DE2436449A1 - Halbleiterbauelement mit schottkysperrschicht - Google Patents

Halbleiterbauelement mit schottkysperrschicht

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Description

Cutler-Hammer^nCo, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, 4201 North 27 Street, Milwaukee, Wisconsin (VoSt0A0)
Halbleiterbauelement mit Schottky-Sperrschicht
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Körper aus Halbleitermaterial, einec mit dem Halbleitermaterial zur Bildung einer Schottky-Sperrschicht in Kontakt befindlichen Metallelektrode und einer das Halbleitermaterial und die Metallelektrode wenigstens im Peripheriebereich der Sperrschicht überziehenden" Isolier schicht«
Halbleiterbauelemente mit Schottky-Sperrschicht sind allgemein hekannt, so Z0B0 in Form von asymmetrisch leitenden. Dioden o Sie weisen einen Körper aus geeignet dotiertem Halbleitermaterial, ζβΒο Galliumarsenid, auf, der in einer Oberflächenzone in unmittelbarem Kontakt mit einer Metallelektrode geeigneter Arbeitsfunktion steht» Die Metallelektrode, die gewöhnlich aus Nickel, Molybdlta, Wolfram, Palladium oder Gold besteht, ist in der Regel eine nach herkömmlichen Methoden auf dem halbleiter niedergeschlagene Dünnschicht»
Z/be
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Alle bisher &ls Scliottky-Elektroden verwendeten Metalle hab~n <5ine oder mehrere unerwünschte Eigenschaften, die bei der Herstellung der Bauelemente kostspielige und nicht immer befriedigende Gegenmaßnahmen erforderlich machen„ So sind beispielsweise Nickelschichten spröde und empfindlich gegen mechanische Beanspruchungen; Wolfram neigt zur Bildung von leitenden, haarförrnigen Vorspriingen, welche den Rand der Sperrschicht kurzschließen könnenj und das an sich ideale Material, Gold, diffundiert in den Halbleiter ein und zerstört dessen Charakteristiken, und zwar insbesondere bei höheren, im gewünschten Arbeitsbereich des Bauelements liegenden Temperaturen»
Aus einigen Gründen, so Z0B0 wegen der guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, der Eignung zur Thermokompression und der Korrosionsresistenz, ist Gold auch ein nahezu ideales Material zur Kontaktierung zwischen der Schottky-Elektrode und der externen Schaltung. Jedoch diffundiert Gold durch einige Metalle, z.B. Palladium, das anderenfalls als Elektrodenmaterial geeignet wäre« Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, einen Diffusionsschirm aus einem gegen Golddiffusion resistiven Metall zwischen der Schottky-Elektrode und dem Goldanschluß einzubauen.
Als Diffusionsschirm geeignete Metalle haben solche Dehnungs-Teraperaturkoeffizientenj, daß sie in Sandwichbauweise zwischen zusätzlichen Metallschichten mit mittleren Temperaturkoeiffizienten eingebaut werden müssen, um eine Beschädigung oder Zerstörung der Elektroden« kontakte im normalen Temperatur-Schwankungsbereich zu verhindern.» Die beiden nach demStande der Technik zusätzlich erforderlichen Metallschichten tragen zu den Gesamtkosten und zum Herstellungsaufwand solcher Bauelemente wesentlich beie
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BAD ORIGINAL
Die Passivierung des Halbleiterbauelements bedingt nach dem Stande der Technik eine Folge von Verfahrensschritten, ZoBo das Niederschlagen einer oder mehrerer Isolierschichten und das selektive Ätzen zur Definition der gewünschten Muster« Die Peripherie der durch den Metall-Halbleiter-Übergang gebildeten Sperrschicht ist besonders empfindlich gegen in der Umgebungsatmosphäre befindliche Reaktions stoffe^ Z0B0 Sauerstoff, Wasser und Natriuraionen, und erfordert besondere Schutzmaßnahmen, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 635 417 beschrieben sind ο
