CC BY
83
УДК 621.383
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ИХ ОТЖИГА
В.В. Дохтуров, С.В. Cмирнов*, А.В. Юрченко**, В.И. Юрченко
ОАО НИИ полупроводниковых приборов, г. Томск * Томский университет систем управления и радиоэлектроники **Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Проведен анализ процесса отжига омических контактов к полупроводниковым структурам на основе арсенида галлия и его твердых растворов с контролем сопротивления непосредственно в процессе отжига. Приведена эмпирическая формула зависимости приведенного поверхностного сопротивления от температуры. Представлена физическая модель формирования омических контактов.
Ключевые слова:
Омический контакт, сопротивление, контроль.
Омические контакты являются важнейшим элементом полупроводниковых приборов и интегральных схем, и их качество в значительной мере определяет эксплуатационную устойчивость и надежность изделий. Наиболее распространенным материалом контакта к структурам на основе арсенида галлия «-типа является сплав AuGeNi. Установлено [1, 2], что на качество и величину приведенного поверхностного сопротивления Рк омических контактов (ОК) влияет режим термической обработки: длительность (время) отжига t, максимальная температура отжига T, скорости нагрева и охлаждения. Большое влияние оказывает и вид термической обработки; это может быть как традиционная печная обработка, так и обработки с помощью источников некогерентного излучения, лазеров, электронных и
ионных пучков. Наиболее важными параметрами, характеризующими процесс отжига, являются:
• морфология поверхности омических контактов;
• зависимости приведенного поверхностного сопротивления от температуры и времени отжига ;
Морфология поверхности контактов и её неоднородность, как правило, отражает те физико-химические процессы, которые происходят как в объеме контактов, так и на границе раздела AuGe-GaAs. Электронно-микроскопические исследования показывают, что кинетика изменения морфологии омических контактов в процессе отжига представляет собой сложный
Дохтуров Всеволод Всеволодович, руководитель производства ОАО НИИ полупроводниковых приборов, г. Томск.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: физика процессов в микросистемах.
Смирнов Серафим Всеволодович, д-р техн. наук, профессор кафедры физической электроники Томского университета систем управления и радиоэлектроники.
E-mail: [email protected]
Область научных интересов: физика конденсированного состояния.
Юрченко Алексей Васильевич, д-р техн. наук, профессор кафедры информационноизмерительной техники Института неразрушающего контроля ТПУ, руководитель направления солнечной энергетики.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: мониторинг систем солнечной энергетики.
Юрченко Василий Иванович, зам. генерального директора ОАО НИИ полупроводниковых приборов, г. Томск. E-mail: [email protected] Область научных интересов: технология полупроводниковых приборов.
процесс. Уже после нанесения металлов на GaAs, поверхность контактных площадок является неоднородной, наблюдаются темные участки с повышенной концентрацией Ge (рис. 1).
В процессе нагрева проходит перераспределение элементов в системе омический контакт-полупроводник, возникает диффузия Аи, Ge в GaAs с образованием твердых растворов и химических соединений.
Рис. 1. Исходная поверхность контакта AuGeNi после нанесения на GaAs
С ростом температуры эти процессы ускоряются (рис. 2) и при температуре выше 300 °С начинаются процессы формирования интерметаллических соединений типа AuGa, AuGe и другие, подробно описанные в [2, 3].
Рис. 2. Поверхность контакта AuGeNi в процессе отжига
Авторами [4] показано, что размеры темных участков достигают величин 70...90 мкм и представляют, по их мнению, фазу Ni-Ge-As. Характер протекания указанных выше процессов во время термического цикла получения омических контактов и определяет их электрофизические параметры. После нагрева и выдержке при максимальной температуре физические, химические и металлургические процессы продолжаются и на стадии охлаждения (рис. 3).
Рис. 3. Поверхность контакта AuGeNi после охлаждения
Сравнивая морфологию поверхности контактов при температуре отжига (рис. 1) и после охлаждения, можно сделать вывод, что размеры темных участков, содержащих фазу Ni-Ge-As, увеличились более чем в два раза.
Очевидно, что материалы контактных площадок нельзя рассматривать просто как твердые растворы металлов арсенида галлия и необходимо учитывать, что в результате процессов взаимной диффузии, химических реакций образуются соединения, которые создают сложный по составу промежуточный слой между полупроводником и материалом омических контактов. Этот слой и определяет величину приведенного контактного сопротивления. Причем толщина и состав этого слоя зависят от скорости процесса нагрева-охлаждения. Так авторами работы [5] показано, что при «быстром» импульсном отжиге возможно создание и других термодинамиче-ски-неравновесных интерметаллических соединений вследствие аномально высоких скоростей нагрева-охлаждения системы ОК-арсенид галлия.
