DE2920444C2 - Verfahren zur ohmschen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ohmschen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Kontaktieren von Verbindungshalbleitern hat möglicherweise aufgrund der komplexeren Chemie dieser Materialien gegenüber elementaren Halbleitern zu Schwierigkeiten geführt. Die Kontaktierungsverfahren schließen typischerweise die Bereitstellung von zwei Bestandteilen ein. Der erste Bestandteil ist ein Dotierstoff für den Halbleiter, der zweite Bestandteil ist ein Metall- für die Herstellung des externen Kontakts. N-TvD-Dotiermittel für Ill-V-Halbleiter sind Zinn und Germanium. Ein in großem Umfang verwendetes Kontaktmetall ist Gold. Die Verwendung von Gold-Zinn- und Gold-Germanium-Kontakten erfordert beachtliche Mühe, um die Zusammenballung dieser Bestandteile an der Halbleiteroberfläche und andere Arten von Ungleichförmigkeiten zu verhindern.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (vergl. US-PS 39 59 522) wird die erste Goldschicht zunächst auf einem erhitzten Substrat

ίο abgeschieden. Diese Goldschicht ist dort 0,05 Mikrometer dick. Hierbei hat das Substrat z. B. bei GaAs eine Temperatur zwischen 350°C und 400⁰C. Anschließend erfolgt eine Abkühlung auf etwa Zimmertemperatur und ein Aufbringen der Zinnschicht, die dort eine Stärke zwischen 0,05 und 0,1 Mikrometer hat. Der beschichtete Körper wird wärmebehandelt, bis das Zinn durch das Gold in das Halbleitermaterial eindringt. Diese Wärmebehandlung dauert bei Galliumarsenid etwa 10 Sekunden, die Temperatur beträgt 400⁰C. Anschließend kann als weitere zusätzliche Schicht Nickel aufgebracht werden, gefolgt von einer weiteren Goldschicht.

Aus der DE-AS 22 63 277 ist es bekannt, für die ohmsche Kontaktierung eines lll-V-Halbleiterkörpers auf dem Halbleiterkörper zunächst eine Goldschicht aufzubringen, um nach Wärmebehandlung der Goldschicht bei 500°C-550°C auf die Goldschicht eine Zinkschicht aufzubringen, auf der wiederum eine weitere Goldschicht aufgebracht wird. Bei diesem Mehrschichtverfahren wird das Zink als p-Dotierstoff verwendet. Es ist jedoch bekannt, daß Zink einen hohen Dampfdruck besitzt. Bei dem Versuch, die Verdampfung von Zink während der zum Eindiffundieren des Zinks in den Halbleiter erfolgenden Wärmebehandlung zu vermeiden, wird bei dem bekannten Verfahren die

is weitere Goldschicht aufgebracht.

Von den III-V-Halbleitern haben gerade die Aluminium enthaltenden Materialien Kon -iktierungsprobleme ergeben, so z. B. Galliumaluminiumarsenid. Es wird angenommen, daß die Anwesenheit von Aluminiumverbindungen in der Oberfläche dazu führt, daß diese Kontakte elektrisch unzuverlässig werden (Purpurpest). Ein Verfahren zum Bekämpfen dieses Problems ist in der US-PS 40 81824 beschrieben. Dieses Verfahren sieht die Aufbringung einer Übergangsschicht von Aluminium auf dem Dotierungselement vor, gefolgt von einer Goldschicht. Jedoch wies bei Herstellungsprobeläufen eine beachtliche Anzahl von Kontakten mechanische Fehler auf, nachdem Drähte an den aufgebrachten Kontaktstellen angebracht wurden. Wenn die Drähte unter Spannung gerieten, trennte sich eine beachtliche Anzahl von Kontakten an der Verbindungsstelle zwischen Halbleiter und aufgebrachtem Kontaktmaterial. Eine Untersuchung dieser Bauelemente mittels Elektronenmikroskopen zeigte das Vorhandensein von Hohlräumen an der Trennfläche. Es wird angenommen, daß die Anwesenheit dieser Hohlräume verantwortlich ist für die Verbindungsfehler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren anzugeben für einen elektrisch und mechanisch zuverlässigen ohmschen Kontakt an N-Ieitenden IH-V-Verbindungshalbleitern, insbesondere solchen, die mindestens 10Mol.-% Aluminium enthalten.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.
Wenn Drähte mit diesen Kontakten nach herkömmli-

:hen Drahtverbindungsmethoden bei Probeläufen ver-Dunden wurden, konnte man beobachten, daß in der Mehrzahl der Falls der Draht brach, bevor das Kontaktmaterial sich von der Oberfläche löste. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn es zur Kontaktierung von lichtemittierenden Dioden aus Aluminium enthaltenden Verbindungshalbleitern verwendet wurde, die bekanntlich schwer zu kontaktieren sind. In einem Ausführungsbeispiel wurde eine anfängliche Aufbringung einer Aluminiumschicht verwendet, um die elektrische Zuverlässigkeit der Kontakte zu verbessern.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zegt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Halbleiterscheibe mit einem Dreischichtkontakt;

F i g. 2 eine Seitenansicht einer Aluminium enthaltenden Halbleiterscheibe mit einem Kontak' der eine ursprüngliche Alumiriiumschicht einschließt.

