EP2113131A1 - Electronic component - Google Patents

Electronic component

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EP2113131A1
EP2113131A1 EP08701362A EP08701362A EP2113131A1 EP 2113131 A1 EP2113131 A1 EP 2113131A1 EP 08701362 A EP08701362 A EP 08701362A EP 08701362 A EP08701362 A EP 08701362A EP 2113131 A1 EP2113131 A1 EP 2113131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
electronic component
diffusion barrier
barrier layer
component according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08701362A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Richard Fix
Oliver Wolst
Alexander Martin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2113131A1 publication Critical patent/EP2113131A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/482—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of lead-in layers inseparably applied to the semiconductor body
    • H01L23/4827—Materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2924/30—Technical effects
    • H01L2924/301—Electrical effects
    • H01L2924/3011—Impedance

Abstract

The invention relates to an electronic component having a metallic layer (9) on a substrate (3) made of a semiconductor material, wherein between the metallic layer (9) and the substrate (3) a diffusion barrier layer (7) is formed, which is made of a material having a small diffusion coefficient for the metal of the metallic layer (9).

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Elektronisches BauteilElectronic component
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electronic component according to the preamble of claim 1.
Ein elektronisches Bauteil mit einer metallischen Schicht auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial ist z.B. ein Halbleitertransistor. Die metallische Schicht ist dabei z.B. eine Elektrode des Halbleitertransistors.An electronic component with a metallic layer on a substrate made of a semiconductor material is e.g. a semiconductor transistor. The metallic layer is e.g. an electrode of the semiconductor transistor.
Als Metall für die metallische Schicht wird z.B. Platin oder Palladium verwendet. Dieses wird im Allgemeinen entweder direkt auf die Oberfläche des Halbleitermaterials oder auf elektrische Isolationsschichten auf dem Halbleitermaterial abgeschieden. Übliches Halblei- termaterial ist z.B. Galliumnitrid. Wenn das elektronische Bauteil jedoch bei Temperaturen oberhalb von 3500C eingesetzt wird, so können sich die Eigenschaften des elektronischen Bauteils irreversibel verschlechtern. Dies erfolgt z.B. dadurch, dass Metall der metallischen Schicht in die elektrische Isolationsschicht oder in das Halbleitermaterial eindiffundiert bzw. migriert. Im Falle von Transistoren kann die Metalldiffusion bzw. Migration zur Änderung der Kanalimpedanzen aber auch zu drastischer Erhöhung der Gate-Leckströme führen. Auch hat sich gezeigt, dass Halbleitertransistoren mit hohen Gate-Leckströmen wesentlich schneller degradieren als elektronische Bauelemente mit geringen Leckströmen. Dies legt nahe, dass ein Eindringen des Platins der metallischen Schicht in den Halbleiter durch E- lektro -Migration gefördert wird.As the metal for the metallic layer, for example, platinum or palladium is used. This is generally deposited either directly on the surface of the semiconductor material or on electrical insulation layers on the semiconductor material. Common semiconductor material is eg gallium nitride. However, if the electronic component is used at temperatures above 350 0 C, so the properties of the electronic component can irreversibly deteriorate. This is done, for example, by diffusing or migrating metal of the metallic layer into the electrical insulation layer or into the semiconductor material. In the case of transistors, the metal diffusion or migration to change the channel impedances but also lead to a dramatic increase in the gate leakage currents. It has also been found that semiconductor transistors with high gate leakage currents degrade much faster than electronic components with low leakage currents. This suggests that penetration of the platinum of the metallic layer into the semiconductor is promoted by electro-migration.
Elektronische Bauteile mit Galliumnitrid als Halbleitermaterial sind z.B. Hochleistungs- und Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren sowie in der Optoelektronik eingesetzte blaue, weiße und grüne LEDs. Aufgrund der großen Bandlücke von 3,4 eV und der thermischen Kristallstabilität von Galliumnitrid eignen sich darauf basierende Bauelemente prinzipiell für Be- triebstemperaturen bis etwa 7000C.Electronic components with gallium nitride as the semiconductor material are, for example, high-power and high-frequency field-effect transistors as well as blue, white and green LEDs used in optoelectronics. Due to the large band gap of 3.4 eV and the thermal stability of gallium nitride crystal forward based components are in principle for operating temperatures up to about 700 0 C.
