Применение импульсного отжига для создания приборных структур: Получение омических контактов.

Значительный объем информации по использованию импульсного отжига для создания приборных структур накоплен в области приготовления омических контактов. Основные усилия исследова­телей были направлены на получение контактов к полупроводни­ковым соединениям, поскольку свойства именно этих материалов существенно деградируют при обычных нагревах в печах, b мень­шей степени изучались в этом отношении моноатомные полупро­водники — германий и кремний.

Эффективность лазерной обработки для приготовления кон­тактов проверялась на широком классе веществ. Источником импульсного излучения служил ОКГ на рубине, работавший в режиме свободной генерации. Длительность лазерного импульса составляла 0,6 мс, а энергия 0,1-5 Дж. Лазерный луч фокуси­ровался оптической системой на основе микроскопа МИН-4. Материал контакта наносился на образцы в виде навесок, порошка или тонкой фольги. Для получения омических контактов в боль­шинстве случаев не требовалось никакой предварительной подготовки поверхности образцов, в том числе травления, промывки, удаления окисной пленки и т. д. Этот факт объяснили сплавлением материалов полупроводника и навески.

Омические контакты получались в виде небольших лунок диа­метром от 20 мкм до 1,0 мм. Их электрические свойства в значи­тельной мере определялись как материалом навески, так и условиями вплавления. При неправильно подобранных режимах вплавления или составах навесок характеристики контактов отклонялись от линейных. Вплавляя в полупроводник вещества, дающие омические контакты к материалу противоположного типа проводимости, удавалось получать выпрямляющие контакты. ВАХ омических контактов сохраняли свою линейность в диапазоне температур от 77 до 1000 К и выше. Удельные сопротивления контактов к некоторым полупроводникам приведены в таблицах. Отмечается, что вплавленные лазерным импульсом контакты не уступают по своим свойствам обычным, но их приготовление не требует нагрева всего образца. Кроме того, к лункам удобно присоединять термокомпрессией золотые вводы. Отметим попутно, что лазерную обработку можно использовать и вместо термокомп­рессии для подсоединения металлических выводов к отдельным элементам интегральных схем.

Импульсы рубинового лазера, работающего в режиме свобод­ной генерации, были использованы для получения омических контактов к арсениду галлия. Исходный материал га-типа был ле­гирован кремнием до концентрации 7-10¹⁶ см-³. Контактные пло­щадки имели форму квадрата со стороной 115 мкм. На поверх­ность арсенида галлия вакуумным напылением наносились вначале пленки Au (20 нм), а затем Ge (10 нм). Такая последовательность связана с тем, что верхний слой германия обеспечивает лучшее поглощение лазерного излучения и процесс протекает при энергиях в импульсе, значительно меньших порога разрушения. BAX контактов, полученных при энергии в импульсе 15 Дж/см², пока­зана на рис. 6.2. Числовые расчеты на ЭВМ дают в указанных условиях прирост температуры на поверхности до 600° С. При обычном стационарном нагреве приготовление контактов требует превышения температуры эвтектики Au—Ge (—356° С) на 100— 150° С, чтобы расплав растворил некоторую часть арсенида гал­лия. Аналогичный процесс происходил, по-видимому, и при им­пульсной обработке. Изготовленные с помощью лазера контакты Au—Ge имели удельное сопротивление 2 • 10~⁶ Ом; см-². Это зна­чительно ниже величин, достигаемых стационарным вплавлением Au—Ge, и соответствует лучшим результатам при исполь­зовании Au—Ge—Ni.

Было проведено комплексное исследование свойств контактов к арсениду галлия для разных комбинаций металлов, подложек и режимов лазерного облучения. Материал контак­тов наносился последовательно вакуумным напылением пленок Au—Ge (150 нм), Ni (40нм) и Аu (50 нм). На некоторые из образ­цов золото и никель не наносились. Для сплавления были исполь­зованы пять видов лазеров. Пятый был аргоновый ла­зер в непрерывном режиме (К = 0,51 мкм). Его применяли для сканирующего отжига при следующих основных параметрах:

размер пятна 185 мкм, мощность луча 2,5—4,0 Вт и скорость ска­нирования 0,13—0,43 см/с. Соответственно это обеспечило удель­ную мощность 9—15 кВт/см², удельную энергию 0,4—1,6 кДж/см² и время экспозиции 43—142 мс. После лазерной обработки ис­следовались BAX контактов в сравнении с приготовленными обычным способом на тех же материалах. Некоторые контакт­ные площадки были сфотографированы в сканирующем электрон­ном микроскопе (СЭМ).

