DE2125643C2

DE2125643C2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2125643C2
Application number: DE2125643A
Authority: DE
Inventors: Harshad J. Wappingers Falls N.Y. Bhatt
Original assignee: Fujitsu Services Ltd
Current assignee: Fujitsu Services Ltd
Priority date: 1970-05-26
Filing date: 1971-05-24
Publication date: 1983-08-04
Also published as: US3631304A; DE2125643A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

AusderUS-PS35 10 728 sind Halbleiterbauelemente aus Silizium bekannt, die in der Weise hergestellt werden, daß ausschließlich Aluminium für die Verbindungen zwischen Halbleiterschaltungselementen verwende: wird, welche sich auf einem einzigen Substrat befin- so den. Das hierbei angewendete Verfahren besteht darin, daß z. B. durch Aufdampfen eine dünne, filmartige Schicht aus Aluminium auf ein oxidiertes Substrat aus Silizium aufgebracht wird, das mehrere Zonen mit entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, um die durch diese Zonen mit entgegengesetzter Leitfähigkeit gebildeten Halbleiterschaltungselemente so miteinander zu verbinden, daß die gewünschte Schaltung entsteht. Die Verwendung von Aluminium in Form dünner filmartiger leitfähiger Streifen zum Herstellen der genannten Verbindungen wird bis jetzt von den Herstellern von Siliziumhalbleiterbauelementen für sehr zweckmäßig gehalten, da das Aluminium einen guten ohmschen Kontakt mit den im Silizumhalbleitersubstrat angeordneten Zonen vom N-Typ bzw. vom P-Typ ergibt.

Wenn man Aluminium in Form dünner filmartiger leitfähiger Streifen verwendet, um Halbleiterbauelemente miteinander zu verbinden, zeigt es sich jedoch, daß die so hergestellten Halbleiterbauelemente nicht in jedem Fall zuverlässig arbeiten und daß sie in vielen Fallen.nur eine kurze Lebensdauer erreichen. Unter bestimmten Bedingungen bezüglich^der Temperatur, der geometrischen Gestalt und der ,Stromstärke in den Aluminiumstreifen^: ist !zu beachten,' «fajT' das Aluminium, aus dem · sich'.die dünnen filmartigen Streifen zusammensetzen, wandert, so daß innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne Unterbrechungen in den dünnen filmartigen leitiShigen Streifen entstehen, die zum Versagen der aus verschiedenen Halbleiterschaltungselementen gebildeten Halbleiterbauelementen führen. Um diese Schwierigkeiten vollständig auszuschalten, sind manche Hersteller dazu übergegangen, kein Aluminium mehr zu verwenden und mit anderen Metallen zu arbeiten. Andererseits ist es jedoch sehr erwünscht, bei Halbleiterbauelementen zum Herstellen der Verbindungen Aluminium zu verwenden; da *ßs Aluminium nur geringe Kosten verursacht, eine gute Leitfähigkeit besitzt, auf hervorragende Weise geeignet ist, einen ohmschen Kontakt herbeizuführen, und sein Verhalten beim Herstellen von Überzügen gut bekannt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es. Halbleiterbauelemente der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß sie gegen die elektrische Wanderung in hohem Maße widerstandsfähig sind, so daß sich eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer der Halbleiterbauelemente ergibt.

Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauelemente sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäßen dünnen Filme aus einer Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung bieten im Vergleich zu Filmen aus Aluminium entscheidende Vorteile. Im Vergleich zu einem im wesentlichen aus reinem Aluminium bestehenden Film führt die Verwendung eines Films aus einer Aluminium-AIuminiumoxid-Legierung zu einer sehr erheblichen Verbesserung des Widerstandes gegen die beschriebene elektrische Wanderung.

Man kann verschiedene Verfahren anwenden, um gemäß der Erfindung ein Halbleiterbauelement mit einem Leiter aus einer Legierung der genannten Art herzustellen.

