ОМИЧЕСКАЯ КОНТАКТНАЯ СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01L21/28 

Изобретение относится к производству полупроводникового прибора. Более подробно, оно относится к омической контактной структуре для соединения электрода с полупроводниковым прибором высокой степени интеграции и способу изготовления омической контактной структуры.

Описание предыдущего уровня техники.

Высокая степень плотности интегральных схем удваивается каждый год. В настоящее время начато массовое производство 16 М оперативных запоминающих устройств с субполумикронными технологическими нормами, при этом их быстродействие возрастает, но резистивно-емкостные задержки увеличиваются и характеристики соединений ухудшаются из-за микроминиатюризации соединений благодаря высокой интеграции цепей и увеличению длины соединений (шин). Соответственно, техника формирования контактного окна в субполумикронном диапазоне приобретает важное значение в связи с необходимостью иметь низкое сопротивление и высокую надежность полупроводникового прибора.

Соединение электрода с полупроводниковым прибором обычно происходит посредством контактного окна, сформированного на изолирующем слое, таком как, например, силикатное стекло или борофосфорное силикатное стекло. Переход между металлом и полупроводником посредством контактного окна характеризуется как выпрямляющий (неомический) контакт и выпрямляющий (омический) контакт, впервые предложенные Шотки в 1940 году. Согласно теории невыпрямляющий контакт образуется в следующих двух случаях: во-первых, когда работа выхода металлического материала меньше, чем работа выхода полупроводникового материала при n-типе полупроводниковой подложки; во-вторых, когда работа выхода металлического материала больше, чем работа выхода полупроводникового материала при p-типе полупроводниковой подложки.

При сегодняшнем уровне технологии очень сложно сформировать идеальный контакт Шотки, то есть достигнуть контакт между металлом и полупроводником с сопротивлением, близким нулю.

Подобная гипотеза подробно описана в Патенте США N 4,738,937.

Типичный способ формирования контактного окна без понижения контактного сопротивления показан на фиг. 1 (Патент США N 5,108,954). Как изображено, область перехода 3, в которую имплантирована примесь заранее определенного контактного окна, сформирована внутри полупроводниковой подложки 1, а металлический слой 9 (прополочный электрод) осажден на поверхность изолирующего слоя 5, включающий в себя область контактного окна (не показан) для покрытия части вышеуказанной области перехода 3, подвергающейся воздействию контактного окна посредством металлического слоя 9. Если металлический слой, имеющий значительную толщину, сформированную последовательно от дна контактного окна до поверхности изолирующего слоя 5 по всей длине боковой поверхности контактного окна, то формируется электрический контакт между подложкой и проволочным электродом. Слой предохранения от диффузии 7 из нитрида титана (TiN) или фольфрамата титана (TiW) формируется для того, чтобы предохранить металл или кремний от электромиграции, происходящей из-за диффузии металла и кремния между подложкой 1 и проволочным электродом 9.

Во время последующей термообработки, например, образования силицида TiSi₂, произведенного термообработкой титана и кремния, происходит обратная диффузия, которая вызывает резкое падение концентрации примеси на поверхности раздела слоя предохранения от диффузии 7. Контактное сопротивление при этом увеличивается. Соотношение между контактным сопротивлением и концентрацией добавки будет описано ниже.

Техника имплантации контакта дополнительно к ионной имплантации примеси после формирования контактного окна используется для предотвращения обратной диффузии примеси и обеспечения ее уменьшенной дозы.

Как показано на фиг. 2, в соответствии с такой имплантацией контакта выступ 3а формируется под областью перехода 3 вплотную к контактному окну. Этот выступ 3а не вызывает каких-либо серьезных проблем в общепринятом полупроводниковом приборе, имеющем относительно глубокий переход в подложке.

Однако, как наблюдается в случае сверхбольших интегральных схем (YLSI), в которых большое количество приборов монтируется на единичной площади, этот выступ может вызывать короткое замыкание в полупроводниковом приборе, имеющем неглубокий переход, что неблагоприятно с точки зрения требования улучшения быстродействия.

Кроме того, если уровень примеси превышает предел растворимости в области перехода, область перехода будет насыщена примесью и осадок легирующей примеси проявится в виде отдельной фазы.

