörper. So können z.B. Antimonionen mit einer Energie von etwa 10 keV als Donator-

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ionen für Ijnplantatioii in Silicium verwendet werden. Die Ionendosis wird im Zusammenhang mit; dem gewünschten Sperrenherabsetzungsgrad gewählt. So liegen für Sperren aus Nickel auf η-Typ Silicium verwendete Dosen z.B. im

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Bereich von 10 — 10 Donatorionen/cm². Die Isolierschicht12 weist eine genügende Dicke auf, um den unterliegenden Halbleiter gegen Implantation zu maskieren, so dass Implantation in die epitaktische Schicht 10 im Fenster 13 auftreten kann. .

Die Oberfläche der epitaktischen Schicht im Fenster T3 wird vor der Implantation z.B. durch Ätzen in verdünnter Fluorwassers.toffsäure und durch TiTaschen in JtlkoKol gereinigt, um Oxidbildung zu verhindern. Nach der Implantation wird die implantierte Struktur z.B. durch Erhitzung im Vakuum auf 75O°C während 15 Hinuten ausgeglüht. Die Oberfläche der untiefen implantierten Oberflächenschicht tk wird anschliessend durch Ätzen und Waschen mit Alkohol· weiter gereinigt, wonach eineMetallelektrode 15, z»B. aus Nickel, angebracht wird. Die Elektrode 15 kann dadurch gebildet

- ■ ■ •

werden, dass bei Zimmertemperatur Nickel auf die Iso— lierschicht 12 und.die Oberflächenshicht lh aufgedampft und dann die Konfiguration der Elektrode 15 durch Ätzen definiert wird. Die erhaltene Struktur ist in Fig. 4 dargestellt. Die Elektrode 15 bildet mit der epitaktischen Schicht 10 eine Schottky—Sperre mit einer

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Höhe, die durch, die Dotierung der untiefen Oberflächenschicht lh und eine Sperrkennlinre vom durch die Kurve 3 in Fig. 1 angegebenen Typ bestimmt wird.

Die graphische Darstellung nach Fig. 6 zeigt einen vergrösserten Teil der Durchlasskennlinien 2IF und 22F und der Sperrkennlinien 21R und 22R unterhalb des Durchschlags von zwei Schottky—Sperren 21 und 22, die durch ein derartiges Ionenimplantationsverfahren unter Verwendung von η-leitenden epitaktischen Schichten 10 mit einer Donatordotierung von 5 · 10 _v Atomen/cm hergestellt sind. Ber Durchlass- oder Sperrstrora Σ ist in Amperes und die Durchlass- öder Sperrspannung Y ist in Volts angegeben. Die Kurven entsprechen den folgenden Antimoniaiiendasen und -energien:

Kurven 2IF uxtd 21R- 5 . 10¹²/cm^a bei IO keV

Kurven 22F nndL 22R - 2 . 10¹²/cm^z bei 10 keV.

Die EurveB 2'3F und 23R sind die Kurven für eine Referenz—Schottky—Sperre 23» die auf einer n— leitenden epitaktischen Schicht 10 mit einer Dotierung von 5 · 10 Donatoratomeß/cm³ hergestellt ist, wobei jedoch die zusätzliche untiefe implantierte Oberflächenschicht fehlt. Eine derartige Diode ist vom üblichen Typ, deren ganze Sperrkennlinie von dem durch die Kurve T in Fig. 1 angegebenen Typ ist.

All diese Sperren 21, 22 und 23 wurden durch eine Nickelelektrode 15 in einem runden Kontaktfenster

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13 mit einem Durchmesser von 100 ,um gebildet.

