DE10060439A1 - Kontaktmetallisierung für GaN-basierende Halbleiterstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Kontaktmetallisierung für GaN-basierende Halbleiterstrukturen und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung beschreibt eine Kontaktmetallisierung für einen p-leitenden Bereich (2) einer GaN-basierenden Halbleiterstruktur (1) sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. In der Kontaktmetallisierung ist Kupfer enthalten, das vorzugsweise in der gesamten Kontaktmetallisierung gleichmäßig verteilt ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktmetallisierung für
GaN-basierende Halbleiterstrukturen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und Verfahren zu deren Herstellung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Unter GaN-basierenden Materialien sind hierbei neben GaN
selbst von GaN abgeleitete oder mit GaN verwandte Materialien
sowie darauf aufbauende ternäre oder quaternäre Mischkri
stalle zu verstehen. Speziell fallen hierunter die Materia
lien AlN, InN, AlGaN (Al1-xGaxN, 0 ≦ x ≦ 1), InGaN (In1-xGaxN,
0 ≦ x ≦ 1), InAlN (In1-xAlxN, 0 ≦ x ≦ 1) und AlInGaN (Al1-x-yInxGayN,
0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). Die Bezeichnung "GaN-basierend" bezieht sich
im folgenden neben GaN selbst insbesondere auf diese Materi
alsysteme.
Kontaktmetallisierungen dienen im allgemeinen der elektri
schen Kontaktierung von Halbleiterstrukturen. Üblicherweise
werden diese Kontaktmetallisierungen unter der Maßgabe ausge
bildet, einen möglichst geringen Kontaktwiderstand und ein
weitgehend ohmsches Verhalten zu erzielen.
Bei Halbleiter-Metall-Kontakten hängt der Kontaktwiderstand
wesentlich von der Höhe der Schottky-Barriere ab. Die Höhe
dieser Barriere wiederum wird maßgeblich von dem energeti
schen Bandabstand des Halbleiters beeinflußt. Aufgrund des
großen Bandabstands (GaN: Eg = 3,39 eV bei 1 = 300 K) weisen Me
tall-Halbleiter-Kontakte bei GaN-basierenden Halbleitern ei
nen vergleichsweise hohen Kontaktwiderstand auf. Ein hoher
Kontaktwiderstand ist insbesondere wegen der daran abfallen
den Verlustleistung und der damit verbundenen Verlustwärme
unerwünscht.
Kontaktmetallisierungen für GaN-basierende Halbleiterstruktu
ren sind beispielsweise aus der Patentschrift US 6,093,965
bekannt. Hierin sind für p-leitende GaN-basierende Halbleiter
Kontaktmetallisierungen mit einer mehrschichtigen Struktur
beschrieben, deren Einzelschichten vor allem Gold, Nickel,
Platin, Aluminium, Zink, Indium, Chrom oder Titan enthalten.
Zur Herstellung der Kontaktmetallisierung werden die Einzel
schichten nacheinander aufgedampft und bei 400°C ausgeheilt.
Bekannt ist weiterhin, den Kontaktwiderstand eines Metall-
Halbleiter-Kontakts durch eine hohe Dotierung des Halbleiters
zu vermindern. Bei p-leitenden GaN-basierenden Halbleitern
wird die Höhe der erreichbaren p-Dotierung durch Selbstkom
pensationseffekte und elektrisch inaktiven Einbau der Dotier
stoffe stark begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, für p-leitende Bereiche GaN-ba
sierender Halbleiter eine Kontaktmetallisierung mit einem er
niedrigten Kontaktwiderstand zu schaffen. Weiterhin ist es
Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren hierfür an
zugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Kontaktmetallisierung nach Pa
tentanspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren nach Patentan
spruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15 und 17 bis 20.
Erfindungsgemäß ist eine Kontaktmetallisierung für p-leitende
Bereiche GaN-basierender Halbleiter vorgesehen, in der Kupfer
verteilt ist. Die Zugabe von Kupfer in geeigneter Menge be
wirkt dabei mit Vorteil eine Reduzierung des Kontaktwider
stands.
