DE1924845C3 - Halbleiteranordnung mit metallischen Kontakten und/oder metallischen Verbindungsschichten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit metallischen Kontakten und/oder metallischen Verbindungsschichten auf der Halbleiteroberfläche und/oder auf einer Isolierschicht über der Halbleiteroberfläche; insbesondere eine nicht hermetisch gekapselte integrierte Halbleiteranordnung.

Beim Einkapseln von Halbleiteranordnungen mit Kunststoffen ergeben sich wegen der Gasdurchlässigkeit derselben häufig Korrosionserscheinungen an den metallischen Kontakten und Verbindungsschichten, die ^o zu einem Ausfall der Halbleiteranordnung führen können, insbesondere wenn es sich dabei um eine integrierte Halbleiterschaltung mit zahlreichen Kontakten und Verbindungsschichten handelt. Dabei ist das Ausmaß der Korrosionserscheinungen, insbesondere *5 auch von den verwendeten Metallsystemen abhängig, die beispielsweise Gold und Aluminium oder auch Molybdän und Gold umfassen können, wobei das System Wolfram-Gold verhältnismäßig korrosionsbeständig, jedoch ebenfalls noch verbesserungsbedürftig so ist.

Ausführliche Angaben zu den Problemen einer nicht hermetischen Kapselung finden sich beispielsweise in der OE-PS 2 59 014, aus der eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper bestimmten Leitungstyps bekannt ist, der eine ebene Hauptfläche und eine an einen Teil dieser Hauptfläche angrenzende Zone entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, wobei diese Zone einen pn-übergang bildet, dessen Rand an der Hauptfläche liegt und wobsi an der Hauptfläche eine ω Schicht aus Halbleiteroxid ausgebildet ist, welche den Rand des pn-Überganges überdeckt und eine Öffnung aufweist, die einen Teil der Oberfläche der Zone entgegengesetzten Leitungstyps freilegt und die weiterhin so ausgebildet ist, daß in Berührung mit dieser fc^r> freigelegten Oberfläche der Zone enigegengesetzten Leitungstyps innerhalb der öffnung der Schicht aus Halbleiteroxid und unter Überdeckung der angrenzenden, den Rand des pn-Überganges überdeckenden Teile derselben eine Schicht aus einem aktiven Metall, beispielsweise Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Chrom, Vanadium oder Hafnium, angeordnet ist und daß sich über dieser Schicht aus aktivem Metall ein oder mehrere Schichten aus Kontaktmetall, beispielsweise Platin, Silber, Nickel, Palladium, Rhodium oder Gold befinden, wobei davon ausgegangen wird, daß die Grenzfläche zwischen einer Schicht eines aktiven Metalls wie z. B. Titan oder Tantal und eines dielektrischen Oxids wie z. B. Siliziumdioxid eine praktisch unüberwindbare Barriere für ein Hindurchdringen von schädlichen Gasen aus der Umgebung der Halbleiteranordnung bildet Die zitierte Patentschrift befaßt sich also mit dem Problem, bei nicht hermetisch gekapselten Halbleiteranordnungen zur Oberfläche des Substrats reichende pn-Übergänge gegen das störende Eindiffundieren von Verunreinigungen aus der Atmosphäre zu schützen.

Der vorliegender, Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, Korrosionserscheinungen an den metallischen Kontakten und/oder metallischen Verbindungsschichten bei nicht vollständig hermetisch gekapselten Halbleiteranordnungen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Kontakte bzw. Verbindungsschichten aus einer Mischung aus Molybdän oder Wolfram und einem Modifikator-Metall oder -Metalloid bestehen, das eine größere Korrosionsbeständigkeit als das Molybdän bzw. Wolfram aufweist, das in der Lage ist, passivierende Oxidschichten zu bilden und dessen Oxid stabiler als die Oxide des Molybdäns bzw. Wolframs sind.

Diese Ausgestaltung einer Halbleiteranordnung erweist sich besonders dort als vorteilhaft, wo die Halbleiteranordnung in einer Atmosphäre mit hoher Luftfeuchtigkeit arbeitet, denn es treten dann auch bei nicht hermetisch dichter Einkapselung keine Korrosionserscheinungen auf. Außerdem haftet die angegebene Materialkombination auch gut an Silizium und Siliziumoxid. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß ein derartiges, eine Sperrschicht bildendes Metall für die verbesserten elektrischen Kontakte und elektrischen Verbindungsschichten mit Gold keine intermetallischen Verbindungen eingeht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einer Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen, in dem ein Planartransistor gebildet wurde und das eine Isolierschicht auf seiner Oberfläche aufweist, die öffnungen zum Anbringen von Kontakten hat,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

Fig.3 einen schematischen Schnitt durch eine Einrichtung zum Hochfrequenz-Aufstäuben, wie sie zum Anbringen der Kontakte am Halbleiterplättchen Verwendung finden kann,

F i g. 4 eine Draufsicht auf das Halbleiterplättchen der F i g. 1 nach dem Anbringen von Kontakten und Anschlußstellen,

F i g. 5a und 5b einen Schnitt und eine Draufsicht des in Fig.4 gezeigten Halbleiterplättchens nach dem Anbringen der Zuleitungen und dem Einbetten in Kunststoff, wobei die Schnittrichtung der F i g. 5a durch die Linie 5a-5a in Fig. 5b angedeutet ist; der obere Toil der Kunststoffkapsel wurde jedoch in Fig. 5b abgeschnitten, um die Anordnung deutlicher darstellen zu können,

F i g. 6 einen Schnitt durch eine integrierte Schaltung

mit lediglich in einer einzigen Ebene liegenden Verbindungen,

Fig.7 eine Draufsicht, die die Anordnung von Schaltungselementen in einer der Funktionseinheiten eines Halbleiterplättchens zeigt, das in Fig.8 dargestellt ist und Zwischenverbindungen in mehreren Ebenen benötigt,

F i g. 8 eine Draufsicht auf dieses Halbleiterplättchen, das mehrere Funktionseinheiten enthält,

F i g. 9 ein Schaltschema einer der Funktionseinheiten der F i g. 7 und

Fig. 10 bk *2 mehrere Schnitte zur Erläuterung der Herstellung der in Fig.8 gezeigten integrierten Schaltung entsprechend der Linie 10-10 F i g. 8.