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Galliumarsenid-Halbleiterbauelement rait Schottky-Sperrschicht so auszubilden, daß es einfach und ökonomisch herstellbar ist und hochstabile, nahezu ideale elektrische Charakteristiken hat, die auch bei Betrieb unter hohen Temperaturen praktisch unbeschadet bleibeno
Ausgehend von einem Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Elektrode aus Tantal besteht und die Isolierschicht am Rande der Sperrschicht eine Zone aus Tantaloxid enthält« Zur Herstellung dieses Halbleiterbauelements wird eine Tantalelektrode direkt auf einep Galliumarsenidsubstrat niedergeschlagen, sodann ein Goldkontakt ebenfalls direkt auf der Tantalelektrode niedergeschlagen und schließlich eine natürliche Oxidschicht auf den freigelegten Zonen der Elektrode und des Substrats zur Passivierung aufgebaut· Tantal wirkt dabei als Gold-Diffusionsschirm, erfordert keine zusätzlichen Diffusionsschirmschichten und besitzt einen Dehnungs-Temperaturkoe'ffizienten, der nahezu gleich demjenigen von Galliumarsenid ist9 wodurch die Möglichkeit eröffnet ist, das Bauelement ohne Gefahr mechanischer oder elektrischer Beschädigung auch bei erhöhten
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Temperaturen y.u be treiben o Die natürlichen bzw. eigenen Oxide sind Etabll und undurchlässig. Eine höhere Ausbeute läßt sich bei der Herstellung dadurch erzielen, daß die Sperrschicht unmittelbar nach dem Reinigen des Substrats aufgebaut werden kann, wodurch die Möglichkeit der Kontamination oder Oxidierung der gereinigten Oberflächen minimalisiert wird. Danach kann unverzüglich der rückseitige Kontakt angebracht werden. Die Sperrschicht und die Elektrode halten der hohen Temperatur bei der Herstellung des rückseitigen bzw. Ruhekontakts ohne Beschädigung stand»
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert« Es zeigen:
Pig. 1 eine schematische Schnittansicht auf eine er£,indungsgemäß aufgebaute Schottky-Diode ;
Fig„ 2 ein Diagramm der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine halblogarithmische Darstellung des Anfangsabschnitts der Kennlinie gemäß Fig. 2 im Durchlaßbereich; und
Fige 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
Vorspannung und einer Funktion einer Sperrschichtkapazität der Diode darstellt.
Die beschriebene Diode kann besonders zweckmäßig als Varaktor in parametrischen HF-Verstärkern mit niedrigem Rauschpegel verwendet werden. Mit Abwandlungen, die die Merkmale der Erfindung jedoch nicht betreffen, kann die Diode bei anderen Schaltungen, z.B. Frequenzvervielfachern, Begrenzern und Impatt-Oszillatoren verwendet werden.
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Gemäß Figo 1 ist die Schottky-Sperrschicht 1 die Grenzfläche oder der Übergeng zwischen einer Tantalelektrode2 und der Oberseite einer N-leitenden epitaktischen Schicht 3 aus Galliumarsenid, die auf einem an der Unterseite mit einem ohmschen Kontakt 5 versehenen N+ Galliumarsenidsubstrat 4 aufgebaut isto Ein Goldkontakt 6 auf der Oberseite der Tantalelektrode 2 ermöglicht einen einfachen Anschluß des Bauelements an eine externe Schaltung,ζoB0 durch Anbringen eines in der Zeichnung nicht gezeigten Goldstreifens mit dem Verfahrender Thermokompression.,
Die epitaktische Schicht 3 und das unmittelbar angrenzende Substrat sind als kurzer Mesa ausgebildet, s"o daß die Ebene der Sperrschicht 1 etwas höher als die umgebende Oberfläche des N+ Substrats 4 liegt» Die Tantalelektrode 2 ist über die Oberseite der epitaktischen Schicht 3 überhängend ausgebildet und erstreckt sich über die Peripherie der Sperrschicht 1 hinaus nach außen«, Die Unterseite des überhängenden Teils der Tantalelektrode bildet einen Winkel von etwa 90° mit der nächstgelegenen Seitenwand der epitaktischen Schicht.