Ein chemisch-sensitiver Feldeffekttransistor ist z.B. aus US 4,437,969 bekannt. Bei diesem sind die Elektroden in einem Schichtaufbau ausgebildet. Der Feldeffekttransistor wird in flüssigen Medien bei moderaten Temperaturen betrieben. Um zu vermeiden, dass Ionen aus dem flüssigen Medium in das Halbleitersubstrat eindiffundieren können, ist zwischen dem Substrat und der metallischen Schicht eine Ionen-Diffusionsbarriere ausgebildet. Durch diese Ionen-Diffusionsbarriere wird jedoch nicht verhindert, dass bei hohen Temperaturen Me- tall der metallischen Schicht in das Halbleitersubstrat eindiffundieren kann.A chemically sensitive field effect transistor is known, for example, from US 4,437,969. In this case, the electrodes are formed in a layer structure. The field effect transistor is in liquid media operated at moderate temperatures. In order to avoid that ions from the liquid medium can diffuse into the semiconductor substrate, an ion diffusion barrier is formed between the substrate and the metallic layer. By means of this ion diffusion barrier, however, it is not prevented that at high temperatures metal of the metallic layer can diffuse into the semiconductor substrate.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei einem erfϊndungsgemäß ausgebildeten elektronischen Bauteil mit einer metallischen Schicht auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial ist zwischen der metallischen Schicht und dem Substrat oder der metallischen Schicht und einer Isolationsschicht eine Diffusionssperrschicht ausgebildet, die aus einem Material gefertigt ist, das einen kleinen Diffusionskoeffizienten für das Metall der metallischen Schicht aufweist. Durch die Diffusionssperrschicht wird die Diffusion von Metall in das Halbleitermaterial oder in die Isolationsschicht reduziert. Das elektronische Bauteil wird nicht durch in das Halbleitermaterial eindiffundierendes Metall unbrauchbar bzw. eine elektrische Isolationsschicht wird nicht in ihrer isolierenden Eigenschaft durch eindiffundiertes Metall beeinträchtigt.In an electronic component formed according to the invention with a metallic layer on a substrate made of a semiconductor material, a diffusion barrier layer is formed between the metallic layer and the substrate or the metallic layer and an insulating layer, which is made of a material having a small diffusion coefficient for the metal having metallic layer. The diffusion barrier layer reduces the diffusion of metal into the semiconductor material or into the insulating layer. The electronic component is not unusable by metal which diffuses into the semiconductor material or an electrical insulation layer is not impaired in its insulating property by diffused metal.
„Kleiner Diffusionskoeffizient" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass bei der Anwendung des elektronischen Bauteils über die Lebensdauer des elektronischen Bauteils kein Funktionsverlust durch Migration des Metalls entsteht. Für viele Anwendungen ist es erforderlich, dass in dem durch die Diffusionssperrschicht zu schützenden Bereich, d.h. der Isolationsschicht oder Halbleiter dem Material die Metallkonzentration über die gesamte Lebensdauer tL bei gegebener Betriebstemperatur unter einer kritischen Schwelle cmax (z.B. 0,1 Atomprozent) bleibt. Nach dem Fick'schen Gesetz lässt sich folgende Anforderung für Diffusionskoeffizient D und Sperrschichtdicke d in Abhängigkeit von der geforderten Lebensdauer tL treffen:"Small diffusion coefficient" in the sense of the present invention means that during the application of the electronic component over the life of the electronic component, no loss of function due to migration of the metal is produced.For many applications, it is necessary that in the area to be protected by the diffusion barrier layer, ie For the given operating temperature, the metal concentration remains below a critical threshold c max (eg 0.1 atomic percent) over the entire service life t L According to Fick's law, the following requirement for diffusion coefficient D and barrier layer thickness d can be dependent to meet the required lifetime t L :
, wobei erf() für das Gaußsche Fehlerintegral steht. where erf () stands for the Gaussian error integral.
Für das Beispiel cmax = 0,1 Atomprozent ergibt sich für Schichtdicke, Diffusionskoeffϊzient und Lebensdauer ein Verhältnis von:For the example c max = 0.1 atomic percent, a ratio of layer thickness, diffusion coefficient and lifetime is given by:
, d >4,38 Nimmt man beispielsweise weiter eine Lebensdauer tL = 1000h und eine Schichtdicke d = lOnm an, ergibt sich für den Diffusionskoeffizient D des Metalls in der Diffusionssperrschicht:, d > 4.38 Assuming, for example, a lifetime t L = 1000h and a layer thickness d = lOnm, the diffusion coefficient D of the metal in the diffusion barrier layer results:
D<1,5 - 10~20 cm2 /sD <1.5 - 10 ~ 20 cm 2 / s
Damit kein Metall in die elektrische Isolationsschicht oder das Halbleitermaterial des Substrates eindiffundiert, wodurch das elektronische Bauteil unbrauchbar werden würde, ist die Diffusionssperrschicht vorzugsweise porenfrei oder zeigt lediglich geschlossene Poren in dem Sinn, dass die Schicht nicht von durchgängigen Kanälen durchzogen ist.In order for no metal to diffuse into the electrical insulation layer or the semiconductor material of the substrate, rendering the electronic device unusable, the diffusion barrier layer is preferably pore-free or only shows closed pores in the sense that the layer is not crossed by continuous channels.
