Основные требования к параметрам контактов Шотки в составе ис

К

Рис.3. Планарные структуры диодов Шотки: а - простейшая; б - с охранными кольцами; в - с расширенной металлизацией

онкретные применения КШ в полупроводниковых устройствах диктуют определенные характеристики. Тем не менее можно сформулировать общие требования к параметрам КШ. Прежде всего это высокая воспроизводимость необходимых параметров ВАХ и их стабильность во времени и при термополевых воздействиях. В связи с тем, что высота барьера определяет по сути основные параметры ВАХ контактов, важным является требование обеспечения возможности воспроизводимого регулирования высоты барьера КШ в широких пределах. Так как коэффициент неидеальностиnхарактеризует качество контактов Шотки, то усилия разработчиков направлены на реализацию контактов с минимально возможным коэффициентом неидеальности. В большинстве случаев стремятся сформировать КШ с максимально возможным пробивным напряжением.

Можно сформулировать следующие основные требования к электрофизическим и технологическим параметрам контактного материала выпрямляющих контактов:

1.высокая проводимость;

2.обеспечение приемлемых значений высоты барьеров к высокоомному кремнию n- ир-типа;

3.однородность границы раздела металл - кремний;

4.хорошая раскисляющая способность (эффективное растворение естественного окисла кремния);

5.малое проникновение в кремний;

6.согласование КТР материала с КТР кремния;

7.хорошая адгезия к Si и SiO₂;

8.химическая инертность по отношению к SiO₂и другим диэлектрикам (ФСС, Si₃N₄ и пр.);

9.возможность формирования самосовмещенного контакта;

10.тепловая устойчивость контактов при высокотемпературных обработках;

11.высокая коррозионная стойкость;

12.технологичность, т.е. возможность формирования контактов доступными средствами.

Конструктивно-технологические особенности создания контактов Шотки в составе ис

Исходя из требований к параметрам контактов Шотки, в последнее время был разработан ряд основных их конструктивных вариантов. Однако использование КШ в составе полупроводниковых приборов и прежде всего в ИС накладывает определенные ограничения на их конструктивное оформление. Ужесточение требований к конструкциям и показателям ИС в целом требует поиска новых оптимальных планарных КШ, совместимых с технологией изготовления ИС. Кроме того, при поиске эффективных конструктивных вариантов КШ должно сохраняться их главное достоинство - конструктивная простота. В связи с этим вопросы конструктивного оформления контактов Шотки, в первую очередь в составе ИС, представляют собой одну из ответственных задач, решаемых при разработке технологии полупроводниковых устройств.

Усилия разработчиков ДШ были направлены прежде всего на улучшение характеристик обратной ветви ВАХ приборов. Простейшая конструкция ДШ (рис.3,а) имеет существенный недостаток - трудность получения приемлемой обратной ветви ВАХ. Это связано с большой величиной тока утечки и малым пробивным напряжением, обусловленными высокой напряженностью электрического поля вдоль резкого края металлического электрода по периферии контакта.

На рис.3 стрелками указано распределение силовых линий электрического поля в области пространственного заряда контакта металл - полупроводник для конструктивных вариантов ДШ. Для снижения напряженности электрического поля по периферии контакта прибегают к использованию иных конструктивных решений. Так, удалось существенно улучшить обратную ветвь ВАХ ДШ введением по периферии контакта охранных диффузионных кольцевых областей. Использованием двойных охранных колец добиваются еще большего эффекта (рис.3,б). При этом параметры р–n-перехода таковы, что его напряжение пробоя превышает напряжение пробоя ДШ. Такой способ нейтрализации краевых эффектов в конструкции ДШ, однако, нельзя признать наилучшим, так как он обладает рядом существенных недостатков:

1.ухудшается скорость переключения диодов вследствие инжекции неосновных носителей из диффузионного кольца при больших токах;

2.увеличивается емкость ДШ из-за вклада барьерной емкости р–n-перехода;

3.существенно увеличивается площадь, занимаемая ДШ;

4.усложняется технологический процесс изготовления ДШ.

Эффективное конструктивное решение ДШ с приемлемыми обратными характеристиками заключается в использовании расширенного металлического контакта, простирающегося над слоем SiO₂ (рис.3,в). В этом случае расположенная над окислом часть металлического контакта действует как затвор МОП-структуры, вызывая при обратном смещении на диоде обеднение примесью приповерхностного слоя кремния, лежащего под областью перекрытия. Это приводит к уменьшению напряженности электрического поля по периферии контакта и увеличению напряжения пробоя.