Нами получена зависимость величины приведенного сопротивления рк от температуры для двух значений концентрации легирующей примеси в арсениде галлия (рис. 4), из которой следует, что имеется диапазон температур, в котором достигается наименьшее значение величины приведенного поверхностного сопротивления. Кроме того, величина определяется
+
уровнем легирования п -слоя полупроводника, чем выше уровень легирования, тем меньше сопротивление. Аномальное поведение зависимости Я от температуры позволяет осуществить управление процессом формирования омического контакта и остановить его в момент достижения точки минимального сопротивления. Метод контроля параметров процесса отжига с обратной связью по сопротивлению омических контактов ранее был реализован в работе [6] и в дальнейшем доработан с использованием современных компьютерных технологий. Разработанный метод контроля сопротивления в процессе отжига позволяет осуществить управление этим процессом и существенно повысить его воспроизводимость.
сх
Температура, °С
Рис. 4. Зависимость приведенного поверхностного контактного сопротивления омического контакта от температуры для двух значений легирующей примеси в арсениде галлия
В результате проведенных исследований нами установлена зависимость от температуры Тф и времени 1ф отжига и получена эмпирическая формула следующего вида:
Р‘ = '4'(в'7'*-'*+^)-"г' «
где А = (1.5)10 см" , коэффициент у= 1 ± 0,2. Величины В и С взаимосвязаны и связаны с величинами , следующим соотношением:
^ _ 7р ^тга " т т- (2)
Указанная формула отражает экспериментальную зависимость с тремя харак-
терными участками. На рис. 5 представлено изменение полного электрического сопротивления омического контакта AuGeNi к GaAs диаметром 500 мкм при термообработке в атмосфере азота со скоростью 20 °С/мин. Участок (1) характеризуется монотонным изменением сопротивления до достижения температуры 250.260 °С. В этот момент можно говорит о модели омического контакта вида M-d-GaAs, где й - сложный по составу окисный промежуточный слой между полупроводником и материалом омических контактов.
На участке зависимости (2) отмечается резкое уменьшение сопротивления, величина которого определяется уровнем легирования арсенида галлия примесью германия за счет его диффузии из материала контакта и созданием интерметаллических соединений типа GeAs. Минимум на зависимости электрического сопротивления контакта от температуры Тф говорит об окончании процесса формирования омического контакта. С материаловедческой точки зрения это означает, что все атомы германия заняли соответствующие узлы в решетке арсенида галлия и создали электрически активные электронно-донорные центры. Для этого участка зависимости более подходит модель омического контакта вида М-п -GaAs, где п - легированный германием промежуточный слой между полупроводником и материалом омических контактов, который и определяет величину приведенного контактного сопротивления.
0 100 200 300 400 500 600
Температура, °С
Рис. 5. Изменения полного электрического сопротивления омического контакта диаметром 500 мкм в процессе термического отжига (скорость нагрева 10 °С/мин)
Участок зависимости 3 характеризуется ростом сопротивления и обусловлен диффузией остальной части атомов золота, галлия и мышьяка к границе контакт-полупроводник и образованием интерметаллических соединений типа AuGa, AuAs и других, обладающих высоким сопротивлением. Модель омического контакта в этом случае представляется в виде структуры Mn -v-GaAs, где v - высокоомный слой.
Проведенный анализ формирования омических контактов, их морфологии, характера изменения величины электрического сопротивления показывает сложную кинетику их поведения, в которой участвуют процессы диффузии, растворения, рекристаллизации и образования различных интерметаллических соединений.
Выводы
Метод измерения приведенного поверхностного удельного или полного электрического сопротивления одновременно с контролем температуры термообработки и скорости нагрева и охлаждения непосредственно в процессе технологического цикла формирования омических контактов позволяет обеспечить высокую воспроизводимость электрических параметров контакта. Дальнейшее снижение величины приведенного поверхностного удельного электрическо-
го сопротивления возможно провести за счет увеличения уровня легирования приконтактной
области полупроводника и уточнения режимов термообработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Заводчиков В.М., Дохтуров В.В., Карпович Н.В., Солдатенко К.В. Исследование возможности использования импульсного фотонного отжига в технологии // Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. - 1993. - № 3 (170). - С. 26-27.
2. Стриха В.И., Бузанева Е.В. Физические основы надежности контактов металл-полупроводник в интегральной электронике. - М.: Радио и связь, 1987. - 253 с.
3. Брянцева Т.А., Волков А.И., Ормонт А.Б. Термические изменения в области контакта пленки золота с поверхностью монокристаллического арсенида галлия // Электронная Техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. - 1976. - № 2 (100). - С. 65-67.
4. Филимонов В.М., Юрченко В.И. Морфологические изменения в омических контактах к ар-сениду галлия на основе сплава золото-германий в процессе их отжига // Сборник трудов VI Всесоюзного совещания по исследованию арсенида галлия. - Томск, 1987. - Т. 2. - С. 48.
5. Дохтуров В.В., Смирнов С.В. Кристаллизация сплава золото-германий на поверхности арсе-нида галлия при импульсной термообработке // Электронная техника. Серия 7. Ферритовая техника. - 1992. - Вып. 2 (171). - С. 50-51.
6. Отчет по ОКР «Терка». Исследование и разработка технологического процесса и автоматизированной установки импульсного отжига № Госрегистрации Ф28456. - 1988.
Поступила 15.12.2011 г.
