Измерение удельного сопротивления силицидных омических контактов к кремнию р-типа методом линии передачи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-169-173

Р. Б. БУРЛАКОВ

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского,

г. Омск

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ силицидных ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К КРЕМНИЮ Р-ТИПА МЕТОДОМ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

Рассмотрен способ определения удельного контактного сопротивления методом линии передачи. Этот способ использован на изготовленных и измеренных силицидных омических контактах к кремнию р-типа (с номинальным удельным сопротивлением р=10 Омсм) на основе систем Р1Дд, PdAg и №Дд. Показано, что система Р1Дд имеет наиболее низкие значения рк= =(5,5...5,6)Ю-2 Омсм2.

Ключевые слова: измерение удельного контактного сопротивления, ^М-метод, кремний р-типа, силицидные омические контакты.

Введение. Неотъемлемой частью любого полупроводникового прибора является омический контакт — неинжектирующий и невыпрямляющий контакт металл—полупроводник. Одним из основных требований, выдвигаемых к качественным омическим контактам, является низкое удельное контактное сопротивление рК [Ом-см2], что особенно важно при создании мощных полупроводниковых приборов. Уменьшение сопротивления контакта связано непосредственно с проблемой его измерения, так как сопротивление омического контакта часто составляет малую часть общего сопротивления структуры. Для ее решения существует ряд известных методов и модификаций измерения удельного контактного сопротивления, описанных, например, в обзорных работах [1, 2]. Обычно для определения величины рК зондовыми методами проводятся измерения полного сопротивления RT между планарно расположенными контактами, которое зависит как от сопротивления контакта RK, так и от сопротивления полупроводника, а также от типа подключения токовых и потенциальных зондов к контактам тестового образца.

Один из самых распространенных методов измерения контактного сопротивления, учитывающий токи растекания под контактом по объему полупроводника, — метод линии передачи (Transmission Line Method — TLM) [3 — 6]. Преимуществом этого метода является возможность измерения удельного контактного сопротивления на тонких слоях полупроводника: тонких полупроводниковых пленках и диффузионных слоях, вследствие чего он имеет широкое распространение.

Первый вариант TLM с линейной геометрией контактов к полупроводнику был предложен в работе [3]. В этом варианте TLM измерение рК выполнялось на контакте алюминия с тонким диффузионным слоем кремния. При этом через контакт Al-Si пропускали ток и с помощью зонда измеряли распределение потенциала (относительно контакта) на поверхности тонкого слоя кремния вне контакта. Построив график зависимости потенциала от коор-

динаты зонда, экстраполировали график до точки его пересечения с осью координат зонда. Расстояние от этой точки пересечения до края контакта определяло величину Lra, названную в работе [3] длиной переноса (transfer length). В этой работе удельное контактное сопротивление вычисляли по формуле: Ь2ТЭ = рк/рП, где рп — поверхностное сопротивление слоя полупроводника, определяемое как отношение удельного сопротивления р [Ом-см] полупроводника к толщине h его слоя (pn=p/h) и измеряемое четырехзондовым методом.

Среди различных контактных систем к кремнию тонкопленочные силициды металлов чрезвычайно важны в связи с развитием технологии сверхбольших интегральных схем (VLSI технологии). Силициды металлов образуют низкоомные контакты, имеют низкое поверхностное сопротивление и малое проникновение в кремний, обладают высокой стабильностью электрических характеристик и очень хорошей адгезией к кремнию. Поэтому большое количество работ посвящено исследованиям механизмов образования и электрическим свойствам различных силицидов металлов, их термической устойчивости и твердофазного эпитаксиального роста. При этом на сильно легированном кремнии получены низкоомные омическиеконтакты [7]. Однако фактически отсутствует информация об удельном контактном сопротивлении силицидов металлов на кремнии с удельным сопротивлением выше 1 Ом-см.

В настоящей работе измерено рк с помощью варианта TLM на изготовленных силицидных омических контактах к кремнию р-типа (с номинальным удельным сопротивлением р =10 Ом-см) на основе систем PtAg, Р<ЗАди NiAg.

