От чего зависит сопротивление омического контакта

Определение удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам методом Кокса-Стрека Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ / OHMIC CONTACTS / ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПЛАСТИНА / SEMICONDUCTOR PLATE / ИЗМЕРЕНИЕ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ / MEASUREMENT OF CONTACT RESISTANCE / МЕТОД КОКСА-СТРЕКА / METHOD COX-STRACK / ОПТИМИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ / OPTIMIZATION OF MEASUREMENTS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бурлаков Рудиарий Борисович

Рассмотрен модифицированный вариант метода Кокса-Стрека , который позволяет уменьшить количество фронтальных контактов на тестовом образце до 2 и одновременно исключить операцию экстраполяции графиков при определении удельного контактного сопротивления ρκ. Показано, что вклад контактного сопротивления RK в полное сопротивление RT тестовой структуры принимает более высокие значения, когда диаметр d фронтального контакта лежит в интервале 40-1040 мкм, что способствует более эффективному процессу контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Бурлаков Рудиарий Борисович

Измерение удельного сопротивления силицидных омических контактов к кремнию р-типа методом линии передачи

Формирование омического контакта к n-слою нитрида галлия с использованием предварительной ионной обработки

К вопросу об определении удельного контактного сопротивления TLM-методом с прямоугольными контактами к полупроводникам

Исследование контактной системы Ti/Al/Ni/Au для диодных структур на основе нитрида галлия
Способ очистки наноразмерных элементов интегральных схем
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Определение удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам методом Кокса-Стрека»

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского,

УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПЛАСТИНАМ

Рассмотрен модифицированный вариант метода Кокса-Стрека, который позволяет уменьшить количество фронтальных контактов на тестовом образце до 2 и одновременно исключить операцию экстраполяции графиков при определении удельного контактного сопротивления рК Показано, что вклад контактного сопротивления Чк в полное сопротивление RT тестовой структуры принимает более высокие значения, когда диаметр d фронтального контакта лежит в интервале 40-1040 мкм, что способствует более эффективному процессу контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам.

Ключевые слова: омические контакты, полупроводниковая пластина, измерение контактного сопротивления, метод Кокса-Стрека, оптимизация измерений.

Введение. К настоящему времени выполнено много работ, посвященных измерению удельного контактного сопротивления рК [Ом-см2] омических контактов к полупроводникам, так как этот вопрос имеет важное значение в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем [1 — 12]. В этих работах используются различные методы измерения удельного контактного сопротивления рК, которые можно разделить на вертикальные (в токопрохождении принимает участие вся толща полупроводниковой пластины, контакты сформированы на противоположных сторонах пластины) и планарные (контакты сформированы на одной стороне пластины).

К вертикальным методам относится метод Кокса — Стрека, который реализуется на структуре, содержащей несколько омических контактов в виде дисков с различными диаметрами на фронтальной стороне полупроводниковой пластины и сплошной тыльный контакт на ее обратной стороне [6—12]. Определение удельного контактного сопротивления рК в этом методе выполняют путем измерения на различных фронтальных контактах полного сопротивления структуры фронтальный контакт — полупроводниковая пластина — тыльный контакт, включающего в себя сопротивления фронтального и тыльного контактов и сопротивление растекания в толще полупроводника. После этого, используя методы подбора формул (по кривым) (curve fitting methods), подбирают аппроксимирующую линейную функцию, с помощью которой определяют удельное контактное сопротивление рК.

К недостатку работ [6, 8, 10] следует отнести ограниченную информацию о методике реализации

методов подбора формул (по кривым) при определении удельного контактного сопротивления рх, что ограничивает использование метода Кокса — Стрека.

В настоящей работе предложен модифицированный вариант метода Кокса — Стрека, который позволяет уменьшить количество фронтальных контактов на тестовом образце до 2 и одновременно исключить операцию экстраполяции графиков при определении удельного контактного сопротивления рк.

Теория метода измерения удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам. Согласно [6], полное сопротивление Ят структуры фронтальный контакт — полупроводниковая пластина — тыльный контакт можно описать

следующим выражением: D _4Р

где рк — удельное коотактное сопротивление; р — удельное сопротивление полупроводника; й — диаметр фронтального контакта; h — толщина пластины полупроводника; Я0 — сопрптивление тыльного контакта; ¡(й, h) — корректирулщая функция, учитывающая нелинейную зависимость сопротивления полупроводника от толщины его слоя и диаметра контакта в результате растекания тока под фронтальным контактам.

