Электрические свойства неоднородных контактов Al+<Si>/Al-nSi диодов Шоттки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ.ОБЗОР ЛИТЕРАТУШ.

§1.Источники неоднородности границы раздела.

1.1.1.Неоднородность по работе выхода металла.

IЛ.2.Неоднородность поверхности: полупроводника.

1.1.3.Реакция и. взаимодиффузия.

1.1.4.Периферийная неоднородность.

§2.Экспериментальные факты,доказывающие несостоятельность однородной модели.

1.2.I.Однородная модель контакта металла с полупроводником.

1.2.2.Дисперсия высоты барьера Срв

1.2.3.Трудность предсказания поведения контакта.

1.2.4.Корреляция между высотой барьера ДШ и работой выхода металла.

1.2.5.Зависимость высоты барьера ДШ фв от площади КМП.

1.2.6.Температурная зависимость ВАХ ДШ.

1.2.7.Разновидности ВАХ в прямом направлении.

1.2.8.Разновидности ВАХ в обратном направлении.

1.2.9.Зависимость напряжения пробоя от площади КМП.

ГЛАВА ВТОРАЯ.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ iMHSOVM-nSi ДШ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА.

§1.Технология изготовления {M+{Si1}fM -hSl ДШ.

§2.Экспериментальная методика.

§3.Электрическая схема и установка зонда.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ НА

СВОЙСТВА (М + <Si))/М - п Si ДИОДОВ ИЮТТКЙ.

§1.Влияние площади КМП на свойства

M+<SO)/M-riSL дш.

§2.Влияние толщины плёнки алюминия cLm на свойства (M+<Sl>)/M -nSi диодов Шоттки.

ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ.ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ

НА СВОЙСТВА ДИОДОВ ГОТТКИ.

§1.Влияние одноосного давления на свойства

- П- Si диодов Шоттки.

§2.Температурная зависимость ВАХ

Ж + <Si>)/j£ -Л Si диодов Шоттки.

§3.Влияние термоотжига на свойства

М +<SO)/M-n Si диодов Шоттки.

Актуальность темы. Диоды с барьером Шоттки /ДШ/ и другие приборы контакта металл-полупроводник /КМП/ широко применяются в микроэлектронике и полупроводниковой технике.Потребность к применению ДШ связана с тем,что они имеют ряд преимуществ над другими; полупроводниковыми диодами /например,технологичность изготовления,универсальность ,надёжность.быстродействие,низкое значение употребляемой мощности и т.д./.

Начиная с 60-х годов,когда изучение ДШ получило новый толчок, достигнуты значительные успехи.На основе однородной модели разработана физика однородного КМП.Однако,за последнее десятилетие обнаружен и установлен ряд экспериментальных фактов и результатов,которые физика однородного КМП не в состоянии объяснить. Например:

-вольтамперные характеристики /ВАХ/ в прямом и обратном направлениях иногда имеют области и изломы,не характерные для однородного контакта,

-плотность тока насыщения,высота барьера,напряжение пробоя зависят от площади контакта,

-омическое и диодное поведения контакта непредсказуемы, -зависимость £nP/sT*)-f(VT) ПРИ низких температурах нелинейна, - d ^-/dif" в зависимости от напряжения имеет ряд пиков.

В связи с этим в последние годы началось развитие другого направления - физики неоднородного контакта,так как граница раздела /ГР/ КМП имеет ряд источников неоднородности,без учёта которых трудно понять все закономерности КМП. Этими источниками являются следующие: а/ неоднородность ГР,обусловленная поликристаллической структурой плёнки металла, б/поверхностная неоднородность полупроводника, в/физико-химический источник неоднородности /взаимная диффузия и реакция/, г/периферийная неоднородность.

В настоящей работе сделана попытка установить связь между имеющимися проблемами физики контакта и неоднородностью ГР. Цель работы и основные задачи.исследования.

