Спосіб виготовлення омічного контакту до gaas

Реферат: UA 84122 U UA 84122 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до мікроелектроніки, а саме до технології отримання дискретних приладів і інтегральних схем на основі напівпровідникових з’єднань А 3В5, зокрема, для створення омічних контактів до всіх типів ганновських приладів, у тому числі і СВЧ підсилювачів. Опір омічного контакту повинен бути малим в порівнянні з опором об'єму напівпровідника, межа між контактом і напівпровідником повинна бути плоскою, щоб уникнути спотворень електричного поля, контакти повинні бути термічно і електрично стабільні, володіти достатньою механічною міцністю і допускати можливість термокомпресії. Відомий спосіб формування багатошарового омічного контакту до напівпровідникових з'єднань А3В5 (Патент US № 6033976, МПК H01L 21/285, опубл. 7.03.2000), що включає послідовне нанесення на поверхню напівпровідника плівок нікелю, металу, вибраного з групи Au, Pd, Pt або Ag, і плівку германію з подальшим відпалом в атмосфері азоту і водню при температурах 400-750 °C протягом часу від декількох секунд до декількох хвилин. При цьому при нанесенні плівок пропонованої контактної структури на поверхню напівпровідника вибирається атомне співвідношення нікелю і германію в шарах приблизно 1:1. Відомий спосіб не дозволяє запобігти ерозії поверхні контакту і неконтрольованому протравленню межі розділу метал-напівпровідник при відпалі контакту. Відомий спосіб формування багатошарового омічного контакту фотоелектричного перетворювача (див. патент US № 6313534, МПК H01L 29/43, опубл. 06.11.2001), що включає послідовне нанесення на поверхню напівпровідника шару нікелю (завтовшки від 8 до 30 нм), шару індію (завтовшки від 2 до 6 нм) і шару германію (завтовшки від 10 до 50 нм) з подальшим відпалом при температурі 300-600 °C впродовж часу від декількох секунд до декількох хвилин. Перед відпалом на поверхню вказаних шарів можуть бути нанесені шари ніобію або його з'єднання і шар, наприклад, золота. В результаті реалізації відомого способу в приконтактній області утворюється дуже неоднорідний по товщині і складу прошарок твердого розчину з'єднання InGaAs, що значно погіршує термічну стабільність контакту. Крім цього даний спосіб не вирішує проблему неоднорідного протравлення межі розділу контакт-напівпровідник при відпалі. Відомий спосіб формування низькоомних омічних контактів до n-GaAs, в яких використовують систему металізації, що включає наступні компоненти: Au, Ge і Ni. Золото і германій осідають на напівпровідник у вигляді плівки евтектичного сплаву AuGe (88 % Au і 12 % Ge) і шару Ni або у вигляді трьох окремих плівок вказаних елементів (Bruce R.A., Piercy G.R. // Solid St. Electron. 1987. - V. 30, №. 7. - Р. 729). Співвідношення товщини плівок Ge і Au вибирається таким, щоб відповідати евтектичному складу AuGe. При цьому сумарна товщина напилених плівок Au/Ge знаходиться в діапазоні 100-150 нм, а товщина нікелевої плівки в діапазоні 10-50 нм. Після напилення контакт піддається термообробці. В процесі відпалу відбувається формування легкоплавкого сплаву і рідиннофазове перемішування Au, Ge, Ni і GaAs. Недоліком даного способу є недостатньо низький приведений контактний опір, велика глибина рекристалізованної області ОК (~0,1 мкм), низька термостабільність електричних параметрів контакту, що обумовлено наявністю в контакті легкоплавкої фази AuGa з температурою плавлення 370 °C, розвинений рельєф поверхні контактного майданчика, а також її нерівний край, висока вартість виготовлення омічних контактів, яка обумовлена використанням Аu. Через труднощі легування GaAs домішками з достатньо великою концентрацією (більше 19 -3 10 см ) дуже складно створювати контакти з хорошими омічними властивостями. Для виготовлення омічних контактів до GaAs n-типу використовують системи, що складаються із сплавів. Для створення омічних контактів в приладах з арсеніду галію повинні використовуватися метали або сплави, які добре розчиняються в ньому або ж створюють евтектичний сплав. Розчинність металу в GaAs визначає ступінь можливого легування приконтактних шарів напівпровідника. Від розчинності арсеніду галію в металі залежить глибина вплавлення металу, від якої залежить якість отримуваного омічного контакту. Цю розчинність можна визначити з діаграм стану метал-миш'як-галій. Матеріал контакту повинен зберегти тип провідності GaAs і мати достатній коефіцієнт дифузії, мати невисоку температуру плавлення (що не перевищує граничну робочу температуру приладу), добре змочувати поверхню GaAs, мати значну тепло- та електропровідність, забезпечувати хороші механічні характеристики контакту. Цим вимогам в значній мірі задовольняють контакти із сплавів срібло-германій-індій, де Ag є основним матеріалом, Ge - легуючою добавкою, In - покращує змочуваність (для GaAs якнайкраща змочуваність In виходить при 773 К) (О.