Омический контакт

Омический контакт — контакт между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками, характеризующийся линейной симметричной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если ВАХ является асимметричной и нелинейной, контакт является не омическим а выпрямляющим, например контактом с барьером Шоттки, на основе которого создан диод Шоттки. В модели барьера Шоттки, выпрямление зависит от разницы между работой выхода металла и электронного сродства полупроводника. Однако на практике, контакты металл-полупроводник точно не следуют модели Шоттки, так как наличие внешних поверхностных состояний на границе раздела фаз (например, оксиды и дефекты) может сделать поведение перехода практически не зависящим от разницы между работой выхода металла и электронного сродства. В производстве полупроводниковых приборов и устройств (интегральных схем), для создания омического контакта, подконтактый регион дополнительно легируют (например n⁺ легирование для для пластин кремния n-типа и алюминиевых контактных площадок). При этом толщина области пространственного заряда барьера становится настолько малой, что через нее возможно туннелирование носителей заряда (полевая эмиссия). Такие сильно легированные области структуры обычно обозначают p⁺ или n⁺.

При контакте металла и полупроводника p-типа высота барьера Шоттки может формироваться, как показано на зонной диаграмме.

Теория

Уровни Ферми (или, строго говоря, электрохимический потенциал) любых двух твёрдых тел при их контакте в тепловом равновесии должны быть равны. Разница между энергией Ферми и уровнем вакуума, называется работой выхода. Металл и полупроводник могут иметь различные работы выхода, которые обозначаются $\phi_M$ и $\phi_S$ соответственно. В таком случае, когда два материала приводятся в контакт, электроны будут перетекать из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода до достижения равновесия уровней Ферми. В результате, материал с более низкой работой выхода приобретёт небольшой положительный заряд, в то время как материал с более высокой работой выхода станет немного отрицательным. Образовавшийся электростатический потенциал называется встроенным потенциалом и обозначается $V_{bi}$. Этот контактный потенциал образуется между любыми двумя твёрдыми веществами и является основной причиной таких явлений, как выпрямление в диодах. Встроенное поле является причиной изгиба зон в полупроводнике вблизи перехода. В большинстве металлов не происходит изгиба зон, так как у металлов очень короткая длина экранирования, а это означает, что любое электрическое поле распространяется только на небольшое расстояние за пределы границы раздела.

В классической картине физики, для того, чтобы преодолеть барьер, носители в полупроводнике должны получить достаточно энергии для прыжка от уровня Ферми до верхней части изгиба зоны проводимости. Необходимая для преодоления барьера энергия $\phi_B$ равна сумме встроенного потенциала и смещения между уровнем Ферми и зоной проводимости. Иными словами для полупроводников n-типа, $\phi_B = \phi_M - \chi_S$ где $\chi_S$ сродство к электрону полупроводника, определяется как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB). Для полупроводников р-типа $\phi_B = E_g - (\phi_M - \chi_S)$ , где $E_g$ ширина запрещённой зоны. Процесс, когда носитель получает энергию для преодоления барьера за счёт тепловой энергии, называется термоэлектронной эмиссией. Не менее важным процессом в реальных контактах является квантово-механическое туннелирование. Квазиклассическим приближением описывается простейший случай туннелирования в котором вероятность проникновения барьер экспоненциально зависит от произведения высоты барьера и его толщины. В случае контактов, толщина задаётся шириной области пространственного заряда (ОПЗ), которое соразмерно глубине проникновения в полупроводник встроенного в поля. Ширина ОПЗ может быть вычислена путём решения уравнения Пуассона и с учётом наличия примесей в полупроводнике:

$\nabla ^2 V = \frac{\rho}{\epsilon}$

где в единицах МКС $\rho$ это плотность заряда и $\epsilon$ диэлектрическая проницаемость. Геометрия одномерна, так как граница раздела считается плоской. Интегрируя уравнение один раз, и считая приближённо, что на глубине больше ширины ОПЗ плотность заряда постоянна, получаем

$\frac{dV}{dx} = \frac{\rho x}{\epsilon} + C_0$

Постоянная интегрирования $C_0 = \frac{-\rho W}{\epsilon}$ по аналогии с определением шириной ОПЗ, может быть определена как длина, на которой граница раздела полностью экранирована. затем

$V(x) = \frac{\rho}{2 \epsilon}x^2 - \frac{\rho W}{\epsilon}x + V_{bi}$

где то, что $V(0) = V_{bi}$ было использовано для определения оставшейся постоянной интегрирования. Это уравнение $V(x)$ описывает пунктирные синие кривые в правой части рисунка. Ширину ОПЗ можно определить, установив $V(W) = 0$, что приводит к

$W = \sqrt{ \frac{2 \epsilon V_{bi}}{\rho} }$

Для 0 <х <W, $\rho = e N_{dopant}$ это концентрация заряда ионизованных доноров и акцепторов в полностью истощённом полупроводнике и $e$ заряд электрона. $\rho$ и $V_{bi}$ имеют положительные знаки для полупроводников n-типа и отрицательные знаки для р-типа, что даёт положительный изгиб $V''(x)$ для n-и отрицательной изгиб для р-типа, как показано на рисунках.

