CC BY
21
DOI: 10.6084/m9.figshare.5687956 УДК 621.382
ОПТИМ1ЗАЦ1Я ТЕХНОЛОГИ ВИГОТОВЛЕННЯ ВАРИКАП1В З ОМ1ЧНИМИ
КОНТАКТАМИ НА ОСНОВ1 NI ТА AL
Литвиненко В1ктор Миколайович1, Волос Олекс1й Олегович1, Шутов Стан1слав В1кторович2, Самойлов Микола Олександрович2
'Херсонський нацюнальний технiчний унiверситет, Херсон, Украша
21нститут фiзики напiвпровiдникiв iM. В. Е. Лашкарьова НАН Украши, Кшв, Украша
Адреса для листування: Литвиненко Виктор Николаевич, к.т.н., доцент.
Мюце роботи: Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет, м. Херсон, Украша
Email: hersonlvn@gmail.com
Анотащя. Представлеш результати дослiдження причин деградацп зворотних ВАХ варикапних структур при формуванш омiчних контактiв на основi алюмiнiю та нiкелю. Наведенi даш по оптимiзащi процесiв формування алюмжевого та нiкелевого омiчних контактiв за рахунок використання операцш гетерування структурних дефектiв. Приведенi технологiчнi режими створення гетеруючих областей на варикапних структурах.
Ключов1 слова: омiчний контакт, дюдш структури, гетерування, варикап.
Вступ. Основна функщя омiчних контактiв - це пщведення електричного струму до областей натвпровщникових приладiв. Омiчнi контакти повинш забезпечувати певнi параметри приладiв та бути мехашчно мiцними. В процес виготовлення контакти завжди пiддаються тепловш обробцi для полiпшення адгезГi ошвок, а також для зменшення опору системи метал -натвпровщник. При цьому, як показала практика, мае мюце суттевий вплив процесiв формування омiчних контактiв на електричнi параметри натвпровщникових приладiв, що призводить до зниження проценту виходу придатних приладiв. Незважаючи на використання рiзних технолопчних методiв, направлених на запобiгання впливу операцш формування омiчних контактiв на електричш параметри варикапiв, в процесах формування деяких видiв омiчних контакпв мае мiсце деградацiя зворотних вольт-амперних характеристик (ВАХ) варикатв.
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
У зв'язку i3 цим e актуальним продовження дослщжень причин деградаци електричних
napaMeTpiB в процесах формування омiчних контактiв та розробки методiв й запобiганню.
Матер1али та методи досл1дження. Структури варикатв виготовлялися за стандартною епггаксшно - планарною технологieю [ 1].
Дослщжено фактори, якi призводять до деградаци зворотних характеристик варикатв з ткелевим i алюмiнieвим омiчними контактами, та запропоноваш технологiчнi методи, якi дозволяють значно покращати параметри варикапiв.
Проблеми формування ткелевого омiчного контакту у виробницт варикапiв. З'ясування причин аномально високих рiвнiв зворотних струмiв у виробницт дiодiв з нiкелевим омiчним контактом було проведено на структурах варикапно'1 матрицi. Топологiя такого варикапу наведена на рис. 1.
» СП SiOi
Сэ 1 s: *-s±Jt Rs = 7,5 Ом/а ~\/Vlit у
п-эттаксшна пп 'та
п+-перех!дний шар
_ п++-тдкладка ^
Рис. 1. Тополопя дослщжуваного p+- n варикапу
Як вихщний матерiал використали кремmевi епiтаксiйнi структури з товщиною епггаксшного шару 11 мкм i питомим опором 1,7 Ом-см.
