DE2720893C3 - Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht oder eines ohmschen Kontakts - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht oder eines ohmschen Kontakts

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht oder eines ohmschen Kontakts, bei dem die Oberfläche eines oxidierten Siliciumplättchens mit einem Stickstoffgas, das neutralen atomaren Stickstoff enthält, beaufschlagt wird und danach eine Metallschicht auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Bei dem aus der DE-AS 22 33 541 bekannten Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht wird das oxidierte Siliciumplättchen zunächst einem Stickstoffplasma ausgesetzt, das, wenn es sich nicht um ein vollionisiertes Plasma handelt, neben Ionen und Elektronen und ggf. Stickstoffmolekülen auch neutralen atomaren Stickstoff enthält, um auf der Oberfläche des Siliciumplättchens adsorbierte Gase freizusetzen. Anschließend werden in der gleichen Vorrichtung durch Anlegen einer geeigneten Spannung an eine Molybdänplatte durch das Plasma Molybdänatome aus der Molybdänplatte gerissen, die sich mit dem Stickstoff zu Molybdännitrid verbinden, das auf die Oberfläche des Siliciumplättchens auftrifft und darauf haftet. Auf diese Nitridschicht wird später eine Metallschicht aus Aluminium, Gold, Silber, Kupfer oder Nickel aufgebracht. Anstatt des Molybdännitrids kann auch die Verwendung von Tantalnitrid, Wolframnitrid, Titannitrid oder Niobnitrid vorgesehen sein.
Das Plasma enthält bei dem bekannten Verfahren immer sehr große Anteile von Stickstoffionen, die Strahlungsschäden an der interessierenden Grenzschicht bewirken können. Außerdem kann die beim bekannten Verfahren gebildete Nitridschicht bewirken, daß die Bildung einer guten Silicidschicht zur Herstellung von Schottky-Sperrschichten und ohmschen Kontakten behindert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität des Herstellungsverfahrens zu erhöhen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Stickstoffgas im wesentlichen nur neutralen atomaren Stickstoff enthält.
Die Aussage, daß das Stickstoffplasma im wesentlichen nur neutralen atomaren Stickstoff enthält, soll bedeuten, daß das Vorhandensein von Stickstoffionen und von Stickstoffmolekülen zwar nicht völlig ausgeschlossen ist, daß der Anteil von neutralen Stickstoffatomen jedoch weit überwiegt, so daß die etwa noch in geringen Mengen vorhandenen Ionen die obengenannten Schäden nicht hervorrufen können. Die grundliegende Idee besteht darin, die Siliciumplättchen in einem Stickstoffplasma zu behandeln, das aus atomarem neutralem Stickstoff besteht; die grundlegende Erkenntnis besteht darin, daß eine derartige Behandlung die Siliciumoberfläche gut passiviert und naszierendes Oxid auf ihr verhindert Der Ausdruck atomarer neutraler Stickstoff soll nicht den molekularen Stickstoff N2 bedeuten, und er soll nicht Stickstoffionen N+ bedeuten, sondern einfach atomaren Stickstoff, der ungeladen ist und nicht mit anderen Stickstoffatomen verbunden ist
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß dünne Siliciumoxidschichten, die nach den üblichen Reinigungsvorgängen sich auf der Oberfläche des Siliciumplättchens sofort wieder bilden und unerwünscht sind, sehr zuverlässig entfernt werden können, wobei picht die Gefahr besteht, daß bei einer Behandlungsdauer, die so gewählt ist, daß mit Sicherheit alles unerwünschte Siliciumoxid entfernt wird, auch das Silicium in unerwünschter Weise angegriffen wird. Weiter ist von Vorteil, daß deswegen, weil die Siliciumplättchen in einem neutralen Msdium behandelt werden, nicht die Gefahr besteht, daß ins System z. B. durch nach dem Reinigen unvollständig getrocknete Siliciumplättchen gelangte Wassermoleküle nach ihrer Aufspaltung bei der Plasmaerzeugung zu einer unerwünschten Verstärkung der Siliciumoxidschicht beitragen. Nachdem die unerwünschten Siliciumoxidschichten entfernt sind, kann das Siliciumplättchen aus dem Gerät, in dem die Behandlung stattgefunden hat, entnommer· werden und in ein anderes Gerät ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen eingesetzt werden, in dem die Metallisierung angebracht wird. Bei diesem Umsetzvorgang des Siliciumplättchens besteht nicht die Gefahr, daß sich erneut eine unerwünschte Siliciumoxidschicht bildet, weil die Oberfläche des Siliciums durch den atomaren Stickstoff passiviert ist.
Die Metallschicht kann zur Bildung von Metall-Silicid mit Wärme behandelt werden, wie an sich aus der US-PS 38 55 612 bekannt ist.
Für die Metallschicht kann insbesondere Molybdän, -Aluminium, Titan, Rhodium, Palladium oder Wolfram verwendet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Metall Platin und die Anordnung wird zur Bildung von Platinsilicid auf eine Temperatur von ungefähr 65O0C erwärmt. Das Platinsilicid weist gegenüber den anderen soeben genannten Siliciden den Vorteil auf, daß seine Potentialschwelle auf N-Silicium am größten ist, außerdem weist es überragende Eigenschaften hinsichtlich Zuverlässigkeit und Leistung auf.
Schichten aus naszierendem Siliciumoxid, die sich unmittelbar nach dem Reinigen der Siliciumplättchen beispielsweise mit Hilfe von Säuren sofort wieder neu bilden, verursachen bei den meisten Metallisierungsprozessen, insbesondere wenn ein Metall-Silicid, beispielsweise Platin-Silicid, Palladium-Silicid oder Rhodium-Silicid zur Bildung von Schottky-Grenzflächen und ohmschen Kontakten verwendet wird, große Schwierigkeiten. Es sind daher zahlreiche Versuche zur Beseitigung dieser Oxidschichten vorgenommen worden. So ist beispielsweise aus der US-PS 38 55 612 ein Verfahren bekannt, bei dem mittels Zerstäubungsätzens in einem Argonplasma die unerwünschte Oxidschicht entfernt werden soll. Anschließend wird Platin und Nickel aufgebracht und die Anordnung zur Erzeugung von Metall-Silicid mit einer Temperatur zwischen 3500C und 900° C, vorzugsweise 450° C, behandelt. Wird Hei diesem Verfahren jedoch nicht genügend lange geätzt, so wird die Siliciumoxidschicht nur teilweise entfernt, was zu zufälligen Schwankungen der Eigenschaften von ohmschen Kontakten und Schottky-
Grenzflächen führt Wird dagegen so lange geätzt, daß die unerwünschte Oxidschicht mit Sicherheit beseitigt ist, so besteht die Gefahr, daß von den als Isolierschichten beim fertigen Halbleiterelement vorgesehenen dickeren Siliciumoxidschichten, insbesondere von mit Phosphor dotiertem Siliciumoxid, zuviel entfernt wird, was ebenfalls zu Störungen führt Auch besteht die Gefahr, daß hierbei auch das Silicium in unerwünscht starkem Maße entfernt wird.
Außerdem treten bei diesem bekannten Verfahren |U weitere Schwierigkeiten auf, wenn Wasserdampf in dem Zerstäubungssystem vorhanden ist, der z. B. von ungenügend getrockneten Plättchen stammen kann oder aus anderen Quellen, beispielsweise dem Argongas, dem Vakuumsystem und von Vorrichtungen, die im 1 ■-, System benutzt werden. Dabei reagiert der Sauerstoff und/oder das Hydroxidion in dem ionisierten Argonpiasma mit Silicium und bildet eine zusätzliche Oxidschicht, anstatt die unerwünschte Oxidschicht zu entfernen.
Demgegenüber weist die Erfindung den Vorteil auf, daß im System etwa vorhandener Wasserdampf keine derartigen Störungen verursacht
Eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, ist aus der US-PS 38 79 597 bekannt In dieser Druckschrift wird allerdings das Ätzen von oxidierten Siliciumplättchen oder von Siliciumnitridplättchen in einem Plasma beschrieben, zu dessen Herstellung Tetrafluormethan verwendet ist, dem einige Prozent Sauerstoff zugesetzt sein können. Als Vorteil bei dem bekannten Verfahren wird angegeben, daß eine auf dem Halbleiterplättchen vorhandene Schicht von Photolack den Ätzvorgang gut widersteht und dennoch bei Bedarf durch besondere Maßnahmen sehr schnell entfernt werden kann. Als Nachteil ist bei dem bekannten Verfahren jedoch genau wie bei dem oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung des Argonplasmas festzustellen, daß neben Siliciumoxid auch Silicium entfernt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der -to Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
F i g. 1 ist ein Quei schnitt durch ein Halbleitersubstrat mit einer Schicht von naszierendem Oxid;
Fig.2 ist der Querschnitt von Fig. 1, wobei ein unvollständiges Entfernen der Schicht des naszierenden Oxids gezeigt ist;
Fig.3 ist ein Querschnitt eines Halbleitersubstrats, der die Ergebnisse von übermäßigem Zerstäubungsätzen zeigt;
F i g. 4 ist ein schematisches Flußdiagramm, das den Prozeß der vorliegenden Erfindung enthält und ihn mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik vergleicht;
Fig.5 ist eine graphische Darstellung, die die Leistungscharakteristik zeigt, die bei einem in Überein- ■-,·-, Stimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruierten Bauelement erhalten wurde, und
F i g. 6 ist ein Querschnitt eines gemäß der Technik der vorliegenden Erfindung behandelten Halbleitersubstrats, das keinerlei naszierendes Oxid zeigt.
In F i g. 1 grenzt ein Siliciumsubstrat 101 an eine Schicht 102 von Siliciumdioxid an einer Grenze 104. Eine Schicht 103 von naszierendem Oxid ist gemäß der Darstellung auf der Siliciumoberfläche vorhanden und kann eine Dicke von ungefähr 2,5 nm haben. Wie oben (,3 erwähnt, bildet sich bei Raumtemperatur sofort naszierendes Oxid auf den Siliciumflächen und es ist diese Schicht, die die Bildung von guten Platin-Silicid-Grenzflachen verhindert.
F i g. 2 zeigt im wesentlichen denselben Querschnitt, der in F i g. 1 gezeigt ist, nach einer Behandlung zum Entfernen des naszierenden Oxids. In diesem Beispiel ergibt ein unvollständiges Entfernen des naszierenden Oxids ein ungleichmäßiges Platinsilicid, wie an den Verbindungen 203 gezeigt ist Weil nicht alles naszierende Oxid entfernt worden ist, führt das sich ergebende unvollständige oder fleckenbafte Platinsilicid zu einer Reihe von schlechten ohmschen Kontakten und schlechten Schottky-Grenzflächen. Dies ist das Ergebnis eines unzureichenden Zerstäubungs-Ätzens. Daher wird normalerweise ein stärkeres Zerstäubungs-Ätzen vorgenommen und nicht ein schwächeres, um ein vollständiges Entfernen des naszierenden Oxids sicherzustellen. Jedoch liefert ein übermäßiges Zerstäubungs-Ätzen ebenfalls schlechte Resultate, wie in Fig.3 gezeigt ist
In F i g. 3 entspricht das Substrat 101 im wesentlichen dem Substrat 101 der früheren Figuren, und die Schicht 102 von Siliciumdioxid entspricht im wesentlichen den entsprechenden Schichten 102 in den anderen Figuren. Jedoch zeigt eine gestrichelte Linie 303 den Umriß der Siliciumdioxidschicht, die vorhanden wäre, wenn sie nicht durch zu starkes Ätzen unter den Bedingungen beim Stand der Technik entfernt worden wäre. Man kann sehen, daß ein wesentlicher Betrag des Siliciumdioxids wegen des zu starken Zerstäubungs-Ätzens entfernt worden ist, um das Entfernen der naszierenden Oxidschicht sicherzustellen. Wie erwähnt ermöglicht dies jedoch die Entstehung von anderen Problemen, wie Probleme einer niedrigen Durchbruchsspannung, eines hohen Leckstroms und Kurzschlußprobleme.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen drei Figuren wird nun auf F i g. 6 Bezug genommen.
Dieses Substrat 101 war dem Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung unterworfen worden und zeigt so die Kante einer passivierten Oberfläche 603 frei von einem Aufbau aus naszierendem Oxid und geeignet, eine Schicht von Platin oder anderem Material anzunehmen, um eine Schottky-Grenzfläche oder einen ohmschen Kontakt, wie beschrieben, zu bilden.
