Содержание к диссертации
Введение
1 Модель омріческого контакта металл-полупроводник 9
1.1 Физическая модель контакта металла с полупроводником 9
1.2 Роль поверхностных состояний. Реальные переходы металл -полупроводник 13
1.3 Модель омического контакта металл - полупроводник 16
1.4. Методы измерения удельного переходного сопротивления омических контактов 26
1.4.1 Удельное переходное сопротивление омического контакта 26
1.4.2 Методы измерения удельного переходного сопротивления омических контактов 27
1.5 Анализ омических контактов к карбиду кремния 31
Выводы к разделу 1 40
2 Характеристика гетероструктуры 3c-sic/siи ее влияние на контактную систему металл-полупроводник 41
2.1 Диффузионная технология создания гетероэпитаксиальных структур ЗС-SiC/Si с использованием твердофазного кремния и углерода 41
2.2 Морфология поверхности гетероэпитаксиальных пленок ЗС-SiC/Si 48
2.3 Рентгеноструктурный анализ гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC/Si...52
2.4 Электронографические исследования гетероэпитаксиальных пленок ЗС-SiC/Si 54
2.5 Химический анализ состава гетероэпитаксиальных слоев ЗС-SiC/Si 57
2.5.1 Методика проведения количественного анализа состава 57
2.5.2 Количественный анализ состава гетероэпитаксиальных пленок ЗС-SiC/Si 60
2.6 Гетеропереходы в системе карбид кремния 66
2.6.1 Расчет параметров энергетической диаграммы анизотипного гетероперехода n-SiC/p-Si 67
2.6.2 Расчет параметров энергетической диаграммы анизотипного гетероперехода p-SiC/n-Si 74
2.6.3 Электрофизические свойства гетеропереходов n-SiC/p-Si 76
Выводы к разделу 2 84
3 Структурные исследования системы контакт-гетероструктура B-SIC-SI 85
3.1 Технологические операции формирования топологии контактных площадок к гетероструктурам SiC/Si 85
3.1.1 Магнетронное распыление 86
3.1.2 Фотолитография по металлу 87
3.2 Анализ контактных систем Ni, Ni-Si, используемых для контактов к гетероструктурам (З-n-SiC/p-Si 88
3.2.1 Влияние морфологии поверхности на поведение ВАХ 90
Выводы к разделу 3 94
4 Методика исследования контактных систем NI, NI-SIК В-N-SIC/P-SIИ анализ результатов 95
4.1 Омические контакты к гетероструктурам p-n-SiC/p-Si 96
4.1.1 Исследование зависимости удельного переходного сопротивления от различных параметров 98
4.1.2 Зависимость морфологии контакта от термообработки 107
4.1.3 Температурные ВАХ контактных систем Ni, (Ni-Si)-|3-n-SiC/p-Si 108
4.2 Расчетно-статистический метод измерения сопротивления омических контактов к SiC
4.3 Исследование стабильности свойств омических контактов к SiC 113
Выводы к разделу 4 115
Заключение 116
Список использованных источников 118
Приложение
- Роль поверхностных состояний. Реальные переходы металл -полупроводник
- Морфология поверхности гетероэпитаксиальных пленок ЗС-SiC/Si
- Магнетронное распыление
- Исследование зависимости удельного переходного сопротивления от различных параметров
Введение к работе
Актуальность темы.
Современная полупроводниковая электроника в значительной степени базируется на использовании гетеропереходов[1,2,3], как более общего типа переходов в полупроводниках. Это связано с возможностью управления в полупроводниковых приборах шириной запрещенной зоны и другими свойствами полупроводника. Применение гетеропереходов позволяет существенно улучшить основные параметры полупроводниковых приборов: такие как мощность, чувствительность, КПД, рабочие частоты и т.д. В ряде случаев, использование гетеропереходов дает возможность создания новых типов приборов. Естественно, что создание новых элементов с более высокими параметрами открывает новые возможности для микроэлектроники.
Высокотемпературная и радиационно-устойчивая полупроводниковая микроэлектроника становится самостоятельной ветвью развития твердотельной электроники, востребованной атомно-энергетическим комплексом, а именно, в датчиках автоматизированных систем управления. Одним из немногих материалов, способных надежно работать в экстремальных условиях является полупроводниковый карбид кремния в силу своих уникальных электрофизических свойств. Кроме того, можно достичь существенного расширения круга материалов электронной техники, создавая на их основе гетероэпитаксиальные структуры типа: кремний - карбид кремния[4-16].
