DE2538600C2 - Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten auf Gallium und Arsen umfassenden Halbleiterkörpern - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten auf Gallium und Arsen umfassenden HalbleiterkörpernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten auf Gallium und
Arsen umfassenden Halbleiterkörpern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche ohmschen Kontakte sind z. B. aus der US-PS 68 659 bereits bekannt.
Halbleiterbauelemente einschließlich integrierter Schaltungen haben in letzter Zeit großes Interesse erfahren,
GaAs ist bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren, (FET), IMPATT-Dioden und Laser brauchbar.
Hierbei werden üblicherweise zuverlässige ohmsche Kontakte mit niedrigem Widerstand auf der Halbleiteroberfläche
benötigt. Derzeit werden Kontaktierungen typischerweise durch Niederschlagen eutektischer
Gold/Germaniumlegierungen oder Zinn-Legierungen auf der Oberfläche von GaAs, gefolgt von einem für ein
Aufschmelzen des Metalles ausreichenden Erhitzen hergestellt, um dadurch die Metallschicht mit dem Halbleiter
zu legieren. Diese Kontaktierungsverfahren liefern ohmsche Kontakte, die für die meisten Zwecke brauchbar
sind. Jedoch ist dem Anschmelzverfahren ein wesentlicher Nachteil eigen, nämlich die schlechte Kontrolle
über die genauen Abmessungen der Kontaktmetallisierung. Diese mangelnde Kontrolle über die Abmessungen
ist insbesondere dort störend, wo nur kleine Gebiete für die Kontaktierung verfügbar sind.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallisierung sowie ein Verfahren hierfür verfügbar
zu haben, das zu ohmschen Kontakten mit genau
ίο definierten Abmessungen führt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst
Die Metallschicht wird auf dem Halbleiterkörper entweder in Form diskreter Einzelschichten oder als eine
Legierung gebildet. Die Schicht wird dann ausreichend hoch erhitzt, um eine Austauschdiffusion zwischen der
Metall- und der Halbleiterkomponente zur Bildung des ohmschen Kontaktes zu bewerkstelligen, jedoch nicht
so hoch erhitzt, daß das Metall aufschmilzt Beispielsweise wurden aufeinanderfolgende Schichten aus Ge
und Pd auf die Oberfläche eines GaAs-Halbleiterkörpers
niedergeschlagen und auf 350 bis 500° C erhitzt und man erhielt einen Kontakt mit ohmschen Verhalten,
ohne daß dabei ein Aufschmelzen auftrat, und demgemaß
eine gute Abmessungskontrolle gegeben war.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen
erläutert; «s zeigen
F i g. 1 bis 3 Schnittansichten eines Halbleiterbauelementes
zur Darstellung der einzelnen Kontaktierungsstadien.
Die Figuren sind im Interesse einer besseren Erläuterung nicht notwendigerweise maßstabsgerecht
Bei einer Ausführungsform der Erfindung war das Ausgangsmaterial ein η-leitendes GaAs-Substrat 10 (Fig. 1), das mit etwa 1,5 · 1018 Atomen cm-J Te oder Si dotiert war. Auf einer Oberfläche des Substrates 10 wurde im Epitaxieverfahren aus der Dampfphase eine Schicht 11 von η-leitendem GaAs niedergeschlagen, das mit etwa 1016 Schwefelatomen cm-3 dotiert war.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung war das Ausgangsmaterial ein η-leitendes GaAs-Substrat 10 (Fig. 1), das mit etwa 1,5 · 1018 Atomen cm-J Te oder Si dotiert war. Auf einer Oberfläche des Substrates 10 wurde im Epitaxieverfahren aus der Dampfphase eine Schicht 11 von η-leitendem GaAs niedergeschlagen, das mit etwa 1016 Schwefelatomen cm-3 dotiert war.
Danach wurden (F i g. 2) je etwa 50 nm dicke Germanium- und Palladium-Dünnschichten 12 bzw. 13 nacheinander
auf die Epitaxieschicht 11 niedergeschlagen. Im speziellen Fall wurde zwar der Niederschlag mit
Hilfe Elektronenstrahl-Vakuumverdampfung erzeugt, es können aber auch andere übliche Niederschlagsmethoden,
z. B. kathodische Zerstäubung, benutzt werden. Ein bevorzugter Dickenbereich für die Germaniumschicht
wurde als zwischen 10 und 100 nm liegend gefunden, um es der Palladium-Schicht zu ermöglichen,
zum Substrat hin durchzudiffundieren. Die Palladiumschicht kann dicker sein, wobei ein bevorzugter Bereich
zwischen 30 nm und einem Mikrometer liegt. Die Gestalt der Metallisierung wurde nach üblichen photolithographischen
Methoden ausgeformt. Das heißt, die Metallisierung wurde auf die ganze Oberfläche niedergeschlagen
und dann mit einem Photolack beschichtet, der dann durch eine Maske hindurch belichtet wurde,
gefolgt von einer Entwicklungsbehandlung und einem Ätzschritt, um die Metalle in den nicht vom Photolack
geschützten Gebieten wegzuätzen. Die Ätzung der Pd-Schicht erfolgt in einer Lösung aus 0,75 g K2Cr2Oz,
75 ml H3PO4, 25 ml H2O und 5 ml HCI. Die Ätzung der
Ge-Schicht erfolgte in einer Lösung aus 45 ml NHO3, 27 ml CH3COOH und 28 ml HF.
Die Probe wurde dann in Vakuum bei annähernd 500° C gesintert, bis der Kontakt gutes ohmsches Verhalten
zeigte, was im betrachteten Beispiel eine etwa
2 Stunden lange Warmbehandlung erforderte. Die resultierende Anordnung ist in F i g. 3 dargestellt Röntgenstrahlungs-Beugungsuntersuchungen
des Kontaktes 14 ergaben die Gegenwart von PdGe, PdGa und PdAs?.
während unreagiertes Pd vollkommen fehlte, obgleich zu erwarten ist, daß Pd-reiche Verbindungen wie Pd2Ge
oder PdjGa entstehen werden, wenn überschüssiges Pd
im System vorhanden ist Die Feinstrukturuntersuchung der Anordnung zeigte keinerlei Anzeichen eines Aufschmelzens
der Schicht in Folge der Warmbehandlung. Desweiterer; blieben die geometrischen Abmessungen
des Kontaktgebietes wohl definiert
Da die Metallschicht gesintert und nicht geschmolzen wird, ist eine gute Kontrolle der geometrischen Form
des Kontaktes möglich. »Sintern« bedeutet vorliegend eine Austauschdiffusion der Metallkomponenten in den
Halbleiter und der Halbleiterkomponenten in das Metall, um eine zusammenhängende Masse ohne Aufschmelzen
zu bilden.
Als wesentlich sei bemerkt, daß — im Unterschied zur
Kombination — weder Germanium allein noch Palladium allein ohmsche Kontakte auf η-leitenden GaAs bildet.
Gleichfalls können anscheinend auch keine guten ohmschen Kontakte auf p-leitendem Material mit dieser
Kombination erzeugt werden. Weiterhin sollte Ge zuerst auf die Halbleiteroberfläche niedergeschlagen werden.
Man nimmt deshalb an, daß die Dotierung von GaAs mit Ge, wobei das Ge als Donator wirkt, offensichtlich
für einen ohmschen Kontakt notwendig ist, während das Pd offensichtlich erforderlich ist, um die
Diffusion von Ge in GaAs durch eine Schwemm-Wirkung zu beschleunigen und an einem Ladungsaustauschprozeß
teilzunehmen, der das Ge zu einem Donator macht. Diese Theorie ist lediglich als eine mögliche
Erläuterung des dem Prozeß zugrunde liegenden Mechanismus aufzufassen, bedeutet aber keineswegs eine
Beschränkung hierauf.
Elektrische Daten wurden für die wie oben beschrieben behandelte Probe mit einer Oberflächendotierungskonzentration
von 1,5 · 1018 Atome cm-3 ebenso auch für η-leitende Proben mit Dotierkonzentrationen von
1,2 · 1016 Atome cm~3 und einmal 1017 Atome cm-3, die
identisch behandelt wurden, wie folgt erhalten. Es wurde festgestellt, daß der spezifische Kontaktwiderstand
(= Verhältnis von Spannungsabfall zur Stromdichte am Kontakt) eine Funktion der Dotierkonzentration war,
wobei spezifische Kontaktwiderstände von 3,5 · 10-5Ohm cm2, 1,7 ■ 10-1OhIn cnv und
3 · 10-"Ohmcm2 für Proben mit Oberflächendotierstoffkonzentrationen
von 1,5-1018AtOnIeCm-3,
1 ■ 1017 Atome cm-3 bzw. 1,2 · 1016 Atome cm-3 gefunden
wurden. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen wurde gezeigt, daß weniger heftige Warmbehandlungen
zum Erhalt guter ohmscher Kontakte Dei höher dotierten Proben erforderlich waren. Beispielsweise ist
für eine Probe mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10lb Atomen cm-3 eine etwa 2 Stunden lange Sinterung
bei 500° C für gute ohmsche Kontakte generell erwünscht, während eine 15 Minuten lange Warmbehandlung
bei 35O0C zur Erzeugung guter ohmscher bo
Kontakte auf Proben ausreichend war, deren Dotierstoffoberflächenkonzentration etwa 2 · 1018 Atome
cm-3 betrugt. In dieser Hinsicht wird allgemein unter
einem guten ohmschen Kontakt ein solcher verstanden, der eine weitgehend lineare Strom-Spannung-Kennlinie
bis zu 10 Milliampere besitzt. Für die meisten Anwendungsfälle sollte der spezifische Kontaktwiderstand
kleiner als ΙΟ-3 Ohm cm2 sein.
