DE2128360A1 - Verfahren zur Bildung von ohmschen Kontakten an Metall Isolator Halbleiter bauteilen - Google Patents

Verfahren zur Bildung von ohmschen Kontakten an Metall Isolator Halbleiter bauteilen

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Description

Dipl.-Ing. H. Sauenland · Dr.-Ing. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen
Patentanwälte · Aoao Düsseldorf · Cecilisnallea ys . Telefon 43273a
Unsere Akte: 26 699 7. Juni 1971
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y, 10020 (V.St.A.)
"Verfahren zur Bildung von ohmschen Kontakten an Metall-Isolator-Halbleiterbauteilen"
Die Erfindung betrifft Halbleiterbauteile, und insbesondere ohmsche Kontakte für Metall-Isolator-Halbleiterbauteile (MIS).
Ein Metall-Isolator-Halbleiterbauteil, zeB. ein Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode weist typischerweise einen Körper aus Halbleitermaterial auf, der in der Nähe einer seiner Oberflächen ein Source- und Drain-Gebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps hat, die durch ein Channelgebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps getrennt sind, wobei der Körper mit einer auf der Oberfläche des Halbleiters oberhalb des Channelbereichs angeordneten Isolierschicht und einer Gate-Elektrode (üblicherweise aus Metall) versehen ist. Die restliche Oberfläche des Halbleiters ist üblicherweise mit einer Passivierschicht bedeckt, in der in der Nähe des Isolators öffnungen vorgesehen sind, so daß ohmsche Kontakte an dem Source- und Drain-Gebiet hergestellt werden können.
Die elektrische Arbeitsweise der im vorstehenden erwähnten Bauteile ist abhängig von der Leitfähigkeit des Channelgebiets, welches seinerseits von der Spannung an der Gate-
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Elektrode gesteuert wird. Wenn an der Gate-Elektrode eine genügend hohe Spannung der richtigen Polarität angelegt wird, bildet sich im Channelgebiet unterhalb des Isolators eine dünne Inversionsschicht des ersten Leitfähigkeitstyps. Die Source- und Drain-Gebiete sind dann durch eine Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp verbunden und der Bauteil wird leitend.
Die Leitfähigkeit des Channelgebiets hängt auch von den elektrischen Eigenschaften des Isolators, z.B. seiner Dicke und seiner Dielektrizitätskonstante ab; insbesondere hängt sie auch von Beschädigungen und Gitterfehlstellen im Isolator ab, die eine Netto-Ladungsverteilung im Isolator hervorrufen. Die resultierende Ladung zieht eine entgegengesetzte Ladung im unter ihm gelegenen Channelgebiet an, wodurch die Leitfähigkeit und die Bildung der Inversionsschicht beeinträchtigt werden.
Die Isolierschicht wurde bisher leicht beschädigt, wenn auf der·Oberfläche des Bauteils eine Metallschicht aufgebracht wurde. Wenn das Metall auf der Oberfläche des Bauteils abgeschieden wurde, drang es in den Isolator ein und unterbrach dessen Gitterstruktur. Dies war insbesondere bei hochtemperaturfesten, hochbetriebssicheren Metall-Systemen, ,wie z.B. bei Bauteilen mit streifenartigen Leitern (beam-lead) der Fall, bei denen hitzebeständige Edelmetalle, wie z.Be Platin, verwendet werden. Hitzebeständige Metalle werden üblicherweise in einer Art von hochenergetischem Beschüß, z.B. durch Aufsprühen oder Aufdampfen mittels einer Elektronenschleuder oder -kanone abgeschieden; der Isolator wird jedoch während des Aufsprühverfahrens auch mit einem Plasmagas und beim Elektronenschleuder-Verfahren mit Röntgenstrahlen beschossen. In beiden Fällen erfolgt eine erhebliche Beschädigung des Isolators. Die hochenergetischen Teilchen verdrängen die Atome im Isola-
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tor, wodurch Fang- oder Trapzentren gebildet werden und Ladungsverschiebungen von Anionen und Kationen die Folge sind. Hieraus resultiert eine Ladungsanhäufung in der Mhe der Isolator-Channelgebiet-Trennflache, wodurch die anschließende Arbeitsweise des Bauteils erheblich beeinträchtigt wird. Bei einem typischen MIS-Bauteil führt die Plasmabestrahlung beispielsweise zu einer Schwellspannung von 10 bis 15 Volt, was für die meisten Anwendungsfälle, z.B. für Speicherschaltungen mit einer niedrigen Schwellspannung von etwa +0,1 Volt, unbrauchbar ist. Ein Großteil der Beschädigungen kann zwar durch Wärmebehandlung der Bauteile wieder rückgängig gemacht werden, so daß die Schwellspannung auf einen Wert von etwa +0,2 Volt herabgedrückt wird, jedoch lassen sich die Beschädigungen nicht gänzlich entfernen, und zwischen den einzelnen Bauteilen besteht eine große Verschiedenheit, die sie für die meisten Änwendungsfälle unbrauchbar macht. Es besteht deshalb ein Erfordernis zur Schaffung eines Verfahrens zum Abscheiden hochbetriebssicherer Metallkontakte, die den Isolator nicht beschädigen.
