DE10006378C2 - Verfahren zur Herstellung Ohmscher Kontakte auf Siliziumkarbid-Halbleiterbereichen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung Ohmscher Kontakte auf Siliziumkarbid-HalbleiterbereichenInfo
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Abstract
Die Anwendung der Erfindung ist für Halbleiterbauelemente gegeben, deren Substrat aus kristallinem Siliziumkarbid (nachstehend als SiC bezeichnet) besteht, welches vollständig oder in Bereichen p-dotiert ist. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Ohmsche Kontakte mit geringem Kontaktwiderstand auf p-leitenden SiC-Halbleiterbereichen zu erzeugen, wobei die Maximaltemperatur bei der Prozessführung 1000 DEG C nicht überschreiten soll. DOLLAR A Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass vor der Metallschichtabscheidung die Oberflächenschicht des Siliziumkarbid-Halbleiters durch eine Ionenimplantation amorphisiert und anschließend durch eine weitere Ionenimplantation bei erhöhter Temperatur in eine nanokristalline Phase mit geringem Kontaktwiderstand umgewandelt wird. DOLLAR A Dazu können zur Amorphisierungsimplantation nichtdotierende Ionen, wie Edelgasionen oder Ionen der 4. Hauptgruppe des PSE, ebenso wie dotierende Ionen der 3. Hauptgruppe des PSE verwendet werden. Es sollten während der Amorphisierungsimplantation die Siliziumkarbid-Halbleiterbereiche auf einer Temperatur kleiner als 200 DEG C gehalten werden und die weitere Implantation in einem Temperaturbereich von 300 DEG bis 800 DEG C erfolgen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ohmscher Kontakte auf Siliziumkarbid-
Halbleiterbereichen. Die Anwendung der Erfindung ist für Halbleiterbauelemente gegeben,
deren Substrat aus kristallinem Siliziumkarbid (nachstehend als SiC bezeichnet) besteht,
welches vollständig oder in Bereichen p-dotiert ist.
Es ist allgemein bekannt, dass auf der Oberfläche dotierter SiC-Bereiche Kontakte und Leitbah
nen mittels abgeschiedener Metallschichtsysteme erzeugt werden können (V. Saxena and A. J.
Steckl in SiC Materials and Devices, Semiconductor and Semimetals, Vol. 52 (Yoon Soo Park,
ed.)). Zur Ausbildung hinreichend niedriger elektrischer Widerstände und eines ohmschen
Verhaltens sind die Grenzflächeneigenschaften zwischen der SiC-Oberfläche und der aufge
brachten Metallschicht von entscheidender Bedeutung (M. J. Bozack, Phys. stat. sol. (b) 202, 549
(1997)). Mechanische, thermische und chemische Vorbehandlungen der SiC-Oberfläche sind
erforderlich (DE 44 06 769 C2). Zusätzlich müssen die Grenzflächenbereiche entsprechend
dotiert werden. Insbesondere bei der Herstellung von ohmschen Kontakten auf p-dotierten SiC-
Bereichen ergeben sich durch die Existenz hoher Schottkybarrieren zwischen dem Halbleiter-
Metall-Übergang nachstehende Schwierigkeiten: Durch eine extrem hohe Grenzflächendotie
rung mittels Ionenimplantation, Diffusion oder Legierungsbildung wird versucht, den Kontakt
über Ladungsträgertunnelung durch die Barriere zu ermöglichen. Dieses Verfahren hat aber den
entscheidenden Nachteil, dass zur Formierung der Kontakte Ausheilschritte bei sehr hohen
Temperaturen von 900° bis teilweise 2000°C notwendig sind. Bei diesen Temperaturen kann es
zu einer Schädigung oder sogar Zerstörung bereits im Vorfeld erzeugter Bauelementestrukturen
im SiC-Substrat kommen.
Aus der EP 04 17 955 A1 ist es bekannt amorphe Siliziumschichten auf Siliziumsubstraten
durch einen ersten Implantationsschritt zu erzeugen, um dadurch in einem zweiten
Implantationsschritt zur Dotierungserzeugung "channeling Effekte" zu vermeiden. Jedoch
werden diese amorphen Schichten durch eine nachfolgende Temperaturbehandlung zur
Bildung elektrischer Kontakte rekristallisiert.