Самое низкое удельное сопротивление контактов после импульсного вплавления было 10-⁶ Ом-см², в то время как стационарная обработка давала 5-10 -⁵ Ом-см². После импульсного воздействия морфология по­верхности по снимкам в СЭМ имеет лучший вид, чем после обыч­ного вжигания. На двух пластинах с изготовленными контак­тами были созданы полевые транзисторы. Если контактные пло­щадки получались с помощью импульсов неодимового лазера, свойства приборов были удовлетворительными. Лучшие харак­теристики достигались с применением сканирующего режима. Для изготовления контактов целесообразнее использовать длительные импульсы или сканирующие лучи, поскольку уро­вень повреждений получается ниже. В том случае, когда приме­няются наносекундные импульсы, рекомендуется выбрать излу­чение с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны. О получении хороших контактов лазерным вплавлением Au—Ge в GaAs сообщали и другие исследователи.

До сих пор речь шла о напыленных контактах. Имеются также работы, в которых для приготовления контактов использовалась ионная имплантация с последующим импульсным отжигом. В од­ном из первых исследований для создания контактов к арсе-ниду галлия n-типа в подложки внедряли 10¹⁶ см-² ионов теллура с энергией 50 кэВ, а затем отжигали наносекундными импульсами неодимового лазера. Лазер работал в пульсирующем режиме (/ =.11 кГц, Ти = 125 не) и необходимая площадь отжигалась последовательным перемещением луча, сфокусированного в пят­но диаметром 35 мкм. При отжиге имплантированных слоев удельная мощность в пятне составляла 12—40 МВт/см². По дан­ным обратного рассеяния после отжига в узлы восстановленной решетки попадало свыше 90% атомов теллура, что эквивалентно десятикратному превышению предела растворимости. На поверх­ности было замечено выделение галлия. После его удаления в со­ляной кислоте и катодного распыления 5 нм арсенида галлия на поверхность наносились последовательно 100 нм титана и 150 нм платины. Приготовленные таким образом контакты имели удель­ное сопротивление около 2-10-⁵ Ом-см².

Эксперименты по сравнению качества омических контактов, полученных имплантацией либо осаждением индия с последую­щим лазерным отжигом, осуществлялись на имплантирован­ных слоях и на объемном арcениде галлия, вырезанном в плос­кости (100). Уровень легирования исходных образцов был порядка 10¹⁸ см-³. В обоих случаях в оптимальных условиях контакт­ное сопротивление приближалось к 10-⁴ Ом-см², хотя использование напыленных слоев ухудшает контролируемость процесса, а при толщине слоя In менее 10 нм он улетает с поверхности, не смешиваясь с GaAs. Авторы высказали мнение, что формиро­вание тройного соединения InxGA1-xAs на поверхности арсенида галлия снижает потенциальный барьер и облегчает последую­щее контактирование к подложке. Особо отмечалось, что для вплавления напиленных металлических пленок целесообразно использовать облучение образцов с тыльной стороны СО2 лазе­ром. Его излучение слабо поглощается в подложке, и основная энергия выделяется на границе металл—полупроводник.

Хороших результатов удалось добиться при вжигании кон­тактов Аu—Ge/Pt в полуизолирующий арсенид галлия <100>, имплантированный 10¹³ см-² ионов селена с энергией 400 кэВ. Металлы напылялись последовательно: 130 нм (12% Се — 88% Au) и 30 нм Pt. Отжиг проводился импульсами электронов длительностью 10-⁷ с. Потенциал ускорения составлял 20 кВ, а энергия в импульсе для оптимальных условий вжигания лежа­ла в пределах 0,3—0,5 Дж/см². Импульсный электронный отжиг обеспечивал контактное сопротивление до 4-Ю-⁷ Ом-см². Для сравнения отжиг аналогичных образцов в течение 2 мин при 400° С формировал контакты с сопротивлением 1,3 10-⁵ Ом-•см². Измерение профилей распределения элементов по глубине методом Оже-спектроскопии показало, что при импульсном от­жиге взаимное перемешивание металлов и арсенида галлия мало, в то время как после двухминутного прогрева оно более значи­тельное. Предположительно, что в этом заключена причина сни­жения контактных сопротивлений в случае вжигания электрон­ными импульсами.

Краткий обзор по применению импульсного лазерного и элек­тронного отжигов для приготовления контактов к арсениду гал­лия n-типа содержится в.