Технологические подходы к получению полупроводниковых структур на основе монокристаллических подложек SiC и на основе гетероструктур на кремниевых подложках разнообразны. Кроме того, технологический фактор определяющим образом влияет на возможности разработки определенного класса приборов, а также на электрофизические характеристики омических контактов для функциональных элементов этих приборов. Основная причина и проблема заключается в том, что технология определяет физический механизм роста, а последний влияет на дефектообразование. Известны аналогичные исследования, выполненные для структур и гетероструктур, полученных соответственно методом сублимации и CVD - методом, но особенности данного процесса делают исследования актуальными как в теоретическом, так и в прикладном плане.
Большой интерес к исследованию свойств омических контактов к структурам на основе карбида кремния обусловлен как возможностью создания на их основе высокотемпературных, радиационно-устойчивых приборов электронной техники различного назначения[17,18], так и тем, что они позволяют изучать свойства и другие характеристики полупроводниковых структур.
Целью работы является исследование свойств омических контактов к эпитаксиальным пленкам ЗС-SiC, полученных на кремниевых подложках химическим газотранспортным методом.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи исследования:
1. Определить атомно-кристаллическую, морфологическую структуры и количественный состав гетероэпитаксиальных пленок карбида кремния как составной части системы контакт-полупроводник;
2. Выбор модели и расчет энергетической зонной диаграммы для анизотипных гетеропеходов;
3. Исследовать особенности электрофизических свойств гетеропереходов ЗС-п-SiC/p-Si, полученных диффузионным методом из неограниченного источника;
4. Разработать методику формирования омических контактов к гетероструктурам (З-n-SiC/p-Si, работоспособных при высоких при высоких температурах (до 550 °С);
5. Изготовить и исследовать свойства контактных систем Ni, (Ni-Si) к (3-n-SiC/p-Si.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
В представленной работе впервые проведен комплексный анализ свойств гетероэпитаксиальной структуры (З-n-SiC/p-Si. Установлено, что морфология поверхности влияет на контактное сопротивление. Высокое значение шероховатости поверхности увеличивает область контакта, что приводит к уменьшению контактного сопротивления.
Получены омические контакты к гетероструктурам ЗС-n-SiC/p-Si с низким контактным сопротивлением (для системы Ni-n-SiC рс=7-10" Ом-см ), работающие вплоть до температуры 5 50°С
Разработана технология изготовления омических контактов на основе Ni к эпитаксиальным пленкам ЗС-n-SiC. Проведены структурные исследования контактных систем Ni, Ni-Si к эпитаксиальным пленкам ЗС-n-SiC. Показано, что после отжига образцов при температуре 800 С в контактном слое формируются две различные фазы силицида никеля NiSi и NiSi2. Зависимость удельного контактного сопротивления от температуры термообработки для контактов к ЗС-n-SiC/p-Si обладает явно выраженным минимумом при температуре термообработки 1200°С.
Исследования термостойкости контактов показали, что контактная система (Si-Ni)-n-SiC/p-Si является стабильной.
Практическая ценность работы. Полученные данные о параметрах и свойствам омических контактов к гетероэпитаксиальным структурам ЗС-п-SiC/p-Si могут использоваться как при разработке высокотемпературных, радиационно-устойчивых приборов электронной техники различного назначения, так и при изучении свойств и других характеристик полупроводниковых структур.
Экспериментальные исследования электрофизических свойств контактной системы показали, что при отжига до 750 С В АХ имеет нелинейный вид, обусловленный наличием барьера Шоттки на границе раздела металл-полупроводник. После термообработки при температуре выше 750 С В АХ имеет линейный вид. Это необходимо учитывать при выборе типа контакта.
Анализ состава по толщине контакта никеля к SiC после напыления и отжига показал, что при отжиге происходит взаимное проникновение никеля и карбида кремния. Никель взаимодействует с кремнием с образованием силицидов вида Ni2Si. Образование Ni2Si играет важную роль в формировании омического контакта п-типу SiC. При образовании силицида по реакции 2Ni +Si=Ni2Si из-за отклонения от стехиометрического состава на поверхности выделяется свободный углерод, который ухудшает адгезию.