Auch ist es aus dem Artikel "Crystallization and surface erosion of SiC by ion irradiation at
elevated temperatures" von Heera et al. im J. of Appl. Phys., Vol. 85, 1999, Seite 1378-
1386, bekannt, statt des üblichen nach der Implantation erfolgenden Ausheilschrittes ein in-
situ Annealing durch hohe Implantationsdosen bei Temperaturen von nur 500°C zu
erreichen. Dort werden amorphe SiC-Schichten mittels eines ersten Implantationsschrittes
erzeugt und mittels eines zweiten Implantationsschrittes rekristallisiert bzw. in eine
nanokristalline Phase umgewandelt. Jedoch geht daraus kein Hinweis auf vorteilhafte
elektrische Eigenschaften dieser rekristallisierten Silziumkarbidschicht hervor, der eine
Verwendung zur Herstellung ohmscher Kontakte nahelegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohmsche Kontakte mit geringem Kontaktwiderstand
auf p-leitenden SiC-Halbleiterbereichen zu erzeugen, wobei die Maximaltemperatur bei der
Prozessführung 1000°C nicht überschreiten soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 ausgeführten Merkmalen
gelöst. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ansatzpunkt der Erfindung sind einkristalline SiC-Substrate (z. B. 6H- oder 4H-SiC) die voll
ständig oder in Bereichen p-dotiert sind oder durch Ionenimplantation dotiert werden (Dotie
rungsimplantation). Oberflächenbereiche dieser dotierten einkristallinen SiC-Substrate werden
mittels Ionenimplantation zunächst amorphisiert (Amorphisierungsimplantation) und danach
durch eine weiterer Ionenimplantation rekristallisiert (Rekristallisationsimplantation). An
schließend erfolgt eine Abscheidung einer Metallschicht bzw. eines Metallschichtsystems. Die
Implantationen können auch nach Abscheidung einer dünnen Metallschicht auf das SiC-Substrat
durch diese hindurch erfolgen. In diesem Fall muß die Metallschicht dünner als die Reichweite
der Ionen sein, im allgemeinen dünner als 500 nm. Nach den Implantationen können weitere
Metallschichten abgeschieden werden.
Die Dotierungsimplantation erfolgt mit Ionen der 3. Hauptgruppe oberhalb einer Substrat
temperatur von 300°C. Die Amorphisierungsimplantation der SiC-Oberflächenschicht wird bei
einer Substrattemperatur unterhalb 200°C, typischerweise bei Raumtemperatur ausgeführt. Die
Amorphisierung kann mit nichtdotierenden Edelgasionen und Ionen der 4. Hauptgruppe (z. B. C,
Si, Ge) oder dotierenden Ionen der 3. Hauptgruppe (B, Al, Ga) erfolgen. Energie und Dosis der
Ionen werden dabei so gewählt, dass eine homogene, vollständig amorphisierte Schicht mit einer
Dicke von 50 bis 500 nm entsteht. Als Anhaltspunkt zur Bestimmung der Amorphisierungsdosis
gilt, dass die durch die Implantation eingebrachte Energiedichte der Kern-Kern-Stöße (nukleare
Energiedeponierung) mindestens 2 × 1021 keV/cm3 betragen muß. Typische Ionenenergien und
Ionendosen liegen in den Bereichen von 20 bis 500 keV und 1 × 1014 cm-2 bis 1 × 1016 cm-2.
Erfindungsgemäß werden in die voramorphisierte Schicht weitere Akzeptorionen bei Substrat
temperaturen von mindesten 300°C aber höchstens 800°C implantiert (Rekristallisationsimplan
tation). Die mittlere projizierte Reichweite der Akzeptorionen muß dabei mindestens die
Reichweite der Ionen im Amorphisierungschritt erreichen. Die Ionendosis wird so gewählt, dass
eine Umwandlung der amorphen in eine nanokristalline 3C-SiC Schicht erfolgt, wobei die
Kristallite kleiner als 10 nm sein müssen. Das wird typischerweise bei Ionendosen von 1 × 1014 cm-2
bis 1 × 1016 cm-2 erreicht.
Die Anwendung der Erfindung weist folgende Vorzüge auf:
Die Potentialbarrieren für den Löchertransport zwischen Halbleiter und Metall werden reduziert. Dadurch verringert sich der Kontaktwiderstand.
Die thermische Belastung zur Formierung des Kontaktes ist gering. Dadurch werden andere Bauelementestrukturen auf dem Substrat geschont.
Bei Implantation durch eine dünne, abgeschiedene Metallschicht werden durch das Ionenstrahl mischen an der Grenzfläche störende Defekt- und Kontaminationszonen beseitigt. Weiterhin wird die Haftfestigkeit der Metallschicht erhöht.
Das anisotrope Leitungsverhalten in einkristallinem SiC, wird durch die Ausbildung einer isotropen, nanokristallinen SiC-Schicht beseitigt
Das verwendete Verfahren der Ionenimplantation ist voll kompatibel mit anderen Prozeß schritten bei der Herstellung von SiC-Halbleiterbauelementen. So erfolgt auch die selektive Dotierung von SiC-Halbleitersubstraten mittels Ionenimplantation.
