Способ формирования омических контактов к кремнию на основе двухслойной системы металлизации Ti/Au Российский патент 2023 года по МПК H01L21/28 H01L31/18 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для формирования омических контактов в кремниевых приборах, в которых требуется обеспечить малое последовательное сопротивление. К такому классу приборов относятся фоточувствительные элементы, работающие в фотовольтаическом режиме, ограничительные диоды, выпрямители, солнечные элементы и др.

Задачей заявляемого изобретения является формирование омических контактов с малым значением удельного сопротивления контакта, обеспечивающего требуемую величину последовательного сопротивления, и ведет к увеличению процента выхода годных приборов.

Последовательное сопротивление p-n-перехода определяется суммой омических сопротивлений n- и р- областей и контактов к ним [A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды - М.: Физматкнига, 2011]. Как правило, сопротивления n- и р- областей минимизируются выбором толщин областей и уровнем концентрации примесей в них. Сопротивления контактов зависят от выбора материалов, использующихся для металлизации, и способа формирования контакта.

Известно использование алюминия для формирования омических контактов в технологиях изготовления кремниевых приборов [А.И. Курносов, В.В. Юдин Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем - М.: Высш. школа, 1979, 367 с.] посредством напыления алюминия толщиной порядка 1 мкм, выделения контактных площадок фотолитографическим методом и вжигания алюминия в температурном диапазоне 470-550°С.

Недостатком использования алюминия является его несоответствие ряду требований по надежности при воздействии специальных внешних факторов, накладываемых на приборы особого назначения.

В приборах повышенной надежности используются, как правило, контактные площадки, состоящие из нескольких слоев различных материалов. В качестве контактного (адгезионного) слоя могут быть использованы хром, титан, молибден, никель. Титан часто применяется в качестве контактного подслоя. Он обладает хорошей адгезией к кремнию и двуокиси кремния, способен, как и алюминий, восстанавливать SiO₂, не образует интерметаллических соединений [Л.А. Коледов Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок - М.: Радио и связь, 1989, стр. 75-76].

Проводящий слой, наносимый поверх контактного, должен иметь низкое удельное сопротивление и обеспечивать качественное подсоединение внешних выводов с помощью золотых проволочек. Таким материалом является золото [Л.А. Коледов Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок - М. Радио и связь, 1989, стр. 78].

С учетом вышеизложенного была выбрана двухслойная система металлизации Ti/Au с толщинами пленок 0,02 мкм и 0,5 мкм соответственно.

Решение задачи изобретения состоит в формирования омических контактов к кремнию на основе двухслойной системы металлизации Ti/Au, включающем вакуумное напыление двухслойной системы металлизации, состоящей из пленок Ti (0,02 мкм)/Au (0,5 мкм), выделение рисунка контактов фотолитографическим методом, быстрый термический отжиг в атмосфере водорода Н₂ при температуре 340°С в течение 20 с.

Для определения удельного сопротивления контакта Si/Ti/Au был применен LTLM-метод с одинаковыми прямоугольными контактами к полупроводнику [Р.Б. Бурлаков «К вопросу об определении удельного контактного сопротивления TLM-методом с прямоугольными контактами к полупроводникам» / Вестник Омского университета. - 2018.]. Тестовый образец состоял из пластины монокристаллического кремния n-типа проводимости диаметром 60 мм, легированной бором методом ионной имплантации с энергией 100 кэВ и дозой 6,0⋅10¹⁴ см^-2. Одинаковые прямоугольные контактные площадки, расположенные на разных расстояниях друг от друга (от 10 мкм до 550 мкм), формировались методом вакуумного напыления пленок Ti (0,02 мкм)/Au (0,5 мкм) с последующим процессом фотолитографии.

Линейная аппроксимация зависимости измеренного сопротивления от расстояния между контактными площадками позволяет определить значение удельного контактного сопротивления по следующим выражениям (1) и (2):

где R_c - сопротивление контакта;

R_s - сопротивление объема полупроводника;

L - расстояние между контактными площадками;

Z - ширина контактной площадки.

На фиг. 1 представлена ВАХ контакта непосредственно после напыления Ti/Au и последующей фотолитографии. Из рисунка следует, что ВАХ контакта нелинейна даже при малых напряжениях.

