DE2925791A1 - Unlegierte ohm'sche kontakte an n-leitende iii(a)/v(a)- halbleiter und verfahren zur herstellung - Google Patents

Unlegierte ohm'sche kontakte an n-leitende iii(a)/v(a)- halbleiter und verfahren zur herstellung

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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
Western Electric Company, Incorporated Cho, "19-14--8
Broadway, New York, N.Y. 10038,
U. S. A.
Unlegierte Ohm'sche Kontakte an η-leitende IIl(a)/V(a)-Halbleiter und Verfahren zur Herstellung
Beschreibung:
Diese Erfindung betrifft die Erzeugung von Ohm'sehen Kontakten an IIl(a)/V(a)-Verbindungshalbleitern.
Bei der Erzeugung von Ohm'sehen Kontakten an IIl(a)/V(a)-Halbleiterbauelementen, etwa GaAs-Feldeffekttransistoren, (FET) treten zahlreiche und unterschiedliche Probleme auf; wie von W.T. Anderson et al in J.Appl.Phys., 49.» S. 2998-3000 (Mai 1978) angegeben ist, treten bei den Ohm'sehen Kontakten
' ' München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. ■ H.P.Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.e. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. Jur. . 6. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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handelsüblicher GaAs-FETs typischerweise die folgenden Schwierigkeiten auf:
Inselbildung an der Oberfläche,
Beeinträchtigung durch Alterung, eine reproduzierbare Ausbeute an I1ETs mit geringem Widerstandswert läßt sich nur schwierig erreichen, es ist eine sorgfältige Überwachung der kurzen Zeitspannen für die Legierungsbildung erforderlich, und Rißbildung und verstärkte Diffusion als Folge von mechanischen Spannungen.
Die von Anderson et al festgestellte Bedeutsamkeit der kurzen Legierungsbildungs-Zeitspannen beruht auf der üblichen Praxis, eutektische Legierungen wie etwa Au-Ge auf η-leitendes GaAs ■ aufzudampfen. Da die Legierung bei der Abscheidung eine Schottky-Sperrschicht bildet, wird der Kontakt für eine so kurze wie mögliche Zeitspanne auf eine Temperatur oberhalb der Eutektikums-Temperatur (ungefähr 36O°C für Au-Ge) erwärmt, damit die Legierung schmilzt, und aus dem gleichrichtenden Kontakt ein Ohm'scher Kontakt gebildet wird. Diese Legierungsbildungs-Maßnahme wird auch zumeist bei der Erzeugung Ohm1scher Kontakte (beispielsweise mit Sn-Pd-Au-Legierungen) an η-leitende Schichten von GaAs-Halbleiterlasern angewandt. Im Gegensatz dazu ist die Erzeugung Ohm'scher Kontakte an p-leitendes GaAs wesentlich einfacher und erfordert keine Legierungsbildung, da die meisten Metalle auf p-leitendem GaAs oder anderen p-leitenden IIl(a)/V(a)-
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Verbindungen keine Schottky-Sperrschicht "bilden, sondern vielmehr direkt die Ohm'sehen Kontakte bilden. Daher stellt die Erzeugung eines Ohm1sehen Kontaktes an einem n-leitenden IIl(a)/V(a)-Halbleiter weiterhin ein ernsthaftes Problem dar.
Im Rahmen dieser Erfindung ist festgestellt worden, daß bei der Legierungsbildung eutektischer Kontakte, wie etwa von Au-Ge an η-leitendes GaAs angenähert 200 nm tiefe Metallspitzen auftreten, welche in die darunterliegende GaAs-Schicht eindringen. Diese Spitzen können zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauelementes führen, sofern die Spitzen bis in die aktiven Zonen der Vorrichtung vordringen; beispielsweise kann ein vorzeitiges Durchbrennen von Hochleistungs-EETs, sofern diese Spitzen bis zum Kanal reichen, erfolgen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, unlegierte, Ohm'sche Kontakte an η-leitende IIl(a)/V(a)-Verbindungen wie GaAs zu erzeugen, ohne daß ein Schmelzen des eutektischen Materials des Ohm'sehen Kontaktes erforderlich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist ein Halbleiterbauelement mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, sowie ein Verfahren zur Erzeugung unlegierter, Ohm'scher Kontakte an η-leitenden IIl(a)/V(a)-Verbindungshalbleitermaterialien mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Ohm'scher Kontakt an einern-leitendeiZone eines Ill(a)/ V(a)-Bauelementes erzeugt, indem eine einkristalline Schicht aus n++-leitendem, v/enigstens Ms zu 10 /cm dotiertem IIl(a)/V(a)-Material zwischen diese Zone des Bauelementes und einer Metallelektrode eingescho-ben wird. Die hochdotierte Schicht ist weitgehend gitterangepaßt an die darunterliegende Halbleiterzone des Bauelementes. Vorzugsweise wird diese hochdotierte Schicht mittels Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) erzeugt, wobei Zinn(Sn) als Dotierstoff dient und eine Wachstumstemperatur eingehalten wird, welche eine oberflächige Sn-Ausseigerung vermeidet (beispielsweise eine Temperatur £> 55O0G für Sn-dotiertes GaAs). Unlegierte Ohm'sche Kontakte können ferner auf epitaktisch erzeugten Schichten mit oberflächiger Sn-Ausseigerung gebildet werden, wobei jedoch die tatsächliche