Die Erfindung sieht Kontakte und Zwischenverbindüngen für Halbleiteranordnungen vor, die korrosionsbeständig sind und entweder an nicht eingekapselten oder nicht hermetisch eingekapselten Halbleiteranordnungen mit Vorteil verwendet werden können. Es wird eine homogene Mischung vorgegebener Mengen von Molybdän oder Wolfram und einem Modifikator-Metall verwendet, weiches eine größere Korrosionsbeständigkeit als Molybdän bzw. Wolfram hat, um die Korrosionsbeständigkeit des letzteren zu erhöhen. Die Vorteile, die durch die Verwendung von Molybdän erzielt werden können, sind in der US-Patentschrift 33 41 753 beschrieben. Erwähnenswert ist, daß Molybdän und Wolfram außerordentlich gut an Silizium und Siliziumoxid haftet, daß sie keine intermetallischen Verbindungen mit Gold bilden und eine Sperrschicht zwischen Gold und dem Halbleitermaterial darstellen, was dann wichtig ist, wenn man Gold als übergeschichtetes Metall verwendet, wo es sowohl eine Schutzschicht als auch einen Leiter mit niederem spezifischen Widerstand darstellt.

Eine der Forderungen, die an ein Modofikator-Metall gestellt werden müssen, besteht darin, daß es korrosionsbeständiger als Molybdän bzw. Wolfram sein muß, mit dem zusammen es eingesetzt werden soll. Das bedeutet, daß das Modifikator-Metall nur geringfügig in wäßrigen Säuren — ausgenommene Flußsäure — löslich sein darf; ferner müssen die Oxide des Modifikators stabiler als die Oxide des Molybdäns bzw. Wolfram sein, und sie dürfen auch in den verschiedensten Säuren nur geringfügig löslich sein. Das Modifikator-Metall muß ferner in der Lage sein, passivierende Oxidschichten zu bilden, und zwar bei den verschiedensten Oxydationspotentialen; schließlich muß der Modifikator in hohem Maße korrosionsbeständig sein. Er sollte aber auch einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt und eine niedrige Selbstdiffusion haben.

Jedoch ist keines der Modifikator-Metalle, das die vorstehend geschilderten Forderungen erfüllt, mit Gold metallurgisch ausreichend stabil, um es als Sperrschicht bei einem Metall-Gold-Kontakt einzusetzen.

Das ideale Modifikator-Metall ist unlöslich in Molybdän bzw. Wolfram und bildet mit diesem keine Verbindungen. Jedoch ist jedes Metall, das die vorstehend geschilderten Forderungen erfüllt, entweder löslich in Molybdän bzw. Wolfram oder bildet mit diesem eine Verbindung. Die Forderung, daß das Modifikator-Metall keine Verbindungen mit Molybdän bzw. Wolfram bilden darf und sich in diesem nicht lösen sollte, wird im Hinblick auf die Ätzfähigkeit der Mischung aus Molybdän bzw. Wolfram und dem Modifikator-Metall aufgestellt, denn die Ätzfähigkeit ändert sich mit dem Prozentsatz eines zugesetzten Elementes in einer Mischung. Das Ätzen wird immer schwieriger, je größer die prozentuale Löslichkeit ist, und Mischungen, die Verbindungen bilden, sind am schwierigsten zu ätzen, wenn das gewünschte Schaltungsmuster gebildet werden soll. Beispiele von Modifikator-Metallen, die alle gewünschten Eigenschaften mit der Ausnahme haben, daß sie keine Verbindung bilden mit oder löslich sind in Molybdän bzw. Wolfram, sind die folgenden Elemente: Titan, Tantal, Chrom, Zirkon, Hafnium und Silizium.

ίο Als Modifikator-Metall bevorzugt wird Titan, das in jedem Verhältnis in Molybdän löslich ist, mit diesem und mit Wolfram jedoch keine Verbindungen bildet; in Titan ist außerdem Wolfram unterhalb von 700° C praktisch unlöslich. Titan seinerseits ist in Wolfram bei 600° C nur bis zu ungefähr 4 Gew.-°/o löslich. Die gegenseitige Diffusion in Wolfram-Titan-Mischungen, in denen der Titananteil 4% übersteigt, wird durch die Konzentration begrenzt und ist deshalb ziemlich niedrig. Die übrigen vorstehend erwähnten Metalle eignen sich zwar auch als Modifikator-Metalle, jedoch werden sie in ihrer Reihenfolge aus den folgenden Gründen weniger bevorzugt: Tantal und Chrom bilden keine Verbindungen mit Molybdän bzw. Wolfram, jedoch sind sie in Molybdän bzw. Wolfram in jedem Verhältnis löslich.

Die höheren Oxide des Chroms sind wasserlöslich und infolgedessen nicht so korrosionsbeständig, wenn man eine hohe positive Vorspannung anlegt. Zirkon bildet Verbindungen mit Molybdän bzw. Wolfram, ebenso wie dies bei Hafnium und Silizium der Fall ist.

