DE4406861B4

DE4406861B4 - Ohmsche Kontaktstruktur für eine hochintegrierte Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE4406861B4
Application number: DE4406861A
Authority: DE
Inventors: Sangin Suwon Lee; Soonoh Songpa Park
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1993-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: GB2275822B; US5563448A; KR940022708A; GB9403816D0; RU2155417C2; GB2275822A; JPH06302542A; DE4406861A1; KR960008558B1; JP3644983B2; CA2116746C; CA2116746A1

Abstract

Ohmsche Kontaktstruktur für eine Halbleitervorrichtung mit einem Siliziumsubstrat (10) mit einem dotierten Bereich (13), in dem eine erste Widerstandskontrollschicht aus Si_xGe_1-x (22) gebildet ist, zu dem ein Kontaktloch (16) durch eine Isolierschicht (15) führt und im Kontaktloch (16) eine Barrierenschicht (17) mit Titan und darauf eine leitende Schicht (19) als Verdrahtungselektrode gebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem Substrat (10) und der Isolierschicht (15) eine zweite Widerstandskontrollschicht (24) unterhalb der Barrierenschicht (17), gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung einer Halbleitervorrichtung, und bezieht sich insbesondere auf eine ohmsche Kontaktstruktur zur Verbindung einer Elektrode mit einer hochintegrierten Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der ohmschen Kontaktstruktur.
Der Grad der Integrationsdichte bei Schaltkreisen wurde jedes Jahr annähernd verdoppelt. Derzeit wird die Massenfertigung von 16M dynamischen Speichervorrichtungen mit wahlfreiem Zugriff mit einer Subhalbmikrometergeometrie begonnen, wobei die Ausführungsgeschwindigkeit verbessert ist, die Widerstands-Kapazitäts-Verzögerung und Eigenschaften der Leitungen aufgrund der Mikrominiaturisierung der Leitungen gemäß der hohen Integrationsdichte der Schaltkreise und dem Anstieg in der Länge der Leitungen allerdings verschlechtert sind. Demgemäß kommt der Technik der Herstellung eines Kontaktloches in der Subhalbmikrometergeometrie eine wichtige Rolle hinsichtlich geringen Widerstandes und hoher Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung zu.
Die Verbindung einer Elektrode mit einer Halbleitervorrichtung wird im allgemeinen über ein Kontaktloch durchgeführt, welches auf einer Isolierschicht wie beispielsweise Silicaglas oder Borphosphorsilicateglas ausgebildet ist. Der Übergang zwischen einem Metall und einem Halbleiter über ein Kontaktloch kann als gerichteter Kontakt und als nichtgerichteter Kontakt charakterisiert werden, wie er zuerst von Shottky im Jahre 1940 vorgeschlagen wurde. Theoretisch wird der nicht-gerichtete Kontakt in den folgenden beiden Fällen ausgebildet: Im ersten Fall ist die Austrittsarbeit eines Metallmaterials kleiner als die Austrittsarbeit eines Halbleitermaterials in einem Halbleitersubstrat vom n-Typ; im zweiten Fall ist die Austrittsarbeit eines Metallmaterials größer als die Austrittsarbeit eines Halbleitersubstrats vom p-Typ.

In der heutigen Technologie ist es nach wie vor schwierig, einen idealen Shottky-Kontakt auszubilden, d.h. einen Kontakt zwischen Metall und Halbleiter mit einem Widerstand von nahezu Null auszubilden. Die näheren Hintergründe hierzu sind beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,738,937 dargestellt.

Aus der JP 04-137 528 A ist ein ohmscher Kontakt in Verbindung mit einem Siliziumsubstrat mit aktiven Bereichen bekannt, mit einer Si_xGe_1-x-Legierungsschicht mit einem beim Wachsen der Epi-Schicht graduell abfallenden Wert von x als sogenannte "graded gap structure", auf der Elektroden gebildet sind, die aus einer Barriere aus TiN und einer Al-Verdrahtung bestehen können.