Ladungsträgerkonzentration in der n++-leitenden Schicht schwierig zu steuern sein dürfte. Bei einem besonderen Beispiel dieser Ausführungsform wurden mittels Molekularstrahl-Epitaxie n+ -leitende, mit Sn ungefähr bis zu 5 x 10 cm"2dotierte GaAs-Schichten unterhalb der Source-und Drain-Elektroden und auf der n-leitenden Kanalschicht eines GaAs-Leistungs-ίΈΤ erzeugt. Auf die stark dotierten GaAs-Schichten wurden Ohm'sche Au-Ge-Kontakte ohne Legierungsbildung aufdampft, d.h. ohne Überschrei-ten der Eutektikums-Temperatur. Dieses Verfahren verbessert die Oberflächenmorphologie an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche bis zu einem solchen Ausmaß, daß Unregelmäßigkeiten (wie beispielsweise Spitzen) eine Tiefe von weniger als 0,1 um aufwiesen. 2/
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Ein anderer Gesichtspunkt dieser Erfindung betrifft die in situ-Metallisierung der Ohm'sehen Kontakte; d.h., im Anschluß an die nach dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren erfolgende Erzeugung der hochdotierten n++-leitenden IIl(a)/V(a)-Schicht wird darauf direkt bei verminderter Wachstumstemperatur eine Metallschicht abgeschieden, ohne die Probe aus der MBE-Ultrahochvakuums-Kammer zu entfernen. Dieses Verfahren gewährleistet eine atommäßig saubere Metall-Halbleiter-Grenzfläehe und führt direkt zu Ohm1sehen Kontakten. Beispielsweise wurden 50 bis 200 nm dicke Sn-Schichten in situ abgeschieden, um die Source- und Drain-Kontakte an n++-leitenden, bis zu ungefähr 5 x 10" cm dotierten GaAs-Schichten in GaAs-Leistungs-FETs zu bilden. Wegen der manchmal reaktiven Natur von Sn gegenüber den im Verlauf des Verfahrens auftretenden Substanzen können andere, in situ abgeschiedene Metalle wie beispielsweise Gold (Au), Platin (Pt), Molybdän (Mo), Tantal (Ta) oder Titan (Ti) geeigneter sein. Ferner kann ein Halbmetall wie etwa Ge-As in situ gemeinsam abgeschieden v/erden und erweist sich als vorteilhaft, da eine gute Gitteranpassung an die hochdotierte GaAs-Schicht erhalten wird, so daß eine Ge-Konzentration bis zu
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10 cm erhalten werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 im einzelnen erläutert; es zeigt:
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Pig. 1 in sehematischer Darstellung einen GaAs-Leistungs-FET mit unlegierten, Ohm'sehen Source- und Drain-Kontakten, die auf mittels MBE erzeugten, hoch dotierte!GaAs-Schichten aufgedampft und auf eine unterhalb der Eutektikums-Temperatur liegende Temperatur erwärmt worden sind; und
Fig. 2 in sehematischer Darstellung einen anderen GaAs-Leistungs-FET mit unlegierten, Ohm'sehen Source- und Drain-Kontakten, die in situ auf mittels MBE erzeugten, hochdotierten GaAs-Schichten abgeschieden worden sind.
Mit Fig. 1 ist schematisch ein leistungs-FET 100 aus einer III(a)/V(a)-Verbindung, typischerweise GaAs, dargestellt. Zu diesem FET gehören ein halbisolierender Halbleiterkörper 102, eine η-leitende Kanalschicht 104, zwei n++-leitende Mesakontaktzonen 106 und 108, die zumindest bis auf wenigstens
19 -3
10 cm dotiert sind und die Source- und Drain-Zonen darstellen, unlegierte Ohm'sche Kontakte 110 und 112 an der jeweiligen Zone 106 und 108, mehrschichtige Kontakte 114 und an den jeweiligen Kontakten 110 und 112, sowie einen Gate-Kontakt 118 an der Kanalschicht 104 zwischen der Source- und Drain-Elektrode. Typischerweise haben sowohl die Mesakontaktzonen und 108 wie die Kontakte 114, 116 und 118 die Form von Streifen, welche senkrecht zur Papierebene verlaufen.
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Zu dem Halbleiterkörper 102 gehört ein halbisolierend.es Substrat 102.1, und, abhängig von dem Erzeugungsverfahren und der Qualität der Substratoberfläche wahlweise eine wenig leitfähige Pufferschicht 102.2.
Im Falle von Leistungs-FETs ist es wichtig, daß die Source- und Drain-Kontakte relativ hohen Stromstärken standhalten. Zu diesem Zweck gewährleisten mehrschichtige Kontakte 114 und 116 eine Zunahme der Querschnittsfläche der Mesastreifen und damit auch eine Zunahme der stromführenden Kapazität des FET.
Da die Kontakte 110 und 112 Ohm'sche Kontakte sind, die ohne die Notwendigkeit einer Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Eutektikums-Temperatur erzeugt worden sind, sind die üblichen Schwierigkeiten der Überprüfung der Morphologie und des Eindringens der Legierung weitgehend beseitigt. Tatsächlich hat die Auswertung von Elektronenmikroskop-Aufnahmen (SEM) an noch zu erläuternden, beispielhaften Proben gezeigt, daß an den Metall-Halbleiter-Grenzflächen 107 und 109 örtliche Zentren oder Stellen auftreten, deren Tiefe kleiner als 0,1 ρ ist, während bei entsprechenden, bekannten Bauelementen mit legierten Kontakten die Metall-Halbleiter-Grenzflächen Zentren oder Stellen mit einer Tiefe von angenähert 0,2 um aufweisen.
