Методы получения омических контактов

Основным источником ошибок при измерении удельного сопротивления полупроводников являются переходные сопротивления на контактах, возникающие из-за несовершенства механического контакта и за счет потенциальных барьеров на границе металл - полупроводник.

Омический контакт – это контакт металла с полупроводником, который

1. имеет сопротивление существенно меньшее, чем сопротивление образца;

2. имеет линейную, симметричную ВАХ;

3. на контакте отсутствует инжекция неосновных носителей.

Реальный омический контакт лишь в той или иной степени приближается к идеальному.

Подбор материала контакта

1. для полупроводника n-типа для контакта желательно использовать металл с работой выхода Ф_m меньшей, чем работа выхода полупроводника Ф_s (Ф_m<Ф_s); для полупроводника р-типа желательно реализовывать обратное неравенство Ф_m>Ф_s. Однако таких пар очень мало;

2. материал контакта должен создавать в полупроводнике примесные уровни того же типа, что и примеси, которые определяют тип проводимости полупроводника, а способ изготовления контакта должен обеспечивать диффузию атомов из контакта в полупроводник.

Наиболее эффективный способ получения омических контактов - это создание высоколегированного слоя в полупроводнике на границе с металлом (n⁺-область в полупроводнике n-типа, р⁺-область в полупроводнике р-типа) (рис.18).

Наличие высоколегированной приповерхностной области приводит к следующему:

• резко уменьшается ширина потенциального барьера на контакте, барьер становится туннельно-прозрачным (для этого уровень легирования полупроводника вблизи контакта должен быть больше, чем 10¹⁹ см^–3);

• уменьшается инжекция неосновных носителей из контакта, вследствие чего увеличивается время жизни носителей в приконтактной области и уменьшается сопротивление контакта.

Например, для создания омического контакта к Si n-типа проводимости наносят слой Au (Sb - 0,1%), контакт вплавляется при температуре эвтектики в атмосфере инертного газа (Ar) или смеси H₂ + N₂. Полупроводниковый материал при нагревании растворяется в металле, а при охлаждении кристаллизуется в твердый раствор с высокой концентрацией электрически активных примесей. В кремниевой технологии сильно-легированный слой создают до нанесения металла.

Для экспресс-измерений используют прижимные контакты из вольфрама, карбида вольфрама, стали, фосфористой бронзы и др., припаянные (Sn, In, Ag, бронза), электролитические (Ni, Cu, Pd, Zn, In, Sn).

Сведения о материалах, используемых в качестве контактов к Si, Ge, GaAs.

Полупроводник	Тип проводимости полупроводника	Материал контакта	Метод получения омического контакта
Si Ge	n	Au-Sb (Sb - 0,1%)	Напыление в вакууме и вплавление при температуре эвтектики в атмосфере Ar или H2 + N2
Si Ge	p	Au+In Al	Напыление в вакууме и отжиг
GaAs	n	Au-Ge-Ni Ag-Ge Au-Sn Ni-Sn In-Sn	Напыление в вакууме при Т = 300 С в атмосфере H2 + N2
	p	Au-Zn Au-Mg Ag-Mg

Оценка качества омических контактов

В производстве ИС для оценки качества омических контактов используют различные тестовые элементы, размещаемые в тестовых модулях или тестовых ячейках.

Один из таких тестовых элементов, представляющий собой цепочку последовательных соединенных омических контактов предназначен для оценки линейности его ВАХ (рис.2.9). число звеньев в цепочке не меньше нескольких десятков. Измерения проводят при токах и напряжениях, определяемых типом изделия.

Для контроля удельного сопротивления омических контактов к элементам интегральных схем используется тестовая структура, поперечное сечение которой для слоя n⁺-GaAs на i-GaAs схематично представленj на рис 2.10.

Эта тестовая структура состоит из четырех омических контактов (1, 2, 3 и 4) шириной w (например, w=50 мкм) к объему полупроводникового слоя, размеры областей между контактами следующие.

• №1 - w * a (например, 50 мкм * 5 мкм), между ОК1 и ОК2;

• №2 - w * 2a ((например, 50 мкм * 10 мкм), между ОК2 и ОК3;

• ,№3 - w * 3a (например, 50 мкм * 15 мкм), между ОК3 и ОК4.

Методика определения удельного сопротивления заключается в измерении сопротивления между омическими контактами 1 и 2 (R₁), 2 и 3 (R₂) и 3 и 4 (R₃) и последующей обработке результатов измерения.

Удельное сопротивление омических контактов определяют по следующему алгоритму.

• Оба измерительных зонда контактируют с одной из контактных площадок и измеряют ВАХ «зонд - зонд» (З – З), по которой вычисляли сопротивление между зондами R_З3.

• Измеряют сопротивление между омическими контактами 1 и 2 (R₁), 2 и 3 (R₂) и 3 и 4 (R₃).

где R_VS – поверхностное сопротивление полупроводникового слоя.

• Вычисляют скорректированные значения сопротивлений R_1corr, R_{2 corr} и R_3corr, вычитая значение сопротивления R_З3 из значений сопротивлений R₁, R₂, и R₃.

R_icorr,=R_i -R_З3,

где i=1, 2 и 3.

Сопротивления R₁, R₂, и R₃, складываются из двух сопротивлений омического контакта шириной 50 мкм R_OC, сопротивлений объема R_Vi и сопротивления R_З3.

R₁=2R_OC+R_V1+R_З3;

R₂=2R_OC+R_V2+R_З3;

R₃=2R_OC+R_V3+R_З3.

R_V1=0.1 R_VS; R_V2=0.2 R_VS; R_V3=0.3 R_VS.

где R_VS – удельное поверхностное сопротивление слоя полупроводника на полуизолирующей подложке i-GaAs.

Таким образом,

R_1corr=2R_OC+0.1R_VS;

R_2corr=2R_OC+0.2R_VS;

R_3corr=2R_OC+0.3R_VS.

Или

R_icorr=2R_OC+0.1iR_VS;

• По результатам измерений строят зависимость R_icorr=f(i) и аппроксимируют ее линейной зависимостью y=ax+b, где x=i, а y=R_icorr, и определяют значение b.

• Вычисляют сопротивление омического контакта по формуле.

R_OC=0.5b.

• Удельное сопротивление омического контакта _OC вычисляют по формуле.

_OC=R_OCw.