Aus der JP 04-196 420 A ist eine Halbleiterstruktur und ein Verfahren zur Herstellung derselben bekannt, bei der zur Reduzierung eines Kontaktwiderstandes ein Ge-Film oder eine Schicht, die eine hohe Fremdstoffkonzentration an Ge enthält, auf einem Substrat ausgebildet ist, und ein Barrierenmetall auf diesem Film vorgesehen ist, wobei eine Metallverdrahtung auf dem Barrierenmetall hergestellt wird. Der Ge-Film oder ein Si-Film, der eine hohe Konzentration an Ge enthält, wird in Kontaktlöchern von Source, Drain und Gate eines N-Kanal-MOSFET vorgesehen, der auf einem p-leitfähigen Si-Substrat ausgebildet ist. Ein TiN-Film ist als Barrierenmetall auf diesem Ge-Film oder dem Film, der Ge enthält, vorgesehen. Ferner ist ein Al-Ge-Film mit einem Schmelzpunkt, der niedriger liegt als derjenige des Al-Si-Films, als eingegrabene Verdrahtung auf dem TiN-Film vorgesehen. Dadurch wird ein Kontaktwiderstand zwischen einem Metall und dem Ge-Film oder dem Si-Film, der eine hohe Konzentration an Ge enthält, abgesenkt.

Aus der US 5,108,954 ist ein Halbleiterverarbeitungsverfahren zum Reduzieren des Kontaktwiderstandes zwischen einem aktiven Bereich und einem darüber befindlichen Silizid bekannt, welches aus einer Diffusion eines Fremdstoffes aus dem aktiven Bereich in das Silizid resultiert. Dieses bekannte Verfahren umfaßt das Implantieren von Germanium durch eine Kontaktöffnung in den aktiven Bereich eines Wafers hinein bis zu einer Spitzendichte. Eine Metallschicht wird oben auf dem Wafer aufgebracht und auch in der Kontaktöffnung, um den aktiven Bereich zu kontaktieren. Das Metall und das Silizium innerhalb der Kontaktöffnung werden getempert, um dadurch ein Metallsilizid zu bilden.

Aus der Literaturstelle FANG, F.; HEWETT, C.A.; FERNANDES, M.G.; LAU, S.S.; Ohmic Contacts Formed by Ion Mixing in the Si-Diamond System. In: IEEE Transactions on Electron Devices, ISSN 0018-9383, 1989, Vol. 36, Nr. 9, S. 1783–1786, sind ohmsche Kontakte bekannt, die durch Ionenmischen in einem Si-Diamantsystem gebildet werden.

Eine repräsentative Technik zur Bildung eines Kontaktloches zur Verringerung des Kontaktwiderstandes ist in 1 unter Bezugnahme auf das US-Patent Nr. 5,108,954 dargestellt. Gemäß dieser Darstellung ist ein Übergangsbereich 3, in dem eine Verunreinigung eines vorbestimmten Kontaktloches implantiert ist, auf einem Teil innerhalb eines Halbleitersubstrates 1 ausgebildet, und es ist eine Metallschicht 9, Verdrahtungselektrode, auf einer Oberfläche einer Isolierschicht 5 einschließlich des Bereiches eines (nicht dargestellten) Kontaktloches abgeschieden, um einen Teil des obigen Übergangsbereiches 3 zu bedecken, der durch die Kontaktöffnung über der Metallschicht 9 freiliegt. Falls die Metallschicht mit einer beträchtlichen Dicke aufeinanderfolgend von dem Boden des Kontaktloches bis zur Oberfläche der Isolierschicht 5 entlang Seitenwänden des Kontaktloches ausgebildet wird, wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem Substrat und einer Verdrahtungselektrode hergestellt. Ferner wird eine Diffusionsverhinderungsschicht 7 aus Titannitrid (TiN) oder Titanwolfranit (TiW) ausgebildet, um eine Metall- oder Siliziumelektromigration zu verhindern, welche aus einer Diffusion von Metall und Silizium zwischen dem Substrat 1 und der Verdrahtungselektrode 9 resultiert.