Die gesamte Oberfläche des Galliumarsenidsubstrats ist mit Ausnahme des mit der Tantalelektrode in Kontakt stehenden Bereichs mit einer Schicht aus natürlichem Oxid überzogen, die in der nachfolgend beschriebenen Weise aufgebaut wirde Der Rand der Tantalelektrode und die nicht von der Oxidschicht 7 bedeckte Unterseite des überhängenden Teils werden mit einer Schicht 8 aus Tantaloxid überzogen, die ebenfalls aufgezüchtet wirdo
Bei einer typischen Varaktordiode hat die epitaktische Schicht 3 einen Durchmesser von etwa 12 um und eine Stärke
16 von 0,4 um= Ihre Donatorkonzentration beträgt etwa 8 χ Atome pro cm · Als Donator kann Schwefel oder Tellur ge-
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nonimeri werden. Das Substrat 4 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 80 un«, Die Tantalelektrode 2 hat eine Dicke von etwa 2000 8 „ Der Goldkontakt 6 sollte eine Stärke von etwa 1 um oder mehr besitzen, um ein zuverlässiges Bonden mit einem externen Leiter zu ermöglichen.
Die in Fig. 2 dargestellte Str©mspannungskennlinie ist eine angenähert maßstabsgetreue Widergabe einer Oszilloskopanzeige dieser Kennlinie„ In diesem Maßstab ist der Leckstrom in Sperrichtung nicht erkennbar, und die Kurve fällt mit der Abszisse zwischen Null und dem Avalanchedurchbruch bei etwa -20 V zusammen. Das Knie der Kurve ist an diesem Punkt sehr abrupt und in der Anzeige visuell nicht von einem rechten Winkel zu unterscheiden. Dies beweist die Gleichförmigkeit des Feldes durch die Übergangszone und die Fehlerfreiheit am Rande des Übergangs.
Fig ο 3 zeigt die Kennlinie gemäß Figo 2 zwischen Null und etwa + 0,6 Volt in vergrößertem Maßetabβ Der ausgezogene Abschnitt 31 der Kurve gemäß Figo 3 wurde unter Verwendung eines Elektrometers mit einer brauchbaren
—12 Meßgenauigkeit für Ströme von 10 . Ampere Punkt für Punkt gemessen und aufgetragen. Die Ordinate (Dimension: Ampere) ist logarithmisch, so daß die exponentielle Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom in dieser Zone die Kennlinie als Gerade erscheinen läßt» Die Extrapolation der Kurve 31, die als gestrichelte Linie 32
dargestellt ist, schneidet die Ordinate bei etwa 3 χ Ampere; dieser Wert stellt den Sättigungsstrom I in Sperrichtung bzw. Rückwärtsrichtung dar* Die in Fige dargestellte Kurve ermöglicht die Berechnung des Diodenparameters n, der im Falle des beschriebenen Bauelements etwa 1,06 beträgt,, Dieser Wert kennzeichnet die nach üblichen Maßstäben gute Qualität einer Schottky-Sperrschicht.,
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Fig. 4 zeigt 'ι/C els Funktion der Spannung für das in· Fig. 1 dargestellte Bauelement,v wobei C die Sperrschichtkapazität in Picofarad darstellt. Die Geradlinigkeit der Kennlinie 41 bei Vorspannung in Sperrichtung zeigt eine normale Varaktorcharakteristik. Die Extrapolation in die Zone der Vorspannung in Durchlaßrichtung ist durch die gestrichelte Linie 42 dargestellt und schneidet die Abszisse bei 0,8 Volt; dies bedeutet, daß das Kontaktpotential 0Q nahe dem. in diesem Fall theoretisch erwarteten Wert liegt.
Schottky-Dioden der zuvor beschriebenen Art wurden für 120 Stunden auf 250° C gehalten, und es ergab sich keine feststellbare Änderung der in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Kennlinien. Neuere Erkenntnisse bestätigen die Annahme, daß solche Dioden auch bei beträchtlich höheren Temperaturen, z.B. bei etwa 300° C betrieben werden können.
Das Verfahren zur Herstellung von Bauelementen ähnlich demjenigen gemäß Fig. 1 umfaßt die üblichen Vorbereitungs*- schritte des Läppens der Ausgangsscheibe aus Galliumarsenid zur Herstellung der gewünschten Dicken der epitaktischen N-Schicht und des N+ Substrats, ferner des Reinigens, Waschens und Trocknens, wobei herkömmliche Reagentien Verwendung finden.
Unmittelbar nach dem Reinigen wird das Scheibchen in ein Vakuumsystem eingesetzt, wie es zum Niederschlagen von Metallschichten durch Verdampfen üblicherweise verwendet wird. Eine perforierte Maske dient dabei zum Freilegen derjenigen Zonen, an denen Schottky-Elektroden aufgebaut werden sollen, und es werden geeignete Maßnahmen getroffen, um zunächst Tantal und danach Gold-aufzudampfen.
