DE2638530A1 - Semiconductor with Schottky barrier - is formed by heating in contact with nickel pallaalladium alloy to form film of intermetallic cpd. - Google Patents
Semiconductor with Schottky barrier - is formed by heating in contact with nickel pallaalladium alloy to form film of intermetallic cpd.Info
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Abstract
Description
Halbleitervorrichtung mit Schottkyscher Sperrschicht und Verfahren zur Herstellung derselben.Schottky barrier semiconductor device and method to manufacture the same.
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit Schottkyscher Sperrschicht, insbesondere mit einer Schottkyschen Sperrschicht, die thermisch stabilisiert ist und sowohl einen niedrigen Sperrstrom als auch einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall besitzt. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleitervorrichtung mit Schottkyscher Sperrschicht.The invention relates to a Schottky shear semiconductor device Barrier layer, in particular with a Schottky barrier layer that stabilizes thermally and both a low reverse current and a low forward voltage drop owns. The invention also relates to a method for producing a such a Schottky barrier layer semiconductor device.
Es ist bekannt (US-PS 3 952 880), daß in einem Halbleiter eine Schottkysche Sperrschicht an den Abschnitten derselben gebildet wird, die mit metallischen Werkstoffen in Berührung stehen, und es wurden bereits verschiedene Arten von Schottkysperrschicht-Halbleitervorrichtungen vorgeschlagen, welche Nutzen aus den elektrischen Eigenschaften der Schottkyschen Sperrschicht ziehen. Einige dieser Halbleitervorrichtungen sind bereits in der Praxis angewandt worden. Bei Halbleitervorrichtungen mit Schottkyscher Sperrschicht ist es wünschenswert, daß letztere bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften thermisch stabilisiert ist und zudem sowohl einen niedrigen Sperrstrom als auch einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall über die Vorrichtung besitzt, wenn derartige Halbleitervorrichtungen als Gleichrichter benutzt werden. Bei solchen Halbleitervorrichtungen herkömmlicher Bauart hat es sich als schwierig erwiesen, eine Schottkysche Sperrschicht auszubilden, die einmal der Bedingung, bezüglich der elek-trischen Eigenschaften thermisch stabilisiert zu sein, und zum anderen der Bedingung genügt, daß sie sowohl einen niedrigen Sperrstrom als auch einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall besitzt.It is known (US-PS 3,952,880) that a Schottky in a semiconductor Barrier layer is formed on the sections of the same made with metallic materials are in contact, and various types of Schottky barrier semiconductor devices have been used suggested what benefit from the electrical properties of Schottky Pull the barrier layer. Some of these semiconductor devices are already in use been applied. In semiconductor devices with a Schottky barrier layer is it is desirable that the latter be thermal in terms of their electrical properties is stabilized and in addition, both a low reverse current as also has a low forward voltage drop across the device when such semiconductor devices can be used as rectifiers. In such Conventionally designed semiconductor devices have found it difficult to to form a Schottky barrier layer once the condition related to the electrical properties to be thermally stabilized, and on the other hand the condition that they have both a low reverse current and a low one suffices Has forward voltage drop.
Der Ausdruck Sperrschichtmetall bezieht sich allgemein auf jeden beliebigen metallischen Werkstoff, der mit einem Halbleitersubstrat so in Berührung bzw. Kontakt steht, daß dazwischen eine Schottkysche Sperrschicht gebildet wird. Beispiele für Sperrschichtmetalle sind hochschmelzende Metalle, wie Molybdän, Wolfram, Titan usw., Elemente der Platingruppe, wie Platin, Rhodium, Zirkon, Palladium usw., Chrom, Nickel und andere. Diese metallischen Werkstoffe sind leicht mit Halbleitern verbindbar, doch vermag eine aus einem der angegebenen Sperrschichtmetalle gebildete Schottkysche Sperrschicht nicht gleichzeitig den beiden vorher genannten Bedingungen zu genügen. Beispielsweise führt die Verwendung eines solchen hochschmelzenden Metalls als Sperrschichtmetall zu einer Schottkyschen Sperrschicht mit instabilen elektrischen Eigenschaften, weil das Sperrschichtmetall eine mangelhafte Adhäsion zum jeweiligen Halbleiter besitzt, hohe (mechanische) Spannungen in ihm hervorruft und dergleichen.The term barrier metal generally refers to any one metallic material that is in contact or contact with a semiconductor substrate states that a Schottky barrier is formed therebetween. examples for Barrier metals are refractory metals such as molybdenum, tungsten, titanium, etc., Platinum group elements such as platinum, rhodium, zircon, palladium, etc., chromium, nickel and other. These metallic materials can easily be connected to semiconductors, however, a Schottky barrier formed from one of the specified barrier metals is capable Barrier layer does not meet the two aforementioned conditions at the same time. For example, the use of such a refractory metal leads to a barrier metal to a Schottky barrier layer with unstable electrical properties because the barrier metal has poor adhesion to the respective semiconductor, causes high (mechanical) stresses in it and the like.
Die Verwendung eines Elements der Platingruppe ergibt eine Schottkysche Sperrschicht mit niedrigem Sperrstrom, aber hohem Durchlaßspannungsabfall. Bei Verwendung von Chrom oder Nickel besitzt die gebildete Schottkysche Sperrschicht andererseits einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall, während ihre elektrischen Eigenschaften nicht genügend stabilisiert werden können und sich der Sperrstrom über diese Sperrschicht erhöht.The use of a platinum group element results in a Schottky Junction layer with low reverse current, but high forward voltage drop. Using of chrome or nickel possesses the Schottky barrier layer formed on the other hand, a low forward voltage drop while their electrical Properties can not be stabilized enough and the reverse current increased over this barrier layer.