Соотношения для токового и потенциального контактов. В данной работе использованы структура тестового образца и электрическая схема для измерения удельного контактного сопротивления TLM методом с одинаковой длиной A прямоугольных контактов к полупроводнику, отделенных друг от друга одинаковыми интервалами с длиной B,

Рис. 1. Структура образца и схема для измерения удельного контактного сопротивления ИМ методом с одинаковыми прямоугольными контактами к полупроводнику

= 0 1* х =

1

Я2 Я

"НИ-нм

«1

«2 «I

1—Н МЧ"

Я! 1 I Я\ Я1

.V дм-Ах

Токовый контакт

-У/////////////////////^^^^

Слой полупроводника

Рис. 2. Эквивалентная цепь крайнего токового омического контакта 1

Рис. 3. Эквивалентная цепь потенциального омического контакта, расположенного между токовыми контактами

Сх аР

Р п

(1)

V(х) / Ш2 = 1(х -ь ¿^хт^) - X(х) = Р/(х ), или сСх1 = ==

Сх

х)

Ри

Из сост=ошений (И) = (1) получим уравнение для 1(х):

С 2Хх) IРх) _

Сх2

= 0 '

где испохьпова=о о б осна-ен ие : )ы = СРк I Рп -

(3)

(-)

Величину !Соп]Э1делоемую ф=пмуоой (А). -хдем считати даиме и спинной =л-ной псронхса . Общее решен ие у|) авнения (е) ию ет вид:

=(х) = М ухр^-е.г) о 00 ххр0- х/х ) •

(5 •

Исппсьсх- апянион хю yелo=оо: )(х)=И п=и х= х и 1(х)= С( хрп х=А, нрходим ипонсиа)ты интах=ирова-ния Ю и С, а захем рас мпхпелелап току 1{а) н

х)=) = 2о нк=(х0ПхС

V ( л1 кО-а/ПЩ

(6)

Соотнрш/ник -я VПо), еа=/пнп напрпжрния на токoвем кпнхакте ррА и с епкот/ВА/них Пр етооо контакта паи.хим иа щ]]:^:!]:-=о их (2) х (С[:

уЫо ^ССПх =

ап 2 хх

(?)

_ р= рх ееo=(x)Пе) _ рОрпПт ееo=(x)Пе) ИИ / паЩ/И0 Н :О:^Г11О^|:Я^(((:/)

=Ии0о=о = ее =

а°СнПи еие=Оа/ИУ и •ыЫыспа==/П)) • (8)

Z лт=(Ю/ПИ/ ИИ 1 : я'

/Ре) =аИ( р

8 (хлС ==а 20

( хоПа/Ии).

(9)

имеющих ширину Z (рис. 1). Один из двух зондов (соединенных с амперметром и высокоимпеданс-ным вольтметром) подключен к одному из крайних (токовых) контактов (контакт 1 на рис. 1), а другой зонд может быть подключен к каждому из серии остальных контактов, что позволяет измерить график зависимости напряжения этого контакта от его координаты (относительно края крайнего токового контакта 1).

Используя эквивалентные цепи токового и потенциального контактов, показанные на рис. 2 и 3, можно записать дифференциальные соотношения для этих контактов, связывающие между собой напряжение и иок с п нраметрами рК и рп [5]:

I(х)П, = V(х о йх) - V(х) = РИ(х),

Из сишхюшиниИ х)) и (2) прл=оим уиавиение для У(х):

сРнюх - хухУ(х)^о,

п=2 я,

х о.

где исиохизоаана p0oзнач8Hуа: и- = ^ИркИрп . Общее решинхе ущанхнения (10) имеет вид:

ю(х) = аа ухр(х/иг) -о ни ухр (- х/п.) .

(11)

Используя ирхничаы е онхоеия: У(х)=0 при х=0 и 1(х)=1= прт х = А/2, ниходео опнаирнты интегрирования Н и (И, ) затемвырежорне (/и У(х(:

=(х) = 1 оРыи8 аш=(° П( ) V ' И ееБ=(а/2()

(12)

Следовательно, падение напряжения У"0 вдоль полной длины потенциального контакта (от х = = — А/2 до х=А/2) определяется формулой:

V =

21 оРл 1т 04пП(ф/ ).

