СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА Российский патент 2024 года по МПК H01L21/28 B82Y40/00 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления полупроводниковых приборов в части формирования омического контакта к основным неорганическим полупроводникам р-типа проводимости, таким как Si, Ge, A^IIIB^V, A^IIB^VI и другим. Способ может применяться для изготовления контактов к приборным наноструктурам в составе диодов и транзисторов.

Омические контакты являются столь же важными элементами приборов, как и сами полупроводниковые структуры, а их формирование ключевым образом влияет на основные характеристики приборов. Классический подход в создании омического контакта на полупроводнике p-типа заключается в нанесении на полупроводник металла с работой ϕ_m выхода, большей энергии χ_s сродства к электрону полупроводника. Для полупроводников n-типа условие обратное (ϕ_m<χ_s). Однако на практике данное условие оказывается зачастую недостаточным из-за влияния таких плохо контролируемых факторов, как плотность состояний интерфейса полупроводника с металлом и толщина остаточного оксидного слоя. В результате вместо омического контакта формируется контакт Шоттки, характеризующийся высоким потенциальным барьером на интерфейсе. Потенциальный барьер препятствуют прохождению носителей тока через омический контакт. Поэтому в подавляющем большинстве технологий получения омического контакта используют отжиг, или вжигание контакта. С помощью отжига решают сразу две задачи: растворяют оксидный слой и стимулируют взаимную диффузию атомов металла и полупроводника. В результате диффузии и сопутствующих химических реакций образуется переходный слой, который удовлетворяет условию формирования омического контакта, либо является аналогом слоя сильно легированного полупроводника. В первом случае потенциальный барьер радикально понижается, а во втором становится узким и прозрачным для носителей тока. Однако применение отжига невозможно в случае тонких слоев полупроводника из-за их металлизации. Поэтому актуальной является задача разработки способов «холодного» формирования омических контактов.

Известен способ изготовления омического контакта на GaAs n- и р-типов проводимости (А.В. Малевская, В.С. Калиновский, Н.Д. Ильинская, Д.А. Малевский, Е.В. Контрош, М.З. Шварц, В.М. Андреев. - Влияние структуры омических контактов на характеристики GaAs/AlGaAs фотоэлектрических преобразователей. - ЖТФ т. 88, №8, 1211-1215, 2018, DOI: https://doi.org/10.21883/JTF.2018.08.46311.2591), по которому формирование полоскового омического контакта к фронтальному слою p-GaAs осуществляют в несколько этапов. Сначала проводят напыление слоев контактных металлов (например, AgMn/Ni/Au) в высоком вакууме (~5⋅10^-7 Торр). Затем осуществляют вжигание контактов при температуре 360-370°С (температура плавления AuGa) в течение 10-60 с. Применение контактной системы AgMn-Ni-Au позволяет получить низкие значения контактного сопротивления (до 1⋅10^-5 - 1⋅10^-6 Ом⋅см²) к слою GaAs p⁺-типа проводимости. Для увеличения проводимости контактных шин осуществляют электрохимическое утолщение контакта путем осаждения многослойных контактных систем, таких как Au, Ag, Au/Ni/Au, Ag/Ni/Au, Ag/Au/Ag. Нижний слой серебра или золота выполняют толщиной 2-5 мкм, что обеспечивает высокую проводимость контактной шины, средний слой никеля или золота толщиной 0,1-0,2 мкм является барьерным.

Недостатком известного способа получения омического контакта является невозможность его использования в случае предельно тонких слоев полупроводника из-за диффузии атомов металла, приводящей к частичной или полной металлизации полупроводникового слоя. Слабая контролируемость термостимулированной взаимной диффузии слоев металла и полупроводника, особенно в многослойных транзисторных структурах, ухудшает воспроизводимость свойств контакта и всего прибора.

