МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 5, с. 366-371
ПРИБОРЫ МИКРО-И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382.3.019.3
РЕКОНСТРУКЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ПРИ ОЧИСТКЕ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ А1/Мо-81 И ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ СВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ
© 2004 г. Ю. П. Снитовский
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
E-mail-.nvv@tut.by Поступила в редакцию 10.12.2003 г.
Изучено влияние технологических обработок поверхности кремния в контактных окнах к эмиттеру и базе биполярных СВЧ-транзисторов на величину переходного сопротивления контактов Д1/Мо-81 и параметры транзисторов. Показана целесообразность комбинированной обработки поверхности кремния, включающей очистку в перекисно-аммиачной смеси, стационарный вакуумный отжиг, повторную очистку в перекисно-аммиачной смеси, финишную обработку в 1%-ном растворе плавиковой кислоты или импульсный фотонный отжиг и финишную обработку в 1%-ном растворе плавиковой кислоты. Реконструированная поверхность кремния в результате очистки позволяет снизить переходное сопротивление металл-полупроводник, создать тесный контакт и улучшить параметры СВЧ-транзисторов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Металлы, обычно используемые для создания омических контактов к активным областям биполярных СВЧ-транзисторов, например, А1, Сг, Мо характеризуются высокими значениями свободной энергии (А1 - 16.9 эВ, Сг - 11.4 эВ, Мо - 7.4 эВ) и наряду с хорошими адгезионными свойствами обладают высокой проникающей способностью. Последнее приводит к тому, что при малых толщинах оксида кремния ("окрытый эмиттер" СВЧ-транзистора [1, 2]), например, в области эмиттера ~0.12 мкм, материал контакта проникает на всю толщину оксида в результате отжига контактов, что приводит к закорачиванию эмит-терного р-я-перехода, связанного с его краем, следствием чего является снижение надежности прибора.
Поэтому очень существенным моментом в технологическом плане является проблема создания омических контактов к областям мелкой диффузии, в частности фосфора.
В работе [3] эта проблема решается путем использования ориентации эмиттера по длине вдоль кристаллографического направления (110) в плоскости (111) кремния.
Однако остается проблема создания надежных невыпрямляющих контактов [4, 5] к областям эмиттера и базы СВЧ-транзисторов, поскольку в контактных окнах остается оксид кремния. Наличие оксида приводит к неравномерности взаимодействия металлической пленки с кремнием по площади контакта, преимущественно по порам в оксиде кремния [5].
К сожалению, границе раздела металл-оксид кремния уделялось гораздо меньше внимания, чем границе раздела оксида с полупроводником [6]. В то же время различные физико-химические процессы, происходящие на границе металл-оксид кремния, могут быть ответственными за нестабильность работы ИС, приборов с переносом заряда, за высокие значения переходного сопротивления контактов к эмиттеру и базе СВЧ-тран-зисторов и т.д. Велика роль металла и в контактах Шоттки, когда реакция металла с тончайшим оксидным слоем фактически определяет параметры барьера.
Кроме того, переходное сопротивление контакта при нанесении нижнего слоя многослойных контактных систем в большой степени зависит от качества подготовки поверхности полупроводника [7-13].
В работе сделана попытка изучить влияние технологических обработок поверхности кремния в контактных окнах на величину переходного сопротивления Як контактов А1/Мо к эмиттеру и базе кремниевых биполярных СВЧ-транзисторов, их электрические параметры и объяснить полученные результаты на основе рассмотрения физико-химических процессов, происходящих на границе молибден-оксид кремния.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Всякая реальная поверхность является неоднородной. Неоднородность обусловлена рядом взаимосвязанных факторов [14, 15].
Во-первых, геометрическая неоднородность обусловлена выходом на поверхность различных граней кристалла, обладающих различной адсорбционной и химической активностью. За геометрическую неоднородность ответственны и присутствующие на поверхности макроскопические дефекты структуры - ступеньки роста, щели, поры, царапины, выходы дислокаций, ямки травления и т.д. Кроме макродефектов на поверхности всегда присутствуют микродефекты - вакансии (дефекты Шоттки), атомы в междоузлиях (дефекты Френкеля), атомы внедрения и замещения и т.д.
Во-вторых, реальная поверхность химически неоднородна. Координационно- или валентнона-сыщенные атомы поверхности взаимодействуют с молекулами внешней среды с образованием широкого спектра различных прочносвязанных поверхностных химических соединений. Разнообразные молекулярные процессы, протекающие на ее поверхности, в той или иной степени зависят от ее химического состава.
В-третьих, все макроскопические и электронные свойства поверхности следует рассматривать во взаимодействии поверхности со средой. Поверхность является причиной адсорбции из газовой фазы или из жидкости, но в то же время адсорбированные молекулы или атомы изменяют свойства самой поверхности и все ее макроскопические и микроскопические параметры.
В-четвертых, поверхность такого важного полупроводника как кремний в обычных условиях покрыта оксидной пленкой. Все оксиды содержат структурную воду [14]. Она может входить в решетку оксида как в виде ОН-групп, так и в виде молекул - гидраты и оксигидраты [14, 16].