Bei der Erfindung kann Kupfer in einzelnen Teilvolumenberei
chen der Kontaktmetallisierung, insbesondere in der Nähe der
Halbleitergrenzfläche, oder vorzugsweise in der gesamten Kon
taktmetallisierung verteilt sein, wobei eine näherungsweise
Gleichverteilung des Kupfers besonders bevorzugt wird. Die
Reduzierung des Kontaktwiderstands ist in diesem Fall beson
ders gut ausgeprägt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
die Kontaktmetallisierung aus einer Mehrzahl von Einzel
schichten, die bevorzugt mindestens eines der Elemente Nic
kel, Gold, Platin, Palladium, Tantal, Chrom, Wolfram, Sili
zium, Kohlenstoff, Indium oder Magnesium enthalten. Durch den
mehrschichtigen Aufbau können dabei weitere Anforderungen an
die Kontaktmetallisierung wie beispielsweise einerseits die
Haftung auf dem Halbleiterkörper und andererseits die Bond
barkeit optimal erfüllt werden. Zudem kann dadurch die Her
stellung der Kontaktmetallisierung vereinfacht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die
Kontaktmetallisierung auf der an den Halbleiter grenzenden
Seite eine Haftschicht auf, die vorzugsweise Titan oder Chrom
enthält. Durch eine solche Haftschicht wird die mechanische
Festigkeit und Haftung der Kontaktmetallisierung vorteilhaft
erhöht.
Auf der von dem Halbleiter abgewandten Seite der Kontaktme
tallisierung ist bevorzugt eine bondfähige Metallschicht in
Form einer Gold oder Aluminium enthaltenden Einzelschicht
ausgebildet. Die Materialien eignen sich insbesondere zur
weiteren Kontaktierung mittels einer Lötverbindung wie bei
spielsweise einer angelöteten Drahtverbindung oder eine Löt
verbindung mit einem Leiterrahmen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält
die Kontaktmetallisierung eine Diffusionssperre. Diese Diffu
sionssperre kann in Form einer Einzelschicht ausgebildet
sein, die vorzugsweise mindestens eines der Element bzw. Ver
bindungen Palladium, Platin, Titannitrid oder Titanwolframni
trid enthält. Durch eine solche Diffusionssperre wird mit
Vorteil eine zu starke Diffusion von Metallen aus der Kontaktmetallisierung
in den Halbleiterkörper und die damit ver
bundene Gefahr einer Beeinträchtigung der Halbleiterfunktio
nalität reduziert.
Die erfindungsgemäße Kontaktmetallisierung ist vor allem zur
Kontaktierung p-leitender Bereiche einer GaN-basierende Halb
leiterstruktur vorgesehen. Zur Ausbildung eines p-leitenden
Bereichs eignet sich bei GaN-basierenden Halbleitern vorzugs
weise eine Magnesium-Dotierung. Alternativ kann als Dotier
stoff Kohlenstoff, Beryllium, Kadmium oder Zink verwendet
werden.
Mit Vorteil kann die Erfindung insbesondere bei GaN-basieren
den optoelektronischen Bauelementen wie LEDs (light emitting
diode) und Lasern sowie HEMTs (high electron mobility transi
stor) und MESFETs (metal semiconductor field effect transi
stor) eingesetzt werden.
Zur Herstellung der Kontaktmetallisierung ist erfindungsgemäß
vorgesehen, zunächst auf einer p-leitenden GaN-basierenden
Halbleiterstruktur oder einem p-leitenden Bereich einer GaN-
basierenden Halbleiterstruktur eine Kontaktmetallisierung
auszubilden, die Kupfer enthält. Danach wird die Kontaktme
tallisierung bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise etwa 500°
C, ausgeheilt (Annealing), so daß sich das Kupfer zumindest
in Teilvolumenbereichen der Kontaktmetallisierung verteilt.
Bevorzugt wird die Kontaktmetallisierung in Form mehrerer
Einzelschichten aufgebracht, wobei mindestens eine Schicht
Kupfer enthält. Besonders bevorzugt werden die Schichten mit
tels eines PVD-Verfahrens (physical vapour deposition) abge
schieden. Die Kupfer enthaltende Schicht kann als reine Kup
ferschicht oder durch Coverdampfung mit mindestens einem wei
teren Metall als gemischte Metallschicht ausgebildet werden.
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung
ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungbeispiel in Ver
bindung mit den Fig. 1 bis 3.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Ausführungs
beispiels einer erfindungsgemäßen Kontaktmetalli
sierung,
Fig. 2 die Verteilung einzelner Metalle in dem Ausfüh
rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktmetal
lisierung und
Fig. 3 die Kennlinie eines GaN-basierenden Halbleiterbau
elements mit einer dem Ausführungsbeispiel ent
spechenden Kontaktmetallisierung.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind hierbei mit den
selben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein GaN-basierender Halbleiterkörper 1 darge
stellt, auf dessen Oberseite eine p-GaN-Schicht 2 ausgebildet
ist. In Verbindung mit einer n-leitenden Schicht (nicht dar
gestellt) kann damit beispielsweise eine lichtemittierende
Diode (LED) auf GaN-Basis gebildet werden. Als p-Dotierung
dient Magnesium, das alternativ auch durch Zink, Kohlenstoff
oder Kadmium ersetzt sein kann.