Damit die Funktionsfähigkeit des elektronischen Bauteils durch die Diffusionssperrschicht nicht beeinträchtigt wird, ist die Diffusionssperrschicht vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Geeignete Materialien für die Diffusionssperrschicht sind z.B. ein Suizid, Titansiliziumnitrid oder Wolframsiliziumnitrid. Das Suizid ist vorzugsweise Tan- talsilizid, Wolframsilizid oder Platinsilizid.So that the functionality of the electronic component is not impaired by the diffusion barrier layer, the diffusion barrier layer is preferably made of an electrically conductive material. Suitable materials for the diffusion barrier layer are e.g. a suicide, titanium silicon nitride or tungsten silicon nitride. The suicide is preferably tantalum silicide, tungsten silicide or platinum silicide.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Diffusionssperrschicht aus einem Material gefertigt ist, das elektrisch isolierend ist. Wenn das Material der Diffusionssperrschicht e- lektrisch isolierend ist, ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht vorzusehen, um die Funktionalität des elektronischen Bauteils zu gewährleisten bzw. Transistoren herzustellen, die auch bei hohen Temperaturen geringe Leckströme zeigen. Das Halbleitermaterial des Substrates ist vorzugsweise Galliumnitrid. Galliumnitrid ist ein III-V- Verbindungshalbleiter, der z.B. für Hochleistungs- und Hochfrequenz- Feldeffekttransistoren eingesetzt wird. Weiterhin findet Galliumnitrid Einsatz in der Optoelektronik, insbesondere für blaue, weiße und grüne LEDs. Vorteil von Galliumnitrid ist aufgrund der großen Bandlücke von 3,4 eV und der thermischen Kristallstabilität, dass sich auf Galliumnitrid basierende Halbleiterbauelemente prinzipiell für Betriebstemperaturen bis ca. 7000C eignen.Alternatively, however, it is also possible that the diffusion barrier layer is made of a material that is electrically insulating. If the material of the diffusion barrier layer is electrically insulating, it is not necessary to provide an additional electrically insulating layer in order to ensure the functionality of the electronic component or to produce transistors which exhibit low leakage currents even at high temperatures. The semiconductor material of the substrate is preferably gallium nitride. Gallium nitride is a III-V compound semiconductor used, for example, in high power and high frequency field effect transistors. Furthermore, gallium nitride is used in optoelectronics, especially for blue, white and green LEDs. Advantage of gallium nitride is due to the large band gap of 3.4 eV and the thermal crystal stability that in principle for operating temperatures are gallium nitride-based semiconductor devices to 700 0 C.
Das Material der metallischen Schicht ist vorzugsweise ein Metall der 9., 10. oder 11. Gruppe des Periodensystems der Elemente oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle. Besonders bevorzugt ist das Material der metallischen Schicht ausgewählt aus Platin, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhodium oder einer Mischung aus mindestens zweien dieser Metalle. Insbesondere, wenn das elektronische Bauteil in Sensorik-Anwendungen zum Einsatz kommt, z.B. in Form eines gassensitiven Feldeffekttransistors, ist der Einsatz von Platin oder Palladium als Material für die metallische Schicht aus elektrochemischer Sicht besonders vorteilhaft. Bei Sensorik- Anwendungen bildet die metallische Schicht insbesondere die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors.The material of the metallic layer is preferably a metal of the 9th, 10th or 11th group of the Periodic Table of the Elements or a mixture of at least two of these metals. The material of the metallic layer is particularly preferably selected from platinum, palladium, iridium, gold, silver, rhodium or a mixture of at least two of these metals. In particular, when the electronic component is used in sensor applications, for example in the form of a gas-sensitive field-effect transistor, the use of platinum or palladium as the material for the metallic layer is made of electrochemical View particularly advantageous. In sensor applications, the metallic layer forms, in particular, the gate electrode of a field-effect transistor.
Um die Funktionalität des elektronischen Bauteils sicherzustellen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen dem Substrat aus dem Halbleitermaterial und der metallischen Schicht weiterhin eine elektrische Isolationsschicht aufgenommen. Dabei ist es einerseits möglich, dass die elektrische Isolationsschicht zwischen dem Substrat aus dem Halbleitermaterial und der Diffusionssperrschicht ausgebildet ist oder dass die elektrisch isolierende Schicht zwischen der Diffusionssperrschicht und der metallischen Schicht ausgebildet ist. Weiterhin ist es auch möglich, dass sich oberhalb und unterhalb der elektrischen Isolationsschicht eine Diffusionssperrschicht befindet. Eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Diffusionssperrschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist.In order to ensure the functionality of the electronic component, in an embodiment, an electrical insulation layer is additionally accommodated between the substrate made of the semiconductor material and the metallic layer. It is possible, on the one hand, for the electrical insulation layer to be formed between the substrate of the semiconductor material and the diffusion barrier layer, or for the electrically insulating layer to be formed between the diffusion barrier layer and the metallic layer. Furthermore, it is also possible for a diffusion barrier layer to be located above and below the electrical insulation layer. An additional electrical insulation layer is particularly advantageous when the diffusion barrier layer is made of an electrically conductive material.
Um die Diffusionssperrschicht vor Oxidation zu schützen oder ein Austreten von Stoffen oder von Oxidationsprodukten in die Diffusionssperrschicht zu verhindern, ist in einer Aus- führungsform der Erfindung eine Schutzschicht oberhalb der Diffusionsschicht ausgebildet. Diese Schutzschicht kann elektrisch isolierend oder leitfähig sein. Wenn die Schutzschicht elektrisch isolierend ist, kann diese zum Beispiel auch als elektrische Isolationsschicht wir- ken.In order to protect the diffusion barrier layer from oxidation or to prevent the escape of substances or oxidation products into the diffusion barrier layer, in one embodiment of the invention a protective layer is formed above the diffusion layer. This protective layer may be electrically insulating or conductive. If the protective layer is electrically insulating, it can, for example, also act as an electrical insulation layer.
