DE2654476C3

DE2654476C3 - Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht

Info

Publication number: DE2654476C3
Application number: DE2654476A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Nayagawa Osaka Ikegawa; Hisao Itami Hyogo Kondo
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1976-12-01
Publication date: 1982-02-18
Also published as: SE7613531L; US4224115A; DE2654476B2; JPS5267961A; DE2654476A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 2040434 bekannt.

Schottky-Sperrschichten sollten den folgenden Bedingungen genügen:

1. Die Schottky-Sperrschicht muß thermisch stabilisiert sein und

2. das Herstellungsverfahren soll einfach, billig und auf Massenfertigungsbasis durchführbar sein.

Das Elektrodenmaterial für die Schottky-Sperrschicht bestand bisher hauptsächlich aus Metallen, die eine gute Adhäsion für die Halbleitermaterialien besitzen. Beispiele für solche Elektrodenmaterialien sind Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän, Wolfram, Titan, Metalle der Platingruppe wie Platin, Rhodium, Palladium sowie Zirkon, Chrom, Nickel u. dgl. Für die Ausbildung der Schottky-Elektrode bzw. Sperrschicht aus einem dieser Metalle wurde bisher üblicherweise mittels Sprüh- oder Aufdampftech-· nik ein Film auf der Gesamtoberfläche der einen Seite des betreffenden Halbleitersubstrats ausgebildet, worauf der Film auf dem Substrat nach Photolithographie- und Ätztechniken bis auf einen oder mehrere vorbestimmte Abschnitte weggeätzt wurde. Dieser verbleibende vorbestimmte Filmabschnitt bzw. dies«; Abschnitte bildet (bilden) dann eine Elektrode bzw. mehrere Elektroden für die Schottkysche Sperrschicht. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist bei·· smelweise aus der DE-OS 2 040 434 bekannt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich für die Herstellung einer Elektrode für die Schottkysche Sperrschicht auf dem Halbleitersubstrat mit ausgezeichneter Haftung der Elektrode auf dem Substrat. Dieses Verfahren ist zudem auch deshalb besonders vorteilhaft, weil aus hochschmelzendeu Metallen und aus Metallen der Platingruppe hergestellte Schottky-Sperrschichten eine ausgezeichnete thermische Stabilität besitzen. Das vorstehend umrissene Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die für seine Durchführung benötigte Vorrichtung wegen der Notwendigkeit von Evakuiereinrichtungen aufwendig ist Die Erzeugung eines hohen Vakuums ist zeitraubend und der Massenfertigung abträglich. Aufgrund der Weiterbearbeitung des auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Films »ach Photolithogi-aphie- und Ätzverfahren erhöhen sich zudem die Fertigungskosten zusätzlich.

Zur Ausschaltung der Nachteile des vorstehend geschilderten Verfahrens wurden bereits Verfahren zur Herstellung von Metallelektroden für die Schottky-Sperrschicht nach einem Elektroplattier- bzw. Galvanisierverfahren vorgeschlagen. Derartige Galvanisierverfahren lassen sich einfach unter Verwendung lediglich einer elektrischen Stromversorgung und eines Galvanisierbehälters durchführen, so daß sie eine ausgezeichnete Eignung für die Massenfertigung besitzen. Außerdem entfällt dabei die Notwendigkeit für Photolithographie- und Ätzvorgänge, weil das Sperrschichtmetall elektrisch auf einen oder mehrere ausgewählte Abschnitte eines Halbleitersubstrats auf galvanisiert werden kann. Diese Galvanisierverfahren sind andererseits insofern nachteilig, als bei ihnen eine Einschränkung bezüglich der Art des Sperrschichtmetalls besteht und es dabei schwierig ist, Sperrschichtmetalle zu gewährleisten, die eine gute Haftung auf dem zugeordneten Halbleitersubstrat besitzen und die thermisch stabil sind. Die derzeit als brauchbar bezeichneten Sperrschichtmetalle sind z. B. Gold und Nickel. Darüber hinaus besitzt die nach dem Galvanisierverfahren hergestellte Schottky-Sperrschicht nur eine Wärmebeständigkeit bis zu etwa 200° C, wodurch ihr praktischer Einsatz fraglich wird.