Auch andere bekannte Verfahren zum Aufbringen einer Metallschicht auf dem Bauteil, z.B. Aufdampfen oder stromlose Abscheidung arbeiteten nicht zufriedenstellend. In beiden Fällen wird das Metall wahllos auf der gesamten Oberfläche des Bauteils abgeschieden und durchdringt nicht die natürlich vorkommenden Oxidschichten in den Halbleiterkontaktöffnungen. Ohmsche Kontakte werden deshalb nicht erreicht, wenn das Metall nicht durch die Oxide oder Beschädigungen in ihnen hindurchgesintert wird, und die resultierenden Elektroden haben einen hohen spezifischen Anschlußwiderstand, was insbesondere bei hochbetriebssicheren Bauteilen unerwünscht ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Nachteile vermieden.
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Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig, 1 bis 7 Querschnitte durch einen typischen, in der erfindungsgemäßen Weise mit Metallschichten versehenen MIS-Bauteil.
Beispiel 1
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines vor dem Abscheiden der Metallkontakte in einem Halbleiterplättchen 10 hergestellten MIS-Bauteils. Der vorliegende Bauteil ist zwar Teil eines integrierten Schaltkreises mit einer großen Anzahl anderer Komponenten, jedoch ist die Erfindung auch auf einzelne Bauelemente anwendbar. Der vorliegende Bauteil weist Source- und Drain-Gebiete 12 und 14 mit P+ Leitfähigkeit auf, die durch ein N-leitendes Channelgebiet 16 getrennt sind. Auf der Oberfläche des Plättchens 10 liegt eine dicke Passivierschicht 18, von der ein Teil entfernt ist, um die aktiven Oberflächen der Source-, Drain- und Channelgebiete 12, 14 und 16 freizulegen. Ein Gate-Isolator 20 ist auf der freigelegten Oberfläche gezüchtet und selektiv geätzt, so daß Anschlußöffnungen 22 und 24 zum Source- und Drain-Gebiet 12 und 14 gebildet sind. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Metallkontakte werden dann in der im folgenden beschriebenen Weise auf den Bauteiloberflächen abgeschieden.
Zunächst wird auf den freigelegten Halbleiteroberflächen in den Öffnungen 22 und 24 eine dünne Schicht 30 eines Metalls der Platingruppe'durch sogenannte Tauch-Verdrängung (immersion-displacement) aufgebracht, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Grundsätzlich basiert das Tauch-Verdrängungs-Beschichtungsverfahren auf einer elektrochemischen Austauschreaktion,· bei der die Halbleiteratome an der Ober-
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fläche des Plättchens 10 durch solche des gewünschten Metalls substituiert werden, wie durch die Reaktion eines Platinkontakts an einem Siliziumplättchen erläutert werden kann: Si + 2Ρΐ++>3χ+++++ 2Pt. Entsprechend der elektrochemischen Natur der Reaktion können auch andere Metalle der Platingruppe durch Verdrängung abgeschieden werden. Die Platingruppe umfaßt neben Platin im wesentlichen Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium und Iridium. Alle diese Metalle bilden gute ohmsche Kontakte; Palladium wird jedoch bevorzugt verwendet, da es relativ billig und leicht verfügbar ist.
Das Tauch-Verdrängungsverfahren wird durch Eintauchen des Plättchens 10 in eine mit Fluorwasserstoffsäure angesäuerte Salzlösung des erforderlichen Metalls durchgeführt. Die Fluorwasserstoffsäure ätzt die dünne Oxidschicht auf den Anschlußöffnungen 22 und 24 ab und legt so das darunterliegende Halbleitermaterial frei. Die Metallionen werden dann durch Substitution auf der Halbleiteroberfläche abgeschieden, bis das ursprüngliche Oxid entfernt ist und die Anschlußöffnungen 22 und 24 mit einer dünnen Schicht 30 aus dem gewünschten Metall beschichtet sind. Die Dicke der Schicht 30 kann verändert werden, und sie kann in Abhängigkeit von dem speziellen Metall und den Reaktionsbedingungen in einem breiten Bereich von etwa 50 bis 1000 A Dicke abgeschieden werden.
Beim vorliegenden Verfahren wird die Metallschicht 30 nur auf den Anschlußöffnungen abgeschieden, wo das Halbleitermaterial freiliegt. Die restliche Oberfläche des Plättchens 10, die mit einer dicken Isolierschicht bedeckt ist, wird durch das Verdrängungsverfahren nicht beeinflußt. Nachfolgende ' Maskier- und Ätzschritte, wie bei den bekannten Abscheidungsverfahren, sind deshalb zur Bildung des gewünschten Musters der Metallschicht für die ohmschen Anschlüsse
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nicht erforderlich.
Der Bauteil wird dann erwärmt, um die Metallschicht 30 in das Plättchen 10 einzusintern. Die Metallschicht 30 geht in die Source- und Drain-Gebiete 12 und 14 über und bildet ein schmales Metall-Halbleiter-Legierungsgebiet 32 (Fig. 3) an der Zwischenfläche der Anschlußöffnungen 22 und 24. Das Legierungsgebiet 32 dient als "Keimzone" für das Aufbringen zusätzlicher Metallschichten. Insbesondere haben die Anschlußöffnungen 22 und 24 eine Legierungsoberfläche, die eine gut haftende, ohmsche Verbindung mit anschließend aufgebrachten Metallschichten bildet. Wegen der neutralen Eigenschaften der Metalle der Platingruppe können außerdem viele andere Metalle mit dem Halbleitermaterial verbunden werden. Die Metalle der Platingruppe bilden außerdem mit N- und P-leitendem Material gleich gute Kontakte, und das Verfahren ist deshalb besonders brauchbar zur Herstellung von komplementären symmetrisehen Bauteilen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zweite Schicht eines Metalls der Platingruppe aufgebracht und in die Halbleiter-Anschlußöffnungen 22 und 24 eingesinterte Im allgemeinen wird eine zweite Metallschicht von 300 bis 1000 S. Dicke abgeschieden, wenn die erste Schicht sehr dünn ist (50 bis 300 8. dick). Beim Sintern dringt auch die zweite Schicht in die Source- und Drain-Gebiete 12 und 14 (Fig. 3) ein und verbessert die Güte des Metall-Halbleiter-Legierungsgebiets . 32.
Die zweite Metallschicht muß nicht notwendigerweise mit dem Tauch-Verdrängungsverfahren abgeschieden werden. Sie kann auch nach anderen Verfahren, z.B. durch stromlose Abscheidung aufgebracht werden. Bei der stromlosen Abscheidung wird die zweite Metallschicht nur auf den Abschnitten
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der Oberfläche des Bauteils abgeschieden, die von der ersten Metallschicht bedeckt sind; sie muß deshalb nicht von der restlichen Bauteiloberfläche entfernt werden. Durch die Wirkung der ersten Metallschicht als "Keimzone" wird außerdem die Abscheidung eines anderen Metalls in der zwei ten Schicht möglich. So kann beispielsweise stromlos eine ,Platinschicht auf einer ersten Schicht aus Palladium aufgebracht werden. .
