DE102011013375A1

DE102011013375A1 - Ohmscher Kontakt auf Siliziumkarbid

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Publication number: DE102011013375A1
Application number: DE201110013375
Authority: DE
Inventors: Marco Höb; Ian Sharp; Sebastian Schöll; Martin S. Brandt; Martin Stutzmann; Marianne Auernhammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-13

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts auf einem SiC-basierten Substrat (1) und ein darauf basierendes Bauelement. Dieses Verfahren umfasst in einem ersten Schritt eine thermische Behandlung des Substrats (1) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre und in einem zweiten Schritt das Aufbringen eines leitfähigen Kontaktmaterials (3) auf dem nach dem ersten Schritt erhaltenen Substrat, wobei das thermisch behandelte SiC-basierte Substrat die Bildung eines ohmschen Kontakts erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts auf einem Siliziumkarbid-basierten Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur weiteren Verwendung bei der Herstellung eines Bauelements, sowie ein optoelektronisches, bioelektronisches oder elektronisches Bauelement, insbesondere ein elektro-mechanisches Bauelement, mit einem ohmschen Kontakt hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1.
Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke und wird als vielversprechendes Material für Hochtemperatur-, Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen betrachtet. SiC bildet ferner eine Vielzahl von Kristallmodifikationen, sogenannte Polytypen. Unter diesen stellen die Kristallmodifikationen 2H, 4H, 6H und 3C die für viele Anwendungen interessantesten Polytypen dar.
Ein Halbleiterbauelement erfordert meist die Herstellung eines ohmschen Kontakts, um einen elektrischen Transport zwischen den externen Zuleitungen und dem Bauteil zu gewährleisten. Alle SiC-Polytypen besitzen allerdings eine große Bandlücke von 2,4 eV und mehr, was üblicherweise die Herstellung eines ohmschen Kontakts erschwert.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts auf einem SiC-basierten Substrat ist aus US 5442200 bekannt. Dieses Verfahren umfasst die thermische Aufbringung eines meist aus Metall bestehenden, leitfähigen Kontaktmaterials auf dem SiC-Substrat, welches während einer thermischen Behandlung bei hohen Temperaturen (von typischerweise mehr als 900°C) behandelt wird und zur Bildung eines ohmschen Kontakts führt. Werden Kontaktmaterialien aus Nickel und Silizium verwendet, so führt die thermische Behandlung zur Ausbildung von Nickel-Silizium-Verbindungen, die sich bei der Herstellung von ohmschen Kontakten auf SiC als vorteilhaft erwiesen haben ( US 2008 0116464 A1 ). Die thermische Behandlung des metallisierten SiC-Substrats, welches teilweise auch bei Ionenimplantationsverfahren notwenig ist, führt dabei allerdings meist dazu, dass die Metallkontakte eine erhöhte Rauigkeit aufweisen und/oder ausgeprägte Diffusion im Bereich des Kontakts zeigen. Zusätzlich hat die thermische Behandlung meistens negative Auswirkungen auf andere Komponenten des SiC-basierten Bauteils, beispielsweise auf das Gateoxid bei der Herstellung von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts auf einem SiC-basierten Substrat vorzuschlagen, welches ohne Ionenimplantation und ohne thermische Behandlung des metallisierten SiC-basierten Substrats auskommt.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. dem Bauelement nach Anspruch 9 erzielt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts auf einem SiC-basierten Substrat durch thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats in einer nichtoxidierenden Atmosphäre und durch Aufbringen eines leitfähigen Kontaktmaterials auf das dadurch erhaltene Substrat gelöst. Die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats in einer geeigneten Atmosphäre verändert dabei die elektronischen Eigenschaften der Oberfläche bzw. die Kristallstruktur oder Zusammensetzung des Substrats überraschend derart, dass die Aufbringung eines leitfähigen Kontaktmaterials auf das thermisch behandelte SiC-Substrat bereits zur Ausbildung eines ohmschen Kontakts führt. Eine zusätzliche thermische Behandlung nach der Aufbringung des Kontaktmaterials ist damit nicht notwendig, womit keine zusätzlichen oder unerwünschten Hochtemperatur-induzierten Effekte auftreten.
Ein oder mehrere ohmsche Kontakte, hergestellt nach dem hier dargelegten Verfahrensprinzip, werden zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen, bioelektronischen oder elektronischen Bauelements, insbesondere eines elektro-mechanischen Bauelements, verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats in der nichtoxidierenden Atmosphäre, wobei die Atmosphäre zumindest Anteile von Wasserstoffgas oder Deuteriumgas oder ein Gemisch daraus enthält. Diese Atmosphäre weist bevorzugt reinen Wasserstoff oder reines Deuterium mit einer Reinheit von wenigstens 95% auf, besonders bevorzugt hochreinen Wasserstoff oder Deuterium mit einer Reinheit von wenigstens 99,9%. Genauso kann die nichtoxidierende Atmosphäre auch zumindest teilweise Formiergas umfassen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrates bei einer Temperatur von mehr als 800°C, bevorzugt einer Temperatur von 900–1500°C, besonders bevorzugt einer Temperatur von 1000–1200°C, erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats in einer Atmosphäre, welche einen Druck von mehr als 1 mbar, bevorzugt 100–3000 mbar, besonders bevorzugt 750–1000 mbar, aufweist.
