DE3135993A1 - "verfahren zur herstellung von kontakten mit geringem widerstand in halbleitervorrichtungen" - Google Patents

"verfahren zur herstellung von kontakten mit geringem widerstand in halbleitervorrichtungen"

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DE3135993A1 DE19813135993 DE3135993A DE3135993A1 DE 3135993 A1 DE3135993 A1 DE 3135993A1 DE 19813135993 DE19813135993 DE 19813135993 DE 3135993 A DE3135993 A DE 3135993A DE 3135993 A1 DE3135993 A1 DE 3135993A1
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Description

Verfahren zur Herstellung von Kontakten mit geringem Widerstand in Halbleitervorrichtungen
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte Silicium-Schaltvorrichtungen und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von Kontakten mit geringem elektrischem Widerstand in solchen Vorrichtungen.
Da die Dichte von Schaltelementen in integrierten Schaltvorrichtungen und die Betriebsgeschwindigkeit steigt, muß der spezifische Widerstand der Elektroden, der dazwischen liegenden Leitungen und der elektrischen Kontakte zu den Schaltelementen herabgesetzt werden. Refraktäre Metalle, wie Molybdän, sind bisher für die Elektroden und die dazwischen liegenden leitenden Verbindungen für solche Vorrichtungen verwendet worden. Das Verbinden der Verbindungsleitungen aus refraktären Metallen, wie Molybdän, mit einem Siliciumsubstrat zu Ohm'sehen Verbindungen geschah bisher nach im wesentlichen mechanischen Maßnahmen. Bei solchen herkömmlichen Techniken wird der Teil des Silicium-Halbleitersubstrats, an dem der Kontakt hergestellt werden soll, durch Entfernen der darüber liegenden Isolierschicht freigelegt. Vorzugsweise umfaßt dies auch die Entfernung der sehr dünnen Siliciumdioxidschicht, die sich leicht auf der freien Siliciumoberflache bei 25 °C in Gegenwart von Sauerstoff bildet. Der freigelegte Teil des Substrats wird stark dotiert, so daß an ihm ein
Schottky-Diodenkontakt hergestellt werden kann, in dem die Leitung überwiegend durch Elektronen-Tunneleffekt erfolgt. Das refraktäre Metall wird dann auf dem freigelegten Teil
abgeschieden, um die Ohm'sche Verbindung zu ihm herzustellen. Während im Falle von Molybdän ein Kontakt mit verhältnismäßig geringem Widerstand so hergestellt werden kann,
wurde gefunden, daß solche Kontakte nicht nur eine mäßige
Haftung besitzen, sondern auch der Widerstand solcher Kontakte bei der nachfolgenden Hochtemperatur-Bearbeitung erheblich ansteigt.
Bei der Durchführung der Erfindung gemäß einer Äusführungsform zur Veranschaulichung wird ein Substrat aus Silicium-Halbleitermaterial mit einer Hauptoberfläche vorgelegt. Eine Schicht aus einem refraktären metallischen Material aus der Klasse Molybdän und Wolfram wird über einem Teil der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats gebildet. Eine Dosis von Ionen eines eine Leitfähigkeit induzierenden Typs wird durch die Schicht aus refraktärem metallischem Material auf das Substrat angewandt, um eine Schicht einer Verbindung mit dem
refraktären Metall und dem Silicium an der Grenzfläche der Schicht aus refraktärem Metall und dem Substrat sowie auch einen Bereich eines Leitfähigkeitstyps in dem Substrat angrenzend an die Schicht aus refraktärer Metallverbindung
zu bilden. Die angewandte Dosis ist groß genug, um eine
deutliche Aktivatorkonzentration des vorerwähnten Bereichs zu liefern, die eine Leitung zwischen der Schicht aus refraktärem Metallsilicid und dem vorgenannten Bereich überwiegend durch Elektronentunneleffekt eintreten läßt,,
Die Erfindung ist am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Figuren zu verstehen; von diesen ist
Fig. 1 eine Draufsicht eines Verbundkörpers, der
ein Substrat aus Si 1 icium-H alb leiter- Material umfaßt, an
dem ein elektrischer Kontakt mit geringem Widerstand erfindungsgemäß hergestellt worden ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Körpers der Fig. 1 entlang den Schnittlinien 2-2;
Fig. 3A-3E zeigen Querschnitte von Strukturen, die aufeinanderfolgende Schritte bei einer Herstellungsmethode des Verbundkörpers der Figuren 1 und 2 gemäß der Erfindung darstellen.