Известен способ изготовления омического контакта (J. Stareev, "Formation of extremely low resistance Ti/Pt/Au ohmic contacts to p-GaAs", Appl. Phys. Lett. 62, 2801,1993; https://doi.org/10.1063/1.109214), в котором многослойные контакты Ti/Pt/Au с сильно легированным полупроводником p⁺-GaAs изготавливают с использованием очистки его поверхности травлением низкоэнергетическими ионами Ar+ (60 эВ) перед осаждением металла. Для восстановления первичных свойств разупорядоченного при ионной бомбардировке приповерхностного слоя применены кратковременные циклы отжига в течение 1 с и 20 с. Отжиг при температуре от 420°С до 530°С позволил сформировать контакт с исключительно низким удельным сопротивлением 2,8⋅10^-8 Ом⋅см². Столь низкое сопротивление контакта связано с доминированием туннельного механизма протекания тока, обеспеченное сильным легированием полупроводника, хотя ионная очистка поверхности сыграла определенную роль. Влияние же ионной модификации было несущественным из-за того, что модифицированный слой был предельно тонким (<0,5 нм), а последующий отжиг устранял дефекты, привнесенные ионной бомбардировкой.

Недостатком известного способа изготовления омического контакта является узкая область применения, ограниченная полупроводником p⁺-GaAs с очень высокой степенью легирования (p⁺~2⋅10²⁰ см^-3), делающей полупроводник в значительной мере вырожденным. Отжиг контакта делает невозможным использование способа в случае предельно тонких слоев полупроводника из-за взаимной диффузии атомов полупроводника и металла.

Известен способ изготовления омического контакта (US 8878245, МПК H01L 29/66, H01L 29/45, H01L 29/778, H01L 29/20, опубл. 04.11.2014), включающий селективное травление полупроводниковой эпитаксиальной структуры с использованием защитной маски для создания контактов в области истока и стока к каналу - нитридному слою транзистора n-типа. Травление может быть химическим, анодным, плазмохимическим или ионным. В вытравленные окна осаждают слой высокодопированного полупроводника n⁺-GaN, а затем напыляют слой металла. Омические свойства контактам придает наличие подслоя высокодопированного полупроводника n⁺-GaN, осаждаемого на протравленные в затворном слое окна. Высоколегированный подслой обеспечивает туннельное прохождение электронов сквозь омический контакт. Достоинством способа является отсутствие отжига, стимулирующего эффективную взаимную диффузию атомов слоев многослойной транзисторной структуры.

Недостатком известного способа является его ограниченное применение, связанное с использованием ростового эпитаксиального процесса, а также трудность получения однородного слоя высокодопированного полупроводника (n⁺-GaN) в микроскопическом окне, что ухудшает воспроизводимость свойств структуры. Также недостаточная точность травления на заданную глубину ограничивает минимальную толщину нитридного слоя - канала.

Известен способ изготовления омического контакта (RU 2426194, МПК H01L 21/28, В82В 3/00, опубл. 10.08.2011), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает предварительную очистку поверхности GaSb p-типа проводимости ионно-плазменным травлением на глубину 5-30 нм с последующим последовательным напылением магнетронным распылением адгезионного слоя титана Ti толщиной 5-30 нм и барьерного слоя платины Pt толщиной 20-100 нм, напылением термическим испарением проводящего слоя серебра Ag толщиной 50-5000 нм и контактирующего с окружающей средой слоя золота Au толщиной 30-200 нм. Способ-прототип позволяет воспроизводимо формировать омический контакт с малым удельным переходным сопротивлением без операции отжига контакта, хотя отжиг позволяет уменьшить сопротивление.

Недостатками известного способа-прототипа является узкая область применения, ограниченная полупроводником p⁺-GaSb с очень высокой степенью легирования (p⁺~1⋅10²⁰ см^-3), и негативное влияние оксидного слоя, частично восстанавливающегося после очистки травлением в условиях недостаточно высокого вакуума. Использование тугоплавких металлов (Ti, Pt) делает практически невозможной реализацию способа в условиях сверхвысокого вакуума.

Задачей настоящего технического решения является разработка способа изготовления омического контакта на слое полупроводника p-типа проводимости с различной степенью легирования, включая сверхтонкие слои вплоть до толщин субнанометрового диапазона.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления омического контакта включает предварительную очистку поверхности полупроводника p-типа проводимости травлением с последующим последовательным напылением термическим испарением проводящего слоя серебра Ag толщиной 50-5000 нм и контактирующего с окружающей средой слоя золота Au толщиной 30-200 нм.