Eine Halbleitervorrichtung mit einer Schottkyschen Sperrschicht die sowohl bezüglich der elektrischen Eigenschaften thermisch stabil ist, als auch niedrigen Sperrstrom und niedrigen Durchlaßspannungsabfall besitzt, ist in der eingangs genannten US-PS 5 932 880 beschrieben und beansprucht. Diese Patentschrift lehrt die Verwendung einer Nickel-Palladium-Legierung als Sperrschichtmetall.A semiconductor device with a Schottky barrier layer is thermally stable in terms of both electrical properties and is also low Reverse current and low forward voltage drop is in the aforementioned U.S. Patent 5,932,880 described and claimed. This patent teaches use a nickel-palladium alloy as the barrier metal.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer vorteilhaft verbesserten Halbleitervorrichtung mit Schottkyscher Sperrschicht, die im Vergleich zur Schottkyschen Sperrschicht gemäß der genannten Patentschrift bezüglich der elektrischen Eigenschaften stabiler ist und auch einen niedrigeren Sperrstrom sowie einen niedrigeren Durchlaßspannungsabfall besitzt.The object of the invention is to create an advantageously improved Schottky barrier layer semiconductor device compared to Schottky barrier Barrier layer according to the cited patent with regard to electrical properties is more stable and also has a lower reverse current and a lower forward voltage drop owns.
Zudem bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung der vorstehend umrissenen Art.The invention also aims to provide an improved method for manufacturing a semiconductor device of the type outlined above.
Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung mit einer Schottkyschen Sperrschicht erfindungsgemäß gelöst durch ein Substrat aus einem Halbleitermaterial, durch ein auf dem Substrat angeordnetes Metallelement aus einer Nickel-Palladium-Legierung und durch eine zwischen Substrat und Metallelement befindliche Schicht aus einer intermetallischen Verbindung, die aus dem Halbleitermaterial des Substrats und der Nickel-Palladium-Legierung besteht.This object is achieved in a semiconductor device having a Schottky Barrier layer solved according to the invention by a substrate made of a semiconductor material, by a metal element made of a nickel-palladium alloy arranged on the substrate and by a layer located between the substrate and the metal element of a intermetallic compound made up of the semiconductor material of Substrate and the nickel-palladium alloy.
Für die nachvollziehbare Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit Schottkyscher Sperrschicht gemäß vorstehender Definition wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung geschaffen, dessen Besonderheit darin besteht, daß ein aus einer Nickel-Palladium-Legierung bestehendes Metallelement mit einem Substrat aus Halbleitermaterial in Berührung gebracht wird und daß die so gebildete Anordnung einer Wärmebehandlung unterworfen wird, um zwischen Substrat und Metallelement eine Schicht einer intermetallischen Verbindung zu bilden, welche aus dem Halbleitermaterial des Substrats und der Nickel-Palladium-Legierung besteht.For the traceable manufacture of semiconductor devices with Schottky barrier layer as defined above is used with the invention a method for manufacturing such a semiconductor device is provided, whose special feature is that one is made of a nickel-palladium alloy existing metal element in contact with a substrate made of semiconductor material is brought and that the arrangement thus formed is subjected to a heat treatment is to create a layer of an intermetallic between the substrate and the metal element Form connection, which consists of the semiconductor material of the substrate and the nickel-palladium alloy consists.
Die Wärmebehandlung kann vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 400 - 6000C und am günstigsten von 450 - 5500C erfolgen.The heat treatment can preferably be carried out at a temperature in the range from 400 - 6000C and preferably from 450 - 5500C.
Vorteilhaft kann die Wärmebehandlung in einer Inertgas atmosphäre durchgeführt werden.The heat treatment in an inert gas atmosphere can be advantageous be performed.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.The following is based on a preferred embodiment of the invention the accompanying drawing explained in more detail.
Es zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit Schottkyscher Sperrschicht mit Merkmalen nach der Erfindung, Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Vergleichs der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit derjenigen gemäß dem Stand der Technik bezüglich der Spannung/Strom-Eigenschaften einer vorgesehenen Schottkyschen Sperrschicht und Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde grthische Darstellung, welche jedoch die thermischen Eigenschaften des Stroms in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei der jeweiligen Schottkyschen Sperrschicht zeigt.1 shows a partial section through a semiconductor device with Schottky barrier layer with features according to the invention, Fig. 2 is a graph showing a comparison of the semiconductor device according to the invention with that of the prior art in terms of voltage / current characteristics a Schottky barrier layer provided; and FIG. 3 shows a graphic similar to FIG Representation which, however, depends on the thermal properties of the current of the applied voltage at the respective Schottky barrier layer.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist ein Substrat 1o aus einem Halbleitermaterial, z.B. Silizium, mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen 10A und loB und einem Oberflächen-Passivierfilm 12 auf, der auf der einen Hauptfläche, bei der dargestellten Ausführungsform auf der oberen Hauptfläche 10A (Fig. 1) des Substrats 10 angeordnet ist und von einer Öffnung bzw. einem Fenster 12A durchsetzt wird, das sich zu einem vorbestimmten Abschnitt der Substrat-Hauptfläche loA, im dargestellten Fall zu deren Mittelbereich erstreckt. Weiterhin ist im Fenster 12A ein Metallelement 14 angeordnet, welches sowohl den freigelegten Teil der Hauptfläche loA alsauch die UmSangswand des Fensters 12A kontaktiert und sich über den das Fenster 12A umschließenden Teil des Passivierfilms 12 hinauserstreckt. Zwischen dem Metallelement 12 und dem angrenzenden Teil des Substrats lo ist eine Schicht 16 aus einer intermetallischen Verbindung ausgebildet.The device according to FIG. 1 has a substrate 1o made of a semiconductor material, e.g. silicon, with two opposing major surfaces 10A and 10B and a surface passivating film 12, which is on one major surface, in the illustrated Embodiment arranged on the upper main surface 10A (FIG. 1) of the substrate 10 is and is penetrated by an opening or a window 12A, which becomes a predetermined portion of the substrate main surface loA, in the illustrated case to their Central area stretches. Furthermore, a metal element 14 is arranged in the window 12A, which both the exposed part of the main area loA and the surrounding wall of the window 12A contacted and over the part surrounding the window 12A of the passivation film 12 extends out. Between the metal element 12 and the adjacent one Part of the substrate lo is a layer 16 made of an intermetallic compound educated.
