СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К n-GaAs
METHOD OF MAKING MULTILAYER OHMIC CONTACT TO n-GaAs

3
5
Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии формирования GaAs. сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) на основе полевых транзисторов Шоттки (MESFET) или гетероструктурных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), в частности к созданию термостабильных низкорезистивных омических контактов (ОК) к GaAs, а также к полупроводниковым соединениям и твердым растворам группы А В.
Частотные, шумовые, усилительные, надежностные и другие характеристики СВЧ МИС во многом определяются параметрами транзисторов, в частности сопротивлением и термостабильностью омических контактов к областям истока и стока, а также морфологией поверхности и края контактных площадок. Поэтому одним из путей улучшения параметров транзисторов и МИС на их основе является улучшение комплекса параметров ОК. Задача получения высококачественных ОК становится все более актуальной в связи с непрерывным уменьшением характерных размеров элементов транзисторов.
Наиболее распространенными омическими контактами к n-GaAs в настоящее время являются контакты на основе многослойной композиции, включающей слои Au, Ge и Ni.
Известен способ создания ОК (Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. / Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник // Физика и техника полупроводников, 2007, 41, вып.11, с.1281-1308), в котором контакт формируется последовательным осаждением слоев Ge, Au, Ni методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Причем соотношение толщин пленок Ge и Аu выбирается таким, чтобы соответствовать эвтектическому составу AuGe (88 весовых процентов Аu, 12 весовых процентов Ge), суммарная толщина напыленных пленок Au/Ge находится в диапазоне 100-150 нм, а толщина пленки Ni в диапазоне 10-50 нм. После напыления контакт подвергается термообработке. В процессе отжига происходит жидкофазное перемешивание пленок Au, Ge, Ni и GaAs. Атомы Ga диффундируют из подложки к поверхности контакта, атомы Ge занимают вакантные места атомов Ga в кристаллической решетке GaAs и действует как электрически активная донорная примесь. Верхняя пленка Ni предотвращает агломерацию эвтектического сплава AuGe в капли путем уменьшения поверхностного натяжения жидкой фазы.
Недостатками данного способа являются недостаточно низкое контактное сопротивление, большая глубина рекристаллизованной области ОК (более 0,1 мкм), низкая термостабильность электрических параметров контакта, что обусловлено наличием легкоплавкой фазы AuGa с температурой плавления T=370°С, развитый рельеф поверхности контактной площадки, а также ее недостаточно ровный край.
Известен способ (Hung-Cheng Lin, Sidat Senanayake, Keh-Yung Cheng / Optimization of AuGe-Ni-Au Ohmic Contacts for GaAs MOSFETs // IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.50, No. 4, April 2003, pp.880-885), в котором для уменьшения величины приведенного контактного сопротивления ОК на основе композиции Ge/Au/Ni используется осаждение дополнительного верхней пленки Аu толщиной порядка 100-200 нм. К преимуществам данного контакта Ge/Au/Ni/Au можно отнести пониженное значение контактного сопротивления.
Недостатками данного способа являются пониженная термостабильность параметров контакта за счет образования на межфазной границе высокоомных интерметаллических фаз с Au, компенсация основных носителей атомами Au, образование глубоких, соизмеримых с толщиной активных слоев GaAs, областей проплавления, развитый рельеф поверхности контактной площадки, а также ее недостаточно ровный край. Данные недостатки обусловлены наличием верхнего толстого слоя Аu, которое глубоко проникает в GaAs.
Известен способ улучшения параметров контакта Ge/Au/Ni/Au (D.А.Allan, J. Herniman, М.J.Gilbert / Diffusion barriers layers for ohmic contacts to GaAs // JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C4, no.9, Tome 49, Septembre 1988) за счет введения в состав металлизации ОК диффузионного барьера на основе ZrB2, WN или WSi, располагающегося между пленкой Ni и верхней пленкой Au и препятствующего проникновению Au в нижележащие слои Au/Ge/Ni и GaAs.
Недостатком данного способа является сложность получения пленок нитридов, карбидов и боридов тугоплавких металлов, а также недостаточно низкое контактное сопротивление.