Технологiчний процес виготовлення дослщжуваного варикапу включае три високотемпературт операцй: окислення при температурi 1150оС протягом 100 хвилин, першу стадш дифузи бору (загонку) iз джерела нiтриду бору (В К) при 1100оС протягом 20 хвилин, другу стадш дифузи бору (розгонку) при 1150оС в атмосферi вологого й сухого кисню на протязi 80 хвилин. Легована бором р+- область мала поверхневий ошр ~7,5 Ом/П. Глибина залягання р+- п переходу була порядку 3,9- 10-4 см. Омiчнi контакти на дiодних структурах одержували методом хiмiчного осадження нiкелю з наступною термообробкою структур в атмосферi аргону при Т = 200 - 600оС.
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
Даний варикап мае вщносно велику площу р+ - n переходу (~ 5^ 10-3 см2 ) i досить високий
piBeHb зворотних CTpyMiB: бшьше 10-10 А. Це дозволяе швидко й точно виконувати вимiри величини зворотного струму як на конкретних структурах, так i на парти структур. З шшо'1' сторони використання дюда велико'1' площi дозволяе зменшити роль випадкових помилок i тдвищити вiрогiднiсть резyльтатiв за рахунок збшьшення обсягу вибiрки.
Друга важлива особливють даного варикапу пов'язана з формуванням омiчного контакту. Пiд час друго'1' фотолггографи у двоокисi кремнiю розкриваються вiкна до р+ - обласп пiд омiчний контакт. Нiкелевy пшвку в межах розкритих вiкон формують методом хiмiчного нiкелювання. Нiкель осаджуеться тшьки в межах розкритих вшон. Пiсля промивки нiкельованих структур у деюшзованш водi виконують вiдпал дюдних структур. Така технологiя забезпечуе вщсутнють нiкелю на Si02 над дшянками виходу р+- n переходу на поверхню. З iншого боку, вщповщно до конструкцп варикапу, край шкелево'1' плiвки вилучений вiд дiлянок виходу р+- n переходу на поверхню на вщстань 50 мкм. Ц два фактори, забезпечують незначну змшу поверхнево'1' складово'1' зворотного струму дiодiв при проведеннi процесу вщпалу структур.
На рис. 2 наведена зворотна гика вольт-амперно'1' характеристики (ВАХ) одше'1' й тiеi ж варикапно'1' структури до вiдпалy (крива 1), i пiсля вiдпалy при 400оС протягом 2,5 хвилин (крива 2) i 6 хвилин (крива 3). Видно, що в процесi вщпалу величина зворотного струму варикапних структур зростае на 2-3 порядки.
Для доказу того, що за таке ютотне пщвищення зворотного струму вщповщальний шкель, що дифундуе через р+- область до р+- n переходу, був поставлений додатковий експеримент. На структури варикапiв був осаджений шкель. По^м нiкелевy плiвкy видалили кип'ятiнням в азотнiй кислот^ структури вiдмили в дистильованiй водi й провели 1'х вiдпал в середовищi аргону при 400оС на протязi 6 хвилин у термiчнiй печi.
До i пiсля вщпалу на тих самих структурах контролювалася зворотна гика ВАХ.
Пюля цього структури були декатроваш протягом 15 секунд в 10% - нш плавиковш кислотi, вiдмитi в дистильованш водi, на них знову осадили шкель.
ISSN 2311-1100
CC-BY-NC
Рис.2. Зворотш ВАХ p+ - n варикапних структур шсля рiзних тривалостей вщпалу структур (ТвВДп = 400оС): - tвiдп, хв.: 1 - 0; 2 - 2,5; 3 - 6
Дал1 проводили вщпал варикапних структур в середовищ1 аргону при 400оС на протяз1 6 хвилин та контроль зворотного струму на тих же структурах. Важливим результатом даного експерименту е те, що шсля першого вщпалу величина зворотного струму, практично, не змшилася, а шсля другого - величина зворотного струму зросла на 3,5 порядки. Даний експеримент пщтверджуе те, що за зростання зворотного струму варикапних структур вщповщальний шкель.