Es kann vorteilhaft sein, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats während einer Zeitdauer von mehr als 30 s, bevorzugt zwischen 5–60 min, besonders bevorzugt zwischen 20–45 min, erfolgt.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats in einer Atmosphäre erfolgt, welche einen Gasaustausch von mehr als 0,1 slpm, bevorzugt 1–50 slpm, weiter bevorzugt 5–10 slpm, bei einem aktiven Volumen von 3 l aufweist.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es weiterhin vorteilhaft sein, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats in einer Atmosphäre erfolgt, die keinen Gasaustausch aufweist.
Besonders bevorzugt kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren das SiC-basierte Substrat vor und/oder nach jedem Behandlungsschritt, bevorzugt vor der thermischen Behandlung, in wenigstens einem Schritt mit Chemikalien behandelt werden, wobei stets ein abschließender Behandlungsschritt eine Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser umfasst. Die Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser umfasst bevorzugt eine Konzentration des Fluorwasserstoffs von 0,01 Vol.-% bis 48 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Lösung. Diese Behandlung kann durch Eintauchen, Auftropfen oder Überspülen erfolgen während einer Zeitdauer von 1 s bis 1 Stunde, bevorzugt während einer Dauer von 5 s bis 15 min, weiter bevorzugt von 5 min bis 10 min. Bei diesem Schritt wird das Oberflächenoxid wenigstens teilweise entfernt.
Nach der thermischen Behandlung wird ein leitfähiges Kontaktmaterial auf dem SiC-basierten Substrat aufgebracht, welches als ein leitfähiges Oxid, ein leitfähiges Polymer oder ein Metall ausgebildet sein kann. Wenn das leitfähige Kontaktmaterial ein Metall umfasst, so kann das Kontaktmaterial wenigstens ein Metall der folgenden Gruppe bestehend aus Aluminium, Gold, Indium, Silber, Titan, Tantal, Kobalt, Chrom, Wolfram, Platin, Molybdän, Palladium oder Nickel aufweisen.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Dann zeigen:
1a–1c zeigen in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts gemäß einer ersten Ausführungsform;
2a–2c zeigen in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 zeigt eine Strom-Spannungskennlinie gemessen durch zwei erfindungsgemäß hergestellte ohmsche Kontakte.
1a–1c zeigen schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines ohmschen Kontakts. In 1a ist das Substratmaterial dargestellt, das als SiC-basiertes Material ausgeführt ist, beispielsweise einen kristallinen SiC-Wafer 1 des Polytyps 2H, 4H, 3C, 6H oder 15R. Dieser kann als Halbleiter des n-Typs, des p-Typs oder als intrinsischer Halbleiter ausgeführt sein und weist bevorzugt eine im Wesentlichen (0001)-orientierte Oberfläche auf.
Vorzugsweise wird dieser SiC-Wafer 1 mit einer Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser behandelt, bevorzugt in einer Konzentration des Fluorwasserstoffs von mehr als 5 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Lösung. Auf diese Weise wird das im Wesentlichen aus Siliziumoxid bestehende Oberflächenoxid wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig, von der Oberfläche entfernt.
Die thermische Behandlung dieses SiC-Wafers 1 in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer ultrareinen Wasserstoffatmosphäre mit einer Reinheit von wenigstens 99,9%, wird bei einer Temperatur von wenigstens 800°C so durchgeführt, dass ein thermisch veränderter Bereich 2 an der Oberfläche des SiC-basiertes Materials 1 entsteht, dargestellt in 1b. Dieser veränderte Bereich 2 weist eine von dem unbehandelten SiC-Wafer 1 abweichende elektronische Eigenschaft auf, insbesondere aber eine höhere elektrische Leitfähigkeit.
In 1c wird ein leitfähiges Kontaktmaterial auf den nach 1b thermisch behandelten SiC-Wafer 1 bzw. den veränderten Bereich 2 an der Oberfläche aufgebracht. Dieses leitfähige Kontaktmaterial 3 ist hier als metallische Schicht (Ag) ausgeführt mit einer Schichtdicke zwischen 20–100 nm, welche beispielsweise durch Sputtern, thermisches Verdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen aufgebrachten werden kann. Genauso kann das elektrische Kontaktmaterial auch einen oder mehrere Metalle aus der Gruppe Aluminium, Gold, Silber, Titan, Chrom, Wolfram, Platin, Molybdän, Palladium oder Nickel umfassen. Daneben kann das Substrat auch als polykristallines Substrat ausgeführt sein oder auch als Substrat des p-Typs ausgeführt sein. Ferner kann das leitfähige Kontaktmaterial 3 auch durch Aufspinnen oder durch Bedrucken von Kolloiden oder Ähnlichem aufgebracht werden.