—8 Das System wird sodann auf einen Druck von etwaf10 mmHg evakuiert und eine Ionenpumpe eingesetzt, um aktive Restgase in der Kammer zu minimalisieren. Hierdurch wird eine
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Oxidierung de-& Tanca.".s und eia Niederschlagen von Tantaloxid anstelle des Tantals verhinderte
Das Tantal wird solange aufgedampft, bis eine Schicht von etwa 2000 A* Dicke niedergeschlagen ist; dieser Prozeß kann, wenn nötig, unterbrochen werden, um ein Überhitzen zu vermeiden und den Systemdruck unterhalb von etwa 10~* mmHg aufrechtzuerhalten. Danach wird eine Goldschicht von etwa 1 um Dicke niedergeschlagen. Das Gold neigt während des Niederschlagens zum Streuen über den Rand des Tantals hinaus, wobei es einen dünnen, die Niederschlagsstelle umgehenden Hof bildet. Ein solcher Hof wird durch Zerstäubungsätzung, gefolgt von einer Säureätzung oder mit Hilfe anderer bekannter Methoden entfernt*
In dieser Verfahrensphase trägt das Scheibchen eine Gruppe von vielleicht 1000 oder mehr goldüberzogener Tantalpunkte und ist zur Weiterbearbeitung zwecks Her·» stellung einer Diodenserie bereit» Selbstverständlich können bei der Herstellung dieser Anordnung anstelle der perforierten Maske auch bekannte Photomaskier- und Ätzverfahren verwendet werden.
Vorzugsweise wird im nächsten Verfahrensschritt eine ohmsche Kontaktschicht auf der Rückseite des Scheibch^nS» d.h. auf^enn Tantalflecken entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet. Dies kann unter Verwendung herkömmlicher Methoden, z.B. durch Aufdampfen und Sinterlegierung von Silber, Zinn und Palladium geschehen. Nach bisheriger Praxis wurde der rückseitige Kontakt vor der Bildung der Schottky-Elektroden hergestellt, da die zum Sintern bei etwa 420° C erforderliche hohe Temperatur die zuvor ausgebildete Sperrschicht beschädigen oder zerstören würde. Die in der beschriebenen Weise aufgebaute und hergestellte Schottky-Sperrschicht der Elektrodenstruktur
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wird bei solchen Temperaturen nicht beschädigt und kann daher vor actn rückseitigen Kontakt ausgebildet werden.
Das Scheibchen wird sodann in bekannter Weise geätzt, um die freiliegende epitaktische Schicht und einen Teil des N+ Substrats zu entfernen, wobei ein Mesa ähnlich demjenigen gemäß Fig. 1 unter jeder Tantal-Niederschlagsstelle entsteht. Das Ätzen kann beispielsweise durch Eintauchen des Scheibchens in eine Lösung aus drei Teilen Schwefelsäure, einem Teil Wasserstoffperoxid und einem Teil Wasser bei leichter Bewegung über 2 Minuten, gefolgt von einem Eintauchen, in eine Lösung aus acht Teilen Schwefelsäure, einem Teil Wasserstoffperoxid und einem Teil Wasser für eine Minute erfolgen. Diese Ätzfolge oder ein gleichwertiger Ätzprozeß führt zu einer leichten Hinterschneidung des Galliumarsenids unterhalb der Tantalschicht, wodurch die Unterseite der Elektrode in einer überhängenden Ringzone um die Sperrschicht herum gemäß Darstellung in Fig«, 1 freigelegt wird.
Nach dem Spülen und teilweisen Trocknen wird das Scheibchen in Luft oder einem anderen oxidhaltigen Gas bei 350 C getrocknet, um den Trocknungsprozeß abzuschließen und die Bildung der aus Tantaloxid bestehenden Passivierungsschicht 8 (Fig. 1) um den Rand der Sperrschicht einzuleiten. Die Ausbildung dieser Schicht und die Bildung der natürlichen Oxidschicht 7 auf der freiliegenden Oberseite des N+ Substrats kann durch Eintauchen des Scheibchens in eine 30 %ige Lösung aus Wasserstoffperoxid über eine Zeit von 60 bis 100 Stunden, vorzugsweise unter starker Beleuchtung erfolgen. Der Ausdruck "natürliches Oxid" wird hier für das Oxid gebraucht, das sich unter den zuvor beschriebenen Bedingungen bildet. Die Zusammensetzung dieses Oxides ist mit letzter Sicherheit bisher nicht bekannt; es kann jedoch angenommen werden, daß es sich um Galliumoxid in amorpher Form handelt.
