Курсова робота
Методи дослідження та технологія створення омічних контактів
АНОТАЦІЯ
При здійсненні технології виготовлення сучасних інтегральних мікросхем
головну увагу перш за все слід приділяти аналізу основних, найістотніших
класів технологічних процесів. До таких процесів відносяться механічна,
механічно-хімічна, фізична, хімічна, електрохімічна і фотохімічна
обробка поверхні напівпровідників, формування електронно-діркових
структур (епітаксія, дифузія, іонна імплантація), методи створення
омічних контактів до приладів, захист поверхні напівпровідникових
приладів і стабілізація її властивостей.
План
Вступ 4
Контактні явища в напівпровідниках 5
Робота виходу 5
Контакт метал-напівпровідник 6
Методи дослідження параметрів поверхні напівпровідника 14
Визначення питомого опору зразка за його повним опором 14
Методи вимірювання роботи виходу 20
Фотоелектронні методи 23
Вібраційний метод 24
Методи визначення поверхневої електропровідності 25
Омічні контакти та контактні системи 31
Контактні матеріали і види контактних систем 32
Методи формування омічних контактів і контактних систем 37
Створення омічних контактних систем на основі алюмінію 40
Створення контактних систем на основі інших матеріалів 41
Висновки 43
Література 44
Вступ
Основні властивості напівпровідникових матеріалів обумовлюють широке
технічне застосування для виготовлення найрізноманітніших пристроїв ?
напівпровідникових діодів, транзисторів, тиристорів, фотодіодів,
фототранзисторів, світлодіодів, напівпровідникових лазерів, а також
датчиків тиску, магнітних полів, температур, випромінювань та ін.
Використання напівпровідників викликало корінні зміни в кібернетиці,
автоматиці, телемеханіці. Напівпровідникова електроніка відкрила нові
шляхи мікромініатюризації електронного обладнання.
Швидкий розвиток мікроелектроніки приводить до необхідності розробки
нових і вдосконалення існуючих технологічних процесів виробництва
дискретних напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем. При
підготовці фахівців в області напівпровідникової технології головну
увагу перш за все слід приділяти аналізу основних, найістотніших класів
технологічних процесів, які є спільними у виробництві різних типів
напівпровідникових приладів і мікросхем. До таких процесів відносяться
механічна, механічно-хімічна, фізична, хімічна, електрохімічна і
фотохімічна обробка поверхні напівпровідників, формування
електронно-діркових структур (епітаксія, дифузія, іонна імплантація),
методи створення омічних контактів до приладів, захист поверхні
напівпровідникових приладів і стабілізація її властивостей. Саме такий
принцип і встановлений в основу даної роботи.
1. Контактні явища в напівпровідниках
1.1. Робота виходу
Електрон утримується в твердому тілі за рахунок електростатичних сил.
Для подолання цих сил і виходу за межі твердого тіла електрону необхідно
виконати деяку роботу.
Нехай Wа є мінімальна енергія, володіючи якою електрон може покинути
тверде тіло. При цьому швидкість його зовні твердого тіла дорівнює нулю.
Роботою виходу називають роботу, яка необхідна для переходу електрона з
рівня Фермі на рівень Wа (рис. 1.1). Рівень Фермі в якості початкового
вибраний не випадково. Якщо, наприклад, з металу видалити електрони з
енергіями, що лежать нижче рівня Фермі, то електрони, що володіють
більшою енергією, переходитимуть на нижчі рівні що звільнилися, і метал
нагріватиметься за рахунок енергії що вивільнилась, тобто частина роботи
піде на нагрівання металу. Якщо видалити електрони з енергіями, що
лежать вище рівня Фермі, то при цьому рівновага електронів також буде
порушена і частину рівнів, що звільнилися, займуть електрони, що
володіють меншою енергією. В процесі цього метал охолодиться і частина
роботи по видаленню електрона з металу буде виконана за рахунок його
внутрішньої енергії.
Рис. 1.1. Енергетична діаграма роботи виходу з напівпровідника: а ?
власного; б ? електронного; в ? діркового
Те ж саме відбувається в напівпровідниках. Проте картина тут
ускладнюється ще і тим, що енергія, необхідна для видалення з
напівпровідника електрона зони провідності істотно відрізняється від
енергії, необхідної для видалення електрона валентної зони або
домішкового рівня. Тому в напівпровідниках, так само як і в металах,
розглядають ізотермічну роботу виходу, яку відраховують від рівня Фермі,
хоча в невироджених напівпровідниках на цьому рівні немає жодного
електрона.
На рис. 1.1 показана робота виходу з власного, електронного і діркового
напівпровідників. З рисунка видно, що робота виходу з напівпровідника,
легованого акцепторною домішкою, більша ніж легованого донорною
домішкою.
1.2. Контакт метал-напівпровідник
При контакті металу з напівпровідником так само, як при контакті двох
металів, виникає контактна різниця потенціалів, яка визначається
різницею робіт виходу електронів.
Нехай робота виходу з металу буде більшою, ніж з напівпровідника з
електронною електропровідністю. Якщо привести в ідеальний контакт метал
з напівпровідником, то в початковий момент внаслідок різниці робіт
виходу електронів з металу і напівпровідника електрони спрямуються в
метал. В результаті цього на поверхні металу утворюється негативний
заряд, який перешкоджатиме подальшому переходу електронів в метал з
прилеглого шару напівпровідника. В рівноважному стані між металом і
напівпровідником встановлюється деяка різниця потенціалів, яка
врівноважує дифузійний потік електронів з напівпровідника в метал, що
утворився за рахунок різниці робіт виходу, і дрейфовий потік електронів
з металу в напівпровідник, що виник за рахунок електричного поля різниці
потенціалів на контакті.
На контакті напівпровідника з металом створюється стан, відмінний від
стану на контакті двох металів. Концентрація вільних електронів в металі
1028 м-3 відповідає числу вільних електронів в моноатомному поверхневому
шарі металу приблизно 1028 м-3 ·3 ·10-10 м = 1018 м2. Забезпечення
контактної різниці потенціалів, наприклад, 1 В потребує лише частину
вільних електронів, що знаходяться в приповерхневому шарі металу,
оскільки для цього необхідна поверхнева густина електронів приблизно
1016 м-2.