Новым в способе является то, что все действия производят в условиях сверхвысокого базового вакуума, травление производят пучком ионов Ar⁺ с энергией в интервале 300-500 эВ до удаления оксидного слоя, поверхность полупроводника облучают пучком ионов Ar⁺ с энергией в интервале 1500-3000 эВ и флюенсом в интервале 1⋅10¹² - 1⋅10¹⁴ см^-3, после чего слой серебра Ag напыляют непосредственно на облученную поверхность полупроводника.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно к очистке поверхности ионным травлением в условиях сверхвысокого вакуума производят ее облучение пучком ионов большей энергии и значительно меньшего флюенса для создания дефектного слоя, аналогичного по свойствам слою сильно легированного полупроводника (р⁺). Этим уменьшают ширину барьера Шоттки до величины, меньшей длин волн де Бройля дырок и электронов валентной зоны полупроводника, и обеспечивают их туннелирование сквозь барьер в прямом и обратном направлениях, соответственно. Сверхвысокий вакуум позволяет исключить восстановление оксидного слоя. Указанные действия делают ненужным нанесение слоя тугоплавкого металла (Ti), удовлетворяющего условию формирования омического контакта (ϕ_m>χ_s), и использование магнетронных источников, нарушающих условия сверхвысокого вакуума. Исключение отжига делает ненужным барьерный слой еще более тугоплавкого металла (Pt), также наносимый из источника магнетронного напыления. Исключение отжига устраняет диффузию атомов металла в полупроводник, что позволяет формировать омический контакт на сверхтонких слоях полупроводника.

Настоящий способ изготовления омического контакта осуществляют следующим образом. Поверхность полупроводника p-типа проводимости целесообразно подвергнуть известной предварительной химической обработке для удаления загрязнений и исходного оксидного слоя. После промывки и высушивания полупроводник с восстановившимся, но чистым оксидным слоем помещают в сверхвысоковакуумную систему, обеспечивающую разряжение P<1⋅10^-9 тор, и содержащую источники ионов Ar⁺ и атомов серебра и золота, например, маломощные резистивные испарители, которые не ухудшают базовый вакуум. Практически несовместимые со сверхвысоким вакуумом магнетронные источники или электронно-лучевые испарители, необходимые для напыления тугоплавких металлов, при реализации настоящего способа не требуются. Сверхвысокий вакуум (Р<1⋅10^-9 тор) необходим для предотвращения восстановления оксидного слоя после его удаления ионным травлением в вакуумной камере. Отсутствие восстановленного слоя оксида позволяет увеличить вероятность туннелирования носителей заряда сквозь контакт и уменьшить его удельное сопротивление. Далее поверхность полупроводника подвергают травлению низкоэнергетическими ионами аргона Ar⁺ до удаления слоя естественного оксида, частично или полностью восстанавливающегося в ходе загрузки полупроводника в камеру. Контроль отсутствия атомов кислорода осуществляют методами электронной спектроскопии (рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии - РФЭС, электронной оже-спектроскопии - ЭОС, спектроскопии характеристических потерь энергии электронов - ХПЭЭ) или иными подходящими in situ методами. Если оборудование для контроля элементного состава отсутствует, используют известные сведения о флюенсе, достаточном для распыления оксидного слоя ионами заданной энергии. Например, для энергии ионов Ar⁺ 500 эВ и полупроводника GaAs это ~1⋅10¹⁶ см^-2. Использование ионов инертного газа для очистки поверхности и ее модификации необходимо для того, чтобы при операциях травления и формирования ионно-модифицированного слоя не допустить изменения состава и электрохимических свойств облучаемого полупроводникового слоя, а также для поддержания сверхвысокого вакуума по газам остаточной атмосферы, что практически невозможно при ионно-плазменном травлении. Среди ионов инертных газов ионы Ar⁺ являются наиболее подходящими благодаря высокому коэффициенту распыления и дефектообразования, достаточной глубины проникновения и высокой чистоты пучка при относительно малой стоимости сверхчистого газа Ar. Энергию ионов травящего пучка выбирают в интервале 300-500 эВ, в котором глубина проникновения ионов (R_P=0,5-1,5 нм) меньше толщины оксидного слоя (2,5-3 нм), что необходимо для предотвращения избыточного дефектообразования в приконтактной области полупроводника. При более высоких энергиях (>500 эВ) дефектная приконтактная область становится избыточно протяженной. При энергии травящих ионов ниже 300 эВ значительно увеличивается преимущественное распыление тяжелых элементов полупроводниковых соединений, резко уменьшается коэффициент распыления и радикально падает интенсивность пучков обычных ионных источников. Затем поверхность полупроводника бомбардируют пучком ионов большей энергии. Ионное облучение необходимо для создания дефектного слоя, аналогичного слою сильно легированного полупроводника (p⁺). В этом слое электрическое поле быстро затухает, благодаря чему уменьшают ширину барьера Шоттки до величины, необходимой для туннелирования носителей тока сквозь барьер. Выбор интервала энергий облучающих ионов Ar⁺ 1500-3000 эВ обусловлен глубиной проникновения ионов в полупроводник, которая определяет толщину дефектного слоя. Для обычных неорганических полупроводников нижняя граница интервала (1500 эВ) обеспечивает толщину дефектного слоя (~3 нм), большую необходимой ширины барьера Шоттки. При меньшей энергии (и меньшей толщине слоя) электрическое поле распространиться за пределы облученного слоя, ширина барьера станет больше длины де Бройля носителей тока и условия их туннелирования нарушатся. Верхняя граница интервала энергий ионов (3000 эВ) обеспечивает достаточную (~4 нм), но не избыточную толщину дефектного слоя. При увеличении энергии толщина дефектного слоя увеличивается и становится больше необходимой для формирования барьера нужной ширины, что ухудшает электрофизические свойства приконтактной области полупроводника, особенно, в оптоэлектронных приборах (из-за рекомбинации электронно-дырочных пар на дефектах). Флюенс облучающего пучка ионов выбирают в интервале 1⋅10¹²-1⋅10¹⁴ см^-2. Нижняя граница интервала обеспечивает плотность дефектов, достаточную для сужения ширины барьера Шоттки до величины, наименьшей из длин волн носителей тока, а именно длины волны де-Бройля электронов вершины валентной зоны полупроводника. При этом условии возможно эффективное туннелирование носителей тока в прямом и обратном направлениях. Дальнейшее увеличение флюенса и плотности дефектов увеличивает вероятность туннелирования, но на верхней границе интервала флюенсов (1⋅10¹⁴ см^-2) плотность дефектов становится слишком большой (>10²² см^-3), сопоставимой с атомной плотностью. Это влияет на свойства приконтактной области полупроводника, поскольку облученный слой из дефектного кристаллического превращается в аморфный. Универсальность интервала флюенсов для широкого ряда полупроводников, указанных выше, связана с относительно узким диапазоном эффективных масс тяжелых носителей тока (0,3-0,5 массы электрона в вакууме), которые определяют длину волны де Бройля, критическую для туннелирования сквозь барьер, а также с близкой эффективностью дефектообразования ионами Ar⁺ в различных полупроводниках. После ионного облучения непосредственно на поверхность полупроводника напыляют проводящий слой серебра, а на него контактирующий с окружающей средой слой золота. Слои тугоплавких металлов (Ti и Pt), требующих использования магнетронных источников, не наносят. В настоящем решении отжиг контакта не требуется. Это исключает взаимную диффузию атомов и позволяет получать полупроводниковые структуры со сверхтонкими слоями.

