СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ НА АМОРФНЫХ НЕЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
METHOD OF MAKING OHMIC CONTACTS IN THIN-FILM DEVICES ON AMORPHOUS UNDOPED SEMICONDUCTORS

Изобретение относится к области электронной техники, микро- и наноэлектроники, и может быть использовано для формирования омических контактов в тонкопленочных полевых транзисторах, элементах памяти, солнечных элементах, использующих барьер типа Шоттки, и других на основе нелегированного аморфного гидрогенизированного кремния (далее a-Si:H) или других неупорядоченных полупроводников.
3
2
6
F
F
+
+
Известен способ создания омического контакта к слоям a-Si:H путем дополнительного легирования из газовой фазы, содержащий газ фосфин (РН) для создания n-подслоя или диборан (ВН) - для p-подслоя. При легировании происходит в первом случае смещение уровня Ферми к дну зоны проводимости, во втором случае - к потолку валентной зоны, что снижает высоту потенциального барьера металл - a-Si:H [1, стр.120-125]. Этот способ широко используется в случае кристаллических полупроводников. Однако в отличие от кристаллических полупроводников в аморфных полупроводниках изменить положение уровня Ферми, меняя концентрацию легирующей примеси, в широких пределах не удается, так как введение примесей вносит дополнительно некоторое увеличение высокоэнергетических дефектов, создающих локализованные состояния вблизи уровня Ферми и стремящихся "закрепить" его вблизи середины запрещенной зоны (далее щели подвижности). В a-Si:H при содержании водорода в сплаве ~10% удается изменять положение уровня Е в пределах ±0,4 эВ. В халькогенидных стеклообразных полупроводниках и "чистом", непассивированном водородом или другими элементами аморфном кремнии изменять положение Е, внося легирующие добавки, практически не удается [1]. Поэтому хорошего омического контакта к аморфным полупроводникам традиционным способом - введением легирующей примеси - получить сложно. Кроме того, в процессе легирования используются токсичные и взрывоопасные газы фосфин и диборан. Фосфин - бесцветный газ с неприятным запахом, сильный восстановитель. Самопроизвольно воспламеняется на воздухе, ядовит. Диборан - неприятно пахнущий газ, высокая теплота сгорания, ядовит [2].
Существует также способ формирования контакта к переходу "металл-полупроводник", заключающийся в том, что предлагается проводить отжиг пленки аморфного гидрогенизированного кремния, напыленного на слой металла палладия, который является металлическим контактом. В этом случае при отжиге, наряду с эффузией водорода, происходит образование слоя силицида палладия [3].
Наиболее близким по технической сущности и реализации к заявляемому способу является способ создания омических контактов в тонкопленочных устройствах на аморфных нелегированных гидрогенизированных полупроводниках, заключающийся в осаждении пленки полупроводника на подложку, в формировании маскирующего диэлектрического слоя, фотолитографии для вскрытия окон в диэлектрическом слое и напылении металлических электродов с последующей фотолитографией по металлу, причем непосредственно перед формированием маскирующего диэлектрического слоя производят операцию отжига пленки полупроводника при температуре эффузии водорода с поверхности пленки в пределах от 20 до 30 минут [4].
Задача предлагаемого изобретения состоит в исключении термического отжига при температуре эффузии водорода, который может оказывать влияние на электрофизические параметры пленки аморфного полупроводника, и использовании идеи создания "нарушенного" слоя на контакте металл - полупроводник для создания поверхностных омических контактов к пленочным нелегированным аморфным полупроводникам, причем не только гидрированным.
Указанная задача решается вводом в технологический процесс создания тонкопленочных устройств на a-Si:H (и других аморфных полупроводниках) после осаждения пленки полупроводника на подложку вместо операции отжига пленки полупроводника при температуре эффузии водорода с поверхности пленки или дополнительного легирования пленки под омический контакт с использованием токсичных и взрывоопасных газов фосфин или диборан дополнительной технологической операции ионной имплантации (бомбардировки) пленки аморфного полупроводника ионами инертного газа (например, аргона).