Der Einsatz der Schutzschicht ist insbesondere bei Verwendung von Suiziden oder Silizid- nitriden für die Diffusionsschicht bevorzugt, da diese durch Oxidation in ihrer Stabilität und in ihrer Funktion als Diffusionssperrschicht beeinträchtigt werden können. Bei einer Diffusi- onssperrschicht aus Suizid oder Silizidnitrid, beispielsweise WSi oder WSiN, eignet sich zum Beispiel S13N4 als Material für die Schutzschicht. Die Schutzschicht wird insbesondere bei der Anwendung in korrosiver Umgebung und/oder bei hohen Temperaturen eingesetzt.The use of the protective layer is particularly preferred when using suicides or silicide nitrides for the diffusion layer, since these can be impaired by oxidation in their stability and in their function as a diffusion barrier layer. In the case of a diffusion barrier layer of suicide or silicide nitride, for example WSi or WSiN, S1 3 N 4 , for example, is suitable as the material for the protective layer. The protective layer is used in particular when used in a corrosive environment and / or at high temperatures.
Bevorzugtes Material für die elektrische Isolationsschicht ist z.B. S13N4. Wenn das Material der elektrischen Isolationsschicht S13N4 ist, kann die Diffusionssperrschicht während der Herstellung des elektronischen Bauteils auch als Ätzstoppschicht dienen. Ohne eine Ätzstoppschicht würde ein Rückätzen der Passivierung im Bereich der Gate-Elektrode automatisch auch die Isolation mit wegätzen. Eine poröse metallische Schicht, wie sie z.B. für Gassensoren notwendig ist, könnte diese Funktion jedoch nicht erfüllen.Preferred material for the electrical insulation layer is, for example, S1 3 N 4 . When the material of the electrical insulation layer S1 is 3 N 4 , the diffusion barrier layer may also serve as an etch stop layer during manufacture of the electronic device. Without an etch stop layer, back etching of the passivation in the region of the gate electrode would automatically etch away the insulation as well. However, a porous metallic layer, such as is necessary for gas sensors, could not fulfill this function.
Ein weiterer Vorteil der Diffusionssperrschicht ist auch, dass diese als Haftvermittler für die metallische Schicht auf dem Substrat aus einem Halbleitermaterial dienen kann. Insbesondere die für Gassensoren bevorzugt eingesetzten Metalle Platin und Palladium delaminieren auf einem Substrat aus Galliumnitrid bereits ab einer Schichtdicke von 20 nm. Wenn die Diffusionssperrschicht jedoch als Haftvermittler dient, bleibt die metallische Schicht auf der Diffusionssperrschicht haften und delaminiert nicht.Another advantage of the diffusion barrier layer is also that it can serve as a bonding agent for the metallic layer on the substrate of a semiconductor material. In particular, the metals used for gas sensors, platinum and palladium, delaminate on a substrate made of gallium nitride already at a layer thickness of 20 nm. However, if the diffusion barrier layer serves as a bonding agent, the metallic layer remains on the diffusion barrier layer and does not delaminate.
Bei Einsatz des elektronischen Bauteils als Gassensor ist es vorteilhaft, wenn die oberste Schicht der Diffusionssperrschicht geeignete chemische Eigenschaften gegenüber der Gasumgebung zeigt. Das heißt insbesondere, dass die Schicht Adsorptionsplätze für das Messgas oder Dissoziations- bzw. Reaktionsprodukte des Messgases bietet, die zur Ladungstrennung oder Dipolbildung an der Grenzschicht führen. So haben sich z.B. für NH3, HC, H2, CO und NOx nitridische oder oxidische oder Grenzflächenoxid-bildende Schichten bewährt. Gleichzeitig ist es jedoch erforderlich, dass diese Schicht chemisch stabil gegenüber der Umgebung ist. Dies ist insbesondere für die bereits oben erwähnten Materialien für die Diffusionssperrschicht erfüllt.When using the electronic component as a gas sensor, it is advantageous if the uppermost layer of the diffusion barrier layer exhibits suitable chemical properties with respect to the gas environment. This means, in particular, that the layer offers adsorption sites for the measurement gas or dissociation or reaction products of the measurement gas which lead to charge separation or dipole formation at the boundary layer. For example, NH 3 , HC, H 2 , CO and NO x have proven to be nitridic or oxidic or interfacial oxide-forming layers. At the same time, however, it is necessary for this layer to be chemically stable to the environment. This is especially true for the above-mentioned materials for the diffusion barrier layer.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description.