Попередшми дослщженнями було встановлено, що яюсть варикашв з ом1чним контактом на основ1 шкелю знаходиться в прямш залежност1 вщ щшьност ОДУ, як утворилися в активних областях прилад1в в процесах високотемпературних операцш, що проводяться в окислювальному середовищ^
Моделювання процесу забруднення окислювального середовища домшками тяжких метаив завжди призводить до зростання щшьност ОДУ i до р1зкого пщвищення р1вня зворотних струм1в варикапних структур.
Проблеми формування алюмЫевого ом1чного контакту у виробнищш варикашв.
Встановлено, що причиною частих вщмов натвпровщникових прилад1в з алюмЫевою метаизащею е прокол р-п переход1в алюмЫем при термообробщ шсля осадження пл1вки алюмЫю [2]. Селективне видалення пл1вки алюмшш з поверхш пщкладки в област контактного вжна шсля термообробки при 470°С протягом 30 хв. виявляе катастроф1чне попршення морфологiчноi досконалост м1жфазно'1 меж1 контакту у вигляд1 глибоких порожнин в кремни. Експериментально встановлено, що виникнення проколiв р-п переходiв пов'язано iз зазначеними
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
вакансiйними порожнечами, що утворюються як результат неоднорiдного розчинення кремшю в
алюмшй (рис.3).
Рис.3. Схема розчинення кремшю алюмiнiевою пшвкою: неоднорiдне розчинення кремнiю плiвкою алюмшш, утворення пустот в кремнй, заповнення алюмЫем пустот, в результатi чого
ввдбуваеться прокол р-п переходу
Глибина проникнення вютря алюмiнiю вглиб кремшю, що оцiнюеться за глибиною пустот в локальних мюцях областi контакту, практично не змшюеться в дiапазонi 300-500°С i становить 40-90 нм. У дiапазонi температур 500-577°С вiдбуваеться рiзке зростання глибини проникнення до 1,25-1,45 мкм. Поблизу гострих вершин включень алюмшш локально збшьшуеться напруженють електричного поля.
Неоднорiдне розчинення кремнiю i заповнення пустот, що утворюються, алюмшем, а також вiдзначене рiзке зростання глибини проникнення алюмшш вглиб кремшю в дiапазонi 500 -577°С викликанi появою рщко'1" фази, яка «проплавляе» кремнiй, хоча температура термообробки нижча шж, температура плавлення евтектики. На це вказуе також той факт, що кшькють розчиненого в алюмшй кремшю значно перевершуе ту кшькють, яка повинна розчинитися згвдно дiаграмi фазових рiвноваг в алюмшй при вказанш температурi термообробки.
Результати дослщження. Для запобiгання впливу процеав формування омiчних контактiв на зворотш характеристики варикапiв з нiкелевим та алюмЫевим омiчними контактами були розроблеш додатковi технологiчнi операц11', в тому чист i операц11' гетерування дефекпв та домiшок.
Покращання зворотних характеристик кремшевих варикапiв з нiкелевим омiчним контактом.
Як було показано вище, структурнi дефекти в кремн11' приводять до пщвищення рiвня зворотних струмiв варикапiв. Одним з основних видiв структурних дефектiв, що утворюються в
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
кремни при проведенш високотемпературних термiчних операцш, е ОДУ, що представляють собою
прошарки, у яких порушене нормальне чергування щшьно упакованих шарiв [3]. Для зменшення впливу ОДУ на параметри p-n структур використовують рiзнi методи гетерування [3-6]. У данш роботi дослщжувався вплив процесiв гетерування дефектiв за допомогою дифузiйного легування на зворотш струми кремнiевих варикапних структур з шкелевим омiчним контактом.
Омiчнi контакти на дюдних структурах одержували шляхом хiмiчного осадження нiкелю з наступною термообробкою в iнертному середовищi при температурi 400оС на протязi 10 хвилин. Термообробка (ввдпал плiвки шкелю) потрiбна для зменшення контактного опору системи Ni - Si i пiдвищення адгезй плiвки нiкелю до кремнш [2]. З метою гетерування структурно - домшкових дефектiв в кремни перед хiмiчним осадженням шкелю проводили додаткову дифузш бору в робочу сторону пластин при температурi Т = 1050оС протягом 20 хвилин.
