Получение многослойной металлизации Al-NiTi-Pd на поверхности монокристаллического кремния n-типа. Изготовление диодов Шоттки, их характеристики. Устранения технологической операции создания диффузионного барьера Ni-Ti в случае контакта PdSi с n-Si.
Аннотация к работе
«МЕТАЛУРГІЯ». ПОЛУЧЕНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ, ИХ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕДосліджено можливість одержання багатошарової металізації Al-NITI-Pd на по-верхні монокристалічного кремнію n-типу. Показано, що через відмінність коефіцієнтів термічного розширення, параметрів решітки кремнію та матеріалу шару плівки, які осаджують, можуть мати різну міру дефектності. Исследована возможность получения многослойной металлизации Al-NITI-Pd на поверхности монокристаллического кремния n-типа. Показано, что изза различия коэффициентов термического расширения, параметров решетки кремния и материала осаждаемого слоя пленки могут иметь различную степень дефектности. Установлена роль термоотжига в формировании границы раздела Al-NITI-PDSI/n-Si.Исследование границы раздела между металлом и полупроводниковым материалом представляет большой интерес для развития физики твердого тела, а также для расширения практического использования активных свойств границы радела в конструкции электронных приборов [1]. При научно обоснованном выборе материалов и контроле условий формирования пленки металлизации можно, в частности, получить границы раздела с заданными стабильными электрофизическими параметрами для контактов с барьером Шоттки. В работе [2] методом каналирования ионов He и дифракции обратно рассеянных электронов в пленках PTSI, Pd2Si, NISI2 толщиной 100…2300 ?, полученных при температурах отжига 673…1123, 673…1027 и 1073…1123 К соответственно, установлено, что структура пленок PTSI значительно ухудшается при их толщине более 300 ? (разориентация кристаллитов более 0,5 ? при любых условиях отжига). Так, в работе [4] утверждается, что во время отжига при температуре выше 523 К в течение 30 мин высота барьера ФВ для диодов Шоттки Pd2Si-Si составляет 0,73…074 ЭВ. Поскольку размеры, геометрическое расположение и локальные свойства зерен в поликристаллической пленке металла неодинаковы, отсутствие кристаллических фрагментов в пленке с аморфной структурой делает ее поверхность более гладкой (гомогенной), что способствует повышению качества и надежности элементов интегральных схем с идентичными параметрами.
Введение
Контакт «металл-полупроводник» является неотъемлемым элементом структуры полупроводникового прибора. Исследование границы раздела между металлом и полупроводниковым материалом представляет большой интерес для развития физики твердого тела, а также для расширения практического использования активных свойств границы радела в конструкции электронных приборов [1].
Свойства границы раздела зависят от степени ее однородности, кинетики физических процессов, происходящих в ее окрестности, в том числе возможности образования химических соединений, характера дефектов и др. Получение атомарно рез-______________________________________
? Пашаев И.Г., Критская Т.В., 2014
127
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ ких границ, регулирование их химической активности, в конечном счете, позволяют изготовить электронные приборы с желаемыми свойствами. При научно обоснованном выборе материалов и контроле условий формирования пленки металлизации можно, в частности, получить границы раздела с заданными стабильными электрофизическими параметрами для контактов с барьером Шоттки. Для данной цели наиболее перспективными являются силициды металлов - соединения кремния с более электроположительными элементами. Поверхность раздела «силицид-кремний» формируется в объеме образца кремния, прилегающем к его поверхности, что должно обеспечивать ее однородность и отсутствие загрязнений. В последние два десятилетия выявлен ряд закономерностей получения и свойств контакта «силицид металла-полупроводник». В частности, наибольший интерес, благодаря своим уникальным свойствам, представляют силициды платины и палладия [2-9].
