Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЕ 8
1 . Источники неоднородности границы раздела 8
I.I.I.Неоднородность по работе выхода металла 9
1.1.2.Неоднородность поверхности: полупроводника 12
1.1.3.Реакция и. взаимодиффузия 14
1. 1.4.Периферийная неоднородность 19
2.Экспериментальные факты,доказывающие несостоятельность однородной модели 22
1.2.I.Однородная модель контакта металла с полупроводником .22
1.2.2.Дисперсия высоты барьера Срв 26
1.2.3.Трудность предсказания поведения контакта 27
1.2.4.Корреляция между высотой барьера ДШ и работой' выхода металла 31
1.2.5.Зависимость высоты барьера ДШ фвот площади КМП 32
1.2.6.Температурная зависимость ВАХ ДШ 33
1.2.7.Разновидности ВАХ в прямом направлении .35
І.2.8.Разновидности ВАХ в обратном направлении 38
1.2.9 Зависимость напряжения пробоя от площади КМП. 39
ГЛАВА ВТОРАЯ.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ (.MHSOVM-flSL ДШ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА 42
1. Технология изготовления 42
2.Экспериментальная методика .48
3.Электрическая схема и установка зонда 53
ГЛАВА ТРЕТЬЯ.ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ НА СВОЙСТВА (М + 1 .Влияние площади НМЛ на свойства (M+ 2.Влияние толщины плёнки алюминия СІМ на свойства (Jtt+ ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ.ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ДИОДОВ ШОТТКИ 77 1. Влияние одноосного давления на свойства {M+ 2.Температурная зависимость ВАК (Ж + <$1>)/М -Л Si диодов Шоттки 88 3.Влияние термоотжига на свойства (М + ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111 ЛИТЕРАТУРА 113 Введение к работе Начиная с 60-х годов,когда изучение ДШ получило новый толчок, достигнуты значительные успехи.На основе однородной модели разработана физика однородного КМП.Однако,за последнее десятилетие обнаружен и установлен ряд экспериментальных фактов и результатов,которые физика однородного КМП не в состоянии объяснить. Например: -вольтамперные характеристики /ВАХ/ в прямом и обратном направлениях иногда имеют области и изломы,не характерные для однородного контакта, -плотность тока насыщения,высота барьера,напряжение пробоя зависят от площади контакта, -омическое и диодное поведения контакта непредсказуемы, -зависимость tnP/sT*)-f(VT) ПРИ низких температурах нелинейна, - СІ ї/с{цг в зависимости от напряжения имеет ряд пиков. В связи с этим в последние годы началось развитие другого направления - физики неоднородного контакта,так как граница раздела /ГР/ КМП имеет ряд источников неоднородности,без учёта которых трудно понять все закономерности КМП. Этими источниками являются следующие: а/ неоднородность ГР,обусловленная поликристаллической структу- рой плёнки металла, б/поверхностная неоднородность полупроводника, в/физико-химический источник неоднородности /взаимная диффузия и реакция/, г/периферийная неоднородность. В настоящей работе сделана попытка установить связь между имеющимися проблемами физики контакта и неоднородностью ГР. Цель работы и основные задачи.исследования. Целью настоящей работы являлось исследование электрофизических свойств (j+ Практическая ценность заключается в том,что: -установлены размерные зависимости для основных параметров ДШ как от площади КМП,так и от толщины плёнки металла,что позволяет варьировать значение этих параметров в широком диапазоне, -разработана методика моделирования деградации ВАХ,изучения площади рекристаллизированного слоя, -предложен конструктивно-технологический способ изготовления ДШ с почти идеальными характеристиками. Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Республиканской НТК в ноябре 1983 г.в Минске,УI Республиканской научной конференции аспирантов ВУЗов Азербайджана в ноябре 1983 г.научно-практической конференции университетская наука производству 25-27 апреля 1984 г. Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 7 научных работ. Объём работы. Диссертация состоит из введения,четырёх глав,заключения, списка литературы и содержит 126 страниц машинописного текста,в том числе 42 рисунка,9 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Первая глава посвящена обзору литературы,где выявлены,во-первых, основные источники неоднородности ГР КМП,во-вторых,эксперимен- тальные факты,доказывающие несостоятельность однородной модели* Во второй главе описана технология изготовления {M+(SO)/M-A Si ДШ и методика исследования.