Возможности создания контактов импульсными методами ис­следовались на фосфиде индия. Образцы p-InP имплантировали ионами цинка или кадмия с энергией 30 кэВ. Для от­жига были использованы неодимовый и рубиновый лазеры в ре­жиме модулированной добротности. После импульсной обработки на контактные площадки наносилось золото. Лазерное пятно фо­кусировалось с помощью линзы, так, что продольным переме­щением образцов удельную мощность излучения можно было регулировать в нужных пределах. Для достижения низких кон­тактных сопротивлений необходимо было использовать такие ре­жимы импульсной обработки, чтобы ограничиться минимальной глубиной проплавления, соответствующей пробегу ионов. Желательно также уменьшать и сам пробег, применяя внедрение ионов малой энергии. Анализ состава приповерхностных слоев методом масс-спектрометрии вторичных ионов пока­зал, что избыточный нагрев поверхности приводит к частичной потере имплантированной примеси и это ухудшает свойства кон­тактов. В целом использование импульсной обработки для создание омических контактов выглядит достаточно перспективным, учитывая потенциальные преимущества метода и постепенное вовлечение в микроэлектронику новых материалов, которые либо плохо переносят нагрев, либо тугоплавких. Судя по имеющимся данным, остаточные нарушения структуры не создают особых помех для получения контактов. Кроме того, как известно, наличие дефектов в приконтактной области играет положительную роль, ускоряя рекомбинацию инжектированных носителей заряда.

Дефекты и контроль качества омических контактов:

В производстве полупроводниковых микросхем под термином " металлизация" подразумевают омические контакты к активным областям, а также контактные площадки для подсоединения структуры к выводам корпуса или к пассивной части ГИМ. Надежность микросхем в значительной степени определяется качеством металлизации. Основные виды отказов микросхем из-за дефектов металлизации:

1. Разрывы металлизации на ступенях, в местах пересечений проводников разных уровней или в местах межуровневых контактов;

2. Короткие замыкания одного или различных уровней металлизации;

3. Разрывы в областях повышенного последовательного сопротивления проводников.

Разрывы металлизации могут появиться как следствие проявления свойств металлов и недостаточной их согласованности с полупроводником и маскирующей пленкой. Основные механизмы разрушения металлизации:

1. Образование интерметаллических соединений;

2. Коррозия и электродиффузия;

3. Механические напряжения.

В технологии создания металлизации микросхем много задач, среди которых первостепенными являются тщательность подготовки поверхности, выбор материалов для металлизации и изоляциивыбор оптимальных методов и режимов проведения процессов, а также правильная организация контрольных операций. При изготовлении металлизации контролируют качество напыленной пленки металла, удельное переходное сопротивление, вольт-амперные характеристики омических контактов.

Качество напыленной пленки металла наблюдается визуально. Поверхность металла должна быть зеркальной, без точек, пятен, посторонних частиц и других различимых невооруженным глазом дефектов.

Прочность покрытия контролируется непосредственно после напыления путем поскабливания остро заточенным пинцетом в двух, трех точках поверхности пластины. Покрытие не должно отслаиваться.

Толщина пленки металла измеряется методом многолучевой интерферометрии. Перед измерением часть осажденной пленки удаляется химическим травлением и на пластине получается ступенька. Сущность метода заключается в обследовании интерференционной картины, получаемой при наложении двух когерентных лучей света, отраженных от поверхностей пластины и пленки. Чередующиеся светлые и темные интерференционные полосы с шагом L как на поверхности пленки, так и на поверхности пластины смещены относительно друг друга около ступеньки на величину l (рисунок №2). Поэтому толщина пленки рассчитывается по формуле:

2L

3L

Рисунок №2:

Измерение толщины пленки по смещению интерференционных полос на ступеньке.

 

Удельное переходное сопротивление омического контакта соответствует сопротивлению контакта единичной площади.

Pk=RkS, где Rk – полное сопротивление контакта, и не зависит от площади контакта S. Для измерения удельного переходного сопротивления используют тест- структуры. Одна из них содержит пять двойных контактов с одинаковой шириной b, но с разной длиной а, 2а, 4а и разными промежутками между контактами l, 2l,4l. Сначала измеряют сопротивление r первых трех пар контактов 1, 2, 3. По результатам измерений строят зависимость R=f(l) и, экстраполируя к l=0, находят 2Rk, где Rk – полное сопротивление контактов (Рисунок №3). Из наклона зависимости R=f(l) находят поверхостное сопротивление полупроводника. После этого измеряют сопротивления контактов 1, 4, 5 и по результатам измерений рассчитывают полное сопротивление контактов по формуле:

 

 

Rk=1/2(U/I-Rs/b)

 

 

R

 

 

 

2Rk

 

 

Рисунок№3:

Зависимость удельного переходного сопротивления от промежутка промежутка между контактами..

 

Приложение№1.

Технология изготовления омических контактов к полупроводникам типа А3В5.