Die stromlose Abscheidung der zweiten Schicht eines Metails der Platingruppe wird bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens alternativ unmittel-• bar nach der Verdrängungsplattierung der ersten Schicht durchgeführt. Dies erfolgt durch Zumischen der Lösung für die stromlose Metallabscheidung direkt in die Lösung für die Tauch-Verdrängung, während der Bauteil in der Lösung verbleibt. Auf diese Weise wird die zweite Metallschicht stromlos auf der ersten Metallschicht abgeschieden, ohne daß der Bauteil der Luft ausgesetzt wird und ohne daß eine Sinterung zwischen den beiden Abscheidungsschritten erfolgt. Der Bauteil wird dann aus der Plattierlösung heraus genommen, und die doppelte Metallschicht wird in ähnlicher Weise, wie im vorstehenden beschrieben, in die Halbleiter-Anschlußöffnungen 22 und 24 eingesintert.
Nach dem Sintern der Metallschichten wird wenigstens eine weitere Metallschicht in den gesinterten Anschlußöffnungen 22 und 24 auf der Bauteiloberfläche abgeschieden, um die elektrischen Verbindungen zum Bauteil fertigzustellen. Typischerweise werden eine oder mehrere Metallschichten auf der gesamten Oberfläche des Bauteils abgeschieden und selektiv abgeätzt, um die gewünschten elektrischen Verbindungen herzustellen. Die Fig. 4 bis 7 stellen das aufeinanderfolgende Abscheiden und Abätzen einer Reihe von Metallschichten eines typischen Bauteils mit streifenartigen
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Leitern dar. Der dargestellte Bauteil besteht aus aufeinanderfolgenden Schichten von Titan 40, Palladium 42, Gold 44 und einer weiteren Goldschicht 46. Der Bauteil ist im . folgenden Beispiel näher beschrieben,, Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf ein bestimmtes Leitersystem beschränkt, sondern ist auch bei anderen Metallsystemen in gleicher Weise verwendbar.
Beispiel 2
Falls die Kontakte aus Palladium hergestellt werden, können eine Vielzahl von Palladiumsalzen, z.B. Chloride, Bromide oder komplexere Salze in der Tauch-Verdrängungslösung verwendet werden. Im allgemeinen sollte die Lösung 0,4 g Palladium pro Liter Lösung enthalten, und es sollte genügend Fluorwasserstoffsäure zugesetzt werden, so daß die Lösung einen pH-Wert zwischen 4,5 und 0,8 hat. Der mit den zu beschichtenden Anschlußöffnungen versehene Bauteil wird in diese Lösung eingetaucht, und das Metall scheidet sich nur auf den freiliegenden Halbleiteroberflächen ab. Im typischen Fall dauert die Reaktion etwa 30 bis 60 Sekunden und ergibt eine Palladiumschicht von etwa 200 2. Dicke. Der Bau-P teil wird dann für etwa 10 Minuten auf 45O0C erwärmt, um das Palladium in die Anschlußöffnungen einzusintern.
Dann wird eine zweite Palladiumschicht von etwa 500 S. Dicke durch stromlose Abscheidung aufgebracht und der Bauteil dann etwa 20 Minuten lang auf 450°C gebracht, um die Schipht in die Anschluß öffnungen 22 und 24 einzusintern.
Danach wird die restliche Metallabscheidung des Leitersystems auf der Bauteiloberfläche aufgebracht, wie in den Fig. 4 bis 7 gezeigt ist. Zunächst werden, wie aus Fig. 4 hervorgeht, aufeinanderfolgende Schichten von Titan 40 und einem Metall 42 der Platingruppe auf der Bauteiloberfläche
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und den' gesinterten Anschlußöffnungen 22 und 24 aufgedampft. Für die zweite Schicht 42 wird üblicherweise Platin verwendet, jedoch ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Palladium gewählt, weil es einfacher und mit erheblich geringerer Energie als Platin aufgedampft werden kann.
Die Palladiumschicht 42 wird dann selektiv geätzt (Figo 5) um das gewünschte Elektrodenmuster zu bilden, während die Titanschicht nicht angegriffen wird, so daß, wenn erforderlich weitere Metallschichten galvanisch auf der Bauteiloberfläche abgeschieden werden können. Das Ätzen wird mit einer nur das Palladium und nicht das Titan angreifenden Lösung, z.B6 Kaliumiodid und Jod, durchgeführt.