Маделунг. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. - М., 1967). Легування металу, що вплавляється, 1 UA 84122 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 невеликими кількостями домішок зменшує поверхневе натягнення металу. Для срібних сплавів такою домішкою є індій. Контакти із сплаву Ag-Ge-In стабільні до температури 873 К (для порівняння: Au-Ge-Ni (80 %-12 %-5 % по вазі) стабільні до 573 К). До того ж трикомпонентні сплави на основі срібла мають нижчу вартість у порівнянні з трикомпонентними сплавами на основі золота. Найбільш близьким за сукупністю ознак до заявленого є спосіб отримання омічних контактів до GaAs n-типу провідності із сплаву Ag-Ge-In (О.Д. Баранцева, В.Б. Бердавцев, Т.В. Критская, В.Н. Конова, В.И. Шепшелей. Изготовление омических контактов к GaAs n-типа проводимости из сплавов Ag-Sn и Ag-Ge-In. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 12. - 1975. - С. 98-104), в якому як контактний матеріал використовують сплав срібло-германій-індій, що 2 містить за вагою 75 % Ag, 20 % Ge, 5 % In. Пластини епітаксійного n-GaAs з μ≥5000 см /(В×с) і 15 16 -3 18 -3 nе=6×10 ...2×10 см , що вирощені на високолегованих підкладках (~10 см ), піддають хімічній поліровці в суміші метилового спирту і брому (6:1) (за об'ємом). Товщина епітаксійного шару GaAs кілька мікрометрів. При вакуумному напиленні контактного матеріалу на установці УВН-2М нагрів зразків відбувається тільки за рахунок променистої енергії випарника, температура контролюється за допомогою хромель-алюмелевої термопари і досягає 150180 °C. Після напилення контакти відпалюють в вакуумній трубчастій печі при температурі -2 -3 2 650 °C протягом 10 хвилин. Питомий перехідний опір ρк=(1,5..2)×10 -(8...9)×10 Ом×см . Недоліками даного способу є низька термостабільність електричних параметрів контакту, недостатньо низький контактний опір. В основу корисної моделі поставлена задача розробки способу виготовлення омічного контакту до GaAs, в якому за рахунок попередньої обробки підкладки, нових режимів напилення і термічної обробки напиленої плівки Ag-Ge-In до GaAs, забезпечується зменшення глибини залягання межі розділу контакт-напівпровідник, поліпшення морфології поверхні контакту, зниження питомого перехідного опору, підвищення відтворюваності технології виготовлення контактів і, як наслідок, поліпшення характеристик приладів, в яких використовуються такі контакти. Для вирішення поставленої задачі в способі виготовлення омічного контакту до GaAs, що включає отримання методом вакуумного випаровування омічних контактів Ag-Ge-In до епітаксійного n-GaAs з високолегованою підкладкою, згідно з корисною моделлю, пластину GaAs заздалегідь послідовно знежирюють в суміші толуолу і метилового спирту (1:2), хімічно полірують в суміші 3H2SO4-1Н2О2-1H2О, послідовно промивають в гарячій і холодній дистильованій і деіонізованій воді, в метиловому спирті, після чого в єдиному вакуумному циклі -4 проводять відпал при температурі 800-850 К протягом 1-2 хвилин при залишковому тиску 6×10 -5 - 2×10 мм рт. ст., напилюють потрійний сплав при температурі підкладки 473-523 К у вакуумі до -5 1,2×10 мм рт. ст., потім відпалюють при температурі 823-873 К протягом 45...60 с у вакуумі -5 (2...6)×10 мм рт. ст. Запропонований спосіб полягає в наступному. Виготовляють контакти Ag-Ge-In (по вазі 75 % Ag, 20 % Ge, 5 % In) до епітаксійного шару GaAs (111) завтовшки декілька мікрометрів n-типу 2 15 16 -3 провідності з рухливістю більше 5000 см /(В×с) і концентрацією 6×10 ...2×10 cм , який 18 -3 вирощений на високолегованій підкладці (~10 см ). Перед напиленням сплаву Ag-Ge-In пластини GaAs обробляють таким чином: знежирюють в суміші толуолу і метилового спирту (1:2), хімічно полірують в суміші 3Н2SO4-1Н2О2-1Н2О, послідовно промивають в гарячій і холодній дистильованій і деіонізованій воді, промивають в метиловому спирті. Окрім хімічної обробки перед напиленням зразки піддають попередньому температурному -5 відпалу при 823 К протягом 1-2 хвилин при залишковому тиску 10 мм рт. ст. в установці ВУП2К. Напилення сплаву проводять при температурі підкладки 473-523К через спеціальні Mo-5 маски у вакуумі 1,2*10 мм рт. ст. Температуру підкладки контролюють платинородійплатиновою термопарою. Напилення проводять до повного випаровування навішування для підтримки постійності складу сплаву (температура випаровування In – 2273 К, Ag – 2483 K, Ge – 3103 K). Задана товщина шару (~0,5 мкм) забезпечується випаровуванням певного навішування матеріалу. -5 Після напилення формування контакту проводять у вакуумі (2...6)×10 мм рт. ст. Температура відпалу - 823-873 К. Оптимальний час вплавлення сплаву складає 45...60 с. Питомий перехідний опір контактів, що виготовлені при заданих режимах, складає, -4 -5 2 ρк=(1,5...2)×10 -(5...7)×10 Ом×см . Вольтамперні