Спосіб виготовлення контактів з бар’єром шотткі на арсеніді галію

УКРАЇНА (19) UA (11) 95094 (13) U (51) МПК H01L 29/47 (2006.01) ДЕРЖАВНА СЛУЖБА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ УКРАЇНИ (12) ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (21) Номер заявки: u 2014 07081 Дата подання заявки: 23.06.2014 (22) (24) Дата, з якої є чинними 10.12.2014 права на корисну модель: (46) Публікація відомостей 10.12.2014, Бюл.№ 23 про видачу патенту: (72) Винахідник(и): Дмитрієв Вадим Сергійович (UA), Дмитрієва Любов Борисівна (UA) (73) Власник(и): ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА АКАДЕМІЯ, пр. Леніна, 226, м. Запоріжжя, 69006 (UA) (54) СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ КОНТАКТІВ З БАР'ЄРОМ ШОТТКІ НА АРСЕНІДІ ГАЛІЮ Спосіб виготовлення контакту з бар'єром Шотткі на арсеніді галію GaAs включає отримання методом вакуумного випаровування випрямляючих контактів з Ag до епітаксійного n-GaAs з високолегованою підкладкою. Пластину GaAs заздалегідь послідовно знежирюють в суміші толуолу і метилового спирту (1:2), хімічно полірують в суміші 3H2SO4-1H2O2-1H2O, витримують у винній кислоті продовж 15-25 хв., промивають в етиловому спирті. Після цього в єдиному вакуумному циклі на поверхню арсеніду галію з кристалографічною орієнтацією (111) напилюють срібло при температурі підкладки 373-523 K у вакуумі до 1,2*10-5 мм рт. ст., потім відпалюють при температурі 723-873 K протягом 5-15 хв. у вакуумі (2…6)*10-5 мм рт. ст. UA 95094 U (57) Реферат: UA 95094 U UA 95094 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до мікроелектроніки, а саме до технології отримання дискретних приладів і інтегральних схем на основі напівпровідникових з'єднань А3В5. Арсенід галію, що має у шість разів більшу, ніж у кремнію, рухливість електронів, малий час життя неосновних носіїв і більшу, ніж у кремнію, ширину забороненої зони, робить його перспективним матеріалом для створення радіаційно-стійких приладів і інтегральних схем, що працюють в НВЧ діапазоні. Вимоги до контактів з бар'єром Шотткі: висока механічна міцність, стійкість по відношенню до агресивних середовищ, високий рівень розсіюваної потужності, широкий діапазон робочих температур. Однією з головних якісних характеристик бар'єру Шотткі є його висота φb, на величину якої впливають вибір контактної пари, метод нанесення, умови термообробки, стан структури міжфазної межі контакту. Відомий спосіб формування контакту з бар'єром Шотткі Ag до напівпровідникових з'єднань А3В5 (Патент РФ, МПК 6 H01L 21/28, № 1335056, опубл. 27.12.1995), що включає обробку в плавиковій кислоті, нанесення срібла на поверхню напівпровідника іонно-плазмовим напиленням у вакуумі 10-4 мм рт. ст на підкладку при температурі 120 °C. Відпал структури проводили при температурі 350 °C. Висота бар'єру Шотткі Ag/InP складала 0,78-0,84 еВ. Недоліком даного способу є недостатня термостабільність контакту та низька відтворюваність результатів. Відомий спосіб формування контакту з бар'єром Шотткі Ag /GaAs (E. R. Weber, J. Washburn. Structure and reliability of Metal contacts to GaAs/ Office of naval research AD-A259 184, Department of Materials Science and Mineral Engineering University of California, Berkeley, CA 94720. - 1991,41c.), що включає нанесення срібла на поверхню GaAs (100), що була зколота у надвисокому вакуумі, відпал в атмосфері азоту при температурі 405 °C продовж 10 хвилин. Висота бар'єру дорівнювала 0,9 еВ, коефіцієнт ідеальності - 1,095. Недоліком даного способу є недостатня термостабільність контакту та низька відтворюваність результатів. Найбільш близьким за сукупністю ознак до заявляємого є спосіб отримання бар'єру Шотткі Ag/n-GaAs (Оценка параметров диодов Шоттки Pd—, Аu—, Ag—n-GaAs. On the evaluation of Schottky barrier diode parameters of Pd, Аu and Ag/n-GaAs. Jayavel P., Kumar J., Ramasamy P., Premanand R. Indian J. Eng. and Mater. Sci. 2000. 7, № 5-6, с. 340-343. Англ), в якому пластини епітаксійного n-GaAs (100) з nе=3*1017 см-3 піддають поліровці в органічних розчинах (ацетоні, потім у метиловому спирті). Фінішне очищення підкладки проводять у розчині НСl:Н 2О (1:1) продовж 60 с для знищення природного окисного шару на поверхні. Напилення срібла на арсенідогалієву підкладку n-типу провідності проводять методом вакуумного випаровування, після чого відпалюють з атмосфері аргону при температурі 703 K протягом 5 хв. Вольт-амперні характеристики виготовленого контакту з бар'єром Шотткі вимірюють при кімнатній температурі. Висота бар'єру Шотткі Ag/n-GaAs складала φb=0,82 еВ, коефіцієнт ідеальності n=1,12. Недоліками даного способу є низька термостабільність