Параметры ДШ определены,в основном, методом ВАХ и её температурной зависимостью.Для изучения ГР пр№-менена оптическая микроскопия. В третьей главе представлены зависимости основных параметров ДШ как от площади КМП,так и от толщины плёнки металла. Показано, что параметры диодов Шоттки существенно зависят от площади КМП и от толщины плёнки металла. Четвёртая глава посвящена влиянию.некоторых внешних факторов на свойства ДШ.Деградация ВАХ смоделирована искусственным образом при помощи одноосной деформации.Изучены свойства таких ДШ. Изложена также температурная зависимость основных параметров ДШ как от площади КМП,так и от толщины плёнки металла. Показано, что. после термоотжига ДШ высота барьера и коэффициент неидеальности, увеличиваются,и это увеличение зависит от температуры отжига. Полученные результаты объяснены с помощью неоднородной модели-, согласно которой общий контакт состоит из параллельно соединённых многочисленных элементарных контактов,имеющих различные параметры /высоту барьера,коэффициент неидеальности,напряжение пробоя и т.д./. Наиболее важной характеристикой контакта является высота потенциального барьера между металлом и полупроводником. Согласно простой модели Шоттки. [2]электрические свойства ДШ хорошо описываются высотой потенциального барьера Cfe определяемой как разность между работой выхода металла Cf) и электронным сродством Однако,в большинстве практических случаев эта простая линейная зависимость между ф и Ср экспериментально не подтверждается /77. Из однородной модели следует,что в случае кремния п -типа, если (р)0,то контакт должен иметь выпрямляющие свойства,а при, / ( 0 - омические. На практике и это простое соотношение не выполнялось. Из формулы /1,1,1/ следует,что- для данного металла с данным полупроводником должна иметь постоянное значение. Однако,как показывает эксперимент,высота барьера образует широкий спектр. Наличие спектра высоты барьера также демонстрируется неуниверсальностью однородной модели. Эти и другие трудности убедительно показывают несостоятельность однородной модели КМП, которая полагает,что высота барьера и другие параметры контакта вдоль ГР имеют постоянные значения. Однако,в реальных случаях контакт неоднороден и основные параметра зависят от координат ГР. В следующих параграфах описаны основные источники неоднородности, которые делают контакт неоднородным. Неоднородность по работе выхода металла. Согласно формуле /I.I.I/ металл принимает участие в работе ДШ через работу выхода (р . Поэтому целесообразно коротко; ознакомиться с природой работы выхода металла. Работа выхода в различных эмиссионных явлениях /термоэлектрон-ная,автоэлектронная,фотоэлектронная эмиссии/ выступает как основной и определяющий параметру по этой причине она изучена очень подробно Роль работы выхода металла в работе ДШ также хо рошо известна,и этот вопрос, неоднократно; обсуждался в научной литературе. Здесь рассмотрим только взаимосвязь между микроструктурой ГР и значением работы выхода. Как известно,реальная поверхность большинства металлических материалов имеет зернистую структуру и состоит из различных граней однотипно построенных кристаллитов,но по разному ориентира-ванных по отношению к поверхности. Сами микрограни не являются идеальными,а содержат выходы дислокаций и другие дефекты структур.Границы соприкосновения граней микрокристаллов по своим свойствам также отличаются от образуемых граней.Границы микрокристаллов /зёрна/ являются транспортными, путями: для поступления примесных элементов из объёма металла на границу раздела. Поверхность каждого микрокристаллита по разному реагирует на внешнее воздействие.Например,один кристаллит хорошо адсорбирует чужеродные атомы,а другие кристаллиты - плохое Есть прямые эксперименты /3/,где для поликристаллических па-верхностей показаны работы выхода как функции от координат nor верхности.Этот вывод является общепризнанным. В настоящее время диоды с барьером Шоттки создаются непосредственно осаждением металлической плёнки на чистую поверхность микрокристаллического полупроводника.Если не принимать специальные меры,то плёнка металла обычно имеет поликристаллическую структуру.Поскольку основной задачей диссертации является изучение влияния неоднородности ГР КМП на свойства ДШ,то изготовление ДШ с различной степенью неоднородности являлось главной задачей технологии.