DD239692A1 - Verfahren zur herstellung von metall-silicium-kontakten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Silizium-Kontakten, das sowohl fuer die Herstellung definierter Al-Si-Schottkykontakte auf hochohmigen n- und p-Si zur Diagnostik mittels Kapazitaetsverfahren als auch fuer die Metallisierung von niederohmigen Silizium- oder Silizidoberflaechen zur Herstellung von Bauelementen geeignet ist. Ziel der Erfindung ist die Ausbeutesteigerung bei der Herstellung von Bauelementen. Die Aufgabe, gut reproduzierbare haftfeste Kontaktschichten goldfrei herzustellen, wird durch eine nicht-amorphisierende Implantation von Ionen erreicht, deren relative Atommasse im Verhaeltnis zum Silizium groesser als 1,1 ist und einer nachfolgenden Metallabscheidung bei Temperaturen bis 150C realisiert.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Silizium-Kontakten und ist sowohl für die Herstellung definierter Al-Si-Schottkykontakte auf hochohmigen n- und p-Silizium zur Diagnostik mittels Kapazitätsverfahren, als auch für die Metallisierung von niederohmigen Silizium- oder Silizid-Oberflächen zur Herstellung von Halbleiterbauelementen geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Analyse zum Stand der Technik für Metall-Halbleiter-Kontakte zeigt, daß im Bereich konventioneller Präparationsmethoden sowohl bei den Silizidbildnern (z. B. Pd, Ni, Pt, Ti, Cr, Ta, W, Mo) als auch den einfachen eutektischen Systemen, insbesondere mit Al, Probleme bezüglich der Sicherheit der Kontaktpräparation mit Haftfestigkeit der Schichten auf dem Si-Substrat als auch der Stabilität und Reproduzierbarkeit ihrer elektrischen Parameter auftreten. Dies betrifft sowohl die Verbindung von Halbleiter und Metali als auch die Verbindung zwischen Eutektikum bzw. Silizid und nachfolgend zur Verstärkung aufgebrachten weiteren Metallschichten. Formal läßt sich der Herstellungsprozeß für Metall-Halbleiterkontakte in die Teilschritte Oberflächenpräparation, Metallabscheidung und Temperung gliedern. Einen entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Kontakte besitzt die Oberflächenpräparation. Die bekannten konventionellen Verfahren verwenden chemische Ätzung, Reinigung in organischen Lösungsmitteln oder reaktives lonenatzen in CF₄ vor der Metallabscheidung. Diese Präparationsmethoden sind weit verbreitet, führen aber in der Praxis zu nur ungenügendem Erfolg. So wird in der Zeitschrift Solid-State Electronics 11, 291 (1968) darüber berichtet, daß so hergestellte Kontakte auf η-Si ein sehr ausgeprägtes Alterungsverhalten aufweisen; die elektrischen Eigenschaften der Kontakte sind zeitlich nicht stabil. Eigene Erfahrungen mit dem System Aluminium-Silizium bestätigen dies. Durch Aufdampfen von ΑΙ-dots im Hochvakuum auf hochohmiges n- oder p-Silizium lassen sich nur in Ausnahmefällen und mit geringer Ausbeute Schottky-Barrieren erzeugen. Deren Kennwerte verschlechtern sich bereits nach wenigen Stunden derart, daß keine Sperrspannung mehr nachweisbar ist. Die Verhältnisse sind günstiger bei Einsatz von Goldschichten;, aus ökonomischen Gründen scheidet die Verwendung von Gold aber für viele Technologien aus.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Oberflächenpräparation ist die Erzeugung von Spaltflächen. Der Arbeitsaufwand ist dafür jedoch so hoch, daß diese Methode nur für Grundsatzuntersuchungen, nicht jedoch für ein ökonomisches Fertigungsverfahren infrage kommt.

In der Patentschrift EP 0076570 wird zur Herstellung legierter Al-Kontakte an Siliziumbauelementen vorgeschlagen, nach Abscheidung der Al-Schicht auf dem Si-Substrat in die Al-Schicht eine bestimmte Menge Si-Ionen zu implantieren und die Schicht nachfolgend bei 300-500⁰C zu tempern.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß es die Probleme der Oberflächenpräparation nicht löst, da der Implantationsschritt nur in der Al-Schicht selbst wirkt.