Schließlich ist es aus der US-PS 3 677 909 bekannt, zur Herstellung einer Schutzschicht oder eines Schutzüberzuges eine Legierung aus Palladium und Nickel auf den zu schützenden Gegenstand galvanisch aufzubringen. Eine derartige Legierungsschicht ist im wesentlichen genauso widerstandsfähig gegen Verschleiß und gegen Korrosion wie eine Schutzschicht aus reinem Palladium.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, welches einerseits die Vorteile des bekannten Galvanisierverfahrens bietet, andererseits jedoch die Herstellung einer Schottkyschen Sperrschicht mit sehr hoher Wärmebeständigkeit ermöglicht.

eo Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1.

Durch die Erfindung wird gegenüber den bekannten Herstellungsverfahren der besondere Vorteil erreicht, daß sich Schottky-Sperrschichten mit einer sehr hohen Wärmebeständigkeit herstellen lassen, wobei selbst für eine Massenproduktion keinerlei aufwendige Einrichtungen wie Evakuiereinrichtungen usw. mehr erforderlich sind.

Darüber hinaus brauchen die nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiter bzw. Schottky-Sperrschicht nicht mehr weiter bearbeitet zu werden, wie dies jedoch bei dem bekannten Photolithographie- und Ätzverfahren der Fall ist.

Besonders zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis S.

Im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ertindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Halbleiterdiode mit einer nach dem neuen Verfahren ausgebildeten Schottky-Sperrschicht,

Fig. 2 die Änderung der Durchbruchspannung in Prozent während einer Temperaturbehandlung in einer Atmosphäre von 200° C zum Vergleich zwischen einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 und einer bisher üblichen, eine nur aus Nickel bestehende Schottky-Sperrschicht aufweisenden Diode.

Durch Aufdampfen oder Aufsprühen hergestellte Schottky-Sperrschichten besitzen eine Wärmebeständigkeit von 400° C oder mehr. Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung einer aus Nickel-Palladium-Legierung bestehenden Schottky-Sperrschicht, welche die Eigenschaften beider Metalle besitzt, den eingangs erwähnten Erfordernissen 1) und 2) gleichzeitig entsprochen werden kanu.

Im Hinblick darauf, daß aufgalvanisiertes Nickel im Vergleich zu Gold eine bessere Adhäsion zum Substrat, aber eine mangelhafte Wärmebeständigkeit besitzt, sind Galvanisierlöungen entwickelt worden, die Palladium (Metall der Platingruppe) in der Nickel-Galvanisierlösung enthalten.

Palladium und Nickel können durch Palladiumchlorid (PdCl₂) bzw. Nickelsulfat (NiSO₄ ■ 7H₂O) geliefert werden. Um der diese beiden Verbindungen enthaltenden Lösung eine Pufferwirkung zu erteilen und ihre elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, kann der Lösung ein Ammoniumsalz einer organischen oder anorganischen Säure zugesetzt werden.

Weiterhin hat es sich herausgestellt, daß durch Änderung des Gehalts an Nickel und Palladium in der beschriebenen Lösung auf einen Wert im Bereich von 5 bis 30 g/l der Nickelgehalt in der erhaltenen Nikkel-Palladium-Legierung ebenfalls von 15 bis 82%, bezogen auf day prozentuale Verhältnis von Nickelatomen zur Summe der Nickel- und Palladiumatome, variierbar ist. Der Mengenanteil an Nickel oder Palladium in der Nickel-Palladium-Legierung ist im folgenden in jedem Fall durch das prozentuale Verhältnis von Nickel- oder Palladiumatomen zur Summe der Nickel- und Palladiumatome ausgedrückt. Bei einem Gehalt von jeweils 10 g/l an Nickel und Palladium enthält die gebildete legierung beispielsweise etwa 60% Nickel. Wenn die Lösung 10 g/l Nickel und 20 g/l Palladium enthält, beträgt der endgültige Nikkelgehalt etwa 45 %. Zudem hat es sich herausgestellt, daß der Mengenanteil an dem betreffenden Bestandteil um etwa ±5%, abhängig von den Galvanisierbedingungen, z. B. pH-Wert, der Temperatur der verwendeten Galvanisiierlösung, der Stromdichte usw. geändert werden kann.