Концентрація вільних електронів в напівпровіднику n-типу, як правило,
складає 1020?1024 м-3, що відповідає числу вільних електронів в
моноатомному шарі ? 1010?1014 м-2. Таким чином навіть всіх електронів в
приповерхневому шарі напівпровідника недостатньо для забезпечення
необхідної густини поверхневого заряду. Внаслідок цього електрони
підтягуватимуться з приконтактного шару напівпровідника, залишаючи
некомпенсовані позитивні іони донорної домішки. Приконтактний шар,
збіднений основними носіями заряду, володіє підвищеним опором. Його
називають запираючим. Електричне поле, що виникає в результаті наявності
об’ємного заряду, викривляє енергетичні зони приконтактного шару
напівпровідника. В рівноважному стані системи метал-напівпровідник
електрону напівпровідника для проходження межі розділу необхідно
подолати потенціальний бар’єр.
Рис. 1.2. Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник
На рис. 1.2, а) зображена зонна діаграма металу і напівпровідника при
Фм>Фп, де Фм і Фп ? робота виходу електрона у вакуум з металу і
напівпровідника відповідно. При контакті металу з напівпровідником
завдяки описаним процесам в системі встановлюється динамічна рівновага з
вирівнюванням рівнів Фермі металу і напівпровідника і утворенням
контактної різниці потенціалів, рівної різниці робіт виходу.
Якщо робота виходу електрона з металу менша роботи виходу з електронного
напівпровідника (ФмФм, тобто якщо робота виходу електрона з металу менша роботи
виходу з діркового напівпровідника, то утворюється запираючий шар (рис.
1.2, г).
Представляє інтерес контакт напівпровідника з металом у випадку великої
контактної різниці потенціалів. При великій різниці робіт виходу
електрона з металу і напівпровідника в приконтактному шарі
напівпровідника може відбутися зміна механізму провідності
напівпровідника.
Рис. 1.3. Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник при великій
контактній різниці потенціалів
Енергетичні діаграми контакту метал-напівпровідник при великій
контактній різниці потенціалів приведені на рис. 1.3. Якщо робота виходу
з металу істотно більша, ніж з електронного напівпровідника (Фм>Фп), то
викривлення енергетичних зон приконтактного шару може бути таким, як
показано на рис. 1.3, а), верхня межа валентної зони W?, може
наблизитися до рівня Фермі WF настільки, що відстань від верхньої межі
валентної зони до рівня Фермі буде менша ніж відстань від рівня Фермі до
дна зони провідності Wс. Така енергетична діаграма характерна для
діркового напівпровідника. Дірковий механізм електропровідності в
електронному напівпровіднику виникає за рахунок того, що при збідненні
приконтактного шару основними носіями заряду ? електронами їх
концентрація тут стає меншою концентрації дірок. Цей шар називають
інверсним.
В розглянутому випадку на деякій відстані від контакту завжди матиме
місце шар, для якого відстані від верхньої межі валентної зони і від дна
зони провідності до рівня Фермі однакові і рівні половині ширини
забороненої зони. В цьому шарі, як і у власному напівпровіднику,
концентрації електронів і дірок рівні. Він є межею між областями n- і
р-типів електропровідності в напівпровіднику.
Інверсний шар можна одержати і в дірковому напівпровіднику, якщо робота
виходу електрона з металу істотно менша за роботу виходу з діркового
напівпровідника (рис. 1.3, б).
Розглянемо властивості контакту метал-електронний напівпровідник, коли
Фм>Фп.
При відсутності зовнішнього електричного поля потоки електронів з
напівпровідника в метал і з металу в напівпровідник однакові. Відповідні
їм струми рівні між собою:
При прикладенні до системи метал-напівпровідник зовнішньої різниці
потенціалів U з полярністю, протилежною полярності контактної різниці
потенціалів потенціальний бар’єр контакту знизиться на величину eU (рис.
1.4, а) і, відповідно, збільшиться потік електронів з напівпровідника в
метал. Струм, що відповідає цьому потоку збільшиться в exp(eU/kT) раз і
буде рівний Isexp(eU/kT), оскільки згідно закону Больцмана бар’єр
висотою (eUк?eU) долається в exp(eU/kT) раз більшим числом електронів,
ніж бар’єр висотою eUк.
Струм, що протікає через контакт,
1.1
називають прямим струмом.
Рис. 1.4. Енергетична діаграма контакту метал-електронний напівпровідник
при прикладанні зовнішньої напруги:
a ? прямої; б ? зворотної
Якщо напруженість зовнішнього електричного поля, прикладеного до системи
метал-напівпровідник, має запираючий шар, співпадає по напряму з
напруженістю електричного поля контактної різниці потенціалів, то
потенціальний бар’єр на контакті підвищиться (рис. 1.4, б) і відповідно
потік електронів з напівпровідника в метал зменшиться в exp(eU/kT)
разів.
Струм, що протікає в цьому випадку через контакт,
1.2
називають зворотнім.
Відповідно до (1.1) і (1.2) рівняння статичної вольт-амперної
характеристики може бути записано в наступному вигляді:
1.3
Формула (1.3) виконується для випадку тонкого запираючого шару, коли
можна вважати, що носії струму не здійснюють зіткнення.
Вольт-амперна характеристика контакту метал?напівпровідник приведена на
рис. 1.5.
Рис. 1.5. Вольт-амперна характеристика контакту метал-напівпровідник:
1 ? для тонкого запираючого шару, 2 ? для товстого
2. Методи дослідження параметрів поверхні напівпровідника
2.1. Визначення питомого опору зразка за його повним опором
за повним опором зразка.
Нехай напівпровідниковий зразок має форму бруска, на торці якого
нанесені омічні контакти. Біля межі розділу напівпровідника і металу
може утворюватися запірний шар, концентрація носіїв заряду в якому менша
ніж в об’ємі напівпровідника. Тому цей шар володіє підвищеним опором.
