Эффекты тепловой обработки.

Большая часть используемых в полупроводниковых приборах контактов подвергается тепловой обработке. Это можно делать преднамеренно, чтобы улучшить адгезию металла к полупроводнику, или в силу необхо­димости, поскольку для последующих за осаждением металла технологических процессов требуются высокие температуры. Преднамеренный нагрев часто не совсем точно называют впеканием или отжигом. При тепловой обработке важно избежать плавления материала вы­прямляющих контактов, поскольку на поверхности раз­дела могут образоваться металлические острия, направ­ленные внутрь полупроводника. При образовании таких острий электрические характеристики контакта могут сильно деградировать из-за туннелирования в области сильного поля у кончика острия. Поэтому пока нет необходимости вплавления контакта (например, при формировании омических контактов), на всех этапах обработки не следует нагревать его выше температуры эвтектики для данной системы металл-полупроводник. Например, температура эвтектики сплавов Si с тремя наиболее часто употребляемыми металлами: Au, A1 и Ag—составляет соответственно 370, 577 и 840 °С.

Даже при температуре существенно ниже эвтектической может происходить миграция полупроводника через металл. Эти металлургические процессы в послед­нее время интенсивно исследуются с помощью модер­низированных методов резерфордовского обратного рас­сеяния, оже-спектроскопии и вторично-ионной массспектрометрии. Эти методы описаны в обзорных стать­ях Майера , а также Моргана. Например, Хираки, Лагуджо, Николле и Майер методом резерфордовского обратного рассеяния показа­ли, что даже при таких низких температурах, как 200 °С, может происходить заметная миграция Si через пленку Au. Интенсивность миграционных процессов очень сильно зависит от условий на поверхности Si перед напылением Au и может быть почти полностью подавлена при наличии на промежуточной поверхности тонкой пленки окисла. Этот эффект нельзя объяснить просто на основе обычной однородной диффузии, он, вероятно, как-то связан и с диффузией по границам гранул. Эффект миграции должен приводить к тому, что поверхность раздела будет очень сильно отличаться от совершенного перехода металл—кремний, а электрические характеристики контакта станут весьма далекими от идеальных. Коэффициент диффузии кремния в металле намного больше коэффициента диффузии этого же металла в кремнии, поэтому диффузией в крем­нии обычно можно пренебречь.

Как правило, установить связь между деградацией ВАХ и наблюдаемыми металлургическими изменениями трудно. Эти отклонения не удается объяснить просто через изменение высоты потенциального барьера. Обыч­но весь вид ВАХ меняется так, что самого барьера Шоттки как такового, очевидно, уже нет. Иногда такие характеристики удается объяснить, предположив, что в полупроводник диффундируют атомы, проявляющиеся как доноры или как акцепторы, или что в полупровод­нике появляются электрически активные дефекты вследствие чего там меняется эффективная концентрация легирующей примеси. При увеличении степени ле­гирования барьер становится тоньше и начинает про­являться термополевая эмиссия (или даже полевая эмиссия).

Если диффундирующие атомы или возникающие в полупроводнике дефекты ведут себя подобно примеси противоположного типа по сравнению с исходной, то эффективная концентрация легирующей примеси ста­новится меньше и, как это иногда случается, может образоваться р—n-переход. Удачным примером такого типа является случай контакта Si—А1, который весьма широко исследовался ввиду его больших технологиче­ских преимуществ. Чиздо первым сообщил о том, что для контактов Si—А1 после прогрева до 450 °С наблюдается существенное изменение их ВАХ, которые в случае исходного кремния n-типа могут быть описаны на основе представлений об увеличении высоты барьера и коэффициента идеальности. Это изменение характе­ристик сопровождается образованием явно выраженных ямок на поверхности Si. Бастерфильд, Шеннон и Джилл дали убедительное объяснение этих наблюдений:

при температуре около 500 °С Si переходит в состояние твердого раствора Si—А1, причем концентрация Si опре­деляется пределом его растворимости при данной тем­пературе. При охлаждении растворенный Si рекристаллизуется на кремниевой подложке n-типа в виде леги­рованного алюминием слоя кремния р-типа, поскольку А1 является для Si акцептором. Концентрация А1 в этом рекристаллизованном Si при 500 °С составляет пример­но 5-10²⁴ м~³. Добавка к плотности пространственного заряда у поверхности раздела имеет отрицательный знак и поэтому зоны изогнутся вниз. На рисунке №2 изображена зонная диаграмма. Если расстояние от максимума барьера до поверхности раз­дела не превышает длины свободного пробега электрона, то характеристики структуры остаются подоб­ными шоттковским для вы­соты барьера f'b.

Упомянутая выше кон­центрация Аl вполне доста­точна, чтобы вызвать на­блюдаемое на практике уве­личение высоты барьера порядка 0,1 эВ. Это было раз­вито далее Кардом, он же вместе с Сигнером показал с помощью оже-спектроскопии, что если .кон­такты Si—А1 прогреть при температуре 500 °С в тече­ние 20 мин, профили .концентрации различных элемен­тов системы изменяются так, как это показано на рис. 5.2. В подвергнутых такой тепловой обработке об­разцах алюминий прослеживается на расстояниях, боль­ших 10 ... 20 нм по глубине Si по сравнению с непро­гретыми образцами. Концентрация Аl на этом «хвосте» распределения в Si составляет 10²³ м-³. Это вполне объясняет наблюдаемые изменения ВАХ. Для исход­ного Si р-типа «хвост» распределения А1 приводит к су­жению обедненной области, и вследствие туннельных процессов эффективная высота барьера уменьшается .

Еще одним из широко исследованных (благодаря его практической важности) материалов является GaAs. Свойства контактов к этому материалу иссле­довались Синхом и Поате с помощью метода резерфордовского рассеяния, Тоддом, Ашвеллом, Спейгтом и Хекинботтом методами резерфордовского рассеяния и оже-спектроскопии, а также Кимом, Свинеем и Хенгом ,-использовавшим метод массспектроскопии вторичных ионов. Результаты их исследова­ний показывают, что вольфрамовые и алюминиевые контакты остаются стабильными вплоть до 500 °С, элек­трические характеристики золотых и платиновых кон­тактов сильно деградируют вследствие значительных металлургических изменений на .поверхности раздела.

При температуре прогрева выше 350° С наблю­дается интенсивная миграция Ga в Au до предельной концентрации в данной системе, определяемой раство­римостью а твердой фазе, с последующим резким уве­личением концентрации Ga при температуре эвтектики 450° С системы Au—GaAs. При этих температурах име­ет место также существенная миграция Au в GaAs. Мышьяк остается непо­движным вплоть до 450 °С, но при приближении к 500 °С начинает быстро диффундировать в Au. Диффузия Ga в Au сопровождается образованием галлиевых вакансий в GaAs. Медамс, Морган и Ховес высказали пред­положение, что эти вакансии проявляются как доноры и что изменение ВАХ связано не с изменением высоты барьера, а с увеличением концентрации доноров, обу­словливающим появление термополевой эмиссии. По­скольку концентрация Ga в Au определяется раствори­мостью последнего в твердой фазе при температуре ниже эвтектической, общее количество атомов Ga в Au должно быть пропорциональным толщине золотой плен­ки, и, следовательно, тонкие пленки будут приводить к менее серьезным изменениям характеристик, чем тол­стые.