На рис. 4 представлен зворотш гики ВАХ варикапних структур, виготовлених на частинах одше! пластини. З рисунка видно, що тсля термообробки зворотна гику ВАХ варикапно! структури, виготовлено! з використанням додатково! дифузп бору, практично не змшилася, а у структури, виготовлено! за базовою технологiею, вiдбулося рiзке "пом'якшення" ВАХ.
Механiзм впливу ОДУ на зворотш характеристики дослвджуваних варикапних структур можна пояснити в такий споаб. Наявнють високо! щiльностi ОДУ в кремни (103-105 см-2) приводить до iстотного збшьшення коефiцiента дифузп нiкелю уздовж дефекпв i нагромадженню його в област просторового заряду р+- n переходу. При такш високiй щiльностi дефекпв зони !хшх пружних напружень перекриваються, тому що одиничш ОДУ оточеш зоною механiчних напруг дiаметром близько 50 мкм [3].
U ß Юй so ёо ч'.' 20 ц в АО 60 40 20
Рис. 4. Зворотш галузi ВАХ варикапних структур безпосередньо тсля осадження шкелю (1) i наступного ввдпалу структур (2): а - варикапш структури, виготовленi з використанням додатково! дифузп бору; б - варикапш структури, виготовлеш за базовою технолопею (без використанням додатково! дифузп бору)
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
Наявнють мехашчних напруг приводить до збшьшення гранично! розчинносп нiкелю в
кремни в обласп об'емного заряду р+- n переходу. У результат цього, а також через зростання коефщента дифузи шкелю в кремнiй уздовж структурних дефекпв, вiдбуваeться значне збiльшення дифузiйного потоку атомiв нiкелю в область p+- n переходу. Недекорованi атомами домшок ОДУ не роблять iстотного впливу на зворотш струми варикапних структур, внаслвдок !х слабко! електрично! активносп (кривi 1 на рис. 4, а i б). Вплив шкелю на зворотш ВАХ дiодiв пояснюсться тим, що нiкель утворюе у забороненш зонi кремнiю два акцепторш рiвнi, через якi вiдбуваeться додаткова генерашя носив струму в обласп просторового заряду р+- n переходу [7]. Цим можна пояснити рiзке збшьшення шсля термообробки рiвня зворотних струмiв варикапно! структури, виготовлено! без використання додатково! дифузи бору (рис. 4, а, крива 2). З метою об'ективного обгрунтування меxанiзму впливу гетеруючо! дифузи бору на зворотну гшку ВАХ варикапних структур, останш виготовлялися на половинках пластин. При цьому на однш з половинок кожно! пластини проводилася додаткова дифузiя бору. Пiсля цього на обох половинках пластини було проведено виявлення структурних дефекпв за допомогою реактиву Ортла.
•—' /
/ ч ч
_ ч
/ ч ч
ч
ч
/
t
ч
-- / / -
ч
а)
б)
Рис.5. Мшрофотографи поверхш структур варикапiв пiсля травлення в реактивi Сiртла
(збiльшення 287х):
а - структура варикапу, виготовленого за базовою технолопею; б - структура варикапу, виготовленого з використанням додатковоi дифузи бору при Т=1050оС
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
На рис. 5 наведеш мшрофотографи поверхш дослiджуваних варикапних структур тсля
виявлення структурних дефекпв в реактивi Сiртла. Видно, що на пластиш з додатковою дифузiею бору (рис. 5, б) ОДУ практично ввдсутнГ Очевидно, що в процесГ проведення додатково! дифузп бору ввдбуваеться гетерування ОДУ. Це можна представити таким чином. У процесГ проведення додатково! дифузп бору на поверхш варикапних структур формуеться сильно легований бором гетеруючий шар. Мiжвузольнi атоми кремшю, яю е складовими окислювальних дефекпв упакування, дифундують до утворено! обласп гетера i захоплюються нею. У результат цього окислювальш дефекти упакування зменшуються в розмiрах, або повнiстю зникають (рис. 5, б). Цей вплив додатково! дифузп бору дозволяе запобГгти деградацп зворотно! галузi ВАХ варикапних структур тсля !х вiдпалу (рис. 4, а, б).