С целью уменьшения удельного сопротивления контакта был проведен ряд термических отжигов в термостате в температурном диапазоне (300-400)°С в течение 30 минут каждый.

В результате оказалось, что отжиги при температуре ниже 340°С не приводили к изменению ВАХ, а начиная с температуры 340°С и выше наблюдалось отслоение пленки золота от титана (вероятно, из-за разницы коэффициентов линейного расширения пленок золота и титана), хотя ВАХ приобретала линейный характер. Уменьшение времени отжига до 10 минут не сняло проблему отслаивания пленки золота.

С целью дальнейшего сокращения времени термообработки был применен метод быстрого термического отжига (БТО). Отжиг осуществлялся в атмосфере водорода Н₂ при температуре 340°С и трех различных длительностях процесса - 10 с, 20 с и 30 с. После БТО вольт-амперная характеристика оказалась симметрична и линейна в значительно большем диапазоне напряжений (фиг. 2).

По результатам измерений LTLM-методом в соответствии с формулами (1) и (2) были определены следующие удельные сопротивления контактов: ρ_{с 10 с}=9⋅10^-3 Ом⋅см²,

ρ_{с 20 с}=7⋅10^-3 Ом⋅см² и ρ_{с 30 с}=7⋅10^-3 Ом⋅см².

Таким образом, метод быстрого термического отжига может быть использован для получения омического контакта к кремнию двухслойной системы металлизации Ti/Au.

Пример осуществления.

Ограничительный р⁺-n диод, изготовленный на основе кремниевой эпитаксиальной структуры n/n⁺, имеет малую площадь контакта к р⁺-области, типично 0,002 мм². Согласно техническим требованиям, предъявляемых к диоду, его последовательное сопротивление не должно превышать 0,8 кОм. Процент выхода годных диодов составляет ≈ 75%.

С целью определения влияния сопротивления контакта Ti/Au на последовательное сопротивление диода была изготовлена партия ограничительных диодов с последующим БТО в атмосфере водорода Н₂ при температуре 340°С в течение 20 с, поскольку при большей длительности процесса значение удельного контактного сопротивления практически не меняется. На фиг. 3 показана измеренная прямая ветка ВАХ диода непосредственно после напыления Ti/Au и проведения фотолитографии, на фиг 4. - ВАХ того же диода после БТО в атмосфере водорода Н₂ при температуре 340°С в течение 20 с. Из приведенных ВАХ следует, что последовательное сопротивление ограничительного диода до отжига составляет примерно 1,2 кОм, а после - 0,7 кОм. Процент выхода годных диодов в партии составил 90%.

Таким образом, предлагаемый способ формирования омических контактов позволяет получать малое значение удельного сопротивления контакта, обеспечивающего требуемую величину последовательного сопротивления ограничительного диода, и ведет к увеличению процента выхода годных приборов.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для формирования омических контактов в кремниевых приборах, например, приборов, к которым относятся фоточувствительные элементы, работающие в фотовольтаическом режиме, ограничительные диоды, выпрямители, солнечные элементы и др. Формирование омических контактов к кремнию на основе двухслойной системы металлизации Ti/Au включает вакуумное напыление двухслойной системы металлизации, состоящей из пленок Ti 0,02 мкм и Au 0,5 мкм, выделение рисунка контактов фотолитографическим методом и быстрый термический отжиг в атмосфере водорода Н₂ при температуре 340°С в течение 20 с. Изобретение обеспечивает возможность формирования омических контактов с малым значением удельного сопротивления контакта, обеспечивающего требуемую величину последовательного сопротивления, что обеспечивает увеличение процента выхода годных приборов. 4 ил.

Способ формирования омических контактов к кремнию на основе двухслойной системы металлизации Ti/Au, включающий вакуумное напыление двухслойной системы металлизации, состоящей из пленок Ti 0,02 мкм и Au 0,5 мкм, выделение рисунка контактов фотолитографическим методом, отличающийся тем, что с целью уменьшения удельного сопротивления контакта проводится быстрый термический отжиг в атмосфере водорода Н₂ при температуре 340°С в течение 20 с.