2a–2c zeigen schematisch eine weitere Ausführungsform zur erfindungsgemäßen Herstellung eines ohmschen Kontakts. Gegenüber der in 1a dargestellten Ausführung des Verfahrens weist das Material hier ein Substrat 4 auf, beispielsweise einen kristallinen Silizium-Wafer, auf dem die SiC-basierte Halbleiterschicht 1 aufgebracht ist. Bei der SiC-basierten Halbleiterschicht kann es sich um eine epitaktisch hergestellte SiC-Schicht z. B. des Polytyps 2H, 4H, 3C, 6H oder 15R handeln. Genauso kann die SiC-basierte Halbleiterschicht 1 auch als polykristalline, nanokristalline, amorphe oder poröse SiC-Halbleiterschicht 1 ausgeführt sein.
3 zeigt die Strom-Spannungskennlinie durch zwei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte ohmsche Kontakte, deren Herstellung im Folgenden beschrieben wird. Bei dieser Messung wird der Strom als Funktion der angelegten Spannung gemessen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein SiC-Substrat (5 mm × 5 mm) eines n-Typ Wafer des 6H-SiC Polytyps (spezifischer Widerstand: 0,1 Ωcm) mit Lösungsmitteln (Ethylacetat, Isopropanol) gereinigt.
Das Substrat wird mit einer Fluorwasserstoff-Lösung (5 Vol.-% in Wasser) für 10 min durch Eintauchen behandelt und mit gasförmigem Stickstoff trocken geblasen. Genauso kann auch eine höhere oder geringere Konzentration von Fluorwasserstoff derart verwendet werden, dass das Siliziumoxid an der Oberfläche entfernt wird.
Das Substrat wird in eine Anlage eingebaut, welche anschließend auf einen Druck von weniger als 10^–6 mbar evakuiert wird. Die Anlage wird anschließend mit ultrareinem Wasserstoffgas (Reinheit: 99,9999%) bis zu einem absoluten Druck von 1000 mbar befüllt. Genauso könnte auch eine Atmosphäre aus Wasserstoff, Deuterium oder Formiergas verwendet werden. Ebenso kann der Druck auch bevorzugt in einem Bereich zwischen 700 mbar und 1000 mbar liegen.
In diesem Zustand wird das Substrat für 30 min auf 1000°C erhitzt. Dies kann beispielsweise durch einen umgebenden Röhrenofen, einen Lichtofen oder einen Induktionsofen erfolgen. Genauso könnte der thermische Energieeintrag auch durch Laser-, Strom- oder eine Elektronenstrahl-induzierte Heizung mittelbar über einen Suszeptor oder unmittelbar auf das SiC-Substrat gerichtet erfolgen. Diese thermische Behandlung kann. bevorzugt über einen Zeitraum von 20–60 min erfolgen, währenddessen das Substrat eine Temperatur von wenigstens 800°C aufweist.
Das Substrat kühlt im umgebenden Wasserstoffgas ab und wird anschließend ausgebaut. Anschließend wird das Substrat in den Bereichen maskiert, welche nicht metallisiert werden sollen, beispielsweise mit Photolack oder einer Schattenmaske und in eine Depositionsanlage eingebaut. Diese Depositionsanlage wird anschließend auf einen Druck von weniger als 10 mbar evakuiert.
Als Depositionsanlage wird hier eine thermische Verdampfungsanlage verwendet. Allerdings kann z. B. auch eine Elektronenstrahlverdampfungs- oder Sputteranlage verwendet werden. Genauso könnte beispielsweise auch ein leitfähiges Polymer durch Aufspinnen oder durch Bedrucken aufgebracht werden.
In diesem evakuierten Zustand wird ein leitfähiges Kontaktmaterial aus Metall auf das Substrat aufgebracht, hier bestehend aus einer ersten Schicht Chrom (50 nm) und einer zweiten Schicht Gold (50 nm). Genauso können auch andere Metalle, beispielsweise Silber oder Titan und deren Kombinationen verwendet werden.
Auf diese Weise werden zwei koplanar angeordnete Kontakte mit einer Fläche von jeweils 2 mm² erhalten.
