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Kontaktanordnung für ein Halbleiterbauelement
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung für ein Halbleiterbauelement
mit einem Siliziumsubstrat, enthaltend eine im Kontaktbereich des Substrats angeordnete
Schicht aus einem Metall-Silicid, auf der mindestens eine weitere Schicht aus einem
Metall oder einer Legierung angeordnet ist.
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Halbleiterbauelemente bestehen aus einem einstückigen Substrat, das
definierte Kontaktbereiche aufweist. Um diese Kontaktbereiche mit einer als Aussenanschluss
verwendbaren Kontaktfahne oder um mehrere Kontaktbereiche miteinander zu verbinden,
werden üblicherweise mehrschichtige Kontaktanordnungen verwendet. Diese sollen einen
kleinen Kontaktwiderstand und eine gute Haftung am Substrat aufweisen und eine dauerhafte
Befestigung der Kontaktfahne ermöglichen.
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Die heute gebräuchlichen Kontaktanordnungen bestehen gewöhnlich aus
einer teilweise in das Substrat hineingewachsenen inneren Schicht aus einem Metall-Silicid
und vorzugsweise Platin-Silicid, auf der mindestens eine äussere Metallschicht und
vorzugsweise eine Aluminiumschicht aufgebracht ist. Zum Herstellen dieser Kontaktanordnungen
werden
zuerst das zur Bildung der inneren Metall-Silicid-Schicht
vorgesehene Metall und danach das zur Bildung der äusseren Schicht vorgesehene Metall
aufgebracht und anschliessend das Substrat mit diesen Schichten einer Wärmebehandlung
unterworfen. Bei dieser Wärmebehandlung bildet das zuerst aufgebrachte Metall mit
dem Silizium des Substrats die angestrebte Metall-Silicid-Schicht. Das hat den Vorteil,
dass die ursprüngliche Grenzfläche zwischen aufgebrachtem Metall und Substrat einschliesslich
den möglichen Verunreinigungen in die Metall-Silicid-Schicht eingeschlossen ist
und die neu gebildete Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Metall-Silicid keine
Verunreinigungen aufweist, die den Kontaktwiderstand und die Eigenschaften des Kontaktbereichs
beeinflussen können. Das Verfahren hat aber zugleich den Nachteil, dass während
der Wärmebehandlung oder durch den Stromfluss bei der Verwendung des Bauelementes
(Elektromigration) ein Teil des Siliziums durch die sich bildende Metall-Silicid-Schicht
hindurch in die äussere Metallschicht diffundiert und diese versprödet, was deren
elektrischen Widerstand, die mechanische Festigkeit und auch die dauerhafte Befestigung
einer Kontaktfahne nachteilig beeinflusst.
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Es ist darum gebräuchlich, für die äussere Schicht kein reines Aluminium
zu verwenden, sondern Aluminium mit einem geringen Anteil an Silizium und Kupfer,
die das Eindiffundieren von weiterem Silizium aus der anliegenden Metall-Silicid-Schicht
behindern.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, beim Auftragen der einzelnen
Schichten über die innere zur Bildung des Metall-Silicids vorgesehene Schicht eine
Zwischenschicht aus einem Metall aufzubringen, das nur bei hoher Temperatur Silicide
bildet und darum bei der Wärmebehandlung während des Herstellverfahrens oder bei
der Betriebstemperatur als Diffusi-
onsbarriere wirksam ist, die
das Eindringen von Silizium in die äussere Metallschicht verhindert. Als geeignete
Metalle wurden Wolfram, Molybdän oder Niob genannt, die erst bei Temperaturen um
600 0C Silicide bilden. Tatsächlich kann mit solchen Zwischenschichten eine Barriere
gebildet werden, die das Eindiffundieren von Silizium in die äussere Metallschicht
verlangsamt, diese Zwischenschichten sind jedoch nicht geeignet, die Siliziumdiffusion
zu verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, eine
Kontaktanordnung zu schaffen, welche eine Zwischenschicht enthält, die das Eindiffundieren
von Silizium in die äussere Schicht oder äusseren Schichten auch bei längerem Erwärmen
auf erhöhte Temperatur mit Sicherheit verhindert, ohne die elektrischen und mechanischen
Eigenschaften der Kontaktanordnung zu benachteiligen.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einer Kontaktanordnung gelöst,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen der Schicht aus dem Metall-Silicid
und der benachbarten weiteren Schicht eine als Diffusionsbarriere insbesondere für
Silizium wirksame Schicht angeordnet ist, die aus dem Borid, Karbid oder Nitrid
eines Uebergangsmetalls besteht.