In einem bestimmten Fall wurde ein Aufdampfverfahren angewendet, bei dem die gewünschte Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung auf eine oxidierte Fläche aufgedampft wurde, die auf ainem Siliziumhalbleitersubstrat angeordnet war. Die Legierung wurde auf chs oxidierte Halbleitersubstrat aufgedampft, um auf ihr einen leitfähigen Streifen zu erzeugen und einen elektrischen Kontakt mit Zonen von unterschiedlichem Leitfähigkeitslyp herzustellen, die auf dem Halbleitersubstrat vorhanden waren. Bei dem Aufdampfvorgang, der mit Hilfe bekannter Widerstandsheizverfahren durchgeführt wurde, wurde ein Behälter aus Wolfram, der Teile aus Aluminium hoher Reinheit enthielt, soweit erhitzt, daß das Aluminium zum Verdampfen gebracht wurde, Der Behälter, in dem der Aufdampfvorgang durchgeführt wurde, wurde vor dem Aufdampfen unter einem Druck von 0,54 · 10~³ Pa gehalten. Als Sauerstoffquelle dienende Luft konnte in den Behälter in der Weise einströmen, daß in dem Behälter während des Aufdampfens des Metalls ein konstanter Druck von 10,8 · 10~³ Pa aufrechterhalten wurde. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel betrug die Tempe-

ratur des Substrats 105° C, und der aufgedampfte Film' hatte eine Stärke von 1250 nm. Die in die Aufdampfungsvorrichtung eintretende Luft ermöglichte es hierbei, auf'dem oxidierten Halbleitersubstrat einen Film aus einer Alummmm-Aluminiurriöxid-Legiening niederzuschlagen.

Ein anderes Aufdampfverfahren zum Aufbringen einer Schicht aus Aluminium-Ahirniniumoxid-Legierung besteht darin, daß man Aluminiumteilchen oder Pulverteilchen, die mit Aluminiumoxid überzogen sind, verwendet Diese Teilchen oder Pulver werden in einen Verdampfungsbehälter eingebracht und mit Hilfe des Widerstandsheizverfahrens auf ein oxidiertes Halbleitersubstrat aufgedampft. Hierbei handelt es sich um ein direktes Aufdampfverfahren, bei dem mit hohem Vakuum gearbeitet wird. Das Aluminium-Aluminiumoxid-Material in Form von gesinterten Aluminiumpulvern gehört zu derGruppe der durch einen Dispersionsvorgang verfestigten Legierungen, die eine hohe mechanische Festigkeit auch bei Temperatüren aufweisen, welche sich aem Schmelzpunkt von Aluminium (etwa 660° C) nähern. ' _

Alternativ kann man eine scheibenförmige hangelektrode oder einen Stab aus der Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung in der nachstehend beschriebenen Weise herstellen. Die pulverförmigen gesinterten Aluminiummaterialien werden im kalten Zustand verdichtet, im Vakuum gesintert, im heißen Zustand gepreßt und dann im heißen Zustand extrudiert. Um die gewünschte Scheiben- oder Stabform zu erhalten, wird das Material im heißen Zustand gewalzt, um dem extrudierten Stab die gewünschte Dicke und Form zu verleihen, damit das MaU,ial aufgedampft oder zerstäubt werden kann.

Ein weiteres Aufdampfverfahren zum Niederschlagen der Aluminium-Aluminiumoxid"? egierung auf einem oxidierten Halbleitersubstrat besteht darin, daß Aluminium und Aluminiumoxid gleichzeitig mit Hilfe zweier getrennter Tiegel verdampft und auf der oxidierten Oberfläche des Substrats niedergeschlagen werden.

Eine ander Möglichkeit besteht darin, die Legierung nicht zu verdampfen, sondern sie zu zerstäuben. Um die Legierung direkt auf ein oxidiertes Halbleitersubstrat aufzustäuben, kann man sowohl Gleichstrom als auch Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren anwenden. Letzteres hat sich nicht nur bei dielektrischen Filmen, sondern auch beim Niederschlagen von Metallfilmun auf einem Substrat in einem größeren Ausmaß eingeführt, da sich hierbei der Ablagerungsvorgang sehr gut steuern läßt und gleichmäßige filmartige Schichten erzeugen lassen. Bei der Anwendung dieses Verfahrens wurde eine Fangelektrode mit einer Dicke von etwa 0,5 bis etwa 0,75 mm und einem Durchmesser von etwa 125 mm in Form einer Scheibe aus einem Stab in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt. Diese Fangelektrode wurde in einer Hochfrequenz-Zerstäubungsvorrichtung angeordnet und als Kathode benutzt. Während des Hochfrequenz-Zerstäubungsvorgangs wurden in die Vorrichtung Argonatome eingeführt und ionisiert. Diese ionisierten Argonatome wurden beschleunigt, so daß sie auf die Fangelektrode aus der Aluminium-Aluminiurnoxid-Legierung auftrafen, um Zi₁J bewirken, daß Teilchen aus dieser Legierung von der'Fangelektrode aus zerstäubt wurden und sich auf einer Anode niederschlugen, die mehrere Halbleitersubstrate umfaßte. Auf diese Weise wurde der mit Hilfe des Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahrens erzeugte Legierungsfilm auf dem Halbleitersubstrat bis zur gewünschten Dicke niedergeschlagen, wobei sich die Dicke des Niederschlags in der üblichen Weise nach der Dauer deis Zerstäubüngsvorgangs und der Ablagerungsgeschwindigkeit richtete.

