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.