При омічному контакті відсутній такий шар або шар підвищеного опору
якої-небудь іншої природи. Концентрація носіїв заряду однакова у всьому
зразку, аж до межі з металом, або у випадку антизапірного шару біля
металу вона збільшується. Опір антизапірного шару менший опору шару
такої ж товщини в об’ємі напівпровідника, проте оскільки антизапірний
шар має товщину набагато меншу довжини зразка, то зменшенням опору
зразка через існування в ньому антизапірного шару можна нехтувати. Таким
чином при омічному контакті опір шару будь-якої товщини поблизу межі
металу і напівпровідника не більший, ніж шару такої ж товщини в об’ємі
напівпровідника. Протікання через контакт струму не приводить до зміни
концентрації носіїв заряду в напівпровіднику. Такі явища, як інжекція,
екстракція, ексклюзія і акумуляція відсутні.
У даних умовах зв’язок струму і напруги між контактами визначається
формулою
(2.1)
або відразу
106 Ом·см, даний спосіб визначення питомого опору може бути
ускладнений наявністю ємнісного струму, поляризаційними ефектами і
поверхневими витоками.
, нехтуватимемо. У момент підключення джерела живлення; як і в більш
загальному випадку дії на зразок будь-якої змінної напруги, що протікає
через зразок струм підсумовується зі струму провідності і струму
зміщення. Відповідно густина струму
(2.2)
? час.
Рис. 2.1. Схема для вимірювання опору зразка (а) і відповідна їй
еквівалентна схема (б)
, з (2.2) одержуємо
(2.3)
? ємність зразка. Відповідна виразу (2.3) еквівалентна схема зразка
приведена на рис. 2.2, б).
не зарядяться, через пристрій Г разом із струмом провідності
протікатиме і струм зарядки ємностей. Залежність струму через пристрій Г
від часу така:
(2.4)
(2.5)
(2.6)
, задовольняючий нерівності (2.5). Реалізація цього способу не викликає
ускладнень, якщо в зразку не виникають поляризаційні ефекти.
може складати від долей секунди до годин і навіть доби.
Рис. 2.2. Імпульсна схема для вимірювання опору
, що задовольняє як нерівності (2.5), так і нерівності
(2.7)
Умови (2.5) і (2.7) можуть бути виконані тільки при
використовують мости змінного струму.
аж до 1010 Ом·см, а за допомогою промислових мостів змінного струму ?
зазвичай до 106 107 Ом·см.
Поверхневий витік. Питомий опір приповерхневої області напівпровідника,
як правило, відрізняється від питомого опору об’єму. Це пов’язано з
існуванням біля поверхні області просторового заряду, де концентрації
електронів і дірок можуть бути як меншими, так і більшими, ніж в об’ємі,
а їх рухливості менші. Товщина цієї області порядку довжини екранування,
і як правило складає нікчемну частку від лінійних розмірів поперечного
перерізу масивних зразків, що використовуються для визначення питомого
опору. Тому, якщо концентрація носіїв заряду в ній не дуже велика в
порівнянні з концентрацією носіїв заряду в об’ємі або менша від неї, то
зміною опору зразка через зміну питомого опору в приповерхневій області
можна нехтувати.
Якщо концентрація носіїв заряду в приповерхневій області набагато
більша, ніж концентрація в об’ємі (виникнення такої ситуації найбільш
імовірне у високоомних напівпровідниках, коли концентрація носіїв заряду
в об’ємі мала), то через тонку, але добре провідну приповерхневу область
може проходити значна частина протікаючого через зразок струму ? має
місце поверхневий витік струму. Ще однією причиною виникнення
поверхневого витоку струму може являтися, наприклад, адсорбція на
поверхню зразка вологи з атмосфери.
Струм поверхневого витоку зменшує опір зразка і приводить до заниження
вимірюваного питомого опору, що при вимірюваннях необхідно усувати.
Оскільки співвідношення між струмом через об’єм і поверхневим витоком
залежить від геометрії зразка, то, зменшуючи його довжину і збільшуючи
розміри поперечного перерізу, у принципі завжди можна реалізувати умови,
коли витік малий. Проте такий шлях прийнятний, лише коли є можливість
виготовляти достатньо великі зразки.
Інша можливість виключення поверхневого витоку ? використання зразка з
охоронним кільцем (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схема для вимірювання питомого опору з охоронним кільцем (а) і
вигляд зразка в торець (б)
? площа контакту К), яка дозволяє знайти питомий опір об’єму зразка.
2.2. Методи вимірювання роботи виходу
Робота виходу напівпровідника ?Т може бути виміряна різноманітними
методами: термоелектронної емісії, фотоелектронними та ін. Можна також
визначити ?Т, вимірявши контактну різницю потенціалів Uк між
напівпровідником і електродом з відомою роботою виходу ?Ти та
використавши формулу
?Т = eUк+?Ти (2.8)
Методи термоелектронної емісії використовують вольт-амперну
характеристику вакуумного діода з катодом, що нагрівається, де
вимірюваний напівпровідник може виступати як катодом, так і анодом
діода. Така характеристика може бути виміряна за допомогою схеми,
представленої на рис. 2.4. Як видно з рис. 2.5, вольт-амперна
характеристика містить дві області: область насичення і область
зростання струму зі збільшенням напруги між катодом і анодом.
Рис. 2.4. Принципова схема для отримання вольт-амперних характеристик
діода
Рис. 2.5. Вольт-амперні характеристики діода з напівпровідником в якості
катода або анода
В області насичення струм термоелектронної емісії описується рівнянням
Річардсона:
, (2.9)
де ?Т ? величина роботи виходу з катода.
Вимірявши ІТ при двох різних температурах, знаходимо
(2.10)
Недоліки методу ? напівпровідник використовується в якості катода, який
нагрівається до високої температури, а також необхідність вимірювання
температури катода.
В області зміни струму з напругою для плоских катода і анода струм
описується виразом
, (2.11)
? роботи виходу відповідно анода і катода.
Використання останньої формули дозволяє визначити роботу виходу
напівпровідника в двох варіантах:
, а потім при відомій роботі виходу одного із електродів роботи виходу
напівпровідника ілюструється рис. 2.5;
, як це показано на рис. 2.5; використовуючи один із анодів з відомою
роботою виходу, можна знайти роботу виходу напівпровідника, який
використовується в якості другого анода.
Перевагою цих варіантів вимірювання є те, що не вимагається точне
вимірювання температури катода, а також те, що напівпровідник може бути
використаний в якості анода, тобто робота виходу напівпровідника може
бути знайдена при низьких температурах. Недоліки ? необхідність зміни
анода під час вимірювань за допомогою спеціальних механічних пристроїв.