Das Substrat 1o kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial bestehen, beislp wlsweise aus einer Verbindung gemäß Gruppe III - g oder IV des Periodischen Systems.The substrate 1o can consist of any semiconductor material, for example from a compound according to group III-g or IV of the periodic Systems.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 weist das Substrat 10 eine hochdotierte N+-Siliziumscheibe bzw. -plättchen 11A und eine auf dieser epitaxial gezüchtete n-Typ- Siliziumschicht 113 auf. Die beiden Hauptflächen 10A und 1oB werden durch die Peiliegenden Flächen des Plättchens 11B und der epitaxialen Schicht 11A gebildet.In the arrangement according to FIG. 1, the substrate 10 has a highly doped one N + silicon wafer 11A and one epitaxially grown thereon n-type Silicon layer 113. The two main surfaces 10A and 1oB are determined by the bearing faces of the wafer 11B and the epitaxial Layer 11A is formed.
Der Oberflächen-Passivierfilm 12 kann aus einem passenden elektrisch isolierenden Material bestehen. Typische Beispiele hierfür sind Siliziumdioxid (sie2) und Siliziumnitrid (SinN4). Bei Verwendung von Siliziumdioxid kann der Oberflächen-Passivierfilm 12 durch an sich bekanntes chemisches Aufdampfen oder Aufsprühen gebildet werden.The surface passivation film 12 can be made of a suitable electrical insulating material. Typical examples are silicon dioxide (sie2) and silicon nitride (SinN4). When using silicon dioxide, the surface passivation film 12 are formed by known chemical vapor deposition or spraying.
Das aus Silizium bestehende Substrat kann in an sich bekannter Weise zur Herstellung des Passivierfilms 12 thermisch oxydiert werden. Andererseits kann ein chemisches Aufdampfen angewandt werden, um den Passivierfilm 12 aus Siliziumnitrid zu bilden. Ebenso können an sich bekannte Photolithographieverfahren zur Ausbildung des Fensters 12A in dem Abschnitt des Passivierfilms 12 angewandt werden, unter dem sich ein vorbestimmter Abschnitt im vorliegenden Fall der Mittelbereich der Substrat-Hauptfläche 1oA befindet, um diesen Flächenbereich freizulegen.The substrate made of silicon can be used in a manner known per se to produce the passivation film 12 are thermally oxidized. On the other hand, can Chemical vapor deposition can be applied to the passivation film 12 of silicon nitride to build. Photolithography processes known per se can also be used for training of the window 12A in the portion of the passivation film 12 can be applied below which is a predetermined section in the present case, the central area of the Substrate major surface 1oA is located to expose this surface area.
Die Dicke ß (vergl. Fig. 1) des Passivierfilms 12 liegt vorzugsweise bei o,5 - 2 /um.The thickness β (see FIG. 1) of the passivation film 12 is preferably at 0.5-2 / um.
Bei der Fertigung wird sodann das Metallelement 14 im Fenster 12A auf dem vorbestimmten bzw. Mittelbereich der Hauptfläche 1oA so angeordnet, daß es mit diesem Bereich unmittelbar in Berührung steht. Das Metallelement 14 wird nach einem elektrischen Galvanisierverfahren aus einer Nickel-Palladium-Legierung gebildet.During manufacture, the metal element 14 is then placed in the window 12A arranged on the predetermined or central region of the main surface 1oA so that it is in direct contact with this area. The metal element 14 is after an electrical electroplating process from a nickel-palladium alloy educated.
Diese Nickel-Palladium-Legierung zeichnet sich durch die erste Eigenschaft aus, daß sie mit zunehmender Zahl an Palladiumatomen schwierig zu oxydieren wird. Durch diese Eigenschaft wird die Neigung des Metallelements 14 zu einer Oxydation auch dann wirksam unterdrückt, wenn die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in der Atmosphäre einer ziemlich hohen Temperatur ausgesetzt ist. Außerdem besitzt diese Legierung die zweite Eigenschaft, daß eine Erhöhung der Zahl an in ihr enthaltenen Palladiumatomen von einer Unterdrückung der Tendenz dafür begleitet ist, daß Atome anderer Metalle durch das Metallelement 14 hindurch in das Halbleitersubstrat 1o eindiffundieren. Durch diese zweite Eigenschaft werden das Eindiffundieren von anderen Metallen durch das Metallelement 14 in das Substrat 1o und deren Reaktion mit dem Halbleitermaterial des Substrats 10 unterdrückt. Durch diese beiden Eigenschaften ergibt sich ein wirksamer Schutz der Vorrichtung gemäß Fig. 1 vor einer thermischen Anderung ih-rer Eigenschaften bei erhöhter Temperatur, wodurch eine hohe thermische Stabilität der Vorrichtung gewährleistet wird.This nickel-palladium alloy has the first property from that they increase in number Palladium atoms difficult to get will oxidize. With this property, the inclination of the metal member 14 becomes an oxidation is also effectively suppressed when the device according to FIG exposed to a fairly high temperature in the atmosphere. Also owns this alloy has the second property that increasing the number of contained in it Palladium atoms is accompanied by a suppression of the tendency for atoms other metals through the metal element 14 into the semiconductor substrate 1o diffuse in. This second property enables the diffusion of others Metals through the metal element 14 into the substrate 1o and their reaction with the Semiconductor material of the substrate 10 suppressed. Because of these two properties this results in an effective protection of the device according to FIG. 1 against thermal Change in their properties at elevated temperature, creating a high thermal Stability of the device is guaranteed.