Obwohl bereits die Verwendung der hochdotierten Kontaktzonen 106 und 108 für sich die Verwirklichung der 0hm»sehen Kontakte ohne Legierungsbildung ermöglichen, kann in einigen Fällen eine 4/
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Erwärmung auf eine unterhalb der Eutektikums-Temperatur gelegene Temperatur erforderlich sein, um die geringfügig gleichrichtenden Kontakte in Ohm'sche Kontakte umzuwandeln. Als Folge der Nicht-Legierungsbildung ist jedoch die Oberflächenmorphologie der Metall-Halbleiter-Grenzflachen wesentlich glatter als diese Grenzfläche bei bekannten Kontakten.
Sogar eine noch glattere Grenzflächen-Morphologie und die direkte Erzeugung der Ohm'sehen Kontakte ohne notwendige Anwendung der oben angegebenen Erwärmung lassen sich dann realisieren, wenn eine geeignete Metall- oder Halbmetall-Schicht nach der mittels MBE erfolgten Erzeugung der n++-leitenden Schichten 106 und 108 in situ abgeschieden wird. Der Ausdruck "in situ"besagt, daß die Metallschicht in der MBE-Kammer ohne Unterbrechung des Vakuums oder nennenswerte Steigerung des
Druckes innerhalb der Kammer abgeschieden wird. Dieser Verfahrensschritt gewährleistet, daß die oberste Fläche der η -leitenden Schicht 106 nicht durch atmosphärische Verunreinigungen beeinträchtigt wird, was dann der Fall wäre, sofern das Bauelement aus der MBE-Ultrahoch-Vakuums-Kammer herausgenommen und in eine übliche Aufdampfkammer für die Metallabscheidung gebracht werden würde.
Ein unter Anwendung dieser in situ-Metallisierung hergestellter leistungs-FET 100' ist mit Fig. 2 dargestellt, wobei die mit Fig. 1 übereinstimmenden Bauteile die oben angegebenen, identischen Bezugsziffern erhalten haben. Da große Abschnitte der beiden
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Bauelemente identisch sind, sollen lediglich die Unterschiede herausgearbeitet werden; im einzelnen werden nach der mittels MBE erfolgten Erzeugung der n++-leitenden Schichten 106' und 108f in situ die Metall-( oder Halbmetall-)Schichten 120 und 122 darauf abgeschieden, ohne das Vakuum in der MBE-Kammer zu
unterbrechen. Dieser Verfahrensschritt führt zur direkten Erzeugung Ohm'scher Kontakte ohne Erwärmung und insbesondere ohne Legierungsbildung. Die Auswertung der Elektronenmikroskop-Aufnahmen der Metall-Halbleiter-Grenzfläche beweist eine noch glattere Morphologie als diejenige der Ausführungsform nach Pig. 1. Obwohl dieses Bauelement mit der in situ Abscheidung von Sn mit der Erzeugung der Schichten 120 und 122 realisiert worden ist, können auch andere Metalle wie Au, Pt , Mo, Ta und Ti, oder Halbmetalle wie etv/a Ge-As zweckmäßiger sein, was von der Auslegung des Bauelementes und den Leistungsanforderungen abhängt.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung, ohne diese einzuschränken. Sofern dies nicht besonders ausgedrückt ist, sollen die besonderen, verwendeten Parameter nicht als Beschränkung des Umfanges der Erfindung verstanden werden.
Beispiel 1:
Zu einer beispielhaften Ausführungsform des mit Pig. 1 dargestellten FET gehören:
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■ ein Cr-dotiertes (lOO)-GaAs-Substrat 102.1 aus handelsüblicher Bezugsquelle;
eine unbeabsichtigt dotierte (geringfügig p-leitende mit ungefähr 2 χ 101^ cm*"*) GaAs-Pufferschient 102.2, die in einer Schichtdicke von ungefähr 1 bis 2 um nach dem MBE-Verfahren erzeugt worden ist;
eine η-leitende G-aAs-Kanalschicht 104, die in einer Schichtdicke von ungefähr 0,3 bis 0,6 um nach dem MBE-Yerfahren
16 — "3J
erzeugt und mit Sn bis zu ungefähr 8 χ 10 cm dotiert worden ist;
die n++-leitenden GaAs-Mesazonen 106 und 108, die in einer Schichtdicke von ungefähr 0,2 bis 0,35 jum nach dem MBE-
19 —3 Verfahren erzeugt und mit Sn bis zu ungefähr 5 x 10 cm dotiert worden sind;
die 0hm'sehen Auöe-Ag-Au-Kontakte 110 und 112, die auf
die Zonen 106 und 108 aufgedampft worden sind; und
die auf die Kontakte 110 und 112 aufgedanipften Ti-Pt-Au-Kontakte 114 und 116; und
der aus Al bestehende Gate-Kontakt 118.
