DE2436449B2 - Schottky-diode sowie verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Schottky-diode sowie verfahren zu ihrer herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schottky-Diode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Schottky-Diode ist z. B. aus der GB-PS 13 22 369 bekannt
Alle bisher als Schottky-Elektroden verwendeten Metalle haben unerwünschte Eigenschaften, die bei der Herstellung der Bauelemente kostspielige und nicht
(2) gebildete Tantaloxidschicht (8) ist und die den 20 immer befriedigende Gegenmaßnahmen erforderlich
machen. So sind beispielsweise Nickelschichten spröde und empfindlich gegen mechanische Beanspruchungen; Woliram neigt zur Bildung von leitenden, nadeiförmigen Vorsprüngen, welche den Rand der Sperrschicht
kurzschließen können. An sich so ideale Materialien, wie Gold oder Silber diffundieren in den Halbleiterkörper ein und zwar insbesondere bei höheren, im vorgesehenen Arbeitsbereich des Bauelements liegenden Temperaturen.
Zum Beispiel wegen der guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, der Eignung zur Thermokompression und der Korrosionsresistenz, ist Gold ein nahezu ideales Material zur Kontaktierung zwischen einer Schottky-Elektrode und der externen Schaltung.
jedoch diffundiert Gold durch einige Metalle, z. B. Palladium, das anderenfalls als Elektrodenmaterial geeignet wäre. Eire bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, einen Diffusionsschirm aus einem die Golddiffusion hindernden Metall zwischen der Schottky-Elektrode und dem Goldanschluß einzubauen. Als Diffusionsschirm geeignete Metalle haben solche Dehnungs-Temperaturkoeffizienten, daß sie in Sandwichbauweise zwischen zusätzlichen Metallschichten mit mittleren Temperaturkoeffizienten eingebaut
Halbleiterkörper (4) überziehende zweite Isolierschicht (7) aus einer durch Oxydation der freigelegten Oberflächenzone des Halbleiterkörpers gebildeten Oxidschicht mit einer Schichtstärke von etwa 500 bis 1000 A besteht.
3. Schottky-Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Peripherie der Sperrschicht (1) benachbarte Oberflächenzone des GaI-liumarsenidkörpers (4) angenähert rechtwinklig zur Ebene der Sperrschicht verläuft und daß die Metallelektrode (2) in dieser Ebene über die Peripherie der Sperrschicht nach außen vorsteht
4. Schottky-Diode nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkörper (3, 4) aus Galliumarsenid eine epitaktische Schicht (3) aufweist, die eine Donatorkonzentration von etwa 8 χ 1016 Schwefel- oder Telluratomen pro cm3 besitzt.
5. Schottky-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Metallelektrode (2) außerhalb der Sperrschicht (1) ein Goldkortakt (6) vorgesehen ist, der einen thermischen und elektrischen Leiter für die Schottky-Diode bildet, und daß die Metallelektrode (2) das
einzige oder wesentliche Mittel zur Verhinderung 45 werden müssen, um eine Beschädigung oder Zerstörung
einer Golfdiffusion in den Halbleiter darstellt.
6. Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte
a) Niederschlagen einer Tantalschicht auf einer gereinigten Oberflächenzone eines Galliumarsenidkörpers durch Aufdampfen in einem Vakuum unter Wasserausschluß, wobei der Druck unterhalb von etwa 10-5mm Hg gehalten wird, bis zu einer Schichtdicke von etwa 2000 Ä,
b) Niederschlagen einer Goldschicht auf der Tantalschicht,
c) Ausbildung der Peripherie der Schottky-Sperrschicht durch Ätzen der freigelegten Oberfläche des Galliumarsenidkörpers, und
d) Oxidierung der freigelegten Oberflächen des Galliumarsenidkörpers und der Tantalschicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Diode beim Oxydieren in eine sauerstoffhaltige bzw. oxydierende Lösung so lange eingetaucht wird, bis sich eine Oxidschicht von der Elektrodenkontakte im normalen Temperatur-Schwankungsbereich zu verhindern.
