DE4405716A1 - Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten für Verbindungshalbleiter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten für Verbindungshalbleiter

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten auf einer n-dotierten Halblei­ terschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters, insbe­ sondere auf einer n-dotierten Halbleiterschicht aus Ga1-xAlxAs wobei der relative Anteil x des Aluminiums im Bereich von (0 x 1) liegt.
Als ohmsche Kontakte für die n-Typ III-V-Verbindungs­ halbleiterkristalle GaAs und GaAlAs werden in der indu­ striellen Halbleitertechnik überwiegend eutektische AuGe- und AuGeNi-Legierungen eingesetzt. Mit Goldger­ manium Kontaktschichten lassen sich auf dem binären n- Typ Verbindungshalbleiter Galliumarsenid reproduzierbar homogene Kontakte herstellen, wenn die Kontaktschicht eine niedrige Germaniumkonzentration aufweist und die Formierung des ohmschen Kontakts anstatt durch einen Prozeßschritt des Legierens durch eine Temperung er­ folgt. Ein derartiges Verfahren ist in der DE 41 13 969 C2 beschrieben. Der spezifische Kontaktwiderstand von getemperten Kontakten beträgt typischerweise etwa 1 × 10-5 Ω cm².
Als ohmscher Kontakt für den ternären, n-dotierten Verbindungshalbleiter Ga1-xAlxAs sind Goldgermanium- Schichten nur bedingt geeignet. Mit zunehmendem Alumi­ niumanteil wird die Haftung der aufgedampften AuGe- Schichten schlechter und ihr Kontaktwiderstand steigt an. Der natürliche Oxydfilm, der sich auf der Oberflä­ che von GaAlAs ausbildet, läßt die Verwendung von Gold­ germaniumkontakten nur für Ga1-xAlxAs mit einem relati­ ven Aluminiumanteil x im Bereich von 0 x 0,4 zu. Als Kontakt für n-Typ Ga1-xAlxAs mit beliebigem Alumi­ niumanteil x hat sich ein Mehrschichtkontakt aus Gold Au, Germanium Ge und Nickel Ni bewährt. Nickel löst den natürlichen Oxydfilm auf der GaAlAs-Oberfläche in einer Festkörperreaktion während des Legierprozesses unter der Bildung von Verbindungen wie NiAs und β-AuGa auf. Bei den in der Literatur dokumentierten AuGeNi-Kon­ takten wird Goldgermanium entweder als eutektische Legierung AuGe (88/12) oder in diskreten Schichten aus Gold und Germanium aufgebracht. Erstgenanntes Verfahren wird zum Beispiels in Applied Physic Letters 54 (8), Februar 1989, Seiten 721 bis 723 und in der EP 323 554 A1 und das zweitgenannte Verfahren in der EP 419 062 A2 beschrieben. Anschließend wird eine Nickelschicht auf der Gold/Germaniumschicht gebildet. Sie hat im allge­ meinen eine Dicke, die etwa 28 nm pro 100 nm AuGe (88/12) entspricht.
Die Gesamtdicke des AuGeNi-Kontaktes ist nicht kri­ tisch. Sie liegt überwiegend zwischen 100 und 250 nm. Bei einer Verringerung der Gesamtdicke unter 100 nm muß jedoch mit einem Anstieg des Kontaktwiderstands gerech­ net werden. Die Reihenfolge, in der die Schichten auf den Verbindungshalbleiter aufgebracht werden, ist ohne große Bedeutung, da die Schichtenfolge im folgenden Temperaturprozeß aufgeschmolzen und legiert wird. In der Literatur sind daher auch AuGeNi-Kontakte dokumen­ tiert, bei deren Herstellung zuerst Nickel und dann Goldgermanium auf den Verbindungshalbleiterkristall aufgebracht wird. Da der Schichtwiderstand von legier­ ten AuGeNi-Kontakten hoch ist, er beträgt typisch etwa 2 Ω pro Square, wird normalerweise zusätzlich eine Goldverstärkung aufgebracht. Zur Formierung des ohm­ schen Kontakts muß die AuGeNi-Schicht einer Temperatur­ behandlung unterzogen werden. Die Temperatur liegt da­ bei vorzugsweise zwischen 360 und 500°C. Wegen der niedrigen Schmelztemperatur des AuGe (88/12) Eutekti­ kums von ca. 360°C, handelt es sich bei diesem Prozeß um ein Legierprozeß. Das Kontaktmetall wird beim Er­ wärmen flüssig und rekristallisiert beim Abkühlen wie­ der.