Bei. einer Antimonionenenergie von 10 keV ist die Tiefe der gebildeten implantierten η -Schicht 14 praktisch gleichmässig und. beträgt etwa 100 A. Dies ist genügend untief, um zu gewährleisten, dass die Erschöpf ungs schicht der Sperre im spannungslosen Zustand sich bi's jenseits der Implantation für Kurven 21F und R und 22F und R und in der epitaktischen Schicht 10 erstreckt. Im spannungslosen Zustand der Sperre ist die untiefe implantierte Oberflächenschicht 14 also in bezug auf Ladungsträger erschöpft. Infolgedessen ist die Neigung der Sperrkennlinie durch die Dotierung der epi— taktischen Schicht 10 bestimmt und von dem Vorhandensein der implantierten Schicht 14 praktisch unabhängig.

Die für diese drei Schottky-Sperren 21, 22 und 23 gemessen Höhen betrugen 0,46 eV, 0,50 eV bzw. 0,59 eV. Die für diese Schottky-Sperren 21 und 22 nach der Erfindung gemessenen Durchschlagspannungen betrugen.etwa 45 V bzw. 50 V.

Kurve A in Fig. 7 zeigt weitere Ergebnisse für Sperren aus Nickel auf η-Typ Silicium. In diesem Falle ist die obenbeschriebene 10 keV-Antimonimplantation durch eine 5'keV-Antimonimplantation ersetzt, die eine etwas untiefere implantierte Schicht liefert, während die n—leitende epitaktische Schicht eine.Dotierung von 2 '. 10 Atomen/cm³ (2 Xl .cm) aufweist.

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PHB 323'49

Kurve A zeigt die Erniedrigung der Höhe der Sperre Q0' in eV als Funktion der Antimonionendosis. Es sei

bemerkt, dass bei einer Dosis von 10 /cm die Höh.e der Sperre aus Nickel auf η-Typ Silicium um etwa 0,2 eV verringert wird.

Fig. 3 zeigt ein anderes Implantationsverfahren zum Erhalten der untiefen Oberflächenschicht lh. In diesem Falle wird nach der Reinigung ieine dünne Dotierungsschicht i6, z.B. eine hOO A dicke Antimonschicht 16, gebildet und mit Ionen beschossen, so dass Antimonionen indirekt in die unterliegende Isolierschicht 12 und in die epitaktische Schicht IO implantiert werden. Die Isolierschicht 12 is genügend dick, um den unterliegenden Halbleiter gegen die Antimonimplantation zu maskieren, die daher innerhalb des Fensters 13 lokalisiert ist. Ein 1O0 keV-Kryptonionenstrahl kann dabei Anwendung finden. Vorzugsweise werden die meisten bombardierenden Ionen in der Dotierungsschicht 16 absorbiert und dringen nicht in die epitaktische Schicht 10 ein«, Dann sublimiert die Antimonschicht 16 während einer Glühbehandlung, z.B. bei 750⁰C im Vakuum, und bleibt das indirekt implantierte Antimon in einer untiefen Schicht 14 in der epitaktischen Schicht 10 zurück. Die Metallelektrode wird danach auf die obenbeschriebene leise nach Reinigung der Oberfläche angeordnet. In einem solchen Falle und unter Anwendung einer

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PHB 32349 TO.5-74

nahme der Höhe der Sperr q^L in eV als Funktion der pro cm²., implantierten Antimonionendosis D für eine

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ρ ,

200 A dicken Antimonschicht 16 und einer 100 IceV—Kryptonionendosis von 2 χ 10 /cm² wurde die Höhe einer Schottky-Sperre aus Nickel auf η-Typ Silicium auf etwa 0,39 eV verringert. Die Sperrkennlinie wies die gleiche Form wie die durch die Kurve 3 in Fig. 1 angegebene Sperrkennlinie auf,, . - - · . . " Fig. 5 zeigt einen Implantationsschritt bei einem Verfahren zur Steigerung der- effektiven Höhe einer Sperre aus Nickel auf η-Typ Silicium. Dieses Beispiel ist gleich dem Beispiel nacli Fig. 3> mit dem Unterschied, dass die Dötierungsionen einen dem der epi- j

taktischen Schicht 10 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen. In diesem Falle sind die Schicht 10 und das Substrat 11 vom p-Leitfähigkeitstyp. Ein Antimon— ionenstrahl mit einer Energie von z.B. 5 keV kann angewendet werden. "Wie in den vorangehenden Beispielen beschrieben ist, kann anschliessend eine Wickelelektrode zur Bildung der Schottky-Sperre angeordnet werden. Un- ·^; ter Anwendung eines solchen Verfahrens kann die effek- | tive Höhe einer Schottky-Sperre aus Nickel auf p—Typ ' j Silicium z.B. um etwa 0,3 eV gesteigert werden. ' !