Пример 1. Для демонстрации настоящего способа был использован сверхтонкий слой (~10 нм) полупроводника p-GaAs, являющийся поверхностной частью р-n структуры, полученной способом ионно-индуцированной конверсии типа проводимости (n→р) на пластине n-GaAs (n~2⋅10¹⁸ см^-3). Предварительно по известной технологии на тыльную (n) сторону пластины был нанесен омический контакт AuGe-Ni-Au. Пластину поместили в сверхвысоковакуумную камеру (P~5⋅10^-10 тор) электронного спектрометра Leybold-AG, снабженного ионной пушкой и резистивными испарителями атомов Ag и Au. Сначала пучком ионов Ar⁺ с энергией E_i=500 eV стравили слой собственного оксида. При этом глубина R_P проникновения ионов (1,5 нм) была меньше толщины оксидного слоя (2,5-3,0 нм), а после травления толщина облученного слоя не превышала нескольких атомных слоев. Контроль элементного состава образца осуществляли in situ методом оже-электронной спектроскопии. Травление продолжали до исчезновения кислородного пика. Затем поверхность образца облучили пучком ионов Ar⁺ с энергией E_i=2500 эВ и флюенсом Q=1⋅10¹³ см^-2. В результате в p-слое толщиной d~10 нм была достигнута концентрация дефектов (N_D~1⋅10²¹ см^-3), необходимая для получения при нанесении слоя Ag узкого барьера Шоттки (W=1 нм). То есть такого барьера, сквозь который носители тока туннелируют. Таким образом полученная ширина барьера Шоттки оказалась меньше длины волны де-Бройля электронов валетной зоны λ(m_e)=3 нм *). Далее непосредственно на облученный слой был нанесен слой Ag а на него слой Au. Образец не отжигали, поэтому металлизация сверхтонкого p-слоя и размытие интерфейса были исключены.