Из чего, казалось бы следует вывод, что высота барьера (зависящая от сродства к электрону и встроенного поля) и толщина барьера (зависящая от встроенного поля, диэлектрической проницаемости полупроводника и концентрации легирующей примеси) могут быть изменены только путём замены металла или изменения концентрации легирующей примеси. Однако замечено, что уровень Ферми закрепляется примерно при той же энергии в запрещённой зоне и для n и р-типа Si (т.е. сумма $\phi_{bn}$ и $\phi_{bp}$ примерно $E_{g}$). Предположительно на уровень Ферми воздействуют состояние границы раздела и структурные факторы из-за очень высокой плотности поверхностных состояний. Отметим, что для омических контактов, не нужно беспокоиться о незначительном изменении характеристик омического контакта, потому что в большинстве случаев на контакте происходит очень небольшое падение потенциала.

В общем случае инженер выбирает контактный металл по критериям проводимости, неактивности, термической стабильности, электрической стабильности и низким уровнем термических напряжений, а затем будет увеличивать плотность легирования под контактом, чтобы сузить ширину области барьера. Так как коэффициент передачи в туннелировании экспоненциально зависит от массы частицы, к полупроводникам с более низкими эффективными массами легче создать омический контакт. Кроме того, полупроводники с шириной запрещённой зоны меньше более легко образуют омические контакты, потому что их сродство к электрону (и, следовательно, высота барьера), как правило, ниже.

Несмотря на то, что простая теория, изложенная выше, предсказывает, что металлы, чья работа выхода близка к сродству к электрону полупроводника должны наиболее легко образовывать омические контакты, на самом деле, металлы с высокой работой выхода лучше образуют контакты с полупроводниками р-типа в то время как металлы с низкими работами выхода лучше образуют контакты к полупроводникам n-типа. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели не распространяется далеко за пределы этого заявления. В реальных условиях, металл контакта может реагировать с поверхностью полупроводников с образованием соединений с новыми электронными свойствами. Слой загрязнений на границе раздела может эффективно расширить барьер. Поверхность полупроводника может реконструироваться, что привёдет к новым электронным свойствам. Сопротивление контакта зависимо от деталей межфазных реакций, что делает воспроизводимое изготовление омических контактов существенной технологической проблемой.^[1][2][3]

Изготовление и контроль параметров омических контактов

Примеры омических контактов для измерения контактного сопротивления методом длинной линии (TLM). Металл - светлые части рисунка, тёмные - полупроводник.

Несмотря на то, что процесс изготовления омических контактов является одним из базовых и хорошо изученных (по крайней мере на кремнии), в нем, тем не менее остаётся что-то от искусства. Воспроизводимость, надёжность изготовленных контактов опирается на крайнюю чистоту поверхности полупроводника. С родным оксидом, быстро образующимся например на поверхности кремния, свойства производимых контактов могут быть очень чувствительны от деталей процесса формирования.

Основными шагами в изготовлении контакта являются очистка поверхности полупроводника, осаждение контактной металлизации, структурирование и отжиг. Очистка поверхности может быть выполнена травлением-распылением, химическим травлением, реактивным газовым травлением или ионным травлением. Например, родной оксид кремния может быть удалён с помощью травления в HF, в то время как GaAs чаще очищают бромин-метанольным травлением. После очистки металлы осаждаются путём напыления, испарения или химического осаждения из паровой фазы (CVD). Распыление является более быстрым и удобным методом осаждения металла, чем испарение, однако ионная бомбардировка из плазмы может вызвать поверхностные состояния или даже инвертировать тип носителей заряда на поверхности. В связи с этим мягкий, но все ещё сравнительно быстрый CVD наиболее предпочтителен. Структурирование контактов осуществляется по стандартному фотолитографическому процессу, в частности по методу срывной фотолитографии, где металл наносится через отверстия в слое фоторезиста, который затем растворяется. После осаждения в большинстве случаев производят отжига контактов для снятия внутренних механических напряжений, а также для стимулирования запланированной твердофазной реакции между металлом и полупроводником.