2
4
-6
Известен способ изготовления ОК, выбранный нами за прототип (Е.V.Erofeev, V.A.Kagadei, S.V.Ishutkin / Study of the multilayer ohmic contacts to n-i-GaAs with Ti diffusion barrier // Proceedings of the 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM), Tomsk, Russia, 21-26 September 2008, pp.597-599), в котором диффузионный барьер формируется на основе пленки Ti. В данном способе для предотвращения проникновения Аu из верхней пленки в GaAs вслед за осаждением пленок Ge, Au и Ni производится осаждение пленки Ti толщиной 50-100 нм и лишь затем верхней пленки Аu. Для создания Ge/Au/Ni/Ti/Au ОК по способу прототипу используется следующая последовательность технологических операций. На поверхности пластины n-i-GaAs формируется двухслойная фоторезистивная маска, в которой вскрываются окна в месте будущих омических контактов. Перед напылением для очистки поверхности GaAs пластина обрабатывается в водном растворе HSO (1:10) в течение трех минут с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. Затем методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении в диапазоне 2×10 торр производится последовательное осаждение пленок Ge, Au, Ni, Ti и Au с толщинами 50, 100, 40, 50 и 200 нм соответственно. После извлечения пластины из вакуумной камеры выполняется формирование топологии контактов методом обратной литографии. Термическая обработка пластины проводится в диапазоне температур Т=280-460°С в печи (t=5 мин) или в установке быстрого термического отжига (t=30 сек) в атмосфере азота. После отжига приведенное контактное сопротивление ОК измеряется методом линий передач.
Недостатком данного способа является недостаточно низкое значение приведенного контактного сопротивления.
Основной технической задачей предложенного способа является уменьшение величины приведенного контактного сопротивления многослойных омических контактов к n-GaAs.
Основная техническая задача достигается тем, что в способе изготовления многослойного омического контакта к n-GaAs, включающем создание на поверхности пластины двухслойной фоторезистивной маски, послойное осаждение пленок на основе Ge и Au с толщинами пленок, соответствующих эвтектическому составу, и общей толщиной 50-300 нм, осаждение пленки на основе Ni толщиной 10-100 нм пленки диффузионного барьера толщиной 10-200 нм, и верхней пленки Au толщиной 10-1000 нм, удаление двухслойной фоторезистивной маски и термообработку контактов в инертной атмосфере, согласно предложенному решению осаждение пленок Ge, Au, Ni и Au на поверхность GaAs производят с углом влета атомов этих материалов относительно нормали к поверхности пластины, находящемся в диапазоне 0-2°, а осаждение пленки диффузионного барьера на основе Ti, или Та, или W, или Cr, или Pt, или Pd, или TiW, или TiN, или TaN, или WN производят с углом влета атомов
β=n×α,
где α - угол влета атомов Ge, Au, Ni, n=2-10.
Кроме того, целесообразно термообработку производить в печи в течение 1-30 мин или в установке быстрого термического отжига в течение 30-300 сек.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа изготовления многослойного омического контакта к n-GaAs, отсутствуют. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
17
-3
Предложенное решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид поперечного сечения пластины GaAs с двухслойной фоторезистивной маской и многослойной композицией ОК; на фиг.2 - схема формирования потока атомов с углами влета атомов α и β при различных площадях испарения S; на фиг.3 - зависимости приведенного контактного сопротивления ρ от температуры термообработки T для омических контактов к n-GaAs с диффузионным барьером на основе Ti, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу, при толщине легированного слоя GaAs 0,12 мкм и концентрации носителей n=2×10 см; на фиг.4 - зависимости приведенного контактного сопротивления ρ от температуры отжига Т для омических контактов, полученных по предлагаемому способу при различном угле влета атомов титана β; на фиг.5 - зависимость значений приведенного контактного сопротивления ρ омических контактов, полученных по предлагаемому способу и отожженных при оптимальной температуре, от величины угла влета атомов титана β; на фиг.6 - зависимости приведенного контактного сопротивления ρ от температуры отжига Т для омических контактов, полученных по предлагаемому способу, при различной величине давления остаточной атмосферы р.
Многослойный ОК (фиг.1) осаждается на поверхность пластины GaAs 1 в окна двухслойной фоторезистивной маски 2 и состоит из пленки 3 на основе Ge, пленки диффузионного барьера 4, пленки 5 на основе Ni, пленки 6 на основе Au.