Weiterhin kann der Halbleiterkörper zusätzliche Strukturen
wie zum Beispiel Quantentopfstrukturen und Wellenleiter
schichten zur Bildung eines GaN-basierenden Halbleiterlasers
enthalten. Bei all diesen Bauelementen ist eine niedriger
Kontaktwiderstand von großem Vorteil, um einen hohen Wir
kungsgrad zu erreichen.
Auf der p-leitenden Schicht 2 ist zur Strukturierung der
nachfolgenden Kontaktschicht in Teilbereichen eine Silizium
oxid Schicht 3 abgeschieden.
Auf die so gebildete Oberfläche des Halbleiterkörpers ist als
Haftvermittler eine 10 nm dicke Titanschicht 4 aufgedampft,
auf die wiederum eine Palladiumschicht 5 als Diffusionssperre
aufgebracht ist. Oberseitig ist darauf eine bondfähige An
schlußschicht 6 in Form einer 600 nm dicken Goldschicht aus
gebildet. In der Kontaktmetallisierung ist zumindest in einem
Teilvolumenbereich Kupfer mit einer Konzentration bis etwa 5%
(Atomprozent) verteilt. Die Diffusionssperre verhindert ein
Eindringen von Materialien der Kontaktmetallisierung, spezi
ell Gold, in den Halbleiterkörper, insbesondere während des
Ausheilens bei der Herstellung der Kontaktmetallisierung.
Hergestellt wird diese Kontaktmetallisierung, indem zunächst
die Titanschicht 4, darauf die Palladiumschicht 5 und danach
die Goldschicht mittels eines PVD-Verfahrens auf dem Halblei
terkörper 1 abgeschieden wird. Dabei wird zusammen mit Palla
dium Kupfer aufgedampft, so daß die Palladiumschicht 5 einen
Kupferanteil von etwa 5% enthält. Nach der Abscheidung der
Schichten 4, 5 und 6 wird die so gebildete Kontaktmetallisie
rung etwa 300 s lang bei circa 500°C ausgeheilt, wobei sich
die Kupferbeimengung gleichmäßig in der gesamten Kontaktme
tallisierung verteilt.
Das Konzentrationsprofil der einzelnen Metalle der Kontaktme
tallisierung ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Profile wurden
mittels Augerelektronenspektroskopie (AES) ermittelt.
Aufgetragen ist die Augerelektronenintensität für die einzel
nen Metalle in Abhängigkeit der Bestrahlungszeit (sputter
time t). Die Augerelektronenintensität ist dabei ein Maß für
die Konzentration des zugehörigen Metalls, die Bestrahlungs
zeit entspricht der Tiefe, in der diese Konzentration vor
liegt. Das gemessene Profil gibt die Metallkonzentrationen
entlang der in Fig. 1 eingetragenen Linie A-A an, wobei der
Zeitnullpunkt der oberseitigen Grenzfläche der Kontaktmetal
lisierung entspricht.
In Fig. 2a sind die Konzentrationsprofile vor dem Ausheilen
der Kontaktmetallisierung dargestellt. Von links nach rechts,
entsprechend in der Kontaktmetallisierung von oben nach un
ten, dominiert zunächst das Gold-Profil 16 und danach das
Palladiumprofil 15, das mit dem Titanprofil 14 überlappt.
Dies entspricht der in Fig. 1 gezeigten Schichtenfolge. Die
Palladiumschicht weist dabei einen auf diese Schicht lokal
begrenzten Kupferanteil auf, wie das Kupferprofil 13 zeigt.
Die entsprechenden Profile nach dem Ausheilen bei 500°C über
300 s sind in Fig. 2b dargestellt. Die Profile von Gold 16
und Titan 14 sind im wesentlichen unverändert, das Palladium
profil 15 weist einen deutlichen Ausläufer in die Goldschicht
auf.
Die lokal begrenzte Kupferkonzentration innerhalb der Palla
diumschicht hingegen ist stark reduziert und Kupfer über die
gesamte Kontaktmetallisierung gleichmäßig verteilt, wie das
flache Kupferprofil 13 zeigt.
In Fig. 3 ist die U-I-Kennlinie eines GaN-basierenden Halb
leiterbauelements mit einer Fig. 1 entsprechenden Kontaktme
tallisierung vor und nach dem Ausheilen dargestellt. Aufge
tragen ist jeweils die Betriebsspannung eines GaN-basierenden
Oxidstreifenlasers in Abhängigkeit des Betriebsstroms.