Die Bauteiloberfläche wird dann selektiv abgedeckt, so daß die Palladiumleitungen 42 freiliegen, und eine Goldschicht 44 wird galvanisch auf ihnen aufgebracht, wie in Fig0 6 gezeigt ist. Die Bauteiloberfläche wird dann so entmaskiert, daß Teile der Gold- und Titanschicht 44 und 40 freiliegen, und eine dicke Goldschicht 46 wird hierauf galvanisch abgeschieden (Fig« 7) um die resultierenden Gold-Streifen zu bilden.
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Die unbeschichteten Abschnitte der Titanschicht 40 werden dann von der Bauteiloberfläche entfernt, um die Bildung der streifenartigen Leiter abzuschließen, wie in Fig. 7 gezeigt ist«, Dabei wird eine nicht mit Gold öder Palladium reagierende Ätzlösung, z.B. eine Lösung aus 50% Schwefelsäure, 10% Wasserstoffperoxid und 40% Wasser, verwendet, so daß die streifenartigen Leiter durch den Ätzprozeß mit Ausnahme einer leichten Hinterschneidung an den Rändern der Titanschicht 40 nicht angegriffen werden.
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Claims (1)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,
    New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche:
    /Ί> Verfahren zum Bilden von ohmschen Kontakten auf der Oberfläche eines Metall-Isolator-Halbleiterbauteils mit Halbleiter-Anschlußöffnungen neben dem Isolator, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiter-Anschlußöffnungen (22, 24) eine Schicht (30) aus einem Metall der Platingruppe abgeschieden wird, indem der Bauteil in eine mit Fluorwasserstoffsäure angesäuerte Salzlösung des Metalls eingetaucht wird, daß der Halbleiterbauteil zum Einsinteren der Metallschicht (30) in die Anschlußöffnungen (22, 24) erhitzt wird, und daß schließlich auf der Oberfläche und den gesinterten Anschlußöffnungen wenigstens eine weitere Metallschicht'(40) aufgebracht wird. '
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall der Platingruppe Palladium verwendet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeic h;n et , daß vor dem Aufbringen der weiteren Metallschicht (40) bzw, -schichten (42, 44, 46) auf der Oberfläche und den gesinterten Anschlußöffnungen eine zweite Schicht aus einem Metall der Platingruppe auf den Anschlußöffnungen abgeschieden und in sie eingesintert wird. ....
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Metallschicht durch
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    stromloses Abscheiden aufgebracht wird.
    5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Metallschicht eine Palladiumschicht mit einer Dicke von etwa. 100 2. abgeschieden wird.
    6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, aus einem Metall der Platingruppe bestehende Schicht auf der ersten Schicht durch Beimischen der für das stromlose Abscheiden des Metalls erforderlichen Lö-
    . sung zur Salzlösung abgeschieden wird, worauf die Doppel-Schicht in die Anschlußöffnungen eingesintert wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen von streifenartigen Leitern auf der Oberfläche des Halbleiterbauteils eine Titanschicht auf der Oberfläche und den gesinterten Anschlußöffnungen abgeschieden wird, daß dann auf der Titanschicht eine Schicht aus einem Metall der Platingruppe und schließlich auf der Schicht aus dem Metall der Platingruppe wenigstens eine Schicht aus Gold abgeschieden wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Titanschicht auf die Oberfläche und den gesinterten Anschlußöffnungen eine zweite Schicht aus einem Metall der Platingruppe auf den Anschlußöffnungen abgeschieden und in sie eingesintert wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß als Metall der Platingruppe während des gesamten Verfahrens Palladium verwendet wird. · ·"■
    1098 83/1S8B H
    10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 "bis 9, dadurch -gekennzeichnet, daß eine zweite Schicht aus einem Metall der Platingruppe auf der ersten Schicht durch Beimischen der für das stromlose Ausscheiden des Metalls erforderlichen Lösung zur Salzlösung abgeschieden wird, worauf die Doppel-Schicht in die Anschlußöffnungen eingesintert wird.
    1 09883/ 1 68t>
    lh
    Leerseite
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