Auf Grund von Versuchen wurde es als zweckmäßig befunden, daß die Sinterung vorteilhaft 5 Minuten bis
24 Stunden lang bei 200 bis 7000C durchgeführt werden sollte. Mildere Warmbehandlungen werden nicht zu guten
ohmschen Kontakten führen, während stärkere Warmbehandlungen zu Aufschmelzen führen können.
Die optimale Warmbehandlung liegt bei 10 Minuten bis 3 Stunden langem Erhitzen auf 300 bis 550° C, die, wie
beschrieben, ohmsche Kontakte liefert, deren elektrische
Eigenschaften mit denen bekannter Legierungsmethoden vergleichbar sind, wobei zugleich gute Kontrolle
der Abmessungen erhalten bleibt
Das Verfahren ist vorstehend anhand der Bildung eines ohmschen Kontaktes auf einem η-leitenden GaAs-Halbleiter
beschrieben worden. Aufgrund des Reaktionsniechanismus
leuchtet jedoch ein, daß andere Halbleiter, die Ga und As enthalten, z. B. GaAsP und
GaAlAs, gleichermaßen mit Vorteil nach dem vorliegenden Verfahren kontaktiert werden können. Es sollte
sich auch verstehen, daß das Germanium und das Palladium auf dem Halbleiter in Form einer Legierung anstelle
in Form diskreter Schichten niedergeschlagen werden kann. Bei einer typischen Ausführungsform
würde die Legierung etwa gleiche Mengen an Ge und Pd enthalten. Nach dem Niederschlagen der Legierung
auf der Oberfläche nach üblichen Methoden würde dann der vorstehend beschriebene Sinterungsschritt
zum Erhalt eines ohmschen Kontaktes durchzuführen sein.
Schließlich sei bemerkt, daß die Warmbehandlung vorzugsweise unter Vakuum durchgeführt wird, jedoch
auch unter anderen, inerten Atmosphären wie Stickstoff oder Argon, oder in Luft ausgeführt werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten auf η-leitenden Oberflächen von Gallium und
Arsen umfassenden Halbleiterkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des
Halbleiterkörpers (10) eine aus Germanium und Palladium aufgebaute Metallisierung erzeugt und die
resultierende Anordnung ausreichend hoch und lange erhitzt wird, um die Metallisierung mit dem Halbleiter
ohne Aufschmelzen der Metallisierung zur Reaktion zu bringen, so daß ein ohmscher Kontakt auf
der Halbleiteroberfläche erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung erzeugt wird durch
Niederschlagen einer ersten, Germanium umfassenden Metallschicht (12) auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers,
gefolgt von einem Niederschlagen einer zweiten, Palladium umfassenden Metallschicht
(13) auf der ersten Schicht
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (12) in einer Dicke
von 10 bis 100 nm niedergeschlagen wird und die zweite Schicht (13) in einer Dicke von 30 nm bis
1 Mikrometer.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung durch Niederschlagen
einer Germanium und Palladium umfassenden Legierung auf die Halbleiteroberfläche gebildet
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der beschichtete Halbleiterkörper
fünf Minuten bis 24 Stunden lang auf 200 bis 700° C erhitzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der beschichtete Halbleiterkörper
10 Minuten bis 3 Stunden lang auf 300 bis 550° C erhitzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung solange
erfolgt, bis die Metallisierung einen spezifischen Kontaktwiderstand von weniger als
1 · 10~3 Ohm cm2 aufweist.
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