2.3. Фотоелектронні методи
, достатньою для фотоелектронної емісії. При цьому для зняття
вольт-амперної характеристики може бути використана схема такого ж типу,
як на рис. 2.4, а сама вольт-амперна характеристика має вигляд,
аналогічний показаному на рис. 2.5.
Струм насичення напівпровідникового фотокатода залежить від енергії
квантів світла таким чином:
, (2.12)
? показник, який змінюється для різних напівпровідників.
.
по значенню величини порогу зовнішнього фотоефекту.
Розглядаючи ділянку зростання фотоелектронного струму з напругою для
знаходження роботи виходу, як і у випадку методу термоелектронної
емісії, можна використовувати два варіанти, що грунтуються на формулі
, (2.13)
аналогічній формулі (2.11).
аналогічний першому способу для випадку термоелектронної емісії.
Другий варіант заснований на визначенні зсуву вольт-амперної
характеристики при заміні анода іншим анодом з відомою роботою виходу.
Далі реалізується процедура, аналогічна процедурі при термоемісійному
методі.
Перевагою фотоелектронних методів є можливість вимірювання роботи виходу
напівпровідника при кімнатній температурі.
2.4. Вібраційний метод
Досліджуваний напівпровідник є однією з обкладок конденсатора, другою
обкладкою якого служить вібруюча металева пластинка (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Принципова схема вимірювання контактної різниці потенціалів
методом вібруючого електроду
За наявності контактної різниці потенціалів між напівпровідником і
металевою пластинкою вібрація приводить до зміни ємності і протікання
струму через опір R. При синусоїдальному законі зміни ємності на опорі
виникає змінний сигнал (В)
,
і сигнал на осцилографі зникає. Осцилограф при цьому використовується
як нуль-прилад. Величина контактної різниці потенціалів при цьому
відлічується безпосередньо по вольтметру V.
Знаючи роботу виходу матеріалу вібруючого електроду, легко визначити
роботу виходу напівпровідника по формулі (2.8).
Вібраційний метод і його різновиди одержали широке практичне
використання, оскільки дозволяють проводити вимірювання не тільки у
вакуумі, але і на повітрі або в середовищі будь-яких газів, не вимагають
додаткової обробки експериментальних даних, величина контактної різниці
потенціалів безпосередньо визначається за шкалою приладу, а вимірювання
можуть бути легко проведені при будь-якій температурі
напівпровідникового зразка.
2.5. Методи визначення поверхневої електропровідності
0
t
‚
†
¶
?
0
†
?
??????
????
??????
@?
@?
@?
?
®?u?.1/4^1/4`1/4O?U?Ue?a?a?zA|A?A‚A6A8ATHA$AvAaAoaOAaaaAAAA¶AAAaO?a
j?
jc
jA
j=
jK
yyyy^„5
jK
. При цьому концентрація вільних носіїв заряду в області просторового
заряду може бути більша або менша ніж концентрація вільних носіїв заряду
в об’ємі напівпровідника. Це призводить до того, що провідність
приповерхневої області відрізняється від провідності об’єму
напівпровідника. Загальна провідність зразка G тоді рівна сумі
провідності об’єму Gb і поверхні Gs, тобто.
Відзначимо, що провідність поверхні може також включати провідність по
зоні поверхневих станів, проте зазвичай вона дуже мала.
необхідно брати якомога тонші зразки.
може бути виражена так:
, (2.14)
? товщина приповерхневої області, яка має величину порядку ширини
області просторового заряду.
Звідси
. (2.15)
.
Для визначення концентрації і рухливості носіїв заряду в приповерхневій
області можна також використовувати ефект Холла. При цьому, як і при
визначенні провідності, слід розділити зразок на дві області, вімкнені
паралельно: приповерхневу і об’ємну.
Якщо припустити, що концентрації і рухливості в цих областях різні і
постійні, то при параллельному включенні поверхневої і об’ємної
областей, загальна холлівська напруга
, (2.16)
? загальний струм через зразок.
Вирази для напруги Холла, загальної провідності і струму в об’ємні і
області просторового заряду можна представити у вигляді:
;
. (2.17)
Звідси легко одержати сталу Холла:
. (2.18)
.
можна одержати наступні вирази для напівпровідника n-типу:
; (2.19)
. (2.20)
? значення Холл-фактора для об’ємної і приповерхневої областей.
.
Для визначення параметрів приповерхневої області використовується також
метод струмів Холла, за яким поверхневий і об’ємний холлівські струми
можуть бути виміряні окремо. Розрахунок показує, що для монополярного
напівпровідника р-типу при збагаченні приповерхневої області
, (2.21)
? концентрація дірок в приповерхневій області.
.
Для ціленапрямленої зміни величини вигину зон біля поверхні, а отже,
концентрації і рухливості носіїв заряду в приповерхневій області до
поверхні через діелектричний прошарок прикладається зовнішня напруга, як
правило імпульсна або синусоїдальна.
Імпульсний сигнал прикладається до металевого польового електроду і
зразка через ємності С1 і С2 (рис. 2.7), постійна напруга подається
через опори R1 і R2. Для компенсації паразитного сигналу, що виникає
внаслідок диференціювання вхідного сигналу на елементах схеми, що
включають ємність польовий електрод ? зразок, застосована мостова схема.
Міст спочатку балансується при вимкненому поздовжньому струмі через
зразок і при включеному імпульсному полі. Компенсація ємнісного
паразитного сигналу здійснюється за допомогою опорів R1 і R2, а також
ємностей С1 і С2.
Рис. 2.7. Схема вимірювання поверхневої провідності напівпровідника з
використанням імпульсного зовнішнього поля
При подальшому включенні струму через зразок з’являється корисний
сигнал, пов’язаний з малим розбалансом моста, що виникає через зміну
опору зразка. Цей сигнал посилюється підсилювачами П1 і П2 і
реєструється осцилографом. В результаті з’являється можливість
вимірювати величину ?G зразка при різній амплітуді імпульсу, що
подається.