Die Kennlinie 7 entspricht der Kontaktmetallisierung vor dem
Ausheilen, die Kennlinie 8 der Kontaktmetallisierung nach dem
Ausheilen. Bei gleichem Betriebsstrom ist die Betriebsspan
nung bei ausgeheilter Kontaktmetallisierung mit entsprechend
gleichförmiger Kupferverteilung deutlich geringer als im
nicht ausgeheilten Zustand. Ab einem Betriebsstrom von 100 mA
beträgt die Reduktion der Betriebsspannung etwa 5 V.
Die Erläuterung der Erfindung anhand des beschriebenen Aus
führungsbeispiels ist selbstverständlich nicht als Beschrän
kung der Erfindung hierauf zu verstehen. Insbesondere umfaßt
die Erfindung auch weitere Kupfer enthaltende, geeignete
Schichtsysteme wie beispielsweise Nickel-Gold-, Nickel-Pla
tin-, Palladium-Gold-, Tantal-Titan-, Chrom-Gold-, Titan-Pla
tin-Gold-, Nickel-Platin-Gold-, Platin-Nickel-Gold-, Chrom-
Nickel-Gold-, Nickel-Chrom-Gold-, Wolframsilizid-, Gold-Koh
lenstoff-Nickel-, Nickel-Magnesium-Nickel-Silizium- und Nic
kel-Indium-Schichtfolgen, jeweils mit der entsprechenden Kup
ferverteilung.
Claims (20)
1. Kontaktmetallisierung für einen p-leitenden Bereich (2)
eines GaN-basierenden Halbleiters,
dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest in einem Teilvolumenbereich der Kontaktmetallisie
rung Kupfer verteilt ist.
2. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
Kupfer in der gesamten Kontaktmetallisierung verteilt ist.
3. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
Kupfer in der gesamten Kontaktmetallisierung gleichmäßig ver
teilt ist.
4. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktmetallisierung zumindest eine Schicht (4, 5, 6) auf
weist, die mindestens eines der Elemente Nickel, Gold, Pla
tin, Palladium, Tantal, Titan, Chrom, Wolfram, Indium, Magne
sium oder Silizium enthält.
5. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der dem Halbleiter zugewandten Seite der Kontaktmetalli
sierung eine Haftschicht (4) ausgebildet ist.
6. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Haftschicht (4) Titan oder Chrom enthält.
7. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
auf der von dem Halbleiter abgewandten Seite der Kontaktme
tallisierung eine Anschlußschicht (6) aus einem bondfähigen
Material gebildet ist.
8. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anschlußschicht (6) mindestens eines der Elemente Gold,
Platin, Nickel oder Aluminium enthält.
9. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Kontaktmetallisierung eine Diffusionssperre ausgebil
det ist.
10. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Diffusionssperre in Form einer Einzelschicht (5) ausge
bildet ist, die mindestens eines der Elemente bzw. eine der
Verbindungen Palladium, Platin, Titannitrid oder Titanwolf
ramnitrid enthält.
11. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktmetallisierung auf einem p-leitenden Bereich (2)
einer GaN-basierenden Halbleiterstruktur (1) aufgebracht ist.
12. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterstruktur (1) Schichten enthält, die im wesent
lichen aus GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, AlN, InAlN oder InN
bestehen.
13. Kontaktmetallisierung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterstruktur (1) der Strahlungserzeugung dient.
14. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 11 bis
13,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiterstruktur (1) eine Leuchtdioden- oder Laser
struktur darstellt, insbesondere mit einer Einfach- oder
Mehrfachquantentopfstruktur als aktiver, der Strahlungser
zeugnung dienenden Schicht.
15. Kontaktmetallisierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kupferkonzentration zwischen 0% und 50%, vorzugsweise
zwischen 0% und 10% liegt.
16. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktmetallisierung
nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
gekennzeichnet durch die Schritte
- - Aufbringung einer Kupfer enthaltenden Kontaktmetallisie rung auf einen p-leitenden Bereich (2) einer GaN-basie renden Halbleiterstruktur (1),
- - Ausheilen der Kontaktmetallisierung bei erhöhter Tempera tur derart, daß sich Kupfer zumindest in Teilvolumenbe reichen der Kontaktmetallisierung verteilt.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktmetallisierung vor dem Ausheilen ausgebildet wird
durch die Schritte
- - Aufbringung einer Titan oder Chrom enthaltenden ersten Schicht (4),
- - Aufbringung einer Kupfer und Palladium enthaltenden zwei ten Schicht (5),
- - Aufbringung einer Gold enthaltenden dritten Schicht (6).
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktmetallisierung aufgedampft wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht (5) durch Coverdampfung von Kupfer und
Palladium ausgebildet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausheilung bei etwa 500°C erfolgt.
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