Beschreibung

Titel

Elektronisches Bauteil

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 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.

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 350 ⁰ C 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.

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 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.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

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.

„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 t _L bei gegebener Betriebstemperatur unter einer kritischen Schwelle c _max (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 t _L treffen:

, wobei erf() für das Gaußsche Fehlerintegral steht.

Für das Beispiel c _max = 0,1 Atomprozent ergibt sich für Schichtdicke, Diffusionskoeffϊzient und Lebensdauer ein Verhältnis von:

, ^d >4,38

Nimmt man beispielsweise weiter eine Lebensdauer t _L = 1000h und eine Schichtdicke d = lOnm an, ergibt sich für den Diffusionskoeffizient D des Metalls in der Diffusionssperrschicht:

D<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.

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.

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. 700 ⁰ C eignen.

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.

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.

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.

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 S1 ₃ N ₄ als Material für die Schutzschicht. Die Schutzschicht wird insbesondere bei der Anwendung in korrosiver Umgebung und/oder bei hohen Temperaturen eingesetzt.

Bevorzugtes Material für die elektrische Isolationsschicht ist z.B. S1 ₃ N ₄ . Wenn das Material der elektrischen Isolationsschicht S1 ₃ N ₄ 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.

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.

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 NH ₃ , HC, H ₂ , CO und NO _x 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt exemplarisch einen Schichtaufbau einer Gate-Elektrode eines Halbleitertransistors.

Ausführungsformen der Erfindung

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 700 ⁰ C. Somit können derartige Bauelemente auch bei Hochtemperaturanwendungen, z.B. zur Gas- sensorik in Abgasströmen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

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. SIsN ₄ . Die Dicke der elektrischen Isolationsschicht 5 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 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 S1 ₃ N ₄ 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) Si ₃ N ₄ -Schicht ist.

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.

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.

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.

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.

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 S1 ₃ N ₄ sehr geringe Grenzflächenzustandsdichten. Da sich S1 ₃ N ₄ jedoch nicht als Diffusionsbarriere ist eine zusätzliche Diffusionssperrschicht 7 erforderlich.

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.

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.

Die Dicke der metallischen Schicht 9 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 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.

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.

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.

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.