DE3032461C2

DE3032461C2 -

Info

Publication number: DE3032461C2
Application number: DE3032461A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr.-Ing. 8000 Muenchen De Patalong; Eberhard F. Dipl.-Phys. Dr. 8023 Pullach De Krimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-08-28
Filing date: 1980-08-28
Publication date: 1989-04-13
Also published as: DE3032461A1; JPS5772322A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Legie rungsbildung von Metallkontaktschichten für Halbleiterbauelemen te auf in (100)-Richtung orientierten Siliziumkristallober flächen.The invention relates to a method for improving the alloy formation of metal contact layers for semiconductor devices te on silicon crystal surface oriented in (100) direction surfaces.

Aus der deutschen Patentschrift 28 25 212 ist ein Verfahren be kannt, bei dem dünne Metallschichten, welche durch Aufdampfen, Zerstäuben, elektrolytische Abscheidung oder Ionenimplantation auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht worden sind, mit einem intensiven kurzen Laserlichtpuls bestrahlt werden und dabei an die Halbleiteroberfläche anlegiert werden. Dabei müssen die Be strahlungsbedingungen so gewählt werden, daß in dem Substrat keine nennenswerte Diffusion stattfindet. Die Pulsdauer der La serlichtpulse liegt deshalb im Nanosekundenbereich. Das bekann te Verfahren ist auf die Herstellung extrem dünner Metallstruk turen, wie sie beispielsweise in der VLSI-Technologie Anwendung finden, beschränkt.From the German patent 28 25 212 is a method knows, with the thin metal layers, which by evaporation, Atomization, electrolytic deposition or ion implantation have been applied to a semiconductor substrate with a intense short laser light pulse are irradiated and on the semiconductor surface are alloyed. The Be radiation conditions are chosen so that in the substrate no significant diffusion takes place. The pulse duration of the La serlichtpulse is therefore in the nanosecond range. That got The process is based on the production of extremely thin metal structures structures such as those used in VLSI technology find limited.

In der Halbleitertechnologie wählt man im allgemeinen die Ober flächen, zum Beispiel für Siliziummaterial, aus dem Bauelemente hergestellt werden sollen, in der Ebene einer bestimmten bevor zugten Kristallorientierung.In semiconductor technology, the waiters are generally chosen surfaces, for example for silicon material, from the components should be made in the plane of a certain one before drawn crystal orientation.

Beispielsweise werden die Thyristoren der Zukunft mit Hilfe in tegrierter Feldeffekttransistoren erzeugte, steuerbare Kurz schlüsse enthalten. Daher wird es notwendig sein, die Leistungs halbleiter- und die MOS-Technik miteinander zu kombinieren. Wäh rend in der Leistungshalbleitertechnik wegen der guten Legier barkeit (111)-orientiertes Silizium verwendet wird, wird in der MOS-Technik vorzugsweise (100)-orientiertes Silizium als Ausgangsmaterial verarbeitet, weil hier andere Kristalleigen schaften erheblich schwerer ins Gewicht fallen.For example, the thyristors of the future will be built using tegrated field effect transistors generated, controllable short conclusions included. Therefore, it will be necessary to the performance to combine semiconductor and MOS technology. Wuh rend in power semiconductor technology because of the good alloy Ability (111) oriented silicon is used in the MOS technology preferably (100) oriented silicon as The raw material is processed because there are other crystals weight considerably heavier.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt ist, daß sich ⟨100⟩- Silizium-Grundmaterial leichter ziehen und homogener dotieren läßt als ⟨111⟩-Silizium. ⟨100⟩-Silizium ist deshalb erheb lich wirtschaftlicher herstellbar. Die Verwendung des ⟨100⟩- Siliziums wäre deshalb auch vorteilhafter für die Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen.Another important aspect is that ⟨100⟩- Draw silicon base material more easily and dope more homogeneously leaves as ⟨111⟩ silicon. ⟨100⟩ silicon is therefore significant producible more economically. Using the ⟨100⟩- Silicon would therefore also be more advantageous for production of power semiconductor components.

