DE4406769C2 - Verfahren zur Herstellung ohmscher Kontakte auf einem SiC-Halbleiterkörper - Google Patents

Verfahren zur Herstellung ohmscher Kontakte auf einem SiC-Halbleiterkörper

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Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstelluing ohmscher Kontakte auf einem Sic-Halbleiterkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 5 087 322 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von ohmschen oder gleichrichtenden Kontakten bekannt, welches die Modifizierung der Oberfläche eines Hochtemperatur-Halbleitermaterials umfaßt. Bei dieser Methode wird mittels eines lithographischen Verfahrens die Fläche ausgewählt, auf der später durch einen CVD-Prozeß Material abgeschieden werden soll. Zunächst wird ein Ionenstrahl eines Metalls auf die Oberfläche gerichtet, welcher das halbleitende Material an der Oberfläche so schädigt, daß diese Oberfläche mit den CVD-Gasen reagiert. Danach wird das Kontaktmetall auf der geschädigten Oberfläche so abgeschieden, daß zunächst Keime an der geschädigten Oberfläche entstehen, welche die Metallisierung der Oberfläche einleiten. Vor dem Abscheiden des Kontaktmetalls wird im Kontaktbereich eine Oberflächenschicht der Halbleiteroberfläche abgeätzt. Die Implantationsmaske kann ein Oxid, Nitrid oder eine Oxid-Nitrid-Kombination sein, oder auch ein anderes Material, welches bei hohen Temperaturen genügend stabil ist. Das Halbleitersubstrat besteht aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke, insbesondere SiC, Si₃N₄, BN und Diamant.
Eine Anregung, Dotierstoffe mitttels Ionenstrahl direkt zu implantieren, wird nicht gegeben. Aufgrund des andersartigen Verfahrens, mittels Aufrauhens der Oberfläche Keime für das Metallisieren der Oberfläche zu schaffen, findet keine gezielte Dotierung statt.
Bei dem Verfahren nach der Patentschrift US 5 087 576 werden Dotierstoffe als Ionen in ein Substrat aus Siliziumcarbid implantiert. Die Temperaturen werden so hoch gewählt, daß eine Armorphisierung des Siliziumcarbids nicht stattfindet. Anschließend werden die hochleitenden Oberflächenschichten abgetragen. Die Maske zur Herstellung von Source- und Drainkontakten für diese Implantation wird in üblicher Weise durch einen lithographischen Prozeß strukturiert. Es ist dabei vorgesehen, nur die hochgestörten Bereiche der Oberfläche zu entfernen. Dazu wird die Oberflächenschicht auf 1000 bis 1500°C aufgeheizt und oxidiert.
Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 2-196421 A2 ist ein Verfahren zur Bildung eines ohmschen Kontaktes auf p-SiC bekannt, bei dem zunächst eine Schicht abgeschieden wird, von der Sauerstoff stärker gebunden wird als von SiC. Darauf wird ein Aluminiumfilm abgeschieden. Der Kontaktwiderstand wird dadurch reduziert, daß Aluminium aus dem Aluminiumfilm in das p-Siliziumcarbid bei erhöhter Temperatur eindiffundiert, wodurch eine kontaktfähige, niederohmige p⁺-Schicht an der Oberfläche entsteht. Danach werden die beiden Schichten wieder entfernt, und das Kontaktmetall (z. B. Ti) wird aufgebracht. Ein Hinweis auf ein Ionenstrahlverfahren ist nicht enthalten.
Aus der nicht vorveröffentlichten WO 94/06153 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer ohmschen Kontaktstruktur zwischen einem Metall mit hoher Austrittsarbeit wie Platin und einem Halbleitersubstrat mit großer Bandlücke wie Siliziumcarbid bekannt, welches normalerweise keinen guten ohmschen Kontakt bildet. Man erhält einen guten Kontakt dadurch, daß man das Halbleitersubstrat mit einem p-leitenden Material dotiert. Als Dotierstoffe werden Aluminium und Bor genannt. Die Implantation wird mit einem Hochtemperatur- Ionenimplantationsverfahren durchgeführt. Vor der Implantation und nach der anschließenden Abscheidung von Platin wird der Kontakt getempert, vorzugsweise zwischen 400 und 900°C.