Das elektrische Verhalten dieser Kontakte ist in 3 dargestellt. Sie zeigen bei Raumtemperatur und unter atmosphärischen Bedingungen ein lineares Verhalten der Strom-Spannungskennlinie bis zu einer Stromstärke von ±0,1 A, womit die Sättigung des Messgeräts erreicht wird. Zusätzlich sind die Kennlinien der ohmschen Kontakte bei erhöhten Temperaturen (bis 300°C) des SiC-Substrats gezeigt. Dazu wird das Substrat auf die entsprechende Temperatur erhitzt und nach 20 min die dargestellte Kennlinie bei dieser Temperatur aufgenommen.
Man erkennt, dass sich das lineare Verhalten dieser ohmschen Kontakte auch bei einer Temperaturerhöhung des ohmschen Kontakts an Raumluft auf 300°C im Wesentlichen nicht ändert. Das Verhalten an Raumtemperatur der hier gezeigten ohmschen Kontakte ist auch zeitlich gleichbleibend, so dass auch nach einer Lagerung von Monaten vergleichbare Kennlinien erzielt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein mit Lösungsmitteln (Aceton, Isopropanol) gereinigtes und mit Fluorwasserstoff-Lösung (5 Vol.-%) behandeltes Substrat (5 mm × 5 mm) eines p-Typ Wafers des 6H Polytyps verwendet.
Abweichend von der vorausgegangenen Ausführungsform wird dieses Substrat in einer Wasserstoffgasatmosphäre bei einem absoluten Druck von 1200 mbar mit Gasaustausch (Gasfluss 5 slpm bei einem aktiven Volumen von 3 l) für 45 min auf 900°C erhitzt. Anschließend wird ein Silber-Kontakt (50 nm) thermisch aufgebracht. Die elektrischen Eigenschaften dieses ohmschen Kontakts sind vergleichbar mit den hier gezeigten Strom-Spannungskennlinien.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5442200 [0004]
US 20080116464 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts auf einem SiC-basierten Substrat (1) zur weiteren Verwendung bei der Herstellung eines Bauelements, dadurch gekennzeichnet, dass – das SiC-Substrat (1) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre thermisch behandelt und – auf dem thermisch behandelten Substrat ein leitfähiges Kontaktmaterial (3) aufgebracht wird, wobei das thermisch behandelte Substrat (2) die Bildung eines ohmschen Kontakts erlaubt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats (1) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erfolgt, die zumindest Anteile von Wasserstoff oder Deuterium oder ein Gemisch daraus enthält, bevorzugt reinen Wasserstoff oder reines Deuterium mit einer Reinheit von wenigstens 95%, besonders bevorzugt hochreinen Wasserstoff oder Deuterium mit einer Reinheit von wenigstens 99,9%.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats (1) so erfolgt, dass das Substrat während der thermischen Behandlung eine Temperatur von mehr als 800°C, bevorzugt eine Temperatur von 900–1500°C, besonders bevorzugt eine Temperatur von 1000–1200°C, aufweist.
Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats (1) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erfolgt, die einen Druck von mehr als 1 mbar, bevorzugt 100–3000 mbar, besonders bevorzugt 750–1000 mbar, aufweist und dies während einer Zeitdauer von mehr als 30 s, bevorzugt zwischen 5–60 min, besonders bevorzugt zwischen 20–45 min, erfolgt.
Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats (1) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erfolgt, die einen Gasaustausch aufweist.
Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung des SiC-basierten Substrats (1) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre erfolgt, die keinen Gasaustausch aufweist.
Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das SiC-basierte Substrat (1) vor und/oder nach jedem Schritt, bevorzugt vor der thermischen Behandlung, in wenigstens einem Schritt mit Chemikalien behandelt wird, wobei ein abschließender Behandlungsschritt durch eine Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser in einer Konzentration des Fluorwasserstoffs von 0,01 Vol.-% bis 48 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser durch Eintauchen, Auftropfen oder Überspülen während einer Zeitdauer von 1 s bis 1 Stunde, bevorzugt während einer Dauer von 5 s bis 15 min, weiter bevorzugt von 5 min bis 10 min, erfolgt
Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Kontaktmaterial (3) ein leitfähiges Oxid, ein leitfähiges Polymer oder ein Metall umfasst, wobei das leitfähige Kontaktmaterial (3) aus Metall wenigstens ein Metall der folgenden Gruppe aufweisen kann, bestehend aus Aluminium, Gold, Indium, Silber, Titan, Tantal, Kobalt, Chrom, Wolfram, Platin, Molybdän, Palladium oder Nickel.
Ein SiC-basiertes optoelektronischen, bioelektronischen oder elektronischen Bauelement, insbesondere ein elektro-mechanisches Bauelement, mit wenigstens einem ohmschen Kontakt hergestellt nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Bauelement gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäß hergestellte ohmsche Kontakt auch bei höheren Temperaturen, bevorzugt Temperaturen über 200°C, ein ohmsches Verhalten zeigt.