Einen weitergehenden Vorschlag enthält die Patentschrift EP 0012324. Danach wird zunächst die Oberfläche des Siliziums durch Ionenimplantation amorphisiert, im weiteren erfolgt die Abscheidung der Al-Schicht. Daran schließt sich eine Temperaturbehandlung zur Auflösung deramorphisierten Si-Oberfläche in der Metallschicht an. Bei diesem Verfahren ist der Temperschritt, der zur Auflösung der amorphen Schicht ausgeführt werden muß, von Nachteil, weil die notwendige Temperatur zur Legierungsbildung und damit bei η-Silizium zur Ausbildung eines pn-Überganges führt.

Es ist weiterhin sehr aufwendig, eine homogene Amorphisierupg zu erreichen. Nach einem anderen bekannten Verfahren, beschrieben in der Zeitschrift Thin Solid Films 4, 41 (1969), läßt sich die Haftfestigkeit von aufgedampften Al-Schichten auf Glassubstraten verbessern, wenn man nach dem Aufdampfprozeß eine Argon-Ionenimplantation ausführt. Damit wird offenbar eine sehr gute Wirkung erzielt, denn bei einer Implantationsdosis von 10¹⁵-10¹⁶ Ionen/cm² erhalten die Autoren eine Erhöhung der Haftfestigkeit der Al-Schichten auf dem Glassubstrat um etwa 2 Größenordnungen. Die Übertragung des vorgeschlagenen Lösungsweges auf Siliziumsubstrate ist naheliegend und in der DE-OS 2056220 beschrieben worden. Danach wird die aufgebrachte Metallschicht mit Gasionen, wie Ar⁺ oder Kr⁺, beschossen. Durch Rückstoßimplantation gelangen dabei

1 · 10¹⁵ionen/cm² eiforderlich sind. Daraus ergibt sich ein erheblicher Aufwand für die Implantation jeder Siliziumscheibe zur Anwendung der bekannten Verfahren. Demgegenüber haben Untersuchungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt, jaß zur Ausführung der implantation die Dosis weit unterhalb ihres amorphisierenden Wertes gewählt werden kann. Dies wird anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. In der Figur 1 ist die Abhängigkeit der Sperrspannung bei verschiedenen Sperrst: ömen von der Dosis der implantierten Ionen dargestellt. Die Figur 2 zeigt Tiefenprofile der Dotierung einer hochohmigen Silizium-Epitaxieschicht auf niederohmigem Substrat, gemessen mit einem bekannten C-V-Verfahren unter Verwendung ärfindungsgemäß hergestellter Al- Si-Kontakte. Bei Erniedrigung der lonendosisauf kleinere Werte als ι · 10¹⁴lonen/cm² wurde ür Kontakte auf hochohmigen Siliziumscheiben festgestellt, daß sich deren Sperrspannung bei hohen Sperrströmen (1 mA) mit ailender lonendosis etwas verringert, dagegen bei kleinen Sperrströmen (lO^Aund 10OmA) erhöht.

Es ist damit möglich, durch entsprechende Wahl der lonendosis die Qualität der Sperrkennlinie des Metall-Silizium-Kontaktes ?eispieisweise für bestimmte diagnostische Zwecke zu steuern. Als unterste Grenze der verwendbaren !onendosis wurden etwa ι ...ö · lO^lonsn/cnV gefunden. An Vergleichsproben ohne Implantation von Ionen vor der Metallisierung betrug die Sperrspannung an einigen wenigen Kontakten einer Siliziumscheibe bei 1 mA bis zu 220 VpIt, dieser Wert ^;st in der Figur 1 !esonders gekennzeichnet; bei Sperrströmen von < 100μΑ wurde in keinem Fall eine Sperrspannung gemessen. Aus Versuchen olgt, daß bei der Steigerung der Dosis auf amorphisierende Werte keine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des 'ontaktes erfolgt, sondern dessen Durchlaßspannung angehoben wird. Damit ist der Kontakt jedoch für diagnostische Zwecke »der als Bestandtei¹ von Bauelementechips ungeeignet.