Первое из слагаемых в формуле (1) отвечает за вклад контактного сопротквления в общее сопротивление ст]туктуры, второе — за вклад сопротивления растекания.

В работах [6, 7] предложены две формулы для корректирующей функции /(й, Л) :

корректирующая функция Кокса — Стрека [6]

и корректируюгцая функция Брукса — Меттса[ 7]

fBM(Я,() = J-|[^. рЯ.;г1(аяЯс(5й1Г^Са[]яа — — (3)

где ^(х) — ф^ецуя йесс еля пеувого п я рядка.

Функция Брукса-Меяуса дает б оуее точные результаты про малых зуауео[иях контактного сопротивления, однако менее уеобна в распеяе.

Есля в соотуошеняи (1] с лага ем ое Я0 ма уо, то, пренебрегая величиной Я0, после умножения формулы (1) на площаяь уоетакта Сп я яу)— получим:

ctsK =Рк 3Рг SKf(я,[) ■

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Рис. 1. Зависимость RTSK от SKf(d, h), расчитанная по формулам (1), (2) и (4) для значений h=0,04 см, р=10 0м-см, 1 — рк=0,05 Ом-см2; 2 — рк=0,1 Ом-см2; SK=(0,0113-0,2826) см2

Из соотно шения (4) снедуее, что в еличина RjSK есть линейная функция от величины SKf(d, h), при этом удельное соеротшвлеяие р ршно тангенсу угла наклона грефияа 4авесимоити RjSK от SKf(d, h), а уделеноо стнташеноо сопротивлеоин оК равно координате течки пересечония ттого графика с есою Ш^. Но рис. 4 тредставиены орафики зависимости RjSK от SKf(d, h), расчитанные но формулам (1), (2) и (4) дро зиеяений 0 = 0,04 сш, ч = (0 Ом-см, рК = = 0СО Омрм2, и.е= 0,1 Ом-см2, ИK= (0,011:3 — 0,Н824) см2. Этот вариант метода подборка формул ггозеоляет тпродеяято не тосекл (ве )ро и зделоное сопротисзе-оие р) ooмoпpoеoдникo.

Если в сооеношлнив (1) оеться пренебренать сла-гиемым о0, то формул° (1) можно реписать в виде, иcпмлыoречмoш в робтчк

12 10 8 6 4 2 0

Рис. 2. Зависимость Y = [Rj-p-f (d, h)] (Ом) от Х=1^к(1/см2), расчитанная по формулам (1), (2) и (5) для значений R0=0, R0=2 Ом, h=0,04 см, p=10 Ом-см, рк=0,1 Ом-см2, SK=(0,0113-0,2826) см2

Из сооянсшенял ]5 ) ссеплеТг нто величина [Яг л й • О (у, О)] носу ллялйнео фун кцио от я е ли чины 1/5К, лри этом зуеняноу контактаони оопро5ивление рК равно тангемау уолн наклона график) са5исимо-сти [ л о • О (О, О)] от 1/Ок, а величина Я0 ршна координате точяя пе°езеусния этоно уафика с осью 1мг л о • л(у, К)] . На рис. 2 представлены гряфики зависимости л о • /(у, Кг)] он 155К, расчитанлые по формулам ]1), (2) я (5) для знапсний Я0 = 0, Я0 = = 2 Ом, Л = 0,04 ся, яя =е= 1.0 Оле!-см, ру =0Д Ом-см2, 5К=(0,5113-0,20яб) 5м2

Графики, преостгзоеняые не риб. 1 и 2, иллюстрируют применеуеее двун ваяиантов метода подбора формул дляопределения удельного контактно -госопротивлениз сг и с—держак болыпье 1ео;5и^зе^)^тву точек, соответствующих раз лэчным о р) извольным значениям диаметра й и площади БК фронтальных контактов. Прт расчсте этих графитов сетячала выполнен расчет слоовеоствнющух уночений )олного сопротивления Яд коннактов по формулам (1) и (2) при заданных знсчетях Л, рк, р и ), а заяем на ос-новеполученных значений ЯТ рассчнтсны графики зависимости ЯТДK от ДзГ]У) л) ло формуле (4) (рис. 1) и зависимости лО л о о(у, н)] от 1/5К по формуле (5) (рис.2).