Die bekannten AuGeNi-Kontakte weisen folgende Nachteile auf. Das Legieren ist technologisch schwer zu beherr­ schen und ergibt Kontakte mit schlechter Morphologie und unregelmäßigen Kontakträndern. Die Kontakte lassen sich wegen der diskreten Nickel schichten mittels Ätz­ verfahren nicht, bzw. nur unter sehr hohem Aufwand strukturieren. Die Einhaltung der Maßhaltigkeit ist nur eingeschränkt möglich. Als Strukturierungsverfahren werden daher für die bekannten AuGeNi-Kontakte Abhebe­ techniken (Lift-off) eingesetzt, bei denen die uner­ wünschten Teile des Kontaktmetalls mit Hilfe einer dar­ unterliegenden Fotolackstruktur abgehoben werden. Diese Verfahren werden jedoch in der Massenfertigung nur dann eingesetzt, wenn keine einfacheren und zuverlässigeren Verfahren anwendbar sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten auf einer n- dotierten Halbleiterschicht des Verbindungshalbleiters Ga1-xAlxAs mit beliebigem Mischungsverhältnis x anzuge­ ben, wobei die Kontakte durch einfache Ätzverfahren strukturierbar sein sollen. Die Kontakte müssen weiter­ hin einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen und frei von Inhomogenitäten sein. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiterführende Ausgestal­ tung des Verfahren erfolgt gemäß den Merkmalen der ab­ hängigen Ansprüche.
Auf die n-dotierte Halbleiterschicht des Halbleiter­ kristalls wird zunächst ein AuGeNi-Film aufgedampft oder mittels Kathodenzerstäubung aufgesputtert. Der AuGeNi-Film enthält weniger als 1 Gewichtsprozent Ger­ manium und weniger als 1 Gewichtsprozent Nickel. Auf den AuGeNi-Film wird anschließend eine Verstärkung aus Gold aufgebracht. Das erfolgt vorteilhafterweise durch den gleichen Prozeß, durch den auch die darunterlie­ gende Schicht erzeugt wurde, um die Bildung einer Oxid­ schicht zu vermeiden. Anstatt des konventionellen Legierprozesses beinhaltet das Verfahren eine Temperung durch ein Kurzzeit-Temperatur-Verfahren auch Rapid- Thermal-Processing RTP oder durch einen konventionellen Temperprozeß im Ofen. Während der Temperung kommt es nicht zur Verflüssigung und zur anschließenden Rekri­ stallisation des AuGeNi-Films wie beim Legierprozeß. Der ohmsche Kontakt entsteht in einer Festkörperreak­ tion durch die Diffusion der Germaniumatome aus der AuGeNi-Schicht in die Oberfläche der n-dotierten Schicht des III-V-Verbindungshalbleiters. Der Kontakt ist einfach herzustellen und wegen der niedrigen Germa­ nium- und Nickelkonzentration mit den in der Halblei­ tertechnik üblichen Verfahren zum Goldätzen ohne Schwierigkeiten rückstandsfrei zu strukturieren.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Figuren näher er­ läutert.
Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten­ folge des Kontaktes vor der Temperaturbehand­ lung.