In den Figuren 1 und 2 ist eine Verbundstruktur 10 gezeigt, die einen Teil oder Ausschnitt einer integrierten Schaltungsvorrichtung darstellt und eine erfindungsgemäß hergestellte elektrische Verbindung veranschaulicht. Die Struktur 10 umfaßt ein Substrat 12 aus η-leitendem Silicium mit einer Hauptoberfläche 13. Eine dicke Schicht 14 aus Siliciumdioxid wird über der Oberfläche des Halbleiter-Substrats liegend angeordnet. Eine öffnung 15 ist in der Isolierschicht 14 vorgesehen, die bis zur Oberfläche des Substrats reicht und ein Paar Seitenwände 15a und 15b aufweist. Eine leitende Verbindung 16a aus Molybdän wird über der Isolierschicht 14 und bis in die öffnung 15 ragend vorgesehen. Die Leitung hat ein Teil 16b, an die Seitenwand 15a angrenzend, und einen weiteren Teil 16c, an die Seitenwand 15b angrenzend, sowie einen Basisteil 16d, der die Bodenteile der Teile 16b und 16c verbindet. Unter dem Bodenteil 16d liegt eine Schicht 17 aus Molybdän-silieid, daran gebunden. Die Unterseite der Schicht aus Molybdän-silieid ist ihrerseits an einen oberflächennahen Bereich 18 mit η-Leitfähigkeit im Substrat. 12 gebunden. Das Substrat 12 besteht aus Silicium mit einem zur Bildung integrierter Schaltvorrichtungen geeigneten spezifischen Widerstand. Der Bereich 18 des η-Typs ist mit einer deutlichen, genügend hohen, mit dem Symbol N+ bezeichneten Aktivatorkonzentration versehen, um einen Meta]1-Halbleiter-Kontakt mit der Schicht aus Molybdän-silicid zu bilden, so daß die Leitung zwischen dem
τ _^
Bereich 18 und dem Bereich 17 überwiegend durch Elektronentunneneffekt erfolgt. Die Schicht 17 kann üblicherweise mehrere 10 nm (mehrere 100 Ä) dick sein. Der Molybdänleiter kann üblicherweise in der Größenordnung von 100 nm (1O0O Ä) Dicke sein. Die Verbundstruktur 10 veranschaulicht eine zwischen einer Leitung 16a und dem Substrat 12 hergestellte Ohm'sche Verbindung, worauf andere integrierte Schaltelemente (nicht dargestellt) vorliegen.
Ein Verfahren zur Herstellung der Verbundstruktur 10 der Figuren 1 und 2 wird nun in Verbindung mit den Figuren 3A-3E beschrieben. Mit Elementen der Figuren 1 und 2 identische Elemente der Figuren 3A-3E sind identisch bezeichnet. Ein Substrat 12 aus η-leitendem Silicium-Halbleiter-Material mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm-cm und etwa 0,254 mm (etwa 10 mil) Dicke wird vorgelegt. Passenderweise wird das Substrat mit einer Hauptoberfläche 13 parallel zu einer (100) Kristallebene versehen. Eine Schicht 14 aus Siliciumdioxid von etwa 600 nm (etwa 6000 A) Dicke läßt man auf der Hauptoberfläche 13 thermisch aufwachsen, wie in Fig. 3A gezeigt. Eine rechtwinklige Öffnung 15 wird in der Schicht 14 geschaffen, die bis zur Hauptoberfläche 13 ragt, wie in Fig. 3B gezeigt, wozu photolithographische Maskierungs- und Ätztechniken, auf dem Fachgebiet gut bekannt, angewandt werden. Die Oberfläche 13 wird in einer inerten Niederdruckatmosphäre zerstäubungsgeätzt, um eine von Siliciumdioxid praktisch freie Siliciumoberflache zu gewährleisten. Siliciumoberflachen haben eine dünne Schicht aus natürlichem Siliciumoxid, die sich selbst bei Raumtemperaturen in Gegenwart von Sauerstoff darauf bildet. Wenn es auch vorzuziehen ist, eine solche natürliche Oxidschicht zu entfernen, wird die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch dessen Gegenwart nicht wesentlich beein*- trächtigt. Danach wird eine Schicht 16 aus Molybdän von efc·* wa 1000 Ä Dicke durch Aufstäuben auf den freien Teil der Oberfläche 13 des bei 300 0C gehaltenen Halbleiter-Substrats
und auch auf die umgebende Isolierschicht abgeschieden, wie in Fig. 3C gezeigt.
