научная статья по теме ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ СИЛИЦИД ИРИДИЯ–КРЕМНИЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ СИЛИЦИД ИРИДИЯ–КРЕМНИЙ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 278-281

= ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

УДК: 621.383.5

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ СИЛИЦИД ИРИДИЯ-КРЕМНИЙ

© 2015 г. Э. А. Керимов

Институт космического исследования природных ресурсов E-mail: e_kerimov.fizik@mail.ru Поступила в редакцию 03.11.2014 г.

Проведенные эксперименты показывают, что неоднородность границы раздела металл-полупроводник деградирует характеристики диодов Шоттки, в данном случае — высоту барьера.

DOI: 10.7868/S0544126915030047

ВВЕДЕНИЕ

Создание быстродействующих полупроводниковых приборов требует внедрения в технологию их изготовления новых материалов. Наиболее перспективными материалами современной микроэлектроники являются силициды — соединения кремния с более электроположительными элементами, например, с платиной, палладием, иридием. Силициды обладают высокой проводимостью металлического характера; поэтому в случае образования силицида при тепловой обработке контакта металл—полупроводник получается переход кремний—силицид с характеристиками, подобными наблюдаемым в контакте металл-полупроводник, и барьер Шоттки фактически возникает на этой границе раздела [1]. Преимуществом такого барьера является отсутствие влияния инородных включений на поверхности кремния на высоту барьера Шоттки, поскольку он формируется несколько ниже исходной поверхности кремния. Такие контакты обычно имеют очень стабильные электрические и механические характеристики, что привело к широкому их распространению в качестве материалов для затворов транзисторах, для хранения оптической информации и фотоприемников, работающих в инфракрасной области спектра.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

В большинстве случаев диоды с барьером Шоттки используются в качестве фоточувствительных элементов в монолитных структурах на основе кремния. Известно, что внутренняя фотоэмиссия диодов с барьером Шоттки (ДБШ) на основе контакта силицид металла-кремний позволяет регистрировать ИК-излучения в области длин волн меньше края основного поглощения кремния, что успешна было продемонстрировано в ряде работ [2] .

При этом многоэлементные приемники излучения на фотодиодах с БШ как оказалось обеспечивает очень высокую однородность чувствительности по отдельными элементам по сравнению с многоэлементными приемниками на основе тройных соединенный [3].

Квантовый выход и фоточувствительности ДБШ определяется в основном электронными и оптическими процессами в силициде металла, а не полупроводнике. Исходя из этого, фоточувствительности диодов Шоттки в первом приближении не зависит от таких параметров полупроводника как степень легирования и уровень компенсации примесей, а также от времени жизни неосновных носителей тока. Тем самым исключаются основные причины, вызывающие неравномерность чувствительности в многоэлементных матрицах, главной из которых в Шоттки-матри-цах является разброс геометрических размеров чувствительных элементов (по относительной величине он составляет доли процента).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В настоящее время благодаря своей простоте и универсальности с базовой технологией изготовления интегральных схем (ИС), широкое распространение получил метод диффузионного синтеза слоев силицида [4]. Диффузионное перемешивание имеет место при термообработке двухкомпо-нентной смеси металла или пленки металла, осажденной на кремниевую подложку. На поверхность кремния наносятся тонкий слой металла толщиной 100-500 А0, после чего структуру металл-кремний подвергают термическому нагреву в вакууме при температурах 473-973 К в течении 10-60 мин. Это приводит к формированию, в результате реакции металла с кремнием, однородного слоя 1г281, в промежуточной области между 1г281 и кремниевой подложкой начинается

Таблица

Толщина I слоя 1г, А0 80

Толщина II слоя 81, А0 15

Толщина III слоя 1г, А0 10

Толщина IV слоя 81, А0 15

Толщина V слоя II-, А0 10

Толщина VI слоя 81, А0 15

Толщина VII слоя !г, А0 10

образование слоя IrSi. Контакт Ir/Si последовательно проходит через фазы:

Ir—Ir2Si—Si ^ Ir—Ir2Si...IrSi—Si—Ir2Si—IrSi—Si.

Эта реакция протекает до тех пор, пока весь слой

IrSi.Ir2Si.Ir3Si.IrSi3.Ir2Si

не прореагирует с Si и не превратится в результате такой реакции в IrSi, которой остается стабильным в контакте с кремниевой подложкой.

При формировании силицида путем реакции между пленкой металла (Ir) и кремнием следует учитывать количество кремния, потребляемого металлической пленкой. Такого рода расчеты, представлены в таблице, в ходе которых использовались теоретические значения плотностей Ir, Si и IrSi.

Сам же процесс изготовления фоточувствительных структур можно описать следующей схемой:

— окисление кремния p-типа (n-типа);

— открытие окон для формирования охранных n(p) областей;

— отжиг в вакууме и смеси газов (N2 + H2) для образования слоя IrSi;

— снятие непрореагировавщей Ir и SiО2;

— нанесение диффузионное — барьерного слоя TiW и алюминиевого контакта;

— удаление сплава TiW и А1 в контактом окне до пленки 1г81;

— нанесение просветляющего покрытия.

Схематический разрез структуры показан на

рис. 1.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ

В работе исследовались электрофизические свойства структур А1—'TiW— 1г81—81—А1, а также А1—1г81—81—А1, они получались как термическим испарением, так и методом магнетронного испарения.