При практическон использовонуи рассматриваемого метода измеряют полное сопротивление

(5) -Rт нескольких фронтальных контактов, а затем определяют рК, используя формулу (4) (или (5)) и заданные значения d, h, р. При этом количество фронтальных контактов на тестовом образце ограничено: 4 контакта (с SK равной 32, 16, 8 и 4 мм2) на тестовом онрнзце использовано в работе [6], 4 контакта на образце — в раб оее [10] и 11 контак-товна образце в °аботе [11].

Если испольобоать модифицированный в настоящей работе вариант метода определения удельного контактооео сопротивления рк, то количество фронтального контактов ни тестовом обцизце можно уменьшить до 2 и одновременно исключить операцию постбоеюия графика. Сущность модифици-рованно го варианта метода определения удельного контокпнпгн гнпрннисццнии рК заключается в следующем. Для полных сопротивленой RT1 и RT2 первого и второго фронгаионых понтактов с диаметрами соответственно d1 и d2 (d^ríj можно записать соотношения:

Cti » Р—)(Я(,ЛС = С0 3 рк — ■

рг ^(fh f = fo 3Рк— ‘

где 0К, я янн(/-4 и 0н2 я яу5яе — площади первого и второго контактов с диаметрами и й2 соот-ветствення, /Дй], Л) и 3 (у(2, Л) — корректирующие

функции для нмрвого и втормго контактов, рассчитывакмые по формупе (2) (или по формуле (3)) ды заданных прыненлй 1), (11 н й2 соответственно.

(к„ нКт2)не-[/1(ы1,п)-н/2(ы2,п)]ы ( ш

кт-РЫ — Рц) ы Нм ■+■ е • лры , п).

Кт2Л12 н рм(Ке ы ем л |2 • нм^3:!(п2, п) .

_ (КТ1Рм1 КГ2Рм2) ((м2 )Ке

[Рм/1(м1,п )нРм2Р2(П2, п)]

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

где Яп и К^тт — изт,[^р(^нш1(е нолные ыопротивле-ния Кервого и етоpеI•o фыонтамьных контактов с диам2трами соотаетственно й 1 м й2 (й1^й2); 5К1 и РК2 — лмощздк поывoro л мерpрыо клнтектов; р — известное Ндыльтом сопромивленме полупроводника; , h) л Ны C-] — кнннeпоиpиущие функции для первого л нтоного контактов, раечитываемые по формНле (2( ыиыыи ыо ф2рмулы (]2)) алл заданных значений Щ, й) и н2 тоoтвесрcвзннп.

Вариант мзтодс понбc)];-a (Лррмув позыоляев ощэе-делятн ыые толоко рТ, но и удельное сопротивление р полупровокнына cнвпуыIцию ofоpаз 1м. Для полных сопротивыекий ЮТ1 н ыепвн1^о л второго фрон-талырью кынтзв,roоc диамртр амы с о ответственно и й2 можов зaпкccть тлвуношения:

Вычитаз фярминy !^ы2) ни фрpмилы ИP-, пол,п^]им соотктшениыс

Из соотнoмз-тпн (-(2( сРI1:C1ICPC люрзтула для расчета удзлзннгн топрoeитпстир (т пяпыпыoвoдыика:

где л^ ы оIП(г/Ia¡ ы CТ(в c ы оыа1 — площади первого и второго контакто) с днамемрзми и й2 соответственно, Т1(c21, Щ и ¡ы2Нм Л) — ю(ррпктирую-щие функНии lфя первого и второго контактов, рассчитываемые по лмрмулН (у) (или по формуле (3)) для заданных значений ), (1и й1 соответственно; Я0 — сопротивляниетьLоьш(> гоконтакта.