Eine homogen gemischte Schicht aus Molybdän bzw. Wolfram und einem Modifikator-Metall, bei dem es sich vorzugsweise um Titan handelt, läßt sich leicht durch Hochfrequenz- oder Trioden-Aufsprühen mittels Kathoden herstellen, die in der üblichen Pulvermetallurgie-Technik produziert wurden. Titankonzentrationen über ungefähr 4% in Wolfram-Titan-Mischungen führen zu Pseudo-Legierungen, in denen der 4% übersteigende Titananteil zwar nicht in Wolfram legiert bzw. gelöst ist, jedoch der erhöhte Titananteil trotzdem die gewünschte Korrosionsbeständigkeit bei Wolfram bewirkt.

Die untere Grenze des Anteils des Modifikator-Metalls in der Mischung mit Molybdän bzw. Wolfram wird dadurch bestimmt, daß dieser Anteil an Modifikator-Metall die Korrosionsbeständigkeit des Molybdäns bzw. Wolframs in ausreichendem Maße erhöht. Zufällige Verunreinigungen mit kleinem Mengenanteil aus den vorstehend erwähnten Modifikator-Metallen, wie sie unbeabsichtigt in das Molybdän bzw. Wolfram gelangen können, haben keinen Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit des Molybdäns bzw. Wolframs, aus dem beispielsweise die Kontakte gebildet werden. Es muß also schon ein merklicher Anteil an Modifikator-Metall absichtlich dem Molybdän bzw. Wolfram beigegeben werden. Praktisch liegt die untere Grenze für den Anteil des Modifikator-Metalls bei ungefähr 3 Gewichts-%. Die Passivierung oder Korrosionsbeständigkeit des Kontakts nimmt mit dem Anteil des Modifikator-Metalls in der Mischung mit Molybdän bzw. Wolfram zu. Übersteigt der Anteil des Modifikator-Metaüs jedoch

bo ungefähr 20% — bei diesem Wert zeigt sich eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit der Kontakte — so bringt das Modifikator-Metall auch nachteilige Eigenschaften der Mischung mit sich.

Die obere Grenze für den Anteil des Modifikator-Me-

h") tails i.i der Mischung mit Molybdän bzw. Wolfram wird durch zweierlei bestimmt: Erstens durch denjenigen Anteil an Modifikator-Metall, den die Molybdän- bzw. Wolfram-Matrix aufnehmen kann, ohne daß das

Modifikator-Metall mit der Goldschicht reagiert und infolgedessen deren spezifischen Widerstand anhebt, und zweitens durch die Ätzbarkeit der Schicht, die mit der Zunahme des Anteils an Modifikator-Metall abnimmt. Ferner wird es schwierig, den metallischen Kontakt aus Molybdän bzw. Wolfram und Modifikator-Metall exakt zu definieren, wenn das Modifikator-Metall mit der angrenzenden Goldschicht reagiert. Die Mischung aus Molybdän bzw. Wolfram und Modifikator-Metall läßt sich außerordentlich schwer ätzen, wenn der Anteil des Modifikator-Metalls ungefähr 35% übersteigt, und die Mischung wird metallurgisch instabil und führt zu einer Reaktion des Modifikator-Metalls mit dem Gold, wenn der Anteil des Modifikator-Metalls über ungefähr 60% liegt. Die Verwendung von Kontakten, die mehr als ungefähr 35% bzw. 60% Modifikator- Metall enthalten, ist zwar möglich, jedoch muß sorgfältiger gearbeitet werden, und die Herstellung benötigt mehr Zeit, da es schwieriger wird, die einzelnen Kontakte und Zwischenverbindungen in der richtigen Gestalt herzustellen. Am zweckmäßigsten ist ein Gehalt von ungefähr 20% an Modifikator-Metall. Die angegebenen Prozentsätze sind Durchschnittswerte und treffen exakt nicht für jedes Modifikator-Metall zu, da sich diese in ihren Eigenschaften geringfügig voneinander unterscheiden, so daß sich die angegebenen Prozentsätze verschieben.

Im folgenden wird der Einfachheit halber nur noch die Verwendung von Molybdän und Titan beschrieben, wobei an die Stelle des Molybdäns stets auch Wolfram treten kann, sofern nichts Gegenteiliges ausgeführt wird.

Die F i g. 1 und 2 zeigen ein Halbleiterplättchen 10, in dem ein Transistor gebildet worden ist, der eine Basis 11 und einen Emitter 12 aufweist und wobei das übrige Plättchen den Kollektor 17 bildet. Er wurde in der üblichen Planartechnik erstellt, und zwar durch aufeinanderfolgendes Eindiffundieren von Donatoren und Akzeptoren und dem dazwischen liegenden Bilden von Siliziumoxidmasken.

Im Planarverfahren wird eine Oxidschicht 13 auf der Oberfläche des Plättchens 10 gebildet, und zwar muß die Schichtdicke über dem Kollektor 17 dicker als über der Basis sein, so daß sich die übliche abgestufte Ausbildung ergibt. Für hohe Frequenzen sollten die aktiven Teile des Transistors äußerst schmal sein, so daß der langgestreckte Emitter 12 beispielsweise 0,05 mm breit und weniger als 0,25 mm lang ist. Die Basis 11 hat dann beispielsweise eine Fläche von ungefähr 10-²mm². Für die Basiskontakte sind zwei öffnungen 14 und 15 vorgesehen, während eine öffnung 16 für den Emitterkontakt angeordnet wurde: die letztere ist dieselbe, die auch für das Eindiffundieren des Emitters herangezogen wurde. Wegen der extremen Kleinheit der Basis- und Emitter-Kontaktflächen müssen die Kontakte selbst über die Siliziumoxidschicht ausgedehnt werden, damit Zuleitungsdrähte angebracht werden können. Das Halbleiterplättchen selbst hat beispielsweise eine Kantenlänge von 0,75 mm und ist 0,1 mm dick.