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Mit der neuen Kontaktanordnung kann die Diffusion von Silizium durch
die oder aus der Metall-Silicid-Schicht in die benachbarten äusseren Schichten,
aber auch die Diffusion des Metalls der äusseren Schicht in die Metall-Silicid-Schicht
wirkungsvoll verhindert werden. Das ermöglicht, die Temperaturbehandlung der aufgebrachten
Schichten bei einer relativ hohen Temperatur und während einer ausreichend langen
Zeitspanne durchzuführen und die Innenschicht vollständig in die angestrebte Metall-Silicid-Schicht
umzuwandeln.
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Die neue Kontaktanordnung ermöglicht auch, ein Halbleiterbauelement
nach der Ausbildung des oder der Kontaktanord-
nungen weiteren Wärmebehandlungen
zu unterwerfen, beispielsweise zum Aushärten einer Kunstharzummantelung, und es
ermöglicht auch, das Halbleiterbauelement bei einer Betriebstemperatur zu verwenden,
die höher als die bisher gebräuchlichen Betriebstemperaturen ist, ohne dass die
Qualität der Kontaktanordnungen durch diese zusätzliche Wärmebehandlung cder erhöhte
Betriebstemperatur beeinträchtigt wird.
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Bei einen bevorzugten Herstellverfahren für die neue Kontaktanordnung
wird auf den Kontaktbereich bzw. die Kontaktbereiche des Siliziumsubstrats eine
erste zur Bildung von Metall-Silicid geeignete Metallschicht und darauf eine als
Diffusionsbarriere wirksame Zwischenschicht und auf diese Zwischenschicht mindestens
eine weitere Metallschicht aufgebracht und danach das Halbleiterbauelement zur Ausbildung
der Metall-Silicid-Schicht während mindestens 10 min auf 0 mindestens 400 C erwärmt,
wobei die als Diffusionsbarriere wirksame Zwischenschicht durch Kathodenzerstäuben
von Titan in einer reaktiven Atmosphäre aufgebracht wird. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Die dazugehörige Fig. 1 zeigt den schematischen Schnitt
durch eine Ausführungsform der neuen Kontaktanordnung.
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In der Figur ist ein für einen Aussenanschluss vorgesehener Bereich
eines Siliziumsubstrats 10 gezeigt. In einen Teil der Oberfläche 11 dieses Bereichs
ist eine Schicht 12 aus einem Metall-Silicid eingewachsen. Auf dieser Metall-Silicid-Schicht
liegt eine als Diffusionsbarriere wirksame Schicht 13, über der eine weitere Metallschicht
14 angeordnet ist. Auf der Metallschicht ist eine Kontaktfahne 15 befestigt.
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Das Siliziumsubstrat 10 weist gewöhnlich eine Dotierung mit
Fremdatomen
auf, und die Anschlussbereiche können unterschiedlich dotiert sein. Die Art der
Dotierung, deren Konzentration und räumliche Ausdehnung im Substrat bestimmen die
Eigenschaften des Halbleiterbauelements. Da die Dotierung für den Aufbau der neuen
Kontaktanordnung keine Bedeutung hat, wird hier nicht weiter darauf eingegangen.
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Für die Metall-Silicid-Schicht 12 kann irgendein Metall verwendet
werden, das bei erhöhter Temperatur mit dem Silizium des Substrats ein Metall-Silicid
bildet. Wie bereits einleitend erwähnt wurde, wird vorzugsweise Platin verwendet.