В работе [2] методом каналирования ионов He и дифракции обратно рассеянных электронов в пленках PTSI, Pd2Si, NISI2 толщиной 100…2300 ?, полученных при температурах отжига 673…1123, 673…1027 и 1073…1123 К соответственно, установлено, что структура пленок PTSI значительно ухудшается при их толщине более 300 ? (разориентация кристаллитов более 0,5 ? при любых условиях отжига). В то же время, для пленок Pd2Si, NISI2, при определенных условиях отжига и толщине пленки более 2000 ?, разориентация кристаллитов близка к нулю. Авторы полагают, что это явление связано с несоответствием параметров решетки PTSI-Si (12 %) по сравнению с Pd2Si-Si (~2 %) и NISI2-Si (~0,5 %). В работе [3] исследовали образование слоев Pd2Si и PTSI на Si(111) со слоем естественного оксида (~1…3 нм). Оксидный слой влияет на шероховатость поверхности силицида, границы раздела «силицид-кремний» и на коррозионные свойства силицидного слоя. Образцы со слоями палладия или платины толщиной 50 нм отжигали при температуре 673 К в течение 1 ч в атмосфере гелия. Выявлено, что слои Pd2Si менее чувствительны к присутствию оксида, чем PTSI.
Структурное совершенство границ раздела существенно влияет на высоту барьера Шоттки. Так, в работе [4] утверждается, что во время отжига при температуре выше 523 К в течение 30 мин высота барьера ФВ для диодов Шоттки Pd2Si-Si составляет 0,73…074 ЭВ. При температуре ниже 473 К величина барьера выше (до 0,78 ЭВ), что указывает на неоднородность границ раздела (существование участков с непрореагировавшими компонентами). Пленки Pd2Si сохраняют стабильность при высоких температурах: 1148 К на Si(111); 1098 К на Si(110), 1048 К на Si(100), время отжига - 15 мин. При более высоких температурах Pd2Si сосуществует с PDSI и кремнием. Образующиеся при отжиге островки PDSI, окруженные включениями дендритного кремния, проникают в объем подложки кремния [5].
Обычно толщина слоя силицида не превышает 20…40 нм, и контакт может быть неустойчивым после высокотемпературной обработки (~773 К [6]). Термообработка может привести к взаимодействию силицида с алюминием, используемым в интегральных схемах (СБИС), фотоэлектрических преобразователях в качестве контактной разводки, с тугоплавкими металлами. В работе [7] показано, что деградация диодов Шоттки на основе силицидов платины и палладия вызвана их взаимодействием с никелем во время термообработки при температуре выше 573 К. Для предотвращения подобных процессов применяются различные диффузионные барьеры [5]. Как указывается в работе [8], при использовании подслоя никеля в процессе отжига при температуре 813 К в течение 20 мин образуется эвтектическая структура Pd2Si-Ni-NIAL3-Al, что приводит к стабилизации барьера Шоттки.
Взаимодиффузию атомов алюминия и палладия в системах Al-Pd2Si-Si изучали в работе [9]. Показано, что при повышении температуры отжига и увеличении дли-
128
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ тельности термообработки (> 573 К, ?отж = 4 мин) вследствие взаимодиффузии граница раздела неоднородная, и параметры контакта деградируют. В работе [10] в качестве диффузионного барьера использовали аморфный сплав NITI, который обеспечивает достаточно однородную границу раздела между PTSI/n-Si и металлической контактной пленкой. Показано, что в пленке металлов и металлических сплавов с аморфной структурой формируется более однородная граница раздела, что способствует повышению качества диодов Шоттки и приближению их характеристик к идеальным.
а б
Рисунок 1 - а - Электронномикроскопическое изображение аморфных пленок Ni35Ti65, х 100000;
б - Поверхность аморфной пленки сплава Ni35Ti65 толщиной 500 А, полученной на постоянном токе при Ik =3 348 МА/см
(атомно-силовая микроскопия)
Поскольку размеры, геометрическое расположение и локальные свойства зерен в поликристаллической пленке металла неодинаковы, отсутствие кристаллических фрагментов в пленке с аморфной структурой делает ее поверхность более гладкой (гомогенной), что способствует повышению качества и надежности элементов интегральных схем с идентичными параметрами. В аморфных металлических пленках по-чти не протекают диффузионные процессы, которые приводят к деградации приборов, и они фактически являются диффузионными барьерами в интегральных микроструктурах с многоуровневой металлизацией. В частности, с использованием пленок металлизации с аморфной структурой возможно изготовление диодов Шоттки с высоким потенциальным барьером (до 1 ЭВ), что представляет интерес для солнечной энергетики [10]. На рис. 1 представлены электронномикроскопический снимок аморфной пленки Ni35Ti65 толщиной 500 мкм и морфология ее поверхности на основании данных атомно-силовой микроскопии.