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- ίο -
Nach der Passivierung wird dae Scheibchen bei 225° C in Luft über eiixe Zeitspanne von 4 bis 6 Stunden getrocknet bzw. eingebrannt, sodann angerissen oder in üblicher Weise zerteilt, um getrennte Einzeldiodenchips ähnlich demjenigen gemäß Fig. 1 zum Einbau in geeignete Träger- und Verbindungsanordnungen zu schaffen·
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Claims (9)

  1. PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · ESSEN 1, ALFREDSTRASSE 383 · TEL.: (02141) 472087
    Seite -It-
    Ansprüche
    SSBSSSSBSSSSSSSSS - " "
    ( 1J Halbleiterbauelement mit einem Körper aus Halbleitermaterial, einem mit dem Halbleitermateril zur Bildung einer Schottky-Sperrschicht in Kontakt befindlichen Metallelektrode und einer das Halbleitermaterial und die Metallelektrode wenigstens im Peripheriebereich der Sperrschicht überziehenden Isolierschicht, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektrode (2) aus Tantal besteht und die Isolierschicht (8) am Rand der Sperrschicht (1) eine Zone (8) aus Tantaloxid enthält.
  2. 2.Halbleiterbauelement nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Tantalelektrode (2) eine Schicht mit einer Dicke von etwa 2000 8 ist und die Isolierschicht (8) eine durch Oxidation von freigelegten Oberflächenbereichen der Tantalelektrode (2) gebildete Tantaloxidschicht ist.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (4) Galliumarsenid ist und die das Halbleitermaterial überziehende Isolierschicht (7) aus einer durch Oxidation der freigelegten Oberflächenzone des Halbleiterkörpers gebildete natürliche Oxidschicht ist.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Peripherie der Sperrschicht (1) benachbarte Oberflächenzone des Galliumarsenidkörpers (4) angenähert rechtwinklig zur Ebene der Sperrschicht verläuft und daß die Tantalschicht (2) in dieser Ebene über die Peripherie der Sperrschicht nach außen vorsteht·
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  5. 5 β Halblei terbauel am »ent nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die natürliche Oxidschicht (7) eine Stärke von etwa 500 bis 1000 8 hat.
  6. 6« Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Zone der Oberfläche der Tantalelektrode (2) außerhalb der Sperrschicht (1) ein GoIdkontakt (6) vorgesehen ist, der einen thermischen und elektrischen Leiter für das Bauelement bildet, und daß die Tantalelektrode das einzige oder wesentliche Mittel zur Verhinderung einer Golddiffusion in den Halbleiter bildet.
  7. 7e Verfahren ssur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht-Elektroden-Struktur auf einem Körper aus Galliumarsenid, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte
    a) Reinigen der Oberfläche des Körpers,
    fo) Niederschlagen einer Tantalschicht auf einer Oberflächenzone durch Aufdampfen in einem Vakuum unter Wasser au SBshluß, wobei der Druck unterhalb von etwa 10~ mmHg gehalten wird, bis zu einer Schichtdicke von etwa 2000 8,
    c) Niederschlagen einer Goldschicht auf der Tantalschicht,
    d) Ausbildung der Peripherie der Schottky-Sperrschicht durch Ätzen der freigelegten Oberfläche des Galliumarsenidkörpers, und
    d) Oxidierung der freigelegten Oberflächen des Galliumarsenidkörpers und der Tantalschicht.
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  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil beißt Oxidieren in eine sauerstoffhaltige bzw. oxidierende Lösung solange eingetaucht wird, bis eine Oxidschicht von etwa 500 bis 1000 St Dicke auf der freigelegten Oberfläche des Galliuraarsenids gebildet ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement nach dem Ätzen bei einer Temperatur von etwa 250 bis 400° C über eine Dauer von etwa einer Stunde in einer sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre getrocknet bzwβ gebrannt wird» ' . ~ -
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