)ie entsprechend der Figur 2 gemessenen Tiefenprofile der Dotierung in der Epitaxieschicht zeigen, daß die Kontakte nach dem rfindungsgemäßen Verfahren eine so hohe Sperrspannung aufweisen, daß die Dotierung über die gesamte Tiefe der lochohmigen Epitaxieschicht bis hin zum niederohmigen Substrat meßbar ist. Im Unterschied waren von IB Kontakten einer hne das erfindungsgemäße Verfahren mit Aluminium metallisierten Vergleichspiobe nur 2 Kontakte kurzzeitig meßbar, wobei jdoch die Dotierung nur bis zur Tiefe von ca. 30^m bestimmt werden konnten. Die Ionenenergie ist für den Erfolg des rfindungsgemäßen Verfahrens unkritisch, sie ist entsprechend den optimalen Betriebsbedingungen des Implanters zu zählen.

in weiterer Vorteil des Verfahrens ergibt sich aus der Beobachtung, daß für den Teilschritt der Implantation auch dotierende >nen, wiez.B. Phosphor oder Arsen, verwendet werden können. Diese Ionen erzeugen bei der Dotierung von Silizium ekanntlich den Leitungstyp η nach entsprechenderTemperaturbehandlung.

η Rahmen der Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung geführt haben, hat sich überraschend herausgestellt, daß hosphor-und Arsenionen bein-u ndp-Silizium für den der Metallabscheidu ng vorangehenden Irr.plantationsschritt verwendet 'erden können, ohne daß sich eine Erhöhung der Durchlaßspannung der Kontakte auf p-Silizium ergibt. Dieses Ergebnis ist aispielsweise beim praktischen Einsatz von Implantationsanlagen von Bedeutung, wo nicht in jedem Falle die Möglichkeit der nplantation von nicht dotierenden Ionen besteht.

jr die Abscheidung der Kontaktmetallschicht sind die bekannten Verfahren geeignet, z.B. Aufdampfen im Hochvakuum, üfsputtern oder stromlose Abscheidung aus geeigneten Lösungen. Der Dickenbereich der Kontaktmetallschichten ist für das -findungsgemäße Verfahren nicht kritisch; er richtet sich nach den Anforderungen der Technologie nachfolgender ozeßschritte und liegt etwa zwischen den Werten von 30nm und 5yxm.

er Erfindung soll anschließend an 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Ljsführungsbsispie! 1

as Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von Al-Si-Kontakten zur Messung von Tiefenprofilen der Dotierung )chohmiger η-Epitaxieschichten auf niederohmigen n⁺-Substraten. Die Scheiben werden bei längerer Lagerung nach dem litaxieprozeß in 10%iger Flußsäurelösung 10min gespült, anschließend in Wasser gespült und trcckengeschleudert. e n-Epitaxieschicrttwird ganzflächig in einer lonenimplantationsapparatur mit Arsenionen der Energie 80 keV und der Dosis 10¹³cm"² bestrahlt. Danach wird die Scheibe in eine Vorrichtung so eingebaut, daß die bestrahlte Oberfläche mit einer etallmaske, z. B. aus Kupfer, bedeckt ist. Die Metallmaske enthält rasterförmig eine größere Anzahl von Öffnungen mit 1 mrn 0. e Vorrichtung wird in einer Hochvakuumedampfungsapparatur eingesetzt und gestattet es weiterhin, die zu bedampfende liziumscheibe auf 150⁰C zu tempern. Nach Erreichen dieser Temperatur erfolgt die Al-Verdampfung. Es entstehen auf der plazierten Si-Oberfläche Al-Kontakte mit 1 mm 0 und ca. 0,1 ,um Dicke. Nach Entnahme der Siliziumscheibe aus der irrichtung können die C-V-Kennlinien der einzelnen Al-Si-Kontakte gemessen und daraus in bekannter Weise in Tiefenprofile r Dotierung unterhalb jedes dieser Kontakte gemessen werden.

isführungsbeispiel 2

s Alisführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von kollektorseitigen Ni-Si-Kontakten bei der Fertigung von istungstransistorchips.

5 Chips befinden sich nach vorhergehenden bekannten Arbeitsschritten im Scheibenverband. Die Scheiben sind zur itallisierung vorbereitet und dem folgenden weiteren Arbeitsablauf zu unterwerfen:

Vorreinigung durch Spüien in heißen H₂O₂-NH₄- und H₂O₂-HCI-Lösungen.

Implantation von 4 · 10¹⁴p⁺/cm² der Energie 75keV bei einem lonenstrom von 300μιη und Hybridscanning.

Abscheidung der Nickelschicht von Ο,δμ,Γη Dicke durch Sputtern.

30 min Temperung bei 550°C in trockenem Stickstoff zur Silizidbildung.

Ablösung der Restnickelschicht mittels Spülen in HCI.