Die einzige Figur zeigt exemplarisch einen Schichtaufbau einer Gate-Elektrode eines Halbleitertransistors.The single figure shows an example of a layer structure of a gate electrode of a semiconductor transistor.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Ein erfindungsgemäß ausgebildetes elektronisches Bauteil 1 umfasst ein Substrat 3, welches aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist. Bevorzugtes Halbleitermaterial ist Galliumnitrid. Neben Galliumnitrid eignet sich als Halbleitermaterial jedoch auch Aluminiumnitrid, Galliumaluminiumnitrid und Siliziumcarbid. Wie vorstehend bereits beschrieben, ist Galliumnitrid ein III-V- Verbindungshalbleiter, der z.B. für Hochleistungs- und Hochfrequenz- Feldeffekttransistoren verwendet wird. Weiterhin wird Galliumnitrid in der Optoelektronik insbesondere für blaue, weiße und grüne LEDs eingesetzt. Elektronische Bauteile mit einem Substrat aus Galliumnitrid eignen sich prinzipiell für Betriebstemperaturen bis etwa 7000C. Somit können derartige Bauelemente auch bei Hochtemperaturanwendungen, z.B. zur Gas- sensorik in Abgasströmen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.An inventively designed electronic component 1 comprises a substrate 3, which is made of a semiconductor material. Preferred semiconductor material is gallium nitride. In addition to gallium nitride is suitable as a semiconductor material but also aluminum nitride, gallium aluminum nitride and silicon carbide. As already described above, gallium nitride is a III-V compound semiconductor used, for example, for high power and high frequency field effect transistors. Furthermore, gallium nitride is used in optoelectronics especially for blue, white and green LEDs. Electronic components with a substrate made of gallium nitride are suitable in principle for operating temperatures up to about 700 0 C. Thus, such devices can be used also in high temperature applications such as for gas sensors in exhaust gas streams from motor vehicles.
Auf das Substrat 3 aus dem Halbleitermaterial ist zunächst eine elektrische Isolationsschicht 5 aufgebracht. Die elektrische Isolationsschicht 5 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt wie die Passivierung des Chips. Als Material für die elektrische Isolations- schicht 5 eignet sich z.B. SIsN4. Die Dicke der elektrischen Isolationsschicht 5 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 nm.An electrical insulation layer 5 is first applied to the substrate 3 made of the semiconductor material. The electrical insulation layer 5 is preferably made of the same material as the passivation of the chip. As material for the electrical insulation Layer 5 is suitable eg SIsN 4 . The thickness of the electrical insulation layer 5 is preferably in the range of 1 to 100 nm.
Im Allgemeinen wird das Material der elektrischen Isolationsschicht 5 auf dem Substrat 3 aus dem Halbleitermaterial abgeschieden. So ist z.B. eine in- situ- Abscheidung von S13N4 direkt nach dem Wachstum der Halbleiter-Oberfläche aus Galliumnitrid möglich. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die elektrische Isolationsschicht 5 eine ex-situ- abgeschiedene CVD (chemical vapor deposition) Si3N4-Schicht ist.In general, the material of the electrical insulation layer 5 is deposited on the substrate 3 of the semiconductor material. For example, an in situ deposition of S1 3 N 4 directly after the growth of the semiconductor surface made of gallium nitride is possible. Alternatively, however, it is also possible for the electrical insulation layer 5 to be an ex-situ-deposited CVD (chemical vapor deposition) Si 3 N 4 layer.
Bei elektronischen Bauteilen, die eine Gate-Elektrode aufweisen, wird durch die elektrische Isolationsschicht 5 die Gate-Diode isoliert, um Gate-Leckströme und damit Elektro- Migration zu minimieren, den elektrischen Betrieb zu stabilisieren und eine einfache Signalauswertung sicherzustellen. Weiterhin ist es möglich, wenn die elektrische Isolationsschicht 5, wie in Figur 1 dargestellt, direkt auf das Substrat 3 abgeschieden wurde, das diese als Haftvermittler für eine Diffusionsbarriere mit geringer Grenzflächen-Zustandsdichte dient.In the case of electronic components which have a gate electrode, the electrical insulation layer 5 is used to insulate the gate diode in order to minimize gate leakage currents and thus electrical migration, to stabilize the electrical operation and to ensure simple signal evaluation. Furthermore, it is possible if the electrical insulation layer 5, as shown in FIG. 1, has been deposited directly on the substrate 3, which serves as adhesion promoter for a diffusion barrier with a low interfacial density of states.
Auf die elektrische Isolationsschicht 5 ist eine Diffusionssperrschicht 7 aufgetragen. Die Diffusionssperrschicht 7 weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 300 nm auf. Das Material der Diffusionssperrschicht 7 ist vorzugsweise so ausgewählt, dass dieses einen für das Metall einer metallischen Schicht 9, die auf die Diffusionssperrschicht 7 aufgetragen ist, kleinen Diffusionskoeffizienten aufweist. Hierzu ist die Diffusionssperrschicht 7 vorzugsweise im Wesentlichen porenfrei oder zeigt lediglich geschlossene Poren.On the electrical insulation layer 5, a diffusion barrier layer 7 is applied. The diffusion barrier layer 7 preferably has a thickness in the range of 1 to 300 nm. The material of the diffusion barrier layer 7 is preferably selected to have a small diffusion coefficient for the metal of a metallic layer 9 applied to the diffusion barrier layer 7. For this purpose, the diffusion barrier layer 7 is preferably substantially free of pores or only shows closed pores.