Исследована зависимость удельного переходного сопротивления омических контактов от температуры в интервале 20°С - 550°С, которая показала, что заметных изменений их свойств не наблюдается.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Гетероэпитаксиальные пленки ЗС-n-SiC на Si, полученные диффузионным методом из неограниченного источника, являются монокристаллическими, морфология поверхности пленок зеркальная, состав гетероэпитаксиальных пленок SiC по толщине близок к стехиометрическому. Концентрация примесей в пленках составляет 10 см .
2. Применение зонной диаграммы гетероструктур P-SiC/Si, рассчитанной с использованием экспериментально определенных значений концентраций примесей исследуемых пленок SiC для случая резкого р-п-перехода и в отсутствии состояний на границе раздела полупроводников, для моделирования электрофизических параметров гетероструктуры.
3. Образование двух фаз силицида никеля NiSi и NiSi2 в контактном слое (Ni-Si)-p-n-SiC/p-Si после отжига при температуре 1000 °С, которые способствуют оптимизации удельного переходного сопротивления.
4. Стабильность омических контактов на основе системы (Si-Ni) к гетероструктуре ЗС-n-SiC/p-Si в области температур до 550 °С.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной конференции «Кремний-2003» (Москва, 2003 г.), V международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2003 г.), V Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2003), III International interdisciplinary scientific conference NBATT-21 (Петрозаводск, 2004 г.), V международной многопрофильной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004 г.), международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса (Components of scientific and technical progress)» (Тамбов, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Датчики и системы-2005» (Пенза, 2005 г.), Первом международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2005 г.), V Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2005» (Москва, 2005 г.), IV межрегиональной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2005 г.), VIII международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2006 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 статей, 15 докладов на научно-технических конференциях и семинарах. 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 152 наименований, содержит 45 рисунков, 6 таблиц. Общий объем диссертации составляет 133 стр.
Роль поверхностных состояний. Реальные переходы металл -полупроводник
Описанная выше теория переходов Me - полупроводник является ясной, логичной и содержательной теорией, вытекающей из развитой ранее физической картины. У неё есть, однако, один большой недостаток - она не согласуется с результатами экспериментов, которые свидетельствуют о том, что любые переходы Me - полупроводник являются выпрямительными, независимо от относительных значений работ выхода. Это не значит непременно, что теория ошибочна. Такое расхождение может вызываться конкретным физическим способом выполнения перехода. На практике чистые соприкасающиеся поверхности могут быть покрыты слоями оксида, а кристаллическая структура может оказаться неидеальной. Это служит одной из причин различия свойств "реальных" и "теоретических" переходов. Другая причина может состоять в том, что теория неадекватна как таковая и, для достижения лучшего согласия с экспериментом, необходимо принять во внимание ряд неучтённых до сих пор обстоятельств.
Используем предположение о конечности образца. Во всех моделях, приводивших к зонным картинам, кристалл считается идеально периодическим и поэтому потенциал также рассматривается как идеальная периодическая функция. Это предположение перестаёт быть справедливым на поверхности.
Каждая ступенька в кривой, отображающей потенциал, должна отличаться от остальных ступенек. Поэтому профиль потенциала в твёрдом теле следует изображать скорее так, как это показано на рисунке 1.2. Показано, что наличие такого потенциального барьера приводит к возникновению дополнительных дискретных энергетических уровней в запрещённой зоне, которые обычно называют поверхностными состояниями [30].
Предположим теперь, что в полупроводнике п - типа электроны вместо того, чтобы свободно бродить повсюду, могут занимать некоторые из этих поверхностных состояний. За счёт этого некоторые донорные атомы имеют некомпенсированные положительные заряды, что ведёт к "изгибу энергетических зон", как это показано на рисунке 1.3. Так что потенциальный барьер готов уже до того, как мы собрались осуществить контакт полупроводника с металлом. Рассмотрим случай, когда металл имеет более низкое значение работы выхода и, в соответствии с развитой выше теорией переход не обладает выпрямляющими свойствами. При этом, как мы обсуждали ранее, электроны должны перемещаться из металла в полупроводник до тех пор, пока не установится равновесие. Однако если имеется достаточное число незаполненных поверхностных уровней, то ё будут занимать их независимо от высоты потенциального барьера. Поэтому потенциальный барьер продолжает существовать и переход проявляет выпрямляющие свойства.
На практике оценить вклад этих "теоретических" поверхностных состояний (называемых также таммовскими состояниями) довольно трудно. Дело в том, что помимо них здесь имеются поверхностные дефекты кристаллической структуры, в равной степени способные улавливать электроны. Однако со всей определённостью можно утверждать, что одинаковость свойств всех реальных переходов металл - полупроводник обусловлена именно поверхностными дефектами [20].