Verfahren zur Herstellung von Kontakten sind aus dem Buch "Halbleiter-Technologie" von Ingolf Ruge, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1984, S. 189 bis 192, bekannt. Ein Verfahren, einen ohmschen Kontakt bei einem Metall- Halbleiter-Übergang zu erzeugen, besteht danach darin, den Halbleiter an der Kontaktstelle so hoch zu dotieren, daß nach dem Aufbringen der Metallelektrode infolge der geringen Breite der Barriere ("Schottky-Diode") der Stromtransport aufgrund des Tunneleffektes vorherrscht. Die erreichbaren Kontaktwiderstände liegen hier bei ca. 10-6 Ω cm².
Da die Tunnelwahrscheinlichkeit mit zunehmender Höhe und Breite der Potentialbarriere am Kontakt abnimmt, lassen sich folgende Forderungen bei der Herstellung von ohmschen Kontakten ableiten: Die Barrierenhöhe des Metall-Halbleiter-Kontaktes sollte durch die Wahl eines geeigneten Kontaktmetalls klein gehalten werden; die kontaktseitige Halbleiter-Oberfläche sollte möglichst hoch dotiert sein, um eine schmale Barriere zu liefern.
Eine Dotierung mit Fremdatomen läßt sich auf zwei Arten erzielen: Einmal durch Diffusion von der Festkörperoberfläche her und zum zweiten durch eine Ionenimplantation. Das Einbringen von Frendamtomen in einen Festkörper durch Ionenimplantation ist seit langem bekannt (S. M. Sze: VLSI Technology, McGraw Hill Book Company, N. Y., 1983, S. 224-229). Bei der Ionenimplantation tritt eine Verteilung der Dichte der Fremdatome derart auf, daß sie ein Maximum im Inneren des Festkörpers aufweisen.
Während die Energie der implantierten Ionen die Eindringtiefe bestimmt, wird durch die Implantationsdosis im wesentlichen deren Konzentration im Maximum bestimmt. Wenn zur Implantation Dotierstoffe verwendet werden, können in dem Festkörper vergrabene Schichten mit vorbestimmter Dotierung bzw. eines vorbestimmten Leitungstyps erzeugt werden. Bei SiC kommt Diffusion wegen der kleinen Diffusionskonstanten praktisch nicht in Frage.
Falls man sich für die Dotierung durch Implantation entscheidet, hat man die Schwierigkeit zu überwinden, daß die Ionen einer bestimmten Energieverteilung um eine mittlere Energie E₀ eine - wenn auch breite - räumliche Verteilung in der Tiefe des Festkörpers zeigen. Dabei ist die Konzenmtration des Dotierstoffs an der Oberfläche um mindestens eine Größenordnung geringer als im Maximum.
Die Herstellung von Bauelementen erfordert eine Reihe unterschiedlicher Verfahrensschritte. Von besonderer Bedeutung ist die Struktur von SiC. Dabei ist die Abtragung von Material ein wesentlicher Prozeßschritt.
Das Abtragen durch Ätzen bringt eine Reihe von Problemen mit sich, die durch die in neuerer Zeit entwickelte Methode des "reactive ion etching" (RIE) zum großen Teil überwunden werden konnten.
Der Trockenätzprozeß (RIE = Reactive Ion Etching) findet unter Plasmabedingungen statt und besteht aus zwei Komponenten. Die chemische Komponente entspricht den chemischen Reaktionen zwischen dem geätzten Substrat und der in dem Plasma gebildeten freien Radikalen. Die Prozeßbedingungen werden so gewählt, daß ein möglichst großes Verhältnis zwischen der Ätzrate des Substrats und der Ätzrate der Ätzmaske (z. B. Photolack, Oxid oder Metall), Selektivität genannt, entsteht. Die physikalische Komponente besteht in einer Zerstäubung des Substats durch die im Plasma beschleunigten Ionen.
Zum Stand der Technik bei reinem Silizium gehören RIE-Prozesse, die als chemische Reagenten chlor-, fluor- oder bromhaltige Komponenten einsetzen.
(D. Behammer, W. Buchholtz, "Kontrollierte Profileinstellung von tiefen Si- Gräben mit CBrF₃/O₂-RIE-Plasmen", GME-Fachbericht Nr. 8, S. 411-416 und GME-Fachtagung "Mikroelektronik", 4.-6. März 1991, Baden-Baden, VDE-Verlag, Berlin).