Принципова схема експериментальної установки, що дозволяє вимірювати
залежність ?G від напруги при подачі синусоїдального сигналу, має
вигляд, показаний на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Схема вимірювання поверхневої провідності з використанням
синусоїдального зовнішнього поля
При вимірюваннях на великому змінному сигналі, що подається з генератора
ЗГ, слід компенсувати паразитний ємнісний сигнал. Це здійснюється при
вимкненому постійному струмі через зразок за допомогою опорів R1 і R2.
Паразитний сигнал, однаковий по амплітуді і фазі на кінцях зразка,
подається на сітку і катод лампи для взаємного знищення. Щоб зразок не
шунтувався малим катодним опором цієї лампи, в схему вводиться катодний
повторювач.
Корисні сигнали з кінців зразка, що виникають при протіканні через нього
постійного струму, приходять на сітку і катод лампи в протифазі і
скупчуються на аноді. Сигнал з анода подається на підсилювач П, а потім
поступає на вертикальний вхід осцилографа. На горизонтальний вхід
осцилографа через фазоповертач ФП подається напруга, відповідна напрузі
на польовому електроді. Величина вимірюваного сигналу калібрується
подачею імпульсів відомої амплітуди від генератора ГКІ. Батарея Б
служить для зсуву всієї кривої на екрані в ту або іншу сторону.
. Зазвичай це буває на частотах, при яких заповнення більш швидких
поверхневих станів безінерційно слідує за сигналом, а повільні
поверхневі стани перезаповнюватися не встигають.
спостерігається безпосередньо на екрані осцилографа.
3. Омічні контакти та контактні системи
Під омічним контактом розуміють контакт метал-напівпровідник, що володіє
лінійною вольт-амперною характеристикою, в якому не відбувається
інжекції неосновних носіїв. Омічними контактами забезпечується кожний
напівпровідниковий прилад або ІМС для здійснення електричного зв’язку
між їх елементами і зовнішнім колом.
У планарних приладах виготовляють як звичні контакти (рис. 3.1 а), так і
контакти, що розповсюджуються на поверхню діелектричного шару (рис. 3.1
б). Використання поширених контактів дозволяє значно зменшити розміри
активної області, а також небажаний вплив на неї навколишнього
середовища.
Рис. 3.1. Схема контактів до планарних приладів. 1 ? вивід; 2 ? контакт;
3 ? шар діелектрика
До контактів пред’являють ряд вимог, від виконання яких багато в чому
залежать електричні і механічні властивості приладів, а також їх
стабільність і які можуть бути сформульовані таким чином. Контакт
повинен бути не випрямляючим (тобто його опір не повинен змінюватися при
зміні напряму електричного струму); мати лінійну вольт-амперну
характеристику (тобто його опір не повинен залежати від протікаючого
струму); володіти дуже малим опором в напрямі, як перпендикулярному, так
і паралельному площині p-n-переходу, високою теплопровідністю і хорошою
адгезією до напівпровідника (а поширений ? і до оксиду); не інжектувати
неосновних носіїв заряду; мати температурний коефіцієнт розширення, по
можливості близький TKL напівпровідника і матеріалу виводу; представляти
собою стабільну металургійну систему з напівпровідником і матеріалом
виводу (якщо контакт є багатошаровим, то ця вимога розповсюджується і на
матеріали, із яких виготовлені шари контакту); не проникати глибоко в
напівпровідник (оскільки у ряді напівпровідникових приладів р-n-перехід
формується на глибині 0,2?0,4 мкм); його матеріал повинен дозволяти
проводити фотолітографічну обробку і при виготовленні НВЧ-приладів
забезпечувати роздільну здатність фотолітографії 500 (і більше) ліній на
міліметр.
Невиконання хоча б однієї з цих вимог погіршує характеристики приладу.
Таким чином, якщо омічний контакт володіє нелінійною вольт-амперною
характеристикою, то спотворюється і вольт-амперна характеристика
приладу. Збільшення опору контакту призводить до погіршення випрямляючих
і підсилювальних властивостей приладів. Якщо контакт виявиться
інжектуючим, це призведе до збільшення зворотного струму приладу.
Слід зазначити також, що створити контакт, що повністю задовольняє всі
вищевказані вимоги, практично неможливо.
3.1. Контактні матеріали і види контактних систем
Електричний бар’єр, що виникає при щільному контакті металу з
напівпровідником визначається різницею робіт виходу електрона з металу
?м і напівпровідника ?п. Відповідно до моделі Шотткі контакт металу з
напівпровідником буде омічним, якщо виконується умова ?мп (для
напівпровідників n-типу) і ?м>?п (для напівпровідників р-типу). Проте в
реальних умовах через вплив енергетичних рівнів на межі розділу
метал-напівпровідник омічні контакти в більшості випадків не вдається
одержати відповідним підбором цих величин.
Якість контакту поліпшується при створенні сильно легованої
білякоконтактної області в напівпровіднику. Така область має той же тип
електропровідності, що і напівпровідниковий матеріал, до якого
формується контакт, внаслідок чого утворюється структура n+-n- або
р+-р-типу.
Рис. 3.2. Енергетична діаграма контакту з сильно легованою областю
напівпровідника:
І ? метал; ІІ ? напівпровідник; n+ ? сильнолегована область
Як випливає з енергетичної діаграми (рис. 3.2), між металом і легованою
приповерхневою областю напівпровідника існує потенційний бар’єр ??.
Внаслідок того, що ця область легована сильно, збіднений шар поблизу
бар’єру достатньо тонкий, бар’єр стає як би прозорим і для проходження
струму через контакт необхідне дуже малий спад напруги (явище
тунелювання). При цьому знижується опір контакту і ослаблюються його
інжекційні властивості (високий рівень легування біляконтактної області
напівпровідника приводить до зниження часу життя неосновних носіїв
заряду, що значно ослаблює вплив інжекції). Більша частина струму Іn
через контакт обумовлена рухом електронів, інжекційна складова Іp ?
дірок. Відношення цих складових струму має вигляд
де ? ? контактна різниця потенціалів; k ? стала Больцмана; Т ?
температура. З приведеного співвідношення слідує, що для поліпшення
якості контакту слід знижувати потенціальний бар’єр і збільшувати ?.
Сильно легована область може бути одержана вплавленням, дифузією або
іонною імплантацією відповідної домішки. Такі області створюють при
формуванні омічних контактів в Ge, Si, GaAs та інших напівпровідниках.