Теперь перейдём к омическим контактам, свойства которых не зависят от полярности приложенного напряжения. Создать такой контакт непросто. Наиболее распространены следующее: 1. Для выполнения контакта создают спав некоторых металлов (например, In, Au, Sn), которые диффундируют через границу раздела и образуют плавный переход; 2. Между металлом и полупроводником создают область сильно легированного полупроводника с концентрацией около 10 м" (обычно её называют п+ или р+ - областью). Омические контакты металл - полупроводник применяются в полупроводниковых приборах или при исследованиях полупроводниковых материалов для подведения электрического тока или напряжения. Основное требование к омическим контактам заключается в том, чтобы они не искажали работу исследуемой системы, либо не мешали работе полупроводникового прибора [19]. Это требование сводится к тому, что В АХ системы, включающей полупроводник и контакт металл - полупроводник, должна быть линейной (отсюда и определение этих контактов - омические), а сам контакт не должен вносить заметного дополнительного сопротивления.
Морфология поверхности гетероэпитаксиальных пленок ЗС-SiC/Si
Для детального исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Методы, основанные на увеличении изображения с помощью увеличительных линз и оптических микроскопов ведут свое начало с конца 17 столетиях [126]. Уже в 20 веке были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков [127].
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — недавнее изобретение, основанное на использовании механического зонда для получения увеличенных изображений поверхности [128]. Этим методом можно получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением вплоть до долей ангстрема. В конструкцию СЗМ входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений .
Главной частью микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением. Эти сенсоры обычно позволяют измерять расстояния с точностью 0,01 nm. Основными видами сенсоров являются туннельный и атомно-силовой.
Основным элементом атомно-силового сенсора является кантилевер (консоль), представляющий собой пружину с малой жесткостью (10-0,01 Н/м). Принцип действия силового сенсора основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В атомно-силовом микроскопе (Atomic Force Microscope — AFM) такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею остриё. При изменении силы, действующей между поверхностью и остриём, кантилевер, на котором оно закреплено, отклоняется от положения равновесия, и такое отклонение регистрируется датчиком положения кантилевера. Таким образом, атомно-силовой сенсор представляет собой механический зонд, аналогичный обычному механическому профилометру, однако его чувствительность настолько высока, что позволяет регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Система ОС СЗМ сконструирована так, чтобы обеспечить возможность намеренного изменения ее параметров. В современных СЗМ применяются цифровые и аналоговые системы ОС. Конкретные значения PID (Обозначения констант происходят от соответствующих англоязычных терминов Proportional, Integral и Differential.) зависят от особенностей конструкции конкретного СЗМ (конструкции и характеристик сканера, кантилевера и усилителей, а также особенностей конкретного алгоритма, используемого для обработки входного сигнала в цифровой системе ОС и т.д.), режима работы СЗМ (значений Vs, размера скана, скорости сканирования и т.п.), а также особенностей исследуемой поверхности (степень шероховатости, масштаб особенностей топографии, твердость материала и пр.). Т.о., для обеспечения достоверности и воспроизводимости топографических данных требуется тщательная подборка оптимальных значений PID для каждого конкретного случая. Большое количество факторов, которые необходимо принимать при этом в расчет, не позволяет дать конкретный рецепт для подбора оптимальных значений PID.
Метод рентгеновской дифракции широко используется для структурного исследования кристаллов, поскольку он является неразрушающим и позволяет исследовать структурные характеристики без специальной подготовки образцов или предварительной обработки их поверхности. Метод дает возможность исследовать структуру каждого слоя пленки и подложки, не разрушая при этом композиции. Сущность рентгеноструктурного анализа заключается в получении и анализе дифракционной картины, возникающей в результате интерференции рентгеновских лучей (РЛ), рассеянных электронами атомов облучаемого образца.
В рентгеновском дифрактометре регистрация дифракционной картины осуществлялась с помощью счетчика квантов рентгеновского излучения. Полученная зависимость интенсивности рассеяния излучения от угла дифракции называется дифрактограммой, а метод получения такой зависимости - дифрактометрическим.