Der Einsatz von ⟨100⟩-orientiertem Silizium zur Herstellung von Thyristoren stößt jedoch bei der Legierung zwischen Metall schichten und Silizium auf Schwierigkeiten. Die Aluminium-Sili zium-Legierung erfolgt in ⟨100⟩-orientierten Silizium-Ober flächen sehr ungleichmäßig, so daß die negative Sperrfähigkeit sehr mangelhaft ist.The use of ⟨100⟩ oriented silicon for manufacturing of thyristors, however, collides between metals in the alloy layers and silicon on difficulty. The aluminum silos zium alloy is made in ⟨100⟩ oriented silicon upper surfaces very unevenly, so that the negative blocking ability is very poor.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht deshalb darin, die Legierungsbildung von Metallkontaktschichten auf ⟨100⟩-orientierten Siliziumkristallscheiben zur Herstellung von Thyristoren gegenüber dem Kontaktmetall zu verbessern.The object on which the invention is based is therefore in the alloying of metal contact layers ⟨100⟩ oriented silicon crystal wafers for manufacturing of thyristors over the contact metal.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßThis object is achieved in that

a) the one intended for the application of the metal contact layer Area of the crystal surface with a dense sequence intense laser light pulses are scanned so that one with polycrystalline upper with many dislocation lines surface layer arises and
b) then the metal contact layer is applied thereon and is alloyed.

Als Kontaktmetallschicht wird Aluminium, welches vorzugsweise in Form einer Folie aufgepreßt wird, verwendet.Aluminum, which is preferred, is used as the contact metal layer is pressed on in the form of a film, used.

Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird ein Nd:YAG-Pulslaser mit einer Wellen länge von 1,06 µm, einer Pulsdauer von 0,5 µs und einer Leistung im Bereich von 50 Watt verwendet, das Lichtstrahlenbündel des Lasers auf einen Durchmesser von 50 µm fokussiert und der für die Kontaktierung vorgesehene Bereich der Kristalloberfläche mit einer Pulsfrequenz von 4 kHz durch dichtes Nebeneinander setzen der Einzelstrahlenbündelquerschnitte abgerastert. Die gesamte Bestrahlungszeit für eine etwa 7,5 cm große (100)- orientierte Siliziumkristallscheibe beträgt für dieses Beispiel ca. 1 Minute.According to a particularly favorable embodiment according to the The teaching of the invention is a Nd: YAG pulse laser with a wave length of 1.06 µm, a pulse duration of 0.5 µs and a power used in the range of 50 watts, the light beam of the Lasers focused on a diameter of 50 microns and for the contact area provided for the crystal surface with a pulse frequency of 4 kHz due to close juxtaposition set the individual beam cross-sections scanned. The total irradiation time for a 7.5 cm (100) - oriented silicon crystal wafer is for this example about 1 minute.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung läßt sich folgender maßen erklären:The method according to the teaching of the invention can be as follows explain dimensions:

Wird eine Siliziumoberfläche mit einem kurzen Laser-Lichtpuls oberhalb einer kritischen Intensität I _kr bestrahlt, so verdampft von der bestrahlten Oberflächenstelle etwas Silizium. Dadurch entsteht ein kleiner Krater vom Durchmesser des Laserstrahlbün dels. Beim Abkühlen dieser Stelle bildet sich insbesondere an den Kraterrändern eine mit vielen Versetzungslinien durchwachse ne polykristalline Oberflächenschicht. Wird die kritische In tentität I _kr nicht allzusehr überschritten, bleibt das Vernet zungsliniennetzwerk auf diese Oberflächenschicht begrenzt.If a silicon surface is irradiated with a short laser light pulse above a critical intensity I _kr , some silicon evaporates from the irradiated surface location. This creates a small crater with the diameter of the laser beam. When this point cools down, a polycrystalline surface layer that grows through with many dislocation lines is formed, in particular at the crater edges. If the critical intensity I _{kr is} not exceeded too much, the network of network lines remains limited to this surface layer.