Следовательно, уровень примеси в области перехода ограничен. Если осадок появится в области перехода, то увеличение примеси или дозы не сможет еще больше увеличить плотность носителя.

Осадок на большом количестве кремниевых частиц вызывает диффузию носителей и облегчает воссоединение носителей.

Краткое изложение изобретения
Представленное изобретение пытается уменьшить контактное сопротивление в полупроводниковом приборе.

Первой целью представленного изобретения является создание контактной структуры с низким сопротивлением полупроводникового прибора с высокой степенью интеграции, что позволит уменьшить контактное сопротивление путем формирования селективно на контактном окне материала, имеющего ширину запрещенной зоны, меньшую, чем ширина запрещенной зоны материала подложки на контактном окне, и позволит свести к минимуму напряжение и деформации между металлом и полупроводником путем формирования материала, имеющего гетеро-переходную структуру.

Второй целью представленного изобретения является создание способа для эффективного формирования омической контактной структуры, имеющей гетеро-переход.

В соответствии с этим изобретением омическая контактная структура полупроводникового прибора включает в себя:
область перехода легированного примесью, на полупроводниковой подложке;
первый слой управления сопротивлением, имеющий пониженное удельное сопротивление и избирательно созданный на контактном окне над областью перехода с материалом, имеющим гетеро-переходную структуру, чья работа выхода ниже, чем у материала подложки;
второй слой управления сопротивлением, имеющий пониженное удельное сопротивление, обеспеченный материалом, чья работа выхода ниже, чем у материала подложки на указанном первом слое управления сопротивлением; и
проводящий слой, образующий проволочный электрод, созданный на втором слое управления сопротивлением.

Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий в себя следующие этапы:
формирование области перехода, имплантированной вместе с примесью на заранее определенную часть полупроводниковой подложки;
формирование изолирующего слоя на полупроводниковой подложке субстрате и формировании контактного окна путем вскрытия изолирующего слоя для того, чтобы подвергать воздействию часть области перехода;
формирование первого слоя управления сопротивлением на контактном окне;
формирование второго слоя управления сопротивлением на первом слое управления;
формирование по крайней мере одного запирающего слоя на втором слое управления сопротивлением и изолирующем слое и выполнение вслед за этим термообработки; и
формирование проводящего слоя на запирающем слое.

В качестве другого аспекта представленного изобретения, представленное изобретение использует конструирование запрещенной зоны, которое было исследовано, объектом которого является составной полупроводник. Контактное сопротивление зависит от следующего выражения:

где Rc - контактное сопротивление, ψ_в - высота запирающего слоя, N - концентрация добавки, m^* - эффективная масса, A - константа, ε_s диэлектрическая проницаемость, h - постоянная Планка.

В соответствии с этим выражением внутренними факторами, понижающими контактное сопротивление, являются низкая высота запирающего слоя, то есть низкая работа выхода между металлом и полупроводником, высокая концентрация добавки и маленькая эффективная масса, то есть высокая подвижность. Для того чтобы удовлетворить это требование, в качестве второго слоя управления сопротивлением представленного изобретения использован Ge, который имеет лучшие физические характеристики, чем физические характеристики Si, и находится в той же группе, что и Si.

Для справки, таблица 1 показывает сравнение свойств двух материалов:
Для того, чтобы свести к минимуму напряжение и деформацию, вызванные различием параметров каждой решетки, предлагается, чтобы первый слой управления сопротивлением гетеро-переходной структуры, например Si_1-xGe_x, был помещен кремнием и вторым слоем управления сопротивлением соответственно, реакции между металлом и полупроводниковым слоем, такие как обратная диффузия примеси, формирование выступа посредством избыточной ионной имплантации и явление вывода легирующей примеси эффективно контролируются первым и вторым слоями управления сопротивлением, пересекающим проволочный электрод и полупроводниковый слой. В результате уменьшения сопротивления возможно уменьшить размер контактного окна, что делает возможным миниатюризацию полупроводникового прибора. В такой структуре формируется слой управления сопротивлением, равномерный и тонкий, путем обработки поверхности полупроводникового слоя подходящей газовой атмосферой, посредством эпитаксиального процесса или осаждения подходящего материала.