При регистрации дифрактограммы на диаграммную ленту электронного потенциометра держатель образца и счетчик совместно и непрерывно поворачивались вокруг оси гониометра с заданной угловой скоростью (от 1/32 до 16/мин). Дифрактограммы были получены для углов 29 в диапазоне 20-И 00, в котором интенсивность рассеянных РЛ от пленки наибольшая [129].
Движущиеся электроны обладают волновыми свойствами, т.е. способны дифрагировать. Явление дифракции электронных лучей применяется в электронографии для изучения атомно-кристаллического строения вещества. Важным преимуществом электронографического метода по сравнению с рентгенографическим методом является возможность получения резких и интенсивных рефлексов при очень малых размерах кристаллов и при небольших количествах вещества в связи с малостью длины волны и сильным взаимодействием электронов с веществом. Вместе с тем эти обстоятельства приводят к высоким требованиям чистоты исследуемого объекта, поскольку тончайшие загрязнения на поверхности объекта могут дать собственную дифракционную картину. Электронографические исследования являются неразрушающими и дают информацию о качестве очень тонких пленок (толщиной порядка 0,01- 0,1 мкм) и поверхностных слоев массивных образцов. В электронографии существует два метода исследования: метод дифракции электронов «на просвет» (прохождение электронного пучка через исследуемый образец) и метод дифракции электронов «на отражение» (отражение электронного пучка от поверхности образца).
Наиболее удобным для исследования пленок ЗС-SiC на подложке Si является метод дифракции «на отражение», так как данный метод позволяет изучить структуру пленки без разрушения ее связи с подложкой, дает возможность косвенно оценить толщину выращенной пленки. Кроме того, при использовании метода дифракции «на отражение» имеется возможность изучения всей обратной решетки образца посредством вращения его вокруг нормали к отражающей поверхности.
Магнетронное распыление
Для получения топологии контактных площадок применялась фотолитография по металлу. Для формирования защитного слоя использовался позитивный фоторезист ФП-9120 обеспечивающий получение пленки толщиной 0,3-0,5 мкм при нанесении методом центрифугирования со скоростью вращения 900 об/мин.
Важную роль в процессе образования пленки фоторезиста играет испарение растворителя. Согласно качественной модели, при отложении полимера из разбавленного раствора на поверхности подложки закрепляется небольшое число наиболее активных групп макромолекулы полимера. Сами молекулы выстраиваются над поверхностью таким образом, что незакрепленные сегменты цепи направлены в раствор. Таким образом, для ориентированной укладки полимерных цепей необходима определенная низкотемпературная выдержка. Содержание оставшегося в слое растворителя зависит в основном от температуры сушки. Даже длительная сушка при комнатной температуре не удаляет связанный растворитель. Предельная температура сушки для используемого фоторезиста около 140 С. Экспонирование фоторезиста осуществлялось источником ультрафиолетового излучения контактным способом через эмульсионный фотошаблон, изготовленный на растровом фотоплоттере. Время экспозиции подбиралось экспериментально в зависимости от толщины слоя фоторезиста. Проявление изображения проводилось 0,6% растворе КОН при температуре 20±5 С. Удаление никеля с незащищенных участков производилось в травителе на основе ортофосфорной, азотной и уксусной кислот. После этого образцы подвергались отжигу в вакууме при различных температурах 600 - 1200 С. После травления металла фоторезист удалялся путем нагрева подложки до 500 С. Для получения топологии контактных площадок применялась фотолитография по металлу. Для формирования защитного слоя использовался позитивный фоторезист ФП-9120 обеспечивающий получение пленки толщиной 0,3-0,5 мкм при нанесении методом центрифугирования со скоростью вращения 900 об/мин.
Важную роль в процессе образования пленки фоторезиста играет испарение растворителя. Согласно качественной модели, при отложении полимера из разбавленного раствора на поверхности подложки закрепляется небольшое число наиболее активных групп макромолекулы полимера. Сами молекулы выстраиваются над поверхностью таким образом, что незакрепленные сегменты цепи направлены в раствор. Таким образом, для ориентированной укладки полимерных цепей необходима определенная низкотемпературная выдержка. Содержание оставшегося в слое растворителя зависит в основном от температуры сушки. Даже длительная сушка при комнатной температуре не удаляет связанный растворитель. Предельная температура сушки для используемого фоторезиста около 140 С.