Операция ионной имплантации заключается в бомбардировке твердых тел пучками ускоренных ионов с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ. В процессе ионной имплантации изменяется структура и свойства поверхности твердого тела. В частности, ионная имплантация приводит к возникновению дополнительных дефектов (нарушенный слой) в структуре материала, т.е. вызывает увеличение плотности состояний [5, стр.539-557]. В кристаллических полупроводниках для обеспечения надежного контакта (выпрямляющего или омического) этот слой затем стравливают. В случае аморфных полупроводников образование поверхностного дефектного слоя приводит к увеличению плотности состояний, локализованных в щели подвижности (запрещенной зоне) аморфного полупроводника вблизи уровня Ферми [6] в приповерхностной области. Увеличение плотности состояний в неупорядоченных полупроводниках обусловливает перераспределение напряженности электрического поля на контакте металл -полупроводник. Плотность объемного заряда достигает максимальных значений вблизи границы раздела металл - полупроводник, что приводит к утончению профиля электростатического потенциала в ОПЗ и понижению эффективной высоты барьера за счет туннелирования носителей заряда сквозь тонкий барьерный слой [7].
Глубина проникновения ионов возрастает с увеличением их энергии. Если энергия, переданная атому решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле, то атом покидает узел и образуется дефект. Атомы, находящиеся на поверхности, получив энергию от иона, могут отрываться от твердого тела - происходит процесс распыления.
Энергия первично смещенного атома, называемого атомом отдачи, сравнительно велика, поэтому на пути своего движения атом отдачи образует целый каскад смещений, вследствие чего в твердом теле возникают дополнительные разупорядоченные области размером 3-10 нм. По мере имплантации ионов идет накопление радиационных дефектов. Когда плотность ионов, внедренных на единице поверхности, превосходит критическую, называемую дозой аморфизации, образуется сплошной аморфный слой. Большинство внедренных ионов находится в междоузлиях, где они не являются электрически активными.
Расчет среднего полного пробега R и среднеквадратичного отклонения пробега ΔR для ионов Ar (атомный номер - 18, относительная атомная масса - 39.95) в Si (атомный номер - 14, относительная атомная масса - 28.09).
Для расчетов используются формулы, где энергия и пробег выражены в безразмерных единицах ε и ρ соответственно:
-1
где L - нормирующий множитель пробега, см;
-1
F - нормирующий множитель энергии, эВ.
Радиус экранирования заряда ядра атомными электронами (см):
1
2
Коэффициент передачи ионом с массой M атому с массой М максимально возможной энергии при лобовом столкновении
Коэффициенты, учитывающие торможение, обусловленное электронным взаимодействием:
2
2
1
2
22
-2
Параметры, учитывающие торможение, обусловленное ядерным взаимодействием, с=0.45, d=0.3. Собственная концентрация атомов мишени N (для кремния N=4.98·10 см). Z - заряд ядер иона, Z - заряд ядер атома мишени.
Рассчитаем средний пробег ионов аргона в кремнии с Е=10 кэВ. Радиус экранирования:
Коэффициент передачи максимальной энергии:
Коэффициент электронного торможения
Нормирующие множители для энергии и пробега:
Безразмерные энергии
Полный пробег в безразмерных единицах:
Выразим пробег в размерных единицах:
Средний нормальный пробег связан со средним полным пробегом:
Корректирующая поправка, обусловленная упругим рассеянием иона
где полная энергия, затраченная на упругое рассеяние иона,
n
(ε=0,135, f=0,818, Rp=0.0169 мкм)
Стандартное среднеквадратичное отклонение нормального пробега
ядерная тормозная способность Sn(ε):
Rp=0.008672 мкм
Профиль распределения аргона в пленке кремния представлен на Фиг.1.
Расчет распределения напряженности электрического поля в области пространственного заряда (ОПЗ) по координате в этом случае проводится согласно уравнению:
где: - длина экранирования внешнего электрического поля зарядом ионизированных глубоких состояний, м;
- дебаевская длина экранирования, м.
s
fo
0
16
-1
-3
-1
10
-3
Уравнение (28) является трансцендентным, поэтому решения в аналитическом виде не имеет. На Фиг.2 представлена зависимость F(φ), заданная уравнением (28), при следующих значениях величин для ε=11.8, g=10 эВ·см, α=4.47 эВ, n=10 см.
Значение напряженности поля при положительном потенциале отрицательно, в связи с этим для лучшей наглядности на графике отображен модуль величины F(φ).
Расчет распределения потенциала в области пространственного заряда (ОПЗ) φ(х) по координате вблизи поверхности в этом случае проводится согласно уравнению:
0
где φ - потенциала на поверхности пленки, В.