Die laterale Strukturierung kann durch übliche Maskentechniken in hoher Genauigkeit erfolgen. Tiefenposition und vertikale Ausdehnung können sehr exakt über die Implantationsparameter Ionenenergie und Ionendosis bestimmt werden.
Die Potentialbarrieren für den Löchertransport zwischen Halbleiter und Metall werden reduziert. Dadurch verringert sich der Kontaktwiderstand.
Die thermische Belastung zur Formierung des Kontaktes ist gering. Dadurch werden andere Bauelementestrukturen auf dem Substrat geschont.
Bei Implantation durch eine dünne, abgeschiedene Metallschicht werden durch das Ionenstrahl mischen an der Grenzfläche störende Defekt- und Kontaminationszonen beseitigt. Weiterhin wird die Haftfestigkeit der Metallschicht erhöht.
Das anisotrope Leitungsverhalten in einkristallinem SiC, wird durch die Ausbildung einer isotropen, nanokristallinen SiC-Schicht beseitigt
Das verwendete Verfahren der Ionenimplantation ist voll kompatibel mit anderen Prozeß schritten bei der Herstellung von SiC-Halbleiterbauelementen. So erfolgt auch die selektive Dotierung von SiC-Halbleitersubstraten mittels Ionenimplantation.
Die laterale Strukturierung kann durch übliche Maskentechniken in hoher Genauigkeit erfolgen. Tiefenposition und vertikale Ausdehnung können sehr exakt über die Implantationsparameter Ionenenergie und Ionendosis bestimmt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an drei Ausführungsbeispielen erläutert:
Ein schwach p-dotiertes 6H-SiC-Substrat wird bei Räumtemperatur mit Aluminiumionen
(Ionenenergie: 300 keV, Ionendosis 2 × 1015 cm-2) implantiert. Anschließend wird das Substrat
in der Implantationskammer unter Hochvakuum bis auf 500°C aufgeheizt und mit 300 keV
Aluminiumionen bis zu einer Gesamtdosis von 3 × 1016 cm-2 implantiert. Nach einer naßche
mischen Reinigung der Oberfläche wird eine Aluminiumschicht auf das implantierte SiC-
Substrat abgeschieden.
Ein undotiertes 4H-SiC Substrat wird durch Implantation von 200 keV 5 × 1016B+ cm-2 bei 800°C
dotiert. Durch eine weitere Implantation von 100 keV 5 × 1014Si+ cm-2 bei Raumtemperatur wird
eine amorphe Oberflächenschicht erzeugt. Im Hochvakuum wird eine 200 nm dicke Al-Schicht
aufgedampft. Anschließend erfolgt eine Implantation von 500 keV 5 × 1016Al+ cm-2 bei 600°C.
Abschließend wird durch eine weitere Abscheidung von 10 µm Al der Kontakt fertiggestellt.
Eine hochdotierte, p-leitende 6H-SiC Epitaxieschicht auf einem undotierten, mit flüssigen
Stickstoff auf -50°C gekühltem 6H-SiC Substrat wird mit 200 keV 1 × 1014Xe+ cm-2 implantiert.
Die dadurch erzeugte amorphe Oberflächenschicht wird mittels Implantation von 100 keV
1 × 1017B+ cm-2 bei 450°C rekristallisiert. Abschließend wird eine Schicht aus einer Al-Ti-
Legierung aufgedampft die für 30 min bei 800°C unter Ar-Schutzgas ausgeheilt wird.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung ohmscher Kontakte auf Siliziumkarbid-Halbleiterbereichen,
bei dem mittels an sich bekannter Metallschichtabscheidung das Kontaktmaterial aufge
bracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Metallschichtabscheidung die
Oberflächenschicht des Siliziumkarbid-Halbleiters durch eine Ionenimplantation amor
phisiert und anschließend durch eine weitere Ionenimplantation bei erhöhter Temperatur
in eine nanokristalline Phase mit geringem Kontaktwiderstand umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Amorphisierungs
implantation nichtdotierende Ionen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtdotierende Ionen
Ionen der 4 Hauptgruppe des Periodischen Systems der Elemente (PSE) verwendet
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtdotierende Ionen
Edelgasionen verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Amorphisierungs
implantation dotierende Ionen der 3. Hauptgruppe des PSE verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Amorphisie
rungsimplantation die Siliziumkarbid-Halbleiterbereiche auf einer Temperatur kleiner
als 200°C gehalten werden und dass die weitere Implantation in einem Temperatur
bereich von 300° bis 800°C erfolgt.
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Cited By (2)
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| DE102008059984B4 (de) * | 2008-04-02 | 2014-01-02 | Mitsubishi Electric Corporation | Verfahren zum Herstellen von einer Siliziumkarbid-Halbleitervorrichtung |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| D2 | Grant after examination | ||
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |