DE2754397A1 - Verfahren zur herstellung eines schottky-sperrschicht-kontaktes - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines schottky-sperrschicht-kontaktesInfo
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Description
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
gg-bd Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Kontaktes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Kontaktes auf einem Silicium-Halbleitersubstrat
eines ersten Leitungstyps in Verbindung mit einer in das Substrat eingebrachten, den Kontakt umgebenden Schutzringzone
des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps.
Schottky-Sperrschicht-Kontakte sind bereits in vielfältiger Form beschrieben worden und haben auch bereits verbreitete
Anwendung in der integrierten Halbleiterteohnik gefunden.
Das wesentliche Merkmal dieser Kontakte besteht darin, daß an der Grenzschicht zwischen einem schwach dotierten Halbleitermaterial
und einer darauf aufgebrachten Metallschicht eine Sperrschicht entsteht, die eine gleichrichtende Wirkung
hat. Ein Schottky-Sperrschicht-Kontakt läßt also in seiner Wirkung mit einem pn-übergang zu vergleichen. Der Kontakt
weist eine Anzahl von Eigenschaften auf, die seine Anwendung in monolithisch integrierten Anordnungen wünschensweert
machen. Wird der Kontakt in Durchlaßrichtung betrieben, so fließt aufgrund der Injektion von Majoritätsträgern ein
Strom vom Halbleiter in das Metall, während der Minoritätsträgerstrom vernachlässigbar ist. Dies ist die Ursache dafür,
daß Schottky-Sperrschicht-Kontakte praktisch frei von langen Erholungszeiten und Ladungsspeicherkapazitäten sind. Die Kontakte
weisen eine steilere Strom-Spannungs-Kennlinie in Durchlaßrichtung und eine niedrigere Einschaltspannung als
pn-übergänge auf. Außerdem haben sie im allgemeinen niedrigere
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- 5 Serienwiderstände und Durchbruchsspannungen.
In einer Weiterbildung sind sie mit einer sogenannten Schutzringzone
umgeben, wie sie beispielsweise im US Patent Nr. 3 924 320 beschrieben ist. Durch diese Schutzringzone erzielt
man Schottky-Sperrschicht-Kontakte mit schärferen und leichter reproduzierbaren Durchbruchcharakteristiken in Sperr-Richtung.
Die Verwendung einer derartigen Schutzringzone erweist sich auch als vorteilhaft für die Durchlaßspannungseinstellung
bei Elementen, wie sie im "Journal of Electrochemical Society", Vol. 122, Nr. 10, Oktober 1975 , , Seiten
1337 bis 1347 unter dem Titel "Microstructural and Electrical Properties of Thin PtSi Films and the Relationsship to
Deposition Parameters", beschrieben sind.
Das Problem bei der Anwendung von Schutzringzonen in der integrierten Halbleitertechnik liegt in ihrer Verwirklichung.
Die Verwendung scheitert häufig an der Tatsache, daß sie zusätzliche Halbleiteroberfläche verbrauchen. Dieses Problem
tritt mit zeigender Integrationsdichte ständig weiter in den Vordergrund.
In der Vergangenheit wurden bereits mehrere Metalle genannt, die geeignet sind Metall-Silicid-Schottky-Kontakte zu bilden.
Im oben genannten Artikel in "Journal of Electrochemical Society" ist beispielsweise die Verwendung von Platin-Silicid
beschrieben. Im US Patent 3 451 912 ist entsprechend die Verwendung von Wolfram-Silicid, Chrom-Silicid und Molybdän-Silicid
angegebenen. Weiterhin ist im US Patent 3 900 344 die Verwendung eines Aluminium-Platinkontakts angegeben.
Wie bereits erwähnt, gehört die Verwendung von Schutzringzonen in Verbindung mit Schottky-Sperrschicht-Kontakten be-
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reits zum Stande der Technik, wobei allerdings hinsichtlich der erreichbaren Integrationsdichte Nachteile festzustellen
sind. Insbesondere ist im bereits erwähnten US Patent 3 924 320 ein Metall-Silicid-Schottky-Kontakt beschrieben,
der die vorgesehene Schutzringzone überlappt. Auch diese Struktur hat den Nachteil, daß die gegenüber Schottky-Kontakten
ohne Schutzringzone einen beträchtlichen Mehraufwand an Siliciumoberflache aufweist. Die erforderlichen Überlappungstoleranzen
und andere in der hochintegrierten HaIbleitertechnology zu berücksichtigenden Abmessungen sind für
entsprechende Nachteile verantwortlich.
Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Kontaktes
auf einem Silicium-Halbleitersubstrat in Verbindung mit einer Schutzringzone anzugeben, bei dem für die Schutzringzone
nur ein minimaler Platzaufwand erforderlich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert, in denen in Schnittansichten der Struktur
nach jeweils einzelnen Prozeßschritten das erfindungsgemäße Verfahren an einem Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Als Ausgangsmaterial dient, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Substrat 10 aus Silicium, das N~ dotiert ist und einen
spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1,0 Ohm-cm
aufweist. Das Substrat 10 kann auch aus einem P-dotierten Siliciumwafer bestehen, auf den eine N~-dotierte Epitaxiejschicht
aufgebracht ist. Die Dicke dieser Epitaxieschicht jliegt vorzugsweise in einer Größenordnung von 2 bis 5 um.
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An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß der erfindungsgemäß hergestellte Schottky-Sperrschicht-Kontakt gewöhnlich
zusammen mit einer Vielzahl von anderen aktiven und passiven Halbleiterbauelementen integriert hergestellt wird. Aus
Vereinfachungsgründen sind in der Zeichnung diese weiteren
Elemente nicht berücksichtigt. Schottky-Sperrschicht-Kontakte werden beispielsweise vorteilhaft in Verbindung mit bipolaren
Transistoren eingesetzt, die unterschiedlichste Schaltungen verwirklichen, wobei insbesondere Dioden-Transitor-Logikschaltungen
und Tranistor-Tranistor-Logikschaltungen beispielsweise zu nennen sind.
Der Schottky-Kontakt kann in einem Gebiet t 12 des N -dotierten Siliciumsubstrats gebildet werden, wobei dieses Gebiet
von anderen Gebieten des Substrats 10 durch konventionelle Sperrschichtisolation oder dielektrische Isolation elektrisch
isoliert wird. Im hier betrachteten Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 1, daß das isolierte Gebiet 12 durch abgesenkte
Siliciumdioxidzonen 14 definiert ist. Derartige Isolationszonen lassen sich in konventioneller Weise herstellen, so
daß an dieser Stelle nicht näher darauf einzugehen ist.
Im Zuge der Herstellung des Schottky-Kontaktes wird zunächst
auf die Oberfläche des Substrats 14 eine als Maske zu verwendende Isolationsschicht 16 aus Siliciumdioxid thermisch
aufgewachsen. Selbstverständlich können auch andere Materialien und angepaßte Verfahren zum Aufbringen der Isolationsschicht
verwendet werden. Beispielsweise sind für die Isolationsschicht 16 außer Siliciumdioxid auch Aluminiumoxid,
Siliciumnitrid und Kombinationen von diesen und anderen Materialien verwendbar. Geeignete Aufbringverfahren bilden
chemisches Aufdampfen, Kathodenzerstäubung oder thermische
Verfahren.
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In der Isolationsschicht 16 wird in einem konventionellen photolithographischen Prozeß ein Fenster 18 selektiv freigeätzt,
so daß dessen Bereich die Oberfläche des Substrats 12 freigelegt wird. Anschließend wird an eine dünne Metallschicht
20 aufgebracht, die im Bereich des Fensters 18 einen Metall-Silicid-Schottky-Kontakt bildet. Das Aufbringen der
Metallschicht 20 kann in konventioneller Weise beispielsweise durch Aufdampfen oder durch Kathodenzerstäubung erfolgen.
Die resultierende Struktur (Fig. 2) wird anschließend in einer inerten Atmosphäre gesintert, wobei Temperatur und
Zeitdauer in Abhängigkeit von dem jeweiligen Metall-Silicid gewählt werden, das den Schottky-Kontakt bildet. Beim Sinterprozeß
verbindet sich das Metall der Metallschicht 20 mit dem im Bereich des Fensters 18 freigelegten Silicium, während
die restlichen Bereiche der Metallschicht 20, die über der Isolationsschicht 16 angeordnet sind, unbeeinflußt bleiben.