In Fig.4 ist ein schematisches Diagramm von Prozeßabläufen gezeigt. Eine Einrichtung 401 zum Oxidieren und Diffundieren liefert ein oxidiertes Plättchen (nicht dargestellt) aus Silicium mit Flächen, die mit Fotolack behandelt wurden. Dieses Plättchen hat somit Gebiete, die bis zu dem Basissubstrat (Silicium) herunter ausgeätzt worden sind. Ein Apparat 402 zum Reinigen und Trocknen wirkt auf die von der Einrichtung 401 gelieferten Plättchen ein. Diese Einrichtung ist in der Industrie üblich und Einzelheiten müssen zum vollen Verständnis der vorliegenden Erfindung hier nicht gebracht werden. Beschreibungen der Einrichtungen 401 und 402 und ihrer Wirkungsweise können gefunden werden in G. E. Moore in »Microelectronics« E. K e η j i a η, ed McGraw Hiil Book Co, Inc., New York, (1963), Seite 2.76.
Das oxidierte Plättchen wird dann einem Stickstoffplasma ausgesetzt und unterworfen, wie es in einer Plasma-Ätzeinrichtung 403 erzeugt wird. Die Plasma-Maschine 403 ist ebenfalls im Handel erhältlich, und ihre Arbeitsweise ist in dem US-Patent 38 79 597 beschrieben.
Dieses bekannte Gerät weist einen Quarzzylinder auf, der an seiner Außenseite mit Elektroden versehen ist, die mit einer Hochfrequenzquelle zu verbinden sind, und im Inneren des Quarzzylinders ist in allseitigem Abstand
von dessen Innenwandung konzentrisch ein Zylinder angeordnet, dessen Wandung aus perforiertem Aluminiumblech gebildet ist. Der Quarzzylinder hat einen Durchmesser von etwa 20 cm, der Aiuminiumzylinder hat einen Durchmesser von etwa 17,5 cm, und die Löcher im Aluminiumzylinder haben etwa 3,5 mm Durchmesser und einen gegenseitigen Abstand (zwischen den Lochinitten gemessen) von etwa 9,5 mm. Die zu behandelnden Halbleiterplättchen werden im Inneren des Aluminiumzylinders, der auch als Ätztunnel bezeichnet werden kann, angeordnet. Die Leuchterscheinung, die beim Zuführen von Hochfrequenzenergie bei einem ausreichend niedrigen Druck im Quarzzylinder das Vorhandensein des Plasmas anzeigt, ist auf den ringförmigen Raum zwischen dem Aluminiumzylinder und der Innenwand des Quarzzylinders beschränkt.
Nachdem sich das Plättchen eine geeignete Zeitspanne und bei geeigneter Temperatur in der Plasmaeinrichtung 403 befunden hat, ist die Oberfläche des Plättchens in geeigneter Weise passiviert, worauf sie einem Zerstäubungsvorgang zur Abscheidung von Platin (oder einer anderen Metallabscheidung) in einer Abscheidungseinrichtung 404 unterworfen wird. Dann werden die Plättchen einer anderen Wärmebehandlungsvorrichtung 405 unterworfen, um das Plättchen so zu behandeln, daß sich brauchbare Elemente mit Schottky-Kontakten oderohmschen Kontakten ergeben.
Die Bedingungen, unter denen ein solcher atomarer Stickstoff für die Verwendung bei dem Prozeß oder Verfahren der vorliegenden Erfindung bei Verwendung des oben angegebenen Geräts erhalten werden kann, sind eine Hochfrequenzleistung von 300 W, ein Druck von 13 mb, und die Expositionszeit des Plättchens beträgt 5 min. Wenn danach in der Einrichtung 404 Platin auf die Siliciumplättchen aufgebracht wird, die in einem solchen Stickstoffplasma behandelt worden sind, und anschließend eine Wärmebehandlung in dem Wärmebehandlungsapparat 405 bei 6500C erfolgt, so wurde festgestellt, daß ein gutes Platinsilicid auf den Siliciumflächen gebildet wird. Das Kriterium für ein gutes Platinsilicid besteht darin, daß es bei einer Infrarotprüfung undurchsichtig ist, und die Barrierenhöhe der Platinsilicid-Schottky-Diode auf n-Silicium sollte 0,84 ± 0,03 eV (Elektronen-Volt) betragen. Diese beiden Kriterien werden bei Mustern, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, erfüllt
In Fig.5 ist eine logarithmische Darstellung des Vorwärtsstroms über der Vorwärtsspannung für Elemente, die in der beschriebenen Weise hergestellt wurden, gezeigt, aus der man Leistungsergebnisse berechnen kann. Die logarithmische Darstellung ist linear und zeigt so die logarithmische (oder exponentielie) physikalische Natur der Funktion des Elements an. Aus der Steigung der Linie, die aus Messungen an dem Element und aus anderen Daten, wie beispielsweise den geometrischen Abmessungen des Elements erhalten wurde, wurde die Schottky-Barriere für eine Metall-Halbleiter-Grenzfläche oder -Verbindung zu 0,82 eV berechnet. Dieser Wert fällt in den richtigen Bereich für die Barrierenhöhe für eine Platinsilicid-Schottky-Diode, "> die 0,84 ± 0,03 eV sein sollte.