Оптимiзацiя технологи формування алюмшГевих омiчних контактiв
на структурах варикатв.
Експерименти були проведенi в технолопчному циклi виготовлення кремнiевого варикапу зi зворотним градiентом концентраци домiшки в базi [8].
В якостГ вихвдного матерiалу використовувались кремнiевi епiтаксiйнi структури n- типу провГдностГ, легованi фосфором завтовшки 8 мкм та питомим опором 20 Омсм, сформованi на пвдкладш, леговано! сурмою, яка мае товщину 350 мкм та питомий отр 0,01 Ом см. ПГсля стандартно! хГмГчно! обробки проводили окислення кремшевих епiтаксiйних структур при температурi 1050оС з наступним чергуванням циклГв: ввдпал в середовищi аргону (15 хвилин) -окислення в парах води (100 хвилин) - ввдпал в середовищi аргону (30 хвилин). Товщина вирощеного захисного шару двооксиду кремшю склала 0,7 мкм.
Було проведено опробування двох технолопчних методiв, направлених на попередження деградацГ! зворотних характеристик варикатв, це додаткове легування пшвки алюмiнiю кремнiем, а також використання методу гетерування структурних дефекпв гетером, який був сформований на зворотнш сторош кремшево! пластини перед технолопчною операцiею «Термiчне окислення».
Для формування обласп гетера на робочу сторону пластин наносили фоторезист ФП383, видаляли пшвку двоокису кремшю на зворотнш сторош пластини травленням в плавиковш кислоп, проводили формування обласп гетера методом юнного легування зворотно! сторони пластин фосфором при дозГ 7- 1014см-2 i енергп ГонГв 100 кеВ.
У процесГ послГдуючих високотемпературних операцш ввдбуваеться ефективне гетерування домшок металГв утвореним гетеруючим шаром, подавлюються зародки дефекпв упакування, яю утворились при вирощуваш злиткГв, в процесГ епГтаксГ!, а також в процесГ термГчного окислення. Це в великш мГрГ запобГгае утворенню дефектГв упакування в кремни при проведеш
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
високотемпературних технолопчних процеав - розгонки фосфору, загонки бору. Утворений
гетеруючий шар також дае можливiсть лiквiдувати дефекти упакування, яю утворились в процесi термiчного окислення пластин. Лшввдашя структурних дефектiв зменшуе вiрогiднiсть проникнення алюмiнiю в область p-n переходу, за рахунок прискорено'1 дифузп алюмiнiю в кремнiй вздовж структурних дефекпв. Ефективне гетерування утвореним гетеруючим шаром домiшок металiв та структурних дефекпв забезпечуе значне зниження рiвня зворотних струмiв варикапних структур та шдвищення виходу придатних варикашв.
Додаткове легування плiвки алюмiнiю кремшем проводили таким чином. Наносили порошок кварцового скла на центрифузi на пшвку алюмiнiю та проводили ввдпал кремнiевих пластин для одержання омiчного контакту кремнiю з алюмiнiем при Т=500оС в середовищi аргону; при цьому в процес вiдпалу алюмшш взаемодiе з двоокисом кремнiю i вiдтворюе двоокис кремнiю до чистого кремнш за реакцiею:
4А1 + 3SiÜ2 = 2AI2O3 + 3 Si.
При цьому утвореш атоми кремнш дифундують в плiвку алюмшш. Збшьшення концентраци кремнiю в алюмшп за рахунок вище приведеноï реакци зменшуе вiрогiднiсть дифузп кремнiю в пшвку алюмiнiю iз об'ему епiтаксiйноï плiвки та зустрiчноï дифузп алюмшш в ештаксшну плiвку кремнiю, що запобiгае утворенню локальних заглиблень алюмшш в кремнш у виглядi голки, як призводять до короткого замикання p-n переходiв.