Auch wenn sich die Zahl der Palladiumatome dieser Nickel-Palladium-Legierung unter Verschlechterung der beiden genannten Eigenschaften verringert, behält diese Legierung dennoch die beiden Eigenschaften bei, so daß die geschilderte Wirksamkeit erhalten bleibt.Even if the number of palladium atoms of this nickel-palladium alloy if the two properties mentioned are reduced, they retain them Alloy nevertheless both properties, so that the described effectiveness preserved.
Da eine Erhöhung der Zahl der Palladiumatome in der Legierung von einer Verbesserung der genannten Eigenschaften begleitet ist, ist es vorteilhaft, die Zahl der Palladiumatome in der Legierung so zu erhöhen, daß das aus der genannten Legierung bestehende Metallelement 14 eine die Zahl der Nickelatome übersteigende Zahl an Palladiumatomen besitzt. Es hat sich gezeigt, daß die Zahl der Palladiumatome zur Gewährleistung zufriedenstellender Ergebnisse das Vierfache oder weniger der Zahl an Nickelatomen des Metallelements 14 bletragen sollte. Mit anderen Worten: das Metallelement 14 besitzt vorzugsweise ein Verhältnis von Nickelatomen zu Palladiumatomen im Bereich von 50:50 bis 20:80.Because an increase in the number of palladium atoms in the alloy of is accompanied by an improvement in the properties mentioned, it is advantageous to to increase the number of palladium atoms in the alloy so that the above Alloy consisting of metal element 14 an exceeding the number of nickel atoms Number of palladium atoms. It has been shown that the number of palladium atoms to ensure more satisfactory Results four times or less than the number of nickel atoms of the metal element 14 should be borne. With In other words, the metal element 14 preferably has a ratio of nickel atoms to palladium atoms in the range from 50:50 to 20:80.
Die Dickea(vergl. Fig. 1) des unmittelbar mit dem Substrat 1o unterlegten Abschnitts des Metallelements 14 ist kleiner als die Dicke des Oberflächen-Passivierfilms 12. Es hat sich gezeigt, daß diese Dicke a des Metallelements 14 zur Gewährleistung zufriedenstellender Ergebnisse im Bereich von o,o5 - o,2 /um liegen sollte.The thicknessea (see. Fig. 1) of the directly underlaid with the substrate 1o The portion of the metal member 14 is smaller than the thickness of the surface passivation film 12. It has been shown that this thickness a of the metal element 14 to ensure satisfactory results should be in the range of 0.05-0.2 µm.
Die zwischen dem Metallelement 14 und dem angrenzenden Abschnitt des Substrats 10 gebildete Schicht 16 besteht aus einer intermetallischen bzw. halbleitenden Verbindung aus der das Metallelement 14 bildenden Nickel-Palladium-Legierung und dem Halbleitermaterial des Substrats 10.The between the metal element 14 and the adjacent portion of the The layer 16 formed on the substrate 10 consists of an intermetallic or semiconducting one Compound of the metal element 14 forming nickel-palladium alloy and the semiconductor material of the substrate 10.
Wenn das Substrat lo beispielsweise aus Silizium besteht, enthält die Schicht 16 eine intermetallische Verbindung die als Silizid bezeichnet wird.If the substrate lo consists of silicon, for example, contains the layer 16 is an intermetallic compound referred to as a silicide.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird eine Schottkysche Sperrschicht zwischen dem Metallelement Ünd dem angrenzenden Teil des Substrats lo gebildet, nämlich - genauer gesagt - an einer Grenzfläche zwischen der Schicht 16 aus intermetallischer Verbindung und dem angrenzenden Abschnitt des Substrats 10. Diese Sperrschicht ist jedoch nicht speziell eingezeichnet.In the device according to FIG. 1, a Schottky barrier layer is used formed between the metal element and the adjacent part of the substrate lo, namely - more precisely - at an interface between the layer 16 of intermetallic Connection and the adjacent portion of the substrate 10. This barrier layer is but not specifically drawn.
Zur Vervollständigung der Anordnung gemäß Fig. 1 wird zunächst die Konstruktion aus dem Substrat lo, dem Oberflächen-Passivierfilm 12 und dem das Substrat 1o kontaktierenden Metallelement 14 im Fenster 12A hergestellt und anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen, bei welcher die Vorrichtung in einer Inertgasatmosphäre auf eine Temperatur von 400 - 600 cc und vorzugsweise von 450 - 5500C erwärmt wird. Als Inertgas können Wasserstoff, Stickstoff, Helium, Argon oder Gemische davon verwendet werden. Die Wärmebehandlung führt dazu, daß sich die Schicht 16 aus der intermetallischen Verbindung zwischen dem Metallelement 14 und dem angrenzenden Abschnitt des Substats 10 bildet.To complete the arrangement according to FIG. 1, the first Construction from the substrate lo, the surface passivation film 12 and the substrate 1o contacting metal element 14 made in the window 12A and afterward subjected to a heat treatment in which the device is placed in an inert gas atmosphere is heated to a temperature of 400 - 600 cc and preferably 450 - 5500C. Hydrogen, nitrogen, helium, argon or mixtures thereof can be used as the inert gas will. The heat treatment leads to the fact that the layer 16 from the intermetallic Connection between the metal element 14 and the adjacent portion of the substrate 10 forms.