2
4
-6
Способ осуществляется следующим образом. На поверхности пластины GaAs 1, имеющей легированный слой n-типа проводимости, формируется двухслойная фоторезистивная маска 2, в которой вскрываются окна в месте будущих омических контактов. Для очистки поверхности пластина GaAs 1 обрабатывается в водном растворе HSO или НСl с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой. Методами электронно-лучевого и/или термического испарения в вакууме при остаточном давлении менее 10 торр производится послойное осаждение пленки 3 на основе Ge и пленки 6 на основе Au общей толщиной 50-300 нм, и толщиной отдельных слоев, соответствующих эвтектическому составу AuGe (88 вес.% Au, 12 вес.% Ge). Затем осаждается пленка 5 на основе Ni толщиной 10-100 нм. При осаждении слоев Ge, Au, Ni атомы поступают на поверхность GaAs под углом влета α относительно нормали к поверхности пластины, находящимся в диапазоне 0-2° (фиг.2). После чего производится осаждение пленки диффузионного барьера 4 на основе Ti или других барьерообразующих металлов (Та, W, Cr, Pt, Pd, TiW, TiN, TaN, WN) с углом влета атомов β=n×α, где n=2-10. Затем осаждается слой золота 6 толщиной 20-1000 нм с углом влета атомов α=0-2°. После напыления металлизации ОК удаляется двухслойная фоторезистивная маска 2, в результате чего формируется топология контактных площадок. Затем пластина GaAs 1 проходит термическую обработку в атмосфере инертного газа в диапазоне температур Т=280-460°С в печи в течение t=1-30 мин или в установке быстрого термического отжига в течение t=30-300 сек.
Минимальная длительность термической обработки определяется временем, необходимым для начала межфазных реакций на границах раздела многослойной композиции - пластины GaAs 1 и на границах раздела между металлическими пленками. Максимальная длительность термической обработки определяется временем, при превышении которого, вследствие межфазных взаимодействий, приведенное сопротивление ОК становится неприемлемо высоким. Разница в длительностях термической обработки в печи и в установке быстрого термического отжига обусловлена различными постоянными времени нагрева пластин GaAs 1, характерными для этих методов, а также различной скоростью межфазных реакций, обусловленных отличием в скоростях нагрева пластин GaAs 1.
Технический результат по предлагаемому способу достигается за счет того, что в результате осаждения металлических пленок Ge, Au, Ni, Ti и Au с различными углами поступления атомов α и β на поверхность пластины GaAs 1 так, как это представлено на фиг.2, происходит капсулирование горизонтальных и вертикальных (торцевых) поверхностей слоев Ge, Au и Ni пленкой диффузионного барьера 4 (фиг.1). Уменьшение приведенного контактного сопротивления связано с тем, что пленка диффузионного барьера 4, капсулирующая нижележащие слои, в процессе термообработки предотвращает процессы латеральной диффузии атомов верхнего слоя Аu по направлению к поверхности GaAs, что позволяет избежать деградации омического контакта. Кроме этого, пленка диффузионного барьера 4 предотвращает взаимодействие GeAuNi с внешней активной средой, а также изменяет условия протекания реакций в жидкой фазе, вследствие изменения сил поверхностного натяжения.
-4
-5
2
На фиг.3 приведены экспериментальные зависимости приведенного контактного сопротивления от температуры термообработки для омических контактов Ge/Au/Ni/Ti/Au с диффузионным барьером 4, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу. Из графиков зависимостей видно, что предлагаемый способ позволяет уменьшить значение приведенного контактного сопротивления в 35 раз с 7×10 до 2×10 Ом·см.
Максимальный угол влета атомов α (β) при осаждении определяется выражением:
где е - размер окна в верхнем слое фоторезистивной маски; Н - расстояние подложка - испаритель (тигель); S - площадь испарения материала в тигле.
Из выражения (1) следует, что основными технологическими факторами, влияющими на угол влета атомов, являются площадь испарения и расстояние испаритель-подложка. Влиянием размера окна е на угол влета можно пренебречь, так как x>>е и Н>>е, где x - расстояние от центра пластины. Например, при уменьшении размера е с 200 мкм до 1 мкм угол влета атомов α меняется всего на 0,02 градуса.
-6
3
Управление максимальными углами влета атомов α и β в предлагаемом способе осуществляется посредством изменения площади, с которой происходит испарение атомов металла так, как это показано на фиг.2. На практике изменение площади испарения в случае электронно-лучевого напыления осуществляется посредством изменения мощности, вкладываемой электронным лучом в испаряемую навеску, что приводит к изменению площади расплава в тигле 7. При термическом испарении площадь испарения изменяется с помощью изменения площади проволочного или фольгового испарителя, массы навески и электрической мощности, подаваемой на испаритель. Учитывая, что длина свободного пробега атомов при давлении остаточной атмосферы менее 10 торр составляет более 10 см, можно считать, что атомы от тигля 7 (испарителя) до пластины движутся в бесстолкновительном режиме, что обуславливает неизменность направления их движения (угла влета) при транспортировке.
