СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К GaAs
METHOD OF MAKING OHMIC CONTACT TO GaAs

III
V
Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии получения дискретных приборов и интегральных схем на основе полупроводниковых соединений AB, в частности к созданию омических контактов (ОК) для областей стока-истока полевых транзисторов с барьером Шоттки, а также гетероструктурных транзисторов с высокой подвижностью электронов.
Омические контакты должны иметь малое омическое сопротивление, гладкую морфологию поверхности контактной площадки, высокую термостабильность параметров, малую глубину взаимодействия металлизации контакта с полупроводником, а также низкую стоимость (Раскин А.А., Шалимов С.В. Зарубежная электронная техника. 1990, No. 12, с.32 47).
Известны способы формирования низкоомных омических контактов к n-GaAs, в которых используют систему металлизации, включающую следующие компоненты: Au, Ge и Ni. Золото и германий осаждаются на полупроводник в виде пленки эвтектического сплава AuGe (88% Au и 12% Ge) и слоя Ni (Pietrovska A., Gulvatch A., Peloua G. // Solid St. Electron, 1983, v.26, p.179), либо в виде трех отдельных пленок указанных элементов (Bruce R.A. Piercy G.R. // Solid St. Electron. 1987, v.30, No.7, p.729). Причем в последнем случае соотношение толщин пленок Ge и Au выбирается таким, чтобы соответствовать эвтектическому составу AuGe. При этом суммарная толщина напыленных пленок Au/Ge находится в диапазоне 100-150 нм, а толщина никелевой пленки в диапазоне 10-50 нм. После напыления контакт подвергается термообработке. В процессе отжига происходит формирование легкоплавкого сплава и жидкофазное перемешивание Au, Ge, Ni и GaAs.
Недостатками данных способов является недостаточно низкое приведенное контактное сопротивление, большая глубина рекристаллизованной области ОК (~0,1 мкм), низкая термостабильность электрических параметров контакта, что обусловлено наличием в контакте легкоплавкой фазы AuGa с температурой плавления 370°С, развитый рельеф поверхности контактной площадки, а также ее неровный край, высокая стоимость ОК, которая обусловлена использованием золота.
+
Известен способ изготовления низкоомного контакта к GaAs (Jim-Tsuen Lai, Joseph Ya-Min Lee/Pd/Ge ohmic contacts to n-type GaAs formed by rapid thermal annealing // Appl. Phys. Lett. 64(2), 1994, pp.229-237), в котором используют систему металлизации, состоящую из последовательно напыляемых пленок Pd и Ge. Несплавной Pd/Ge омический контакт формируется посредством твердофазной диффузии атомов германия в GaAs через слой палладия с образованием сильнолегированного n-слоя и демонстрирует лучшую термостабильность электрических параметров и более гладкую морфологию поверхности контакта по сравнению с Au/Ge/Ni аналогом.
К недостаткам данного контакта можно отнести большее контактное сопротивление по сравнению с Au/Ge/Ni, а также сложность его формирования в типовом маршруте изготовления интегральных схем вследствие наличия на поверхности омического контакта химически активной и окисляемой пленки германия.
Известны способы, в которых для получения более качественного электрического контакта на поверхность омического контакта Pd/Ge осаждаются пленки золота (Р.Н.Нао // On the low resistance Au/Ge/Pd ohmic contact to n-GaAs // J.Appl. Phys., 79(8), 1996) или меди (патент US №7368822, МПК H01L 23/48, опубл. 06.05.2008). К преимуществам данных способов можно отнести пониженное значение контактного сопротивления. К недостаткам способов следует отнести пониженную термостабильность электрических параметров OK вследствие проникновения быстро диффундирующих атомов золота и меди в GaAs.
3
3
Известен способ получения термостабильного омического контакта к GaAs (Aboelfotoh М.О. / Microstructure characterization of CuGe/n-type GaAs ohmic contacts // J.Appl. Phys., 76(10), 1994), согласно которому для получения ОК используется система металлизации на основе двухслойной пленки Ge/Cu (толщины которых подбираются так, чтобы образовать композицию CuGe), которая образует омический контакт как с n-, так и с p-типом GaAs. Для этих контактов характерны высокая термостабильность электрических параметров, а также низкая себестоимость производства, которая обусловлена отсутствием драгметаллов в составе ОК.