Der verbesserte Widerstand gegen die elektrische Wanderurig, die mit vorliegender Erfindung erzielt wird, ergibt sich aus nachstehender Tabellen

Ergebnisse der Versuche über elektrische Wanderung A) Reines Aluminium, ;

Filmdicke= 1500 nm . ;

Stromdichte = I X 10« A/cm2 Abmessungen des .leitenden Streifens: 3,55 mm lang, 0,01 mpa breit Ofentemperatur= 150° C

Pröbe-	Zeit bis zum	Mittlere Zeit	Mittlere Zeit
streifen-	*Versagen )**	bis zum	für idle Proben
20 nummer		Versagen
	Stunden	Stunden	Stunden

über 17 unter 29

über 29 unter 43

über 50 unter 64

23 23 36

57

35

B) Aluminium + Sauerstoff (Luft)

Herstellung des Streifens durch Aufdampfen von Aluminium bei geregeltem Eindringen von Luft. Filmdicke = 1 250 nm Stromdichte, Abmessungen des Streifens und Ofentemperatur wie unter A).

Versuchsreihe 1

Probestreifen-	Zeit	Mittlere Zeit	Mittlere Zeit
nummer	bis zum	bis zum	für alle
	Versagen·)	Versagen	Proben
	Stunden	Stunden	Stunden

über 217 unter 232

über 450 unter 460

über 552 unter 569

über 617 unter 620

über 666 unter 672

über 696 unter 711

über 720 unter 734

über 744 unter 783

225 455 560 618 669 703 727 763

590

*) Versagen des Streifens durch Stromkreisunterbrechurig

Versuchsreihe 2 Fortsetzung

Probestreifen	Zeit	-Mittlere Zeit	Mittlere Zeit
nummer	bis'zum	bis zum	für alle
	Versagen*)	Versagen	Proben
	Stunden	' Stunden	Stunden

7
8
9

über 97 unter ] 12

über 161 unter 170

über 257 unter 265

über 286 unter 307

über 425 unter 429

über 509 unter 521

552 kV. 552 kV. 552 kV.

104

165

261

296

427

515

k.V. = kein Versagen

Versuchsreihe 3

Stromdichte = 1,5 X 10⁶ A/cm² Filmdicke wie unter B); Streifenabmessungen und Ofentemperatur wie unter A).

Probestreifen	Zeit	Mittlere Zeit	Mittlere Zeit
nummer	bis zum	bis zum	für alle
	Versagen*)	Versagen	Proben
	Stunden	Stunden	Stunden

1
2
3
4

über	30
unter	43
über	46
unter	50
über	240
unter	281
über	362
unter	379

36

48

260

370

178

Ve'suchsreihe 4 — Stromdichte, Parameter und Bedingungen wie bei Versuchsreihe

Probestriifen-	Zeit	*)	Mittlere Zeit	Mittlere Zeit
nummer	bis zum		bis zum	für alle
	Versagen	Versagen	Proben
	Stunden	Stunden	Stunden

76

über unter

2 über unter

3 über unter 112

4 über 118 urter 161

*) Versagen des Streifen* -'urch Stromkreisunterbrechung

94 97 97

82

95

110

139

. ■ " ■ Probestreifen	Zeit	Mittlere Zeit	Mittlere Zeit
nummer	bis zum .	bis zum	für alle
	Versagen*)	Versagen	Proben
	Stunden "."	Stunden	Stunden