Распределение потенциала в ОПЗ по координате φ(х) вблизи поверхности представлено на Фиг.3.
f0
n
18
-3
-1
-7
С увеличением плотности состояний вблизи уровня Ферми (g) или с уменьшением характеристической длины L потенциал, определяемый из формулы (29), в зависимости от координаты меняет характер своего изменения: вблизи границы раздела металл - аморфный полупроводник (при х=0) φ(х) резко спадает и далее наблюдается протяженный пологий участок до х=L. При этом толщина барьера вблизи контакта становится достаточно малой (при плотности состояний g(E)~10 см эВ ширина ОПЗ L~10 см) и возникает вероятность туннельного прохождения тока. На вольтамперной характеристике перехода металл - a-Si:H это будет отмечено большими значениями тока при фиксированном напряжении, что может быть расценено как эффективное снижение потенциального барьера (Фиг.4).
Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ позволяет исключить вероятность изменения электрофизических характеристик при отжиге, что отличает его от прототипа. Кроме того, заявляемый способ позволяет совместить операции ионно-плазменной очистки и ионной имплантации атомов аргона, которая и дает положительный эффект.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна", так как в известных источниках не обнаружена предложенная технология создания омического контакта к аморфным полупроводникам.
Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями, а последовательность операций при создании омического контакта отличается от существующих.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен профиль распределения аргона в пленке кремния при заданных технологических режимах ионной имплантации.
На фиг.2 представлена зависимость напряженности электрического поля от потенциала в ОПЗ неупорядоченного полупроводника, рассчитанная по формуле (28).
На фиг.3 представлено распределение потенциала в пленке неупорядоченного полупроводника, рассчитанное по формуле (29).
На фиг.4 представлена энергетическая диаграмма контакта металл - аморфный полупроводник для различной плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми, связанной с различной концентрацией электрически активных дефектных состояний типа «оборванных связей» у поверхности пленки a-Si:H.
F
1
2
В
В
B1
В2
В
Очевидно, что с ростом g(E) происходит уменьшение ширины ОПЗ L>L>L и изменение хода зависимости φ(х), в результате чего эффективная высота барьера φ уменьшается φ>φ>φ из-за увеличения вероятности туннельного протекания тока сквозь тонкий приконтактный барьер. На ВАХ этот эффект идентифицируется как надбарьерная эмиссия при уменьшении эффективной высоты потенциального барьера φ между металлом и полупроводником.
При создании поверхностного омического контакта применительно к пленке a-Si:H заявляемое техническое решение сводится к исключению из техпроцесса изготовления тонкопленочного устройства на a-Si:H и других аморфных полупроводниках (не только гидрированных) операций отжига при температуре эффузии водорода с поверхности пленки или легирования пленки под контакт с применением токсичных и взрывоопасных газов фосфин и диборан, и замене их операцией ионной имплантации (бомбардировки) ионами инертного газа, например аргона, через вскрытые в диэлектрике окна, проводимой непосредственно перед напылением металлических электродов.
Таким образом, заявляемое техническое решение имеет теоретическое и экспериментальное обоснование и позволит исключить вероятность изменения электрофизических характеристик пленок неупорядоченных полупроводников при отжиге. Кроме того, заявляемый способ пригоден не только для гидрированных аморфных полупроводников типа a-Si:H, но и для других аморфных полупроводниковых соединений.
Данный способ предлагается для реализации предприятиям и организациям, занимающимся разработкой и выпуском приборов на некристаллических (аморфных) полупроводниках.
Источники информации
1. У.Спир, П.Ле-Комбер. Фундаментальные и прикладные исследования материала, приготавливаемого в тлеющем разряде. /в кн. Физика гидрогенизированного аморфного кремния./ Под ред. Дж.Джоунопулоса, Дж.Люковски. Вып.1. М.: Мир. 1987, 368 с.
2. Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1985, с.160, 1420.
3. Ohmic contacts for hydrogenated amorphous silicon. / Nemanich R.J., Thompson М.J. // United States Patent №4, 529, 619 (1984).
4. Способ создания омических контактов в тонкопленочных устройствах на аморфных нелегированных гидрогенизированных полупроводниках. / Вихров С.П. и др. // Патент РФ №2229755, 2004.
5. Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции. / Под ред. Дж.Поутта, К.Ту, Дж.Мейера. Пер. с англ. Под ред. В.Ф.Киселева, В.В.Поспелова. М.: Мир, 1982, 576 с.
6. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников: Пер. с англ. М.: Мир, 1991, 670 с.
7. Вишняков Н.В., Вихров С.П., Мишустин В.Г., Авачев А.П., Уточкин И.Г., Попов А.А. Формирование потенциальных барьеров в нелегированных неупорядоченных полупроводниках. // ФТП. 2005. Том 39. Вып.10. Стр 1189-1194.