Wenn das elektronische Bauteil 1 ein Halbleitertransistor ist, ist es bevorzugt, dass die Dif- fusionssperrschicht 7 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt wird. Durch die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials für die Diffusionssperrschicht 7 wird der Abstand zwischen dem Halbleitermaterial 3 des Substrates und der Quelle eines elektrischen Feldes minimiert. Hierdurch wird die Transkonduktanz des Halbleitertransistors verbessert. Wenn die Diffusionssperrschicht 7 aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, entspricht der Abstand zwischen der Quelle des elektrischen Feldes und dem Halbleitermaterial des Substrates nur der Dicke 11 der elektrischen Isolationsschicht 5. Wenn jedoch ein elektrisch isolierendes Material für die Diffusionssperrschicht 7 verwendet wird, addiert sich die Schichtdicke 13 der Diffusionssperrschicht 7 zu dem Abstand zwischen der Quelle des elektrischen Feldes und dem Halbleitermaterial des Substrates 3 hinzu und senkt somit die Transkonduktanz des Halbleitertransistors. Dies liegt daran, dass bei einem isolierenden Material für die Diffusionssperrschicht 7 die Quelle des elektrischen Feldes nur die metallische Schicht 9 ist. Alternativ ist es auch möglich, wenn die Diffusionssperrschicht 7 aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist, auf eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht 5 zu verzichten. Da jedoch im Allgemeinen die Diffusionssperrschicht 7 eine wesentliche größere Schichtdicke 13 aufweisen muss als eine elektrische Isolationsschicht 5, ist es bevorzugt, eine elektrisch leitfähige, dicke Diffusionssperrschicht 7 und eine dünne elektrische Isolationsschicht 5 zu kombinieren, um die Transkonduktanz des als Halbleitertransistor ausgebildeten elektronischen Bauteils 1 zu verbessern.When the electronic component 1 is a semiconductor transistor, it is preferable that the diffusion barrier layer 7 is made of an electrically conductive material. By using an electrically conductive material for the diffusion barrier layer 7, the distance between the semiconductor material 3 of the substrate and the source of an electric field is minimized. As a result, the transconductance of the semiconductor transistor is improved. When the diffusion barrier layer 7 is made of an electrically conductive material, the distance between the electric field source and the semiconductor material of the substrate is only the thickness 11 of the electrical insulation layer 5. However, when an electrically insulating material is used for the diffusion barrier layer 7, it adds the layer thickness 13 of the diffusion barrier layer 7 is added to the distance between the electric field source and the semiconductor material of the substrate 3, thus lowering the transconductance of the semiconductor transistor. This is because with an insulating material for the diffusion barrier layer 7, the electric field source is only the metallic layer 9. Alternatively, it is also possible, if the diffusion barrier layer 7 is made of an electrically insulating material, to dispense with an additional electrical insulation layer 5. However, since, in general, the diffusion barrier layer 7 must have a substantially larger layer thickness 13 than an electrical insulation layer 5, it is preferable to combine an electrically conductive, thick diffusion barrier layer 7 and a thin electrical insulation layer 5 to form the transconductance of the electronic component 1 formed as a semiconductor transistor to improve.
Die größere Schichtdicke 13 der Diffusionssperrschicht 7 im Vergleich zur Dicke 11 der elektrischen Isolationsschicht 5 ist erforderlich, um eine ausreichende Sperrwirkung gegenüber diffundierendem Metall aus der metallischen Schicht 9 zu erzielen und so zu verhindern, dass Metall aus der metallischen Schicht 9 in das Halbleitermaterial des Substrates 3 eindiffundiert.The larger layer thickness 13 of the diffusion barrier layer 7 in comparison to the thickness 11 of the electrical insulation layer 5 is required in order to obtain a sufficient barrier effect against diffusing metal from the metallic layer 9 and thus to prevent metal from the metallic layer 9 in the semiconductor material of the substrate 3 diffused.
Ein weiterer Vorteil der elektrischen Isolationsschicht 5 und der zusätzlichen Diffusionssperrschicht 7 ist, dass viele Materialien bei einer direkten Abscheidung auf die Halbleiter- oberfläche, insbesondere wenn das Halbleitermaterial Galliumnitrid ist, bewirkt, dass offene chemische Bindungen, so genannte „dangling bonds" entstehen. Die Folge hieraus sind feste Grenzflächenladungen, die die Transistoreigenschaften verschlechtern. Bei sehr hohen Grenzflächenzustandsdichten kann eine Steuerung des Transistors sogar unmöglich werden. Wenn nun für die elektrische Isolationsschicht 5 ein Material gewählt wird, welches sich mit sehr geringen Grenzflächenzustandsdichten abscheiden lässt, lassen sich somit im Vergleich zur direkten Abscheidung der Diffusionssperrschicht 7 auf das Substrat 3 verbesserte Eigenschaften erzielen. Bei der Verwendung von Galliumnitrid als Halbleitermaterial zeigt insbe- sondere S13N4 sehr geringe Grenzflächenzustandsdichten. Da sich S13N4 jedoch nicht als Diffusionsbarriere ist eine zusätzliche Diffusionssperrschicht 7 erforderlich.Another advantage of the electrical insulation layer 5 and the additional diffusion barrier layer 7 is that many materials, when deposited directly onto the semiconductor surface, particularly when the semiconductor material is gallium nitride, cause open dangling bonds At very high interfacial state densities, control of the transistor may even become impossible, and choosing a material which can be deposited with very low interfacial state densities for the electrical insulation layer 5 can thus be compared achieve direct deposition of the diffusion barrier layer 7 to the substrate 3 improved properties. in the use of gallium nitride as a semiconductor material in particular S1 3 N 4 is very low interface state densities. Since S1 3 N 4, however, not as a diffusion barrier, an additional diffusion barrier layer 7 is required.