Zum Ätzen von reinem Silizium sind schon eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, deren Übertragung auf andere Halbleiter wie SiC aber nicht ohne weiteres möglich ist.
Besondere Überlegungen müssen angestellt werden, um SiC abtragen zu können. Geht man von Trockenätzverfahren mit Chlor aus, so zeigt sich, daß reines Chlor relativ unwirksam ist. Fügt man zum Chlor noch BCl₃ hinzu, so ist die Ätzrate bei SiC zu gering. Auch Mischungen von Chlor mit Sauerstoff sind nicht sonderlich gut geeignet, da das Reaktionsgefäß von den Rückstanden nur sehr schwer zu reinigen ist. Der vorteilhafte Einsatz von chlorhaltigen Reagenzien (z. B. Cl₂, CCl₄, SiCl₄) ist zum Ätzen von Silizium- Substraten bekannt, weil er erlaubt, eine strukturierte SiO₂-Schicht als Ätzmaske zu verwenden.
Die Erfindung eignet sich in Verbindung mit der Maskentechnik zur Kontaktierung von SiC und damit zur Herstellung von integrierten Bauelementen auf der Basis dieser Substanz. Die bisher üblicherweise verwendete Methode benutzte Fluor als Halogen für den Trockenätzprozeß und hatte insbesondere den Nachteil, daß man Metallmasken für diese Technik verwenden mußte.
Insbesondere sind Masken aus Aluminium in der Handhabung ungünstig, da Aluminium sehr leicht zu Aluminiumoxid umgesetzt wird, welches nur schwer zu beseitigen ist. Der Sauerstoff stammt von den üblichen Sputterverfahren, welche zum Oxidieren des Kohlenstoffs einen bestimmten Sauerstoffanteil im Ätzgas benötigen.
Aus der japanischen Offenlegungssschrift JP 63-152125 A2 ist eine Ätzmaske bekannt, mit deren Hilfe man Gräben in Siliziumcarbid herstellen kann. Zunächst wird ein thermischer Oxidfilm aus SiO₂ gebildet, und dann Öffnungen in diesem Oxidfilm bis zur darunterliegenden Schicht hergestellt. Danach wird mit Hilfe von Ar-Cl₂-O₂ als Ätzgas ein Prozeß durchgeführt, welcher die Gruben vertieft. Die Maske verhindert das Eindringen von Diffusionsverunreinigungen in die angrenzenden Halbleiterschichten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß ein ohmscher Kontakt mit einem niedrigen Kontaktwiderstand entsteht.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Das Verfahren weist die Vorteile auf, daß man die vom Silizium bekannte Maskentechnik mit SiO₂ auch für SiC benutzen kann, und daß nur eine Maske für die Implantation, das Abtragen der Oberflächenschicht und die Metallisierung verwendet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Ausgestaltungen der Erfindung nach den Unteransprüchen sind darin zu sehen, daß mit dem Chlorverfahren bei entsprechender Wahl der Zusatzgase (CCl₄ und Ar bzw. N₂) technisch verwendbare Ätzraten zu verwirklichen sind.
Die Erfindung wird nun anhand von Auisführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen SiC-Kristall, welcher thermisch oxidiert ist,
Fig. 2 die Abscheidung von CVD-Oxid,
Fig. 3 das Strukturieren des Oxids,
Fig. 4 das Implantieren von Ionen,
Fig. 5 das Ätzen in den strukturierten Lücken und
Fig. 6 das Ergebnis der Metallabscheidung.
Bei dem folgenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Herstellen von Kontakten auf SiC-Bauelemente beschrieben. Als erstes wird das SiC- Substrat gereinigt und thermisch oxidiert. Als nächstes wird auf dieser Schicht chemisch abgeschiedenes Oxid erzeugt (CVD-Verfahren). Diese beiden Schritte sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Schicht des Oxids ist etwa 0,2 µm dick.
Als nächstes wird das Oxid mittels Ätzens durch reaktive Ionen (RIE) in der für die Schaltung benötigten Form strukturiert (Fig. 3). Die Metallabscheidung in einem späteren, in Fig. 6 dargestellten Schritt dient der Herstellung einer Kontaktbahn oder Elektrode. Für p-SiC nimmt man NiCr oder Ni, für n-SiC nimmt man Ti, TaSi₂ oder TiSi₂.