г

(13)

метод линии передачи с одинаковой длиной равноудаленных прямоугольных контактов тестового образца. Изложенный выше анализ токового и потенциального контагтов можно испотпвовать для получения соотношений между ожидаемыми в эксперименте значениями длины переноса ЬТЭ и поверхностного соп]тотиолеоия рПэкс полупроводника и теоретическими (истинными) значениями ЬТ и рП этих величин путем расчета графика зависимости напряжения от когрдинаты п^я рассматриоа-емой тестовой структуры.

Если в рассматриваемом случае число одинаковых интервалов В между контактами равно п, а число последовательных коттаклнв, отделенных друг от друга одинаковыми интервалами В, равно (п+1), то напряжение V на (н+ 1)-ом оонтакте (относительно контыкта 1) и ноордмхату хп+1 этого контакта можно записать в виде:

V т, о

1 оРа

н

21Тт соОЬаф/Хфт

ор т 2(о о 1)хг тапв) Нот^ О)орт(о о ,)ф .

ф

(14)

(15)

Рис. 4. График зависимости напряжения контакта от координаты x этого контакта

5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 О

1

Ьтэ / А

-1,2,3 -

\ т/ л

1 1

Т,5

1

1,5

2,5

Рис. 5. Зависимости ГТЭ/А от LТ/A при значениях параметров:

1 — В/А=2; 2 — 21/А=0) 0 — ТТА^)0, 4 — Ь„/А = ГТ/А

Измертв нхпряжение \Тп+1 но. р1 + 0)/ом хонтакте относительоо к:антакто Т (Й, Ур, р15 то о .д.) при фиксированном значении тока 10, строят гртфик зависимости напряжения V" на (п+1)-ом контакте от координаты 12: 1 отлого К2шракта (рхм. 4П

Экстрапол^^ графин толученной зависимости к х=0, получают 2прх этом точка пересечения этого графика с онью коордткат дает велити-ну 2ЬТЭ.

Используя соотвIышештт (14) р (1м), мож^о нойти разность наоряжегий А V и комр-

динат Ах для лео^ь5r:м хнхф ыoптоктoв ис хт/сла равноудаленных тр нта ктта, а зат ем там генс угла м т клон а графика завосимоски роорхжеюия колтькга тт его координоты (рте. 4):

ли

Лн

НтРа

тт т 2хт ОнпП

ф

/(Л т ф). 10)

Из р1ес. 4 аирнх, хмл ртт 2тl20aп/т 15/ЫLa )041:/с)(^а1 х можнн записхте ртд

Рва о

тт..

2^о/ т т

ЛУ тО4 '

о

Н оРл

с

х.ят ст0/(фкхг) о т?Е

2хга т В

н оР л

с

[т т 2хт Онп 11(EоГ422 Пг )Е

тт ф

[2хг coОlы(А И7.)) тт т?Е м (о т 21,. О4пhТд/2Xы)E

Л

т т А

(Т2)

1,05 1

0 о 5

0,9

лн 0,8 0,75 0,7 0,65

Р Пэкс (9 п

гргт

-1

Ьт 1А — -

0,5

2,5

3,5

Рос. с Зависимости рПэкс/рП от Ьт/А при значениях параметров: 1 — ВтА=2; 2 — В/А=5; 3 — В/А=10

оз выражений (16) и (17) получим соотношения ме:>аду ожидтетоми в эксперименте значениями длины переноса ЬТЭ и поверхностного сопротивле-ним Т001 похумртводнита х тeo/>oпичecкими (истин-ными2 :шачтниями ЬТ и рП этит величин:

_ от 2 -2 хг[(А т T5)co0p(A/Лг)о Д0тnplA^ЫТJ.)E ^ 18) тх ~~ т т 2Ты 04пр(ф/2хг )

- слили -

раэкс о ~г 7 о ра

нл Лн

т т 2^4 ОапП

ф

/5ДтФ). (19)

Растет зхвк^с^им^ст^гй ожидаемтгт в эксперимин-хе значенит дт^кгньт ьс°соосх о 40вopxнoытного смпрооивления рПэкс полупроводника от теоретиче-ткох (истинных) знатеми4[ Ьт ох Рх этих величин можно выполнито с помощью формул, которые получим из формул (18) и (19):

171

В Ьт

— +

2А А

1 + В) 2оШ(А/1г) - 3

А

В + 2=- аА)А/2=.)