Um eine Schicht aus einer Mischung aus Molybdän und einem Modifikator-Metall auf dem Plättchen 10 anzubringen — diese Schicht bildet einen Emitterkontakt 18 und einer, Basiskontakt 19 (siehe F i g. 4) —, wird das Plättchen 10, das Teil einer größeren Halbleiterscheibe ist, zusammen mit einer Anzahl anderer solcher Scheiben auf einer Trägerplatte 20 in einem üblichen HF-Sprühgerät 21 angebracht (siehe Fig.3). Der Einfachheit halber wird lediglich die Bildung der Molybdän-Titan-Kontakte beschrieben. Kontakte aus anderen Zusammenstellungen lassen sich auf dieselbe Weise herstellen. Die Trägerplatte 20 dient als Anode in dem Hochfrequenz-Sprühkreis, während als Kathode eine Zerstäuberplatte 22 vorgesehen ist, die das Metall enthält, das auf dem Halbleiterplättchen 10 niedergeschlagen werden soll. Selbstverständlich sind mehrere Zerstauberplatten vorhanden, wenn verschiedene Mctalle niedergeschlagen werden sollen. Im vorliegenden Fall besteht die Zerstäuberplatte 22 also aus der gewünschten Mischung aus Molybdän und Titan. Hergestellt kann sie in üblicher Weise durch pulvermetallurgische Verfahren werden. Die Zerstäuberplatte 22 wird von einer Halteplatte 23 getragen, die elektrisch über einen Schalter mit einem nicht gezeigten HF-Generator verbunden ist.

Um das Gold niederzuschlagen, wird eine Gold-Zerstäuberplatte 24 auf einer Halteplatte 25 angebracht, die ihrerseits über einen Schalter ebenfalls mit dem HF-Generator verbunden ist. Selbstverständlich stellt die F i g. 3 nur eine schematische Zeichnung dar, so daß aus ihr die Anordnung der verschiedenen Elemente nicht ganz exakt entnommen werden kann. Um gleichförmige Metallschichten auf allen Halbleiterplättchen zu erhalten, muß jede Zerstäuberplatte mindestens so groß wie jedes zu beschichtende Halbleiterplättchen sein, und außerdem sollten die Abstände zwischen jeder Zerstäuberplatte und der Oberfläche eines jeden Halbleiterplättchens gleich sein. Infolgedessen hat jedes Sprühgerät eine Vorrichtung innerhalb seiner Kammer 26, mit deren Hilfe die ausgewählte Zerstäuberplatte für den jeweiligen Niederschlagungsvorgang justiert werden kann.

Es wird nun beispielsweise Argon unter einem Druck von ungefähr 6 bis 20 μbar durch einen Einlaß 27' in das Sprühgerät 21 geleitet, worauf man die Hochfrequenzenergie zwischen Trägerplatte 20 und Halteplatte 22 anlegt; als zweckmäßig hat sich eine Frequenz von ungefähr 15 MHz erwiesen, und der Vorgang des Niederschiagens sollte so lange aufrechterhalten werden, daß eine Molybdän-Titan-Schicht auf dem Halbleiterplättchen 10 entsteht, die ungefähr 250 nm dick ist. Danach wird die H F-Energie abgeschaltet und zwischen die Trägerplatte 20 und die Gold-Zerstäuberplatte 24 angelegt. Sie bleibt dann so lange eingeschaltet, bis auf der Molybdän-Titan-Schicht eine beispielsweise 1000 nm dicke Goldschicht entstanden ist. Danach wird HF-Energie abgeschaltet,der Argon-Zustrom unterbrochen und das Halbleiterplättchen 10 dem Gerät 21 entnommen. Selbstverständlich kann die Molybdän-Titan-Schicht auch in anderer Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Triodenzerstäubung. Gleiches gilt für die Goldschicht. Man kann aber auch zur üblichen Aufdampftechnik greifen, wenn dies günstiger erscheint

Anschließend werden die überschüssigen Teile der Gold- und Molybdän-Titan-Schichten entfernt, indem

man die Halbleiterscheiben selektiv ätzt, insbesondere unter Verwendung von Fotolackmasken. Hierfür eignet

Wi sich besonders ein Fotolackmaterial, das in bestimmter Weise mit ultraviolettem Licht durch eine Maske hindurch an den Stellen belichtet wird, wo das Gold und die Molybdän-Titan-Schicht verbleiben sollen. Die nicht belichteten Teile der Fotolackschicht werden dann

bs durch eine Entwicklerflüssigkeit entfernt Die Fotolackmaske liegt dann nur noch über denjenigen Teilen der Gold- und Molybdän-Titan-Schicht, die die Emitter- und Basis-Kontakte sowie die ausgedehnten Leitungen

bilden sollen, wie sie die F i g. 4 erkennen läßt.

Anschließend wird das Halbleiterplättchen geätzt, um die nicht von der Maske abgedeckten Teile der Goldschicht 27 zu entfernen. Ein geeignetes Ätzmittel für Gold ist eine alkoholische Lösung aus |od und Xaliumjodid. Die nun freigelegten Teile der Molybdän-Titan-Schichl 28 werden nun ebenfalls abgeätzt, beispielsweise mittels einer basischen Lösung aus Kaliumferricyanid, so daß die Kontakte 18 und 19 entstehen, die aus den fest aneinander haftenden Schichten 27 und 28 bestehen; die Molybdän-Titan-Schicht 28 haftet ferner außerordentlich gut an der Siliziumoxidschicht 13 und der Oberfläche des HaIbleiterplättchens 10. Das letztere ist nun so weit fertig, daß es montiert und verpackt werden kann. Ein Beispiel einer nicht hermetisch dicht abschließenden Verkapselung ist eine Kunststoffumhüllung S, wie sie die F i g. 5a und 5b zeigen. Nachdem das Halbleiterplättchen 10 an einer Kollektorzuleitung 9 angebracht worden ist, wird ein Golddraht 6 sowohl mit dem Basiskontakt 19 als auch mit einer Basiszuleitung 8 verbunden, beispielsweise mit Hilfe des sogenannten »Ball-Bonding«, und ein weiterer Golddraht 7 verbindet zwischen dem Emitterkontakt 18 und einer Emitterzuleitung 10. Dann wird die Kunststoffumhüllung 5 über dem Halbleiterplättchen 10 gebildet.