Eine theoretische Erklärung oder ein Modell, um die sich aus dieser Erfindung ergebenden verbesserten Elemente zu erklären und für diesen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Halbleiterbearbeitung > wird im folgenden gegeben: Atomarer Stickstoff N, der in einem Stickstoffplasma in einem Ätztunnel erzeugt wird, und der auf ein Siliciumplättchen mit naszierendem Oxid auf seiner Oberfläche einwirkt, spaltet das Oxid. Ein derartiges Plasma von atomarem Stickstoff ist hochreaktiv und spaltet auch hydratierte Oxidmoleküle zusätzlich zu der Tatsache, daß es das Oxid spaltet, und diese beiden werden aus der Oberfläche entfernt. Die freien Bindungen der Siliciumatome an der Oberfläche verbinden sich mit Stickstoffatomen und ergeben einen einlagigen Überzug von Stickstoff oder mehr. Diese Anordnung von Stickstoffatomen auf der Siliciumoberfläche verzögert oder verhindert die Reaktion von Sauerstoff und Wasserdampf mit dem Silicium bei Raumtemperatur. So wird die Bildung einer Schicht von
• naszierendem Oxid auf der Siliciumoberfläche verzögert oder verhindert.
Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung eine Behandlung von Siliciumgebieten oder Flächen mit einem Stickstoffplasma, dessen freie Stickstoffradikale mit der Oberflächenschicht des Siliciumoxids reagieren, um das Oxid von den Siliciumgebieten zu entfernen und so diese zu passivieren, derart, daß das Wachstum der Schicht von naszierendem Oxid bei Raumtemperatur verzögert wird. Die derart behandelten Siliciumplätt-
• chen können dann mit einer Metailbeschichtung oder mit einem Metallniederschlag, wie Platin, ohne Zerstäubungs-Ätzen versehen werden; das Platin kommt in engen Kontakt mit der Siliciumoberfläche. Eine Wärmebehandlung bei einer geeigneten Temperatur
bewirkt, daß das Platin mit dem Silicium zur Bildung eines Monosilicids reagiert, dats gute Schottky-Barrieren auf den Siliciumgebieten ergibt, die einen mäßigen Widerstandswert haben, und gute ohmsche Kontakte, die einen niedrigen Widerstandswert haben. (Der wesentliche Unterschied zwischen der Bildung einer Schottky-Barriere oder -Grenzschicht einerseits oder einem ohmschen Kontakt andererseits liegt in der Konzentration der Dotierung in dem Substrat Die übliche Definition für den für die Unterscheidung einer : Schottky-Grenzfläche von einem ohmschen Kontakt erforderliche Konzentration ist: Wenn die Konzentration des Dotierungsmittels in dem Substrat 5 χ 10ΙΒ Atome pro crn3 öder mehr ist, dann liegt ein ohmsc-her Kontakt vor; wenn die Konzentration niedriger ist liegt ein Schottky-Kontakt vor.)
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht oder eines ohmschen Kontakts, bei dem die Oberfläche eines oxidierten Siliciumplättchens mit einem Stickstoffgas, das neutralen atomaren Stickstoff enthält, beaufschlagt wird und danach eine Metallschicht auf die Oberfläche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickstoffgas im wesentlichen nur neutralen atomaren Stickstoff enthält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Platin ist und die Anordnung zur Bildung von Platinsilicid auf eine Temperatur von ungefähr 6500C erwärmt wird.
DE2720893A 1976-05-14 1977-05-10 Verfahren zur Herstellung einer Schottky-Sperrschicht oder eines ohmschen Kontakts Expired DE2720893C3 (de)

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