Das dichte Versetzungsliniennetzwerk und die verschiedenen Orientierungen der Kristallite der polykristallinen Oberflächenschicht begünstigen des Anlösen des Silizium durch das Aluminium und das auch bei ⟨100⟩-orientierten Siliziumscheiben, so daß sich eine gleichmäßig dünne Oberflächen-Aluminium-Silizium-Legierungsschicht aus bildet.The dense dislocation network and the various Orientations of the crystallites of the polycrystalline Surface layer favor the dissolution of the silicon through the aluminum and that also with ⟨100⟩-oriented Silicon wafers so that there is an evenly thin Surface aluminum-silicon alloy layer forms.

Elektronenstrahlbeugungsdiagramme in Reflexion zeigen von der unbestrahlten, geläppten Scheibenrückseite das Kikuchi-Diagramm einer perfekten einkristallinen Ober flächenschicht. Nach dem Laserbestrahlen an Luft werden diffuse Debye-Scherrer-Ringe sichtbar, die auf eine dünne, nicht notwendigerweise stöchiometrische Oxidschicht hin weisen. Diese Oxidschicht ist ca. 30 nm dick. Nach dem Abätzen mit Flußsäure erscheinen einzelne Bragg-Reflexe überlagert mit einem Debye-Scherrer-Ringsystem, das von polykristallinen Oberflächenbereichen stammt. Die Krater böden dürften einkristallin sein, während die Krater ränder polykristalline Struktur besitzen. Demnach ist das Verfahren umso wirkungsvoller, je feiner das Laserlicht strahlenbündel fokussiert ist und je dichter die einzelnen Bestrahlungsflecke liegen. Im Gegensatz zu dem in der deutschen Patentschrift 28 25 212 beschriebenen Verfahren zum Anlegieren extrem dünner Strukturen ist das er findungsgemäße Verfahren insbesondere zum Herstellung dickerer Legierungsschichten geeignet.Reflection electron beam diffraction diagrams from the unirradiated, lapped rear of the window Kikuchi diagram of a perfect monocrystalline upper surface layer. After laser irradiation in air diffuse Debye-Scherrer rings visible on a thin, not necessarily stoichiometric oxide layer point. This oxide layer is approximately 30 nm thick. After this Individual Bragg reflections appear when etched with hydrofluoric acid overlaid with a Debye-Scherrer ring system by polycrystalline surface areas. The craters Soil should be single crystal while the crater edges have polycrystalline structure. So that's it The finer the laser light, the more effective the process beam is focused and the denser the individual There are radiation spots. In contrast to that in the German Patent 28 25 212 described method for the application of extremely thin structures it is Processes according to the invention, in particular for production thicker alloy layers.

Im folgenden sollen anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 bis 4 die einzelnen Verfahrensschritte schematisch dargestellt und noch kurz erläutert werden. Dabei gelten in den Figuren für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen.The individual method steps are to be schematically illustrated and briefly explained below using an exemplary embodiment and FIGS. 1 to 4. The same reference numerals apply to the same parts in the figures.

Eine Siliziumkristallscheibe 1 mit einer in ⟨100⟩-Richtung orientierten Oberfläche wird, wie in Fig. 1 dargestellt, mit scharf fokussiertem, intensiven Laserlichtpulsen 2 abrasternd bestrahlt, so daß Verdampfungskrater mit einer dünnen Oberflächenschicht 3 aus ausgedehnten Versetzungs liniennetzwerken mit Polykristallen entstehen, die der nachfolgenden Legierung keinen Widerstand mehr entgegen setzen.A silicon crystal wafer 1 with a surface oriented in the ⟨100⟩ direction is, as shown in FIG. 1, scanned with sharply focused, intense laser light pulses 2 , so that evaporation craters with a thin surface layer 3 are formed from extensive dislocation line networks with polycrystals no further resistance to the following alloy.