Um einen guten ohmschen Kontakt geringen Widerstands zwischen dem Silizium und der Molybdän-Titan-Schicht zu schaffen, ist es erforderlich, daß der Oberflächenbereich des Siliziums, in dem der Kontakt gebildet werden soll, eine hohe Störstellendichte aufweist und entweder N oder P-Ieitend ist; dies gilt, wie bekannt, bei allen Kontakten aus schwer schmelzbaren Metallen. Dient als Dotierungsmaterial entweder Bor oder Phosphor, so sollte die Oberflächenkonzentration größer als 2 χ ΙΟ¹⁹ Atome/cm³ sein, insbesondere größer als 10²¹ Atome/cm³. Es können natürlich auch elektrische Kontakte zu Siliziumoberflächen mit einer geringeren Störstellendichte erzeugt werden, jedoch nimmt der Obergangswiderstand am Kontakt mit der Abnahme der Konzentration der Verunreinigungen zu.

Bei typischen Transistoren weist der N-leitende Emitter üblicherweise eine sehr hohe Störstellenkonzentration auf, insbesondere im Bereich seiner Oberfläche, da die Emitterzone durch eine zweite Diffusion geschaffen worden ist. Die Basiszone hat üblicherweise eine geringere Störstellendichte, jedoch weist sie mindestens an der Oberfläche ebenfalls einen hohen Dotierungsgrad auf, damit ein Kontakt niederen Widerstands hergestellt werden kann. Ist dies nicht der Fall, so wird vor dem Niederschlagen des Kontaktmaterials in einem weiteren Diffusionsverfahren eine flache P-leitende Diffusionszone zusätzlich geschaffen. Das Diffundieren kann durch öffnungen ungefähr derselben Größe und ungefähr am selben Platz erfolgen wie die Öffnungen 14 und 15, die für die Herstellung der Basiskontakte gebildet worden sind, und vorzugsweise handelt es sich um dieselben öffnungen. Bei integrierten Schaltungen sind besondere Diffusionsschritte zur Erzeugung hoher Oberflächenkonzentrationen im Bereich der Kontakte noch notwendiger. Dies kommt daher, -weil der Kollektorkontakt oben am Halbleiterplättchen in einem Bereich erzeugt wird, bei dem es sich um eine epitaktische Schicht geringer Störstellendichte oder tun die erste Diffusionszone in einem dreifach diffundierten Bereich handeln kann, die üblicherweise eine verhältnismäßig geringe Störstellenkonzentration aufweist, um die beiden folgenden Diffusionsschritte durchführen zu können. Des weiteren wird auch die Basiszone des Transistors oder einer integrierten Schaltung üblicherweise gleichzeitig mit der Bildung durch Diffusion geschaffener Widerstände erzeugt. Da der spezifische Widerstand des Materials, das diese Widerstände bildet, verhältnismäßig hoch sein sollte, muß die Störstellendichte in der Basiszone ziemlich nieder sein. Infolgedessen sollte die Konzentration an Dotierungsstoffen im Bereich des Kollektors, der Basis

to und der Widerstände dort erhöht werden, wo Kontakte angebracht werden müssen.

Die F i g. 6 zeigt eine integrierte Schaltung im Schnitt, die lediglich in einer Ebene Zwischenverbindungen benötigt. Sie ist in einem P-Ieitenden Siliziumplättchen

ts 30 gebildet und umfaßt einen Transistor am linken Ende mit durch Diffusion erzeugtem Kollektor 31. Basis 32 und Emitter 33; es handelt sich dabei um einen NPN-Transistor. Am rechten Ende liegt ein Widerstand in einer Isolierzone 34, wobei der Widerstand selbst durch eine P-leitende Diffusionszone gebildet wird und mit 35 bezeichnet ist. Ehe der zweite Diffusionsschritt zum Einbringen N-leitender Verunreinigungen durchgeführt wird, d. h. vor der Bildung des Emitters 33, wird in eine Isolierschicht 36, die beispielsweise aus

Siliziumoxid bestehen kann, eine Öffnung eingebracht, und zwar an der Stelle, an der der Kollektorkontakt gebildet werden soll; infolgedessen wird gleichzeitig mit dem Emitter 33 ein Diffusionsbereich 37 mit hoher N+-Störstellendichte gebildet. Diffusionsbereiche 38,39 und 42 mit hoher P+-Störstellendichte werden anschließend durch selektives Eindiffundieren von Bor erzeugt, wobei die Isolierschicht 36 als Maske Verwendung finden kann. Dann werden in der Isolierschicht in üblicher Weise mittels einer Fotolackschicht und einem Ätzvorgang Öffnungen geschaffen, und zwar an denjenigen Stellen, an denen Kontakte zum Transistor und zu dem Widerstand hergestellt werden sollen. Schließlich wird in der beschriebenen Weise eine Molybdän-Titan-Schicht 40 aufgebracht und diese von einer Goldschicht 41 überdeckt, worauf diese Schichten selektiv entfernt werden, wodurch das gewünschte Leitungs- und Kontaktmuster entsteht. Der Kollektor 31 ist mit einem Ende 38 des Widerstands durch eine Zwischenverbindung 39 verbunden, die über die Isolierschicht verläuft. Diese Zwischenverbindung hat ebenso wie die übrigen Kontakte und Zwischenverbindungen der integrierten Schaltung eine Schicht 40 aus einer Mischung aus Molybdän und Titan, die an der Isolierschicht 36 und den freiliegenden Oberflächentei len des Halbleiterplättchens 30 festhaftet, sowie darüber eine Goldschicht 41, die ihrerseits fest an der Schicht 40 haftet