Используя представления о сеточной микроструктуре и островковом механизме зарождения аморфных пленок можно предположить, что области повышенной плотности вещества (ячейки сеточной структуры) являются активными центрами роста аморфной пленки, а области пониженной плотности вещества (границы ячеек сеточной структуры) - каналами, по своей природе напоминающими межзеренные границы кристаллических пленок. При этом роль активных центров роста аморфной
129
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ пленки, образующихся на основе зародышей аморфной фазы, совпадает с ролью зародышей в кристаллических пленках.
Созданные диоды Шоттки на основе Al-NITI-PTSI/n-Si имели малые различия коэффициента неидеальности вольтамперных характеристик и высоты барьера, что объясняется относительной однородностью границы раздела.
Как видно из приведенного кратного обзора литературы, использование силицидов палладия, по сравнению с PTSI, обладает рядом преимуществ.
Целью настоящей работы является исследование многослойной металлизации, выполненной на основе силицидов палладия, диффузионного барьерного аморфного слоя NITI (или без него), а также алюминиевого контакта для использования в диодах Шоттки.
Основная часть исследований. В данной работе были изготовлены три партии диодов Шоттки с многослойной металлизацией и проведены исследования их свойств. Использовали кремниевые пластины n-типа (111) с удельным сопротивлением 0,7 Ом·см [11]. Слой палладия наносили термическим испарением; NITI и алюминия - магнетронным распылением.
Первые две партии после осаждения палладия подвергали термообработке при температуре 623 К в течение 30 мин для образования PDSI. Во второй партии перед нанесением алюминий-контактной разводки (DAL = 1,2·10-4 см) осаждали диффузионный барьерный слой NITI (DNITI = 2·10 см). Третья партия диодов Шоттки также имела диффузионный барьер, однако отличалась более низкой температурой отжига (573 К).
-5
Рентгенофазовый анализ осуществляли при непрерывном сканировании со скоростями 1 и 2 град/мин. В табл. 1 приведены результаты рентгенофазового исследования пленок в зависимости от угла падения луча ? и указаны значения получаемой разности хода лучей (d) при дифракции: d ? a?sin? , (1) где а - межатомное расстояние. Поправки ???, влияющие на точность измерения межплоскостных расстояний, вносили по рефлексам внутреннего стандарта - nacl. Съемку дифрактограммы вели при углах 5…80?.
Для установления степени кристалличности пленок Al-NITI-PDSI были проведены электронно-микроскопические исследования их поверхности (рис. 2). На начальном этапе осаждения наблюдали полные или усеченные пирамиды роста с заметным, при большем увеличении, слоевым строением. Затем, по мере постепенного увеличения количества зародышей, вершины этих пирамидальных холмиков становились плоскими и одновременно соединялись друг с другом, с образованием сплошной пленки.
Следует отметить, что состояние поверхности используемых подложек оказывает существенное влияние на образование дефектов кристаллической решетки пленки. Форма дефектов упаковки определяется ориентацией поверхности подложек.
На рис. 2,а показана микрофотография поверхности полученных пленок Al-NITI-PDSI после осаждения. Следует отметить, что при соблюдении идентичных условий осаждения пленок в некоторых случаях, изза различия параметров кристаллической решетки и коэффициентов термического расширения пленки и подложки, образующиеся дефекты в пленках имели различный характер. При резком охлаждении от термической обработки (~ 773 К) до комнатной температуры пленки частично раз-
130
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ рушаются и на них появляются трещины (рис. 2,б).
Таблица 1 - Рентгенофазовый анализ пленок Al-NITI-PDSI
Угол падения луча Экспериментальные данные Теоретические данные
а) б) a) после осаждения; б) образование трещин в монокристаллических пленках (х 50000) Рисунок 2 - Электронно-микроскопические фотографии поверхности пленки Al-NITI-PDSI
Обсуждение результатов. Получены вольтамперные характеристики (ВАХ) диодов Шоттки на основе Al-NITI-PDSI/n-Si в прямом и обратном направлениях при комнатной температуре. Из прямых ветвей ВАХ определены высота барьеров, коэффициент неидеальности и напряжение пробоя при Іобр = 10-6 А. На рис. 3 и 4 представлены зависимости этих параметров от размерных зависимостей (отношения периметра контакта к его площади P/S). Аналогичный метод построения размерных зависимостей использовали в работах [12-14]. Применение метода обусловлено тем, что
131
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ свойства периферийной и центральной частей контакта различны: на периферии контакта имеются механические напряжения, происходят утечки тока. С ростом отнtrialия P/S влияние периферии на свойства контакта возрастает. Авторами работы [14] исследованы диодные матрицы, содержащие 14 прямоугольных контактов с площадью от 1·10-6 до 1,4·10-5 см2. Использование размерных зависимостей параметров контакта показало возможность косвенно изучать степень однородности границы раздела.