Nach der in Fig. 1 dargestellten Methode wurden elektrisch und mechanisch zuverlässige ohmsche Kontakte auf η-leitende III-V-Halbleiler gebracht. Die Bezeichnung »ohinsch« bedeutet, daß irgendwelche Nichtlinearitäten annehmbar klein gegenüber der gewünschten Wirkungsweise des Halbieiterbauteils sind.

Bei diesem Verfahren bildet der Halbleiterkörper U das Substrat für das anschließende Aufbringen der Kontaktschichten 12. Unter dem Gesichtspunkt des ohmschen Kontaktes ist der kritische Abschnitt des Halbleiterkörpers 11 der erste Mikrometer des Halbleitermaterials an der Oberfläche, das mindestens 95 Mol.-°/o des Ill-V-Verbindungshalbleiters ist. Ebenso können die verschiedenen Dotierungselemente eingeschlossen sein, die zur Wirkung des Halbleiterbauelementes erforderlich sind. Der Halbleiterkörper kann entweder ein massiver Körper wie dargestellt sein, oder z. B. ein kristalliner Abschnitt an der Oberfläche eines nichthalbleitenden Körpers. Der Ill-V-Abschnilt kann auch epitaxial auf einem Halbleiterkörper unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebracht sein.

Zinn dient als ein n-Typ-Dotierungsmittel und Gold als das Kontaktmetall. Das Verfahren umfaßt das Aufbringen einer Schicht Gold 13, gefolgt von dem Aufbringen einer Zinnschicht 14 und dem anschließenden Aufbringen der zweiten Goldschicht 15. Die erste Goldschicht 13 dinnt dazu, die Zinnschicht 14 von der Oberfläche zu trennen, während sie zuläßt, daß genügend Zinn in die Oberfläche diffundiert, um die für ohmsche Kontakte erforderliche hohe Dotierungshöhe zu erzeugen. Die erste Goldschicht 13 sollte mindestens 0,1 Mikrometer dick sein, um eine genügende Trennung der Zinnschicht 14 von dem Halbleiterkörper 11 zu erreichen. Diese Trennung verhindert die Bildung von Hohlräumen oder Lücken an der Halbleiteroberfläche, wenn das Zinn in das Gold diffundiert. Die Aufbringung dieser Schicht 13 findet bei einem kühlen Substrat statt (weniger als 200⁰C), um die Uniformität der /\blagerung zu vergrößern, und verhindert die Bildung von unerwünschten Verbindungen an der Oberfläche des Halbleiters 11. Nach dem Aufbringen der ersten Goldschicht wird eine Zinnschicht 14 aufgebracht. Der Betrag des aufgebrachten Zinnes sollte mindestens 0,2 Mol.-% des gesamten Goldgehaltes der Schichten 13 und 15 betragen. Dieser Zinngehalt ist erforderlich, um genügende Konzentration ven Zinn in dem Gold zu erreichen. Wenn Kontakte mit geringerem Widerstand eewünscht werden, z. B. für Geräte mit höherem Strom, sollte ein Zinn_c7ehalt von mindestens 1 Mol.-°/o aufgebracht werden. Der gesamte Zinngehalt sollte geringer sein als 5 Mol.-% des gesamten Goldgehaltes, so daß in den folgenden Schichten keine mechanischen Probleme entstehen. Die Zinnschicht wird ebenfalls bei einer Temperatur von weniger als 200⁰C aufgebracht. Über die Zinnschicht 14 wird eine zweite Goldschicht 15 aufgebracht, um die Gesamtdicke der Schicht 12 so dick IU machen, wie es für das Anbringen des Drahtes nötig ist (vorzugsweise mindestens 2 Mikrometer). Die Bildung von Hohlräumen zwischen den Goldschichten 13 und 15 hat keinen bemerkbaren Effekt auf die Ablösefestigkeit des Kontaktes gezeigt. Diese drei Aufbringungen werden von einer Hitzebehandlung in eine.fiq Temperaturbereich von 350⁰C bis 500⁰C gefolgt, um Zinn in die Oberfläche des Halbleiters 11 zu diffundieren. Es hat sich gezeigt, daß das Zinn schnell durch das Gold bei relativ niedrigen Temperaturen diffundiert. Es wird angenommen, daß der größte Teil des Zinnes schon zu dem Zeitpunkt in das Gold diffundiert is», zu dem die Aufbringung der zweiten Goldschicht beendet ist. Der Hitzebehandlungsschritt sollte eine Verweildauer von mindestens 0.5 Minuten in dem gewünschten Temperaturbereich umfassen, vorzugsweise jedoch eine Verweildauer von 1 bis 2 Minuten. Diese Hitzebehandlung findet in einer nichtoxidierenden Atmosphäre statt. Der Einschluß einer Menge von reduzierenden Stoffen, z. B. Wasserstoff, hilft gegebenenfalls sich bildende Oxide zu beseitigen.