5 über 193

unter 209

«° 6 über 193

unter 209

7 über 209

unter 212

8 über 209

unter 212

9 über 221

unter 233

10 über 257
unter 265

11 über 286
unter 331

12 über 286
unter 331

13 über 286
unter 331

14 über 286
unter 331

*) Versagen des Streifens durch Siromkreisunterbrechung

201

210

227

261

308

212

Vergleicht man gemäß der ersten Tabelle die bei A angegebenen Ergebnisse für reines Aluminium und die bei B angegebenen Ergebnisse für eine Aluminium-Aluminiumoxid-Legicrung, erkennt man, daß die Verwendung von streifenlbrmigen Dünnfilmleiter aus einer Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung zu sehr erheblichen Verbesserungen bezüglich der Lebensdauer der streifenformigen Leiter führt. Diese erhebliche Verbesserung, die aus den unter B angegebenen werten ersichtlich ist, wirkt noch überraschender, wenn man bedenkt, daß der Abschnitt B Filme betrifft, die mit einer Stärke von 1250 nm dünntr sind als die unter A genannten Filme, deren Stärke 1500 nm beträgt. In der US-Patentschrift 34 74 530 wird festgestellt, daß Filme von größerer Dicke eine längere Lebensdauer erreichen. Bei den in den Abschnitten A und B

so genannten Bedingungen bezüglich der Stromstärke und der Temperatur handelt es sich nicht um die gebräuchlichen Betriebsbedingungen, doch ist es zur Erzielung von Informationen über die zu erwartende Lebensdauer möglich, die Untersuchung zu beschleunigen, indem nx. η mit stärkeren Strömen und höheren Temperaturen arbeitet, wobei man ebenfalls eine genaue Anzeige der nutzbaren Lebensdauer von Halbleiterbauelementen mit Leitern aus dünnen filmartigen Streifen erhält. Die im Abschnitt B angegebenen Versuchsreihen 3 und 4 wurden bei Stromstärken durchgeführt, die um das l,5fache hoher waren als die Stromstärken, mit denen gemäß dem Abschnilt A gearbeitet wurde. Da die Lebensdauer der Streifen in einer direkten Beziehung zur Stärke des hindurchfließenden Stroms steht, ist die Tatsache, daß gemäß den Versuchsreihen 3 und 4 die mittlere Lebensdauer der Streifen immer noch erheblich langer ist als die mittlere Lebensdauer der im Abschnitt A behandelten Streifen aus AIu-

minium, von sehr großer Bedeutung, wenn man berücksichtigt, daß bei den Versuchsreihen 3 und 4 gemäß dem Abschnitt B im Vergleich zu dem Abschnitt A mit um 50% höheren Stromstärken gearbeitet wurde.

Außerdem ist zu bemerken, daß die im Abschnitt A genannten Probestreifen nach dem Niederschlagen des Aluminiums einer Glühbehandlung unterzogen wurden. Diese Glühbehandlung fuhrt zu einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Streifen gegen die elektrische Wanderung, so daß sich auch die Lebensdauer verlängert. Bei den im Abschnitt B genannten Streifen wurde keine Glühbehandlung durchgeführt, die zu einer weiteren Verlängerung der Lebensdauer geführt haben würde.

Im Gegensatz zu einer Aluminium-Kupfer-Legierung, die in der Veröffentlichung IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 12, Nr. 10, März 1970, S. 1544, beschrieben ist und von der festgestellt wurde, daß sie gegen die elektrische Wanderung widerstandsfähiger ist ais Aluminium, ist zu bemerken, daß die Aluminium-Aluminiumoxid-Legierungen nicht korrodieren, daß sie auf erheblich höhere Temperaturen erhitzt werden können, ohne daß der Film zerstört wird, daß das Material nicht so leicht wie eine Aluminium-Kupfer-Legierung in das Substrat aus Silizium eindringt, daß keine Schwächung durch Spannungskorrosionsrisse hervorgerufen wird, daß keine Verdichtung der Halbleiterübergänge stattfindet, wie sie möglich ist, wenn Kupfer aus Aluminium-Kupfer-Legierung in das Silizium hinein diffundiert, daß die erfindungsgemäßen Legierungen stabiler sind als Aluminium-Kupfer-Legierungen, da das Aluminiumoxid ein nicht löslicher Niederschlag ist und unter dem Einfluß der verschiedenen Temperaturen nicht in die feste Lösung hinein ausgefallt wird, während Kupfer in Aluminium löslich ist, und daß daher Kupfer aus der festen Aluminium-Kupfer-Lösung ausgefällt wird, so daß ein unstabiler Film entsteht, und daß diese Erscheinung bei den erfindungsgemäßen Legierungen vermieden ist. Die Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung kann bei höheren Temperaturen einer Wärmebehandlung unterzogen werden als Aluminium oder eine Aluminium-Kupfer-Legierung, ohne daß der Film geschädigt wird. Dies ist bei bestimmten Arbeitsschritten während der Herstellung von Halbleiterbauelementen von sehr großer Bedeutung, da es erforderlich sein kann, eine Wärmebehandlung oder eine Glühung oder eine Sinterung durchzuführen. Beispielsweise kann es beim Herstellen von Bauelementen mit Feldeffekttransistoren erforderlich sein, nach der Herstellung der Feldeffekttransistoren eine Glühung durchzuführen, um die Oberflächeneigenschaften der Kanalzone besser zu beherrschen, die sich zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone eines Feldeffekttransistors erstreckt. Diese Wärmebehandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur über 500° C durchgeführt. Da Aluminium allein ebenso wie eine Aluminium-Kupfer-Legierung zwischen 550° C und 660° C zu schmelzen beginnt, wobei die Schmelztemperatur einer Aluminium-Kupfer-Legierung sogar noch niedri ger ist als diejenige von Aluminium, ist die Verwendung von Aluminium oder Aluminium-Krpfer in den Fällen unerwünscht, in denen eine Wärmebehandlung in der Nähe des Schmelzpunktes von Aluminium und/oder eine Glühung während einer längeren Zeit durch geführt werden muß.