На рис. 3 представлены зависимости высоты барьера ФВ от P/S для диодов Шоттки на основе Al-NITI-PDSI/n-Si, которые отличаются температурой отжига. Как видно, с ростом P/S наблюдается тенденция к уменьшению ФВ, которое происходит более плавно в случае структуры без диффузионного барьера, нежели с диффузионным барьером TINI. Уменьшение ФВ с ростом P/S свидетельствует о повышении роли периферии с уменьшением площади диодов. При сопоставлении результатов исследований диодных структур, обработанных при различных температурах отжига, наблюдается высокий уровень нестабильности параметров в случае Тотж = 573 К, когда разброс высоты барьера достигает 0,1 ЭВ. Это можно объяснить структурным несовершенством границы раздела, вызванным существованием участков с не полностью прореагировавшими компонентами (Pd, Si) вследствие более низкой температуры отжига.
На рис. 4,а приведены зависимости коэффициента неидеальности n, а на рис. 4,б - напряжения пробоя Uпроб при Іобр = 10-6 А от величины отношения P/S. Как видно, имеет место тенденция к увеличению указанных параметров с ростом отношения P/S, что, очевидно, объясняется влиянием краевых эффектов и степенью однородности границы раздела.
Рисунок 3 - Зависимость высоты барьера ?В от отношения периметра контакта к его площади Р/S
132
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ Подобные зависимости можно объяснить неоднородной моделью диодного контакта «металл-полупроводник» [14-17], где диод рассматривают как два параллельно соединенных диода - центральный и периферийный.
Сопоставление рис. 3 и 4, позволяет обнаружить некоторую корреляцию, существующую между высотой барьера и коэффициентом неидеальности n, где с ростом n высота барьера уменьшается. Подобная корреляция экспериментально обнаружена в работе [18].
n Uпроб, 10
1,6 8
1,4 6
1,2 4
1,0 2
0,2 0,3 0,4 P/1 1111 а 0,2 0,3 0,4 P/1 б
Рисунок 4 - Зависимость коэффициента неидеальности n (а) и напряжения пробоя Uпроб (б) от отношения периметра контакта к его площади P/S.
(обозначения те же, что и на рис. 3)
Выводы. Установлено, что в случае контакта силицида палладия с кремнием введение диффузионного аморфного барьера NITI является лишней технологической операцией, приводящей к ухудшению диодных характеристик - уменьшению высоты барьера, напряжения пробоя и увеличению коэффициента неидеальности. Обнаружено, что с уменьшением площади контакта влияние периферии на приборные характеристики растет, что необходимо учитывать в технологии приборных структур. Выявлена определяющая роль термоотжига в формировании границы раздела Al-NITI-PDSI/n-Si. При правильном выборе параметров термоотжига можно создать барьер Шоттки с однородной границей раздела.
Список литературы
1. Мьюрарка, Ш. Силициды для СБИС [Текст] / Ш. Мьюранка. - М. : Мир, 1986. - 176 с. - Библиогр. : с. 174-175.
2. Пашаев, И. Г. Влияние различных обработок на свойства диодов Шоттки [Текст] / И. Г. Пашаев // Физика и техника полупроводников. - 2012. - Т. 46, Вып. 8. - С. 1108-1110.
3. Pashaev, I. G. Elektronysikal Properties of Schottky diodes made on the basis of silikon wtth amorphous and polycrystaline metal alloy at low direct voltage [Text] / I. G. Pashaev // Technical and Physical Problems of Engineering. - 2012. - Iss. 10, Vol. 4, No 1. - P. 41-44.