Ein im wesentlichen identischer I1ET wurde unter Anwendung der
chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD-Verfahren) hergestellt, wobei die Pufferschicht 102.2 aus Cr-dotiertem GaAs
und die Kanalschicht 104 aus S-dotiertem GaAs erzeugt worden
sind, deren Dotierungsgrad angenähert 8 χ 10 cm
beträgt. In diesem Falle wurde an der Kanalschicht 104 die übliche chemische Reinigung durchgeführt, nämlich in Trichloräthan, 6/
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Azeton und Methanol gespült„ und 20 s lang in Salzsäure eingetaucht, um irgendwelche Oxide zu entfernen, bevor das Bauteil in der MBE-Ultrahochvakuums-Kammer befestigt wurde.
Die MBE-Apparatur mit Ultrahochvakuums-Kammer, Effusionszellen
.1. J.
und dgl., wie sie zur Erzeugung einer η -leitenden GaAs-Schicht (aus v/elcher die Kontaktzonen 106 und 108 gebildet werden) benutzt wird, ist in der Fachwelt bekannt. Im einzelnen wurde eine Ga-Effusionszelle auf 9800C erhitzt; eine As-Effusionszelle auf 35O0C erhitzt und eine Sn-Effusionszelle auf 9500C erhitzt, um eine Wachstumsgeschwindigkeit von ungefähr 1 pm/h
19 —3
bei einer ladungsträgerkonzentration bis zu 5 x 10 cm zu ergeben. Der Grund, warum nach diesem MBE-Yerfahren n-leitende GaAs-Schichten mit einer höheren als bei den meisten Aufwachsverfahren üblichen Ladungsträgerkonzentration erhalten werden können, ist darin zu sehen, daß die Einführung des Dotierstoffes nicht durch dessen Löslichkeit oder durch thermodynamische Gleichgewichtsbedingungen begrenzt ist, sondern vielmehr durch die Oberflächenkinetik bestimmt ist.
In beiden Fällen (Erzeugung der Kanalschicht 104 nach dem CYD-Verfahren oder nach dem MBE-Verfahr en) wurde die nach dem MBE-Yerfahren erzeugte Oberfläche zuerst bei einem Druck von ungefähr 133 x 10"9 Pa (1O~9 Torr) in der Ultrahochvakuums-Kammer 15 s lang auf 6000C erhitzt, um eine saubere GaAs-Oberflache zu erhalten. Daraufhin wurde die Abscheidung der n++- 6/7
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je ϊ
leitenden GaAs-Schicht bei einer Substrattemperatur von 53O0C durchgeführt, um eine oberflächige Ausseigerung von Sn zu verhindern. Die Dicke dieser Schicht reicht von 200 bis 350 nm .
Nach Beendigung der mittels dem MBE-Verfahren erfolgten Erzeugung der n++-leitenden, mit Sn auf > 10 cm dotierten Schicht wurde die Halbleiterscheibe aus der Ultrahochvakuums -Kammer herausgenommen und daran die nachfolgenden Verfahrensschritte vorgenommen:
(1) in üblicher Weise wurde ein mehrschichtiger AuGe-Ag-Au-Kontakt auf der n++-leitenden Schicht aufgedampft;
(2) mittels Ionenabarbeitung wurden aus dem mehrschichtigen AuGe-Kontakt die Source- und Drain-Metallisierungs-Streifen erzeugt;
(3) mittels Ionenabarbeitung oder chemischer Ätzung wurden aus der n+ -leitenden Schicht die streifenförmigen Mesakontaktzonen 106 und 108 herausge-arbeitet; und
(4) die mehrschichtigen Ti-Pt-Au-Kontakte 114 und wurden in üblicher Weise aufgedampft.
Beispiel 2:
Die Erzeugung der η +-leitenden GaAs-Schicht nach dem MBE-Verfahren wurde im wesentlichen analog zu Beispiel 1 durchgeführt; abweichend wurde jedoch vor der Aufdampfung des AuGe-Kontaktes 7/
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und ohne Herausnahme der Halbleiterscheibe aus dem Ultrahoehvakuum-System die Substrattemperatur von 53O0C auf Raumtemperatur abgesenkt, indem der Heizstrom für das Substrat auf ITuIl vermindert wurde. Gleichzeitig wurde die Temperatur der Sn-Effusionszelle auf 11000O gesteigert, um eine Sn-Abscheidungsgeschwindigkeit von ungefähr 5 nm/min erhalten; gleichzeitig wurden die Ga- und As-Effusionszellen mittels einer Blende verschlossen und abgekühlt, um die Ga- und As-Molekularstrahlen zu beenden. Die Abscheidung einer Sn-Schicht (aus der die Sn-Kontakte 120 und 122 nach Pig. 2 erzeugt werden sollen) auf der n++-leitenden Schicht begann, nachdem die Substrattemperatur bis auf ungefähr 1500C gefallen war; diese Abscheidung war bei einem weiteren Temperaturabfall bis auf nahezu Raumtemperatur vollständig beendet« Der Beginn der Sn-Abscheidung bei 1500C oder die Beendigung dieser Abscheidung bei Raumtemperatur sind jedoch keine wesentlichen Parameter» Vielmehr war angestrebt, die Wartezeiten zu verringern und damit die Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung der n++-leitenden Oberfläche möglichst gering zu halten, selbst wenn die Halbleiterscheibe weiterhin in dem Ultrahochvakuums-System gehalten wurde,, Es wurden unterschiedliche -Schichtdicken der Sn-Schicht im Bereich von 50 bis 200 nm (5CDbis 2000 S) angev/andt„
Nach Vervollständigung der Sn-Abscheidung wurden an der Halbleiterscheibe im wesentlichen die gleichen vier Metallisierungsund Behandlungsschritte durchgeführt, wie sie in Beispiel 1 angegeben sind; abweichend war jedoch überhaupt keine Erwärmung 7/S
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erforderlich, um den Ohm'sehen Kontakt zu erzeugen. Die Ionenabarbeitung (Verfahrensschritt (2)) erfolgte zur Ausbildung der Kontaktstreifen 120 und 122 aus der Sn-Schicht sowie die
Erzeugung der Streifen 110' und 112' aus der AuGe-Schicht.