Die Metallabscheidung geschieht mit einem der üblichen Verfahren mit der gleichen Maske aus SiO₂, die schon für das Implantieren (Fig. 4) und Ätzen verwendet wurde.
Das Ätzen des SiC mittels eines in die Tiefe des Substrats gehenden Ätzprozesses geschieht mittels eines Cl-Prozesses, um die Oxidschicht als Ätzmaske verwenden zu können.
Durch dieses Ätzen mittels reaktiver Ionen werden die obersten Schichten abgetragen, wie in Fig. 5 dargestellt. Der Antrag erfolgt so tief, daß das Maximum der Konzentration der implantierten Zonen erreicht wird. Den letzten Verfahrensschritt, das Abscheiden Metall für Elektroden und Leiterbahnen zeigt Fig. 6. Danach wird eine weitere Maske verwendet, was hier nicht dargestellt ist. Das überschüssige Metall wird nach dem Photolithographischen Prozeß chemisch weggeätzt, so daß sich ein Endzustand ergibt.
Die folgenden Beispiele beziehen sich auf den Prozeßschritt, welcher in Fig. 5 dargestellt ist. Sie behandeln verschiedene Rezepturen für den RIE- Prozeß.
Beispiel 1
Als Substrat wird SiC gewählt. Als thermisches Oxid wird pyrogenes Oxid verwendet, welches in vier Stunden bei 1250°C aufgebracht wurde. Die Stärke des Oxids beträgt 0,3 µm. Das CVD-Oxid wird bei 0,5 · 10² Pa und 6 W Hochfrequenzleistung hergestellt. Die Gase setzen sich zusammen aus 70 sccm N₂O ("sccm" steht als Abkürzung für Kubikzentimeter pro Minuter unter Normalbedingungen); sccm SiH₄. Die Dicke der Oxidschicht wird auf etwa 1 µm festgelegt. Das Hochfrequenzplasma heizt das Substrat auf etwa 300°C bei dieser Prozedur auf. Der nächste Schritt der Strukturierung des Oxids wird mit einem Gemisch aus CF₄ mit 14 sccm, CH₃SF mit 50 sccm bei 200 W, einem Druck von 0,16 · 10² Pa und Raumtemperatur vorgenommen.
Der sich daran anschließende und für die Erfindung maßgebliche Cl-Ätz-Prozeß besteht in einem RIE-Prozeß bei 0,25 · 10² Pa und 300 W Leistung, wobei das Gasgemisch aus 40 sccm Cl₂, 10 sccm N₂ und SiCl₄ mit einem Anteil von 20 sccm durchgeführt wird. Die Ätzrate beträgt dabei 127-135 nm/min. Die Selektivität in Bezug auf die Abtragung des Oxids beträgt 2,2.
Beispiel 2
Es wird für den Cl-Ätz-Prozeß alternativ ein weiterer, vorteilhafter Verfahrensschritt vorgeschlagen. Das Hochfrequenzplasma, welches bei einer Frequenz von 13,56 mHz erzeugt wird, steht unter einem Druck von 0,25 · 10² Pa und arbeitet bei einer Leistung von 300 W.
Das Substrat, d. h. die Kathode, wird gekühlt, so daß die Temperatur nicht höher als 50°C ansteigen kann. Das Ätzgas setzt sich so zusammen aus 40 sccm Cl₂, 10 sccm N₂ und 20 sccm SiCl₄. Die Ätzrate beträgt 127-135 nm/min. Die Selektivität bezüglich der siO₂-Maske beträgt 2,2.
Beispiel 3
Der erfindungsgemäße Ätzvorgang kann auch erfolgreich mit einer etwas anderen Kombination durchgeführt werden, bei welcher noch etwas Sauerstoff zugeführt wird.
Die Gaszusammensetzung ist wie folgt: 40 sccm Cl₂, 20 sccm SiCl₄, 10 sccm N₂ und 2 sccm O₂. Die Ätzrate beträgt bei den übrigen gleichen Parametern für das Hochfrequenzplasma etwa 129 nm/min.
Beispiel 4
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Ätzgas mit 40 sccm Cl₂, 20 sccm SiCl4, 10 sccm Ar und 2 sccm O₂ vor. Druck, Temperatur und Leistung sind wie in den vorigen Beispielen gewählt. Die Ätzrate beträgt dabei etwa 154 nm/min und die Selektivität beträgt etwa 3,4.