Die Schicht 16 aus Molybdän wird dann unter Anwendung von auf dem Fachgebiet gut bekannten photolithographischen Maskierungs- und Ätztechniken bemustert., um die Leitung 16a zu schaffen, wie in Fig. 3D (auch in Fig. 1) gezeigt. Sodann wird eine Dosis Phosphorionen durch die Molybdänschicht in der öffnung 15 in das Substrat eingebracht, wie in Fig. 3D gezeigt. Während der angewandte Strahl aus Phosphorionen über den Bereich der öffnung hinausreicht, werden Flächen der Substratoberfläche, die nicht unter der öffnung liegen, durch die relativ dicke Schicht 14 aus Siliciumdioxid und die Schicht 16 aus Molybdän abgeschirmt. Die Ionen werden mit einer Energie ausgestattet, die deren Eindringen durch die Molybdänleitung und in den Teil des Substrats r der unter der öffnung 15 liegt, gewährleistet. Die Energie der Ionen wird so eingestellt, daß der vorgesehene Bereich, d.h. die durchschnittliche Weglänge, praktisch an der Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht 16 und der Hauptoberfläche 13 liegt. Eine zur Penetration der Molybdänschicht geeignete Energie der Phosphorionen beträgt 250 keV. Die angewandte Dosis der Ionen wird so eingestellt, daß sich nicht nur eine intermetallische Verbindung aus Molybdän und Silicium, sondern auch eine deutliche Aktivatorkonzentration in dem oberflächennahen Bereich des Substrats ergibt, die hoch genug ist, um einen Schottky-Sperrkontakt zu bilden, worin die Leitung überwiegend durch Elektrönentunneleffekt erfolgt, wie nachfolgend beschrieben. Der an-
Ic 17
wendbare Dosisbereich ist etwa 10 bis etwa 10 Ionen/cm Bei einem Ionenstrahl mit einer Strom- oder Flußdichte von
η _ ο —1 15 -
2 χ 10 Ionen cm s wäre eine Dosis von 10 Ionen cm in etwa 50 s erreicht. Bei einem Ionenstrahl mit einer
13 — 2 -1 Strom- oder Flußdichte von 3 χ TO Ionen cm s wäre
17 - 2
eine Dosis von 10 Ionen cm in etwa 55,55 min erreicht.
Drei Gruppen von Kontakten, deren jeder Kontakt eine Flä-
2
ehe von 0,01 cm hatte, wurden bei einer Temperatur von 25°C
1 5 in der oben beschriebenen Weise jeweils mit Dosen von 10 , 10 und 10 Ionen cm hergestellt. Der spezifische Widerstand des Kontakts zwischen der Molybdänleitung und dem Siliciumsubstrat für jeden der Kontakte der drei Gruppen wurde gemessen. Bei jedem der Kontakte der mit einer Dosis von
15 -2
etwa 10 Ionen cm hergestellten Gruppe wurde ein spezifi-
scher Widerstand des Kontakts von praktisch 10 μ Λ cm erhalten. Bei jedem der Kontakte der mit einer Dosis von etwa 10 Ionen cm hergestellten Gruppe wurde ein spezifischer
2 Widerstand des Kontakts von praktisch 1 μίΐ cm erhalten.
(Der Wert von 1 μ.αοπι an spezifischem Widerstand des Kontakts ist etwa der Wert, der durch Legieren von Aluminiumleitern an Siliciumsubstrate erhalten wird.) Bei jedem der Kontakte
17 —2 der mit einer Dosis von etwa 10 Ionen cm hergestellten Gruppe wurde ein spezifischer Widerstand des Kontakts von
2
praktisch 1 μλ cm erhalten. Jeder der Kontakte der drei Gruppen wurde dann bei einer Temperatur von etwa 1000 0C 30 min angelassen und wieder wurde der spezifische Widerstand der Kontakte gemessen. Bei den mit einer Dosis von 10
_2
Ionen cm hergestellten Kontakten fiel der spezifische Wi-
derstand des Kontakts praktisch auf 1 μώ cm . Bei den mit Dosen von 10 und 10 Ionen cm" hergestellten Kontakten
blieb der spezifische Widerstand bei praktisch 1 μΛ cm .