Fig. 3 zeigt die Struktur, bei der nunmehr das Metall-Silicid 22 einen Teil des Schottky-Kontaktes bildet. Gleichzeitig
ist der Fig. 3 zu entnehmen, daß während des Sinterprozeßes eine volumenmäßige Schrumpfung des Metall-Silicid eintritt.
Diese Schrumpfung hat zur Folge, daß zwischen dem gebildeten Schottky-Kontakt und der diesen umgebenden Isolationsschicht
16 eine Ringzone 24 der Substratoberfläche freigelegt wird. Die restlichen Bereiche der Metallschicht 20 werden beispielsweise
in einem geeigneten selektiven Ätzprozeß entfernt, bei dem nur das Metall aber nicht das den Schottky-Kontakt bildende
Metall-Silicid entfernt wird. Auf diese Weise erhält man die in Fig. 4 dargestellte Struktur.
jDiese Struktur wird nunmehr in eine Ionenimplantationskammer gebracht, wo sie mit Ionen 26 bombardiert wird. Dabei bildet
3 ich beim betrachteten Ausführungsbeispiel eine P+-dotierte
Schutzringzone 28, die den eigentlichen Schottky-Kontakt 22 umgibt. Diese Schutzringzone 28 ist verantwortlich für die
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genauere Spannungssteuerung und den abruptereen, leichter reproduzierbaren Verlauf der Durchbruchsspannung in Sperr-Richtung.
Wesentlich ist, daß diese Vorteile ohne irgendwelche Verschwendung an Siliciumoberflache erzielt werden.
Da es sich im betrachteten Ausführungsbeispiel um ein N dotiertes Siliciumsubstrat handelt, werden vorzugsweise
Borionen implantiert, um die P -Schutzringzone 28 zu erzeugen. Bevorzugte Prozeßparameter sind dabei eine Implantations-
λα ο
dosis von etwa 10 Borionen/cm . Außerdem ist eine Implantationsenergie
von etwa 50 bis 100 keV geeignet. Bei einem Ausführungsbeispiel mit einem P-dotierten Substrat wäre eine
N -dotierte Schutzringzone 28 zu bilden, indem beispielsweise Arsen- oder Phosphorionen zu implantieren wären.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß die Implantation mit erhöhter Energie, beispielsweise in der Größenordnung zwischen 100 und 200 keV erfolgt,
so daß die Ionen auch den eigentlichen Schottky-Kontakt 22 durchdringen und damit eine sehr schmale implantierte Zone
30 unterhalb des Schottky-Kontaktes 22 zu erzeugen. Die dünne, entgegengesetzt zum Substrat 12 dotierte Zone 30 erlaubt
eine Einstellung der Durchlaßcharakteristik des Schottky-Kontaktes ohne das Sperrverhalten zu beeinflußen.
Dieses Konzept ist bekannt und beschrieben in "Solid-State Electronics", 1976, Vol. 19, Seiten 537-543, unter dem
Titel "Control of Schottky Barrier Height Using Highly Doped Surface Layers". Bei dem in diesem Artikel beschriebenen
Verfahren wird die flache, entgegengesetzt zum Substrat dotierte Oberflächenzone bereits vor der Herstellung des
eigentlichen Schottky-Kontaktes eingebracht. Die beim er- ' findungsgemäßen Verfahren angewendete Version der nachträglichen
Erzeugung dieser Oberflächenzone hat den Vorteil, daß diese Zone gleichzeitig mit der automatisch ausgerichteten
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Schutzringzone gebildet wird. Die auf diese Weise verwirklichte Struktur ist in Fig. 5 dargestellt. Zur Herstellung von Leitungszügen
zwischen dem Schottky-Kontakt und anderen mit integrierten aktiven und passiven Elementen, verwendet man
beispielsweise Aluminium. Um zu verhindern, daß zwischen dem Metall-Silicid des Schottky-Kontaktes und dem für die Leitungszüge
verwendeten Aluminium eine Wechselwirkung entsteht, wird auf die Struktur gemäß Fig. 5 zunächst eine diffusionshemmende
Schicht 31 aufgedampft oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht. Als Material für diese diffusionshemmende Schicht
31 kann eines der schwerschmeIzenden Metalle, wie beispielsweise
Titan, Wolfram oder Chrom verwendet werden.