Ein besonderes Eindiffundieren von P⁺-Verunreinigungen zur Erzeugung eines niederen Widerstands am Kontakt kann dann unnötig werden, wenn ein äußerst dünner FHm aus Aluminium oder Platin auf die Siliziumoberfläche aufgebracht und im Falle von Platin in diese eingesintert wird, so daß Platinsilicid entsteht, ehe man die Molybdän-Titan-Schächt aufbringt

Die Fig.7 zeigt eine integrierte Schaltung, die Zwischenverbindungen in mehr als eine Ebene benötigt Ein Halbleiterscheibchen 70, das beispielsweise aus Silizium besteht, weist eine Anzahl von in ihm gebildeter fraktioneller Elemente auf. In der Abbildung sind 16 solcher Elemente dargestellt, jedoch könnten es sehr viel mehr sein. Jedes dieser funktionalen Elemente 71 bis 86 enthält eine Anzahl von Transistoren, Widerständen, Kondensatoren u. dgL, die miteinander verbunden

die gewünschte Schaltung ergeben. So kann beispielsweise das funktionell Element 73 die in Fig.9 schematisch und in der Draufsicht in Fig.8 gezeigte Schaltung umfassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um PNP-Transistoren 90 bis 93 und NPN-Transistoren 94 bis 100; außerdem sind drei Eingangsanschlüsse A, B und X sowie ein Ausgangsanschluß G vorgesehen. Diese Anschlüsse sowie ein Spannungszuführungsanschluß V entsprechen den mit den gleichen Buchstaben bezeichneten Anschlüssen in F i g. 7.

Sollen die vier funktionellen Elemente 73, 76, 81 und 86 der insgesamt 16 Elemente 71 bis 86 in einer bestimmten Weise miteinander verbunden werden, damit eine besondere elektrische Schaltung entsteht, wie dies in F i g. 7 dargestellt ist, so werden die Anschlüsse B, D, /und Oder funktioneilen Elemente 73, 76, 81 und 86 untereinander mit Hilfe einer Zwischenverbindung 87 verbunden. In gleicher Weise werden die Anschlüsse V. F, L und R mittels einer Zwischenverbindung 88 und die Anschlüsse X, H, Mund Q mittels einer Zwischenverbindung 89 miteinander verbunden. Wenn man bedenkt, daß schon eine große Anzahl elektrischer Zwischenverbindungen in einer ersten Ebene bestehen, die die verschiedenen Transistoren untereinander und mit anderen Schaltungselementen und Anschlüssen verbinden, so erkennt man, daß die Zwischenverbindungen 87 bis 89 notwendigerweise einige der Zwischenverbindungen der ersten Ebene überkreuzen müssen, wie dies die F i g. 8 erkennen läßt. Aus diesem Grund und da außerdem die Zwischenverbindungen für die funktioneilen Elemente zweckmäßigerweise getrennt von denjenigen für die einzelnen Schaltungselemente erstellt werden, bildet man sie gemäß F i g. 7 in einer zweiten Ebene und legt zwischen sie und die Zwischenverbindüngen der ersten Ebene eine Isolierschicht.

Die Transistoren und andere Schaltelemente können in oder auf den Halbleiterscheibchen 70 in bekannter Weise gebildet werden, beispielsweise in Epitaxialtechnik oder durch Eindiffundieren von Dotierungsstoffen. *o So zeigt die Fig. 10 im Schnitt einen Teil der integrierten Schaltung der F i g. 8 vor dem Aufbringen jeglicher metallischer Zwischenverbindungen. Ein NPN-Transistor 94 umfaßt einen N-leitenden Kollektor, der vom Halbleiterscheibchen selbst gebildet wird, «5 sowie eine durch Diffusion geschaffene, P-leitende Basis UO und einen N-leitenden Emitter 111. Ein Widerstand Z?i wird durch eine P-leitende und durch Diffusion geschaffene Zone 112 gebildet, die man gleichzeitig mit der Basis 110 des Transistors 94 erzeugte. Eine Isolierschicht 113, die beispielsweise aus Siliziumoxid bestehen kann, liegt auf der Oberfläche des Halbleiterscheibchens und ist abgestuft, wie dies die Zeichnung erkennen läßt, '-vas von den aufeinanderfolgenden Diffusionsschritten herrührt Dann werden Öffnungen in der Isolierschicht gebildet, um anschließend die in der ersten Ebene liegenden metallischen Zwischenverbindungen ohmisch an die Halbleiterbauelemente anschließen zu können.