An nach den "beiden Beispielen 1 und 2 erhaltenen FETs wurden wichtige Eigenschaften untersucht.
Im einzelnen wurden die Halbleiterscheiben untersucht, an denen die Ohm'sehen AuSe-Ag-Au-Kontakte (i)zum einen an einer n++-leitenden G-aAs-Kontaktschicht
19 -3
mit einer Ladungsträgerkonzentration > 10 cm entsprechend Fig. 1 abgeschieden v/aren; und
(2) zum anderen auf der Oberseite der in situ abgeschiedenen Sn-Schicht entsprechend Fig. 1 abgeschieden v/aren.
Zu Yergleichszwecken wurden diese Untersuehungsergpbnisse mit entsprechenden Ergebnissen verglichen, die an üblichen Halbleiterscheiben ermittelt worden sind, bei denen legierte, Ohm'sche AuGe-Ag-Au-Kontakte durch Aufdampfung auf eine nach dem CVD-Verfahren erzeugte GaAs-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentrat!on von 2x10 cm erhalten worden sind.
Der Vergleich erfolgte unter den nachfolgenden Bedingungen:
Es wurde die Spannung VrQ0 ermittelt, nämlich die erforderliche Spannung, um einen Strom von 500 mA/mm in
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' 100 ^im "breiten Ohm'sehen Kontaktprüf zellen zu erhalten, die im Abstand von 10 um zu der Halbleiterscheibe zu den dort abgeschiedenen Kontakten angeordnet waren; es wurde die Temperatur und Dauer der Wärmezy-klen bestimmt, welche an dem Kontakt nach der Abscheidung auftraten; und
es wurde der Viert der Spannung "Vc00 nach Durchlaufen dieser Wärmezy-klen bestimmt.
An der Standard-Halbleiterscheibe war der frisch abgeschiedene Kontakt mit einem Sperrpotential von 3 bis 5 "V gleichrichtend, was mit der zu erwartenden Durchschlagsspannung einer Schottky-Sperrschicht bei einer epitaktischen GaAs-Schicht mit einer Ladungsträgerkonzentia tion von 2 χ 10 cm übereinstimmt. Nach der Legierungsbildung durch Erwärmung auf 42O0C (die Eutektikums-Temperatur liegt bei etwa 36O°C) wurden die Kontakte ohmisch, und der Wert der V^QQ-Spannung fiel auf 0,55 bis 0,63 V oder 10 bis 11 0hm ab, was für legierte Ohm'sche Kontakte und den Quadratflächenwiderstand der Epitaxialschichten dieses Bauelementes typisch ist.
An fünf Halbleiterscheiben, bei denen die AuGe-Ag-Au-Kontakte
auf einer zu mehr als 10 cm Sn-dotierten GaAs-Schicht (vgl. Fig. 1) abgeschieden worden waren, wurden die nachfolgenden Beobachtungen gemacht:
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1) an zv/ei der fünf Halbleiterscheiben waren lineare (Ohm'sehe) Kontakte abgeschieden, nämlich an einer Halbleiterscheibe ein Kontakt mit einem Wert "V1-QQ = = 0,37 bis 0,62 Y und an der anderen Halbleiterscheibe ein Kontakt mit dem Wert V500 = 0,93 bis 1,05 Y;
2) an drei der fünf Halbleiterscheiben waren gleichgerichtete Kontakte abgeschieden mit entsprechenden V(-0Q-Werten von 0,6 bis 0,8 V für die erste Halbleiterscheibe, 0,9 bis 1,0 V für die zweite Halbleiterscheibe und 1,05 bis 1,3 Y für die dritte Halbleiterscheibe; und
3) auch diese drei Halbleiterscheiben mit gleichgerichteten Kontakten nahmen ein lineares Verhalten mit einem YcQQ-Wert (1 Ϊ nach einer Erwärmung auf Temperaturen von 3000C für 15 s oder von 350 C/Spitze an, was jeweils unterhalb der Eutektikums-Temperatur für AuGe (etwa 360 C) liegt. Mit dem Ausdruck "Spitze" soll eine sehr kurze Erwärmungsdauer von ungefähr 1 s bezeichnet werden. Nach dieser Erwärmung betrugen die V^p-Werte für die erste Halbleiterscheibe 0,60 V, für die zweite Halbleiterscheibe 0,55 bis 0,64- Y und für die dritte Halbleiterscheibe 0,52 bis 0,92 V.
Der obige Punkt (3) ist recht wichtig, da aus diesem Ergebnis hervorgeht, daß Ohm'sche Kontakte ohne Schmelzen des AuGe-Eutektikums erzeugt v/erden können.
