DE10005368A1 - Bildung legierter ohmscher Kontakte auf Halbleitermaterialien - Google Patents

Bildung legierter ohmscher Kontakte auf Halbleitermaterialien

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Abstract

Die Erfindung beinhaltet einen elektrischen Kontakt auf Halbleitermaterialien, bestehend aus einer binären oder tertiären Metalllegierung mit einem auf die Prozesstemperaturen abgestimmten Schmelzpunkt zwischen 600 bis 1000 DEG C. Bevorzugt bestehen die binären Legierungsbestandteile aus Titan und Aluminium.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kontakt nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 4 und 5 sowie auf eine Schichtenfolge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Die Herstellung ohmscher Kontakte auf Halbleitermaterialien, bestehend aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe III (Ga, Al, In) und Stickstoff in Form von Nitriden ist ein wesentlicher Schritt zur Realisierung elektronischer Bauelemente aus diesem Materialsystem. Ein erfolgversprechender Ansatz ist die Verwendung von Metallen niedriger Austrittsarbeit, wie beispielsweise Titan oder Aluminium, die eine kleine oder sogar verschwindende Energiebarriere im Kontakt mit dem Halbleiter bilden (Liu et al., Solid State Electronics, Vol. 42, No. 5, pp. 677-91, 1998). Bei derartigen Nitriden wurde bislang keine Eindiffusion der Kontaktmetallisierung in den Halbleiter beobachtet, die sonst zur Bildung einer hochdotierten Oberflächenschicht führt und infolgedessen die Zunahme von Tunnelströmen bewirkt. Herrschende Meinung ist, dass bei einem Titankontakt sich oberflächlich ein Nitrid bildet und die dabei entstehenden Stickstoff- Leerstellen eine leitfähige n-dotierte Oberflächenschicht ausbilden. Dabei scheint die Entstehung der TiN-Schicht bei Temperaturen oberhalb von 600°C entscheidend für die Realisierung ohmscher Kontakte mit geringem Kontaktwiderstand zu sein.
Sofern das binäre System Titan und Aluminium zusammen zur Herstellung eines ohmschen Kontaktes genutzt werden, bildet sich bei der Temperaturbehandlung TiAlx- Legierungen, die ebenfalls Stickstoff aufnehmen können. Derartige Ti- und Al-Kontakte sind Stand der Technik. Üblicherweise bestehen die Kontakte aus mehreren Metallisie­ rungsschichten, beispielsweise aus Ti/Al/Ni/Au, Ti/Al/Ti/Au, Ti/Al oder Ti/Au, wobei die Titanschicht im unmittelbaren Kontakt mit dem Halbleiter steht (Zhifang et al., Appl. Phys. Lett. 68 (12), 1996). Gegebenenfalls werden die Schichtdicken der einzelnen Schichten derart gewählt, dass beim Temperprozess eine stöchiometrische TiAl-Legie­ rungsphase gebildet wird (Liu et al., Appl. Phys. Lett. 71 (12), 1997).
Alle beschriebenen Kontakte haben jedoch den Nachteil, dass bei der zur Legierungs­ bildung notwendigen Temperaturbehandlung die Schmelztemperatur eines Metalls, insbesondere die des Aluminiums überschritten wird. Eine mangelnde Benetzbarkeit des Metalls zur Unterlage verursacht dann ein Zusammenlaufen der Schmelze und eine Tropfenbildung, die nach der Temperaturbehandlung auch nach der Bildung der Legie­ rung auf der Oberfläche verbleibt. Zudem wird insbesondere bei der Verwendung von Aluminium im geschmolzenen Zustand eine gegebenenfalls vorhandene Deckschicht nahezu vollständig gelöst. Die Folge ist eine rauhe Kontaktoberfläche in Verbindung mit einer ungenügenden Strukturtreue der Kanten. Der Einsatz von Diffusionsbarrieren oder Verkapselungen mit einer hochtemperaturstabilen Anordnung kann zwar zu glatteren Oberflächen führen, erhöht jedoch unerwünschterweise immer den elektrischen Widerstand des Kontakts (Hilsenbeck et al., phys, stat. sol. (a), 176, pp. 183, 1999).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren und einen elektri­ schen Kontakt zur Verbesserung der ohmschen Kontaktmetallisierung in Bezug auf Strukturtreue und Oberflächenbeschaffenheit anzugeben.
Die Erfindung wird in Bezug auf den elektrischen Kontakt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung durch die Merkmale der Patentansprüche 4 und 5 sowie in Bezug auf die Schichtenfolge durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung beinhaltet einen elektrischen Kontakt auf Halbleitermaterialien, beste­ hend aus einer binärer oder ternären Metallegierung, mit einem auf die Prozesstem­ peraturen abgestimmten Schmelzpunkt zwischen 600 bis 1000°C. Bevorzugt bestehen die binären Legierungsbestandteile aus Titan und Aluminium. Dabei besteht die Legierung aus mindestens einem ein Nitrid bildenden Metall.
Beim Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts wird die Metallegierung aus einem Sputterprozess oder aus einem Aufdampfprozess im Hochvakuum abgeschieden. Im Falle des Aufdampfens wird die Metallegierung gleichzeitig aus den einzelnen Ele­ mentbestandteilen oder auch aus einer Mischung der Bestandteile abgeschieden. Bei der Abscheidung wird die Metallegierung in einer stöchiometrisch zusammengesetzten Metallphase oder nicht stöchiometrisch aufgebracht.