In einem nächsten Schritt wird ein dünner und beispielsweise ungefähr 120 nm dicker Molybdänriun 116 auf der Oberfläche der Isolierschicht 113 niedergeschlagen, der sich an den Öffnungen der Isolierschicht in ohmschem Rontakt mit dem Halbleitermaterial befindet Der Film 116 kann auch aus einer Mischung aus Molybdän und Titan bestehen, jedoch ist die Korrosionsbeständigkeit dieser Mischung für diesen I⁷Om noch nicht erforderlich, da er von einer weiteren Isolierschicht 119 (siehe Fig. 12) abgedeckt und geschützt wird. Zum Niederschlagen des Molybdänfilms können die verschiedensten Verfahren herangezogen werden, wie dies auch anhand der Molybdän-Titan-Schichten schon erläutert worden ist. Auf dem Molybdänfilm wird dann durch irgendeines der bekannten Verfahren eine Goldschicht 117 niedergeschlagen, die beispielsweise 750 nm dick sein kann. An ihrer Stelle können aber auch andere gut leitende Metalle, wie Kupfer vorgesehen werden, das metallurgisch mit Molybdän stabil ist. Auf der Goldschicht wird eine zweite und beispielsweise ungefähr 120 nm dicke Molybdänschicht 118 gebildet, worauf die drei Schichten aus Molybdän, Gold und Molybdän nacheinander in der zuvor beschriebenen Weise geätzt werden, so daß die Zwischenverbindungen der ersten Ebene entstehen; es wird beispielsweise die Zwischenverbindung 104 gebildet, die ohmisch die Basis 114 des Transistors 94 mit dem einen Ende 112 des Widerstands R\ verbindet; eine Zwischenverbindung 101 ist ohmisch mit dem Emitter 111 des Transistors 94 verbunden, während eine Zwischenverbindung 102 ohmisch den Kollektor 70 des Transistors 94 mit dem Spannungszuführungsanschluß V verbindet (siehe F i g. 11). Jede Zwischenverbindung hat also eine untere Schicht aus Molybdän (116), eine Zv/ischenschicht aus Gold (117) und eine obere Schicht aus Molybdän (118).

Durch irgendeines der bekannten Verfahren wird dann eine Isolierschicht 119 beispielsweise aus Siliziumoxid auf die Molybdänschicht 118 aufgebracht, beispielsweise also durch Aufdampfen oder Aufsprühen und anschließend selektiv geätzt, um die Oberfläche der Molybdänschicht 118 lediglich dort freizulegen, wo der Spannungszuführungsanschluß V liegt (siehe Fig. 12). Der Zweck der Isolierschicht 119 ist, die Zwischenverbindungen der beiden Ebenen voneinander elektrisch zu trennen.

Die Isolierschicht kann aber auch aus Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder anderen anorganischen oder organischen Isolierstoffen bestehen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Isolierschicht 119 aus Siliziumoxid gebildet, das mittels HF-Zerstäubung in einer Schichtdicke von ungefähr 2000 nm aufgesprüht wird. Um einen besseren ohmschen Kontakt zwischen den Zwischenverbindungen der beiden Ebenen zu schaffen, wird die oberste Molybdänschicht 118 im Bereich des Spannungszuführungsanschlusses V selektiv abgeätzt, insbesondere mit Hilfe einer Fotolackmaske, so daß der Kontakt unmittelbar zur Goldschicht 117 hergestellt werden kann.

Auf der Isolierschicht 119 wird eine beispielsweise ungefähr 120 nm dicke Molybdän-Titan-Schicht 120 gebildet, und zwar beispielsweise durch Hochfrequenz-Zerstäubung, worauf eine Goldschicht 121 insbesondere aufgedampft wird, deren Dicke zweckmäßigerweise ungefähr 750 nm beträgt Dann werden Goldschicht und Molybdän-Titan-Schicht 121 bzw. 120 selektiv geätzt, um das gewünschte Muster für die Zwischenverbindungen 122 der zweiten Ebene entstehen zu lassen; ein Rontakt zwischen den beiden Ebenen entsteht am Anschluß V zwischen der Goldschächt 117 und der Molybdän-Titan-Schicht 120. Wie bereits erwähnt läßt sich das Gold leicht in einer alkoholischen Lösung aus Jod und Kaliumiodid ätzen, während die Molybdän-Titan-Schicht mittels einer anderen Ätzlösung entfernt wird, nämlich zweckmäßigerweise mit Ralhimferricyanid, das man auch für reines Molybdän verwenden kann. Die oberste Goldschicht 121 haftet gut an der Molybdän-Titan-Schicht 120.

Schließlich kann man einen nach außen führenden Golddraht (nicht dargestellt) beispielsweise durch Anwendung von Druck und Hitze mit der Goldschicht 121 verbinden.

Einer der vielen Vorteile des in Fig. 12 gezeigten Systems ist die extrem gute Haftung des Molybdäns und der Mischung aus Molybdän und Titan (Schichten 118 bzw. 120) an der Isolierschicht 119. Man beobachtet ein verbessertes Haftvermögen, das auf das Titan zurückzuführen ist, wenn man Mischungen aus Molybdän und Titan mit bis zu 3% Titan verwendet. Das letztere erhöht das Haftvermögen des Molybdäns am Siliziumoxid oder an Glasoberflächen infolge der äußerst starken Ti-O-Bindungen, die dabei entstehen, und verbessert die Haftung am Gold durch Ti-Au-Bindungen, die an der Grenzfläche zwischen Gold und dem System Molybdän-Titan entstehen. Sind noch mehr Ebenen von Zwischenverbindungen und Kontakten erforderlich, so können alle bis auf die oberste aus reinem Molybdän bestehen, während diese aus einer Kombination von Molybdän-Titan mit Gold gebildet werden sollte; die oberste Goldschicht hat den Vorteil, daß man leicht nach außen führende Anschlußdrähte anbringen kann. Will man eine Zuleitung unmittelbar an die untere Molybdänschicht heranführen, so kann es zweckmäßig sein, eine Goldschicht lediglich dort auf dem Molybdän zu erzeugen, wo dieses durch eine öffnung der darüberliegenden Isolierschicht freigelegt ist, so daß der Golddraht an die verhältnismäßig kleine Goldschicht angeschlossen werden kann.