Гидратный покров оксида является одной из основных причин неоднородности ее поверхности. Подавляющее большинство практически важных адсорбционных процессов на поверхности зависит от гидратного покрова оксида кремния. Полученные в работе [14] зависимости степени гидратации различных образцов оксида кремния от температуры отжига свидетельствуют о том, что в области температур 500-600 К наблюдаются точки перегиба, а измерения теплот смачивания водой показывают, что в этом же интервале температур зависимости удельных теплот смачивания от температуры отжига проходят через максимум. Это служит доказательством того, что в области температур 500-600 К поверхность оксида кремния в основном освобождена от молекул воды.
В силу взаимосвязи молекулярных и электронных процессов на поверхности состояние гидратного покрова косвенно окажет влияние и на электрофизические параметры полупроводника, покрытого оксидной пленкой.
В-пятых, экспериментально установленный факт, обнаруженный методом дифракции быстрых электронов существования поверхностной сверхструктуры типа Si (111) - 7 х 7 под слоем аморфного оксида [17], дал основание [18, 19] рассматривать данную сверхструктуру как адсорбционную упорядоченную фазу, которая ранее считалась принадлежащей исключительно атомарно чистым граням [19, 20].
Более того, этот экспериментально установленный факт служит убедительным доказательством того, что именно оксидный слой, а не атомарно чистая поверхность сама по себе может быть ответственна за реконструкцию поверхности. Действительно, в противном случае трудно представить как может такой сильно возмущающий поверхность процесс, каким является химическая реакция окисления (выделяющаяся при этом энергия составляет ~800 кДж/моль), не повлиять на реконструированную поверхность кремния (энергия перестройки менее 1 кДж/моль) [19].
При критическом рассмотрении изложенного материала можно выделить некоторые существенные особенности:
1. Поверхность как в макроскопическом, так и в электронном смысле является одним из дефектов трехмерной структуры кристалла.
2. Присутствие оксида кремния на поверхности кремния приводит к неоднородности ее поверхности в силу взаимосвязи поверхности со средой.
3. Именно оксидный слой, а не атомарно чистая поверхность сама по себе может быть ответственна за реконструкцию поверхности.
4. Для создания границ раздела различных фаз (молибден-оксид-кремния) с "нужными характеристиками" необходима обработка поверхности кремния, позволяющая как удалить структурную воду (изменить гидратный покров оксида кремния), так и свойства (структуру) оксида для получения более "тесного" контакта металл-полупроводник.
3. ЭКСПЕРИМЕНТ
Измерение переходного сопротивления контактов Al/Mo к кремнию проводили на тестовых структурах, технология изготовления которых была максимально приближена к технологии изготовления биполярных генераторных СВЧ-транзисторов [21]. Для исследований использовали кремниевые эпи-таксиальные структуры 5КЭФ1,0/400ЭКЭС0,01 с ориентацией (111), на которых формировали тестовые элементы для измерения Як.
Для создания контактов Al/Mo-p+-Si кремний окисляли при температуре 1370 К в сухом, влажном и сухом кислороде до толщины оксида ~600 нм. Имплантацию бора проводили на ионно-лучевой установке "Везувий-5" с энергией 40 кэВ в "окна", полученные в оксиде методом фотолитогра-
368 СНИТОВСКИИ
Таблица 1. Влияние обработки поверхности кремния на величину переходного сопротивления системы А1/Мо-Б1
Процесс Вид обработки Переходное сопротивление, Як, Ом
А1/Мо-р+Б1 А1/Мо-п+81
1 Химическая обработка в смеси Н202 : Ш40Н : Н20 = 3 : 3 : 7 0.17 0.12
2 Процесс 1 + финишная обработка в 1%-ном растворе НБ 0.10 0.07
3 Стационарный отжиг в вакууме при Т = 550 К, Р = 10-4 Па, г = 40 мин 0.14 0.10
4 Процесс 1 + процесс 3 + процесс 2 0.07 0.04
5 Импульсный фотонный отжиг при Е = 1.0 МДж/м2, г = 0.07 с + финишная обработка в 1%-ном растворе НБ 0.06 0.03
фии и травления. Доза легирования при формировании р-я-перехода в тестовой структуре составляла 1040 мкКл/см2. Пиролитические пленки оксида кремния осаждали при 980 К до толщины 300 нм. Отжиг радиационных дефектов и окончательное формирование р+-елоев с необходимыми параметрами проводили при 1420 К в течение 360 с в атмосфере кислорода. В пиролитической пленке оксида методами фотолитографии и травления вскрывали контактные окна площадью 42 х х 10-5 см2 и наносили А1/Мо-металлизацию.
Для создания контактов А1/Мо-я+-81 перед окислением проводили ионную имплантацию бора по всей поверхности пластины с энергией 25 кэВ и дозой 28 мкКл/см2 (окисляли при температуре 1370 К). Ионную имплантацию фосфора для формирования р-я-перехода тестовой структуры выполняли в "окна" с энергией 25 кэВ и дозой 720 мкКл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.