CC BY
12УДК 621.315.592
Омические контакты к полупроводниковым твердым растворам ^С)1_Х(А1]Ч)Х с дырочной проводимостью
М.К. Курбанов, М.К, Гусейханов, Б.А. Билалов, Г.К. Сафаралиев
Введение
Твердые растворы карбида кремния и нитрида алюминия (8 Ю) I _х(А13ЧГ)Х — полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны от 3 до 6 эВ в зависимости от соотношения компонент. Они наряду с 8Ю, ваЫ, 7лЮ являются перспективными материалами для твердотельной силовой и СВЧ электроники и оп-тоэлектроники [1].
Важной проблемой при изготовлении приборов твердотельной электроники на основе широкозонных полупроводников остается формирование низкоомных контактов.
Как известно, в случае контакта металл-полупроводник возможны различные комбинации (р- и я-типы полупроводника) и соотношения термодинамических работ выхода из металла и полупроводника. В зависимости от этих соотношений в области контакта могут реализоваться три состояния. Первое состояние соответствует условию плоских зон в полупроводнике, в этом случае реализуется нейтральный контакт. Второе состояние соответствует условию обогащения приповерхностной области полупроводника (дырками в р-типе и электронами в «-типе), в этом случае реализуется омический контакт. И, наконец, в третьем состоянии приповерхностная область полупроводника обеднена основными носителями, в этом случае в области контакта со стороны полупроводника формируется область пространственного заряда ионизованных доноров или акцепторов и реализуется блокирующий контакт, или барьер Шотгки [2]. Важным параметром для барьеров Шотгки является высота потенциального барьера (Фб), а для омических контактов - переходное сопротивление Ксот- Для идеального контакта металла с полупроводником при отсутствии поверхностных состояний Фб равна разности между работой выхода металла и электронным сродством полупроводника.
Во втором предельном случае, когда на поверхности полупроводника имеется большая плотность поверхностных состояний, Фб определяется свойствами поверхности полупроводника и не зависит от работы выхода металла.
В природе не существуют металлы с работой выхода более 6 эВ, что позволило бы получить омические контакты за счет снижения Фб, поэтому такие контакты получают либо путем формирования туннельно-прозрачные контакты к сильно легированным полупроводникам, либо путем создания сильно дефектного слоя на границе металл-полупроводник.
Однако исходить из непосредственных данных по работам выхода металлов и (81С)1-Х(А1>0Х с целью выяснения природы образования барьеров на границе было бы не совсем правильно, поскольку работа выхода - величина, на которую влияют самые разнообразные факторы: состояние поверхности (механические повреждения, присутствие окислов, загрязнений и т. д.), непосредственная форма контактирующих материалов (особенно в случае перестройки окислообразующих компонент на границе), а также процесс соединения четырех компонентов твердого раствора в контактную структуру. Последнее остается неясным для (БЮ):. Х(АПЧ)Х. Из-за отсутствия надежных фазовых диаграмм (81С)1-Х(АШ)Х - металл (А1,
81, Тл, N0 невозможно точно определить, какой процесс доминирует на поверхности - твердое растворение, образование эвтектики или диффузия.
При решении проблемы омических контактов мы исходили из следующих требований к ним:
1) сопротивление контакта не должно превышать 0,5 - 1 Ом при площади пластины 2 мм2 (кристалл 1,5 х 1,5 мм);
2) вольтамперная характеристика контакта должна быть линейной во всем диапазоне рабочих токов;
3) контакт должен обеспечивать возможность присоединения гибких выводов методом термокомпрессии или пайки;
4) контакт должен обладать хорошей адгезией и не отслаиваться от пластин;
5) контакт должен быть устойчивым к коррозии;
6) глубина проплавления слоя полупроводника контактным материалом должна быть менее 1 мкм со стороны диффузионного или эпитаксиального слоя;
7) выбранная технология должна обеспечивать массовое производство при высокой экономической эффективности.
Наиболее простым способом создания омических контактов является метод вплавления. Однако при создании вплавных омических контактов к 8Ю и (81С)|_ х(А1М)х возникают трудности, связанные с необходимостью использования высоких температур, так как вещества, дающие хороший омический контакт к карби-докремниевым материалам - молибден, вольфрам, тантал, - образуют механически прочное соединение при температурах 1700 - 2000 °С.