ПРИМЕР 1
Данный пример демонстрирует влияние величины угла влета атомов β при напылении Ti диффузионного барьера 4 на технический результат, достигаемый по предлагаемому способу.
17
-3
-7
2
2
4
л
л
Для проведения эксперимента использовались пять ионно-легированных пластин n-i-GaAs 1 (100) с концентрацией электронов в слое толщиной 0,12 мкм, равной n=2×10 см. На поверхности пластин GaAs 1 формировалась двухслойная фоторезистивная маска 2, в которой вскрывались окна в месте будущих омических контактов. Перед напылением для очистки и удаления собственных оксидов As и Ga пластины GaAs 1 обрабатывались в водном растворе HSO (1:10) в течение трех минут с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. Затем пластины GaAs 1 загружались в вакуумную камеру, где выполнялась операция осаждения металлизации ОК, причем для каждой пластины GaAs 1 использовался свой режим напыления тонкой пленки диффузного барьера 4. Пленки Ge, Au, Ni, Ti и Au (50, 100, 40, 50 и 200 нм соответственно) осаждались методом электронно-лучевого испарения в вакууме при давлении остаточной атмосферы, равном 9×10 торр. Изменение угла влета атомов β от пластины к пластине производилось посредством изменения площади расплава Ti в тигле 7 при изменении силы тока электронного луча, который при напылении пленок Ge, Au, Ni фиксировался и составлял I=100 мА, а при напылении пленки диффузного барьера 4 на основе Ti изменялся в диапазоне I=100-250 мА. При этом площадь испарения Ti изменялась в диапазоне S=1-3 см, а угол влета атомов Ti составлял β=n×α, где α - угол влета атомов Ge, Au, Ni, а n=1-2,5. Расстояние от тигля 7 до пластины GaAs 1 составляло 280 мм. Контроль скорости осаждения и толщины пленок осуществлялся с помощью кварцевых весов. Топология контактов на всех пластинах GaAs 1 формировалась после удаления двухслойной фоторезистивной маски 2. Термическая обработка пластин GaAs 1 проводилась в диапазоне температур Т=320-460°С в установке быстрого термического отжига (t=30 сек) в атмосфере азота. Величина приведенного контактного сопротивления ОК измерялась методом линий передач на 10 тестах, а затем усреднялась.
На фиг.4 и 5 представлены результаты измерения приведенного контактного сопротивления на пластинах GaAs 1, полученных при осаждении пленки диффузионного барьера 4 при различных углах β. Из полученных результатов видно, что величина ρ монотонно уменьшается практически на два порядка величины при увеличении угла влета атомов Ti от величины, характерной для способа прототипа β=α до β=2,5 α.
ПРИМЕР 2
Данный пример демонстрирует влияние давления остаточной атмосферы при напылении пленки диффузионного барьера 4 на основе Ti на технический результат, достигаемый по предлагаемому способу.
-7
-7
-5
л
1
2
л
Для проведения эксперимента использовались пластины GaAs 1, а также до момента осаждения тонких пленок и последовательность технологических операций, аналогичная использованным в примере 1. Слои Ge, Au, Ni, Ti и Au (50, 100, 40, 50 и 200 нм соответственно) осаждалась методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Осаждение слоев Ge, Au, Ni и Au осуществлялось на обе пластины GaAs 1 при давлении остаточной атмосферы, равном p=9×10 торр и силе тока электронного луча I=100 мА. Пленка диффузного барьера 4 осаждалась на первую пластину GaAs 1 при давлении p=9×10 торр, а на вторую пластину GaAs 1 при р=7×10 торр. Сила тока пучка электронов при этом составляла I=250 мА, а β=2,5α. Расстояние от тигля 7 до пластины GaAs 1 составляло 280 мм. Остальные технологические операции выполнялись так же, как и в примере 1.
-5
На фиг.6 представлены результаты измерения приведенного контактного сопротивления на обеих пластинах GaAs 1, из которых видно, что для получения технического результата изобретения необходимо достаточно низкое давление остаточной атмосферы в вакуумной камере. При давлении остаточной атмосферы p≥7×10 торр происходит окисление пленки Ti, что препятствует получению технического результата даже при β=2,5α.