Недостатком данного способа является нестабильность получения низкого значения контактного сопротивления, что обусловлено неконтролируемым процессом окисления меди и/или германия во время межоперационного пролёживания на воздухе, приводящего к невоспроизводимости процессов формирования ОК во время отжига.
17
-3
-7
-7
1
2
Известен способ изготовления контакта на основе пленок Ge/Cu (М.О.Aboelfotoh, S.Oktyabrsky, and J.Narayan / Electrical and microstructural characteristics of GeCu ohmic contacts to n-type GaAs // J.Mater. Res., Vol.12, No.9, 1997, pp.2325-2332), по своей сущности наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и выбранный нами за прототип. Способ заключается в следующем. На поверхности пластины n-GaAs (100) с концентрацией электронов в эпитаксиальном слое, равном n=3×10 см, с целью реализации процесса обратной литографии формируется маска. Для очистки поверхности в окнах маски пластина GaAs обрабатывается в водном растворе HCl (1:1) с последующей их промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. Затем методом электронно-лучевого испарения в вакууме при давлении остаточной атмосферы 10 Торр производится послойное осаждение пленок Ge и Cu общей толщиной 0,2 мкм и толщиной пленки Ge, задающей массовое содержание Ge в металлизации, равное 40%. После этого пластина GaAs подвергается первой термообработке в едином вакуумном цикле при T=100°С в течение t=60 мин. Затем пластина извлекается из вакуумной камеры и после удаления маски подвергается второй термообработке при температуре T=400°С в течение t=30 мин в вакууме при давлении остаточной атмосферы 10 Торр. Проведение первого отжига в едином вакуумном цикле позволяет начать формирование контакта в условиях, когда поверхность осажденных пленок еще не окислена.
К недостаткам данного способа можно отнести недостаточно низкое значение приведенного контактного сопротивления.
Основной технической задачей предложенного способа является уменьшение величины приведенного контактного сопротивления.
13
16
-2
-1
x
x
Основная техническая задача достигается тем, что способ изготовления омического контакта к GaAs, включающем создание на поверхности пластины n-GaAs маски для реализации процесса обратной литографии, осаждение Ge и Cu на поверхность пластины n-GaAs, первую термообработку в едином вакуумном цикле с процессом осаждения, извлечение пластины n-GaAs из вакуумной камеры, удаление маски и вторую термообработку, отличается тем, что первую термообработку проводят в атмосфере атомарного водорода при температуре от 150 до 460°С и плотности потока атомов водорода на поверхность пластины n-GaAs, равной 10-10 ат.·см·с, осаждение Cu и Ge производят одновременно либо из сплава CuGe, либо из двух независимых источников Cu и Ge с образованием тонкой пленки CuGe, где x=0,2-0,45.
-6
В частном случае осаждение Ge и Cu и первую термообработку проводят в вакуумной камере при давлении остаточной атмосферы менее 5×10 Торр.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют.
Результаты поиска известных решений в данной и в смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
1
На рисунке представлена зависимость величины приведенного контактного сопротивления ρ омических контактов к GaAs с 45%-ным содержанием германия от температуры первой термообработки T, полученных по способу-прототипу (1) и по предлагаемому способу (2).
2
4
1
2
-6
13
16
-2
-1
Предлагаемый способ заключается в следующем. На поверхности пластины n-GaAs, имеющей легированный слой, с целью реализации процесса обратной литографии формируется маска. Для очистки поверхности в окнах маски пластина n-GaAs обрабатывается в водном растворе HSO или HCl с последующей ее промывкой в деионизованной воде и сушкой. Затем методами электронно-лучевого и/или термического испарения в вакууме при остаточном давлении менее 5×10 Торр производится осаждение Ge и Cu общей толщиной 100-500 нм с массовым содержанием германия в двухслойной композиции, равным 20-45%. Далее пластина n-GaAs в едином вакуумном цикле подвергается первой термообработке при температуре T=150-460°С в атмосфере атомарного водорода при плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равной 10-10 ат.·см·c. Затем, пластина n-Ga-As извлекается из вакуумной камеры и после удаления маски подвергается второй термообработке в атмосфере инертного газа или в вакууме в диапазоне температур T=280-460°С в течение t=0,5-30 мин.