Целью настоящей работы являлось исследование электрофизических свойств (Ж*<Siy/M-tiSi диодов с барьером Шоттки,выявление корреляции между неоднородностью ГР и свойствами ДШ. При этом решались следующие задачи:

-экспериментальное исследование зависимости основных параметров /плотности тока.высоты барьера,коэффициента неидеальности и напряжения пробоя/ от площади контакта, -изучение зависимости основных параметров от толщины плёнки, металла,

-изучение природы деградации БАХ ДШ,

-исследование влияния внешних факторов на основные параметры ДШ,

-разработка физики неоднородного КМП.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-установлены размерные зависимости для основных параметров iJt + <Si»/M-nSL ДШ, -впервые изучены свойства ДШ в зависимости от толщины плёнки металла и установлено,что основные параметры зависят от толщины плёнки металла,

-деградация ВАХ (М+ <Si))/№-tiSi ДШ моделирована одноосной деформацией^ изучен процесс деградации в зависимости от величины деформирующих нагрузок и от толщины плёнки барьерного металла,

-изучено влияние термоотжига на свойства нормального и деградированного ДШ.Показано,что площадь эпитаксиального слоя,который рекристаллизируется из твёрдой фазы,зависит от толщины плёнки, -выяснена особенность протекающего тока через неоднородный КМП, Предложено в качестве критерия однородности использовать отношение Дф/кт .

Практическая ценность заключается в том,что: -установлены размерные зависимости для основных параметров ДШ как от площади КМП,так и от толщины плёнки металла,что позволяет варьировать значение этих параметров в широком диапазоне, -разработана методика моделирования деградации ВАХ,изучения площади рекристаллизированного слоя,

-предложен конструктивно-технологический способ изготовления ДШ с почти идеальными характеристиками.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Республиканской НТК в ноябре 1983 г.в Минске,УI Республиканской научной конференции аспирантов ВУЗов Азербайджана в ноябре 1983 г.научно-практической конференции университетская наука производству 25-27 апреля 1984 г. Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 7 научных работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения,четырёх глав,заключения, списка литературы и содержит 126 страниц машинописного текста,в том числе 42 рисунка,9 таблиц.

Результаты физических исследований контакта металл-полупровод ник, изложенные в данной работе,показывают: •во-первых,параметры (Jtt + <Si>)/M-flSi диодов Шоттки зависят как от площади,так и от толщины плёнки барьерного слоя металла. Это позволяет варьировать высотой барьера,изменяя геометрические па раметры контакта; •во-вторых,установленные зависимости убедительно показывают не состоятельность однородной модели Шоттки. Для описания свойств реального контакта предложена неоднородная модель Шоттки,соглас но которой контакт рассматривается как параллельное соединение многочисленных диодов,имеющих различные параметры; •в-третьих,изучение границы раздела оптическим микроскопом,пока зало, что на поверхности матрицы /2 - Si. присутствует слой р-кремния,который является результатом твердофазной эпитаксии, Площадь р-слоя оценена методом Монте-Карло и показано,что она растёт с ростом толщины барьерного слоя. В качестве критерия од нородности /или неоднородности/ предложено использовать отноше ние ^Ф /кТ; •в-четвёртых,изучение влияния одноосного давления на свойства ДШ показывает,что возможной причиной деградации ВАХ является при сутствие омического контакта среди К Ш .С помощью температурной зависимости ДШ доказали,что изученные диоды имеют неоднородный контакт. Кроме этого,экспериментальные результаты показывают,что параметры ДШ очень чувствительны к тер моотжигу.В заключение отметим,что изготовление ДШ с однородной границей раздела является трудной задачей. Для этого нужно избавиться от

вышеперечисленных источников неоднородностей.Напыляя на поверхность полупроводника либо монокристаллическую, либо аморфную плёнку металла,можно ослабить влияние неоднородно сти, связанной с поликристалличностью плёнки металла. Применяя ох ранное кольцо или контакт с большой площадью,можно свести к миниг ь^му роль периферийной неоднородности. Подбирая коэффициент диф фузии и реакционноспособность контактирующих материалов,можно бороться с физико-химическим источником неоднородности ГР. Таким образом,можно заключить,что диод с лучшими свойствами можно изготовить по схеме:"порядок-порядок",т.е. на поверхность монокристаллической подложки напылять монокристаллическую плёнку металла. Можно ожидать,что схема "беспорядок-беспорядок" /аморф ный полупроводник-аморфный металл/ тоже должна дать лучший ре зультат.Таким образом,результаты этой работы могут быть использованы при изготовлении как интегральных микросхем с применением полу проводниковых приборов с барьером Шоттки,так и дискретных полу проводниковых приборов на основе КМП.

1. Стриха В.И.,Теоретические основы работы контакта металл-полупроводник,Киев, "Наукова Думка",1974,263 с.