Рассматриваемая конструкция ДШ несколько уступает по характеристикам обратной ветви ВАХ ДШ с охранными кольцами, но отличается простотой исполнения.

Дальнейшее развитие конструкций ДШ, позволяющих реализовать качественные обратные ветви ВАХ (мезаструктуры, структуры с боковой диэлектрической изоляцией и др.), существенно усложняет технологию кремниевых планарных приборов и ИС.

Таким образом, из рассмотренных конструкций ДШ, обеспечивающих качественную обратную ветвь ВАХ, наиболее предпочтительной представляется конструкция ДШ с расширенной металлизацией, что отчетливо проявляется при создании ДШ малых размеров.

Электрофизические свойства КШ в значительной степени определяются технологическими условиями их создания. Так, наличие на поверхности кремния естественного окисла существенно влияет на коэффициент неидеальности ВАХ. На рис.4 приведены прямые ветви ВАХ ДШ в системе Au - Si с различной толщиной промежуточного слоя SiO₂. Как следует из представленной зависимости, значения падения напряжения при фиксированном токе на контактах с различной величиной d промежуточного слоя диэлектрика отличаются на десятые доли вольта. Наличие промежуточного диэлектрического слоя приводит к трем эффектам:

1.падению потенциала на слое, вследствие чего высота барьера при нулевом смещении оказывается меньше, чем для идеального диода;

2.туннелированию электронов через барьер, образованный диэлектрическим слоем, что влияет на уменьшение тока при данном смещении;

3.падению части приложенного смещения на диэлектрическом слое.

Т

Рис.4. Прямые ВАХ диода Шотки Au/n-Si с промежуточным слоем окисла различной толщины

аким образом, при создании качественных КШ стремятся свести к минимуму значение толщины промежуточного окисла изготавливаемой структуры КШ.

Рис5. Эквивалентная схема неоднородного контакта Шотки Al-PtSi/n-Si(a) и его ВАХ (б)

В настоящее время разработаны технологические методы, позволяющие реализовать КШ с малой толщиной промежуточного окисла. Одним из наиболее распространенных методов, дающих возможность существенно уменьшить толщину естественного окисла, является химическая обработка экспонированной поверхности кремния перед осаждением барьерообразующего металла. Обработка кремния в различных растворах, содержащих плавиковую кислоту, позволяет уменьшить величину SiO₂ до (1,0 - 2,0) нм. кремния от окисляющей среды вплоть до момента загрузки в вакуумную камеру.

Однако такой метод подготовки поверхности требует принятия дополнительных мер по изоляции поверхности. Более эффективной является ионная очистка поверхности кремния в вакуумной камере непосредственно перед нанесением барьерообразующего металла. Ионное травление, проводимое в низкотемпературнойплазме инертных газов, представляет собой физическое распыление, когда при бомбардировке поверхности кремния ионами с энергией, недостаточной для внедрения в его объем, часть энергии передается атомам решетки поверхностного слоя и они распыляются в окружающее пространство. Ионное травление целесообразно применять для приборов с малыми размерами, когда подтравливание маскирующего окисла по периферии контакта, имеющее место при жидкостной обработке, недопустимо.

На электрические характеристики КШ также сильно влияют свойства применяемых контактных металлов и способы их осаждения. Общим требованием к процессу осаждения металлов для получения барьера, близкого к идеальному, является поддержание таких условий осаждения, при которых, во-первых, адсорбция остаточных газов на границе раздела пренебрежимо мала; во-вторых, осуществляется тесный контакт металл - кремний, а удельное сопротивление пленки металла приближается к аналогичному для объемного материала.

Важное место в технологии создания КШ занимает тепловая обработка, направленная на формирование тесного контакта, когда контактный материал способен растворить естественный окисел в своем объеме, как это имеет место, например, в случае с Al. Однако использование Al в качестве барьерообразующего металла в выпрямляющих контактах ограничено из-за низкой термостабильности контакта. После термообработки контакта Al - Si при температурах (400 - 500) С существенно повышается разброс значений высоты барьера, ухудшается коэффициент неидеальности ВАХ. Поэтому, когда была развита технология силицидных слоев, они стали исследоваться с целью создания выпрямляющих контактов на их основе, поскольку потенциально могут обеспечить повышенные воспроизводимость ВАХ и тепловую устойчивость.