Implantation von 4 · 10¹⁴p⁺/cm² der Energie 75keV bei einem lonenstrom von 300μΑ und Hybridscanning.

Auftrag einer weiteren Nickelschicht von 0,5μ,ηη Dicke.

ι Weiterbearbeitung der Siliziumscheiben erfolgt nach den sich bekannten Verfahrensschritten.

Metallaiome in das HalblsriGrvoi'jmon. Bei oer praktischen Durchführung des Verfahrens ergeben sich jedoch wesentliche technologische Probleme. Die Dicke der vor der implantation sufgebrachten Metallschicht darf nur relativ gering bemessen yufiidß-!- nach Angabe der Erfinderzwischen 0,OB und 0,1 p.rn. Weiterhin ist die Dicke der Metallschicht mit sehr enger Toleranz und größter Homogenität einzuhalten, da sich die positive Wirkung der Ionenimplantation andernfalls nicht oder nur ungenügend nach weisen laßt. Dies sind wesentliche einschränkende Bedingungen für ein Routineverfahren der Diagnostik oder Baüe'ernei-tflferticung. Im übrigen führen die empfohlenen Dosiswerte der Ionenimplantation zur Bildung einer amorphen Schinhi. deren. Nachteilo bereits dargestellt worden sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Ausbeutesteigerung bei der Herstellung von Bauelementechips durch Erhöhung der Haftfestigkeit von Metallschichtkontakten auf niederohmigem n- und ρ-Silizium bzw. auf Silizidschichten, sowie in der Verbesserung der Stabilität und Reproduzierbarkeit der Sperrspannung von Schottkykuntakten auf hochohmigsn n- und p· Silizium tür den Einsatz in Maß- und Kontrollverfahren der Halbleitertechnologie.

Darlegung des Wesens des Erfindung

Ausgehend von dem Ziel liegt der Erfindung die technische Aufgabe zugrunde;, Silizium- bzw. Silizidoberflächen beliebiger Dotierung mit geringem technischen Aufwand hinsichtlich der chemischen Vorbehandlung und thermischen Nachbehandlung ohne die Ausbildung einer amorphen Oberflächenschicht goldfrei so zu metallisieren, daß Kontaktschichten irn Dickenbereirh ό/οη 30 nrn bis 5/xm haftfest aufgebracht werden können

Die~ Aufgabe wird erfindungsgemaß gelöst, indem die Siliziumscheiben

1. einer an sich bekannten Vorreinigung unterzogen werden,

2. in einem Zeitraum von weniger als 16h Dauer in die zu metallisierenden Oberflächenbereiche der Siliziumscheiben eine nicht-amorphisiersnde Implantation von Ionen im Energiebereich Ii:- "DOkeV, deren relative Atommasse bezüglich Silizium größer als 1,1 ist, ausgeführt und

3. die Kontaktmetallschicht bei Temperaturen der Siliziumscheiben zwischen Raumtemperatur und 'i50°C abgeschieden wird. Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, daß in vorgenannter Weise goldfrei hergestellte Metallkontakte, z. B. mit Aluminium oder Nickel, auf hochohmigen n- und p-Siiiziumscheiben sehr stabile Sperrkennlinien aufweisen. Diese positive Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt dann ein, wenn für den Srnplantationsschritt Ionen verwendet werden, deren Atommasse größer als die des Siliziums ist. Die leichtesten einsetzbaren Ionen sind Phosphorionen, deren relative Atommasse bzgl. Silizium den Wert 1,107 besitzt. Dagegen kann die positive Wirkung mit Ionen der relativen Atommasse von weniger als 1,1 also beispielsweise Bor oder Neon, nicht sicher erzielt werden.

Es wird angenommen, daß erst bei der Verwendung von Ionen der relativen Atommasse > 1,1 an der Silizium- bzw. Süizidoberfläche spezielle Defektstrukturen entstehen, deren Wechselwirkung mit den ersten Lagen einer nachfolgend aufgebrachten Metallschicht zu elektrisch stabilen und haftfesten Koniakischichten führt. Der Implantationsschritt des öifindungsgemäßen Verfahrens führt offenbar zu einer „Aktivierung" der Silizium- bzw. Süizidoberfläche gegenüber der aufzubringenden Metallschicht, die im Gegensatz zu den bekannten Verfahren über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt. So ist es möglich, die Siliziumscheiben nach der Vorreinigung und Ionenimplantation mindestens zwei Tage unter Normaibedingungen zu iagem und erst danach zu metallisieren, ohne daß eine Verschlechterung der Kontaktqualität im Vergleich zu sofortige*- Metallisierung festzustellen ist.