Если в соотношении 11 п) вcличынa )30 мала, то, пренебрегая этой величиной (Я0 = 0), формулу для расчетаудельНого coпмотнвиeпия р г^олу^р о модника можно записать в вилм:

Следует отмнтиoo, что формулы (9), (13) и (14) могут быть применены не только к тестовым образцам с двумя фронтальными контактами, но и к образцам с большим числом контактов, имеющих различные диаметры. При этом применение

Рис. 3. Зависимости отношения RK/RT от диаметра фронтального контакта d для пластин с толщинами: 1 — 100 мкм, 2 —200 мкм и 3 — 400 мкм

этих вариантов, например, к 00(334аы с четырьмя, пятью или шестью контактами приводит е улели-чению числа возможных вычислений рК (или р) (по сравнению с числом измерений полного сопротивления ЯТ контактов): на образце с четырьмя контактами в 1,5 раза, на образце с мятью контактами в 2 раза, а на образце с шестью контактами в 2,5 раза. Это обусловлено тем, что чиспо воемож-ных парных комбинаций контактов с различными диаметрами в каждой паре, исполНзремых для расчета рК (или р) по формуле (9) (или (13, 14)), равно 6 в образце с четырьмя контактами, в образце с пятью контактами равно 10, т в обрлзце с шеетью контактами равно 15, что обеспечивает возможность более эффективного усреднения результатов вычислений и меньшую пог^шность измерения на одном образце.

Следует отметить, что процесс коытроля удеыьно-го сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам существенн) нбнeгчoeтся при использовании расчетных данных, касающихся контактного ЯК и полного Ят соНротивлений (а также их отношений ЯК/Ят) тестовой cрpукрlуэы с различными диаметрами фронтальных контактов и с различной толщиной поНупыоводниктвой пластины, которые приведены в табл. 1 и на рис 3, где эти данные рассчитаны доя омриесoио нонтно-тов с удельным сопротивлением рК = 0,001 Ом-см2 по формулам (1) и (2) для пласмин с яo^ыцинoми: 100 мкм, 200 мкм и 400 мкм, имеющих удельное сопротивление р = 0,1 Ом-см, при этом я фмрмуле (1) пренебрегли малой величиной ы 0.

Из приведенных в табл. 1 данных следует, ч^ове-личина ожидаемого в эксперименте лолняго сопрт( тивления Ят тестовой структуры с разлрчыыми толр щинами полупроводниковой пластины очень сильно уменьшается при увеличении диаметра (1 ф роит лль -ного контакта, что обусловлено срлыным рмннв-шением как контактного сопротивления ЯК, так и сопротивления растекания н • р (П, п) с ростом диаметра й фронтального контакта. При этом, как это видно из рис. 3, вклад контактного сопротивления ЯК в полное сопротивление Ят тестовой структуры наибольший при значениях диаметра й фронтального контакта, лежащих в интервале 40—1040 мкм. Более высокий вклад контактного сопротивления ЯК в полное сопротивление Ят тестовой структуры, а также более высокие значения полного сопротивления Ят тестовой структуры при значениях диаметра й фронтального контакта, лежащих в интервале

контактное Rк и полное RT сопротивления тестовой структуры с различными диаметрами фронтальных контактов и с различной толщиной полупроводниковой пластины, имеющей удельное сопротивление р=0,1 Ом-см (рк=0,001 Ом-см2)

d, см R, Ом k RT Ом R/ rt

¿=0,01см ¿=0,02см ¿=0,04см .й=0,01см .й=0,02см .й=0,04см

0,004 79,618 91,331 91,726 91,925 0,872 0,868 0,866

0,008 19,904 25,372 25,761 25,959 0,785 0,773 0,767

0,016 4,976 7,345 7,710 7,904 0,677 0,645 0,630

0,032 1,244 2,136 2,429 2,611 0,582 0,512 0,476

0,04 0,796 1,421 1,678 1,852 0,560 0,475 0,430

0,048 0,553 1,014 1,237 1,402 0,545 0,447 0,394

0,056 0,406 0,759 0,952 1,108 0,535 0,427 0,367

0,072 0,246 0,470 0,616 0,753 0,523 0,399 0,326

0,088 0,165 0,319 0,432 0,551 0,516 0,381 0,299

0,104 0,118 0,230 0,319 0,422 0,512 0,370 0,279

0,2 0,032 0,063 0,092 0,139 0,503 0,345 0,229

0,3 0,0141 0,0282 0,0418 0,0661 0,501 0,338 0,214

0,4 0,0080 0,0159 0,0237 0,0383 0,501 0,336 0,208

0,5 0,0051 0,0102 0,0152 0,0248 0,501 0,335 0,205

0,6 0,0035 0,0071 0,0106 0,0174 0,500 0,335 0,204

40—1040 мкм, способствуют более эффективному процессу контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам.