Экспонирование фоторезиста осуществлялось источником ультрафиолетового излучения контактным способом через эмульсионный фотошаблон, изготовленный на растровом фотоплоттере. Время экспозиции подбиралось экспериментально в зависимости от толщины слоя фоторезиста. Проявление изображения проводилось 0,6% растворе КОН при температуре 20±5 С. Удаление никеля с незащищенных участков производилось в травителе на основе ортофосфорной, азотной и уксусной кислот. После этого образцы подвергались отжигу в вакууме при различных температурах 600 - 1200 С. После травления металла фоторезист удалялся путем нагрева подложки до 500 С. К гетероструктурам изготавливались омические контакты на основе Ni, и Ni-Si. Омические контакты на основе никеля были изготовлены к эпитаксиальным слоям ЗС-SiC толщиной 2 мкм, выращенным на кремниевой подложке. До формирования контакта подложка очищалась по методу Huang[]. В методе Huang используются химические растворы NH40H:H202:H20 = 1:1:5 при 75 С в течение 10 минут и НС1:Н202:Н20= 1:1:5 при 75 С в течение 10 минут, далее окисел травился с помощью буферного травителя. После каждого травителя образец промывался в деионизованной воде. Далее методом магнетронного испарения в плазме аргоны при остаточном давлении 10"6 торр изготавливались структуры Ni/Si/Ni. Толщина пленок Si составила 100 нм, Ni - 200 и 300 нм соответственно.
Удельное переходное сопротивление омического контакта на основе никеля к (З-SiC было измерено TLM методом[151]. Были проведены исследования количественного состава пленок на основе никеля на гетероструктурах P-SiC-Si методами рентгеноструктурного анализа и оже-спектроскопии. На рисунке 3.1. приведены результаты рентгеновской дифракции, которые показывают формирование силицидов никеля в контактном слое после отжига образцов при температуре 800 С. Две различные фазы силицида никеля NiSi и NiSi2 представлены на рисунке 3.1. Методом электронной оже-спектроскопии определены концентрационные профили системы Ni/Si/Ni. После отжига при температуре около 800 С наблюдалась реакция поверхностей Si/Ni, которая является результатом взаимодиффузии двух элементов, указывая на появление фазы NiSix. В системе Ni/Si/Ni концентрация Si постепенно возрастает по глубине уровня металла как показано на рисунке 3.2.
Исследование зависимости удельного переходного сопротивления от различных параметров
Наиболее широко применяемым методом создания омических контактов к широкозонным полупроводникам является метод магнетронного напыления. Контакты к эпитаксиальным слоям ЗС-n-SiC метод магнетронного напыления (Р=10"5 Па). Толщина осажденных металлических слоев составляла 0,3-0,5 мкм. Исследование зависимости удельного переходного сопротивления контактов металл-SiC от температуры термообработки в течении 10 минут показало наличие минимума при температуре 1000С (рисунок 4.1). Вольт-амперная характеристика становится линейной только после термообработки при температурах выше 700С. Наименьшее контактное сопротивление получено для систем Ni-n-SiC (рс=7-10 Ом-см). Уменьшение контактного сопротивления после термообработки при температуре выше 700С обусловлено легированием ЗС-SiC из контактного материала Ni и образованием под контактом обогащенного слоя т.е. образованием структуры типа Ме-п+-п. Зависимость удельного контактного сопротивления от температуры термообработки для контактов к 3C-n-SiC/p-Si обладает явно выраженным минимумом при температуре термообработки 1200С. Наиболее низкие сопротивления получены для системы Ni-Si, что объясняется связыванием свободного углерода с кремнием из контакта. Это создает лучшую адгезию и контактные системы с полупроводником.
Высота барьера на контакте металл-полупроводник при наличии поверхностных состояний на полупроводнике прямо пропорциональна ширине запрещенной зоны ((pb Eg). Оценивая полученное значение характеристической энергией Е0, можно предположить, что под контактом концентрация носителей заряда достигает значения до 10 см" . Как отмечалось выше, это обусловлено легированием поверхности эпитаксиальной пленки Ni из контактного материала. Это и приводит к туннельному механизму переноса тока через контакт.
Основной предпосылкой для использования этого метода является достаточная однородность эпитаксиальной пленки, которая обуславливает предполагаемую электрическую идентичность контактов 1 и 2.
При сохранении достаточного отношения расстояний между контактами di2, dn к их собственному размеру, можно предположить, что сопротивление полупроводника (Rs) между контактами 1 и 2 будет одинаковым, как в случае, когда включен контакт 2, так и в случае, когда включен контакт 3. При этом источник постоянного тока соединен с образцом при помощи контакта 1.