Fine spezielle Oberflächenpräparation, z. B. chemische Ätzung der zu metallisierenden Siiiziumsr.heiben vor der ionenimplantation oder der Metallabscheidung, ist nicht erforderlich.

Fs ist jedoch zweckmäßig, als Sicherheitsmaßnahme gegen schädliche Verunreinigungen wie Staub oder Restoxidschichten, eine Vorreinigung nach an sich bekannten Verfahren, z. B. Spülen in heißer. H₂O₅-NHiOH- und H₂O2-HCI-Lösungen oder in Fluorwasserstoffsäure, auszuführen. Bei zu metallisierenden Siliziumscheiben, die unmittelbar aus vorangehender, technologischen ^orozeßschritten anfallen, kann eine Vorreinigung entfallen.

versuche haben gezeigt, daß eine nach der Metallabscheidung ausgeführte Temperaturbehandlung für den Fachmann unerwartet zu keiner nennenswerten Verbesserung der Sperrkennlinien führt. Es zeigt sich im Gegenteil, daß die Behandle ¹Vg der erfindungsgemaß hergestellten Koniakte auf hochohmigen Siliziumproben bei Temperaturen von mehr als 300⁰C zur Verschlechterung oder zu "öiiigem Verlust der Sperrfähigkeit führt. Als Ursache dafür wird ein Ausheilen der speziellen Defektstrukturen vermutet, welches unter der Wirkung der aufgebrachten Metallkontaktschicht bereits weit unterhalb der für Silizium üblichen Ausheiltemperaturen von 550—600⁰C stattfindet. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu bekannten Verfahren, wonach beisoielsweise Al- Si-Kontakte in ihren Eigenschaften verbessert werden sollen, wenn sie bei Temperature! > von 400 · bOO°C in H₂/N₂-Gasgemisch behandelt werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine nioht-arnorphisierende Ionenimplantation eingesetzt wird. Demnach ist die Bestrahlung mit einer Dosis möglich, die kleiner als rjie amorphisier^nde Dos's ist. Nach bekannten Veröffentlichungen beträgt die arnorphisierende Dosis bei 20°C für Ionen der relativen Atommasse von 1 ," bzgl. Silizium etwa 6 · 10¹⁴lonen/cm² und fällt mit steigender relativer Atommasse bei einem Wert von 2.7 etwa auf 2 10^1ftlonen/cm². Die Temperatur von 20⁰C läßt sich auf den Siliziumscheiben unter dam Ionenstrahl nur mit aufwendigen Maßnahmen, z.B. geringem lonenstrom von weniger als 2μΑ oder Kühlung der Scheiben, aufrechterhalten. Unter realen !mplantation.sbedingungen (keine Kühlung, bzw. lonenstrom >20μΑ) ist mit der Erhöhung derTemperatui der Siliziumscheiben um mindestens 50—100 °C zu rechnen. Dies führt dazu, daß nur Amcrphisierung des Siliziums mehr a is 1 - lO^lonen/cm² bzw.

Claims (5)

1. ErfindungsärTspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung von Metall-Silizium-Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumscheiben einer an sich bekannten Vorreinigung unterzogen werden, in einem Zeitraum von weniger als 16h, danach in die zu metallisierenden Oberflächenbereiche der Siliziumscheiben eine nicht-amorphisierende Implantation von Ionen im Energiebereich 20—200 keV, deren relative Atommasse bzgl. Silizium grpßerals 1,1 ist, ausgeführt und anschließend die Kontaktmetallschicht bei Temperaturen der Siliziumscheiben zwischen Raumtemperatur und 150⁰C abgeschieden wird.
2. 2. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorreinigung durch Spülen in heißen F^O₂-NH₄-UnO H₂CVHCI-Lösungen erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorreinigung durch Spülen in Fluorwasserstoffsäure erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-amorphisierende Implantation mit Phosphorionen der Energie 75keV und der Dosis 4 · 10¹⁴cm~² bei einem lonenstrom von 300μΑ erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Pkt. 1 und einem der Punkte 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation mit Arsenionen der Energie SOkeV und der Ddsis 5 · 10¹³cm~² bei einem lonenstrom von 10>A erfolgt.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen