DE2039255A1 - Ohmsche Kontakte auf planaren Halbleiterbauelementen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Matchinen Ge$elUehaft mbH

Böblingen, 4. August 19 70 si-hl

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin:

Docket FI 968 104

Ohmsehe Kontakte auf planaren Halbleiterbauelementen und Verfahren zu ihrer Herstellung _____

Die vorliegende Erfindung betrifft ohrasche Kontakte auf planaren Halbleiterbauelementen, insbesondere auf solchen mit sehr dünnen Obergänge bildenden Zonen.

Mit zunehmender Verkleinerung der Transistorstrukturen mit immer dünneren diffundierten Zonen nahmen die Schwierigkeiten bei der Herstellung guter ohmscher Kontakte zu den verschiedenen diffundierten Transistorelektroden wesentlich zu. Eine Schwierigkeit bei der Anbringung von ohmschen Kontakten an sehr dünnen Zonen liegt darin, da8 das Kontaktmetall diese entweder zu stark durchdringt, wodurch Kurzschlüsse In den von diesen Zonen gebildeten übergängen entstehen können, oder daß umgekehrt das Metall In zu geringer Konzentration in die zu kontaktierenden Zonen gelangt und sich so untragbar hohe Kontaktwiderstände einstellen.

Ein« weitere Schwierigkeit bei der Anbringung ohmseher Kontakte beruht auf der Notwendigkeit/die Sl llci umober fläch« vor dem eigentlichen Metallisierung«verfahreneschritt zu reinigen, um möglich· restliche Oxydschicht zu entfernen, Ist di· frei-

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gelegte Fläche auch nur geringfügig zu groß gewählt, so ergeben sich bei der anschließenden Metallisierung der freigelegten Fläche wiederum Kurzschlussteilen an den betreffenden Obergängen. Diese Schwierigkeiten sind besonders ernster Natur, wenn diffundierte Emitterzonen geringer Dickenabmessung vorliegen und hierbei wird es dann besonders kritisch, wenn die Größe der Kontakt-Öffnung die gleichen Abmessungen besitzt wie die für die Diffusion der zu kontaktierenden Zonen selbst benutzte Naskenöffnung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktstruktur sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzu-" geben, die insbesondere zur einwandfreien großflächigen Kontaktierung von Halbleiterbauelementzonen sehr geringer Dicke geeignet ist. Die Herstellung derartiger Kontakte mit verhältnismäßig guten ohmschen Eigenschaften soll ohne besondere Änderung der bisher in der Planartechnik üblichen Verfahrensschritte auf einfache Welse durchführbar sein und zusätzlich noch die Möglichkeit bieten, durch beschere Abstufung der für die Kontaktierung benutzten Metallzuaamxtensetzungea zusätzlich Vorschaltwiderstände an den jeweils zu kontaktierenden Zonen innerhalb des Halbleiterkörpers zu realisieren.

Die die genannte Aufgabe lösende Kontaktstruktur ist dadurch ) gekennzeichnet, daß zwischen der jeweils zu kontaktierenden Zone und dem metallischen Bereich seines Kontaktes eine Zwischenschicht vorgesehen ist, daß diese Zwischenschicht im gleichen Sinne wie die zu kontaktierende Zone dotiert 1st und fast die gesamte Oberfläche der zu kontaktierenden Zone überdeckt.

Die Kontaktstruktur kann in zwei verschiedenen Modifikationen realisiert werden. Wünscht man einen besonders niedrigen Kontaktwiderstand, so wird man die Zwischenschicht möglichst stark, In jedem Falle stärker als die darunterliegende zu kontaktierende Zone dotieren. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Dicke und der spezifischen Leitfähigkeit der Zwischenschicht Vorwiderstände für die jeweils zu kontaktierenden

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Bauelementelektroden in die Gesamtetruktur zu integrieren.

Die Erfindung besteht In ihrer einfachsten Form darin, daß innerhalb der für die Kontaktierung vorgesehenen Fläche vor der Aufbringung des eigentlichen Kontaktierungsmaterials eine abglichst hochdotierte epitaktische Zwischenschicht aufgebracht wird. Hierbei wird »an versuchen, den niedrigsten erreichbaren, von der Löslichkeit des benutzten Dotierungsmaterials abhängenden spezifischen Widerstand zu erreichen. Die aufzubringende Zwischenschicht kann sowohl auf mono- als auch auf polykristallinen Halbleiterbauelementbereichen angewendet werden. Die anschliefiende Aufbringung des Metallischen Kontaktmaterials wird mittels bekannter Verfahrensschritte, beispielsweise durch Aufdampfen oder dergl. bewerkstelligt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung, Insbesondere die Ausnutzung der Kontaktxwischenschicht zur Realisierung von Widerständen geht aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren hervor. Zn dieses bedeuten:

Fig. 1 eine Querschnittsdarateilung eines nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gefertigten Halbleiter* bauelemente*;

Fig. 2A eine Querschnittsdarstellung einer Transistorstruktur innerhalb eines etwas gröÄeren Halbleiterbauelementes nach der Lehre der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2B ein Ersatzschaltbild des in Fig. 2A dargestellten Halbleiterbauelementes.

Fig. 2 zeigt ein Halbleiterplättchen oder ein Substrat 1 aus einkristallin·» Silicium, lessen Leitfähigkeit·typ ζ.B. als N-leitend angenommen sei. Diese würde in bekannter durch Zugabe

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einer passenden Dotiersubstanz, beispielsweise von Phosphorarsen oder dergl. während des Züchtungsprozesses erzeugt. Typischerweise kann das Substrat 1 durch geeignete Dotiersubstanzen auf eine spezifische Leitfähigkeit zwischen etwa 0,01 Λ · cm und 100 «Ω * cm oder mehr gebracht werden. Der genaue Wert der spezifischen Leitfähigkeit des Substrats 1 ist jedoch nicht besonders kritisch. Andererseits kann das Substrat auch eine zusamnengegesetzte Struktur besitzen, wobei man von einer unteren Schicht eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, z.B. des N-Typs ausgeht und auf diesen eine epitaktische Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps aufzüchtet. Der aufgezüchtete Bereich kann einen gewünschten ™ Wert der spezifischen Leitfähigkeit aufweisen, der etwa in dem oben genannten Bereich liegt.

Wie gezeigt, besitzt das Substrat normalerweise eine größere planare Oberfläche, deren Größe zur Herstellung einer gewünschten. Anzahl von bestimmte Bauelementfunktionen bewirkenden Zonen ausreicht. Die Dicke des Substrates wird aus Festigkeitsgründen gewöhnlich in einer Stärke >-12,5 * 10 cm gewählt.

In der Figur ist zwar nur ein kleiner Bereich der gesamten Halbleiterkonfiguration gezeigt. Es versteht sich jedoch, daß der Erfindungsgedanke in den verschiedensten Variationen über die gesamte Oberfläche eines sehr viel größeren Halbleiterρlättchens realisiert werden kann, wobei dann gegebenenfalls nach Fertigstellung der Gesamtkonfiguration die einzelnen Bauelemente durch Auseinanderschneiden der Elementarbereiche gewonnen werden können.

Es wird somit zum Zwecke der Vereinfachung der Darstellung lediglich eine einzelne diffundierte Zone 2 beschrieben, die einen dem Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, im vorliegenden Falle P-Leitfähigkeit aufweist, so daß insgesamt ein PN-Übergang zustande kommt, dessen periphere Gebiete im N-leitenden Bereich des Substrats 1 liegen. Die Zone 2 kann unter Zuhilfenahme geeigneter bekannter Diffusionsverfahren erzeugt werden, wobei

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geeignete Oxyde als Material für die erforderlichen Masken verwendet werden. So kann beispielsweise das Substrat 1 aus Silicium über seine gesamte Oberfläche hinweg »it einem Oxyd, beispielsweise mit thermisch gewachsenem Siliciumoxid oder Siliciumdioxyd überzogen werden. Die benötigte Diffusionsmaske wird durch bekannte Photoresist- und Xtzverfahrensschritte hergestellt und definiert die Fenster 4 innerhalb der Oberfläche des Plättchens 1, durch welche die Eindiffusion der Dotierstoffe erfolgen soll. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird diese Diffusion durchgeführt, bei der durch die Maskenfenster 4 eine geeignete Akzeptorsubstanz z.B. Bor in das Substrat eingeführt wird. Durch geeignete Wahl des Dotierstoffes für die Diffusion der Zone 2 kann ein beträchtlicher Bereich des spezifischen Widerstandes, z.B. von 0,001 bis 100Sl' cm in leicht reproduzierbarer Weise realisiert werden. In typischer Weise kann die Zone 2 einen spezifischen Widerstand von etwa Ο,ΟΙιΩ.« cm für die besonderen Belange des vorliegenden Ausführungsbeispiels besitzen.

Die spezielle Übergangstiefe der Zone 2 ist bei denjenigen Anwendungsvarianten nicht kritisch, bei denen zusätzlich ein Widerstandselement eingebaut werden soll. Geht die Absicht jedoch dahin, nach der Lehre der vorliegenden Erfindung verbesserte ohmsche Kontakte auf sehr dünne Übergangsstrukturen aufzubringen, für welchen Zweck die vorliegende Erfindung sich besonders gut eignet und wobei Übergangstiefen in der Größenordnung von etwa 10 000 A* und weniger in Frage kommen, so sind die auftretenden Schwierigkeiten größer, können aber nach der Lehre der vorliegenden Erfindung durchaus überwunden werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Struktur zoiqt ein IlaLbleiterbauelement auf mit einem zur diffundierten V-Leitenden Zone führenden Kontakt 6 sowie mit einer pass1vierenden Schutzschicht J, die üblicherweise au· Siiielumdloxyd besteht und die, opfern gewünscht, gleichzeitig auch als Diffuelonemaake bei der Herstellung der diffundierten Zone dienen kann. Die !!«rute llung geschieht in der

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Regel durch thermische Erzeugung von Siliciumdioxyd auf der Oberfläche des Siliciunsubstrats 1 mit anschließender Herstellung der Diffusions fenster, wozu meist eine Photo resis tine thode in Verbindung mit Ätzschritten benutzt wird. Die Dicke der passivierenden Siliciumdioxydschicht kann in einem großen Bereich variieren, die Werte können zwischen 1000 und 20 000 Xe liegen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind Schichtstärken in der Größenordnung von 10 000 % geeignet. Die exakte Größe des Durchbruches 4 ist normalerweise durch den gewünschten Widerstand für die anschließend aufgebrachte epitaktische Zwischenschicht 5 bestimmt, welche auf die eindiffundierte Zone 2 aufzuzüchten ist. Wie gezeigt, überlagert die Kontaktöffnung 4 die diffundierten Zonen 2 fast völlig. Bei dem vorliegenden

Beispiel kann die Kontaktöffnung 4 sich z.B. über eine Fläche

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von 100 u , z.B. über ein Quadrat von 1Ou* 1Ou erstrecken.

Beim nächsten Verfahrensschritt wird die epitaktische Schicht 5 vom gleichen Leitfähigkeitstyp, wie sie der diffundierten Zone eigen ist, innerhalb der Kontaktöffnung aufgezüchtet, so daß diese Schicht die freigelegte Oberfläche der Kontaktzone 2 überdeckt. Entsprechend dem Erfindungsgedanken kann die Stärke der aufgebrachten epitaktischen Zwischenschicht 5 über einen relativ weiten Bereich variieren und zwar etwa von 500 & bis 20 000 8. Die Schichtstärke wird im allgemeinen durch den gewünschten Gesamtwiderstand für die epitaktische Schicht 5 in Verbindung mit der Flächenausdehnung und dem verfügbaren spezifischen Widerstand sowie von der Eindringtiefe des anschließend aufzubringenden metallischen Kontaktes festgelegt. FUr die Zwecke des vorliegenden AusfUhrungsbeispieles i3t eine Dickenabmessung der epitaktischen Schicht 5 von etwa 2500 8 oder 0,25 u ausreichend. Zur Herstellung von diffundierten Zon«η I mit relativ großen Tiefen, die etwa >_ 10 000 K angenommen selen, kann jedes für Silicium bekannte epituktiich«) ZUchtungsverfahren angewendet werden. Zur Herstellung einer epitaktischen P-leitenden dlffun-

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dierten Zone 2 kann beispielsweise die Oberleitung von Siliciumtetrachlorid in eine» Wasserstoffstrom benutzt werden, in den ebenfalls die erforderlichen Mengen eines P-Leitfähigkeit verleihenden Dotiermittels, beispielsweise Bor, eingegeben wird, so daß sich in der erstellten Schicht ein spezifischer Widerstand der gewünschten GrUBe ergibt.

Geht es jedoch im Bauelementkonfiguration mit sehr flachen übergängen, d.h. mit Schichten von etwa IO 000 & oder geringer, so wird die epitaktische Schicht 5 vorzugsweise durch Prozesse hergestellt, welche eine Aufheizung des Substrats auf geringere Temperaturen erfordert, d.h. auf Temperaturen die etwa bei 800° liegen. Dies geschieht, um ein zu starkes Fortschreiten der Diffusionsfronten während der Wärmebehandlung zu verhindern. Ein typischer Prozeß zum epitaktischen Niederschlagen von poly- oder monokristallinen Schichten besteht in der Reduktion von Silan (SiH.) durch pyrolytische Zersetzung bei Temperaturen, die zwischen 500 ⁰C und 1150 °G liegen oder durch den welter oben beschriebenen Prozeß.Im allgemeinen wird die Niederechlagsreaktion fortgesetzt, bis eine definierte Dicke, beispielsweise 2500 8 oder 0,25 u innerhalb der Kontaktöffnung 4 oberhalb der exponierten Oberfläche der diffundierten Zone 2 erreicht ist.

Bei der Aufbringung der epitaktischen Schicht 5 auf ein flaches Übergangsgebiet 2 kann eine Einlegierung der metallischen Schicht 6 in die epitaktische Schicht 5 erfolgen, um einen guten ohmschen Kontakt zur Diffusionszone 2 sicherzustellen. Ein Vorteil der sich bei der Benutzung einer epitaktischen Zwischenschicht 5 oberhalb eines übergangsgebietes 2 mit sehr geringer Stärke ergibt, besteht darin» daß die epitaktische Zwischenschicht einen größeren Grad der Durchlegierung gestattet, ohne daß sich hierbei Gebiete mit niedrigerer Konzentration innerhalb des Diffusionsprofils der Zone 2 einstellen, was einen unerwünscht hohen Kontaktwiderstand bedeuten würde. Weiterhin erlaubt das Vorhandensein der epitaktischen Schicht 5 eine größere Bewegungsfreiheit

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bezüglich der Ätzzeit bei der Ätzung, welche vor der Durchführung der eigentlichen Metallisierung zur Entfernung zurückgebliebener Oxyde durchgeführt wird, wobei normalerweise leicht ein übermäßiges Ätzen der passivierenden, dem Schutz des Überganges 7 dienenden, Oxydschicht 3 stattfindet. Hierdurch ergibt sich häufig durch die anschließende Metallisierung ein Kurzschluß über dem übergang.

In Fig. 2A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem Widerstandselemente in das Halbleiterbauelement einintegriert sind. Dieses Ausführungsbeispiel beschreibt eine integrierte Halbleitervorrichtung mit einem Teil eines Halbleiterplättchens aus einem monokristallinen Halbleitersubstrat 10, das typischerweise aus Silicium besteht. Das Substrat kann eine P-leitende untere Schicht 11 aufweisen, auf welche eine N-leitende epitaktische Schicht 12 aufgezüchtet wurde, über dieser zweiten Schicht befindet sich eine passivierende Schicht 13 aus Siliciumdioxyd, welche gleichzeitig auch als für den Diffusionsschritt erforderliche Maske dienen kann.

Der Transistor besteht aus der Kollektorzone 14, welche einen Teil der epitaktischen N-leitenden Schicht 12 darstellt. Weiterhin besitzt er die diffundierte P-leitende Basiszone 15 sowie eine N-leitende Emitterzone 16, die nach einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine sehr flache Übergangszone bildet. Die Basis- und Emitterzonen 15 und 16 werden durch bekannte Diffusionsverfahren erstellt, bei denen eine Oxydabdeckung in Verbindung mit der Anwendung von Photoresist- und Ätzverfahren zur selektiven Entfernung der Oxydbereiche über denjenigen Teilen des Substrates, in denen die diffundierte Zone eingebracht werden soll, benutzt wird. Anschließend findet in bekannter Weise die Einbringung der Dotierungsmaterialien in einer Atmosphäre statt, was erforderlichenfalls wiederholt wird, um so die gewünschten Funktionszonen zu erzeugen, welche in Fig. 2A das Basisgebiet 15 sowie das Emittergebiet 16 betreffen.

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In einem weiteren Verfahrensschritt werden nunmehr über jeder Kollektor-, Basis- und Emitterzone 14, 15 und 16 in den zugehörigen Kontaktöffnungen 17, 18 und 19 die zugehörigen epitaktischen Schichten 20, 21, 22 eingebracht. Die Ausbildung der einzubringenden epitaktischen Schichten 20, 21 und 22 kann für die verschiedenen Zonen zur optimalen Funktionserfüllung verschiedenartig durchgeführt werden. Normalerweise wird das Aufzüchten der epitaktischen Schicht 21 oberhalb der Basiszone in einem separaten Verfahrensschritt durchgeführt, während die Aufbringung der über dem Kollektor und dem Emitter befindlichen epitaktischen Schichten 20 und 22 entweder gleichzeitig oder ebenfalls in unterschiedlichen Verfahrensschritten durchgeführt wird, was von den jeweils gewünschten relativen spezifischen Leitfähigkeiten abhängt.