Die gesamte Oberfläche der Struktur einschließlich der diffusionshemmenden Schicht 31 wird nun mit Aluminium oder
einem anderen geeigneten Metall bedampft. Die aufgedampfte Schicht aus Aluminium hat eine Dicke von mehreren 10OO R.
In einem weiteren Photolithographieprozeß werden schließlich die gewünschten Leitungszüge 32 selektiv geätzt und die
fertige Struktur ist in Fig. 6 dargestellt.
Für das beim erfindungsmäßen Verfahren verwendete Metall-Silicid
eignen sich verschiedene Metalle und Metallverbindungen. Bevorzugtes Material ist Platin. Die beim Sintern
aufzuwendende Temperatur für Platin liegt bei einer Dauer
des Sinterprozeßes von 30 Minuten zwischen 500 und 600 0C.
Wesentlich bei der Auswahl geeignete Metalle ist, daß sie Schottky-Sperrschicht-Kontakte bilden und außerdem beim
Sinterprozeß einer ausreichenden Schrumpfung unterliegen, die für die Bildung des Kreisrings 24 maßgebend ist. Eine
notwendige und ausreichende Bedingung für das Schrumpfen besteht darin, daß das Molekularvoolumen des Metalles und
«fies Siliciums größer ist als das Molekül ar volumen des ge-
FI 976 O36
bildeten Silicids. Je größer die Differenz ist, desdo größer ist die Schrumpfung. Der Schrumpfungseffekt ist eine notwendige
Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren. Ein ähnliches Schrumpfungsverhalten wie Platin zeigen beispielsweise
Kobalt, Eisen, Mangan und Palladium.
FI 976 O36 809826/0608
Al
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Claims (15)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschichtkontaktes auf einem Silicium-Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Verbindung mit einer in das Substrat eingebrachten, den Kontakt umgebenden Schutzringzone des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines Fensters (18) in einer auf das Substrat (12) aufgebrachten Isolationsschicht (16) eine den Kontakt (22) bildende Metallschicht (20) aufgebracht und zur Bildung von Metall-Silicid einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei durch Schrumpfung des Metall-Silicids eine den Kontakt (22) umgebende Ringzone (24) der Substratoberfläche freigelegt wird, und daß unter Verwendung des Kontaktes (22) und der Isolationsschicht (16) als Implantationsmaske die Schutzringzone (28) den zweiten Leitungstyps implantiert wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat vom N-Leitungstyp und die Schutzringzone vom P-Leitungstyp ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) vom P-Leitungstyp und die Schutzringzone (28) vom N-Leitungstyp ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßbei der Implantation der Schutzringzone (28) die Dosis14 2
größer als etwa 10 Ionen/cm bei einer Energie zwischen etwa 50 und 100 keV ist.FI 976 °36 809826/0608275A397 - 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzringzone (28) durch Implantation von Bor erzeugt wird.
- 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur in der Größenordnung von 500 C bis
600 0C erfolgt und die Dauer mehr als etwa 30 Minuten
beträgt. - 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand an der Oberfläche des Substrats im Bereich von
etwa 0,1 bis 10 0hm-cm liegt. - 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkonzentration der Schutzringzone etwa zwischen
1018 bis 1019 Atomen/cm3 gewählt ist. - 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über der Schutzring-\ zone (28) bzw. dem Kontakt (22) eine diffusionshemmende Schicht (31) angeordnet wird.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß. der Kontakt (22) aus Platin-Silicid und die diffusionshemmende Schicht (31) aus Chrom besteht.
- 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Weiter verbindung des Kontaktes (22) Leiterzüge (32) aus Aluminium aufgebracht werden.FI976036 809826/0608275A397
- 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kontakt (22) bildende Metallschicht (20) in einer Dicke von etwa 400 bis 600 8 aufgebracht wird.
- 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (20) aus Platin besteht.
- 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis13, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht in Metall-Silicid umgewandelte Metall der Metallschicht (20) entfernt wird.
- 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis14, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zum Implantieren der Schutzringzone (28) so hoch gewählt wird, daß die Ionen durch das Metall-Silicid hindurchgelangen und unter dem Kontakt (22) eine flache, in ntgegengesetzt zum Substrat dotierte Oberflächenzone bilden.FI 976 036 RnQO?R/nfi08
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