Представленное изобретение будет наглядно описано посредством ссылок на сопроводительные рисунки.

Краткое описание рисунков.

Фиг. 1 представляет изображение в разрезе контактной структуры полупроводникового прибора общепринятого типа;
Фиг. 2 представляет изображение в разрезе другой общеизвестной контактной структуры и ее проблемы;
Фиг. 3A по 3E представляют стадии производства контактной структуры полупроводникового прибора в соответствии с предпочтительным вариантом реализации этого изобретения;
Фиг. с 4A по 4C представляют стадии производства контактной структуры полупроводникового прибора в соответствии со вторым предпочтительным вариантом реализации этого изобретения;
Фиг. 5 графически показывает соотношение между расходом 10% GeH₄ и компонент отношением Si_1-xGe_x; и
Фиг. 6 графически суммирует результаты, полученные измерением контактного сопротивления между металлом и полупроводником, соответствующие каждой контактной структуре.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации
Фиг. с 3A по 3E показывают предпочтительный вариант реализации этого изобретения и описывают этапы производства контактной структуры посредством эпитаксиального процесса.

Ссылаясь на фиг. 3A, первый этап заключается в ионной имплантации примеси с заранее определенным типом проводимости в часть полупроводниковой подложки 10 для формирования области перехода 13. На втором этапе изолирующий слой 15, такой как силикатное стекло или борофосфорное стекло, налагается на полупроводниковую подложку 10 и область перехода 13 и формируется контактное окно 16 путем вскрытия изолирующего слоя 15 для оказания воздействия на часть вышеуказанной области перехода 13.

Третий этап заключается в формировании Si_1-xGe_x эпитаксиального слоя 21 или первого слоя управления сопротивлением 21 на контактном окне 16 (фиг. 2B), SiH₂Cl₂ и GeH₄, использующие в качестве газа-носителя H₂, используются как химически активный газ для формирования эпитаксиального слоя. Далее, источник Ge получается смешиванием 10% GeH₄ с H₂. Условия формирования Si_1-xGe_x эпитаксиального слоя 21 следующие: 600 - 900^oC, расход от 20 sccm до 200 sccm (см³/мин). Предпочтительно, чтобы количество SiH₂Cl₂ изменялось до 20 - 200 sccm при 625^oC, 20 slm (л/мин), расход H₂ и скорость течения GeH₄ 1-10 sccm. Так как расход 10% GeH₄ изменяется, концентрация Ge также изменяется, и чем выше концентрация Ge, тем больше увеличивается скорость роста. Если Ge 12%, например, в случае 0,88 Si и 0,12 Ge, скорость наращивания Si_1-xGe_x эпитаксиального слоя 21 равна В случае 0,67 Si и 0,36 Ge скорость наращивания
При постепенном увеличении расхода 10% GeH₄ в таких условиях Si_1-xGe_x эпитаксиальный слой 21 растет до толщины предпочтительно до порядка
Фиг. 5 графически показывает соотношение между изменением содержания Ge и расходом 10% GeH₄. Когда оно приходит к соотношению состава Si_1-xGe_x эпитаксиального слоя, соотношение состава x изменится до 0,4 в соответствии с фиг. 5. Выращенный Si_1-xGe_x эпитаксиальный слой 21 не содержит примесей, но если это необходимо, то может быть использован легированный Si_1-xGe_x.

Легированный эпитаксиальный слой формируется посредством истечения газа B₂H₆ или газа PH₃ во время эпитаксиального процесса. Четвертый этап заключается в формировании второго слоя управления сопротивлением 23, а используемый эпитаксиальный процесс подобен третьему этапу (фиг. 3C). Широко известно, что его условия должны быть такими же, как условия роста Si_1-xGe₄ эпитаксиального слоя 21, а расход SiH₂Cl₂ для формирования Ge эпитаксиального слоя 23 будет нулевым. Толщина Ge эпитаксиального слоя 23 составляет порядка Если тип проводимости области перехода 13 P+, то для ионной имплантации используются элементы третьей группы периодической таблицы, например B или BF₂.

В случае N+ типа области перехода 13 для ионной имплантации используются As или P. Ионная имплантация выполняется при 20 - 50 KeY, при дозе 5 • 10¹⁴ - 1 • 10¹⁵ (ион/см²).