Измерение вольт-амперных характеристик сформированной р-n структуры с металлическими контактами обнаружило сильный (3-4 порядка) диодный эффект, обусловленный р-n переходом, а не контактом Шоттки, поскольку ВАХ последнего направлена противоположно. Таким образом, было показано, что сформированный контакт Шоттки функционально являются омическими благодаря туннелированию носителей заряда.

*). Толщину облученного слоя d и плотность дефектов N_D при указанном флюенсе N_D рассчитывали с помощью широко распространенной некоммерческой программы TRIM.

Длину волны де Бройля определяли по известной формуле:

где h - постоянная Планка; р, m_в* и Е - соответственно импульс, эффективная масса и кинетическая энергия электрона.

Длина волны де-Бройля электронов валентной зоны λ(m_e) меньше длины волны дырок и потому является критерием омичности контакта p-слоя с металлом. Энергия Е и эффективная масса m_e* электронов, так же, как и масса m_d* дырок, определяются дисперсионной кривой вблизи точки Г зоны Бриллюэна в предположении параболической зависимости дисперсии. Поэтому эффективная масса плотности состояний электронов такая же, как и соответствующая известная масса дырок: m_e*=0,53 m_o, где m_o - масса электрона в вакууме. При изменении напряжения на контакте от 0 В до 0,5 В усредненная длина волны де Бройля электронов равна λ(m_e)=3 нм. Эта величина определяет максимально допустимую ширину W барьера Шоттки, которую рассчитывают по известным формулам (B.G. Streetman, Solid State Electronic Devices. 6^th ed. Upper Saddle River, New York: Prentice-Hall, Inc., 2006):

где q - заряд носителя тока, x - расстояние от интерфейса (границы раздела сред), N_D - плотность зарядов (для легированного полупроводника - плотность ионизованных акцепторов), ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε_o - диэлектрическая постоянная, Δϕ_ms=ϕ_m-χ_s ~ ϕ_m-ϕ_s - разность между работой ϕ_m выхода металла и энергией χ_s сродства к электрону полупроводника, определяющая высоту барьера Шоттки.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления полупроводниковых приборов, и может быть использовано для изготовления контактов к приборным наноструктурам в составе диодов и транзисторов. Способ изготовления омического контакта включает предварительную очистку поверхности полупроводника р-типа проводимости травлением с последующим последовательным напылением термическим испарением проводящего слоя серебра Ag и контактирующего с окружающей средой слоя золота Au. Все операции производят в условиях сверхвысокого базового вакуума, травление производят пучком ионов Ar⁺ с энергией в интервале 300-500 эВ до удаления оксидного слоя, затем поверхность полупроводника облучают пучком ионов Ar⁺ с энергией в интервале 1500-3000 эВ и флюенсом в интервале 1⋅10¹² - 1⋅10¹⁴ см^-3, а слой серебра Ag напыляют непосредственно на облученную поверхность полупроводника. Изобретение обеспечивает возможность изготовления омического контакта на слое полупроводника p-типа проводимости с различной степенью легирования, включая сверхтонкие слои вплоть до толщин субнанометрового диапазона. 1 пр.

Способ изготовления омического контакта, включающий предварительную очистку поверхности полупроводника p-типа проводимости травлением с последующим последовательным напылением термическим испарением проводящего слоя серебра Ag толщиной 50-5000 нм и контактирующего с окружающей средой слоя золота Au толщиной 30-200 нм, отличающийся тем, что все действия производят в условиях сверхвысокого базового вакуума, травление производят пучком ионов Ar⁺ с энергией в интервале 300-500 эВ до удаления оксидного слоя, затем поверхность полупроводника облучают пучком ионов Ar⁺ с энергией в интервале 1500-3000 эВ и флюенсом в интервале 1⋅10¹² - 1⋅10¹⁴ см^-2, а слой серебра Ag напыляют непосредственно на облученную поверхность полупроводника.