Моделирование электрофизических параметров контактов металл/карбид кремния

УДК 621.382.132

О. А. Агеев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ/КАРБИД КРЕМНИЯ Развитие технологии изготовления приборов экстремальной электроники сопровождается необходимостью решения комплексных физикотехнологических проблем, и связано с непрерывным поиском новых подходов и технологических решений, привлечением перспективных методов формирования и модификации свойств и параметров структур [1, 2]. Одной из проблем, сдерживающих развитие технологии приборов экстремальной электроники, является формирование контактов металл/полупроводник с заданными электрофизическими параметрами и высокой стабильностью [1, 2].

К настоящему времени основные положения теории контактов металл/полупроводник четко сформулированы и подтверждены многочисленными экспериментальными исследованиями [3, 4]. Однако, в [5] отмечается, что экспериментальной базой для обобщений в этих работах служили в основном данные, полученные для контактов металл/кремний. Развитие современной полупроводниковой электроники (особенно экстремальной и СВЧ-электроники, оптоэлектроники и микроэлектронной сенсорики) требует использования бинарных полупроводниковых материалов [1, 2, 5]. При этом специфика физикохимических свойств бинарных полупроводников требует не только отказа от многих технологических методов и режимов формирования контактов кремниевой микроэлектроники, но и уточнения теоретических положений [5, 6].

Эта необходимость подтверждается экспериментальными исследованиями, которые показывают, что при термообработке процессы диссоциации, взаимной диффузии и взаимодействия химических элементов, сопровождающиеся образованием новых соединений, оказывают определяющее влияние на электрические параметры и стабильность контактов металл/бинарный полупроводник [5, 7]. Кроме того, термообработка может сопровождаться процессами твердофазной эпитаксии, легирования подложки материалом контакта, разупо-рядочением структуры, нарушением стехиометрии и изменением фазового со-

става полупроводниковой подложки, которые также оказывают влияние на электрические параметры контактов [5 - 7]. В отсутствие термообработки, и связанных с ней межфазных взаимодействий, на электрические параметры контактов металл/бинарный полупроводник оказывают влияние методы и режимы нанесения металла, способы очистки подложки, а также пассивация поверхности полупроводника [5, 8].

Исследования показали, что указанные факторы, а также особенности свойств полупроводникового материала, оказывают определяющее влияние на электрические параметры контактов металл/SiC [1, 2, 9 - 12].

Целью данной работы является разработка адекватной модели, позволяющей определять параметры контактов металл/карбид кремния с учетом как электрофизических свойств границы раздела так и специфики свойств карбида кремния.

В работе [10] отмечается, что при определении электрофизических параметров контактов металл/SiC необходимо учитывать как снижение барьера Шоттки (Ф^) силами изображения, так и параметры границы раздела (толщина, диэлектрическая проницаемость, энергия фиксации (pinning) уровня Ферми (Фо), плотность состояний (DS)). Кроме того, в [12] показана необходимость учета влияния электрофизических параметров легирующей и компенсирующей примесей на свойства карбида кремния при моделировании параметров контактов металл/SiC.

Свойства SiC, кроме кристаллографических особенностей строения, определяются возможностью занятия атомами примесей как кубических, так и гексагональных узлов решетки, при этом в запрещенной зоне формируется несколько мелких и глубоких уровней, энергия которых сильно различается [13]. Эффекты многозарядности справедливы как для основной легирующей, так и для компенсирующих примесей, и приводят к тому, что результирующая температура истощения примеси превышает 300 К, что сказывается на концентрации носителей заряда при комнатной температуре и общем характере ее температурной зависимости [12, 14].

На рис. 1 представлены полученные в [10, 12] зависимости высоты барьера Шоттки от плотности состояний на границе раздела контактов Ni/n-6H-SiC, отражающие эффект закрепления уровня Ферми состояниями на границе раздела, имеющими различную энергию и влияние эффектов многозарядности примесей.