Пятый этап заключается в формировании запирающего слоя 17 на втором слое управления сопротивлением 23 и изолирующем слое 15, формируемого по вышеизложенному процессу, и выполнении термообработки.

В этом варианте реализации обеспечивается только один запирающий слой 17, а два запирающих слоя могут быть обеспечены по второму варианту реализации, который будет описан ниже. Прежде всего, титан осаждается напылением до толщины около и отжигается при порядке 600 - 900^oC в инертной атмосфере N₂ за короткий период времени для формирования структуры, показанной на фиг. 3D. Такая термообработка, выполняемая за очень короткий период времени, может быть совершена посредством прибора быстрого термического отжига (RTA). В то время, как титан, контактирующий со вторым слоем управления сопротивлением 23 превращается посредством отжига в TiGex, остаток титана, который не контактирует со вторым слоем управления сопротивлением 23, реагирует с N₂ из атмосферы и на нем формируется нитрид титана, служащий в качестве диффузионного барьерного слоя. В конце концов формируется проводящий слой для использования в качестве электронной шины путем заполнения контактного окна металлическим слоем, как показано на фиг. 3E.

Фиг. с 4A по 4C показывают стадии производства контактной структуры полупроводникового прибора в соответствии со вторым предпочтительным вариантом реализации этого изобретения и аналогичным фиг. с 3A по 3E. Пренебрежем общим описанием, имея в виду, что подобные цифровые и литерные ссылки обозначают подобные части.

В этом варианте реализации первый слой управления сопротивлением сформирован посредством термообработки после того, как Ge ионно внедрен не путем эпитаксиального процесса, а посредством имплантации. Прежде всего при помощи использования фоточувствительного слоя 18 как маски Ge ионно имплантируется при ускоряющем напряжении 10 - 30 KeV и при дозе 1 • 10¹⁵ - 1 • 10¹⁶ ион/см², с низкой энергией для формирования Ge имплантированного слоя 22 в слое перехода 13, как показано на фиг. 4A. Если ускоряющее напряжение равно 20 KeV, проектируемый диапазон составит около а если ускоряющее напряжение равно 30 KeV, проектируемый диапазон составит около Если ускоряющее напряжение равно 10 KeV, проектируемый диапазон составит около 125 A.

Теперь сошлемся на фиг. 4B, где после удаления фоточувствительного слоя 18, Ge и Ti последовательно осаждаются на Ge имплантированном слое 22 и изолирующем слое 15 для формирования Ge осажденного слоя 24 и Ti осажденного слоя 17 соответственно до толщины около со скоростью осаждения и при температуре подложки 200^oC при помощи распыляющего устройства.

На этапе, показанном на фиг. 4C, вышеуказанный Ge имплантированный слой 22 становится первым слоем управления сопротивлением 21 из Si_1-xGe_x в соответствии с эффектом активации посредством высокотемпературной термообработки и реакции с кремнием.

Ge осажденный слой 24 на вышеуказанном Ge имплантированном слое 22 остается в качестве второго слоя управления сопротивлением 23 из Ge. Ge осажденный слой 24 на верхней и боковых сторонах изолирующего слоя 15 становится первым запирающим слоем 17а из TiGe_x посредством реакции с Ti. TiN осаждается посредством напыления до толщины около и служит в качестве второго запирающего слоя 17b. После последовательного осаждения Ti и TiN может быть использована термообработка. Быстрый термический отжиг выполняется за 20 - 60 секунд при 600 - 900^oC в атмосфере N₂ или выполняется термообработка за 30 - 60 минут в атмосфере N₂ при 450 - 600^oC. Для справки, первый запирающий слой 17а, TiGe_x, формируется с очень низким поверхностным сопротивлением (20 М Ом/см²), если быстрый термический отжиг выполняется за 20 секунд при 800^oC.

Как описано выше, представленное изобретение обеспечивает контактную структуру гетеро-перехода Ge и Si_1-xGe_x, чья ширина запрещенной зоны ниже, чем ширина запрещенной зоны материала подложки на поверхности раздела между металлом и полупроводником, и которая может быть эффективно применена для понижения сопротивления электронных шин и повышения надежности в полупроводниковом приборе высокой степени интеграции. Эффективность представленного изобретения более очевидна из графика, показанного на фиг. 6.