Es hat sich herausgestellt, daß auf vorstehend beschriebene Weise hergestellte Halbleitervorrichtungen mit Schottkyscher Sperrschicht sowohl einen niedrigen Sperrstrom als auch einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall besitzen und sich außerdem ihre elektrischen Eigenschaften auch dann nicht verändern, wenn die Vorrichtungen 0 in der Atmosphäre einer Wärmeeinwirkung von 2000C während eines Zeitraums von looo h ausgesetzt sind, sofern diese Temperatur unter der Temperatur liegt, bei welcher nach Anbringung der Elektroden an der betreffenden Vorrichtung die Wärmebehandlung durchgeführt wird. Weiterhin lassen sich diese Vorrichtungen mit guter Wiederholbarkeit bzw. Nacharbeitbarkeit herstellen.It has been found that in the manner described above manufactured Schottky barrier layer semiconductor devices have both one have a low reverse current as well as a low forward voltage drop and In addition, their electrical properties do not change even if the Devices 0 in the atmosphere of a heat exposure of 2000C during a A period of looo h provided that this temperature is below the temperature is at which after attaching the electrodes to the device in question the heat treatment is carried out. Furthermore, these devices produce with good repeatability or reworkability.
Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß sich der Sperrstrom durch die Vorrichtung erhöht, wenn die Nickelmenge so stark zunimmt, daß das Atomverhältnis von Nickel zu Palladium in der das Metallelement 14 bildenden Legierung außerhalb des vorher angegebenen Bereichs, d.h. zwischen 50:50 und 2o:8o liegt. Wird dagegen die Palladiummenge in der Nickel-Palladium-Legierung so stark erhöht, daß das Atomverhältnis zwischen den beiden Elementen außerhalb des angegebenen Bereichs liegt, so verschlechtert sich die Adhäsion des resultierenden Metallelements zu einem zugeordneten Halbleitersubstrat; und die dabei gebildete Schottkysche Sperrschicht erhält instabile elektrische Eigenschaften, während sich die Vorrichtungen zudem mit schlechter Wiederholbarkeit herstellen lassen.In addition, it has been shown that the reverse current through the device increases when the amount of nickel increases so much that the atomic ratio from nickel to palladium in the alloy forming the metal element 14 outside of the previously specified range, i.e. between 50:50 and 2o: 8o. Will against it the amount of palladium in the nickel-palladium alloy increased so much, that the atomic ratio between the two elements is outside the specified range is, the adhesion of the resulting metal member deteriorates too an associated semiconductor substrate; and the Schottky barrier layer formed thereby maintains unstable electrical properties while the devices are moreover can be produced with poor repeatability.
Bezüglich der Dicke a des Metallelements 14 hat es sich gezeigt, daß dann, wenn diese Dicke a unter dem vorher angegebenen unteren Grenzwert liegt, Feinlöcher im Metallelement 14 auftreten, welche die Reaktion eines zur Bildung einer Elektrode auf das Metallelement 14 aufgetragenen metallischen Werkstoffs, wie Gold oder Aluminium, mit dem Halbleitermaterial des Substrats 1o begünstigen. Wenn die Dicke a des Metallelements 14 andererseits den angegebenen oberen Grenzwert übersteigt, ist das Metallelement 14 einer höheren (mechanischen) Spannung unterworfen, wobei auch die elektrischen Eigenschaften schwer reproduzierbar werden.With regard to the thickness a of the metal element 14, it has been found that then, when this thickness a is below the lower limit specified above, pinholes occur in the metal element 14, which is the reaction of a to form an electrode metallic material applied to the metal element 14, such as gold or aluminum, favor with the semiconductor material of the substrate 1o. When the thickness a of the metal member 14, on the other hand, exceeds the specified upper limit value, is the metal element 14 subjected to a higher (mechanical) tension, the electrical Properties become difficult to reproduce.
Die Wärmebehandlungstemperatur, bei welcher die intermetallische Verbindung der Schicht 16 gebildet wird, sollte im Bereich von 400 - 6000C liegen. Bei Temperaturen unter 4000C werden die resultierenden elektrischen Eigenschaften instabil, während dabei auch keine gute Reproduzierbarkeit erwartet werden kann. Bei einer Wärmebehandlungstemperatur über 6000C ergibt sich dagegen ein erhöhter Sperrstromfluß durch die Vorrichtung. Es hat sich erwiesen, daß die Wärmebehandlungstemperatur vorzugsweise im Bereich von 450 - 5500C liegen sollte.The heat treatment temperature at which the intermetallic compound the layer 16 is formed should be in the range of 400-6000C. At temperatures below 4000C the resulting electrical properties become unstable while no good reproducibility can be expected. At a heat treatment temperature Above 6000C, on the other hand, there is an increased reverse current flow through the device. It has been found that the heat treatment temperature is preferably in the range should be from 450 - 5500C.
Die Atmosphäre, in welcher die Wärmebehandlung durchgeführt wird, besteht vorzugsweise aus Wasserstoff oder Stickstoff, die im angegebenen Temperaturbereich inaktiv sind, oder aus einem Inertgas, wie Argon, Helium oder dergleichen. Für den-gleichen Zweck kann vorteilhaft auch ein Gemisch der genannten Gase benutzt werden.The atmosphere in which the heat treatment is carried out consists preferably of hydrogen or nitrogen in the specified temperature range are inactive, or from an inert gas such as argon, helium or the like. For the same A mixture of the gases mentioned can advantageously also be used for this purpose.