Проте в деяких широкозонних напівпровідниках одержати їх важко внаслідок
ефекту компенсації домішок власними дефектами протилежного знаку.
Інжекційні властивості контакту слабшають при появі рекомбінаційних
центрів в області на межі розділу метал-напівпровідник. Такий
рекомбінаційний, або порушений, шар можна створити шляхом введення
домішок, що є ефективними центрами рекомбінації або за рахунок
відповідної обробки поверхні напівпровідника.
Вимоги до физико-хімічних, зокрема металургійних, властивостей контакту,
від яких залежить його надійність, суперечливі. Так, матеріал контакту,
з одного боку, повинен бути інертним, з іншою ? володіти здатністю
відновлювати оксидну плівку напівпровідника (без цього не може бути
отриманий задовільний контактний опір). Крім того, контакт не повинен
глибоко проникати в напівпровідник, а це знижує його міцність.
Краще за інші метали вимогам, що пред’являються до контактного
матеріалу, задовольняє алюміній. Алюміній має високу провідність, він
пластичний, володіє хорошою адгезією до кремнію, SiO2 і Si3N4, легко
піддається обробці фотолітографії із застосуванням травників, не
взаємодіючих з кремнієм і SiO2. Алюміній утворює стабільну металургійну
систему з кремнієм. До плівок з алюмінію легко приварювати виходи
методом термокомпресії.
До недоліків алюмінію як контактного матеріалу слід віднести: можливість
закоророчування р-n-переходу внаслідок активного відновлення ним
захисної плівки діоксиду кремнію вже при температурах вище 700 К; ефект
електродифузії, який спостерігається при густині струму
більше 5·108 А/м2 і температурах вище 420 К і приводить до утворення
виступів біля позитивного, а також пустот і розривів плівки ? біля
негативного електродів; порушення міцності контакту Al?Si, пов’язане із
осадженням кремнію при охолоджуванні по границях зерен алюмінію (це
обумовлено високою розчинністю кремнію в алюмінії, що досягає ~1% при
870 К); складність паяння і неможливість електролітичного осадження;
утворення стійких інтерметалічних з’єднань в двошаровій контактній
структурі золото-алюміній, які поступово руйнують контакт і виводять
прилад з ладу (цей ефект відомий в літературі як «пурпурова чума» ? за
кольором одного з інтерметалідів); низьку корозійну і механічну
міцність.
Ефект електродифузії алюмінію може бути значно зменшений при легуванні
його кремнієм до рівня розчинності (~1%), а також введенням добавок
перехідних металів Сu, Ti, Mn, Fe, створюючих з кремнієм силіциди.
З урахуванням достоїнств і недоліків алюмінію як контактного матеріалу
його можна використовувати при виготовленні малопотужних кремнієвих
приладів, що працюють на частотах до 1 ГГц, але не розрахованих на
жорсткі вимоги до надійності.
Контакти більш високої якості можуть бути одержані на основі
багатошарових систем, коли для формування контактуючого з
напівпровідником шару застосовуються метали, що забезпечують малу
глибину проникнення контакту в напівпровідник, володіючі здатністю до
відновлення оксидних шарів, мають низький перехідний опір, а для
формування верхнього шару ? метали з високою провідністю, сумісні з
металом контактного шару і металом виводу. Оскільки умова сумісності
виявляється у ряді випадків важко здійснимою, можна вводити третій,
розділовий (або бар’єрний) шар.
При отриманні контактного шару використовують титан, хром, ванадій,
молібден, вольфрам.
Завдяки високій корозійній стійкості і механічній міцності, а також
здатності утворювати металургійно стійкі системи з кремнієм титан
застосовують при створенні контактних систем на кремнії як нижній,
контактуючий з кремнієм шар.
Використовування одношарового титанового контакту неможливе, оскільки
титан має високий питомий опір (5,8·10-7 Ом·м) і швидко окислюється. Шар
титану, нанесений на поверхню кремнію, забезпечує формування
невипрямляючого контакту і є адгезійним для шару металу, що наноситься
на нього. Титанові плівки застосовують при формуванні багатошарових
омічних контактних систем на кремнії, таких, як Si?Ti?Аu, Si?Ti?Mo?Аu,
Si?Ti?Mo?Cr?Аu і ін.
Плівка хрому, що використовується як контактний шар, утворює з кремнієм
невипрямляючий контакт і забезпечує хорошу адгезію нанесеного на нього
наступного шару металу. Недоліком хрому є те, що, як і алюміній, він
активно взаємодіє з SiO2 при температурах вище 470 К. Крім того, плівки
хрому зазвичай знаходяться в напруженому стані і є достатньо пористими.
Як матеріал провідного шару найбільш часто використовують алюміній і
золото. Срібло і мідь застосовують для цієї мети значно рідше через їх
легку окислюваність і здатність утворювати тверді розчини з алюмінієм і
золотом.
Використовування золота для формування провідного шару контактних систем
обумовлено його високою провідністю і хімічною інертністю. Проте такі
плівки володіють поганою адгезією до кремнію і SiO2, що викликає
необхідність створювати проміжний шар з Al, Ti, Cr, Mo, Та. В омічних
контактних системах Si?Ti?Аu, Si?Cr?Аu, Si?W?Аu, Si?Mo?Аu та інших
золото використовується для формування провідного зовнішнього шару.
Для створення розділювального, бар’єрного, шару зазвчай використовують
плівки платини, титану, молібдену. Найкращими розділювальними
властивостями володіє платина, оскільки плівка з неї завтовшки 0,05 мкм
виключає взаємодію між більшістю металів, що використовуються для
формування контактного і провідного шарів.
Без розділювального шару контактна система може виявитися нестабільною.
Так, в двошаровій контактній системі Сr?Аu внаслідок взаємної дифузії
металів відбувається утворення твердих розчинів, що приводить до
збільшення (на порядок) опору контакту. При великій відмінності в
швидкостях дифузії атомів металів, з яких створена контактна система,
може спостерігатися ефект Кіркендала ? утворення в шарі металу з більшою
швидкістю дифузії скупчень вакансій, що призводять до утворення розривів
цілісності в шарі металу.