РПэ1

Рп

/=- ТапП|

л I Ь

0,5

"ТА

(20)

(21)

Задав численные з]начения отношения В/А (например, ^-н-ВП,енЭ; 2-£/А = 5; 3-Б/A= Ю) в качестве паралетра, расчитываем по фонмулам (20) и (21) зависимости ^ТЭЛА° ов Ь=А (3афики кото-ры х п]эедставлены на ]иэ. 2( и оависимо+тз рп /+п от Ьт/A =рафикл =от+рых пне+ставлены н2 рис. 6).

Из графиков , приведенных ни рис. 5 и 6, следует, что расхождение между ожидиемыми в эксперименте значениями злэлы злр2ноэа лтЭ в по-верхноэтнегзс^прэ^тивлезиа рПэкс =ол-зра/о+литэ и теоретическим) (эсзинными) в=2т)2))ивми Ьт и рП этих величск им зет сложный хара+твр и может быть значиееионым прп и зж енен ил отн ош+н=я Ьт/А.

Поэтом) ое^деление удзланого контактного сопротивления рК целесоо^]эазно вотолля2е нледу-ющим образом. Посре измерения завлсвмосш напряжения Уп2л на (л е-1 )-ом контакте от клордннаты хп+1 этого контекта опрздпоым эксп/римелтально величину ЬтЭ и путем решемия ура/нелия (20) (относительно Ьт/А) при известном параметре Б/А тестового образца нахидим кррепк Ь^А ур2внеапя (20). Подставпяя зн зч+лие ларям етра Б/А и най лен но е значение Ь^А л соотлошениз (), вычислгем отношение рПэкс/рП- Величину рПэкс р+ссчита/ввел по фор-

экс ж еи эп

муле: Р пэкс е — , где ДУ/Дх находим из графика 1 о Дзр

измеренной завесилос2и И^.т^). Иаполлз+я найденные значпния отношений: Ь^А и нПэкс/рП, находим значения длины переноса Ьт и поверхностного сопротивления рп и иычисляем удельное контактное сопротивление рх по формуле:

рк е =и р п •

(22)

Экспериментальные результаты. В данной работе выполнено изготовление силицидных омических контактов к кремнию р-типа на основе тонкопленочных систем ПАд, PdAg, №Ад и измерение их удельного контактного сопротивления рК с помощью модифицированного варианта метода линии передачи, описанного выше (рис. 1). Для изготовления экспериментальных образцов использовалась пластина кремния р-типа (марка: 100-2Вк-2кдб10-(111)4-460, номинальное значение удельного сопротивления — 10 Ом см, толщина пластины — 460 мкм), разрезанная на образцы с размерами 8x12 мм2. Перед вакуумным осаждением контактов образцы кремния промывались в бензине, этиловом спите и ацетоне, очищались (от $Ю2) в растворе ЫР + Ы20 (1:1) в течение 70 — 80 секунд с последующей промывкой в дистиллированной воде и ацетоне, а затем образцы кремния помещались в свободную металлическую маску с равноудаленными прямоугольными отверстиями с размерами 0,2x8 мм2 (А = 0,2 мм, Z=8 мм) с расстоянием 1,2 мм между их продольными осями (В = 1 мм), которую устанавливали в вакуумную камеру. Вакуумную камеру откачивали до давления остаточных газов (1,5 — 2)• 10-5 мм рт. ст., отжигали образцы в вакууме в течение 10—15 ми-

350 300 250 200 150 100 50

К мВ 3\

2

--1

X, мм

10

12

Рис. 7.Зависимости напряжения на контакте (относительно

контакта 1) от координаты этого контакта, измеренные призначении тока 10=1 мА для трех образцов с контактами на основе: 1 — Р1Лд, 2 — РЛЛд и 3 — Ы1Лд