Фиг. 6 суммирует результаты, полученные путем измерения контактного сопротивления между металлом и полупроводником с использованием в качестве испытываемого образца контактной цепи, имеющей 1200 контактных окон.

Конечная Ge/Si_1-xGe_x гетеро-контактная структура этого изобретения показана на графике как "A". "B" представляет собой контактную структуру, в которую ионно имплантируется только Ge, и "C" - общепринятую контактную структуру, в которой нет ионно-имплантированного Ge. Размер таких контактных окон 0,5 мкм, и полупроводниковый слой представляет собой область P+ типа, в которую ионно имплантирован BF₂ при дозе 1 • 10¹⁵. Термообработка выполняется за 120 минут при 850^oC в атмосфере N₂. В соответствии с контактной структурой этого изобретения, контактное сопротивление уменьшается примерно в два раза.

Несмотря на то, что изобретение было описано только в связи с рассмотренными сейчас наиболее практичными и предпочтительными вариантами, понятно, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами реализации, но, наоборот, предусматривает охват различных модификаций и эквивалентных разработок, лежащих в рамках духа и в области действия прилагаемой формулы изобретения.

Использование: микроэлектроника, для соединения электрода с полупроводниковым прибором высокой степени интеграции. Сущность изобретения: омическая контактная структура включает в себя область перехода, легированную примесью, на кремниевой подложке, первый слой управления сопротивлением с пониженным удельным сопротивлением, избирательно созданный на контактном окне в изолирующем слое над областью перехода, второй слой управления сопротивлением, сформированный из германия, и проводящий слой, образующий проволочный электрод. Первый слой управления сопротивлением сформирован из материала Si_1-x, Ge_x, где 0 < x < 1, имеющего работу выхода ниже, чем у материала подложки, и образующего гетеропереходную структуру. Между вторым слоем управления сопротивлением и проводящим слоем расположен, по крайней мере, один запирающий слой. Предложен также способ изготовления омической контактной структуры. Техническим результатом изобретения является создание контактной структуры с низким сопротивлением полупроводникового прибора с высокой степенью интеграции, что позволит свести к минимуму напряжение и деформации между металлом и полупроводником. 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 6 ил., 1 табл.

1. Омическая контактная структура полупроводникового прибора, включающая в себя область перехода, легированную примесью, на кремниевой подложке, первый слой управления сопротивлением, имеющий пониженное удельное сопротивление и избирательно созданный на контактном окне в изолирующем слое над областью перехода, проводящий слой, образующий проволочный электрод, отличающаяся тем, что первый слой управления сопротивлением сформирован из материала Si_1-xGe_x, где 0 < x < 1, имеющего работу выхода ниже, чем у материала подложки, и образующего гетеропереходную структуру, контактная структура дополнительно содержит второй слой управления сопротивлением, сформированный из германия между первым слоем управления сопротивления и проводящим слоем, и, по крайней мере, один запирающий слой, расположенный между вторым слоем управления сопротивлением и проводящим слоем для предотвращения взаимодействия между областью перехода и проводящим слоем. 2. Способ изготовления омической контактной структуры полупроводникового прибора, включающий в себя следующие этапы: формирование области перехода имплантацией примеси на заранее определенную часть кремниевой подложки, формирование изолирующего слоя на кремниевой подложке и формирование контактного окна путем вскрытия изолирующего слоя, для того, чтобы подвергнуть воздействию часть области перехода, формирование первого слоя управления сопротивлением на части области перехода, формирование, по крайней мере одного, запирающего слоя, термообработку, формирование проводящего слоя, отличающийся тем, что первый слой управления сопротивлением формируют из материала Si_1-xGe_x, где 0 < x < 1, имеющего работу выхода ниже, чем у материала подложки, и образующего гетеропереходную структуру, на первом слое управления сопротивлением формируют второй слой управления сопротивлением из германия, запирающий слой формируют на втором слое управления сопротивлением и изолирующем слоем, а проводящий слой формируют на запирающем слое после термообработки. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что формирование первого слоя управления сопротивлением выполняют при помощи процесса химического осаждения паров.