Aus der GB-PS 13 22 369 ist ein Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Art bekannt, bei dem die an der Bildung der Schottky-Sperrschicht beteiligte, unmittelbar auf dem Galliumarsenidkörper angebrachte Metallelektrode aus einer Legierung mit etwa 95% Silber besteht Die Herstellung der Schottky-Sperr schicht erfolgt bei einer Temperatur von 65O0C. Ähnlich wie Gold hat auch Silber die bei Schottky-Dioden ungünstige Eigenschaft des leichten Eindiffundierens in die Sperrschicht und in den mit der Metallelektrode in unmittelbarem Kontakt befindlichen Halbleiterkörper. Durch die relativ hohe Temperatur bei der Herstellung der Schottky-Sperrschicht wird diese Eigenschaft noch verstärkt und die Schottky-Sperrschicht entsprechend verschlechtert.
Aus der DT-OS 20 57 843 ist ein Siliziumtransistor bekannt, der mit Siliziumdioxid passiviert ist. Eine
6S Tantalschicht ist dabei zwischen dem Siliziumsubstrat und der als Kontaktierungsschicht dienenden Goldschicht vorgesehen, um die Haftprobleme von Gold auf Siliziumdioxid zu übfwinden. Das nach diesem Stande
der Technik verwendete Tantal selbst bildet jedoch nicht die Metallisierungsschicht Bei dem einen Halbleiterkörper aus Galliumarsenid aufweisenden Halbleiterbauelement der erfindungsgemäßen Gattung scheidet Siliziumdioxid als Passivierungsmaterial aus, da S Galliumarsenid in dem zur Herstellung des Siliziumdioxids in einer oxidierenden Atmosphäre erforderlichen Temperaturbereich zwischen 500 und 10000C zerfällt Andererseits ist die Peripherie der durch den Metall-Halbleiter-Übergang gebildeten Sperrschicht bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement besonders empfindlich gegen in der Umgebungsatmosphäre befindliche Reaktionsstoffe, z. B. Sauerstoff, Wasser und Natriumionen, und erfordert besondere Schutzmaßnahmen, wie sie beispielsweise in der US-PS 36 35417 is beschrieben sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schottky-Diode so auszubilden, daß sie einerseits einfach und ökonomisch herstellbar ist und andererseits hochstabile, nahezu ideale elektrische Charakteristiken hat, die auch bei Betrieb unter hohen Temperaturen praktisch unbeschadet erhalten bleiben.
Ausgehend von einem Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Art schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe, die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor. Es wird eine hochstabile Schottky-Sperrschicht gebildet, ohne in bekannter Weise Silber oder Gold mit Galliumirsenid in direkten Kontakt zu bringen. Die Tantalschicht wirkt dabei als Gold-Diffusionsschirm, macht alle weiteren Diffusionsschirmschichten überflüssig und besitzt einen Dehnungs-Temperaturkoeffizienten, der nahezu gleich demjenigen von Galliumarsenid ist wodurch die Möglichkeit eröffnet ist das Bauelement ohne Gefahr mechanischer oder elektrischer Beschädigung auch bei erhöhten Temperaturen zu betreiben. Die natürlichen Oxide des Tantals sind stabil und undurchlässig und daher zur Passivierung des Peripheriebereichs der Sperrschicht ausgezeichnet geeignet.
Aus der US-PS 36 86 539 ist ein passiviertes Halbleiterbauelement bekannt bei dem eine Tantalschicht nur in einem ohmschen Kontakt verwendet wird, nicht aber als Bestandteil einer Schottky-Sperrschicht
Bei einem aus der US-PS 36 63 279 bekannten Siliziumtransistor ist auf einer aus Siliziumdioxid bestehenden Passivierungsschicht eine Tantalschicht niedergeschlagen, die danach zur Bildung einer Natriumionenbarriere oxidiert ist Das in der Kontaktzone befindliche Tantal steht mit dem Halbleitermaterial nicht in direktem Kontakt. Eine Schottky-Sperrschicht ist bei dem bekannten Siliziumtransistor nicht vorgesehen.
Besondere Vorteile für die Stabilität und die überlegenen elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements mit Schottky-Sperrschicht ergeben sich auch durch die Art seiner Herstellung. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Herstellungsverfahren durch die im Anspruch 6 beanspruchten Verfahrensschrittc a) bis d) aus.