Wie erwähnt, wird die Schicht der intermetallischen Verbindung dadurch gebildet, daß die Anordnung, einschließlich des mit dem Halbleitersubstrat 1o in Berührung stehenden Metallelements 14, erwärmt wird. Bei diesem Erwärmungsvorgang treten das Halbleitermaterial des Substrats 1o und die das Metallelement 14 bildende Nickel-Palladium-Legierung unter Bildung der Schicht 16 ineinander ein. Ersichtlicherweise entsteht dabei eine Grenzfläche zwischen der Schicht 16 und dem Substrat lo, die etwas tiefer im Substrat 1o liegt als die vor der Ausbildung der Schicht 16 aus der intermetallischen Verbindung zwischen dem Metallelement 14 und dem Substrat 1o gebildete Grenzfläche. Beim Fehlen der Schicht 16 muß sich eine Schottkysche Sperrschicht an der Grenzfläche zwischen Metallelement 14 und Substrat 10 bilden. Unter diesen Bedingungen können etwa an der Grenzfläche zwischen Metallelement 14 und Substrat 1o vorhandene, unerwünschte Materialien zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der hergestellten Halbleitervorrichtung führen. Diese unerwünschten Materialien rühren von Verunreinigungen und/oder Oxidschichten her, die ursprünglich an der Hauptfläche, d.h. der Hauptfläche 1oA, des Substrats 1o anhaften, auf welcher das Metallelement 14 angeordnet werden soll. Das Vorhandensein solcher Fremdmaterialien führt zu instabilen elektrischen Eigenschaften, zu erhöhtem Sperrstrom und höherem Spannungsabfall über die gebildete Schottkysche Sperrschicht. Obgleich die Hauptfläche 1oA vor der Anbringung des Metallelements 14 selbstverständlich gereinigt wird, ist es schwierig, etwaige Verunreinigungen und/oder Oxidschichten auf der Hauptfläche,#auch nach deren Reinigung, vollständig zu verhindern.As mentioned, this creates the intermetallic compound layer formed that the arrangement including that with the semiconductor substrate 1o in Contact standing metal element 14, is heated. During this heating process the semiconductor material of the substrate 1o and that forming the metal element 14 occur Nickel-palladium alloy into one another to form layer 16. Obviously this creates an interface between the layer 16 and the substrate lo, the lies somewhat deeper in the substrate 1o than that before the formation of the layer 16 the intermetallic connection between the metal element 14 and the substrate 1o formed interface. In the absence of layer 16, there must be a Schottky Form a barrier layer at the interface between metal element 14 and substrate 10. Under these conditions, for example at the interface between metal element 14 and substrate 1o present, undesirable materials to a deterioration of lead electrical properties of the manufactured semiconductor device. These unwanted materials result from impurities and / or oxide layers, those originally on the main surface, i.e. the main surface 1oA, of the substrate 1o adhere on which the metal member 14 is to be placed. The presence such foreign materials lead to unstable electrical properties, to increased reverse current and higher voltage drop across the Schottky that is formed Barrier. Although the main surface 1oA before the attachment of the metal element 14 is of course cleaned, it is difficult to remove any impurities and / or oxide layers on the main surface, # even after they have been cleaned, completely to prevent.
Wie vorstehend geschildert, wird die Schicht 16 aus der intermetallischen Verbindung so ausgebildet, daß sie etwas über die ursprüngliche, vor ihrer Herstellung zwischen Metallelement 14 und Substrat 1o vorhandene Grenzschicht hinaus in das Substrat 1o hineinreicht. An der Grenzfläche zwischen Schicht 16 und Substrat 1o bildet sich dabei eine Schottkysche Sperrschicht. Selbst wenn daher vor der Ausbildung der Schicht 16 aus intermetallischer Verbindung ein unerwünschtes bzw. Fremdmaterial an der Grenzfläche zwischen Metallelement 14 und Substrat lo vorhanden ist, wird dieses Material an einem unmittelbaren ungünstigen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der Schottkyschen Sperrschicht gehindert. Hierdurch ergeben sich verbesserte thermische Stabilität der elektrischen Eigenschaften sowie eine Verringerung des über diese Sperrschicht fließenden Sperrstroms. Darüber hinaus wird durch die Ausbildung der intermetallischen Verbindungsschicht das Fremdmaterial so modifiziert, daß es nicht in der Lage ist, den Durchlaßspannungsabfall über die fertige Vorrichtung unmittelbar zu vergrößern.As described above, the layer 16 is made of the intermetallic Connection designed so that it is somewhat above the original, prior to its creation existing boundary layer between metal element 14 and substrate 1o into the Substrate 1o extends into it. At the interface between layer 16 and substrate 1o A Schottky barrier is formed in the process. Even if, therefore, before the training of the intermetallic compound layer 16 is an undesirable or foreign material is present at the interface between metal element 14 and substrate lo, is this material has an immediate adverse effect on the electrical Properties of the Schottky barrier layer hindered. This results in improved thermal stability of the electrical properties as well as a reduction in the reverse current flowing through this barrier layer. In addition, through training the intermetallic compound layer modifies the foreign material so that it is unable to measure the forward voltage drop across the finished device to enlarge immediately.
Infolgedessen kann dieser Durchlaßspannungsabfall klein sein.As a result, this forward voltage drop can be small.
Als Beispiel wurde eine Halbleitervorrichtung der Art gemäß Fig. 1 aus einem Halbleitersubstrat in Form eines N+-Siliziumplättchens 11A mit einer Fremdatomkonzen-18 von 5 tration von 6 - 9 x 1o Atome/cm und einer darauf gezüchteten epitaxialen Schicht 11B aus n-Typ-Silizium hergestellt. Die epitaxiale Schicht besaß dabei eine Fremdatomkonzentration von 6 - 8 x 1015 Atome/cm5 und eine kristallographische Orientierung von 61007.As an example, a semiconductor device of the type shown in FIG from a semiconductor substrate in the form of a N + silicon chip 11A with an impurity concentration of 5 tration of 6 - 9 x 10 atoms / cm and one n-type silicon epitaxial layer 11B grown thereon. The epitaxial The layer had an impurity concentration of 6 - 8 x 1015 atoms / cm5 and one crystallographic orientation of 61007.