В данном случае в качестве критерия неоднородности используется отношение: а/о2? где d -характерный размер однородности, ) -диаметр активной области диодов Шоттки. Считается,что в первом приближении за характерный размер СІ однородности можно принять средний размер зёрен плёнки металла,так как поверхность полупроводника из-за монокристалличности всегда более однородна.Изменением площади контакта можно менять однородность IP. Другой вариант изменения однородности ГР заключается в следу-ющем.йзвестно,что в случае контакта кремния с алюминием кремний интенсивно растворяется в алюминии.Степень растворимости зависит от объёма /соответственно от толщины/ алюминия.Растворение происходит, во-первых,неравномерно, во-вторых,при охлаждении избыточные атомы кремния осаждаются на поверхности подложки,что даёт неоднородность ГР.Поэтому при изготовлении ДШ сочли необходимым: во-первых,в качестве изучаемого контакта использовать контакт алюминия,во-вторых,для изменения относительной однородности ГР менять и площадь контакта и толщину плёнки алюминия. Во время термообработки ДШ происходит сложный физико-химический процесс на ГР КМП.Если толщина плёнки контактного металла мала,то сплавное проникновение может вывести прибор из строя. Для предотвращения этого эффекта над плёнкой алюминия нанесена плёнка M+(Si) ,которая обеспечивала постоянную толщину металла (Л.- ($1))/Ж «Кроме этого,дополнительная металлизация использовалась для следующих целей.В процессе отжига после напыления плёнки металла атомы контактирующих материалов диффундируют друг к другу,в результате чего на поверхности ГР КМП образуется множество включений алюминия в виде острий,проникающих в подложку.Это явление имеет ряд отрицательных последствий. Для предотвращения этого эффекта,как в случае электродиффузии, алюминиевую металлизацию предварительно насыщают кремнием. Именно поэтому верхний слой содержит алюминий с кремнием.Такая плёнка имеет чисто металлические свойства. Кремниевая пластина имела толщину 200 - 15 мкм,диаметр 6x10 мкм,концентрацию примеси подложки Параметры пластин полностью соответствовали требованиям,предъявляемым к изготовлению интегральных полупроводниковых микросхем. При создании КИП с различной площадью применяли металлизированный /плёнкой хрома/ фотошаблон. Фотошаблон - это плоскопараллельная пластина из прозрачного для фотолитографических целей материала,на которую нанесён рисунок в виде непрозрачных и прозрачных для ультрафиолетового излучения участков,многократно повторенных в пределах активного поля пластины.Было изготовлено три шаблона каждого типа.Первый шаблон служил для вскрытия окна в диэлектрическом слое,выращенном на поверхности кремния,чтобы обеспечить диффузию фосфора для омического контакта.Второй шаблон - для вскрытия окна,чтобы получить выпрямляющий и омический контакт с металлом,а третий - для получения определённой площади металлической плёнки на поверхности вскрытых окон.Омический вывод к пластинам кремния получен путём создания сильнолегированной ТІ области.Для этой цели методом диффузии фосфора создавали сильнолегированную приповерхностную область глубиной 5 мкм и наносили на неё методом магнетронного напыления в вакууме плёнку металла.Фотолитографический способ изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем достаточно подробно описан в соответствующей литературе.Здесь вкратце описаны лишь основные и важные технологические этапы изготовления диода Шоттки. Изучение различных свойств КМП в зависимости от площади контактов обусловлено,по нашему мнению,тем,что с увеличением площади контакта растёт степень физической неоднородности; контакта. Поэтому при изучении различных параметров КМП в зависимости от площади контакта появляется возможность связать полученные результаты со степенью неоднородности контакта. Зависимость свойств диодов Шоттки от площади контактов впервые изучена в работе /867. Экспериментальные ВАХ в прямом направлении для диодов одного чипа показаны на рис.3.I. Параметром кривых является площадь контактов.