Die Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten auf einer n-dotier­ ten Halbleiterschicht eines III-V-Verbindungshalblei­ ters, beispielsweise Ga1-xAlxAs mit einem relativen Aluminiumanteil x (0 x 1). Das Verfahren umfaßt je einen Schritt zur Herstellung einer ersten und einer zweiten Metallschicht auf der Vorderseite eines Halb­ leiterkristalls und einen Temperschritt, um daraus den ohmschen Kontakt zu erzeugen. Im ersten Schritt des Verfahrens wird die AuGeNi-Schicht 2 entweder durch thermische Verdampfung aus einer AuGeNi-Quelle, die durch einen Elektronenstrahl beheizt wird, oder durch Kathodenzerstäubung eines AuGeNi-Targets auf dem III-V- Verbindungshalbleiterkristall 1 gebildet. Im zweiten Schritt des Verfahrens wird die Au-Schicht 3 anhand der gleichen Methode auf der AuGeNi-Schicht 2 gebildet. Das Aufdampfen bzw. Kathodenzerstäuben erfolgt bei einem Basisdruck von ca. 2 × 10-7 mbar.
Die Fig. 2 zeigt die Schichtenfolge des ohmschen Kon­ takts vor der Temperaturbehandlung. Der Metall-Halblei­ terkontakt besteht aus zwei Schichten: einer AuGeNi- Schicht 2 und einer Au-Schicht 3. Die AuGeNi-Schicht 2 befindet sich direkt auf dem n-Typ III-V-Verbindungs­ halbleiter 1 und hat eine Dicke zwischen 50 und 200 nm. Die Germaniumkonzentration in der AuGeNi-Schicht liegt bei ca. 0,4 Gewichtsprozent und sollte 1 Gewichtspro­ zent nicht übersteigen. Die Nickelkonzentration liegt bei etwa 0,5 Gewichtsprozent und sollte ebenfalls 1 Gewichtsprozent nicht übersteigen. Auf der AuGeNi-Schicht befindet sich die Au-Schicht 3 mit einer Dicke zwischen 250 und 1.000 nm.
Beim Temperschritt wird die Mehrschicht-Kontaktanord­ nung durch ein sogenanntes Rapid-Thermal-Processing bei einer Temperatur zwischen 430 und 480°C für eine Zeit­ dauer zwischen 5 und 20 Sekunden getempert, um die ohm­ sche Kontaktschicht zu erzeugen. Der Temperschritt fin­ det in einer inerten Atmosphäre eines inaktiven Gases, wie zum Beispiel N₂ oder Ar, statt. Der ohmsche Kontakt entsteht durch Diffusion der Germaniumatome aus der AuGeNi-Schicht 2 in die Oberfläche des n-Typ III-V-Verbindungshalbleiters 1. Wichtig für das Verfahren ist insbesondere, daß die Zeit und die Temperatur des Temperschrittes so gewählt werden, daß die Kontakt­ schicht nicht aufschmilzt und so die vom legierten Kon­ takt her bekannten Inhomogenitäten entstehen.
Alternativ zum Rapid-Thermal-Processing kann auch ein konventioneller Temperprozeß durchgeführt werden. In diesem Fall liegt die Prozeßtemperatur zwischen 360 und 390°C. Die Zeitdauer des Temperprozesses beträgt zwi­ schen 40 Minuten und 3 Stunden. Auch in diesem Fall sind Temperatur und Zeit so gewählt, daß die Kontakt­ schicht nicht schmilzt. Die Temperung durch den konven­ tionellen Prozeß wird vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre von zum Beispiel N₂- oder Ar-Gas durchge­ führt. Der Temperprozeß kann jedoch auch in einer redu­ zierenden Atmosphäre durchgeführt werden.
Beispiele für den n-Typ III-V-Verbindungshalbleiter, auf denen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein ohm­ scher Kontakt hergestellt werden kann, sind GaAs, Ga1-xAlxAs, GaP, InP und verwandte Halbleiterkristalle. Besonders geeignet ist das Verfahren für Ga1-xAlxAs (0 ϑ x ϑ 1), insbesondere dann, wenn der Aluminiuman­ teil x höher ist als 0,4.