Weiterhin hat es sich gezeigt, daß der Gehalt an Nickel und Palladium in den aufgebrachten Legierungen in hohem Maße sowohl die Adhäsion bzw. Haftung der gebildeten Schottky-Sperrschichtelektrode am zugeordneten Halbleitersubstrat als auch ihre thermische Stabilität beeinflußt. Bei einem Nickelgehalt von 75 % und mehr wird beispielsweise die Adhäsion gut, während die Wärmebeständigkeit mangelhaft wird und praktisch derjenigen einer nur aus Nickel gebildeten Schottky-Sperrschicht entspricht. Bei einem Nickelgehalt von 35% oder darunter verschlechtert sich dagegen die Adhäsion sehr stark. Die für praktische Zwecke günstigste Galvanisierlegierung enthält daher Nickel in einer Menge von 45 bis

ίο 70%, bezogen auf das prozentuale Verhältnis von Nickelatomen zur Summe der Nickel- und Palladiumatome. Es hat sich auch herausgestellt, daß mit Galvanisierlösungen, mit denen in den aufgalvanisierten Legierungen Nickelanteile im angegebenen Be-

reich erhalten werden, gleichbleibend Nickel-Palladium-Legierungen mit jeweils praktisch identischer Zusammensetzung hergestellt werden können, auch wenn der pH-Wert der Galvanisierlösung im Bereich von ±0,1 variiert. Der Galvanisiervorgang läßt sich daher leicht steuern.

Schottky-Sperrschichtelektroden, die Nickel im vorstehend angegebenen Zusammensetzungsbereich enthalten, besitzen eine ausgezeichnete Adhäsion zum zugeordneten Halbleitersubstrat bei guter thermischer Stabilität und guten elektrischen Eigenschaften. Außerdem zeigt eine durch eine derartige Elektrode gebildete Schottky-Sperrschicht zusätzlich die Wirkung, daß das Energiepotential bzw. die Sperrschichthöhe an der Grenzschicht zwischen der Sperrschicht und dem zugeordneten Halbleitermaterial in Abhängigkeit vom Verhältnis von Nickel- zu Palladiumatornen verändert werden kann. Dies bedeutet, daß eine aus der Nickel-Palladium-Legierung hergestellte Schottky-Sperrschicht eine Höhe besitzt, deren Wert zwischen 0,61 V für die Höhe einer Nickelsperrschicht und 0,78 V für die Höhe einer Palladiumsperrschicht in bezug auf ein n-Typ-Halbleitermaterial liegt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispie) einer Halbleiterdiode mit Schottky-Sperrschicht anhand von Fig. 1 näher beschrieben. Die dargestellte Anordnung besteht aus einem Halbleitersubstrat 10 aus Silizium, Galliumarsenid od. dgl. und einer an sich bekannten Oberflächen-Passivierschicht 12 auf der einen Substrat-Hauptfläche, bei der dargestellten Ausführungsform auf der oberen Hauptfläche 10 a des Substrats 10 gemäß Fig. 1. Die Oberflächen-Passivierschicht 12 ist dabei, ebenfalls in an sich bekannter Weise, in einem vorbestimmten Bereich mit einer öffnung 12a versehen, welche die Passivierschicht 12

so bis an die obere Hauptfläche 10 a des Substrats 10 heran durchsetzt und mit einer metallischen Elektrode 14 aus einer Nickel-Palladium-Legierung gefüllt ist.

Die Ausbildung der Elektrode 14 erfolgt dadurch,

daß das mit der Oberflächen-Passivierschicht 12 und der öffnung 12a darin versehene Substrat 10 in ein Galvanisierbad mit einer aus Kohlenstoff bestehenden Anode eingebracht wird. Dieses Bad enthält eine Galvanisierlösung aus 20 g Palladium(II)amminchlorid (Pd(NH₃J₄Cl₂), 50 g Ammoniumsulfat ((NILJ₂SO₄),

50 g Nickelsulfat (NiSO₄ ■ 7H₂O) und 50 ml 28%iges Ammoniakwasser auf jeweils einer. Liter der Lösung Die Lösung enthält dabei pro Liter 10 g Palladium und 10,5 g Nickel. Mit anderen Worten: die Lösung enthält 50% Palladium und 21% Nickel.