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Weitere Ergebnisse wurden an zwei Halbleiterscheiben ermittelt, bei welchen eine Sn-Schicht in situ abgeschieden und daraufhin die AuGe-Metallisierung durchgeführt worden war (vgl. Fig.2); hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erhalten%
1) beide Halbleiterscheiben zeigten nach der Abscheidung eine lineare (Ohm'sche) Strom-Spannung-Kennlinie; bei der einen Halbleiterscheibe betrug der V,-qq - Viert 1,5 "bis 1,6 V und bei der anderen 0,58 bis 1,0 Y; und
2) bei beiden Halbleiterscheiben verbesserte sich dieser Vp-QQ - Wert durch eine Erwärmung von 25O°C/Spitzej, nämlich auf 1,0 V bei der ersten Halbleiterscheibe und 0,37 bis 0,90 V bei der aweiten Halbleiterscheibe«
Diese Ergebnisse belegen eindeutig,, daß die in situ abgeschiedene Sn-Schicht einen guten Ohm'sehen Kontakt bildet, und daß die Güte des Kontaktes durch eine Erwärmung auf Temperaturen unterhalb der Au-Sn-Eutektikums-Temperatur verbessert wird.
Um detailliertere Angaben über die Kontakte zu erhalten, wurde das Verfahren nach Shockley angewandt; hierbei ergibt sich der Widerstandswert R des Kontaktes nach der Beziehung
Rc = \ Rs - (1)
wobei R_ für den Quadrat flächenwiderstand der n++-leitenden
G-aAs-Schicht und L, für die Übertragungslänge stehen»
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Die Widerstandswerte zwischen den 100 um breiten Kontaktprüfzellen wurden bei unterschiedlichem Abstand L ermittelt und in Form einer graphischen Darstellung wiedergegeben. Die Extrapolation für einen Widerstandswert von 0 ergab 2 L^. Hieraus
wurde ein Wert für den Quadratflächenwi-derstand der η leitenden Schicht errechnet und daraus der Wert für R abgeleitet. Die Widerstandswerte wurden als Funktion der verschiedenen Abstände der Kontaktprüfzellen für unterschiedliche
Proben aufgetragen. Die Änderung der Steigung für unterschiedliche Proben legt nahe, daß die gemessenen Widerstandswerte durch den Quadratflächenwiderstand begrenzt sein können.
Ein alternativer Weg zur Bestimmung des Kontakt-Widerstandswertes geht von der Annahme L=O aus, so daß folgt
1WaS = 2RKontakt + 2RProbe ^
Durch Korrektur des Gesamtx^iderstandswertes der Probe (in diesem Falle 3 Ohm) wurde ein Wert für den Widerstandswert pro Einheitslänge, R,- für einen Kontakt mit streifenförmiger Geometrie der Einheit Ohn-mm erhalten. Dieser Wert ist brauchbar für die Ausgestaltung und Formgebung von GaAs-FETs. Im einzelnen wurden die nachfolgenden Ergebnisse erhalten:
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~-23" 2325791
:^e \ Rc %
"tandard-Halbleiter- 2,5 pm 6x10~6 Λ-cm2 0,25 Λ-mm scheibe mit legiertem
AuGe-Kontakt
in situ abgeschiedene
Sn-Schicht auf GaAs mit
1019 cm"5 ladungsträger 7,5->1Opm #10 0,15-0,23 JOl-mm
in situ erzeugte Sn-Schicht, jedoch 1s lang
auf 25O0C erhitzt 9,0->10jim ΑΠΟ"6 0,06-0,21 SX--mm
Diese Aufstellung belegt, daß der Widerstandswert R^ für Bauelemente der mit Fig. 2 dargestellten Art entweder vergleichbar oder kleiner ist, als die entsprechenden Widerstandswerte üblicher Halbleiterscheiben.
Zusätzlich zu der Bestimmung der Widerstandswerte wurden Elektronenmikroskop-Aufnahmen der verschiedenen 0hm'sehen Kontakte ausgewertet, um die Morphologie der Metall-Halbleiter-Grenzflächen
zu bestimmen. Die Anfertigung der Aufnahmen erfolgte unter einem streifende?! Winkel von 15° zur Oberfläche nachdem der Chip mit der Oberseite nach unten in Wachs befestigt und die GaAs-Schicht abgeätzt worden war, so daß lediglich die Kontakte selbst zurückblieben. Der übliche, bei 4200C legierte Kontakt zeigte örtliche Stellen mit einer Tiefe von angenähert 0,2 pm, während die
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unlegierten Kontakte entsprechend den Fig. 1 und 2 eine viel glattere Morphologie (mit einer Tiefe der Stellen von weniger als 0,1 ^r.r:) aufwiesen.
Zur weiteren Bestimmung der Güte der leistungs-FETs wurden 6 ram "breite Sauelemente der in Fig. 1 dargestellten Art absichtlich durchgebrannt, indem an das Element eine Gleichspannung mit einer Hi1 -Ansteuerung an dem Gate (0,63 W) angelegt vurde. Für die eine Halbleiterscheibe betrug die Durchbrennspannung 48 + 3V, und der Drain-Strom hatte beim Durchbrennen Vierte von 200 bis 275 mA. Bei der zweiten Halblei terscheibe betrug die Durchbrennspannung 37 +, 1V bei einem Durchbrennstrom von 600 mA. Hierbei sind die nachfolgenden Punkte beachtenswert:
1) die Werte für die Durchbrennspannung liegen innerhalb der Verteilung der besten Werte, die bei diesen Untersuchungen für Standard-Halbleiterscheiben mit legierten 0hm'sehen Kontakten erhalten worden sind;
2) obwohl die Angaben begrenzt sind, scheint die Verteilung der Durchbrennspannungen enger als üblich für die legierten Kontakte zu sein; und
3) wie bei den legierten Kontakten führen höhere Drain-Ströme zu geringeren Durchbrennspannungen.