електричних параметрів контакту, достатньо низька відтворюваність параметрів виготовлених контактів, недостатньо високі значення висоти потенційного бар'єру. В основу корисної моделі поставлена задача розробки способу виготовлення контактів з бар'єром Шотткі до GaAs, в якому за рахунок попередньої обробки підкладки, нових режимів напилення і термічної обробки напиленої плівки Ag до GaAs, забезпечується поліпшення морфології поверхні контакту, підвищення висоти потенційного бар'єру, підвищення відтворюваності технології виготовлення контактів і, як наслідок, поліпшення характеристик приладів, в яких використовуються такі контакти. Для вирішення поставленої задачі в способі виготовлення контакту з бар'єром Шотткі до GaAs, що включає отримання методом вакуумного випаровування контактів з бар'єром Шотткі Ag до епітаксійного n-GaAs, згідно з корисною моделлю пластину GaAs заздалегідь послідовно знежирюють в суміші толуолу і метилового спирту (1:2), хімічно полірують в суміші 3H 2SO41H2O2-1H2O, витримують у винній кислоті продовж 15-25 хв., промивають в етиловому спирті, після чого в єдиному вакуумному циклі на поверхню арсеніду галію з кристалографічною орієнтацією (111) напилюють срібло при температурі підкладки 373-523 K, у вакуумі до 1,2*10-5 мм рт. ст., потім відпалюють при температурі 723-873 K протягом 5-15 хв. у вакуумі (2…6)*10-5 мм рт. ст. Запропонований спосіб полягає в наступному. Виготовляють контакти Ag до епітаксійного шару GaAs(111) завтовшки декілька мікрометрів n-типу провідності з рухливістю більше 5000 см2/(В*с) і концентрацією 6*1015…2*1016 см-3, який вирощений на високолегованій підкладці (~1018 см-3). 1 UA 95094 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Перед напиленням Ag пластини GaAs обробляють таким чином: знежирюють в суміші толуолу і метилового спирту (1:2), хімічно полірують в суміші 3H2SO4-1H2O2-1H2O, витримують у винній кислоті продовж 15-25 хв., промивають в етиловому спирті. Вибір травника пов'язаний з ковалентним характером зв'язку в арсеніді галію, що обумовлює необхідність присутності у травнику окислювача, у більшості випадків до окислювача додається комплексоутворювач, що сприяє відчищенню поверхні від іонів металу. В результаті взаємодії арсеніду галію з перекисом водню утворюються оксиди миш'яку і галію, які видаляються при взаємодії з кислотою. Якість поверхні напівпровідника після хімічної та термічної обробки контролюється за допомогою растрового електронного мікроскопу РЕМН-2. Дослідження впливу кристалографічної орієнтації на величину бар'єра Шотткі довели, що найбільш високий бар'єр здобуто на поверхні з кристалографічною орієнтацією (111), на поверхні (100) висота бар'єру має меншу величину (різниця між висотами бар'єру φb складає 0,1 еВ). Підставою для вибору в якості контактного матеріалу срібла є те, що температурний коефіцієнт розширення (ТКР) срібла αAg=19*10-6 град-1 можна порівняти з ТКР арсеніду галію (αGaAs=5,8*10-6град-1). Срібло добре змочує поверхню арсеніду галію, що забезпечує механічну міцність контакту. Температура евтектики срібла з арсенідом галію - 923 К, температура плавлення срібла - 1233,8 K. Срібло індиферентне до кислот та лугів, а також до більшості їдких газів, має добру теплопровідність (QAg 373=4,22 Дж/см*с*град), перехідний шар Ag з GaAs не змінюється у робочому діапазоні температур, а невеликий коефіцієнт дифузії у GaAs (γ Ag=5*1013 2 -9 2 см /с) порівняно із золотом (γAu=2*10 см /с), дозволяє зменшити товщину перехідного шару. Напилення срібла проводять при температурі підкладки 373-523 K крізь спеціальні Mo-маски у вакуумі 1,2*10-5 мм рт. ст. Температуру підкладки визначено експериментально встановленими фактами, згідно з якими при температурі підкладки менше 373 K і більше 523 К, не спостерігається різниці у величині висоти бар'єру Шотткі, що одержані згідно способупрототипу та запропонованому способу. Температуру підкладки контролюють платинородій-платиновою термопарою. Після напилення формування контакту проводять у вакуумі (2…6)10-5 мм рт. ст. Температура відпалу 723-873 К, час відпалу 5-15 хв. Максимальне значення залишкового тиску 10-5 мм рт. ст. у вакуумній камері визначається технічними можливостями установки ВУП-2К. Висота бар'єру Шотткі контактів, що виготовлені при заданих режимах, складає φb=0,9-0,95 еВ. Висоту бар'єру Шотткі визначають вимірюванням струму насичення I s при прямому включенні згідно методу вольт-амперних характеристик. Вольт-амперні характеристики контакту метал-напівпровідник вимірюють за допомогою чотиризондового методу. Температурний та часовий інтервали термообробки (Т=723-873 К, t=5-15 