Mit einem durch das Galvanisierbad, das auf einer Temperatur von 25 bis 30 ^c C und auf einem pH-Wert von 7,8 ±0,1 gehalten wird, hindurchgeleiteten elektrischen Strom mit einer Stromdichte von 1 bis

1,5 A/dm² wird eine Nickel-Palladium-Legierung auf dem durch die öffnung 12a hindurch freiliegenden Abschnitt der oberen Hauptfläche 10a in einer Dicke galvanisch ausgefällt, welche praktisch der Dicke der Oberflächen-Passivierschicht 12 entspricht. Auf diese Weise wird die aus der Nickel-Palladium-Legierung bestehende Elektrode auf dem vorbestimmten Abschnitt der oberen Hauptfläche 10 a des Substrats 10 durch Galvanisieren aufgetragen, wodurch eine Schottky-Sperrschicht gebildet wird.

Die Ergebnisse einer Auger-Analyse und einer Röntgenstrahlenbeugungsanalyse zeigen, daß in der so gebildeten Elektrode ein Verhältnis von Nickelzu Palladiumatomen von 6:4 vorhanden ist.

Bei einer Schottky-Elektrode, die auf einer kristallographischen Ebene (111) eines n-Typ-Siliziumsubstrats auf vorstehend beschriebene Weise ausgebildet wird, beträgt die resultierende Sperrschichthöhe 0,68 V; diese Zahl liegt zwischen den auf reinem Nikkei und reinem Palladium beruhenden Werten.

Schließlich wird in an sich bekannter Weise eine Metall-Elektrode 16 in ohmschem Kontakt mit der anderen bzw. unteren Fläche Wb des Substrats 10 angeordnet, wodurch eine Halbleiterdiode mit Schottky-Sperrschicht vervollständigt ist.

Zur Untersuchung der thermischen Stabilität vor Halbleiterdioden mit der neuartig hergestellter Schottky-Sperrschichtelektrode wird ein Hochtempe

^r' ratur-Behandlungsversuch durchgeführt. Genauei gesagt, werden dabei diese Dioden in einer Atmosphäre von 200° C einer Behandlung unterzogen, wobei die Änderung der Durchbruchspannung V_B dei Schottky-Sperrschicht in bestimmten Zeitabständer

in gemessen wird. Das Ergebnis dieses Versuchs ist ir Fig. 2 veranschaulicht, in welcher die Änderung dei Durchbruchspannung V_B in Prozent auf der Ordinate in Abhängigkeit von der Behandlungszeit (in min) aul der Abszisse aufgetragen ist. Wie durch die gerade waagerechte Linie A in Fig. 2 veranschaulicht, erfährt die Durchbruchspannung V_B der Schottky-Sperrschicht auch nach Ablauf von einer Stunde kaum eine Veränderung. Die mit B bezeichnete Kurve gib) die Durchbruchspannung einer bisher üblicher Schottky-Sperrschicht an. Wie sich an der Kurve E ablesen läßt, fällt bei der bisher üblichen Schottky-Sperrschicht die Durchbruchspannung nach 10 mir um etwa 20% und nach 30 min um etwa 50% gegenüber dem Anfangswert ab.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht bei einer Halbleiterdiode, bei dem eine Metallschicht aus einer Legierung, bestehend aus Nickel und einem Metall der Platingruppe auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat in ein Galvanisierbad, welches Nickel und Palladium jeweils zwischen 5 und 30 Gramm pro Liter der im Bad befindlichen Galvanisierlösung enthält, eingebracht wird, und daß die Metallschicht unter vorbestimmten Galvanisierbedingungen auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode aus einer Nikkel-Palladium-Legierung mit einem Verhältnis von Nickel- zu PaUadiumatomen im Bereich von 4:6 bis 8:2 verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Galvanisierbad Palladiumchlorid und Nickelsulfat enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Galvanisierbad ein Ammoniumsalz einer organischen oder anorganischen Säure zugesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromdichte von 1 bis 1,5 A/dm², eine Temperatur von 25 bis 30° C und ein pH-Wert von 7,8 ± 0,1 in der Galvanisierlösung angewandt werden und eine aus Kohlenstoff bestehende Anode verwendet wird.