Bei der aufeinanderfolgenden Wärmebehandlung, d.h. Bildung von Siliziden TiSi₂ aufgrund einer Wärmebehandlung von Titan und Silizium tritt Ausdiffundieren auf, welches einen scharfen Abfall in der Konzentration des Dotiermittels in der Grenzfläche der Diffusionsverhinderungsschicht 7 bewirkt. Dadurch wird der Kontaktwiderstand vergrößert. Die Beziehungen zwischen dem Kontaktwiderstand und der Dotierkonzentration werden im folgenden beschrieben.

Eine Stopfenimplantationstechnik des zusätzlichen Ionenimplantierens des Dotiermittels nach der Bildung des Kontaktloches wird zur Verhinderung des Ausdiffundierens des Dotiermittels und Unterstützen der reduzierten Dosis verwendet.

Wie es in 2 dargestellt ist, wird gemäß einer solchen Stopfenimplantierung eine Ausbuchtung 3a unterhalb des Übergangsbereiches 3 in der Nähe des Kontaktloches ausgebildet. Diese Ausbuchtung 3a bewirkt an sich keine ernsthaften Probleme bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung mit einem relativ tiefen Übergang in einem Substrat.

Im Falle von integrierten Schaltkreisen mit sehr hoher Integration (VLSI), bei denen eine große Anzahl von Vorrichtungen pro Einheitsfläche angeordnet sind, kann diese Ausbuchtung jedoch in nachteiliger Weise eine Kurzschlußleitung in einer Halbleitervorrichtung mit einen Übergang von geringer Tiefe hervorrufen, was dem Erfordernis hinsichtlich Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit entgegensteht.

Daneben überschreitet der Verunreinigungsgrad die Löslichkeitsgrenze in einer Übergangsfläche, die Übergangsfläche wird mit der Verunreinigung gesättigt, und es zeigt sich eine Abscheidung der dotierten Verunreinigung als separate Phase.

Demgemäß ist der Verunreinigungsgrad in der Übergangsfläche begrenzt. Falls sich eine Abscheidung in dem Übergangsbereich zeigt kann eine Vergrößerung der Verunreinigung oder Dosis keine Vergrößerung der Ladungsträgerdichte mehr hervorrufen.

Die Abscheidung in einer Vielzahl von Siliziumkörnern verursacht Diffusion von Ladungsträgern und erleichtert die Vereinigung der Ladungsträger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktstruktur mit geringem Widerstand für eine hochintegrierte Halbleitervorrichtung zu Verfügung zu stellen, bei der der Kontaktwiderstand verringert ist durch selektives Ausbilden eines Materials mit einer kleineren Bandlücke auf einem Kontaktloch als die Bandlücke eines Substratmaterials auf dem Kontaktloch, und bei der die mechanische Spannung zwischen einem Metall und einem Halbleiter durch Ausbilden eines Materials mit einer Hetero-Übergangsstruktur hierunter minimiert ist.

Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur wirksamen Ausbildung einer Ohmschen Kontaktstruktur mit einem Hetero-Übergang zur Verfügung zu stellen.

Gemäß der ohmschen Kontaktstruktur nach der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen ohmschen Kontaktstruktur ergeben sich aus den Unteransprüche 2, 3 und 13 bis 15.