нут при температуре 220 °С и после этого при этой температуре выполняли локальное осаждение тонкой пленки контактного металла (Р1 — 8 нм, или Pd — 40 нм, или N1 — 37 нм) путем испарения контактного металла из W испарителя (четыре W пр от олоки длиной 65 мм и диаметром 0,8 мм, соединенные параллельно) через отверстия в маске на полированные поверхности двух образцов кремния с последующим осаждением (в одном процессе откачки вакуумной камеры) слоя серебра (Ад) толщиной 200 нм путем испарения Ад из танталовой лодочки на пленку контактного металла. Затем колученные каждые два образца кремния с осажденными контактами Р1Ад, или PdAg, или №Ад дополнительно отжигали в вакуумной камере (давление — (9 — 10) 10-3 мм рт. ст.) при температуре 540 °С в течение 20 минут в кварцевой трубчатой печи сопротивления, что обеспечивало образование силицидных омических контактов к кремнию р-типа [8—11].

Образование омических контактов на всех образцах подтверждалось измерением вольт-амперных характеристик (ВАХ) участка образца между двумя соседними контактами в диапазоне приложенных напряжений от 0 до ±0,85 В. ВАХ контактов на основе Р1Ад и PdAg были линейными во всем использованном диапазоне приложенных напряжений ( — 0,85...+0,85) В, а ВАХ контактов на основе №Ад были линейными в диапазоне ( — 0,4...+0,4) В, за пределами которого имело место слабое отклонение от линейности в сторону повышения сопротивления участка образца при увеличении приложенного напряжения.

Для определения удельного контактного сопротивления рК, длины переноса ЬTЭ и поверхностного сопротивления рПэкс полупроводника были измерены на всех образцах зависимости напряжения V на (л+1)-ом контакте (относительно контакта 1) от координаты х этого контакта при значении тока /0=1 мА, при этом была использована схема, показанная на рис. 1. Измеренные зависимости напряжения V на (л+1)-ом контакте от координаты хп+1 этого контакта для трех образцов с контактами на основе PtAg, PdAg, №Ад представлены на рис. 7. На основе таких зависимостей были определены значения длины переноса ЬTЭ и поверхностного сопротивления рПэкс полупроводника, а затем на основе вышеописанной методики рассчитаны по формулам (20), (21) и (22) истинные значения Ьт и рП, и удельного контактного сопротивления рК исследованных омических контактов к кремнию р-типа,

Э

Таблица 1

Измеренные ЬГЭ/Л и поверхностное сопротивление рПэкс полупроводника и рассчитаные по формулам (20), (21) и (22) значения Ц/Л, ЦГ, рП и удельного контактного сопротивления рК исследованных омических контактов к кремнию р-типа с номинальным р=10 Ом-см

№ образца Тип контакта LJA LT/A (20) LT, см P„ , Ом 1Пэкс' Рп(21), Ом РК(22), Омсм2

1 — 1 pSi — PtAg 0,935983 0,751354 0,015027 243,9157 249,1241 5,610 — 2

1—2 pSi — PtAg 0,943726 0,756684 0,015134 235,2 240,161 5,510 — 2

2 — 1 pSi — PdAg 1,139183 0,87953 0,017591 245,2998 249,2636 7,710 — 2

2 — 2 pSi — PdAg 1,211701 0,92062 0,018412 242,4588 246,0661 8,310 — 2

3 — 1 pSi — NiAg 1,421169 1,029625 0,020593 245,3855 248,3591 10,510—2

3 — 2 pSi — NiAg 1,472407 1,054496 0,02109 244,7848 247,6228 11,010—2

представленные в табл. 1. Из данных табл. 1 видно, что на кремнии p-типа с номинальным р=10 Ом-см наиболее низкие значения удельного контактного сопротивления имеют контакты на основе тонкопленочной системы PtAg.