Um die großen, durch die Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit zu demonstrieren, sollen im folgenden einige Beispiele zahlenmäßig erfaßt werden:

Bei einem üblichen Wassertropfentest mit einer Spannung von 6 Volt an einer Zahl dünner Leitungen aus. dem zu prüfenden Metall und einem Tropfen einer 10-³-prozentigen Phosphorsäure auf den Leitungen zur Vervollständigung des Stromkreises versagt ein Dreischichten-Metallstreifen aus Molybdän-Gold-Molybdän innerhalb von 20 Sekunden, da die anodisch wirkenden Molybdän-Schichten abgeätzt waren. Ein Dreischichtstreifen mit 80% Molybdän, 20% Titan-Gold-80% Molybdän und 20% Titan hielt mindestens 20 Minuten, ehe die schwer schmelzbare Legierung und das Gold an der Anode abgeätzt waren. Die Auflösung beider Metalle schritt ungefähr mit derselben Geschwindigkeit voran.

Bei der Prüfung der metallurgischen Stabilität wurde ein Metallstreifen aus einer Mischung aus 19% Titan und 81% Molybdän, der ungefähr 10~⁴ mm dick war, mit einer ungefähr 70 μπι dicken Goldschicht versehen und dann auf 600⁰C erhitzt, und zwar während einer Stunde in einer Stickstoffatmosphäre. Der Flächenwiderstand des Streifens betrug am Anfang 0,044 Ohm, jedoch stieg er auf 0,098 Ohm an, was zeigt, wie gering die Reaktion des Titans mit dem Gold ist Bei einem anderen Test mit einem ähnlichen Werkstoff stieg der ursprünglich 0,064 Ohm betragende Flächenwiderstand bei 500° C während eines Zeitraums von 5 Minuten überhaupt nicht. Beide Versuche zeigen also, welch große metallurgische Stabilität das System aufweist.

Die folgenden Beispiele zeigen die Vorteile, die bei der Verwendung einer Mischung aus Wolfram mit Titan erzielt werden: Bei einem üblichen Wassertropfentest mit einer Spannung von 6 Volt an einer Anzahl dünner Leitungen aus dem zu prüfenden Metall und einem Tropfen einer 10-³-prozentigen Phosphorsäure auf den Leitungen zur Vervollständigung des Stromkreises versagt ein Dreischichten-Metallstreifen aus Wolfram-Gold-Wolfram innerhalb von 5 Min., da die oberste Wolframschicht in der Umgebung der Kathode abgeätzt war; die Wasserstoffentwicklung führt zu einer stark alkalisch reagierenden Zone rund um die Kathode. Ein Dreischichtstreifen mit 90% Wolfram und 10% Titan-Gold, 90% Wolfram und 10% Titan hielt mindestens 30 Min, ehe die Goldschicht an der Anode abgeätzt war.

Bei der Prüfung der metallurgischen Stabilität wurde ein Metallstreifen aus einer Mischung aus 18% Titan und 82% Wolfram, der ungefähr 10~⁴ mm dick war, mit einer ungefähr 7 χ 10~³ mm dicken Goldschicht versehen und dann auf 600⁰C erhitzt, und zwar in einer Stickstoffatmosphäre. Der Flächenwiderstand des Streifens betrug am Anfang 0,073 Ohm und fiel nach 10 Min. auf 0,049 Ohm ab; dies ist darauf zurückzuführen, daß das Gold dabei geglüht und entgast wurde. Der Flächenwiderstand betrug auch noch nach 30 Min. 0,049 Ohm. Dieser Test zeigt, daß das Titan der Wolfram-Titan-Mischung nicht in die Goldschicht eindringt, denn wäre dies der Fall, so hätte der Flächenwiderstand des Metallstreifens wegen der Erhöhung des Widerstands der Goldschicht zunehmen müssen.

Bei einem beschleunigten Lebensdauertest für Transistoren wurden eine Reihe von N PN-Transistoren mit unterschiedlichen Kontakt- und Zwischenverbindungssystemen in einen Raum gebracht, der bei 85°C 85% relative Feuchtigkeit aufweis. An die Emitter wurde eine Spannung von +2 Volt gelegt die Basis eines jeden Transistors wurde geerdet und an die Kollektoren wurde eine Spannung von + 6 Volt gelegt Transistoren, deren Kontakte und Zwischenverbindungen aus einer Wolfram- und einer Goldschicht bestanden, waren nach 96 Stunden zu 64% und nach 250 Stunden zu 95% ausgefallen, und zwar aufgrund unterbrochener Kontakte oder Zwischenverbindungsleitungen. Transistoren mit Kontakten und Zwischenverbindungen aus 80% Wolfram und 20% Titan sowie einer Goldschicht waren nach 96 Stunden nur zu 5% und nach 250 Stunden nur 7 a 12^% ausgefallen. Bei den Transistoren, deren Metallschichten aus 97% Wolfram und 3% Chrom sowie einer Goldschicht bestanden, ergab sich nach 96 Stunden nur eine Ausfallrate von 2% und nach 250 Stunden eine solche von 13%.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit metallischen Kontakten und/oder metallischen Verbindungsschichten auf der Halbleiteroberfläche und/oder auf einer Isolierschicht Ober der Halbleiteroberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte bzw. Verbindungsschichten aus einer Mischung aus Molybdän oder Wolfram und einem Modifikator-Metall oder -Metalloid bestehen, das eine größere Korrosionsbeständigkeit als Molybdän bzw. Wolfram aufweist, das in der Lage ist, passivierende Oxidschichten zu bilden und dessen Oxid stabiler als die Oxide des Molybdäns bzw. Wolframs sind. '

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modifikator-Metall bzw. -Metalloid Titan, Tantal, Chrom. Zirkon, Hafnium und/oder Silizium ist

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem Teil der metallischen Verbindungsschicht sich eine Metallschicht höherer elektrischer Leitfähigkeit befindet.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht höherer Leitfähigkeit aus Gold besteht.