Auf diese gestörte Oberflächenschicht 3 wird, wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, eine Aluminium-Schicht 4 durch Aufdampfen, Zerstäuben, elektrolytische Abscheidung oder durch Anpressen einer Folie aufgebracht und in den Halb leiterkörper 1 einlegiert. Dabei bildet sich zunächst auf der Siliziumkristallscheibe 1 eine Aluminium-Sili zium-Schmelze 14 (siehe Fig. 3), welche bei der Ab kühlung in ein Aluminium-Silizium-Eutetikum 24 und eine p-leitende Siliziumschicht 5 übergeht (siehe Fig. 4).On this disturbed surface layer 3 , as can be seen from FIG. 2, an aluminum layer 4 is applied by vapor deposition, sputtering, electrolytic deposition or by pressing on a foil and alloyed into the semiconductor body 1 . An aluminum-silicon melt 14 (see FIG. 3) is initially formed on the silicon crystal wafer 1 , which merges with cooling into an aluminum-silicon eutetic 24 and a p-type silicon layer 5 (see FIG. 4) .

Nach der Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung wurden in bezug auf die elektrischen Parameter folgende Ergebnisse erzielt:After performing the procedure according to the teaching of Invention have been made in terms of electrical parameters achieved the following results:

Es wurden Thyristoren, welche mittels integrierter Feld effekttransistoren erzeugte steuerbare Kurzschlüsse ent halten, aus ⟨100⟩-Silizium hergestellt. Ein Teil der ⟨100⟩-orientierten Silizium-Scheiben wurden vor der Legierung der erfindungsgemäßen Laserbehandlung unter zogen. Die Häufigkeit der gemessenen Sperrfähigkeit U _R/V in negativer Richtung ist aus den Fig. 5 und 6 er sichtlich. Die Sperrfähigkeit ist bei den unbehandelten Scheiben (siehe Fig. 5), wie auch in früheren Versuchen schon festgestellt wurde, schlecht. Bei den laserbe handelten Scheiben (siehe Fig. 6) dagegen ist die nega tive Sperrfähigkeit grundlegend verbessert und erreicht die Sperrfähigkeit von Thyristoren aus ⟨111⟩-orientierten Silizium. Damit ist gezeigt, daß auch ⟨100⟩-orientiertes Silizium mit Aluminium legierbar ist, wenn die zu legieren de Fläche vorher eine dementsprechende Laserbehandlung erfährt. An den Laser selbst werden dabei keine beson deren Güteanforderungen gestellt.Thyristors, which contain controllable short circuits generated by means of integrated field effect transistors, were made from ⟨100⟩ silicon. Some of the ⟨100⟩-oriented silicon wafers were subjected to the laser treatment according to the invention before alloying. The frequency of the measured blocking capability U _R / V in the negative direction is evident from FIGS . 5 and 6. The blocking ability is poor in the untreated disks (see FIG. 5), as has also been established in previous experiments. In the laser treated disks (see Fig. 6), however, the negative blocking ability is fundamentally improved and reaches the blocking ability of thyristors made of ⟨111⟩-oriented silicon. This shows that even ⟨100⟩-oriented silicon can be alloyed with aluminum if the surface to be alloyed is previously subjected to a corresponding laser treatment. No special quality requirements are imposed on the laser itself.

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, die MOS-Technologie und die Bipolar- Technologie besser zu integrieren.By the method according to the teaching of the invention Given the opportunity to use MOS technology and bipolar Integrate technology better.

Claims

1. A method for improving the alloy formation of metal contact layers ( 4 ) for semiconductor components on in (100) direction oriented silicon crystal surface ( 1 ), characterized in that

a) provided for the application of the metal contact layer (4) of the crystal surface intense with a dense sequence of laser light pulses (2) rasterizes so abge that a host of dislocation lines by grown polycrystalline surface layer (3) is formed and
b) the metal contact layer ( 4 ) is then applied and alloyed thereon.

2. The method according to claim 1, characterized in that an Nd: YAG pulse laser with a wavelength λ of 1.06 µm, a pulse duration of 0.5 µs and a power in the range of 50 W is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized that the light rays bundle of the laser to a diameter of 50 µm focused and the area of the crystal surface intended for contacting with a pulse frequency of 4 kHz by placing the Single beam cross sections are scanned.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that aluminum is used as contact metal layer ( 4 ), preferably in the form of a film which is pressed on.

5. Application of the method according to claim 1 to 4 in the Manufacture of thyristors using integrated Field effect transistors generated controllable short circuits contain.