Die Ill-V-Verbindungshalbleiter umfassen Aluminiumphosphid, Aluminiumarsenid, Galliumaluminiumarsenid, Galliumalumiriiumphosphid, Galliumaluminiumantimonid und Indiumaluminiumarsenid. Diese Materialien sind dafür bekannt, daß sie schwierig zu kontaktieren sind, insbesondere dann, wenn der Aluminiumgehak mindestens 10 Mol.-% der Bestandteile der Gruppe III ist. Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Kontaktes bei einem Halbleiterkörper 11 eines Aluminium enthaltenden Materials. Dieser Kontakt enthält eine Schicht 16 aus Aluminium, die mindestens 0,002 Mikrometer dick ist. Am Ende der Aluminiumaufbringung kann die tatsächliche Schichtdicke geringer sein, was /.. B. durch Gettereffekte des Aluminiums mit Oberfiächenoxiden verursacht sein kann.

Fig. 3 zeigt ein vervollständigtes Bauteil nach dem Diffundieren und nach dem Anbringen von Drähten 20 an die Kontaktschicht 12 auf der η-Seite und die Kontaktschicht 17 auf der p-Seite.

Beispiel

Es wurden ohmsche Kontakte an Galliumaluminiumarsenid hergestellt mit Hilfe eines Verfahrens,das in der Aufbringung von ungefähr 0,0035 Mikrometern Alumi-

Sj nium, ungefähr 0,2 Mikrometern Gold, genügend Zinn zur Erzeugung einer ungefähr 0,05 Mikrometer dicken Schicht (die tatsächliche Schichtdicke kann geringer sein aufgrund der Diffusion) und ungefähr 2,8 Mikrometer Gold auf der η-leitenden Oberfläche eines Galliumaluminiumarsenidwafers bestand. Während dieser Aufbringungen war die Substrattemperatur niedriger als 200⁰C. Danach wurden die Wafer in eine nicht^xidierende Atmosphäre mit 15% H2, und 85% N₂ gebracht und 1 bis 2 Minuten lang bei etwa 415°C

b5 hitzebehandelt. Ein Kontakt mit der p-Seite der Bauteile wurde durch Aufbringen von 80 nm von 1% Beryllium in Gold, gefolgt von 210 nm Gold, gefolgt von einer Hitzebehandlung ähnlich wie die oben erwähnte

hergestellt. Bei Probeläufen wurde eine Ausbeute von mindestens 90% von Bauteilen mit weniger als 10-^JOhm Kontaktwiderstand beobachtet, die gleichzeitig genügende mechanische Zuverlässigkeil besaßen, um Ultraschall-Drahtverbindung und anschließendem Gerätebehandeln zu überstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur ohmschen Kontaktierung eines Halbleiterbauelements über einen Halbleiterabschnitt, der mindestens 1 Mikrometer dick ist und wenigstens 95 MoL-¹Vo eines η-leitenden 111-V-Verbindungshalbleiters enthält, insbesondere zur Kontaktierung von Halbleiterverbindungen, die mindestens 10 Mol.-% Aluminium als Bestandteil der Gruppe 111 enthalten, bei dem auf der Oberfläche des Halbleiterabschnitts (U) eine mehrere Schichten aufweisende Kontaktschicht aufgebracht wird, die aufeinanderfolgend, beginnend bei der Oberfläche des Halbleiterabschnitts, wenigstens eine Gold- und eine Zinnschicht sowie eine weitere Metallschicht besitzt, und bei dem das Zwischenprodukt in einer nich (oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbringen der Kontaktschicht (12), ausgehend vom Substrat, nacheinander eine erste Schicht (13) aus Gold, eine Schicht (14) aus Zinn und eine weitere Schicht (15) aus Gold aufgebracht werden, wobei die erste Schicht (13) aus Gold eine Dicke von mindestens 0,1 Mikrometern aufweist, der Zinngehalt der Kontaktschicht vor der Wärmebehandlung zwischen 0,2 und 5 Mol.-% des gesamten Goldgehalts beträgt, daß das Aufbringen wenigstens der ersten Goldschicht (13) und der Zinnschicht (14) erfolgt, während der Halbleiterabschnitt eine Temperatur von weniger als 200°C hat, und daß die Wärmebehandlung während mindestens einer halben Minute im Temperaturbereich zwischen 350⁰C und 500⁰C erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer für die Wärmebehandlung im Bereich zwischen 0,5 und 2 Minuten liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die weitere Goldschicht (13, 15) eine Gesamtdicke von wenigstens 2 Mikrometern aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der aufeinanderfolgenden Schichten von Gold, Zinn und Gold dadurch erfolgt, daß nacheinander etwa 0,2 Mikrometer Gold, etwa 0,05 Mikrometer Zinn und etwa 2,8 Mikrometer Gold aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Kontaktschicht (12) vor dem Aufbringen der ersten Goldschicht wahlweise das Aufbringen einer Aluminiumschicht (16) mit einer Mindestdicke von 0,002 Mikrometern umfaßt.