In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontaktes in einer Halbleitervorrichtung wird die genannte Aufgabe gemäß einem ersten Lösungsvorschlag durch die Merkmale des Anspruches 4 und gemäß einem zweiten Lösungsvorschlag gemäß den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 5, 6 und 8 bis 11.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Ohmsche Kontaktstruktur für eine Halbleitervorrichtung auf:
einen Übergangsbereich, der auf einem Halbleitersubstrat mit einer Verunreinigung dotiert ist;
eine erste Widerstandskontrollschicht mit einem reduzierten Widerstand, die selektiv auf einem Kontaktloch oberhalb des Übergangsbereiches mit einem Material einer Hetero-Übergangsstruktur gebildet ist, dessen Austrittsarbeit kleiner ist als bei dem Substratmaterial;
eine zweite Widerstandskontrollschicht mit einem verringerten Widerstand, welche aus einem Material hergestellt ist, dessen Austrittsarbeit geringer ist als bei dem Substratmaterial, wobei die zweite Widerstandskontrollschicht auf der ersten Widerstandskontrollschicht ausgebildet ist;
eine auf der zweiten Widerstandskontrollschicht ausgebildete leitende Schicht, die eine Verdrahtungselektrode bildet.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung weist die Schritte auf:
Ausbilden eines Übergangsbereiches, der mit einer Verunreinigung auf einem vorbestimmten Abschnitt eines Halbleitersubstrates implantiert wird;
Bilden einer Isolierschicht auf dem Halbleitersubstrat und Bilden eines Kontaktloches durch Öffnen der Isolierschicht, um einen Teil des Übergangsbereiches freizulegen;
Bilden einer ersten Widerstandskontrollschicht auf dem Kontaktloch;
Bilden einer zweiten Widerstandskontrollschicht auf der ersten Widerstandskontrollschicht;
Bilden von zumindest einer Barrierenschicht auf der zweiten Widerstandskontrollschicht und Isolierschicht, und Durchführen einer Wärmebehandlung hierauf; und
Bilden einer leitenden Schicht auf der Barrierenschicht.

Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bandlückenentwurfsverfahren ("bandgap engineering") auf der Grundlage von Studien verwendet, bei denen Verbundhalbleiter zugrunde liegen. Der Kontaktwiderstand ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

wobei die Buchstaben für folgende Größen stehen:
Rc = Kontaktwiderstand
N_D = Dotiermittelkonzentration
A = Konstante
h = Planck'sche Konstante
Ψ_B = Höhe der Barrierenschicht
m^* = Effektivmasse
ε_s = Dielektrizitätskonstante von Vakuum.

Entsprechend dieser Gleichung stellen die internen Faktoren zur Verringerung eines Kontaktwiderstandes eine geringe Höhe der Barrierenschicht, d.h. eine geringe Austrittsarbeit zwischen Metall und Halbleiter, eine hohe Konzentration des Dotiermittels, und kleine Effektivmasse, d.h. hohe Mobilität dar. Um dieses Erfordernis zu erfüllen wird Ge, welches eine deutlich bessere physikalische Eigenschaft als Si aufweist und in derselben Familie wie Si liegt, als zweite Widerstandskontrollschicht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Nachfolgende Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Materialeigenschaften zwischen diesen beiden Materialien: Tabelle 1