Заключение. Таким образом, в настоящей работе рассмотрены два варианта метода подбора формул для определения удельного контактного сопротивления рК омических контактов к полупроводниковым пластинам методом Кокса —Стре-ка. Получены формулы для расчета как удельного контактного сопротивления рК омических контактов, так и удельного сопротивления р полупроводника, которые позволяют уменьшить количество фронтальных контактов на тестовом образце до 2 и одновременно исключить операцию экстраполяции графиков при определении рК и р. При этом применение этих формул к образцам с числом контактов больше 3 позволяет увеличить число возможных вычислений рК (или р) (по сравнению с числом измерений полного сопротивления Ят контактов), что обеспечивает более эффективное усреднение результатов вычислений и уменьшение погрешности измерений на одном образце.

1. Berger H. H. Contact resistance and contact resistivity // Journal of The Electrochemical Society. 1972. Vol. 119, no. 4. P. 507-514. DOI: 10.1149/1.2404240.

2. Reeves G. K. Specific contact resistance using a circular transmission line model // Solid-State Electronics. 1980. Vol. 23, no. 5. P. 487-490. DOI: 10.1016/0038-1101(80)90086-6.

3. Cohen S. S. Contact resistance and methods for its determination // Thin Solid Films. 1983. Vol. 104, Issue 3-4. P. 361-379. DOI: 10.1016/0040-6090(83)90577-1.

4. Кудрик Я. Я. Удельное сопротивление омических контактов в структурах металл — полупроводник // Петербургский журнал электроники. 2010. № 1. С. 25 — 40.

5. Holland A. S., Pan Y., Alnassar M.S.N., Luong S. Circular test structure for determining the specific contact resistance of ohmic contacts // Facta Universitatis. Series: Electronics and Energetics. 2017. Vol. 30, no. 3. P. 313-326. DOI: 10.2298/ FUEE1703313H.

6. Cox R. H., Strack H. Ohmic contacts for GaAs devices // Solid-State Electronics. 1967. Vol. 10, Issue 12. P. 1213-1218. DOI: 10.1016/0038-1101(67)90063-9.

7. Brooks R. D., Mattes H. G. Spreading resistance between constant potential surfaces // Bell Labs Technical Journal. 1971. Vol. 50, no. 3. P. 775-784. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1971.tb01882.x.

8. Edwards W. D., Hartman W. A., Torrens A. B. Specific contact resistance of ohmic contacts to gallium arsenide // Solid-State Electronics. 1972. Vol. 15. P. 387-392. DOI: 10.1063/1.1657234.

9. Shepela A. The specific contact resistance of Pd2Si contacts on n- and p-Si // Solid-State Electronics. 1973. Vol. 16. P. 477481. DOI: 10.1016/0038-1101(73)90185-8.

10. Singh R. K. Low resistance ohmic contact to n-GaAs // MSAIJ. 2010. Vol. 6, Issue 1. P. 89-92.

11. Gupta R. P., White J. B., Iyore O. D. [et al.]. Determination of contact resistivity by the Cox and Strack method for metal contacts to bulk bismuth antimony telluride // Electrochemical and Solid-State Letters. 2009. Vol. 12, Issue 8. P. H302-H304. DOI: 10.1149/1.3143918.

12. Thomas G. Allen, James Bullock, Peiting Zheng [et al.]. Calcium contacts to n-type crystalline silicon solar cells //

Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2017. Vol. 25. P. 636-644. DOI: 10.1002/pip.2838.

БУРЛАКОВ Рудиарий Борисович, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Прикладная и медицинская физика». ЛиШогГО (РИНЦ): 37654

Адрес для переписки: burlakovrb@e-mail.omsu.ru

Бурлаков Р. Б. Определение удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам методом Кокса —Стрека // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 119—123. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-160-119-123.