Beispiel 5
In diesem Beispiel ist ein höherer Anteil an Sauerstoff benutzt worden mit 40 sccm Cl₂, 20 sccm SiCl₄, 10 sccm N₂ und 20 sccm O₂.
Die Beispiele gelten für 6-H SiC und β-SiC. Die erforderliche Ätztiefe, um das Maximum der Konzentration implantierter Ionen zu erfassen, wird durch eine Simulationsrechnung bestimmt.
Die mit diesen Verfahren hergestellten Bauelemente aus SiC finden Verwendung bei allen Anwendungen, bei denen ein Substratmaterial mit großer Bandbreite benötigt wird. Solche Anwendungen sind in der Weltraumtechnik, der Automobilindustrie und in allen Fällen zu sehen, bei denen Sensoren oder elektronische Bauteile hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Sowohl zum Implantieren von Ionen als auch zum anschließenden chemischen Ätzen stehen eine Reihe seit Jahren bewährter Verfahren zur Verfügung. Ein bevorzugtes Verfahren für die Kontaktierung einer p⁺-Schicht sei stellvertretend aufgeführt.
Zur Erzeugung einer p-dotierten Schicht werden bis zu 3 At.-% B-Ionen implantiert. Auf diese Weise wird ein spezifischer Widerstand von etwa 1 kΩcm erreicht, mit dem ein sehr guter Kontakt zu metallisch aufgebrachten Schichten, beispielsweise aus Nickel, hergestellt werden kann. Die Dosis beim Implantieren hatte einen Wert von 3,8 · 10¹⁸ cm-2 bei einer Spannung von 100 kV.
Die Proben wurden zum Ausheilen von Defekten nach der Implantation 1 h bei 1500°C getempert.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung ohmscher Kontakte auf einem SIC- Halbleiterkörper mit den aufeinanderfolgenden Schritten:
Aufbringen und Strukturieren einer Maske, welche an den zur Kontaktierung vorgesehenen Stellen Öffnungen aufweist, auf die Halbleiteroberfläche,
Einbringen von Fremdatomen in die Halbleiteroberfläche mittels Ionenimplantation durch die Öffnungen in dieser Maske,
Abätzen einer Oberflächenschicht der implantierten Halbleiteroberfläche in den Öffnungen der Maske, wobei die Oberfläche der implantierten Ionen zumindest erreicht wird,
Abscheiden einer Metallschicht auf der mit der Maske versehenen Halbleiteroberfläche und Strukturieren derselben, so daß in den Öffnungen der Maske Kontaktmaterial abgeschieden wird und sich die gewünschten Kontakte ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (2, 3) aus SiO₂ besteht,
daß die implantierten Ionen Dotierstoffe sind, und
daß das Abätzen in einem Plasmareaktor mit einem Chlor enthaltenden Ätzgas erfolgt,
wobei die Oberflächenschicht der implantierten Halbleiteroberfläche so weit abgeätzt wird, daß sich das Maximum der Konzentration des implantierten Dotierstoffs annähernd an der neuen Oberfläche befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzgas neben Chlor Stickstoff (N₂) und/oder Sauerstoff (O₂) und/oder Argon enthält, wobei Argon und/oder Stickstoff das Plasmaätzen physikalisch, d. h. durch Energiezufuhr, unterstützen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Plasmaätzen dem Ätzgas bis zu 30 Vol-Proz. Sauerstoff (O₂) zugemischt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper beim Plasmaätzen auf einer Temperatur von T < 50°C gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die überwiegende Anzahl von Chloratomen für das Plasmaätzen durch Cl₂ bereitgestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichent, daß die überwiegende Anzahl von Chloratomen für das Plasmaätzen durch SiCl₄ bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmaätzverfahren mit einer Frequenz von 5-50 Mhz, einem Druck von 10-50 Pa und einer Energie von 200-500 W durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffe für eine n⁺-Dotierung N oder P und für eine p⁺-Dotierung Al oder B sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierten Ionen im Substrat eine Konzentration von etwa 10²⁰ cm-3 aufweisen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktierung über der p-dotierten Zone NiCr oder Ni aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktierung über der n-dotierten Zone Ti, TiSi₂ oder TaSi₂ aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nach dem Implantieren 1 h lang auf 1500°C erhitzt wird.
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