Um die mechanische Spannung und Dehnung aufgrund des Unterschiedes in den Gitterkonstanten zu minimieren, wird eine erste Widerstandskontrollschicht einer Hetero-Übergangsstruktur, d.h. Si_1-xGe_x als Zwischenschicht zwischen Silizium und der zweiten Widerstandskontrollschicht vorgesehen. Demgemäß werden Reaktionen zwischen dem Metall und der Halbleiterschicht wie beispielsweise Ausdiffundieren des Dotiermittels, Ausbilden einer Ausbuchtung aufgrund übermäßiger Ionenimplantation und Lernphämomene der dotierten Verunreinigung auf effektive Weise aufgrund der ersten und zweiten Widerstandskontrollschichten gesteuert, welche die Verdrahtungselektrode und Halbleiterschicht überquert. Als Ergebnis des verringerten Widerstandes kann die Größe des Kontaktloches verringert werden und damit eine weitere Miniaturisierung der Halbleitervorrichtung vorgenommen werden. Bei einer solchen Struktur ist die Widerstandskontrollschicht glatt, ebenmäßig und dünn durch Behandeln der Oberfläche der Halbleiterschicht durch ein geeignetes atmosphärischen Gases ausgebildet aufgrund eines epitaktischen Verfahrens, oder aufgrund einer Abscheidung eines geeigneten Materials.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
1 eine Schnittansicht einer beispielhaften Kontaktstruktur einer Halbleitervorrichtung;
2 eine Schnittansicht einer weiteren Kontaktstruktur;
3A bis 3E Schritte gemäß der Herstellung einer Kontaktstruktur einer Halbleitervorrichtung entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4A bis 4C Schritte zur Herstellung einer Kontaktstruktur einer Halbleitervorrichtung entsprechen einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen der Flußrate von 10% GeH₄ und dem Zusammensetzungsverhältnis von Si_1-xGe_x; und
6 eine Kurve zur Darstellung der Ergebnisse einer Messung des Kontaktwiderstandes zwischen einem Metall und einem Halbleiter entsprechend verschiedenen Kontaktstrukturen.
Die 3A bis E zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und zeigen die Schritte der Herstellung der Kontaktstruktur durch ein Epitaxieverfahren.
Unter Bezugnahme auf 3A stellt ein erster Schritt eine Ionenimplantierung einer Verunreinigung eines vorbestimmten Leitfähigkeitstyps auf einen Abschnitt eines Halbleitersubstrats 10 zur Ausbildung eines Übergangsbereiches 13 dar. Als ein zweiter Schritt wird eine Isolierschicht 15 wie beispielsweise Silicaglas oder Borphosphorsilicateglas auf das Halbleitersubstrat 10 und den Übergangsbereich 13 aufgebracht, und es wird ein Kontaktloch 16 ausgebildet durch Öffnung der Isolierschicht 15, um einen Teil des vorstehend genannten Übergangsbereiches 13 freizulegen.
Gemäß einem dritten Schritt wird eine Si_1-xGe_6x-Epi-Schicht 21, eine erste Widerstandskontrollschicht 21 auf dem Kontaktloch 16 ausgebildet (2B). Als Reaktionsgas für die Bildung der Epi-Schicht wird SiH₂Cl₂ und GeH₄ unter Verwendung von H₂ als Trägergas verwendet. Die Ge-Quelle wird im übrigen durch Mischen von 10% GeH₄ mit H₂ hergestellt. Die Bedingungen der Bildung der Si_1-xGe_x-Epi-Schicht 21 sind wie folgt: 600–900°C; Flußrate von 20 sccm bis 200 sccm. Vorzugsweise wird die Menge von SiH₂Cl₂ geändert auf 20 bis 200 sccm bei 625°C, 20 slm der H₂-Flußrate, und 1–10 sccm der GeH₄-Flußrate. Da sich die Flußrate von 10% GeH₄ ändert, ändert sich auch die Ge-Konzentration, und mit Zunahme der Ge-Konzentration vergrößert sich die Wachstumsgeschwindigkeit. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Si_1-xGe_x-Epi-Schicht 21 beträgt 2,3 nm/min, falls Ge 12% beträgt, d.h. im Falle von 0,88 Si und 0,12 Ge. Im Falle von 0,67 Si und 0,36 Ge, beträgt die Wachstumsgeschindigkeit 12,6 nm/min.