Im Gegensatz zu der Herstellung bekannter, aus Silber oder Gold und Galliumarsenid bestehender Schottky-Dioden wird bei der erfindungsgenäßen Verfahrensweise das Galliumarsenid im Zuge der Herstellung keinen hohen Temperaturen ausgesetzt. Das Oxidationsproblem ist bei der Herstellung durch Niederschlagen des Tantals in einem Hochvakuum ausgeräumt. Die Tantalschicht kann dabei ohne weiteres in direkten Kontakt mit dem Galliumarsenid gebracht werden, ohne dabei eine Zwischenschicht aus Palladium wie bei dem bekannten pn-Bauelemem gemäß US-PS 36 86 539 vorzusehen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Schnittansicht auf eine Schottky-Diode nach Anspruch 1,
F i g. 2 ein Diagramm der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode gemäß F i g. 1,
Fig.3 eine halblogarithmische Darstellung des Anfangsabschnitts der Kennlinie gemäß Fig.2 im Durchlaßbereich, und
Fig.4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Vorspannung und einer Funktion einer Sperrschichtkapazität der Diode darstellt
Die beschriebene Schottky-Diode kann besonders zweckmäßig als Varaktor in parametischen H F-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-Cszillatoren verwendet werden.
Gemäß F i g. 1 ist die Schottky-Sperrschicht 1 die Grenzfläche oder der Übergang zwischen einer Metallbzw. Tantalelektrode 2 und der Oberseite einer N-leitenden epitaktischen Schicht 3 aus Galliumarsenid mit einem Durchmesser von etwa 12 μηι, die auf einem an der Unterseite mit einem ohmschen Kontakt 5 versehenen etwa 80 μΐη starken N + -Galliumarsenidsubstrat 4 aufgebaut ist. Ein mindestens 1 μίτι starker Goldkontakt 6 auf der Oberseite der Tantalelektrode 2 ermöglicht einen einfachen Anschluß der Schottky-Diode an eine externe Schaltung, z. B. durch Anbringen eines in der Zeichnung nicht gezeigten Goldstrtifens mit dem Verfahren der Thermokompression.
Die 0,4 μπι starke epitaktische Schicht 3 und das unmittelbar angrenzende Substrat sind als kurze Mesa ausgebildet so daß die Ebene der Sperrschicht 1 etwas höher a!s 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 wird. Der Rand der Tantalelektrode und die nicht von der Oxidschicht? bedeckte Unterseite des überhängenden Teils werden mit einer Schichte aus Tantaloxid überzogen, die ebenfalls aufgezüchtet wird.
Die in F i g. 2 dargestellte Stromspannungskennlinie ist eine angenähert maßstabsgetreue Wiedergabe 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.
F i g. 3 zeigt die Kennlinie gemäß F i g. 2 zwischen
Null und etwa +0,6 Volt in vergrößertem Maßstab. Der ausgezogene Abschnitt 31 der Kurve gemäß Fig.3 wurde unter Verwendung eines Elektrometers mit einer brauchbaren Meßgenauigkeit für Ströme von 10— 12 Ampere Punkt für Punkt gemessen und aufgetragen. Die Ordinate (Dimension: Ampere) ist logarithmisch, so daß die exponentiell 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 ΙΟ"14 Ampere; dieser Wert stellt den Sättigungsstrom U in Sperrichtung bzw. Rückwärtsrichtung dar. Die in F i g. 3 dargestellte Kurve ermöglicht die Berechnung des Diodenparameters n, der im Fall des beschriebenen Bauelements etwa 1,06 beträgt. Dieser Wert kennzeichnet die nach üblichen Maßstäben gute Qualität einer Schottky-Sperrschicht
F i g. 4 zeigt 1/C2 als Funktion der Spannung für das in F i g. 1 dargestellte Bauelement, wobei C die Sperrschichtkapazität der 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 Φο nahe dem in diesem Fall theoretisch erwarteten Wert liegt.
Schottky-Dioden der zuvor beschriebenen Art wurden 120 Stunden lang auf 2500C 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 3000C betrieben werden können.