Ferner wurden die HF-Eigenschaften der Bauelemente der in Fig. 1 dargestellten Art untersucht und mit einer Standard-Halbleiterscheibe mit legiertem 0hm'sehen Kontakt verglichen.
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Die HF-Leistung des Bauelementes nach Fig. 1 war ausgezeichnet; für Drain-Ströme von 190 bis 600 mA (bei einer Drain-Spannung
von 14V) hatte die Leistung bei 3dB Werte von 1,1 bis 4,5 W, und die Verstärkung bei 0,63 W HF-Eingangsleistung betrug 2,4 bis 8,0, woraus ersichtlich ist,, daß keine Abnahme als Folge der unlegierten Kontakte oder der .Erzeugungsmaßnahmen auftrat. Im Gegensatz dazu zeigten die besten Standard-Halbleiterscheiben Leistungen von 5,1 bis 5,5 VT und Verstärkungen von 7,6 bis 7,9 bei einer Drain-Spannung von 14V, jedoch bei
viel höheren Drain-Strömen von 790 bis 950 mA. Mit den PETs nach der vorliegenden Erfindung wurden somit vergleichbare Verstärkungen, jedoch bei um 200 bis 350 mA kleineren, erforderlichen Drain-Strömen erzielt.
Es ist zu beachten, daß die oben beschriebene Anordnung hauptsächlich der Erläuterung der zahlreichen möglichen besonderen Ausführungsformen dient, \tfelehe auf der Basis der Grundlagen der Erfindung verwirklicht werden können* Für Fachleute sind zahlreiche und verschiedene besondere Anordnungen zur Realisierung der Grundlagen dieser Erfindung möglich, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Insbesondere ist die Erfindung sowohl zur Erzeugung diskreter Bauelemente anwendbar^ wie zur Erzeugung integrierter Schaltungen (IC). Für einen IC5 bei dem einige Vorrichtungen Ohm'sche Kontakte und andere Vorrichtungen gleichrichtende Kontakte (Schottky-Sperrschichten) erfordern,
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wird erwogen, die n++-leitenden Schichten lediglich selektiv auf solchen Bereichen auszubilden, wo Ohm'sche Kontakte angestrebt werden. Beispielsweise können im Verlauf der Erzeugung nach dem MBE-Verfahren geeignete Masken verwendet werden, welche die Ausbildung der η -leitenden Schichten lediglich auf vorbestimmten Zonen einer Halbleiterscheibe zulassen, so daß die nachfolgende Metallisierung die Ohm'sehen Kontakte auf den n++-leitenden Zonen jedoch Schottky-Sperrkontakt dort ergibt, wo die n++-leitenden Zonen nicht vorhanden sind. Alternativ könnten die vorbestimmten η -leitenden Zonen durch Ätzung,
Ionenabarbeitung oder sonstige Maßnahmen zur Entfernung von Teilen der auf der gesamten Halbleiterscheibe erzeugten η leitenden Schicht ausgebildet v/erden. Darüberhinaus ist, wie bereits oben angedeutet, die vorliegende Erfindung auch zur Erzeugung Ohm'scher Kontakte aus anderen Metallen wie etwa Ti geeignet, die nach dem Stand der Technik Schottky-Sperr-
schichten auf p-leitenden IIl(a)/V(a)-Materialien wie etwa GaAs ergeben. Nachfolgend wird ein Beispiel für einen solchen Ohm'sehen Ti-Kontakt auf GaAs angegeben.
Beispiel 3:
Mittels dem MBE-Verfahren wurde eine übliche, hochleitende
GaAs-Pufferschicht auf einer GaAs-Halbleiterscheibe erzeugt, die mit Te bis zu 2 χ 101 cm"" ^ η-leitend dotiert war. Daraufhin wurde auf der Pufferschicht eine ungefähr 600 nm dicke 13/
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n++-leitende GaAs-Schicht bei einer Aufwachstemperatür von 55O°C und Ga-, Sn- und As,-Zuführungsgeschwindigkeit von 5 x 10 bzw. 1 χ 10 "bzw. 2 χ 10 cm" s erzeugt. Nach dem Verdünnen und Reinigen wurde die Halbleiterscheibe in eine übliche Yakuumeinrichtung eingebracht und dort metallisiert, indem eine 100 nm dicke Ti-Schicht auf die n++-leitende Schicht und daraufhin auf die Ti-Schicht eine 150 nm dicke Pt-Schicht aufgesprüht wurde.