Durch allmähliches Vergrößern der Flußrate von 10% GeH₄ bei einer solchen Bedingung wird die Si_1-xGe_x-Epi-Schicht 21 bis zu einer Dicke von 10,0 nm bis 50,0 nm, vorzugsweise etwa 20,0 nm aufgewachsen.
5 zeigt eine Darstellung einer Beziehung der Änderung des Gehaltes von Ge gemäß der Flußrate von 10% GeH₄. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis der Si_1-xGe_x-Epi-Schicht erreicht wird, wird das Zusammensetzungsverhältnis von x auf 0,4 entsprechend der Kurve gemäß 5 geändert. Die aufgewachsene Si_1-xGe_x-Epi-Schicht 21 enthält kein Dotiermittel, wobei jedoch dotiertes Si_1-xGe_x verwendet werden kann, falls dies notwendig ist.
Eine dotierte epitaktische Schicht wird bei einer Strömung von B₂H₆-Gas oder PH₃-Gas bei dem Zeitpunkt des epitaktischen Prozesses gebildet. Ein vierter Schritt zur Bildung einer zweiten Widerstandskontrollschicht 23 wird durchgeführt, bei dem der Epi-Prozeß wie bei dem dritten Schritt verwendet wird (3C). Wie es an sich bekannt ist, ist die Bedingung dieselbe wie bei der Wachstumsbedingung der Si_1-xGe_x-Epi-Schicht 21, und die Flußrate von SiH₂Cl₂ ist nur zur Bildung der Ge-Epi-Schicht 23. Die Dicke der Ge-Epi-Schicht 23 beträgt etwa 5,0 nm bis 10,0 nm. Falls der Leitfähigkeitstyp des Übergangsbereiches 13 P+ ist, kann ein Element der Gruppe 3 aus dem Periodensystem ionenimplantiert werden, d.h. B oder BF₂.
Im Falle eines Übergangsbereiches 13 vom N+-Typ wird As oder P ionenimplantiert. Die Ionenimplantation wird durchgeführt bei 20–50 KeV und einer Dosis von 5 × 10¹⁴ – 1 × 10¹⁵ Ionen/cm².
Bei einem fünften Schritt wird eine Barrierenschicht 17 auf der zweiten Widerstandskontrollschicht 23 und der Isolierschicht 15 gebildet, und es wird eine Wärmebehandlung durchgeführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich eine Barrierenschicht 17 vorgesehen, wobei zwei Barrierenschichten bei einem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen werden können, welches später beschrieben ist. Zuerst wird Titan durch Sputtern bis zu einer Dicke von etwa 50,0 nm bis 100,0 nm abgeschieden, und bei etwa 600°C bis 900°C in einer passiven Umgebung von N für eine kurze Zeitperiode zur Ausbildung einer Struktur gemäß 3D wärmebehandelt. Eine derartige Wärme behandlung, die für eine sehr kurze Zeitdauer durchgeführt wird, kann vermittels einer schnellen thermischen Wärmevorrichtung (RTA = Rapid Thermal Annealing) zur Verfügung gestellt sein. Während Titan in Kontakt mit der zweiten Widerstandskontrollschicht 23 durch die Wärmebehandlung in TiGe_x umgewandelt wird, reagiert das restliche Titan, welches nicht in Kontakt tritt mit der zweiten Widerstandskontrollschicht 23, mit N₂ in Atmosphäre und es wird Titannitrid gebildet, welches als Diffusionsbarrierenschicht dient. Schließlich wird eine leitende Schicht als Anschlußleitung durch Vergraben des Kontaktloches mit der Metallschicht ausgebildet, wie es in 3E dargestellt ist.
Die 4A bis 4C zeigen die Schritte der Herstellung einer Kontaktstruktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche mit den 3A bis 3E korrespondieren. Die gleichen Bezugsziffern bezeichnen gleiche Teile, so daß auf deren nähere Beschreibung verzichtet werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine erste Widerstandskontrollschicht durch eine Wärmenachbehandlung gebildet, nachdem Ge ionenimplantiert wurde, und zwar nicht durch einen epitaktischen Prozeß, sondern durch Ionenimplantation. Zuerst wird unter Verwendung einer fotoempfindlichen Schicht 18 als Maske Ge ionenimplantiert bei einer Beschleunigungsspannung von 10–30 KeV und einer Dosis von 1 × 10¹⁵ – 10¹⁶ Ionen/cm², und einer geringen Energie zu Bildung einer Ge-Isolationsschicht 22 in dem Übergangsbereich 13, wie es in 4A dargestellt ist. Falls die Beschleunigungsspannung 20 KeV beträgt, beträgt der Sollbereich etwa 20,0 nm, und falls die Beschleunigungsspannung 30 KeV beträgt, beträgt der Sollbereich etwa 26,0 nm. Falls die Beschleunigungsspannung 10 KeV beträgt, beträgt der Sollbereich etwa 12,5 nm.
Unter Bezugnahme auf 4B werden, nachdem die Fotolackschicht 16 entfernt worden ist, Ge und Ti aufeinanderfolgend auf der Ge-Implantationsschicht 22 und der Isolierschicht 15 zur Bildung einer Ge-Abscheideschicht 24 und einer Ti-Abscheideschicht 17 jeweils bis zu einer Dicke von etwa 10,0–50,0 nm bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1,0–5,0 nm/sec und bei einer Substrattemperatur von 200°C vermittels einer Sputtervorrichtung abgeschieden.
Bei dem Schritt gemäß 4C wird die vorstehend beschriebene Ge-Implantationsschicht 22 in eine erste Widerstandskontrollschicht 21' aus Si_1-xGe_x entsprechend dem Aktivierungseffekt der Hochtemperaturwärmebehandlung und der Reaktion mit Silizium umgeformt.
Die Ge-Abscheideschicht 24 auf der Ge-Implantationsschicht 22 verbleibt als eine zweite Widerstandskontrollschicht 23' aus Ge. Die Ge-Abscheideschicht 24 auf den oberen und seitlichen Abschnitten der Isolierschicht 15 wird in eine erste Barrierenschicht 17a aus TiGe_x durch Reaktion mit Ti umgeformt. TiN wird durch Sputtern bis zu einer Dicke von etwa 50,0 nm bis 150,0 nm abgeschieden, und dient als eine zweite Barrierenschicht 17b. Nach der aufeinanderfolgenden Abscheidung von Ti und TiN kann eine Wärmebehandlung angewendet werden. Es wird eine schnelle thermische Ausheilung durchgeführt für 20 bis 60 Sekunden bei 600°C bis 900°C in einer Umgebung aus N₂, oder die Wärmebehandlung wird durchgeführt für 30 bis 60 Minuten bei 450°C bis 600°C in einer Umgebung aus N₂. Als Bezugspunkt wird die erste Barrierenschicht 17a, TiGe_x mit dem geringsten Flächenwiderstand (20 μΩ/cm²) gebildet, wenn die schnelle thermische Ausheilung für 20 Sekunden bei 800°C durchgeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, liefert die vorliegende Erfindung eine Kontaktstruktur eines Heteroüberganges aus Ge und Si_1-xGe_x, dessen Bandlücke geringer ist als ein Sub stratmaterial einer Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Halbleiter, welche effektiv hinsichtlich geringen Widerstand von Verbindungsleitungen und hinsichtlich hoher Zuverlässigkeit in hochintegrierten Halbleitervorrichtungen verwendet werden kann. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung ergibt sich anschaulich aus der gemäß 6 dargestellten Kurve.
In 6 sind die Ergebnisse der Messung des Kontaktwiderstandes zwischen dem Metall und dem Halbleiter unter Verwendung eines Teststreifens eines Kontaktes mit 1200 Kontaktlöchern dargestellt.
Das Ergebnis der Ge/Si_1-xGe_x Hetero-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Kurve durch "A" angedeutet. "B" bezeichnet eine Kontaktstruktur, bei der lediglich Ge ionenimplantiert ist, und "C" bezeichnet eine herkömmliche Kontaktstruktur, bei der Ge nicht ionenimplantiert ist. Die Ausdehnung des Kontaktloches beträgt 0,5 μm, und die Halbleiterschicht stellt eine Fläche vom P+-Typ dar, in der BF₂ ionenimplantiert ist mit einer Dosis von 1 × 10¹⁵. Die Wärmebehandlung wurde für 120 Minuten bei 850°C bei einer Umgebung aus N₂ durchgeführt. Entsprechend der Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Kontaktwiderstand etwa um das Doppelte verringert.