Статья поступила в редакцию 23.03.2018 г. © Р. Б. Бурлаков

в. Ф. КОВАЛЕВСКИЙ1 С. Б. СКОБЕЛЕВ1 Г. Г. БУРЫЙ2

1Омский государственный технический университет, г. Омск

2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ СНЯТИЯ ОБЛОЯ С ВЫВОДОВ ПЛАСТМАССОВЫХ ДЕТАЛЕЙ_

В работе проведен обзор методов очистки пластмассовых деталей от облоя. Рассмотрен принцип работы установки для получения электрогидравлического эффекта Л. А. Юткина. Представлена конструкция опытной установки, а также сменных приспособлений, применяемых для снятия облоя с выводов пластмассовых деталей. Приведены результаты экспериментальных исследований применения электрогидравлического эффекта для удаления облоя. Ключевые слова: выводы пластмассовых деталей, электрогидравлический эффект, облой, приспособление для очистки, искровой разряд, наклеп.

Введение. Очистка выводов пластмассовых деталей от облоя является трудоёмкой и мало механизированной операцией. Облой часто приходится снимать с поверхностей сложной конфигурации, что резко ограничивает возможность автоматизации процесса очистки. В настоящее время распространение получили следующие способы очистки пластмассовых деталей:

1. Галтовка — этот процесс отличается простотой. Обрабатываемые детали находятся во вращающемся барабане, облой снимается от взаимодействия деталей друг с другом и со стенками барабана [1, 2].

— часто галтовка позволяет провести только предварительную очистку деталей (некоторые детали вообще не обрабатываются галтовкой). Детали с оставшимся после галтовки облоем должны пройти окончательную доработку;

— при галтовке нарушается глянец на поверхности деталей, что не всегда допустимо.

2. Абразивными кругами, скребками — облой удаляется вращающимися абразивными кругами или поступательным перемещением скребков. Этим способом можно очищать поверхности только простой конфигурации.

3. В штампах облой срезается перемещением пуансона. Для каждого вида деталей необходим свой штамп, форма очищаемой поверхности должна быть простой. Поверхность после снятия облоя часто имеет сколы [3, 4].

4. Удаление облоя вручную при помощи напильников, ножей.

Этот способ дает качественную очистку, однако отличается низкой производительностью.

5. Для очистки выводов пластмассовых деталей от облоя применяется ультразвук. Детали находятся в озвучиваемой жидкости и подвергаются воздействию кавитации. Недостатком способа является то, что кавитация одновременно с облоем разрушает тело детали [5 — 7].

Таким образом, применяемые в настоящее время способы очистки пластмассовых деталей от облоя

Омический контакт — Ohmic contact

Омический контакт — это не выпрямляющий электрический переход : соединение между двумя проводниками, имеющее линейную кривую ток – напряжение (IV), как в случае с законом Ома. Омические контакты с низким сопротивлением используются для обеспечения беспрепятственного протекания заряда в обоих направлениях между двумя проводниками без блокировки из-за выпрямления или избыточного рассеивания мощности из-за пороговых значений напряжения.

Напротив, соединение или контакт, не имеющий линейной кривой ВАХ, называется неомическим. Неомические контакты бывают разных форм, таких как p – n-переход, барьер Шоттки, выпрямляющий гетеропереход или пробой соединение.

Обычно термин «омический контакт» неявно относится к омическому контакту металла с полупроводником, где достижение омического контактного сопротивления возможно, но требует осторожной техники. Омические контакты металл – металл относительно проще создать, поскольку они обеспечивают прямой контакт между металлами без промежуточных слоев изоляционных загрязнений, чрезмерной шероховатости или окисления ; Для создания омических соединений металл-металл используются различные методы (пайка, сварка, опрессовка, осаждение, гальваника и т. д.). Эта статья посвящена омическим контактам металл – полупроводник.

Стабильные контакты на границах раздела полупроводников, с низким контактным сопротивлением и линейной характеристикой ВАХ, имеют решающее значение для рабочих характеристик и надежности полупроводниковых устройств, а их подготовка и характеристики основные усилия в изготовлении схем. Плохо подготовленные переходы к полупроводникам могут легко показать поведение выпрямления, вызывая истощение полупроводника рядом с переходом, делая устройство бесполезным, блокируя поток заряда между этими устройствами и внешней схемой. Омические контакты к полупроводникам обычно создаются путем нанесения тонких металлических пленок тщательно подобранного состава, возможно, с последующим отжигом для изменения связи полупроводник-металл.