Das Verfahren zur Herstellung von Bauelementen ähnlich demjenigen gemäß F i g. 1 umfaßt die üblichen Vorbereitungsschritte 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. Das System wird sodann auf einen Druck von etwa 10-8 mm Hg evakuiert und eine Ionenpumpe eingesetzt, um aktive Restgase in der Kammer zu minimalisieren. Hierdurch wird eine Oxidierung des Tantals und ein Niederschlagen von Tantaloxid an Stelle des Tantals verhindert
Das Tantal wird so lange aufgedampft, bis eine Schicht von etwa 2000 Ä Dicke niedergeschlagen ist; dieser Prozeß kann, unterbrochen werden, um ein Überhitzen zu vermeiden und den Systemdruck unterhalb von etwa 10~s mm Hg aufrechtzuerhalten. Danach wird eine Goldschicht von etwa 1 um Dicke niedergeschlagen. Das Gold neigt während des Niederschiagens zum Streuen Ober den Rand des Tantals hinaus, wobei es einen dünnen, die Niederschlagsstelle umgebenden 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 Herstellung einer Diodenserie bereit. Selbstverständlich können bei der Herstellung dieser Anordnung an Stelle der perforierten Maske auch bekannte Photomaskier- und Ätzverfahren verwendet werden.
Vorzugsweise wird im nächsten Verfahrensschritt ίο eine ohmsche Kontaktschicht auf der Rückseite des Scheibchens, d. h. auf der dem Tantalflecken entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet. Dies kann unter Verwendung herkömmlicher Methoden, z. B. durch Aufdampfen und Sinterlegierung von Silber, Zinn und ij Palladium geschehen. Nach bisheriger Praxis wurde der rückseitige Kontakt vor der Bildung der Schottky-Elektroden hergestellt, da die zum Sintern bei etwa 4200C erforderliche hohe Temperatur die zuvor ausgebildete Sperrschicht beschädigen oder zerstören würde. Die in to der beschriebenen Weise aufgebaute und hergestellte Schottky-Sperrschicht der Elektrodenstruktur wird bei solchen Temperat.iren nicht beschädigt und kann daher vor dem 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 eine Mesa ähnlich derjenigen gemäß F i g. 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 oaer 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 F i g. 1 freigelegt wird.
Nach dem Spülen und teilweisen Trocknen wird das Scheibchen in Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas bei 3500C getrocknet, um den Trocknungsprozeß abzuschließen und die Bildung der aus Tantaloxid bestehenden Passivierungsschicht8 (Fig. 1) um den Rand der Sperrschicht einzuleiten. Die Ausbildung dieser Schicht und die Bildung der natürlichen Oxidschicht? 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 angenommer werden, daß es sich um Galliumoxid in amorpher Forrr handelt
Nach der Passivierung wird das Scheibchen bei 225° C in Luft über eine Zeitspanne von 4 bis 6 Stundet getrocknet bzw. eingebrannt, sodann angerissen oder ii üblicher Weise zerteilt, um getrennte Einzeldiodenchip:
ähnlich demjenigen gemäß Fig. 1 zum Einbau ii
geeignete Träger- und Verbindungsanordnungen zi
schaffen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche: y*^
    !.Schottky-Diode mit einem Halbleiterkörper aus N-leitendem Galliumarsenid und einer mit dem Halbleiterkörper in Kontakt befindlichen Metallelektrode und mit einer diese überdeckenden Goldschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (2) aus einer Tantalschicht besteht und den Halbleiterkörper (J, 4) und die Metallelektrode (2) außen überziehende Isolierschichten (7, 8) vorgesehen sind, die am Rande der Sperrschicht (1) eine Zone (8) aus Tantaloxid enthalten.
    2. Schottky-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (2) eine Schichtstärke von etwa 2000 Ä besitzt, die erste Isolierschicht (8) eine durch Oxydation von freigelegten Oberflächenbereichen der Metallelektrode etwa 500 bis 1000 A Dicke auf der freigelegten Oberfläche des Galliumarsenids gebildet hat
    8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Diode nach dem Ätzen bei einer Temperatur von etwa 250 bis 4000C über eine Dauer von etwa einer Stunde in einer sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre getrocknet bzw. gebrannt wird
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