Большими преимуществами обладают методы создания омических контактов, основанные на термическом испарении в вакууме и магнетронном распылении металлических мишеней в инертной среде [3]. Использование этих методов обеспечивает однородность контакта по всей площади напыленной поверхности, тогда как при вплавлении контакт имеет в различных точках различную глубину проникновения. Именно эти методы позволяют создавать контакты к тонким диффузионным и эпитаксиальным слоям порядка 0,5-1 мкм.
Следует также отметить, что вакуумное и катодное формирование металлических контактов обладает рядом таких достоинств, как чистота технологического процесса, воспроизводимость, возможность напыления тонких пленок (0,01 - 10 мк), возможность изготовления контактов любой геометрии при помощи масок, возможность последовательного напыления ряда металлов за один цикл, малая величина остаточных напряжений, вносимых напыленными тонкими пленками.
Поэтому нами для получения низкоомных контактов к (31С)ьх(АИЧ)х с дырочной проводимостью были использованы методы термического испарения и магнетронного распыления. Многокомпонентные контакты наносились послойным напылением с последующей термообработкой их в нейтральной среде (в вакууме, аргоне или гелии).
Оборудование
Разработка контактов осуществлялась на вакуумных установках:
1) ВУП-4 - вакуумный универсальный пост для термического испарения с четырьмя источниками. Графитовый нагреватель давал возможность нагревать подложку до температуры, равной 1100 °С. Рабочий вакуум в системе при температуре, равной 1100 °С, составлял 10'5мм рт. ст. (без азотной ловушки);
2) УВН — установка вакуумного напыления с одним термическим испарителем и одной магнетронной распылительной системой, позволявшая проводить распыление в атмосфере аргона. Специальный графитовый нагреватель позволял получить температуру подложки до 1300 °С; рабочий вакуум при температуре, равной 1000 °С составлял 10"5 мм рт. ст.
Методика определения сопротивления контактов. Большое внимание было уделено выбору надежной методики оценки качества контакта, в первую очередь, линейности его вольт-амперной характеристики (ВАХ), и величины переходного сопротивления Ясоы>
С этой целью был проведен расчет распределения потенциала по поверхности образца вблизи металлического электрода при пропускании тока.
Исследуемые образцы (рис. 1) представляют собой пластины толщиной Ь, остальные размеры предполагаются неограниченными.
Рис. 1. Исследуемые образцы с контактами
На одну сторону пластины наносится металлический невыпрямляюгций контакт (1), на другую - исследуемый (2) и вспомогательные (3) контакты. При пропускании через образец электрического тока падение напряжения между контактом (2) и электродом (3) складывается из падения напряжения на границе металл-полупроводник (С/к) и падения напряжения в толще полупроводника (11т). Последнее зависит от положения электрода (3) на поверхности полупроводника и удельного сопротивления материала полупроводника. Определение сопротивления контакта заключается в построении зависимости Ьт(х), где х - расстояние между исследуемым контактом и вспомогательным электродом, и экстраполяции этой функции в точку х ~ г.
Поскольку и(х) = 11к + 11т и 11т равно нулю в точке х = г, возможно определить и к и, следовательно, сопротивление контакта.
Таким образом, экспериментально снятые зависимости Щх) представляют собой кривые Щр, х)9 (где р - удельное сопротивление (81С)1.Х(АШ)Х), сдвинутые по оси ординат на величину 17к (рис. 2).
Рис. 2. Распределения потенциала по поверхности образца вблизи металлического электрода
Образцы для измерений подготавливались следующим образом: подложки-пластины последовательно подвергались травлению в плавиковой кислоте, кипячению в дистиллированной воде и отмывке в деионизованной воде. Затем образец помещался в специальный кристаллодержатель, и на него через молибденовую маску напылялись исследуемый и вспомогательные контакты. Диаметр контактов составлял 0,3 мм. Шаг между вспомогательными контактами 0,3 мм.
После напыления образец извлекался из кристаллодержателя и на противоположную сторону, на всю площадь наносился невыпрямляющий базовый контакт методом термического вжигания после электроискровой обработки.