п 2 <я' Он -а Оч сЗ ю Г) 1 ^

V у / / // 14 А у V V

О и -а =* з: і и 1 н о с сЗ н о о 3 0.5 СО V \ 4* я // /Л Щ я ч 2

— . - :: У * / Г

1

1-1010 1-Ю11 1-Ю12 1-Ю13 1-Ю14 1-Ю15

Плотность поверхностных состояний, см 2-эВ 1

Рис. 1. Зависимости Ф^ контакта Ni/n-6H-SiC от для различных значений Фо: 1 - Eg/4; 2 - Eg/3; 1' - Eg/4 [10]; 2' - Eg/3 [10]

Сравнение показывает, что учет особенностей влияния эффекта многозарядности примесей на свойства карбида кремния позволяет уточнить зависимости, особенно в области низких значений плотности состояний, где происходит снятие закрепления уровня Ферми, и выполнение закономерностей предела Шоттки [3, 4].

Удельное сопротивление (Д) омических контактов металл/полупроводник определяется на основе классической модели [15, 16] с учетом термоэлектронной, термоэлектронно-полевой и полевой эмиссии. В [17] эта модель представлена в оптимизированном виде, позволяющем получать однозначный результат

в областях концентрации примеси где одновременно действуют два механизма токопрохождения.

Использование результатов расчета ФЬ=/(Д) позволяет рассчитать зависимости Яс контактов металл^Ю от концентрации легирующей примеси в подложке, с учетом плотности состояний на границе раздела контакта (рис. 2).

Полученные зависимости позволяют объяснить различия в экспериментальных результатах, полученных различными авторами, за счет влияния параметров поверхностных состояний.

Рис. 2. Зависимости Яс контактов N1/ п-6Н^Ю от концентрации примеси, для различной Д^, см-2-эВ-1: 1 - 1-1010; 2 - 4-1011; 3 - 1-1012. • - данные [11]

Таким образом, разработанная комплексная математическая модель позволяет определять параметры выпрямляющих и омических контактов металл/карбид кремния с как учетом электрофизических свойств границы раздела, так и специфики свойств карбида кремния. Адекватность модели подтверждается сравнением результаты расчетов с экспериментальными данными.

Разработанная модель может быть использована при разработке технологических процессов экстремальной электроники.

1. Лучинин В.В, Таиров Ю.М. // Известия вузов, Электроника. 1997. №1. С.10-37.

2. Лучинин В.В., Мальцев П.П., Маляков Е.П. // Микроэлектроника. 1999. №1. С.21-29.

3. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник М.: Радио и связь, 1982 208с.

4. Зи С.Н. Физика полупроводниковых приборов. М: Энергия, 1973. 656с.

5. Венгер Е.Ф., Конакова Р.В., Коротченков Г.С. и др. Межфазные взаимодействия и механизмы деградации в структурах металл-InP и металл-GaAs. Киев: Изд-во НАН Украины, 1999. 230с.

6. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. Минск: Высшая школа, 1989. 238с.

7. Holloway P.H., Kim T.J., Trexler J.T. et al// Appl. Surf. Sci. 117/118 (1997), p. 362.

8. Saiz-Pardo R., Perez R., Garcia-Vidal F.J. et al// Surf. Sci. 426 (1999), p. 26.

9. Афанасьев В.А., Ильин В.А., Казарин И.Г. Петров А.А. // Журнал технической физики, 2001, т. 71, №5, с. 78 - 81.

10. Syrkin A.L., Andreev A.N., Lebedev A.A., Rastegaeva M.G., Chelnokov V.E. // Materials Sci. and Eng., B29 (1995), pp. 198 - 201.

11. Porter L.M., Davis R.F. // Mat. Sci. Eng., B34 (1995), pp. 83-105.

12. Агеев О.А. Быстрая термообработка некогерентным ИК-излучением контактов к карбиду кремния. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 128 с.

13. Лебедев А.А. // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33. Вып. 2. С. 129 -155.

14. Persson C., Lindefelt U. // Mat. Sci. Forum 264-268 (1998), p. 275-278.

15. Yu A.Y.C. // Solid-State Electronics. V. 13, p. 239 (1970).

16. Padovani F.A., Stratton R. // Solid-State Electronics, 9 (1966), p. 695.

17. Varahramyan K., Verret E.J. // Solid-State Electronics, 39, (1996), p. 1601.