Измерение сопротивления контактов чаще всего осуществляется на специальных тестовых структурах по одной из модификаций метода длинной линии (TLM)^[4], четырёхточечным методом^[5] либо методом Кельвина, выбор которых зависит от соотношения контактного сопротивления и удельного сопротивления плёнки полупроводника и от деталей фотолитографического процесса.

Технологически важные виды контактов

Современные омические контакты к кремнию, такие как титан-вольфрамовый дисилицид, либо другие, как правило, силициды создаются методом осаждения из газовой фазы (CVD). Контакты часто делаются путем осаждения переходного металла и формирования силицидов путём отжига, в результате чего силицид может быть нестехиометрическим. Силицидные контакты также могут быть сформированы методом прямого распыления соединения или методом ионной имплантации переходного металла с последующим отжигом. Алюминий является ещё одним важным металлом для кремниевой технологии, который можно использовать с любым (n- и p-) типом полупроводника. Как и у других активных металлов, Al способствует формированию контакта, связывая кислород в оксид и тем самым «раскисляя» границу раздела, что способствует хорошей адгезии. Силициды, в значительной степени заменили Al отчасти потому, что более огнеупорные материалы в меньшей степени подвержены непреднамеренной диффузии (что приводит к деградации структуры), особенно в течение последующей высокотемпературной обработки.

Формирование контактов к полупроводниковым соединениям значительно сложнее, чем к кремнию. Например, поверхности GaAs имеют тенденцию к потере мышьяка, что может значительно усугубляется осаждением металла. Кроме того, неустойчивость As ограничивает параметры пост-отжига, от чего страдают GaAs приборы. Одно из решений для GaAs и других полупроводниковых соединений - нанесение в качестве контактного слоя сплава с узкой шириной запрещённой зоны, в отличие от сильнолегированного слоя на кремнии. Например, GaAs сам по себе имеет меньшую, чем у AlGaAs ширину запрещённой зоны, таким образом слой GaAs на его поверхности может способствовать созданию омического контакта. В целом технология омических контактов на III-V и II-VI полупроводниках гораздо менее развита, чем на кремнии.

Полупроводник	Контактообразующий материал
Si	Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2
Ge	In, AuGa, AuSb
GaAs	AuGe, PdGe, PdSi, Ti/Pt/Au
GaN	Ti/Al/Ti/Au, Pd/Au
SiC	Ni
InSb	In
ZnO	Al
Mo, HgCdTe	In

Прозрачный или полупрозрачный контакты необходимые для активной матрицы ЖК-дисплеев, оптоэлектронных устройств, таких как лазерные диоды и солнечные батареи. Самый популярный выбор - оксид индия и олова (ITO, indium tin oxide), образующегося реактивным распылением In-Sn мишени в кислородной атмосфере.

Практическое значение

Постоянная времени RC, связанная с контактным сопротивлением может ограничить частотные характеристики устройств. В процессе зарядки-разрядки контактное сопротивление является одной из основных причин рассеяния мощности в цифровой электронике высокой тактовой частоты. Контактное сопротивление вызывает рассеяние мощности через выделение джоулева тепла в низкочастотных и аналоговых схемах (например, солнечных батареях) из менее распространенных полупроводников. Создание методики изготовления контактов является важной частью технологической разработки новых полупроводников. Электромиграция и расслоение в контактах также являются факторами, ограничивающими срок службы электронных устройств.

Примечания

1. ↑ Родерик Э. X. Контакты металл — полупроводник.М.: Радио и связь. 1982. 208 с
2. ↑ Бонч-Бруевич В.Л.,Калашников С.Г.-Физика полупроводников(1977), 672 с. [1]
3. ↑ Т. В. Бланк, Ю. А. Гольдберг Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник Физика и техника полупроводников 41, 1281, (2007) [2]
4. ↑ Андреев А.Н., Растегаева М.Г., Растегаев В.П., Решанов С.А. К вопросу об учете растекания тока в полупроводнике при определении переходного сопротивления омических контактов ФТП, 1998, т32, #7[3]
5. ↑ Физические методы диагностики в микро- и наноэлектронике / под ред. А.Е.Беляева, Р.В.Конаковой. Харьков: ИСМА. 2011. – 284 с.(5,7 Mb)ISBN 978-966-02-5859-4

Ссылки

• Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. — John Wiley & Sons, 1981. — ISBN 0-471-05661-8
• Zangwill Andrew Physics at Surfaces. — Cambridge University Press, 1988. — ISBN 0-521-34752-1