характеристики контактів вимірюють компенсаційним методом. Для обчислення величини питомого перехідного опору використовують метод еквівалентних схем. 2 UA 84122 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Ковалентний характер зв'язку в арсеніді галію обумовлює необхідність присутності у травнику окислювача, у більшості випадків до окислювача додається комплексоутворювач, що сприяє відчищанню 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 контролювалась за допомогою растрового електронного мікроскопу РЕМН-2. -5 Максимальне значення залишкового тиску 10 мм рт. ст. у вакуумній камері визначається технічними можливостями установки ВУП-2К. Дослідження впливу передчасного температурного відпалу у діапазоні температур 673 К873 К довели, що найменшу крутизну вольт-амперної характеристики мають контакти, одержані при температурі відпалу 823 К. Мінімальне значення 20 % по вазі Ge в сплаві визначено тим фактом, що при менших або більших значеннях питомий перехідний опір контактів стає неприйнятно великим незалежно від режимів термообробки. Вибір оптимальних значень температурної обробки контактів до GaAs визначено тим, що необхідно створити достатньо товстий шар з підвищеною концентрацією електронів за рахунок легування германієм та не допустити надмірної компенсації у прилеглій до контакту області арсеніду галію за рахунок дифузії срібла. Режим відпалу контакту повинен забезпечити мінімальний питомий перехідний опір контакту та неглибоке залітання межі розділу металнапівпровідник. Температурний та часовий інтервали термообробки (Т=823-873 К, t=45…60 c) визначено експериментально встановленими фактами, згідно з якими при температурі менше 823 К та більше 873 К, а також при часі відпалу більше ніж 60 с або менше ніж 45 с, не спостерігається різниці у величині питомого перехідного опору контактів, що одержані згідно з способом-прототипом та запропонованим способом. Структура та фазовий склад плівки та приконтактних шарів напівпровідника в омічних контактах досліджено за допомогою електронного мікроскопа типу УЕМВ-100К. Спосіб був випробуваний 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. підкладку попередньо відпалювали при 823 К протягом 2 хвилин. Потім температуру підкладки знижували до 473 К, проводили напилення, навішування потрійного сплаву до її повного випаровування для підтримування сталого складу, що забезпечувало задану товщину шару 0,5 мкм. Далі для відпалу напиленої плівки піднімали температуру до 873 К і витримували при цій температурі 60 с. Потім температура в робочому об'ємі поступово знижувалася до кімнатної температури. Питомий перехідний опір контактів, -5 2 виготовлених при такому режимі, становить ρк=(5...7)×10 Ом см . Отримані контакти мали лінійну вольт-амперну характеристику. Результати дослідження мікроструктури, фазового складу металевої плівки і приконтактного шару напівпровідника на електронному мікроскопі просвітчастого типу показали, що металевий шар мав кристалічну структуру і складався, в основному, з компонентів металів Ag, Ge, In. Германій в поєднанні зі сріблом призводить до + отримання n -шарів в арсеніді галію. Ефективна щільність легуючої домішки в контакті досягала 19 -3 5×10 см . Індій служив тільки для запобігання збирання в краплі евтектичного сплаву, забезпечуючи однорідність фронту вплавлення. На фото наведена типова мікрофотографія площі контакту (×1200), що має добрі електрофізичні властивості. До переваг способу виготовлення омічного контакту, що заявляється, належить те, що попередня термообробка, піднімання температури підкладки до заданої, осадження плівки потрійного сплаву, подальший відпал напиленої плівки проводяться в єдиному вакуумному циклі за вищезазначених умов, що дозволяє отримувати металеві плівки без забруднень. В порівнянні з прототипом питомий перехідний опір зменшується практично на два порядки і -4 -5 2 складає ρк=(1,5...2)×10 -(5...7)×10 Ом×см . Отримані контакти не змінюють свої властивості в інтервалі температур від 273 К до 453 К і мають лінійну вольт-амперну характеристику. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб виготовлення омічного контакту до GaAs, що включає отримання методом вакуумного випаровування омічних контактів зі сплаву Ag-Ge-In 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 3H 2SO4-1H2О3-1Н2О, послідовно промивають в гарячій і холодній дистильованій і деіонізованій воді, у метиловому спирті, після чого в єдиному вакуумному циклі проводять відпал при температурі 800-850 К 3 UA 84122 U протягом 1-2 хвилин при залишковому тиску 6  10 4  2  10 5 мм рт. ст., напилюють потрійний , сплав при температурі підкладки 473-523 К у вакуумі до 12  10 5 мм рт. ст., потім відпалюють при температурі 823-873 К протягом 45…60 с у вакуумі 2...6  10 5 мм рт. ст. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 4