На рис. 6 приведен зворотнi ВАХ варикапних структур, виготовлених за базовою технологiею та за запропонованою технологiею з використанням додаткових технологiчних операцiй: додаткового легування плiвки алюмiнiю кремнiем та використання методу гетерування структурних дефекпв гетером, сформованим на зворотнш сторош кремнiевоï пластини.
ISSN 2311-1100
CC-BY-NC
1зв. мкА
2,51
0.5 -
1,5 -
2
G 4
1 -
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
иЗВгв
Рис.6. Зворотш ВАХ варикапних структур: 1 - варикапна структура, виготовлена за запропонованою технолопею; 2 - варикапна структура, виготовлена за базовою технолопею
Як видно з рис. 6, варикапна структура, виготовлена за запропонованою технолопею мае ВАХ (крива 1) типову для кремшевого дюда при вщсутносп в його активних областях структурних дефекпв та небажаних домшок. I навпаки варикапна структура, виготовлена за базовою технолопею, мае так звану м'яку ВАХ (крива 2), вигляд яко'' вказуе на наявшсть в активних областях варикапу структурних дефекпв (окислювальних дефекпв упакування, дислокацш) та домшок металiв або при наявносп глибоко проникаючого в область об'емного заряду р+- п переходу вютря алюмшш.
З порiвняння кривих 1 i 2 видно, що варикапна структура, виготовлена за базовою технолопею, мае набагато бшьший рiвень зворотних струмiв у порiвнянi з варикапною структурою, виготовленою за запропонованою технолопею
Обговорення результат1в. Таким чином, основною причиною деградаци зворотних ВАХ вирикатв з ткелевим омiчним контактом являються ОДУ в активних областях варикатв. Показано, що проведення додатково'' дифузи бору перед хiмiчним осадженням шкелю дозволяе лiквiдувати ОДУ в активних областях варикатв, що дае можливють суттево зменшити рiвень 'х зворотних струмiв.
Причиною частих вщмов напiвпровiдникових приладiв з алюмiнiевою металiзацiею е глибоке проникнення вiстря алюмшш в область об'емного заряду р+- п переходу при термообробцi
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
тсля осадження птвки алюмшш. Показано, що попередне додаткове легування пшвки алюмГнГю
кремнГем та створення областГ гетера на зворотнш сторош кремшевих пластин Гонним легуванням фосфором дозволяе запобГгти глибокому проникненню Al в Si i, тим самим, виключае деградацш зворотних ВАХ варикатв.
ISSN 2311-1100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
CC-BY-NC
1. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология изготовления 1111 и ИМС. - М.: Радио и связь, 1986.
- 368 с.
2.Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции / Под ред. Дж. Поута, К. Ту, Дж. Мейера и др. -М.: Мир, 1982. - 576 с.
3. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. - М.: Мир, 1984.- 472 с.
4. Литвиненко В.Н. Улучшение обратных характеристик кремниевых диодов с омическим контактом на основе никеля //Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 1986.
- Вып. 6. - С.58 - 62.
5. Современные методы геттерирования в технологии полупроводниковой электроники / В.А. Лабунов, И.Л. Баранов, В.П. Бондаренко, А.М., Дорофеев. - Зарубежная электронная техника, № 11(270), 1983. -М.: ЦНИИ "Электроника". - С. 3-66.
6. Литвиненко В.Н., Богач Н.В. Дефекты и примеси в кремнии и методы их геттерирования // Вестник ХНТУ №1(60), г. Херсон, 2017. - С. 32-42.
7. Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. - М: Мир, 1977. - 562 с.
8. Акулюшин Л.А., Круглов А.И., Шульц С.М. Варикап со сверхрезкой зависимостью емкости от напряжения, предназначенный для частотних генераторов. - Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 1984, Вып. 4(170), С. 48-53.