Wird die Kontaktschicht durch einen oder mehrere Bond­ drähte aus Gold oder Aluminium kontaktiert, so ist es notwendig den Kontakt durch ein oder mehrere Metall­ schichten zu verstärken, um eine Beschädigung des Kon­ takts oder des Halbleiterkristalls während des Bondens zu vermeiden. Als Verstärkungsschicht (Bondpad) wird bevorzugt Gold oder Aluminium verwendet. Während eine dickere Goldschicht direkt auf die AuGeNi-Kontakt­ schicht aufgebracht werden kann, muß ein Bondpad aus Aluminium auf einer Zwischenschicht, die als Diffu­ sionsbarriere fungiert, aufgebracht werden. Eine Schicht aus Titan-Wolfram-Nitrid TiWN verhindert die Diffusion des Aluminiums aus dem Bondpad in die Kontaktschicht. Als Nebeneffekt wird das Legieren des ohmschen Kontakts und der Aluminiumverstärkung während des Temperschritts unterbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf einen Halbleiterkristall mit einer Einfachheterostruktur aus p-Typ Ga0,65Al0,35As und n-Typ Ga0,32Al0,68As, der durch Flüssigphasenepitaxie auf einem p-Typ GaAs-Sub­ strat hergestellt wurde und eine Ladungsträgerkonzen­ tration in der n-Typ Epitaxieschicht von 1 × 10¹⁸ cm-3 aufweist, auf der Oberfläche eine 100 nm dicke AuGeNi-Schicht und eine 500 nm dicke Au-Schicht aufgebracht. Die AuGeNi-Schicht weist einen Germaniumanteil von 0,4 Gewichtsprozent und einen Nickelanteil von 0,5 Gewichtsprozent auf. In einem weiteren Verfahrens­ schritt wird auf die Au-Schicht zunächst eine 0,25 µ dicke TiWN-Diffusionsbarriere und eine weitere 2 µ dicke Al-Verstärkung abgeschieden. Die TiWN-Schicht wird aufgesputtert. Anschließend wird der Kontakt mit Hilfe einer Fotolackmaske naßchemisch strukturiert. Die nicht benötigten Teile der Aluminiumschicht werden zum Beispiel mit Phosphorsäure, die der TiWN-Schicht mit Wasserstoffsuperoxyd und die der AuGeNi-Au-Schicht mit einer Goldätze entfernt. Nach dem Entfernen der Foto­ lackmaske wird die Mehrschichten-Kontaktanordnung durch ein Rapid-Thermal-Processing-Verfahrensschritt bei 480°C für 15 Sekunden getempert. Der so hergestellte Kontakt hat eine glatte Oberfläche und läßt sich problemlos Drahtbonden. Der Kontaktwiderstand beträgt etwa 5 × 10-5 Ω cm².

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten auf einer n-dotierten Halbleiterschicht eines III-V-Verbin­ dungshalbleiters, wobei zunächst eine metallische Kon­ taktschicht auf die n-dotierte Halbleiterschicht aufge­ bracht wird, auf die metallische Kontaktschicht eine Goldschicht aufgebracht wird und anschließend die so erhaltene Anordnung in einem Wärmeprozeßschritt getem­ pert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kontaktschicht aus AuGeNi besteht, wobei der Germanium­ anteil und der Nickelanteil jeweils 1 Gewichtsprozent nicht überschreiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge bei 360 bis 390°C für eine Zeitdauer von 40 bis 180 Minuten getempert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung bei einer Temperatur von 430 bis 480°C und einer Zeitdauer von 5 bis 20 Sekunden getem­ pert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelanteil in der AuGeNi-Schicht 0,5 Gewichtsprozent beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Germaniumanteil in der AuGeNi-Schicht 0,4 Gewichtsprozent beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die AuGeNi-Schicht eine Dicke aus dem Bereich zwischen 50 und 200 nm aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Au-Schicht eine Dicke aus dem Bereich von 250 bis 1.000 nm aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Wärmeprozeßschritt auf die die AuGeNi-Schicht bedeckende Au-Schicht zunächst eine TiWN-Schicht und anschließend eine Al-Schicht abge­ schieden wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der TiWN-Schicht im Bereich zwischen 100 und 500 nm liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Aluminiumschicht im Bereich zwischen 1 und 3 um liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung vor dem Pro­ zeßschritt der Wärmebehandlung strukturiert wird.
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