Claims

Ohmsche Kontaktstruktur für eine Halbleitervorrichtung mit einem Siliziumsubstrat (10) mit einem dotierten Bereich (13), in dem eine erste Widerstandskontrollschicht aus Si_xGe_1-x (22) gebildet ist, zu dem ein Kontaktloch (16) durch eine Isolierschicht (15) führt und im Kontaktloch (16) eine Barrierenschicht (17) mit Titan und darauf eine leitende Schicht (19) als Verdrahtungselektrode gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (10) und der Isolierschicht (15) eine zweite Widerstandskontrollschicht (24) unterhalb der Barrierenschicht (17), gebildet ist.
Ohmsche Kontaktstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandkontrollschicht (24) aus Ge gebildet ist.
Ohmsche Kontaktstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstandkontrollschicht (22) aus Si₁Ge_1-x mit 0 < x < 1 gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts in einer Halbleitervorrichtung mit einer Isolierschicht (15) mit einem Kontaktloch (16) zu dotierten Bereichen (13) in einem Siliziumsubstrat (10), wobei eine erste Widerstandskontrollschicht aus Si_xGe_1-x (22) mittels Implantation von Ge durch das Kontaktloch (16) gebildet wird, und eine Barrierenschicht (17) mit Titan und eine leitende Schicht (19) als Verdrahtungselektrode ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Widerstandskontrollschicht (24) vor der Barrierenschicht (17) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandskontrollschicht (24) aus Ge hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bilden der Barrierenschicht (17) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines ohmschen Kontakts in einer Halbleitervorrichtung mit einer Isolierschicht (15) mit einem Kontaktloch (16) zu dotierten Bereichen (13) in einem Siliziumsubstrat (10), wobei eine erste Widerstandskontrollschicht aus Si_xGe_1-x (21) im Kontaktloch (16) gebildet wird, und eine Barrierenschicht (17) mit Titan und eine leitende Schicht (19) als Verdrahtungselektrode ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Widerstandskontrollschicht (23) vor der Barrierenschicht (17) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstandskontrollschicht (21) aus epitaktischem Si_xGe_1-x selektiv im Kontaktloch (16) auf dem Siliziumsubstrat (10) aufgewachsen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstandskontrollschicht (21) aus epitaktischem Si_xGe_1-x mittels chemischem Dampfabscheiden aufgewachsen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandskontrollschicht (23) aus Ge hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bilden der Barrierenschicht (17) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Ohmsche Kontaktstruktur für eine Halbleitervorrichtung mit: einem Siliziumsubstrat (10) mit einer dotierten Zone (13), zu der sich ein Kontaktloch (16) durch eine Isolationsschicht (15) hindurch erstreckt und bei der innerhalb des Kontaktloches (16) eine erste Widerstandskontrollschicht aus Si_xGe_1-x (21) und eine Barrierenschicht (17) mit Titan ausgebildet ist und darauf eine leitende Schicht (16) als Verdrahtungselektrode gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (10) eine zweite Widerstandskotrollschicht (23) unter der Barrierenschicht (17) ausgebildet ist.
Ohmsche Kontaktstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandskontrollschicht (23) aus Ge gebildet ist.
Ohmsche Kontaktstruktur nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstandskontrollschicht (21) aus Si₁Ge_1-x gebildet ist, wobei gilt 0 < x < 1.
Ohmsche Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenschicht (17a) aus TiGe gebildet ist.