Einige Ergebnisse für eine solche Sperrenerhöhung nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind durch die Kurve B in Fig. 7 dargestellt, die. die Zu

PHB 323h9 10.5.lh

p-Typ Dotierung eier epitaktischen Schicht von 4 . IO Atomen/cm³ angibt. Die Antimonionefastrahlenergie^istY5 keV und. die Glühtemperatur ist 750⁰C. Es sei bemerkt, dass bei einer Dosis von TO /cm die Höhe der Sperre um etwa 0,25 eV gesteigert wird,.

Fig. 8 izeigt einen ver grosser ten Teil der

Durchlasskermlinien 31F» 3"2F und 33F und der Sperrkennlinien 3 IR» 32E. und 33R unterhalb des Durchschlags von Schottky-Sperren 31» 32 und 33» die durch ein derartiges Ionenimplantationsverfahren unter Verwendung von p—leitenden epitaktischen Schichten mit einem spezifischen Widerstand von 0,4 £1 .cm hergestellt sind. Der Durchlass— oder Sperrstrom I ist in Amperes und die Durchlass— oder Sperrspannung V ist in Volts angegeben. Die Kurven entsprechen d&n folgenden Antimonionendosen von 5 keV.-

12 , ο Kurven 3IF und R: 2 . TO /cnr

Kurven 32F und R: 5 · lO¹²/cm²

Kurven 33F und R: 1 . TO^/cm².

.Die Kurven 3OF und R sind für eine Referenz— Schottky-Sperre 30 angegeben, die auf einer p-leitenden epitaktischen Schicht· mit einem spezifischen Widerstand von 0,4-il .cm, aber mit einer zusätzlichen implantierten untiefen Oberflächenzone hergestellt ist. Eine derartige Diode ist vom üblichen Typ·

All diese Sperren 30, 31, 32 und 33 werden

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durch, eine Nickelelektrode in einem runden Kontäktfenster 13 .mit einem Durchmesser von ^tOO /um gebildet.

Bei einer Antimonionenenergie von h keV ist die Tiefe der implantierten Schicht 14 praktisch gleichmassig und geringer als die Tiefe der implantierten Schicht, die durch 10 keV-Ionen gebildet wird, während die Schicht \h im spannungslosen Zustand der Diode völlig erschöpft ist I

Die Durchschlagspannung der Referenz-Schottky-Diode 3Q ist etwa 10 V. Die Durchschlagspannungeneder Dioden 31, 32 und 33 waren höher; die der Diode 31 ■ war z.B. etwa 15 V. Diese Erhöhung der Durchschlag— spannung ist ein zusätzliches Merkmal der Technik nach der Erfindung zur Steigerung von Sperrenhöhen. Es stellt sich heraus, dass diese Steigerung auf eine Zunahme der Sperrenhöhe rings um ei en Umfang des Schot tky-Kontaktes zurückzuführen ist, welche Zunahme etwas grosser als die in der Mitte des Schottky—Kontakts ist, wodurch die Verschlechterung der Sperrkennlinie verringert wird, die durch das höhere Feld rings um den Umfang des Kontakts erhalten wird.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der eine untiefe hochdotierte Schicht 14, in die Antimon implantiert ist, örtlich rings um den Umfang eines Schottky-Kontakt© angeordnet ist, um die Sperrenhöhe rings um diesen Umfang zu steigern und dadurch die

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- Zh -

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Verschlechterungffiider Diodeiikennlinien zu verringern, die durch das höhere Feld rings um diesen Umfang erhalten werden* In diesem Falle wird die effektive Sperrenhohe des ganzen Schottky ..Kontakts durch den grössten Teil des Kontakts, und zwar ά,βη nicht am Umfang liegenden Teil, bestimmt.

Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass mit untiefen Oberflächenschichten im Schottky-Sperrschichtsystem Sperrenhöhen über einen breiten Bereich geregelt werden können und eine erhebliche Flexibilität für das System erhalten werden kann. Obgleich die Ergebnisse sich auf Nickel—Silicium-Sperren bezogen, deren Höhe geregelt wurde, wobei mit Antimon dotierte Oberflächenschichten verwendet wurden", können auch andere Metall-Halbleiter—Kombinationen und andere Dotierungsmittel für die untiefe Oberflächenschicht Anwendung finden. So könnten z.B. Aluminium—Schottky—Sperren mit p-leitendem Silicium mit Sperrenhöhen hergestellt werden, die sich zur Anwendung auf von Schottky-Dioden begrenzten pnp—Transistoren eignen. Indium kann als Akzeptordotierung zur Bildung untiefer Oberflächenschichten verwendet werden, die dazu benutzt werden können, die gebildete Sperre auf η-leitenden Substraten zu erhöhen und Dioden mit fast idealen Kennlinien zu erhalten. Auch andere Halbleitermaterialien, z.B. Galliumarsenid, können angewendet werden.

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Im allgemeinen hängt d±e ohne Verschlechterung der Sperrfcennlinien höchsterreichbare Herabsetzung der Sperrenhöhe von dem zur Herstellung des Schottky-Kontakts verwendeten Metall ab und sie wird. für Metalle, die eine grössere Sperrenhöhe liefern, gross sein. Auf diese Weise kann eine Sperre aus Gold auf η-Typ Silicium mit z.B. einer normalen Höhe von etwa 0,8 eV um etwa 0,4 eV herabgesetzt werden, w ob ei Antimonionen vjon 5 keV verwendet werden, um eine untiefe Oberflächenschicht unter der Goldelektrode zu bilden.

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Claims

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Patentansprüche:

Γΐ.) Halbleiteranordnung mit einem Halbl eiterkör-^ per mit einer untiefen Oberflächenschicht, die einen höheren Dotierungspegel als der unterliegende Teil des Halbleiterkörpers aufweist, während eine Metallelektrode auf der untiefen Oberflächenschicht liegt, die eine Schottky-Sperre mit dem Halbleiterkörper bildet, wobei die untiefe Oberflächenschicht; zur Regelung der effektiven Höhe der Sperre dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der untiefen *. Oberflächenschicht derartig ist, dass die Schicht im spannungslosen Zustand der Sperre in bezug auf Ladungsträger praktisch erschöpft ist, wodurch die Neigung der Sperrstrom-Spannungskennlinie durch die Dotierung des genannten Teiles des Halbleiterkörpers bestimmt wird und von der genannten untiefen Oberflächenschicht praktisch unabhängig ist. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierungspegel des genannten Teiles des Halbleiterkörpers genügend niedrig ist, um den Sperrstrom auf praktisch einen konstanten Vert für eine Spannung unterhalb des Durchschlags zu sättigen. 3· Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigunskonzentration des genannten Teiles des Halbleiterkörpers in der Grössenordnung von höchstens 10 Dotierungsatomen/cm³ liegt.

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h. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der untiefen Oberflächenschicht höchstens 150 A beträgt.

5. Halbleiteranordnung nach, einem oder mehreren ] der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, j dass die den Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreini- ] gungskonzentration der genannten untiefen Oberflächen- ί

■■"■■■" ■"■■■-■"■ 17 · ■ ί

schicht mindestens 5 ♦ 10 Dotierungsatoms/cm³ be- j

trägt. I

6. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren · der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der untiefen Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die* des genannten Teiles des Halbleiterkörpers ist, wodurch die effektive Sperrenhöhe niedriger als die Höhe der Sperre zwischen dem genannten Metall und dem genannten Teil des Halbleiterkörpers in Abwesenheit der genannten untiefen Oberflächenschicht ist. .

?· Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch "gekennzeichnet, dass die effektive Sperrenhöhe mindestens 0,15 eV niedriger ist.

8. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der· Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der untiefen Oberflächenschicht einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der dem der Dotierung des

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genannten Teiles des Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist, wodurch die effektive Sperrenliöhe grosser als die Höhe der Sperre zwischen dem genannten Metall und dem genannten Teil des Halbleiterkörpers in Abwesenheit der genannten untiefen Oberflächenschicht ist.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Sperrenhöhe mindestens 0,15 eV höher ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Schottky-Sperre mit einer vorbestimmten Höhe zwischen einer Metallelektrode und einem Teil eines Halbleiterkörpers gebildet wird, wobei unter Verwendung eines lonenbeschusses ein Dotierungsmaterial in den betreffenden Teil des Halbleiterkörpers zur Bildung einer untiefen höher dotierten Oberflächenschicht an der Stelle implantiert wird, an der die Schottky-Sperre gebildet werden muss, dadurch gekennzeichnet, dass die lonendosis derart gewählt wird, dass der erforderliche höhere Dotierungspegel der untiefen Oberflächenschicht zur Steuerung der effektiven Höhe der Sperre erhalten wird, wobei die Ionenenergie derart gewählt wird, dass eine derartige Tiefe der untiefen Oberflächenschicht erhalten wird, dass die Schicht im spannungslosen Zustand der Sperre in bezug auf Ladungsträger praktisch erschöpft ist.

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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,* dass der angebrachte Teil des Halb'leiterkörpers einen Dotierungspegel aufweist, der genügend niedrig ist, um den Sperrstrom der genannten Sperre auf praktisch einen konstanten Wert für Spannungen unterhalb des Durchschlags zu sättigen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der angebrachte Teil des Halbleiterkörpers einen Dotierungspegel in der Grössenordnung von höchstens 10 Dotierungsatomen/cm³ aufweist.

13· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenenergie derart gewählt wird, dass die Dicke der implantierten untiefen Oberflächenschicht höchstens 150 A ist.

14.. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche TO bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierungsmaterial in den genannten Teil des Halbleiterkörpers durch indirekte Implantation aus einer das Dotierungsmaterial enthaltenden Schicht implantiert wird, welche Dotierungsschicht auf der Oberfläche des genannten Teiles des Halbleiterkörpers gebildet und mit Ionen beschossen wird, -um die indirekte Implantation durchzuführen. .
15. Verfahren nach einem öder mehreren der An-

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Sprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der lonenbeschuss mit Ionen des Dotierungsmaterial erfolgt, die in den genannten Teil des Halbleiterkörpers implantiert sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekenn-

12 zeichnet, dass die Dotierungsionendosis mindestens 10 Dotierungsionen/cm² beträgt.

17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn-

13

zeichnet, dass die Dotierungsxonendosis etwa 10 Dotierungsionen/cm² beträgt.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17j dadurch gekennzeichnet, dass das implantierte Dotierungsmaterial vom gleichen Leitfähigkeit styp wie der genannte Teil des Halbleiterkörpers ist, wodurch die effektive Höhe der gebildeten Sperre niedriger als die Höhe der Sperre zwischen dem genannten Metall und dem genannten Teil des Halbleiterkörpers in Abwesenheit der genannten untiefen Oberflächenschicht ist.

19· Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Sperrenhöhe um mehr als 0,15 eV herabgesetzt wird.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche . 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das implantierte Dotierungsmaterial einen Leitfähigkeitstyp aufweist, der dem des genannten Teiles des Halb-

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leiterkörpers entgegengesetzt ist, wodurch die effektive Höhe der gebildeten Sperre grosser als die Höhe der Sperre z\\r±sehen dem genannten Metall und dem genannten Teil des Halbleiterkörpers in Abwesenheit der genahnten untiefen Oberflächenschicht ist. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Sperrenhöhe um mehr als 0,1.5 eV vergrössert wird.

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