Bevorzugte Materialen für die Diffusionssperrschicht 7 sind z.B. Titannitrid, eine Legierung aus Titan und Wolfram, Wolfram oder Gold. Weiterhin eignen sich Suizide oder Nitride, z.B. Tantalsilizid, Wolframsilizid, Molybdänsilizid oder Platinsilizid, Titansiliziumnitrid oder Wolframsiliziumnitrid oder Bornitrid. Besonders bevorzugt als Material für die Diffusionssperrschicht 7 sind Tantalsilizid oder Wolframsilizid.Preferred materials for the diffusion barrier layer 7 are e.g. Titanium nitride, an alloy of titanium and tungsten, tungsten or gold. Furthermore, suicides or nitrides, e.g. Tantalum silicide, tungsten silicide, molybdenum silicide or platinum silicide, titanium silicon nitride or tungsten silicon nitride or boron nitride. Particularly preferred as the material for the diffusion barrier layer 7 are tantalum silicide or tungsten silicide.
Die metallische Schicht 9 wird im Allgemeinen mit einem elektrischen Leiter zum Betrieb des elektronischen Bauteils 1 verbunden. Als Material für die metallische Schicht eignet sich jedes beliebige Metall. Bevorzugte Metalle sind jedoch Metalle der 9., 10. oder 11. Gruppe des Periodensystems der Elemente. Insbesondere bevorzugt sind Platin, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhodium oder eine Mischung aus mindestens zweien dieser Metalle. Wenn das elektronische Bauteil 1 als Gassensor eingesetzt wird, wird die metallische Schicht 9 vorzugsweise aus Platin oder Palladium gefertigt.The metallic layer 9 is generally connected to an electrical conductor for operating the electronic component 1. As the material for the metallic layer, any metal is suitable. However, preferred metals are metals of the 9th, 10th or 11th group of the Periodic Table of the Elements. Particularly preferred are platinum, palladium, iridium, gold, silver, rhodium or a mixture of at least two of these metals. If that electronic component 1 is used as a gas sensor, the metallic layer 9 is preferably made of platinum or palladium.
Die Dicke der metallischen Schicht 9 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 nm.The thickness of the metallic layer 9 is preferably in the range of 1 to 100 nm.
Bei Verwendung des elektronischen Bauteils 1 als Gassensor ist die metallische Schicht vorzugsweise porös. Wenn die metallische Schicht 9 porös ist, dient die Diffusionssperrschicht 7 zusätzlich Ätzstoppschicht bei der Herstellung des elektronischen Bauteils 1. Im Allgemeinen wird nämlich zunächst eine Passivierung auf das Halbleitermaterial des Sub- strates 3 aufgetragen. Dieses wird zur Herstellung des elektronischen Bauteils rückgeätzt. Ohne Ätzstoppschicht würde das Rückätzen der Passivierung dazu führen, dass automatisch auch die elektrische Isolationsschicht 5 weggeätzt würde. Wenn nun die poröse metallische Schicht 9 direkt auf die elektrische Isolationsschicht 5 aufgetragen würde, würde diese nicht als Ätzstoppschicht dienen können und die elektrische Isolationsschicht 5 würde ebenfalls weggeätzt werden. Durch die Diffusionssperrschicht 7 wird jedoch auch bei einer porösen metallischen Schicht 9 vermieden, dass die elektrische Isolationsschicht 5 weggeätzt wird.When using the electronic component 1 as a gas sensor, the metallic layer is preferably porous. If the metallic layer 9 is porous, the diffusion barrier layer 7 additionally serves for etching stop layer during the production of the electronic component 1. In general, a passivation is first applied to the semiconductor material of the substrate 3. This is etched back to produce the electronic component. Without an etching stop layer, the etching back of the passivation would automatically cause the electrical insulation layer 5 to be etched away. If now the porous metallic layer 9 were applied directly to the electrical insulation layer 5, this would not be able to serve as an etch stop layer and the electrical insulation layer 5 would also be etched away. However, even with a porous metallic layer 9, the diffusion barrier layer 7 prevents the electrical insulation layer 5 from being etched away.
Neben dem hier dargestellten Aufbau, bei dem auf dem Substrat 3 zunächst elektrische Isolationsschicht 5, dann die Diffusionssperrschicht 7 und abschließend die metallische Schicht 9 aufgetragen ist, ist es auch möglich, auf das Substrat 3 zunächst die Diffusionssperrschicht 7 und dann anschließend die elektrische Isolationsschicht 5 aufzutragen. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine zusätzliche Diffusionssperrschicht vorgesehen ist. Diese kann sich dann z.B. zwischen dem Substrat 3 und der elektrischen Isolationsschicht 5 befinden.In addition to the structure shown here, in which on the substrate 3 first electrical insulation layer 5, then the diffusion barrier layer 7 and finally the metallic layer 9 is applied, it is also possible to the substrate 3, first the diffusion barrier layer 7 and then subsequently the electrical insulation layer. 5 apply. Furthermore, it is also possible that an additional diffusion barrier layer is provided. This can then be e.g. between the substrate 3 and the electrical insulation layer 5 are located.