Сразу после напыления рассмотренные выше контакты к пленкам карбида кремния имели выпрямляющие свойства. После термообработки при соответствующих температурах наблюдается уменьшение контактного сопротивления. Из определенного значения рс и зависимости рс(1) следует также, что без термообработки рассмотренные контакты являются выпрямляющими (кривая 1), а после термообработки они становятся омическими (кривая 2) и удовлетворяют требованиям, предъявляемым им в технологии полупроводников.
Для контактов из Ni, Сг, к n-SiC понижение контактного сопротивления с термообработкой обусловлено взаимодействием контактных материалов с карбидом кремния и образованием на контакте силицидов этих металлов. Увеличение контактного сопротивления при дальнейшем повышении температуры термообработки выше 1000С некоторые авторы работ связывают с обеднением поверхности полупроводника основной легирующей примесью из-за обратной его диффузии и диссоциацией полупроводникового соединения при высоких температурах термообработки. Также в литературе сообщается, что при термообработке на границе контакта образуется переходной слой, содержащий соединения типа Ni2Si для контакта Ni-nSiC. Однако при этом адгезия и прочность контактной системы ухудшается. Видимо при этих температурах образование силицидов на поверхности SiC приводит к диссоциации соединения и появлению на поверхности полупроводника свободного углерода. Видимо, свойства переходного слоя определяет характер контакта, вид ВАХ и в конечном итоге величину контактного сопротивления. Проведенные исследования позволяют предположить, что процесс образования силицидов никеля на контакте стимулирует диссоциацию SiC и накоплению в области контакта свободного углерода, происходящего с повышением температуры термообработки контактных систем. При этом важно подчеркнуть следующие два момента:
1) появление в области контакта переходных слоев, обогащенных углеродом, способствует образованию омического контакта к карбиду кремния n-типа проводимости с металлическими покрытиями из Ni, Mo, W, Ті и других хотя появляется проблема ухудшения адгезии ;
2) для контактов к карбиду кремния р-типа проводимости избыток углерода в переходном слое, кроме ухудшения адгезии, повышает, также и, контактное сопротивление. Для устранения этих проблем необходимо связывать свободный углерод. Некоторые металлы способны связывать свободный углерод в карбиды, что. в ряде случаев, целесообразно также для формирования омических характеристик контактов к карбиду кремния. Так, если в качестве контактного материала использовать Si или материалы с добавкой кремния, то выпадение углерода можно избежать или, по крайней мере, заметно уменьшить. Нанесение кремния технологично проводить любым из известных способов (напыление в вакууме, пиролитическое разложение и т.д.).
Как отмечалось выше, при термообработке могут образовываться силициды никеля (Ni2Si, NiSi и др.), а на поверхности SiC выделяется свободный углерод, ухудшающий адгезию. Во избежание этого в контактный материал добавили тонкий слой кремния для связывания свободного углерода. Таким образом, получилась многослойная контактная система Si-Ni-nSiC/Si. Увеличение толщины никеля (более 0,5 мкм) приводит к ухудшению адгезии контакта при вжигании (таблица 4.1.). В контактную систему для обогащения поверхности SiC р-типа проводимости основной легирующей примесью добавили алюминий (А1 в SiC является акцептором). Были исследованы системы Al, Al-Ni к p-SiC. Эти многослойные контактные системы имели хорошую адгезию и прочность. Сразу после напыления контакты являются выпрямляющими. Омические контакты к p-SiC образуются только после последующей термообработки при оптимальных режимах.
На зависимости контактного сопротивления от температуры термообработки наблюдается ярко выраженный минимум. Минимальные значения удельных переходных сопротивлений и соответствующие им режимы термообработки контактных систем приведены в таблице 4.2.
Сразу после напыления высота барьера системы (Si-Ni) - nSiC составляет фь=1,12эВ. При увеличении температуры термообработки контактной системы до 500С высота барьера возрастает на 0,04эВ и достигает максимума фь=1,16эВ (рисунок 4.5).
Как отмечалось выше, высота барьера системы металл - SiC слабо зависит от работы выхода электрона из металла и, в основном, определяется плотностью и энергетическим расположением поверхностных состояний в карбиде кремния. Нами было установлено, что высота барьера систем Ni-nSiC и (Si-Ni) - nSiC после длительной выдержки при температуре 600С становится одинаковой.