Sodann wurde nach einem an sich bekannten thermischen Oxydationsverfahren auf der freiliegenden Oberfläche der epitaxialen Schicht ein 1#um dicker Film aus Siliziumdioxid ausgebildet, welcher einen Oberflächen-Passivierfilm entsprechend dem Film 12 gemäß Fig. 1 bildete. Anschließend wurde ein Fenster in Form eines Quadrats mit einer Seitenlänge von 2,9 mm in einem vorbestimmten Abschnitt des Passivierfilms hergestellt, um den betreffenden Teil der Substrat-Hauptfläche oder der Oberfläche der darüber befindlichen epitaxialen Schicht freizulegen.A thermal oxidation process known per se was then used formed a 1 # µm thick film on the exposed surface of the epitaxial layer Silicon dioxide formed, which a surface passivation film accordingly the film 12 of FIG. This was followed by a window in the shape of a square with a side length of 2.9 mm in a predetermined portion of the passivation film manufactured to the relevant part of the substrate major surface or surface to expose the overlying epitaxial layer.
Zur Anordnung eines Metallelements in Berührung mit der Hauptfläche des Substrats 10 innerhalb des Fensters auf die in Fig. 1 gezeigte Weise wurde innerhalb des Fensters eine Nickel-Palladium-Legierung mit einem Atomverhältnis von 50:50 auf die freigelegte Substratoberfläche, die UmfangSwand des Fensters und den angrenzenden Abschnitt der freiliegenden Oberfläche des Passivierfilms um das Fenster herum aufgalvanisiert. Der unmittelbar auf dem Substrat befindliche Abschnitt der aufgalvanisierten Schicht besaß dabei eine Dicke von o,1 /um (vgl. a in Fig. 1). Danach wurde die so hergestellte Anordnung bei 5000C 15 min lang in einer Wasserstoffatmosphäre wärmebehandelt, um eine Schicht einer intermetallischen Verbindung, wie Schicht 16 gemäß Fig. 1, zu bilden.For placing a metal element in contact with the main surface of the substrate 10 within the window in the manner shown in Fig. 1 was within of the window a nickel-palladium alloy with an atomic ratio of 50:50 onto the exposed substrate surface, the perimeter wall of the window and the adjacent ones Electroplated portion of the exposed surface of the passivation film around the window. The portion of the electroplated layer located directly on the substrate had a thickness of 0.1 μm (cf. a in FIG. 1). After that, it was made in this way Assembly heat-treated at 5000C for 15 minutes in a hydrogen atmosphere to a layer of an intermetallic compound, such as layer 16 of FIG. 1, to form.
Selbstverständlich wird eine Elektrode in ohmschem Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche, etwa der unteren Hauptfläche 1oB gemäß Fig. 1, des N+-Plättchens angeordnet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist diese Elektrode jedoch nicht veranschaulicht.Of course, an electrode will be in ohmic contact with the exposed surface, such as the lower main surface 1oB according to FIG. 1, of the N + plate arranged. However, to simplify the illustration, this electrode is not illustrated.
Fig. 2 zeigt die Spannung/Strom-Charakteristik bzw.Fig. 2 shows the voltage / current characteristic or
-Kennlinie der auf vorstehend beschriebene Weise hergestellten Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich mit einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung, die in derselben Weise wie die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt wurde, nur daß dabei eine Nickelschicht anstelle der Nickel-Palladium-Legierung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet und die Schicht aus der intermetallischen Verbindung weggelassen wurde.Characteristic of the semiconductor device manufactured in the manner described above according to the invention in comparison with a conventional semiconductor device, which was manufactured in the same way as the device according to the invention, only that a nickel layer instead of the nickel-palladium alloy in the inventive Device used and the layer of the intermetallic compound omitted became.
In Fig. 2 ist die an die Halbleitervorrichtung angelegte Spannung (in V) auf der Ordinate gegenüber dem die Vorrichtung durchfließenden Strom auf der Abszisse aufgetragen. Die in einem ersten Quadranten von Fig. 2 dargestellte Durchlaßkennlinie wird bei einer an die Vorrichtung angelegten Durchlaßspannung erreicht, durch welche das auf der Hauptfläche der epitaxialen n-Schicht befindliche Metallelement gegenüber der Elektrode an der Hauptfläche des N+-Plättchens positiv wird, wel das Substrat vom n-Leittyp ist. Die in einem dritten Quadranten von Fig. 2 veranschaulichte Sperrkennlinie wird bei einer an die Vorrichtung angelegten Spannung erzielt, bei welcher das Metallelement gegenüber der Elektrode negativ wird.In Fig. 2 is the voltage applied to the semiconductor device (in V) on the ordinate with respect to the current flowing through the device plotted on the abscissa. The one shown in a first quadrant of FIG Forward characteristic becomes with a forward voltage applied to the device achieved through which the located on the main surface of the epitaxial n-layer Metal element positive with respect to the electrode on the main surface of the N + plate becomes wel the substrate is of the n-conductive type. In a third quadrant of Fig. The blocking characteristic illustrated in FIG. 2 becomes when a voltage is applied to the device achieved in which the metal element is negative with respect to the electrode.
In Fig. 2 sind der Durchlaßstrom aufgrund der Vorwärts-oder Durchlaßspannung in Ampere und der Sperrstrom auf grund der Sperrspannung in Milliampere angegeben. Für ein aus p-Typ-Halbleitermaterial bestehendes Substrat sind außerdem die Durchlaßkennlinie bei der genannten Sperrspannung und die Sperrkennlinie bei der angegebenen Durchlaßspannung dargestellt.In Fig. 2, the forward current are due to the forward or forward voltage in amps and the reverse current due to the reverse voltage in milliamps. For a substrate made of p-type semiconductor material in addition, the forward characteristic curve at the reverse voltage mentioned and the blocking characteristic curve shown at the specified forward voltage.