Andere brauchbare Metalle sind beispielsweise Paladium, Nickel, Chrom, Molybdän
oder Titan. Es ist auch möglich, zur Bildung der Metall-Silicid-Schicht eine geeignete
Legierung auf das Substrat aufzubringen. Die Dicke der Metall-Silicid-Schicht beträgt
vorzugsweise 1000 bis 2000 i, wobei die Schicht teilweise in das Siliziumsubstrat
eingewachsen ist.
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Die als Diffusionsbarriere wirksame Schicht 13 soll bei den zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen erforderlichen Temperaturbehandlungen und der Betriebstemperatur
des fertigen Bauelements die Diffusion insbesondere von Silizium aus dem Substrat
bzw. der Metall-Silicid-Schicht in die weitere Metallschicht 14 und nach Möglichkeit
auch des Metalls aus der letzteren Schicht in ungekehrter Richtung verhindern. Es
war nun gefunden worden, dass sich für diese Diffusionsbarriere die Boride, Karbide
und Nitride der Uebergangsmetalle besonders gut eignen. Sie sind thermisch und chemisch
ausserordentlich stabil, und ihre elektrische Leitfähigkeit ist gleich gut und teilweise
sogar besser als diejenige des entsprechenden Metalls. Als Uebergangsmetalle werden
hier die Metalle der Gruppen IVb, Vb und VIb bezeichnet, das sind Titan, Zirkon,
Hafnium bzw. Vanadium, Niob, Tantal und Chrom, Molybdän, Wolfram. Als Diffusions-
barrieren
bevorzugte Verbindungen sind das Titan- und das Tantalnitrid. Die Dicke der als
Diffusionsbarriere wirksamen Schicht beträgt vorzugsweise 1000 bis 1500 Für die
weitere Metallschicht 14 können unterschiedliche Metalle verwendet werden. Ihre
Auswahl richtet sich im allgemeinen nach der Art des zu erstellenden Kontakts. Zum
elektrisch leitenden Verbinden mehrerer Anschlussbereiche des gleichen Halbleiterbauelements
wird gewöhnlich eine Aluminiumschicht verwendet, deren Dicke etwa 1000 i beträgt.
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Zum Kaltverschweissen mit einer Kontaktfahne wird vorzugsweise eine
Aluminiumschicht verwendet, deren Dicke bis zu 10'000 A betragen kann. Dabei werden
hier unter Kaltverschweissen solche Verfahren zum Verbinden von Metallen verstande,
die ohne äussere Wärmezuführung und beispielsweise mittels Ultraschall oder Druck
ausgeführt werden und für die im angelsächsischen Sprachgebrauch der Sammelausdruck
Bonding verwendet wird. Zum Anlöten einer Kontaktfahne kann eine Nickel- oder eine
Goldschicht verwendet werden oder eine Nickel-Silber-Legierung. Für Lötverbindungen
sind ausserdem gewöhnlich nicht nur eine Metallschicht auf die Diffusionsbarriere
aufgetragen, sondern es werden mehrere Schichten übereinander angeordnet. Diese
Technik ist jedem Fachmann hinreichend bekannt, weshalb auf weitere Einzelheiten
hier verzichtet wird.
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Zur Herstellung einer einfachen Ausführungsform der neuen Kontaktanordnung
wurde ein Substrat in eine Kathodenzerstäubungsanlage eingebracht. Die Oberfläche
des Substrats war mit Ausnahme der für die Kontaktanordnung vorgesehenen Bereiche
in bekannter Weise abgedeckt. Dann wurde in einer neutralen Atmosphäre zuerst eine
etwa 1000 Å dicke Schicht Chrom, darüber in einer reaktiven Atmosphäre eine etwa
1000
g dicke Schicht Titannitrid und zuletzt wieder in elner neutralen Atmosphäre eine
mehr als 2000 A dicke Schicht Nickel aufgestäubt.