Die Schichtenfolge eines elektrischen Kontakts auf Halbleitermaterialien besteht aus:
  • - einer auf dem Halbleitermaterial angeordneten Ti-Al-Legierung,
  • - einer nitrierten oder oxidierten oder carburisierten Ti-Al-Legierung,
  • - einer Haftschicht
  • - einer nicht oxidierenden metallischen Deckschicht.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der bei den binären und ternären Systemen variabel einstellbaren Schmelztemperatur der metallischen Legierung. Hierdurch bilden sich bei der darauffolgenden Temperaturbehandlung strukturtreue Kontakte mit glatten Oberflächen aus, indem die Schmelztemperatur einer Legierung nur geringfügig oder nicht überschritten wird. Eine mangelnde Benetzbarkeit des Metalls zur Unterlage, insbesondere bei Temperprozessen unterhalb der Schmelz­ temperatur im Temperaturbereich, bei dem Festkörperdiffusionsprozesse stattfinden, führt dann nicht mehr zum Zusammenlaufen und Tropfenbildung der Legierung auf der Oberfläche. Gegebenenfalls vorhandene Deckschichten werden nicht in Mitleidenschaft gezogen.
Zudem kann auf den Einsatz von Diffusionsbarrieren oder Verkapselungen ganz verzich­ tet werden, ohne Einbußen beim ohmschen Kontakt in Bezug auf dessen elektrischen Widerstand hinnehmen zu müssen.
Insbesondere eignet sich die Erfindung für eine Verwendung von Halbleitermaterialien der Gruppe III-V, bei denen gerade die mangelnde Benetzbarkeit der aufgebrachten Metalle eine wesentliche Rolle spielt.
Ein weiterer Vorteil vorzüglicher Kantenschärfe derartiger Kontakte besteht darin, dass der Betrieb elektronischer Bauelemente bei hohen Spannungen bzw. elektrischen Feldern verbessert wird, indem elektrische Durchbrüche verhindert werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Schichtenfolge eines elektrischen Kontakts auf Halbleitermaterialien angegeben. Beispielsweise werden aluminiumhaltige metallische Kontakte der Gruppe III des Periodensystems der Elemente hergestellt, die nach der Temperaturbehandlung bei ungefähr 900°C immer noch eine glatte Oberfläche mit sehr gut definierten Strukturkanten aufweisen. Dadurch werden nachfolgende Prozesse, die glatte Oberflächen und scharfe Kanten erfordern, zuverlässiger und mit höherer Reproduzierbarkeit durchgeführt.
Die Schichtenfolge besteht aus:
  • - einer auf Al/Ga/In/N als Halbleitermaterial angeordneten Ti-Al-Legierung,
  • - einer nitrierten oder oxidierten oder carburisierten Ti-Al-Legierung,
  • - einer Haftschicht, bevorzugt aus Nickel oder Titan,
  • - einer nicht oxidierenden metallischen Deckschicht, bevorzugt aus Gold.
Die Ti-Al Legierung wird durch gezieltes Zugeben von Stickstoff, Sauerstoff oder Koh­ lenstoff in ihren Kontakteigenschaften variiert und die Temperaturstabilität erhöht. Insbesondere werden dabei auch die Diffusionseigenschaften derart optimiert, dass das Durchmischen mit einer Deckschicht verhindert wird. Die Deckschicht kann auch erst nach einer Temperaturbehandlung aufgebracht werden.
Eine Strukturierung der elektrischen Metallisierungsschichten erfolgt mittels den üblichen halbleitertechnologischen Verfahren der lift-off-Technik, nass- und trocken­ chemischer Ätzverfahren.

Claims (9)

1. Elektrischer Kontakt auf Halbleitermaterialien, gekennzeichnet durch eine binäre oder ternären Metallegierung mit einem auf die Prozesstemperaturen abgestimmten Schmelzpunkt zwischen 600 bis 1000°C.
2. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus mindestens einem ein Nitrid bildenden Metall besteht.
3. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die binären Legierungsbestandteile Titan und Aluminium enthalten.
4. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung aus einem Sputterprozess abgeschieden wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung aus einem Aufdampf­ prozess im Hochvakuum abgeschieden wird.
6. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung aus einem gleichzeitigen Aufdampfen der einzelnen Bestandteile abgeschieden wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung aus einer Mischung der Bestandteile abgeschieden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung in einer stöchiometrisch zusammengesetzten Metallphase oder nicht stöchiometrisch abgeschieden wird.
9. Schichtenfolge eines elektrischen Kontakts auf Halbleitermaterialien, bestehend aus:
  • - einer auf dem Halbleitermaterial angeordneten Ti-Al-Legierung,
  • - einer nitrierten oder oxidierten oder carburisierten Ti-Al-Legierung,
  • - einer Haftschicht,
  • - einer nicht oxidierenden metallischen Deckschicht.
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