Заключение. Таким образом, в настоящей работе получены соотношения между ожидаемыми в эксперименте значениями длины переноса LТЭ и поверхностного сопротивления рПэш полупроводника и теоретическими (истинными) значениями LT и рп этих величин, которые могут быть использованы при определении удельного контактного сопротивления рК в варианте TLM с прямоугольными контактами к полупроводникам. Показано, что в варианте TLM с одинаковыми интервалами между прямоугольными контактами, имеющими одинаковую длину токового и потенциального контактов, имеет место значительное расхождение между значениями Lи рПэкс, ожидаемыми в эксперименте, и истинными значениями LT и рп при изменении отношения LT/A тестового образца. В связи с этим определение удельного контактного сопротивления рК целесообразно выполнять путем измерения величин Lи рп[экс и последующего расчета истинных значений LT и рп на основе решения соответствующих уравнений, представленных в данной работе. Предложенная в работе методика определения рК использована на изготовленных и измеренных си-лицидных омических контактах к кремнию p-типа (с номинальным р=10 Ом-см) на основе тонкопленочных систем PtAg, PdAg и NiAg. Показано, что система PtAg имеет наиболее низкие значения рК=(5,5...5,6)-10—2 Ом-см2.

Библиографический список

1. Cohen S. S. Contact resistance and methods for its determination // Thin Solid Films. 1983. Vol. 104. P. 361—379. DOI: 10.1016/0040-6090(83)90577-1.

2. Кудрик Я. Я. Удельное сопротивление омических контактов в структурах металл—полупроводник // Петербургский журнал электроники. 2010. № 1. С. 25 — 40.

3. Shockley W. Research and Investigation of Inverse Epitaxial UHF Power Transistor // Final Technical Report No. AL-TDR-64-207, September. 1964. Air Force Atomic Laboratory / Air Force Systems Command, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio.

4. Reeves G. K. Specific contact resistance using a circular transmission line model // Solid-State Electronics. 1980. Vol. 23, no. 5. P. 487-490. DOI: 10.1016/0038-1101(80)90086-6.

5. Mak L. K., Rogers C. M., Northrop D. C. Specific contact resistance measurements on semiconductors // Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1989. Vol. 22. P. 317-321. DOI: 10.1088/0022-3735/22/5/010.

6. Holland A. S., Pan Y., Alnassar M. S. N. [et al.]. Circular test structure for determining the specific contact resistance of ohmic contacts // Facta Universitatis. Series: Electronics and Energetics. 2017. Vol. 30, no. 3. P. 313-326. DOI: 10.2298/FUEE1703313H.

7. Stavitski N., van Dal M. J. H., Lauwers A. [et al.]. Systematic TLM Measurements of NiSi and PtSi Specific Contact Resistance to n- and p-Type Si in a Broad Doping Range // IEEE Electron Device Letters. 2008. Vol. 29, no. 4. P. 378-381. DOI: 10.1109/ LED.2008.917934.

8. Guo X., Y. Hao, J. Yu-Long [et al.]. Study of nickel silicide formation on Si (110) substrate // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257, Issue 24. P. 10571-10575. DOI:10.1016/j. apsusc.2011.07.052.

9. Kim B., Yoo D.-J., Baik H. K. [et al.]. Improved thermal stability of Ni silicide on Si (100) through reactive deposition of Ni // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2003. Vol. 21, Issue 1. P. 319-322. DOI: 10.1116/1.1539064.

10. Tsui B. Y., Chen M. C. Low temperature reaction of thin film platinum (300 E) with (100) silicon // Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 68. P. 6246. DOI: 10.1063/1.346890.

11. Suryana R., Nakatsuka O., Zaima S. Formation of Palladium Silicide Thin Layers on Si (110) Substrates // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 50. 05EA09. DOI: 10.1143/JJAP.50.05EA09.

БУРЛАКОВ Рудиарий Борисович, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Прикладная и медицинская физика». ЛиШогГО (РИНЦ): 37654

Адрес для переписки: burlakovrb@e-mail.omsu.ru

Для цитирования

Бурлаков Р. Б. Измерение удельного сопротивления си-лицидных омических контактов к кремнию р-типа методом линии передачи // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 169-173. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-162-169-173.

Статья поступила в редакцию 07.09.2018 г. © Р. Б. Бурлаков