Измерения вольтамперных характеристик структур проводились в статическом режиме при помощи установки, блок-схема которой проведена на работе [5]. Ток, протекающий через диод Шоттки, измерялся по падению напряжения на входном сопротивлении электрометрического усилителя, соединенного последовательно с исследуемым диодом и источником питания. Входные сопротивления усилителей предварительно градировались посредством сравнения их номинала с эталонным сопротивлением.

Основное затруднение при измерениях высо-коомных образцов заключается в отсутствие возможности непосредственно измерении напряжения на образце, так как подключение в образцу вольтметра с малым входным сопротивлением приводит к значительной утечке тока через вольтметр. Использование же электрометрического вольтметра с очень большим входным сопротивлением в силу ряда обстоятельств, приводит появлению сильного фона, который в свою очередь появляется в результате влияния электрометрического измерителя тока на электрометрический вольтметра. На рис. 2 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) контакта 1г81—п-Б1 при разных температурах. ВАХ диодных структур имеют

Рис. 1. Поперечное сечение фотодиодов с барьером Шоттки на основе IrSi—Si.

280 КЕРИМОВ

и, В

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики при разных температурах : 1 - 300°С, 2 - 400°С, 3 - 500°С.

униполярной вид с коэффициентом выправления 104—105. Прямые ветви ВАХ линейны в координатах 1§1 от и в диапазоне токов 10-8-10-4А.

Наблюдаемая зависимость плотности тока от приложенного напряжения хорошо согласуется с теорией термоэлектронной эмиссии:

' = ''(ехР [ПВ _ ') ,

(1)

^ = ат (- дФ),

(2)

где, ф - высота барьера Шоттки, Дф - понижения барьера благодаря поляризационной силе, связано с максимальным электрическом в контакте по формуле:

Дф =

( 4яб /

1/2

(3)

Ет =

2дИв

ббп1 Г + V,- -'

1/2

(4)

Высота барьера находится по формуле:

Ф=

где, - плотность тока насыщения, п - коэффициент неидеальности, к - постоянная Больцма-на, Т - температура в градусах Кельвина. Коэффициент неидеальности диодов лежит в пределах 1.06-1.10, величина плотности тока составляет 0.1 мА см2 при напряжении 8 В.

Высота барьера Шоттки, образующегося на границе раздела силицид иридия-кремний вычислялась из формулы для плотности тока насыщения:

кТ) 1паТ = (_ кТ) и

д ) ( 0.4У аТ2,

(5)

в которой, экстраполируя линейную часть ВАХ в шоттковских координатах к нулевому напряжению до пересечения с осью токов, можно по величине тока отсечки рассчитать высоту потенциального барьера. Рассчитанная таким образом величина потенциального барьера на границе 1гБ1—п-81 оказалась 0.93 эВ.

Характеристики структур на основе 1-^-81 при комнатной температуре соответствует омическим. Прямые и обратные ветви ВАХ практически линейны и симметричны. При охлаждении структуры до 80 К ВАХ приобретает сильно униполярной вид. Рассчитанная величина потенциального барьера на границе 1г81-р-81 равна 0.16 эВ. В [6] изучены зависимости между параметрами контакта, представляющего собой параллельное соединение трех диодов Шоттки, поскольку считаем, что этот случай более приближен к реальному контакту, ибо известно, что некоторые металлы образуют с кремнием силициды различных фаз: Мо281, Мо81, Мо812.

Усреднением плотности тока по площади со- ли для среднего значения высоты барьера, полу-ставляющих диодов, в рамках трехдиодной моде- чена формула:

фв = фЦ - kTln

афВ2) АФВ3)

kT kT

+ ю2 e + ю3 e

(6)

где, ФВЦ — высота барьера первого диодов, ДФВ2) — контрастность высот барьеров первого и второго

диодов, ДфВ3) — контрастность высот барьеров второго и третьего диодов

Ш1 = ¿Л Ш2 = ^2/S0,

Шз = 1 - (Ю1 + Ш2) = Бъ/Бо

соответственено относительные площади первого, второго, третьего диодов. Здесь за параметры неоднородности приняты следующие величины:

щ и Ф^/кГ (I = 1, 2, 3).

Преобразовывая формулу, получим:

Дфв = -kT ln

аф

(2)

аф

(3)

kT kT

+ ю2 e + ю3 e

(7)

Таким образом, предложенные параметры ю; и

Ф^/kT оказываются наглядным доказательством тому, как неоднородность границы раздела металл—полупроводник деградирует характеристики диодов Шоттки, в данном случае высоту барьера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. М.: радио и связь, 1992. 400 с.

2. Elliott C.T. Future infrared detector technologies //

Fourth Int. Conf. on Advanced Infrared Detectors and Systems. 1990. P. 61-66.

3. Byrne C.F., Knowles P. Infrared formed in mercury cadmium telluride grown by MOCVD // Semicond. Sci. Technol. 1988. № 3. Р. 377-381.

4. Иевлев В.М., Солдатенко С.А, Кущев С.Б. и др. Эффект фотонной активации синтеза пленок силицидов в гетеросистеме (111) Si-Ni-Pt // Конденсированные среды и межфазные границы. 2010. Т. 9. № 3. С. 216-227.

5. Керимов Э.А., Мусаева С.Н. Иссл

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»