Согласно представленным рисункам,ВАХ в интервале напряжений 3KT(ev(#l достаточно хорошо описывается формулой /1.2.4/. Для исследованных ДШ определены основные параметры ,и установлена зависимость их от площади контакта. На рис.3.2 и 3.3 представлены зависимости: значений плотности тока насыщения % и высоты барьера Ср установленные для 6-7 чипов диодов,от площади контакта при различных толщинах алюминия Су . Как видно из рисунков,с ростом площади контактов высота барьера Ср увеличивается до некоторого значения,поеле которого она почти насыщается.У становлена также зависимость плотности:тока насыщения от площади контакта : % уменьшается с ростом площади контакта. На рис.3.4 представлены зависимости коэффициента неидеальности П от площади контакта при различных толщинах алюминия ЩЦ» Значение коэффициента неидеальности 71 определено по формуле /2.2.6/. Как видно из рис.3.4, с ростом площади контакта П. меняется слабо. Экспериментальные ВАХ изученных диодов Шоттки в обратном направлении представлены на рис.3.5,3.6. На рис.3.7 представлены зависимости напряжения пробоя от площади контакта. Представленные выше зависимости параметров контакта /рис.3.2 и 3.3/ нельзя объяснить при помощи однородной модели Шоттки, согласно которой прямой ток должен расти пропорционально площади контакта,т.е. так,чтобы плотность тока /и соответственно высота барьера/ оставалась постоянной,что противоречит результатам. Кроме того,с позиций однородной модели трудно понять зависимость напряжения пробоя от площади контакта. Из неоднородной модели следует,что КМП нужно рассматривать как параллельное соединение многочисленных элементарных контактов, имекнцих различные параметры. При помощи этой модели можно успешно объяснить деградацию вольтамперной характеристики,т.е. появление избыточного тока при низких напряжениях и температурах в прямом направлении. Деградация ВАХ полупроводниковых приборов,в частности,диодов Шоттки,в последние годы интенсивно изучается /1,26,69,89-1057. Однако,сущность физических процессов,происходящих на деградирующих участках вольтамперных характеристик приборов,до сих пор непонятна. Поэтому целью данного параграфа является получение и объяснение деградированной ВАХ. Деградированная вольтамперная характеристика создавалась искусственно следующим образом: в качестве исходного диода выбирался диод с почти идеальной ВАХ,затем при помощи идентера /прибор микротвёрдости ІШТ - 3/ создавались дефекты,в результате чего вольтамперная характеристика диодов Шоттки деградировала. Эксперимент для каждого диода и груза проводился более 10 раз, получались усреднённые значения j y, и fig ,где , Inp/ jr при напряжении 0,1 В, a / = l0sj J0S. ПРИ напряжении 0,5 В, 1гц ъ Inf. соответственно,значения прямых токов до и после механического одноосного давления на ГР КМП в прямом направлении IoS. и I0t соответственно,в обратном направлении. На рис.4.I и 4.2 показаны результаты этих экспериментов. Как видно из рис.4.1,а иб, ,отражающее степень деградации,уменьшается с увеличением толщины алюминия в прямом и обратном направлениях, причём, в прямом направлении с увеличением dj J2 уменьшается быстрее,чем в обратном направлении. Как видно из рис.4.2, а и:6, 3 также зависит от величины грузар(г)\ с увеличением величины груза р(г) Й увеличивается. На рис.4.3 показана типичная температурная зависимость деградированных вольтамперных характеристик диодов Шоттки,полученных указанным методом. Можно заметить,что при высоких температурах / » 120С/ деградация прямой ветви ВАХ исчезает. Ясно,что деградация ВАХ сильно зависит от температуры и напряжения.Например, при прямом напряжении,большем,чем 0,4 В,деградация исчезает. На рис.4.4 показано влияние термоотжига на деградированную ВАХ ДШ. В данном случае эксперименты проводились на диодах Шоттки,которые имеют (У ==1400 мкм , (щ =1,2 мкм, р =20 г. Термоотжиг проводился при температуре 450С в течение 30 мин. После отжига пластинка медленно охлаждалась /охлаждение проводилось от 550С до 380С за 12 мин./. Термоотжиг проводился в ампуле со степенью вакуума 10 Па. На рис. ясно видно,что после отжига деградация вольтамперной характеристики,диодов Шоттки почти исчезает как в прямом,так и в обратном направлениях.Источники неоднородности границы раздела
Технология изготовления
.Влияние площади НМЛ на свойства (M+
Влияние одноосного давления на свойства диодов Шоттки
Похожие диссертации на Электрические свойства неоднородных контактов Al+
![Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1](/i/i/4447/279640.png "Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1 Королев Константин Геннадьевич")