3.2. Методи формування омічних контактів і контактних систем
Омічні контакти зазвичай виготовляють сплавленням, електрохімічним або
хімічним осадженням, вакуумним випаровуванням, методом термокомпресії
або за допомогою ультразвуку.
Процес отримання омічних контактів сплавленням полягає в наступному.
Тонкий шар металу, металеву навіску або кульку, нанесені на поверхню
кристалічної пластини, нагрівають до температури, при якій вони
плавляться. При цьому відбувається розчинення в них невеликої кількості
напівпровідника. При охолоджуванні системи напівпровідник з розчиненими
в ньому атомами металу і легуючими домішками кристалізується. В
результаті цього формується сильно легований шар напівпровідника того ж
типу електропровідності і створюється структура типу Me?n+?n або
Ме?р+?р. Важливу роль в процесі сплавлення відіграє змочуваність
напівпровідника металом. Для поліпшення змочуваності поверхню
напівпровідника очищають від домішок і оксидних шарів. Застосовують
флюси для видалення залишкової поверхневої плівки. Щоб при охолоджуванні
від температури сплаву до кімнатної в області контакту
напівпровідник-метал не виникали великі залишкові напруги, необхідно
вибрати напівпровідник і метал з близькими по значенню термічними
коефіцієнтами розширення.
Бажано також, щоб метал володів достатньою пластичністю.
В електрохімічному процесі створення омічних контактів відбувається за
рахунок осадження на катоді металу при пропусканні між електродами
струму, що викликає відновлення солі в електролітичній ванні.
Хімічне і електрохімічне осадження застосовують головним чином для
нанесення нікелевих і золотих контактів. При отриманні контакту в
процесі хімічного осадження, відновлення металу з солі на поверхні
напівпровідника здійснюють за допомогою відновлюючого реагенту, що
міститься в розчині.
Хімічне осадження нікелю відбувається з фосфатного електроліту, що
сприяє значному зменшенню контактного опору на кремнії n-типу. Осадження
золота проводять, як правило, електрохімічними методами з лужних
електролітів на основі хлорного золота або дицианоаурату калію KAu(CN)2.
Швидкість осадження золота з лужних електролітів при густині струму
20?30 А/м2 і температурі 300?340 К не перевищує 0,025?0,05 мкм/хв.
З розвитком планарної технології для виготовлення омічних контактів
почали застосовувати вакуумне нанесення. В даний час цей спосіб широко
використовують при виготовленні ІМС. Випаровування металу при вакуумному
нанесенні здійснюють за допомогою нагрітої спіралі, сфокусованого пучка
електронів або іонного бомбардування. Найпростіший спосіб нагріву металу
за допомогою спіралі або човника може призводити до забруднення плівки
продуктами реакції з матеріалом контейнера або домішками, що виділяються
з нього. Для захисту поверхні напівпровідника від забруднення летючими
домішками в початковий момент процесу можна використовувати заслонки.
Два (і більше) шари металів зазвичай наносять на установці, забезпеченій
декількома нагрівниками з незалежними системами контролю живлення.
Чисті металеві плівки одержують при нагріві випаровуваного металу
сфокусованим електронним пучком. В цьому випадку відбувається локальне
розігрівання випаровуваного металу і відпадає необхідність в тиглі, який
як правило є джерелом забруднень.
При нанесенні металевої плівки методом катодного розпилення замість
нагріву випаровуваного металу його бомбардують іонами інертного газу,
частіше за все аргону. Метод катодного розпилення здійснюють аналогічно
методу іонного травлення, причому катод-мішень виготовляють з металу, з
якого формується плівка.
Методом катодного розпилення можуть бути одержані плівки будь-якого
металу, товщина і якість яких регулюються значеннями катодного струму і
тиском інертного газу. Швидкість катодного розпилення визначається
коефіцієнтом, або виходом, розпилення ? відношенням кількості атомів
металу, що покидають катод, до числа бомбардуючих його іонів. Коефіцієнт
розпилення залежить від металу, енергії і кута падіння іона, що
розпилюється. При нормальній орієнтації пучка і енергії іонів аргону 600
еВ він змінюється в межах від 0,5 (для кремнію) до 3,4 (для срібла). В
установках для катодного розпилення передбачена можливість попереднього
очищення поверхні напівпровідника за рахунок зміни полярності в системі
електродів, випаровування шару оксиду або тонкого забрудненого
поверхневого шару на видалений анод здійснюють бомбардуванням поверхні
напівпровідника позитивними іонами.
Недоліком методу катодного розпилення є складність апаратури і
можливість потрапляння молекул газу і присутніх в ньому домішок в
металеву плівку.
При вакуумному нанесенні металевих плівок забезпечуються висока чистота
плівки, мала глибина проникнення контактного матеріалу в напівпровідник,
можливість отримання малих контактних опорів, застосування групових
методів обробки і ін.
До недоліків цього методу слід віднести залежність якості металевої
плівки від тиску в системі, швидкості осадження, геометрії і температури
системи, а також складність нанесення тугоплавких металів і сполук, що
розкладаються.
3.3. Створення омічних контактних систем на основі алюмінію
Для нанесення плівок алюмінію широко застосовують метод термічного
випаровування у вакуумі (~5·10-8 Па).
Хороша якість плівок отримується і при електронно-променевому нагріві
навіски алюмінію (замість нагріву за допомогою резистивних випарників)
Швидкість випаровування алюмінію при цьому можна змінювати в широких
межах залежно від потужності електронного пучка.
При підвищенні потужності швидкість конденсації металу лінійно зростає.
При потужності електронного променя ~6 кВт і відстані між навіскою і
підкладкою 0,25 м швидкість конденсації складає ~0,15 мкм/с.
Відомо, що на структуру плівок, що утворюються, і якість контакту
впливають температура і якість поверхні підкладки. Тому при осадженні
плівки алюмінію температуру кремнієвої підкладки вибирають в інтервалі
від 600 до 820 К. При перевищенні цих температур плівка алюмінію стає
більш грубозернистою. Крім того, вже в інтервалі температур 770?820 К
значно підвищується адгезія алюмінію до кремнію; щоб уникнути сплаву
плівки з кристалом, температура підкладки не повинна перевищувати 950 К.