Zusätzlich kann oberhalb der Diffusionssperrschicht 7 eine zusätzliche Schutzschicht aufgebracht sein, durch welche ein Austreten von Stoffen oder von Oxidationsprodukten in die Diffusionssperrschicht 7 bzw. eine Oxidation der Diffusionssperrschicht 7 verhindert wird. Üblicherweise befindet sich die zusätzliche Schutzschicht zwischen der Diffusionssperrschicht 7 und der metallischen Schicht 9. Wenn sich die Diffusionssperrschicht 7 direkt auf dem Substrat 3 befindet und die elektrische Isolationsschicht 5 auf die Diffusionssperrschicht 7 aufgetragen ist, dient in einer Ausführungsform die elektrische Isolationsschicht 5 als zusätzliche Schutzschicht. Alternativ kann die zusätzliche Schutzschicht auch zwischen der Diffusionssperrschicht 7 und der elektrischen Isolationsschicht 5 aufgenommen sein.In addition, an additional protective layer can be applied above the diffusion barrier layer 7, by which leakage of substances or oxidation products into the diffusion barrier layer 7 or oxidation of the diffusion barrier layer 7 is prevented. Usually, the additional protective layer is between the diffusion barrier layer 7 and the metallic layer 9. When the diffusion barrier layer 7 is directly on the substrate 3 and the electrical insulating layer 5 is applied to the diffusion barrier layer 7, in one embodiment the electrical insulating layer 5 serves as an additional protective layer , Alternatively, the additional protective layer may also be accommodated between the diffusion barrier layer 7 and the electrical insulation layer 5.
Wenn keine elektrische Isolationsschicht 5 benötigt wird, ist es auch möglich, dass anstelle der elektrischen Isolationsschicht 5 die zusätzliche Schutzschicht auf die Diffusionssperrschicht 7 aufgebracht wird. If no electrical insulation layer 5 is required, it is also possible that, instead of the electrical insulation layer 5, the additional protective layer is applied to the diffusion barrier layer 7.

Claims

Ansprüche claims
1. Elektronisches Bauteil mit einer metallischen Schicht (9) auf einem Substrat (3) aus einem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der metallischen Schicht (9) und dem Substrat (3) eine Diffusionssperrschicht (7) ausgebildet ist, die aus einem Material gefertigt ist, das einen kleinen Diffusionskoeffizienten für das Metall der metallischen Schicht (9) aufweist.1. An electronic component with a metallic layer (9) on a substrate (3) made of a semiconductor material, characterized in that between the metallic layer (9) and the substrate (3) a diffusion barrier layer (7) is formed, which consists of a material is made, which has a small diffusion coefficient for the metal of the metallic layer (9).
2. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusions- Sperrschicht (7) im Wesentlichen porenfrei ist.2. Electronic component according to claim 1, characterized in that the diffusion barrier layer (7) is substantially free of pores.
3. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (7) aus einem Material gefertigt ist, das elektrisch leitfähig ist.3. Electronic component according to claim 1 or 2, characterized in that the diffusion barrier layer (7) is made of a material which is electrically conductive.
4. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Diffusionssperrschicht (7) ein Suizid, Titansiliziumnitrid oder Wolframsiliziumnitrid ist.4. Electronic component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the material of the diffusion barrier layer (7) is a suicide, titanium silicon nitride or tungsten silicon nitride.
5. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Suizid Tan- talsilizid oder Wolframsilizid ist.5. The electronic component according to claim 4, characterized in that the suicide is tantalum silicide or tungsten silicide.
6. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial des Substrates (3) Galliumnitrid ist.6. Electronic component according to one of claims 1 to 5, characterized in that the semiconductor material of the substrate (3) is gallium nitride.
7. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der metallischen Schicht (9) ein Metall der 9., 10., oder 11. Gruppe des Periodensystems der Elemente oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle ist.7. Electronic component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the material of the metallic layer (9) is a metal of the 9th, 10th or 11th group of the Periodic Table of the Elements or a mixture of at least two of these metals ,
8. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der metallischen Schicht (9) Platin, Palladium, Iridium, Gold, Silber, Rhodium oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle ist.8. Electronic component according to one of claims 1 to 7, characterized in that the material of the metallic layer (9) is platinum, palladium, iridium, gold, silver, rhodium or a mixture of at least two of these metals.
9. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (3) und der metallischen Schicht (9) weiterhin eine elektrische9. Electronic component according to one of claims 1 to 8, characterized in that between the substrate (3) and the metallic layer (9) further comprises an electrical
Isolationsschicht (5) aufgenommen ist. Insulation layer (5) is added.
10. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (5) aus S13N4 gefertigt ist.10. Electronic component according to claim 9, characterized in that the electrical insulation layer (5) is made of S1 3 N 4 .
11. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (9) eine Elektrode, insbesondere eine Gate-Elektrode, ist.11. Electronic component according to one of claims 1 to 10, characterized in that the metallic layer (9) is an electrode, in particular a gate electrode.
12. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Diffusionssperrschicht (7) eine zusätzliche Schutzschicht aufgetragen ist.12. Electronic component according to one of claims 1 to 11, characterized in that on the diffusion barrier layer (7) an additional protective layer is applied.
13. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die zusätzliche Schutzschicht S13N4 ist. 13. Electronic component according to one of claims 1 to 12, characterized in that the material for the additional protective layer S1 3 N 4 .
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