In Fig. 2 bezieht sich die ausgezogene Kurve A auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, während die gestrichelte Linie B für die bekannte Vorrichtung gilt.In FIG. 2, the solid curve A relates to the curve according to the invention Device, while the dashed line B applies to the known device.
Aus Fig. 2 geht hervor, daß bei der bekannten Vorrichtung sowohl der Durchlaßspannungsabfall als auch der Sperrstrom hoch sind, während die Durchbruchspannung (breakdown voltage) niedrig ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dagegen sowohl bezüglich des Durchlaßspannungsabfalls als auch der Durchbruchspannung verbessert. Dies bedeutet, daß sich die eine Schottkysche Sperrschicht aufweisen-de Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung für Gleichrichterzwecke eignet.From Fig. 2 it can be seen that in the known device both the Forward voltage drop as well as reverse current are high while the breakdown voltage (breakdown voltage) is low. The device according to the invention, however, is both improved with respect to the forward voltage drop as well as the breakdown voltage. This means that the Schottky barrier layer semiconductor device is present according to the invention suitable for rectifier purposes.
Die thermische bzw. Wärmestabilität der Spannung/Strom-Kennlinie gemäß Fig. 2 wurde durch Aufzeichnung eines Stroms (IB) geprüft, der bei einer Sperrspannung von 30 V an der Vorrichtung letztere durchfließt. Während die erfindungsgemäße und die bekannte Vorrichtung in eine Wasserstoffatmosphäre bei 3500C eingebracht waren, wurde der Strom 13 in vorbestimmten Zeitabständen gemessen. In Fig. 3 sind die Neßwerte des Stroms 13 auf der Ordinate in Abhängigkeit von einem Zeitintervall (in min), während welchem sich beide Vorrichtung 0 in der Wasserstoffatmosphäre bei 3500C befanden, auf der Abszisse aufgetragen. Die ausgezogene Kurve A gilt wiederum für die erfindungsgemäße Vorrichtung, während die gestrichelte Kurve B für die bekannte Vorrichtung gilt.The thermal or heat stability of the voltage / current characteristic according to Fig. 2 was checked by recording a current (IB) which was obtained at a reverse voltage of 30 V at the device flows through the latter. While the invention and the known device was placed in a hydrogen atmosphere at 3500C, the current I3 was measured at predetermined time intervals. In Fig. 3 are the measured values of the current 13 on the ordinate as a function of a time interval (in min), during which both device 0 in the hydrogen atmosphere at 3500C located, plotted on the abscissa. The solid curve A again applies to the device according to the invention, while the dashed curve B for the known Device applies.
Aus Fig. 5 geht hervor, daß der Strom 13 bei der erfindungsgemäßen Schottkyschen Sperrschicht im Zeitverlauf praktisch unverändert bleibt, während er bei der bisher üblichen Sperrschicht stark ansteigt.From Fig. 5 it can be seen that the current 13 in the inventive Schottky barrier layer remains practically unchanged over time, while it rises sharply with the previously common barrier layer.
Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäß hergestellte Schottkysche Sperrschicht nicht nur einen niedrigen, sie durchfließenden Sperrstrom besitzt, sondern auch bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften äußerst stabil ist.From the above it can be seen that the invention Schottky barrier layer produced not only has a low, flowing through it Reverse current possesses, but also extremely in terms of their electrical properties is stable.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung steht also ein Metallelement aus einer Nickel-Palladium-Legierung mit einem Abschnitt der einen Hauptfläche eines Halbleitersubstrats in Berührung bzw. in Kontakt, während auf dem restlichen Teil dieserSubstrat-Hauptfläche um das Metallelement herum ein Oberflächen-Passivierfilm angeordnet ist. Die so gebildete Vorrichtung wird in einer Inertgasatmosphäre erwärmt, um zwischen dem Substrat und dem Metallelement eine Schicht aus einer intermetallischen Verbindung zu bilden, wobei sich an der Grenzfläche zwischen dieser Schicht und dem Substrat eine Schottkysche Sperrschicht bildet. Die intermetallische Verbindung besteht dabei aus dem Halbleitermaterial des Substrats und aus der Nickel-Palladium-Legierung.In the semiconductor device according to the invention, there is therefore a metal element made of a nickel-palladium alloy with a portion of one major surface of one Semiconductor substrate in contact or in contact while on the remaining part a surface passivating film around this main substrate surface around the metal element is arranged. The device thus formed is heated in an inert gas atmosphere, to form a layer of an intermetallic between the substrate and the metal element Form connection, being at the interface between this layer and forms a Schottky barrier layer on the substrate. The intermetallic compound consists of the semiconductor material of the substrate and the nickel-palladium alloy.
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| CA1189634A (en) * | 1981-09-11 | 1985-06-25 | Yoshihito Amemiya | Low-loss and high-speed diodes |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5021343A (en) * | 1973-06-27 | 1975-03-06 |
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1975
- 1975-08-28 JP JP50104307A patent/JPS5838942B2/en not_active Expired
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1976
- 1976-08-26 SE SE7609464A patent/SE7609464L/en unknown
- 1976-08-26 DE DE19762638530 patent/DE2638530A1/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
| EP0496637A2 (en) * | 1991-01-25 | 1992-07-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High purity conductive films and their use in semiconductors |
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| WO1993002471A1 (en) * | 1991-07-25 | 1993-02-04 | North Carolina State University | High temperature refractory silicide rectifying contact and method for making same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5228259A (en) | 1977-03-03 |
| SE7609464L (en) | 1977-03-01 |
| JPS5838942B2 (en) | 1983-08-26 |
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|---|---|---|---|
| OHW | Rejection |