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Zum Aufstäuben der Schichten wurde eine handelsübliche Kathodenzerstäubungsanlage
mit einem Triodensystem verwendet. Als neutrale Atmosphäre wurde Argon mit einem
Druck der Grössenordnung 10 3 Torr verwendet. Als reaktive Atmosphäre, die das von
einer Titankathode abgestäubte Material mindestens teilweise in Titannitrid umwandelt,
wurde ein -3 Gemisch von etwa 10 3 Torr Argon und etwa 4 ~ 10 4 Torr Stickstoff
verwendet. Das beschichtete Substrat wurde dann in einem konventionellen Ofen mit
inerter Atmosphäre während 90 min auf 5000C erwärmt. Die danach ausgeführten Analysen
zeigten, dass die direkt auf das Substrat aufgestäubte Chromschicht mit dem Silizium
des Substrats eine Schicht aus Chromsilicid CrSi2 gebildet hatte. Diese Schicht
trar doppelt so dick wie die ursprüngliche Chromschicht und etwa zur Hälfte in das
Substrat hineingewachsen. In der äusseren Nickelschicht konnte mit dem Rutherford-Rückstreuverfahren
kein Silizium nachgewiesen werden.
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Nach dem gleichen Verfahren wurden andere Kontaktanordnungen hergestellt,
bei denen die zur Silicidbildung vorgesehene Schicht aus Platin, die Diffusionsbarriere
aus Tantalnitrid und die äussere zum Befestigen der Kontaktfahne vorgesehene Schicht
aus Aluminium bestand. Die zum Zerstäuben des Tantals verwendete reaktive Atmosphäre
bestand aus etwa 10 3 Torr Argon und etwa 2,5 . 10 4Torr Stickstoff. Nach der Temperaturbehandlung
bildeten die drei Schichten eine fest haftende Kontaktanordnung mit sehr guter elektrischer
Leitfähigkeit. Bei der Analyse wurde festgestellt, dass die aufgestäubte Platinschicht
mit dem Silizium aus dem Substrat das Platinsilicid PtSi gebildet hatte. In der
äusseren Aluminiumschicht konnte kein Silizium nachgewiesen wer-
den.
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Vergleichsversuche zeigten, dass bei Kontaktanordnungen, die keine
Diffusionsbarriere enthielten, aber sonst mit den gleichen Metallen und nach dem
gleichen Verfahren hergestellt waren, Silizium in die äussere Metallschicht eindiffundiert
war und dort Nickelsilicid bzw. eine Aluminiumsiliziumlegierung gebildet hatte.
Die Menge des eindiffundierten Siliziums war um so grösser, je höher die Erwärmungstemperatur
oder je länger die Erwärmungszeit war. Das eindiffundierte Silizium bewirkte eine
deutlich feststellbare Versprödung der äusseren Schicht, erhöhte den elektrischen
Widerstand der Kontaktanordnung, erschwerte das Anbringen der Kontaktfahne und verminderte
deren Haftfestigkeit.
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Es versteht sich, dass die beispielsweise beschriebene Kontaktanordnung
und das Verfahren zu deren Herstellung auf vielerlei Weise abgeändert und an bestimmte
Verwendungszwecke bzw. Herstellbedingungen angepasst werden kann. Beispielsweise
ist es nicht notwendig, alle Schichten mittels Kathodenzerstäubung aufzutragen,
sondern einzelne Schichten können auch im Vakuum aufgedampft werden. Ueber die beschriebenen
drei Schichten können bekannterweise weitere Schichten aufgedampft oder galvanisch
abgeschieden werden.
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Für die Temperaturbehandlung kann anstelle des beschriebenen Ofens
mit einer inerten Atmosphäre auch ein Vakuumofen verwendet werden. Es versteht sich
auch, dass die neue Kontaktanordnung wegen ihrer guten mechanischen und elektrischen
Eigenschaften insbesondere für die Herstellung von Halbleiterbauelementen im Batch-Verfahren
geeignet ist, bei dem wegen der zunehmenden Miniaturisierung die Abmessungen der
Kontaktanordnungen immer kleiner werden.