Kontake von Molybdän an Silicium wurden auch unter zu den oben bei 25 0C beschriebenen Bedingungen identischen Bedingungen hergestellt, mit der Ausnahme, daß die drei verschiedenen Dosen von 1015, 1016 und 1017 Ionen cm"2 auf bei -196 0C gehaltene Siliciumsubstrate angewandt wurden, und diese hatten, wie sich zeigte, praktisch die gleichen spezifischen Widerstände, wie für die oben bei 25 0C hergestellten Kontakte. Molybdän/Silicium-Kontakte wurden auch unter zu den oben bei 25 0C hergestellten Bedingungen identischen Bedingungen hergestellt, mit der Ausnahme, daß die drei verschiedenen Dosen
auf bei 150 0C gehaltene Siliciumsubstrate angewandt wurden, und sie zeigten, wie gefunden wurde, praktisch die gleichen spezifischen Widerstände, wie die oben beschriebenen, bei 2*5 0C hergestellten Kontakte.
Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Art und Weise der Bildung der Kontakte gehen Ionen mit der angegebenen Energie durch die Molybdänschicht und durch jede dünne Schicht aus Siliciumdioxid, die sich an der Grenzfläche zwischen dem Molybdänleiter und dem Substrat befinden mag. Die Ionenbombardierung liefert Fehlstellen in der Kristallstruktur des Siliciumsubstrats in der Nähe der Oberfläche, wobei Atome verdrängt werden. Jede Siliciumdioxidschicht auf der Substratoberflache wird auch durchbohrt und aufgebrochen. Unter diesen Bedingungen vermischen sich Molybdän- und Siliciumatome und kombinieren unter Bildung einer Verbindung an der Grenzfläche. Bei ausreichend hoher Dosierung liefert die Wechselwirkung eine Schicht 17 aus Molybdändisilicid, wie in Fig. 3D gezeigt. Zugleich bildet sich eine erhöhte Konzentration an Donor—Aktivatoren in dem oberflächennahen Bereich 18 des Substrats, was diesem Bereich eine starke n-Leitfähigkeit verleiht. So entsteht ein leitfähiger Kontakt einer Molybdändisilicid-Schicht 17, die auf einer Seite an die Molybdänschicht und auf der anderen Seite an den n-leitenden Bereich 18 gebunden ist. Dies wird als Metall/Halbleiter-Kontakt oder als Schottky-Diode bezeichnet. Wenn die Netto-Aktivatorkonzentration des η-Bereichs ausreichend hoch gemacht wird, d.h. in der Größenordnung von 10 Atomen/cm , erfolgt die Leitung zwischen diesen Schichten durch Elektronentunneleffekt, was zu einem nlederohmigen Widerstand dazwischen führt.
Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform Phosphorionen verwendet werden, können Ionen anderer Elemente der Gruppe V verwendet werden, wie Arsen. Arsenionen würden mit der zum Durchdringen der Molybdänschicht und zum durch-
schnittlichen Durchdringen bis zur Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht und dem Halbleitersubstrat nötigen Energie versehen. Für eine Molybdänschicht von 50 nm (500 A) Dicke würde eine Energie von 230 keV angewandt. Wieder wäre die Dosis zur Bildung der leitenden Schicht aus Molybdänsilicid und zur Schaffung einer Netto-Aktivatorkonzentration, die ausreicht, um eine Leitung durch Elektronentunneleffekt zwischen der Molybdänsilicidschicht und diesem Bereich zu schaffen, ausreichend hoch.
Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Kontakt auf einer (100)-Fläche des Siliciumsubstrats gebildet wurde, ist offensichtlich, daß Oberflächen anderer Orientierung verwendet werden können.
Während bei dem obigen Beispiel die Erfindung in Verbindung mit der Bildung einer elektrischen Verbindung mit geringem Widerstand zwischen einem Leiter aus Molybdän und einem Halbleitersubstrat aus Silicium mit n-Leitfähigkeit beschrieben wurde, ist offensichtlich, daß ein elektrischer Kontakt mit geringem Widerstand ebenso auch an Siliciumsubstraten mit p-Leitfähigkeit hergestellt werden kann. Jedoch würden im letzteren Falle anstelle der Verwendung von Donorionen aus der Gruppe V des Periodensystems Akzeptorionen aus der Gruppe III des Periodensystems verwendet. Bor wäre ein geeignetes Element. Borionen würden mit der zum Durchdringen der Molybdänschicht und durchschnittlich zum Durchdringen bis zur Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht und dem Halbleitersubstrat erforderlichen Energie versehen. Für eine Molybdänschicht von 100 nm (1000 K) Dicke würde eine Energie von 90 keV angewandt. Wieder würde zur Bildung der leitenden Schicht aus Molybdänsilicid und zur Schaffung einer Aktivatorkonzentration im oberflächennahen Bereich des Substrats eine ausreichende Dosis angewandt, die hoch genug·wäre, eine Leitung überwiegend aufgrund des Elektronentunneleffekts zwischen der Molybdänsilicidschicht und diesem Bereich zu schaffen.