Abhängig vorn Dotierungsgrad der η -leitenden Schicht waren die Ti-Kontakte entweder ohmisch (bei einer Ladungsträgerkonzentration von 6 χ 10 cm in der n+ -leitenden Schicht) geringfügig nicht linear (bei einer Ladungsträgerkonzentration von 1 χ 10' cm ) jedoch für einige Anwendungen ausreichend, oder nicht linear oder gleichgerichtet (bei einer Ladungsträgerkonzentration von 1 χ 10 cm ). Das heißt, Ohm'sche Ti-Kontakte ließen sich auf n++-leitendem GaAs ohne irgendwelche Erwärmung realisieren, mit Sicherheit ohne eine Erwärmung auf eine oberhalb der Eutektikums-Teniperatur gelegenen Temperatur. Diese 0hm'sehen Kontakte wiesen einen spezifischen Kontaktwi-derstand von ungefähr ( 1,9 +. 0,2) χ 10" -Ti-cm auf.
Dieser Ohm'sche Ti-Pt-Kontakt wird typischerweise zur Ausbildung eines 0hm'sehen Kontaktes an p-leitende Laser eines GaAs-AlGaAs-Lasers mit Doppelheterostruktur verwendet. Die vorliegende Erfindung gewährleistet, daß der gleiche Ohm'sche Kontakt
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an den η-leitenden Schichten der gegenüberliegenden Seite des Lasers verwirklicht werden kann, so daß mechanische Kontaktspannungen nicht auftreten, die "bei unterschiedlicher Metallisierung auftreten könnten.
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Claims (10)

  1. BLUMBACH · WESER · BERGEM · KRAMER . .
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Patenlconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Palentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
    V/es tern Electric Company, Incorporated, Cho, 19-14-8
    Broadway, New York, N.Y. 10038,
    U. S. A.
    Unlegierte Ohm'sche Kontakte an η-leitende IIl(a)/V(a)-Harbleiter und Verfahren zur Herstellung
    Patentansprüche:
    IJ Halbleiterbauelement,
    mit einem η-leitenden Körper (102,104) aus einem IIl(a)/V{a)-Verbindungshalbleitermaterial und
    einem Metallkontakt(HO) für den elektrischen Kontakt zu dem Körper,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    an dem Körper eine weitgehend gitterangepaßte, n+ -leitende Epitaxialschicht (106) aus IIl(a)/V(a)-Verbindungshalbleiter-
    Miincheri: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipt.-Ing. Dr.jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
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    material ausgebildet ist, die eine Ladungsträgerkonsentration
    19 -3 von mehr als 10 cm aufweist; und
    der Metallkontakt ein an der n++-leitenden Schicht ausgebildeter, unlegierter Ohm'scher Metallkontakt ist.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper und die Schicht aus Galliumarsenid (GaAs) bestehen.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit Zinn (Sn) dotiert ist.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkontakt aus Gold (Au), Zinn (Sn), Platin (Pt), Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Titan (Ti) oder Arsen-Germanium (AsGe) besteht.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die η -Schicht mittels Molekularstrahl-Epitaxie epitaktisch erzeugt worden ist; und der Kontakt nach Erzeugung der Schicht in situ abgeschieden worden ist.
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  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Halbleiterkörper eine η-leitende Epitaxialschicht (104) aufweist, auf welcher die η -leitende Epitaxialschieht ausgebildet ist;
    an der η-leitenden Epitaxialschieht eine zweite, weitgehend gitterangepaßte, n++-Epitaxialschicht (108) ausgebildet ist,
    19 —3 die eine Ladungsträgerkonzentration von mehr als 10 cm aufweist und im Abstand zu der anderen η +-leitenden Epitaxialschieht (106) angeordnet ist;
    an der zweiten n++-Epitaxials<
    Ohm'scher Metallkontakt (112) ausgebildet ist; und
    an der zweiten n++-Epitaxialschicht ein zweiter, unlegierter,
    zwischen den beiden, im Abstand zueinander angeordneten η Epitaxialschichten ein Metallgatekontakt (118) an der n-leitenden Epitaxialschieht ausgebildet ist.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Metallkontakte die Metallkombination AuG-e-Ag-Au aufweisen.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß
    die n++-leitenden Zonen mittels Molekularstrahl-Epitaxie in Form einer einheitlichen Schicht epitaktisch erzeugt worden sind; die Ohm'sehen Kontakte in situ in Form einer einheitlichen Schicht abgeschieden worden sind; und die n++-leitenden Zonen und die Ohm'sehen Kontakte durch Formgebung der jeweiligen einheitlichen Schichten gebildet worden
    sind- 909881/0889
  9. 9. Verfahren zur Erzeugung eines unlegierten, Ohm'sehen
    Kontaktes an einem η-leitenden Körper aus einem III(a)/
    V(a)-Verbindungshalbleitermaterial,
    gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
    a) auf dem Körper wird epitaktisch eine n++-leitende Schicht (106) aus dem Material so erzeugt, daß die
    Schicht eine Ladungsträgerkonzentration von mehr als
    19 —3
    10 3 cm aufweist; und
    b) auf der η -leitenden Schicht wird ohne Erwärmung auf eine oberhalb der Eutektikums-Temperatur gelegene Temperatur eine Metallschicht (110) abgeschieden und dadurch der Ohm'sche Kontakt erzeugt.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Verfahrensschritt (a) die n++-leitende Schicht mittels Molekularstrahl-Epitaxie erzeugt wird; und
    im Verfahrensschritt (b) die Metallschicht in situ nach Erzeugung der n++-leitenden Schicht abgeschieden wird.
    2/
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DE19792925791 1978-06-27 1979-06-26 Unlegierte ohm'sche kontakte an n-leitende iii(a)/v(a)- halbleiter und verfahren zur herstellung Granted DE2925791A1 (de)

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