4. Elzenberg, M. Formation of shallow Schottky contacts to Si using Pt-Si and Pd-Si alloy films [Text] / M. Elzenberg, H. Foell, K. N. Tu // J. Appl. Phys. - 1981. - Vol. 52, No 2. - P. 861-868.
5. Hitching, G. A. The grows and transformation of Pd2Si on (111), (110), (100) Si [Text] /
133
«МЕТАЛУРГІЯ». Випуск 2 (32), 2014
_______________________________________________________________________ G. A. Hitching, A. Shepela // Thin Solid Films. - 1973 - Vol. 18. - P. 742-750.
6. Tsaur, B. J. Effect interface structure on the electrical characteristics of PTSI-Si Schottky barrier contacts [Text] / B. J. Tsaur, D. J. Silversmith // Thin Solid Films. - 1982 - Vol. 93. - P. 343-363.
7. Проблемы создания высоконадежных многоуровневых соединений СБИС [Текст] / В. А. Валиев, А. А. Орликовский, А. Г. Васильев, В. Ф. Лукичев // Микроэлектроника. - 1990. - Т. 19, Вып. 2. - С. 116-131.
8. Solomonson, G. A study of Titanium as a diffusion barrier between PTSI or Pd2Si and Al [Text] / G. Solomonson, E. K. Holm, T. G. Finsted // Phys. SCR. - 1981. - Vol. 24, No. 2. - P. 401-404.
9. Robinson, S. V. CRC crit revs [Text] / S. V. Robinson, D. G. Fertig // Solid State Sci. - 1975. - Vol. 5, No 3. - P. 291-296.
10. Пашаев, И. Г. Изучение электрофизических свойств диодов Шоттки, изготовленных на основе кремния с различными аморфными металлическими слоями [Текст] / IX Меж-дунар. конф. и VIII Школа мол. ученых «Кремний-2012», 09-13.07.2012 г., Санкт-Петербург, 2012. - С. 34.
11. Критская, Т. В. Современные тенденции получения кремния для устройств электроники. Монография. [Текст] / Т. В. Критская. - Запорожье : ЗГИА, 2013. - 365 с. - Библиогр. : с. 307-347. - ISBN 978-966-8462-87-0.
12. Пашаев, И. Г. Изучение восстановления деградационных свойств контакта кремния, изготовленного на основе аморфного металлического сплава [Текст] / И. Г. Пашаев // Инженерная физика. - 2012. - № 7. - С. 23-27.
13. Аскеров, Ш. Г. Размерная зависимость плотности тока насыщения диодов с барьером Шоттки [Текст] / Ш. Г. Аскеров // Известия Вузов. Физика. - 1986. - № 1. - С. 97-98.
14. Критская, Т. В. Изучение деградации характеристик кремниевых диодов Шоттки, изготовленных с применением аморфного сплава Pb-Sb [Текст] / Т. В. Критская, И. Г. Пашаев // Металургія : наукові праці Запорізької державної інженерної академії. - Запоріжжя : РВВ ЗДІА, 2012. - Вип. 3 (28). - С. 138-145.
15. Аскеров, Ш. Г. Неоднородная модель контакта металл-полупроводник [Текст] / Ш. Г. Аскеров // Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем. - Рязань, 1985. - С. 122-126.
16. Wickenden, D. K. Amorphous metal-semiconductor contacts for high temperature electronics-II [Text] / D. K Wickenden, M. J Sisson // Solid State Electron. - 1984. - Vol. 27, No 6. - Р. 515-518.
17. Пашаев, И. Г. Повышение надежности диодов Шоттки, изготовленных на основе контакта кремния с аморфным металлическим сплавом [Текст] / И. Г. Пашаев // Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов : тез. докл. всесоюзн. конф. - 1986. - Ч. 2. - Кишинев. - 1986. - С. 165.
18. Pashaev, I. G. The inflience of ultrasonic treatment on the properties of Schottky Diodes [Text] / I. G. Rashaev // Open Journal of Acoustics. - 2013. - Vol. 3. - P. 9-12.
Стаття надійшла до редакції 28.03.2014 р. Рецензент, проф. Ю. В. Трубіцин
Текст даної статті знаходиться на сайті ЗДІА в розділі Наука http://www.zgia.zp.ua