• 1 Физика образования омических контактов металл – полупроводник
• 2 Подготовка и определение характеристик омических контактов
• 3 Технологически важные виды контактов
• 4 Значение
• 5 Ссылки
• 6 См. Также

Физика образования омических контактов металл-полупроводник

И омические контакты, и барьеры Шоттки зависят от высоты барьера Шоттки, который устанавливает порог избыточной энергии электрона. требует перехода от полупроводника к металлу. Чтобы переход мог легко пропускать электроны в обоих направлениях (омический контакт), высота барьера должна быть небольшой по крайней мере на некоторых участках поверхности перехода. Чтобы образовался отличный омический контакт (низкое сопротивление), высота барьера должна быть везде небольшой и, кроме того, поверхность раздела не должна отражать электроны.

Высота барьера Шоттки между металлом и полупроводником наивно предсказывается правилом Шоттки-Мотта как пропорциональная разнице между работой выхода металл-вакуум и сродство к электрону полупроводник-вакуум. На практике большинство интерфейсов металл-полупроводник не следуют этому правилу в предсказуемой степени. Вместо этого химическое прекращение контакта полупроводникового кристалла с металлом создает электронные состояния в пределах его запрещенной зоны. Природа этих состояний запрещенной зоны, индуцированных металлом, и их заполнение электронами имеет тенденцию закреплять центр запрещенной зоны на уровне Ферми, эффект, известный как закрепление уровня Ферми. Таким образом, высота барьеров Шоттки в контактах металл-полупроводник часто мало зависит от значения работы выхода полупроводника или металла, что резко контрастирует с правилом Шоттки-Мотта. Разные полупроводники демонстрируют этот пиннинг уровня Ферми в разной степени, но технологическим последствием является то, что омические контакты высокого качества (с низким сопротивлением) обычно трудно сформировать в важных полупроводниках, таких как кремний и арсенид галлия.

Правило Шоттки-Мотта не совсем неверно, поскольку на практике металлы с высокой работой выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками p-типа, в то время как металлы с низкой работой выхода образуют лучшие контакты с полупроводниками n-типа. полупроводники. К сожалению, эксперименты показали, что предсказательная сила модели не выходит далеко за рамки этого утверждения. В реальных условиях контактные металлы могут реагировать с поверхностями полупроводников с образованием соединения с новыми электронными свойствами. Слой загрязнения на границе раздела может эффективно расширить барьер. Поверхность полупроводника может реконструировать, что приведет к новому электронному состоянию. Зависимость контактного сопротивления от деталей межфазной химии — вот что делает воспроизводимое изготовление омических контактов такой производственной проблемой.

Подготовка и определение характеристик омических контактов

Изготовление омических контактов — это хорошо изученная часть материаловедения, которая, тем не менее, остается своего рода искусством. Воспроизводимое и надежное изготовление контактов зависит от исключительной чистоты поверхности полупроводника. Так как естественный оксид быстро образуется на поверхности кремния, например, характеристики контакта могут сильно зависеть от деталей приготовления. Часто область контакта сильно легирована, чтобы обеспечить нужный тип контакта. Как правило, омические контакты на полупроводниках образуются легче, когда полупроводник сильно легирован вблизи перехода; высокое легирование сужает обедненную область на границе раздела и позволяет электронам легко течь в обоих направлениях при любом смещении за счет туннелирования через барьер.

Основными этапами изготовления контактов являются очистка поверхности полупроводника, нанесение контактного металла, формирование рисунка и отжиг. Очистка поверхности может выполняться травлением распылением, химическим травлением, травлением реактивным газом или ионным измельчением. Например, природный оксид кремния может быть удален погружением плавиковой кислоты, тогда как GaAs обычно очищается погружением бром-метанол. После очистки металлы осаждаются посредством напыления, испарения или химического осаждения из паровой фазы (CVD). Распыление — более быстрый и удобный метод осаждения металла, чем испарение, но ионная бомбардировка из плазмы может вызвать поверхностные состояния или даже изменить тип носителя заряда на поверхности. По этой причине все более предпочтительны более мягкие, но все же быстрые ССЗ. Создание рисунка контактов выполняется стандартными методами фотолитографии, такими как отрыв, когда контактный металл осаждается через отверстия в слое фоторезиста, который позже растворяется. Отжиг контактов после осаждения полезен для снятия напряжения, а также для инициирования любых желаемых реакций между металлом и полупроводником.