Поверхня підкладок перед нанесенням плівок повинна бути ретельно
почищена. Рекомендується протравлювати їх в суміші плавикової кислоти з
ацетоном (1:10) з подальшою триразовою промивкою в чистому ацетоні.
Для зменшення опору контакту зазвичай на кремній n-типу
електропровідності наносять плівку із золота. Для цього використовують
метод термічного випаровування з молібденового тигля у вакуумі з
подальшою термообробкою при 640?670 К, або метод катодного розпилювання.
3.4. Створення контактних систем на основі інших матеріалів
Формування на кремнії двошарової омічної контактної системи Ti?Аu
проводять методом термічного випаровування або катодного осадження.
Спочатку плівку титану наносять термічним випаровуванням титану з
вольфрамової спіралі. Для запобігання окислення титану тиск в робочій
камері підтримують на рівні ~10-9 Па. Після нанесення шару титану, на
нього методом термічного випаровування з молібденового або танталового
човника наносять плівку золота. Завдяки хорошій адгезії титану до
діоксиду кремнію можна створювати контактні системи, що розповсюджуються
на плівку SiO2 (див. рис. 3.1 б). Як провідний шар замість золота можна
наносити нікель або срібло.
При створенні контактних систем Сr?Аu плівки хрому і золота наносяться
методом послідовного термічного випаровування навісок з молібденового
або танталового тигля. Після нанесення плівки хрому наносять шар, що
містить хром і золото, а потім плівку чистого золота. Товщина плівки
хрому, як правило складає ~100 нм, а плівки золота ? ~300 нм. Поліпшення
властивостей омічної контактної системи Сr?Аu досягають термообробкою
при Т=1170 К.
Як контактний шар може використовуватися молібден. Плівки молібдену
зазвичай наносять за допомогою електронного променя.
Контакт тонкого металевого дроту до металевої плівки, нанесеної на
поверхню напівпровідника (або безпосередньо до поверхні
напівпровідника), може бути одержаний методами термокомпресії або
ультразвукового зварювання (рис. 3.3). Для приєднання тонких металевих
дротиків термокомпресією (частіше золотих або алюмінієвих) застосовують
нагрів і тиск.
Рис 3.3. Принципи формування контакту методами термокомпресії (а) і
ультразвукового паяння (б): 1 ? нагрівник; 2 ? кристал; 3 ? вивід; 4 ?
дозатор дроту; 5 ? концентратор ультразвукових коливань
На відміну від термокомпресії при ультразвуковому з’єднанні в поєднанні
з тиском використовують не нагрівання, а ультразвукові коливання
вібратора (на рисунку показано стрілкою). При ультразвукових коливаннях
за рахунок тертя тонкі поверхневі плівки руйнуються, що забезпечує
щільний контакт між матеріалами, що сполучаються. Механічний тиск і
тертя приводять до перемішування контактуючих матеріалів і утворення
міцного з’єднання дроту з контактуючою поверхнею. Низькоомні омічні
контакти даним методом легше одержати на сильно легованих n+- або
р+-поверхностях напівпровідників.
Висновки
Зроблено аналіз та пошук нових технологій формування контактів та
контактних систем, що відноситься до основних операцій технологічного
циклу. Контакти також можуть бути створені на пластині, де виводи
областей p-n-переходів і області формування пасивних елементів закриті
шаром оксиду. Тому перш за все необхідно за допомогою фотолітографії в
шарі оксиду розкрити вікна над заздалегідь створеними сильно легованими
областями n+- або p+-типу, які забезпечують низький перехідний опір
контакту. Потім методом вакуумного напилення всю поверхню пластини
покривають шаром металізації. При вторинній обробці фотолітографії
зайвий метал видаляють, залишаючи його тільки в місцях контактних
площадок і розводки. Одержані таким чином контакти термічно обробляють
(вплавлення) для поліпшення адгезії матеріалу контакту до поверхні і
зменшення перехідного опору.
Так само можна створювати пасивні тонкоплівкові елементи ІМС (резистори
і конденсатори) з тією лише різницею, що в цьому випадку матеріал
напилюють безпосередньо на поверхню оксиду, а в якості вихідного
матеріалу (для резисторів) використовують спеціальні високорезистивні
сплави.
Операції вакуумного нанесення металевих покриттів автоматизовані із
застосуванням мікропроцесорних систем і піддаються строгому контролю в
ході процесу. Для цих цілей, як і для контролю інших операцій, широко
використовують тестові структури.
Література
Воробьев Ю.В., Добровольский В.Н., Стриха В.И. Методы исследования
полупроводников. – К.: Высшая школа, 1988 – 230 с.
Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. – М.:
Высшая школа, 1984 – 336 с.
Тареев Б.М., Короткова Н.В., Петров В.М., Преображенский А.А.
Електрорадиоматериалы. – М.: Высшая школа, 1978 – 357 с.
3еегер К. Физика полупроводников. – М.: Мир, 1977 – 615с.
Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микро- i электронике. –
М.: Энергия, 1978-327 с.
Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. – М.: «Энергия», 1976 – 278
с.
Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметров
полупроводниковых материалов и структур. – М.: Радио и связь, 1985 – 264
с.
Смит Р. Полупроводники. – М.: Мир, 1982 – 558 с.
ПавловЛ. П. Методы определения основных параметров полупроводниковых
материалов. – М.: Высшая школа, 1975 – 200 с.
Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерение параметров полупроводниковых
материалов. – М.: Металлургия, 1970 – 432 с.
Неменов Л.Л., Соминский М.С. Основы физики и техники полупроводников. –
М.: Наука, 1974 – 193 с.
Бонч-Бруевич В.Л., Калашников О.Г. Физика полупроводников. – М.: Наука,
1977 – 674 с.
Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и
металловедение. – М.: Металлургия, 1973 – 350 с.
Богородицкий Н.П., Пасынков В.В. Материалы радиоэлектронной техники. –
М.: Высшая школа, 1969 – 325 с.
Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А. Д. Полупроводниковые приборы. –
М.: Высшая школа, 1981 – 220 с.
Колобов Н.А. Основы технологии электронных приборов. – М.: Высшая школа,
1980 – 280 с.
Киреев П.С. Физика полупроводников. – М.: Высшая школа, 1969 – 590 с.
PAGE
PAGE 40
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