Auch kann ein Bereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Halbleitersubstrat eines Leitfähigkeitstyps gleichzeitig mit der Bildung einer Ohm'sehen Verbindung zürn Halbleitersubstrat gebildet werden, indem eine Dosis von Ionen des entgegengesetzte Leitfähigkeit induzierenden Typs durch die refraktäre Metallschicht auf das Substrat angewandt wird. Eine Schicht aus refraktärem Metallsilicid wird an der Grenzfläche der Schicht aus refraktärem Metall und dem Substrat gebildet und ein Bereich des entgegengesetzten Leit— fähigkeitstyps wird in dem Substrat angrenzend an die refraktäre Metallsilicidschicht gebildet. Natürlich würde anschließend ein Anlassen erfolgen, um den Schaden zu beheben, der am Siliciumsubstrat durch die Implantation eingetreten ist, und um die implantierten Ionen zu aktivieren.
Während die Erfindung in Verbindung mit einer zusammengesetzten Struktur beschrieben wurde, in der die leitende Schicht 16 aus Molybdän besteht, ist offensichtlich, daß im Hinblick auf die Ähnlichkeit der Verbindungen des Molybdäns, insbesondere seiner Silicide, mit den Verbindungen des Wolframs der Leiter 16 ebensogut auch aus Wolfram bestehen kann.
Leerseite

Claims (15)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts, gekennzeichnet durch
    Vorlegen eines Substrats aus Silicium-Halbleiter-Material mit einer Hauptoberfläche,
    Bilden einer Schicht aus einem refraktären Metall aus der Klasse Molybdän und Wolfram über einem Teil der Oberfläche des Substrats,
    Anwendung einer Dosis von Ionen eines eine Leitfähigkeit induzierenden Typs durch die Schicht aus refraktärem Metall und auf das Substrat zur Bildung einer Schicht einer Verbindung mit dem refraktärem Metall und dem Silicium-Halbleiter-Material an der Grenzfläche der Schicht aus refraktärem Metall und dem Substrat und zur Bildung eines Bereichs des einen Leitfähigkeitstyps in dem Substrat angrenzend an die Schicht der Verbindung, wobei die Dosis groß genug ist, um eine deutliche Aktivatorkonzentration in dem Bereich zu liefern, wodurch die Leitung zwischen der Schicht der Verbindung und dem Bereich überwiegend durch Elektronen-
    tunneleffekt eintritt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet t daß die Energie der Ionen so eingestellt wird, daß sich eine durchschnittliche Eindringtiefe der Ionen praktisch bis zur Hauptoberfläche des Substrats ergibt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der Ionen im. Bereich von etwa
    15 17 2
    10 bis etwa 10 Ionen/cm ist.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die Schicht aus refraktärem metallischem Material während der Anwendung der Ionendosis bei weniger-als etwa 150 0C gehalten wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das einer Dosis am unteren Ende des Dosisbereichs ausgesetzte Substrat bei einer Temperatur unter etwa 1000 0C so lange angelassen wird, daß der Widerstand zwischen der Schicht und dem Substrat herabgesetzt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Hauptoberfläche des Substrats eine dünne Siliciumdioxidschicht umfaßt, wobei die Schicht aus refraktärem metallischem Material über der dünnen Siliciumdioxidschicht liegt, und wobei die Dosis durch die dünne Siliciumdioxidschicht angewandt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat von dem einen Leitfähigkeitstyp in Nachbarschaft zu dem Teil der Hauptoberfläche und des Bereichs ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat vom entgegengesetzten Eeitfähigkeitstyp in Nachbarschaft zu dem Teil der Hauptoberfläche und des
    Bereichs ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das refraktäre metallische Material Molybdän ist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das refraktäre metallische Material Wolfram ist.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in der Klasse der Gruppe V der Periodensystems ausgewählt werden.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Phosphorionen sind.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Arsenionen sind.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in der Gruppe III des Periodensystems ausgewählt werden.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14„ dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Borionen sind.
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