Поскольку осажденные металлы сами могут окисляться в условиях окружающей среды в ущерб электрическим свойствам контактов, обычно образуют омические контакты со слоистыми структурами. Нижний слой, контактирующий с полупроводником, выбран из-за его способности вызывать омическое поведение. Верхний слой выбран из-за его низкой реакционной способности. По желанию может использоваться трехслойная структура. В этом случае средний слой служит диффузионным барьером, предотвращающим смешение металлов во время любого процесса отжига.

Измерение контактного сопротивления проще всего выполнить с помощью четырехточечного зонда, хотя для более точного определения используйте метод линии передачи типично.

Технологически важные виды контактов

Современные омические контакты с кремнием, такие как дисилицид титана-вольфрама, обычно силициды, полученные методом химического осаждения из паровой фазы. Контакты часто создаются путем осаждения переходного металла и образования силицида путем отжига, в результате чего силицид может быть нестехиометрическим. Силицидные контакты также могут быть нанесены прямым распылением соединения или ионной имплантацией переходного металла с последующим отжигом. Алюминий — еще один важный контактный металл для кремния, который может использоваться с полупроводниками n-типа или p-типа. Как и другие химически активные металлы, Al способствует образованию контактов, потребляя кислород в природном оксиде. Силициды в значительной степени заменили Al отчасти потому, что более тугоплавкие материалы менее склонны к диффузии в непредусмотренные области, особенно во время последующей высокотемпературной обработки.

Материал	Материалы контактов
Si	Al, Al-Si, TiSi 2, TiN, W, MoSi 2, PtSi, CoSi 2, WSi 2
Ge	In, AuGa, AuSb
GaAs	AuGe, PdGe, PdSi, Ti / Pt / Au
GaN	Ti / Al / Ni / Au, Pd / Au
InSb	In
ZnO	InSnO 2, Al
CuIn 1 − x GaxSe2	Mo, InSnO 2
HgCdTe	In
C (ромб)	Ti /Au,Mo /Au

Для активной матрицы необходимы прозрачные или полупрозрачные контакты На ЖК-дисплее отображаются, оптоэлектронные устройства, такие как лазерные диоды и фотоэлектрические устройства. Наиболее популярным выбором является оксид индия и олова, металл, который образуется посредством реактивного распыления мишени In-Sn в атмосфере оксида.

Значение

Постоянная времени RC, связанная с контактным сопротивлением, может ограничивать частотную характеристику устройств. Зарядка и разрядка сопротивления проводов является основной причиной рассеивания мощности в цифровой электронике с высокой частотой тактовой частотой. Контактное сопротивление вызывает рассеяние мощности за счет джоулева нагрева в низкочастотных и аналоговых схемах (например, солнечных элементах ), изготовленных из менее распространенных полупроводников. Разработка методологии изготовления контактов является важной частью технологического развития любого нового полупроводника. Электромиграция и расслоение на контактах также являются ограничением срока службы электронных устройств.

Ссылки

• Sze, S.M. (1981). Физика полупроводниковых приборов. Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-05661-4 .Обсуждение теории плюс значение устройства.
• Зангвилл, Эндрю (1988). Физика на поверхности. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-34752-5 .Подходит к контактам с точки зрения состояния поверхности и реконструкции.

См. Также

• Журнал Американского вакуумного общества, Thin Solid Films и Journal of the Electrochemical Society — журналы, которые публикуют текущие исследования омических контактов.

Омические контакты

Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линейной вольт-амперной характеристикой. Омические контакты обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной характеристики, такие контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник.

Эти условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси. Контакт между полупроводниками одинакового типа электропроводности является невыпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, чтобы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических контактов является введение в металл примеси, которой легирован полупроводник. В этом случае при сплавлении металла с полупроводником в контактной области образуется тонкий слой вырожденного полупроводника, что соответствует структуре, показанной на рис. 1.2-4.

Рис. 1.2-4. Структура омического контакта

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 и 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 равна сумме встроенного потенциала и смещения между уровнем Ферми и зоной проводимости. Иными словами для полупроводников n-типа, где сродство к электрону полупроводника, определяется как разница между уровнем вакуума и дном зоны проводимости (CB). Для полупроводников р-типа , где 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:

это плотность заряда и 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

описывает пунктирные синие кривые в правой части рисунка. Ширину ОПЗ можно определить, установив , что приводит к

заряд электрона. и 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

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

• Физика полупроводников