Экспериментальные результаты исследований омических контактов к (81С)ьх(А1]Ч)х р-типа. Для получения низкоомных контактов в первую очередь необходимо сформировать силънолегированный подконтактный слой полупроводника. Увеличивать уровень легирования подконтактного слоя (81С)1.Х(АШ)Х р-типа можно путем использования для изготовления контактов алюминия, бора и других химических элементов, являющихся акцепторами в (81С)1.Х(А1Ы)Х> Диффундируя в полупроводник во время напыления и последующего термического отжига, они должны увеличивать уровень легирования подконтактного слоя. Поэтому нами для обогащения поверхности (810)1-Х(АШ)Х р-типа проводимости использовался А1, который испаряли термическим методом из вольфрамовых спиралей и лодочек.
Исследования показали, что наиболее перспективными как с технологической стороны, так и с точки зрения электрофизических свойств являются контакты на основе алюминия: А1 + Тх, А1 + и 81 + А1 + N1. Эти контактные системы имеют хорошую адгезию и прочность.
Как известно, на поверхности карбидокремниевых материалов почти всегда имеется пленка окисла ЭЮг [4]. В процессе травления 8102 в плавиковой кислоте, при подготовке образцов к напылению металла, их поверхность пассивируется свободным углеродом. Избыток углерода в переходном слое, кроме ухудшения адгезии, повышает также и контактное сопротивление.
Для связывания свободного углерода использовались 81, Тл, которые образуют на поверхности силициды и карбиды.
Контакты из А1, А1-Тт, А1-81 к твердым растворам р-(8Ю)1.х(АШ)х непосредственно после напыления обладали нелинейными ВАХ. Фб для данных систем также зависит от состава твердого раствора.
Последующая термообработка контактов в инертной среде делают ВАХ контактов линейными и понижают Зависимость удельного контактного сопротивления р от температуры термообработки приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость р от температуры отжига: I - А1/р - (81С)].Х(АШ)Х; 2 - (А1 + 1Т)/р -(8Ю)1.Х(АШ)Х; 3 - (А1 + - (8ЮЫАШ)Х
Для исследованных структур зависимость удельного контактного сопротивления от температуры термообработки обладает явно выраженным минимумом при отжиге в течение 2-5 минут при температуре около 1200 °С. Наименьшее сопротивление имеют структуры (А1 - 81)/р - (81С)]-Х(АГЫ)Х, (А1 + Т1)/р -(81С)1.х(А1ЫХ и А1/р - (81С)!.х(АШ)х.
В АХ становится линейной только после термообработки при температурах выше 800 °С (рис. 4). Уменьшение контактного сопротивления после термообработки при температуре выше 800 °С обусловлено легированием твердого раствора из контактного материала алюминием и образованием под контактом сильнолегированного слоя.
Рис. 4. ВАХ структур АУр ~ (81С),.Х(А1Н)Х; (А1+Т1)/р - (&С),.Х(АШ)Х; (А1 + ЭД/р - (8Ю),_Х(АНЧ), после термического отжига
Выводы
Для получения низкоомных контактов к (SiC)t.x(AlN)x с дырочной проводимостью наибольшую перспективу имеют методы термического вакуумного испарения и магнетронного распыления.
Контакты из Al, Al-Ti, Al-Si обладают наименьшим переходным сопротивлением к твердым растворам (SiC)i-x(AlN)x /?-типа и непосредственно после напыления обладают нелинейными В АХ.
Последующая термообработка контактов в инертной среде делает ВАХ контактов линейными и понижает RCOnt-
Зависимости Rc0nt от температуры отжига для всех исследованных структур обладают хорошо выраженными минимумами при отжиге в течение 2-5 минут при температуре около 1200 °С.
Литература
1 ..Лебедев А.А., Челноков В. А. //ФТП.Т.ЗЗ. 1999.-С. 1096-1099.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984, - С, 455.
3. Технология тонких пленок / Под ред. Л, Майссела и Р. Глен га, - М: Советское радио. Т. 2. 1977.-С. 768.
4. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М, - Д.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 3. - С. 726.