хв.) визначено експериментально встановленими фактами, згідно з якими при температурі менше 723 K і більше 873 K, а також при часі відпалу більше 15 хв. або менше 5 хв. не спостерігається різниці у величині висоти бар'єру Шотткі, що одержані згідно способу-прототипу та запропонованому способу. Структура та фазовий склад плівки та приконтактних шарів напівпровідника у випрямляючих контактах з бар'єром Шотткі досліджено за допомогою електронного мікроскопа типу УЕМВ100К. Після відпалу плівок срібла при заданих температурних режимах спостерігається дрібнокристалічна структура з рівномірним розподілом однакових зерен. Розшифрування електронограми вказує, що при таких температурах у контактній області окрім миш'яку в плівці срібла є невелика кількість галію. Спосіб випробувано в лабораторних умовах. Пластину GaAs після знежирення і хімічної поліровки поміщали у вакуумну установку, на пластину накладали молібденову маску з вікнами зазначеної конфігурації. При досягненні 5 залишкового тиску 2*10- мм рт. ст. при температурі підкладки 373 K проводили напилення наважки срібла до його повного випаровування (це забезпечувало задану товщину шару 0,5 мкм.) Високий вакуум у процесі термічного випаровування дозволяє виготовити металеві плівки без забруднень. Цей метод має значну гнучкість тому, що дозволяє в широких межах регулювати швидкість випаровування матеріалу наважки (Ag) і температуру підкладки. Товщина плівки контакту задається точною вагою навішування матеріалу, що випаровується. Далі для відпалу плівки, що напилена, піднімали температуру до 823 K і витримували при цій температурі 10 хв. Потім температура в робочому об'ємі поступово 2 UA 95094 U 5 10 15 20 25 30 35 40 знижувалася до кімнатної. Висота бар'єру Шотткі складала φb=0,95 еВ. Коефіцієнт ідеальності n=1,01. Це є результатом зменшення прошарку між металом і напівпровідником завдяки проникненню металу, що утворює контакт, в проміжний шар, при цьому збільшується щільність поверхневих станів. При визначеній температурі, коли проміжний шар майже повністю зникає (тобто, зменшується до моноатомного шару), а щільність поверхневих станів досягає свого максимального значення, висота потенційного бар'єру дорівнює 2/3 ширини забороненої зони напівпровідника. Перехідний шар при формуванні контактів метал-напівпровідник є результатом взаємодії наростаючого шару металу з напівпровідниковою підкладкою та є зоною зрощення двох різнорідних матеріалів, що забезпечує поступовий перехід від кристалічної ґратки монокристалу до ґратки з фазою, що наростає. Будова і фазовий склад перехідного шару, а також механізм епітаксії повністю визначаються діаграмою фазової рівноваги наростаючої фази і підкладки. Таким чином, у способі виготовлення контакту з бар'єром Шотткі до GaAs, що заявляється, за рахунок попередньої обробки підкладки, нових режимів напилення і термічної обробки напиленої плівки Ag до GaAs, забезпечується поліпшення морфології поверхні контакту, підвищення висоти потенційного бар'єру, підвищення відтворюваності технології виготовлення контактів і, як наслідок, поліпшення характеристик приладів, в яких використовуються такі контакти. До переваг способу виготовлення випрямляючого контакту з бар'єром Шотткі, що заявляється, відносять те, що підйом температури підкладки до заданої, осадження плівки срібла, подальший відпал плівки проводять в єдиному вакуумному циклі за вищезазначених умов, що дозволяє отримувати металеві плівки без забруднень, забезпечує поліпшення морфології поверхні контакту, сприяє підвищенню відтворюваності технології виготовлення контактів. В порівнянні з прототипом висота бар'єру Шотткі збільшується з 0,82 еВ у прототипі до 0,95 еВ у запропонованому способі, коефіцієнт ідеальності зменшується з 1,12 у прототипі до 1,01 у запропонованому способі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб виготовлення контакту з бар'єром Шотткі на арсеніді галію GaAs, що включає отримання методом вакуумного випаровування випрямляючих контактів з Ag до епітаксійного n-GaAs з високолегованою підкладкою, який відрізняється тим, що пластину GaAs заздалегідь послідовно знежирюють в суміші толуолу і метилового спирту (1:2), хімічно полірують в суміші 3H2SO4-1H2O2-1H2O, витримують у винній кислоті продовж 15-25 хв., промивають в етиловому спирті, після чого в єдиному вакуумному циклі на поверхню арсеніду галію з кристалографічною орієнтацією (111) напилюють срібло при температурі підкладки 373-523 K у вакуумі до 1,2*10-5 мм рт. ст., потім відпалюють при температурі 723-873 K протягом 5-15 хв. у вакуумі (2…6)*10-5 мм рт. ст. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3