Wie bereits erwähnt, kann gegebenenfalls jede der epitaktischen Zwischenschichten gleichzeitig zur Realisierung eines Widerstandselementes und/oder zur Verbesserung der ohmschen Kontakteigenschaften bei sehr dünnschichtigen übergängen benutzt werden.

Die gezeigte Struktur wird nunmehr durch einen Metallisierungsverfahrensschritt abgeschlossen, bei dem ein gut leitendes Metall, beispielsweise Aluminium, auf dem Substrat aufgebracht und durch Photoresist- und Ätzverfahren selektiv entfernt wird, so daß sich die Form der Kontakte 23, 24 und 25 für die Kollektor- Basis- und Emitterzone des Transistors ergibt.

Die Schaltkonfiguration nach Fig. 2A ist in Fig. 2B nach Art eines Ersatzschaltbildes nochmals aufgezeichnet, bei denen die epitaktischen Schichten 20, 21 gezeigt sind und zwar in der genannten Reihenfolge als Kollektorwiderstand 2OA (RC), als Basiswiderstand 2IA (RB) und als Emitterwiderstand 22A (RE), deren Werte festgelegt sind durch die spezifischen Widerstände und die Geometrie der dies· Widerstände realisierenden «pltaktischen Schichten.

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Bine selektive Variation der Widerstände 2OA, 2IA und 22A ist aus der untenstehenden Tafel zu ersehen» wobei die Variation durch eine entsprechende Änderung der spezifischen Leitfähigkeiten der auf Kollektor-, Basis- und Emitterzonen aufgewachsenen epitaktischen Schichten 20, 21 und 22 erreicht wurde. Als konkrete Daten bezüglich der Vorrichtung nach Fig. 2A seien noch folgende Einzelheiten angegeben:

Passivierende Silielimiioscydschicht: IO 000 S; Kontaktfenster: 1,25 · ίο"³ χ 1,25 · 10³ cm² bzw. 2,5 · 10~³ χ 2,5 · ίο"³ ca²-, Dicke der apitaktisch in den Kontaktfenstern niedergeschlagenen Schicht 2500 X und zwar für Kollektor-, Basis- und Enitterkontakte« Die Widerstandewerte wurden nach &©r Gleichung R ■ p* L/A berechnet, wobei ρ den. spezifischen Widerstand der epi taktischen Schicht, L deren Dicke und A die ve» äcx epitaktischen Schicht bzw. von den. «älesen zugeordneten öffnungen c-iiiffaoraaenen Fläche bedeutet»

Vorwider	Fläche de··	ept;-	iL :f"tisr	Widerstand	der	10,0	100,0
stand	«pitaktlßctieü.			üüwis chens ohich t	1000	10000
	Zwischenschicht	0^01	L""1 *	σι "3	250	2500
	Lp2J	1	Orl	IfO	1000	lOOOO
RC-2OA	25	100	iO	100	250	2500
H	100	i	2,5	25	1000	10000
RB-2IA	25	100	10	100	250	2500
N	100	1	2,5	25
RE-22A	25	100	10	100
M	100	2,5	25

Docket H tbtl

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Claims (5)

1. - η- ■■■.■'■■■■.■

   P AT E N TA N S P RÜG HE

   Ohmscher Kontakt auf planeren Halbleiterbauelementen, insbesondere auf solchen mit sehr dünnen, übergänge bildenden Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der jeweils zu kontaktierenden Zone (2) und demmetallischenBereich seines Kontaktes (6) eine Zwischenschicht (5) vorgesehen ist, daß diese Zwischenschicht im gleichen Sinne wie die zu kontaktierende Zone dotiert ist und fast die gesamte Oberfläche der zu kontaktierenden Zone überdeckt.
2. 2. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht erheblich stärker als die darunterliegende Zone dotiert ist.
3. 3. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht geringer als die darunterliegende Zone dotiert 1st.
4. 4. Ohmseber Kontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärkeund/oder die spezifische Leitfähigkeit der Zwischenschicht so gewähltsind, daß diese gleichzeitig als Vorwiderstände für die zugehörigen Bauelementelektroden wirksam sind.
5. 5. Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten auf planaren Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß durch bekannte Photoresist- und Ätzverfahren in einer maskierenden Schicht auf dem Halbleiterbauelement oberhalb der zu kontaktierenden Zonen Fenster freigelegt werden, die fast die gesamte Oberfläche dieser Zonen überdecken, daß innerhalb dieser Fenster eine epitaktische Schicht auf die zu kontaktierenden Zonen aufgezüchtet wird, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die darunterliegende Zone aufweist und daß auf diese Zwischenschicht das Kontaktmaterial aufgebracht wird.

   Docket FI 968 104

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