Bei einer weiteren Ausführungsform wurde ein leitfähiger Film aus einer Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung, der nach dem Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht worden war, 3ü min lang einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 600° C unterzogen, wobei festgestellt wurde, daß keine Schädigung oder Zerstörung des Films eingetreten war. Um einen Vergleich zu ermöglichen, sei erwähnt, daß ein auf ein Halbleiter substrat aufgedampfter Film aus reinem Aluminium im gleichen Ofen ebenfalls 30 min lang einer Wärmebehandlung bei 600° C unterzogen wurde und daß diese Erhitzung zu einer erheblichen Veränderung des Films führte. Die Möglichkeit, daß ein leitfähiger Film aus einer Aluminium-Aluminiumoxid-Legierung einer Wärmebehandlung unterzogen wird und daß der Film hierbei auch dann stabil bleibt, wenn sich die Temperatur der Schmelztemperatur von Aluminium nähert, ist für alle Hersteller von mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Halbleiterbauelementen von größter Bedeutung, denn im Hinblick auf diese Möglichkeit könnte man solche Streifen oder Filme auf eine solche Weise herstellen, daS sie normalerweise während des Glühens oder einer anderen Wärmebehandlung in einem geringeren Ausmaß in das Substrat aus Silizium eindringen. Da in der Halbleiterindustrie die Tendenz besteht, mit einer geringeren Diffusionstiefe zu arbeiten, wie es bei mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Bauelementen erforderlich ist, liegt es auf der Hand, wie wichtig die Möglichkeit ist, eine Legierung zu einem dünnen Film zu verarbeiten, dessen Material nicht tief in eine dünne DifTusionszone eines Halbleiters eindringt, so daß ein Kurzschluß durch die DifTusionszone hindurch zu einem anderen Bereich vom entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyp entsteht, der hinter der dünnen Diffusionszone liegt.

Claims

Patentansprüche: :.

1. Halbleiterbauelement mit einem Substrat, das Bereiche aufweist, welche einen Leiter, der in Form eines dünnen, Aluminium enthaltenden Filmes ausgebildet ist, elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einer Legierung aus Aluminium und Aluminiumoxid besteht.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumoxidgehalt im Bereich von 0,01% bis 17% liegL

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminium/Aluminiumoxid-Leiter eine Dicke im Bereich von mehreren zehn bis etwa 2000 nm besitzt.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminium/Aluminiumoxid-Leiter eine Breite von 5 bis ΙΟμπι besitzt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat, auf dem der Aluminium enthaltende Film ausgebildet werden soll, in eine Verdampfungskammer eingeführt wird und bei dem Aluminium in der Verdampfungskammer verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff in gesteuerter Weise in die Verdampfungskammer eingeführt wird und daß Aluminium bei Vorhandensein von Sauerstoff verdampft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verdampfen des Aluminiums in der Verdampfungskammer ein Druck von 0,54 · IO-³ Pa herrscht und daß während des Verdampfens Luft auf geregelte Weise in die Verdampfungskammer einströmt, so daß während des Verdampfens des Alumiums ein konstanter Druck von 10,8- 1O^-3Pa in der Verdampfungskammer aufrechterhalten wird.