Минимальные и максимальные значения массового содержания Ge в двухслойной композиции в 20% и 45%, соответственно, определяются тем фактом, что при меньших или больших значениях приведенное контактное сопротивление ОК становится неприемлемо большим вне зависимости от метода и режимов его первой и второй термообработки.
13
-2
-1
16
-2
-1
Минимальное значение плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равное 10 ат.·см·с, определяется тем, что при меньших значениях не достигается технический результат изобретения в связи с конкуренцией между процессами окисления и осаждения ОК газами, присутствующими в остаточной атмосфере вакуумной камеры, и ее восстановления атомами водорода. Максимальное значение плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равное 10 ат.·см·сопределяется предельными техническими возможностями имеющихся сегодня источников атомарного водорода.
1
1
Минимальное значение температуры первой термообработки T=150°С определяется экспериментально установленными фактами, согласно которым при меньшей температуре не наблюдается разницы в величине приведенного контактного сопротивления, полученного по способу-прототипу и предлагаемому способу. Максимальное значение температуры первой термообработки T=460°С определяется максимально возможной температурой, которую используют в технологии GaAs микроэлектроники.
2
Температурный и временной интервалы второй термообработки (T=280-460°С, t=0,5-30 мин) определяются минимальным и максимальным температурными бюджетами, необходимыми для формирования ОК с минимальной величиной приведенного контактного сопротивления.
Пример
Пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, относительно способа прототипа, а также возможность достижения технического результата в широком интервале температур первой термообработки в атомарном водороде.
17
-3
-6
-4
15
-2
-1
2
4
1
2
Использовались ионно-легированные пластины n-Guas (100) с концентрацией электронов в слое толщиной 0,12 мкм, равной n=2×10 см. На поверхности пластины n-GaAs формировалась двухслойная диэлектрическая маска, в которой вскрывались окна с отрицательным углом наклона стенок. Перед осаждением Ge и Cu с целью очистки поверхности и удаления собственных оксидов мышьяка и галлия пластина n-GaAs обрабатывалась в водном растворе HSO (1:10) в течение 3 минут с последующей ее промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. Далее пластина n-GaAs делились на две части и загружались в вакуумную камеру установки. На обеих частях пластины с помощью последовательного осаждения Ge и Cu была сформирована двухслойная композиция с массовым содержанием германия, равным 45%. Давление остаточной атмосферы составляло 4×10 Торр. Сразу после осаждения, по аналогии со способом прототипом, первая часть пластины n-GaAs подвергалась первой термообработке в вакууме при T=75°С в течение t=60 мин. После этого, в соответствии с предлагаемым способом, вторая часть пластины n-GaAs подвергалась первой термообработке в аналогичном режиме, но уже в атмосфере атомарного водорода при давлении молекулярного водорода p=10 Торр и плотности потока атомов водорода 10 ат.·см·с. Затем пластины n-GaAs извлекались из вакуумной камеры, удалялась маска, что приводило к формированию топологии ОК. Затем обе части пластины n-GaAs одновременно подвергались второй термообработке в установке быстрого термического отжига при температуре T=400°С в течение t=60 секунд в атмосфере сверхчистого азота.
1
Данная последовательность операций повторялась 5 раз для различных температур первой термообработки (T=75-400°С). Величина приведенного контактного сопротивления измерялась методом линий передач на 10 тестах, а затем усреднялась.
1
1
Из рисунка, на котором представлены зависимости приведенного контактного сопротивления ρ от температуры первой термообработки T для OK, полученных по способу прототипу, и ОК, полученных по предлагаемому способу, видно, что формирование ОК по предлагаемому способу при температурах выше T=150°С позволяет уменьшить значение приведенного контактного сопротивления в 2-2,5 раза, относительно способа прототипа. Это достигается за счет воздействия атомов водорода, которые, являясь химически активными частицами, обладающими восстановительными свойствами, уменьшают скорость окислительных реакций на поверхности ОК в процессе первой термообработки в вакууме. Кроме этого, использование для первой термообработки активной восстановительной среды (атомарного водорода) позволяет увеличить более чем на порядок величины давление остаточной атмосферы в вакуумной камере относительно способа прототипа, при котором производится термообработка, что снижает требования к вакуумной системе и уменьшает длительность откачки.
При формировании омического контакта к GaAs p-типа проводимости были получены аналогичные результаты.