2. Стриха В.И.,Бузанева Е,В.,Радзиевский И.А.,Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки,Сов.радио,1974,248 с. б.Рид В.Т.,Дислокации в кристаллах,Москва,Металлургиздат,1957, 280 с.

3. Аскеров Ш.Г.,Влияние площади контактов на свойства диодов Шоттки,Журнал Известия АН АзССР,сер.физ.тех.мат.,1978, Р 1,0.57-62. З.Геращенко С.,Догадаев Р.В.,Мартынов В.Л.,Эмиссионная неоднородность молибдена,Теплофизика высоких температур,1974,том 12, 5,0.1019-1026.

4. Родерик Э.Х.,Контакт металл-полупроводник,Пер.с анг. под ред.Степанова Г.В. М. Радио и связь,1982,208 с.

5. MockMuig alecttlcol MSt i38i, cJiQ 4> Л Sehm/icrt o /icmmc/tm. £j£cAcyi., diodes у JsakoL-jdale-. /Г- 897- 90L/. а.Ые/гЛ. у. /if$. Ojd. Offi- -fdm

6. Стриха В.И.,Расчёт вольтамперной характеристики прижимного контакта металл-полупроводник с учётом плёнки окисла.Радиотехника и электроника,1964,т.9,№ 4,с.681-687.

7. CcitcL -ZTv JVtoclmyb ЕЖ. _:ticoUes phf. <0. Л. -/31 и, /г/о, 01 /609- vsSJl.

8. Аскеров Ш.Г.,Неоднородная модель контакта металл-полупроводник, Тез, докладов Ш Всесоюзного научно-технического семинара, "Пути повышения стабильности и надёжности микроэлементов и микросхем",часть I,Рязань,1-16 июня 1984,0.73-74. 27.7W e.g., Лр 7 Эгупг eirei pautCoM 796G, I/- Э, /fo /У/2, р/ i023 ГОЗЗ. О/г p- Л11с:> Лс-гЛгЛ.. ElecJto/v

9. Акулов Н.С.,Дислокации и пластичность,Минск,АН БССР,1961, doup.J. Clppру i96, V.15,/UL7, pp.eS1-S5i/,

10. Гапонов В.И.,Электроника,ч.I,физмат.гиз.,1970,516 с. Aalid-jdae £/kW., i37S, V.i8, /Роб, PP 99--08, old-M:a:U eledAn., PP 5-0. 7971, \7. ZO, f/o i 38.AcKepoB Ш.Г.,Tемпературная зависимость различных параметров диодов с барьером Шоттки,Журнал Изв.АН АзССР,сер.физ.тех.мат., 1981,1,с.Ш-87.

11. Бардамид А.Ф. ,Редкач А.И. ,Траинис Т.П. ,11]алдерван А.И.,

12. Богданов А.О. ,Бахтияров Р.С.,Пумпурс В.М. ,Шшкин Б.Б.,Анализ кривых задержки термоэмиссионного тока,Изв.АН СССР,ХКШ,сер.физика, 1969, 5,0.746-751.

13. Андреев А.А.,Голикова О.А.,Карапеоргий-Алкалаев П.М., Лейдерман А.Ю.,Мездрогина М.М.,Рубин B.C.,Феоктистов Н.А., О природе темповых токов в структурах с барьером Шоттки на аморфном гидрированном кремнии,ФТП,февраль 1984,т.18,вып.2,с.373-376. 68. РаА.ен р. , MmlecUvde i9fS, ипсЫ I/ i9, Ал FF. 93X С- Лшеус taJza, f., (}е Se ,ФТП,

14. Колебанов А.К«,Мочалов A.И.,Чистяков Ю.Д., Исследование палладия для изготовления контактов с барьером Шоттки на арсениде галия и кремния,Сб.науч.трудов "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки",Киев,1979,0.116-118.

15. Крапухин В.В.,Морозова 0.И.,Тихий И.М.,Фомин И.А., Получение и исследование характеристик диодов с барьером Шоттки на поликристаллическом фосфиде галия,Сб.науч.трудов "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки",Киев,1979,с.I3I-I35.

16. Романова И.Д.,Максимова Н.К.,Пекарский Б.Н.,Панова Н.М., Якубеня М.П., Исследование термоустойчивости диодов с барьером Шоттки (i Tl (jdjls С б. науч. трудов "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки",Киев,1979,с.182-186,

17. Украинец В.Е.,Свойства переходного слоя в структурах металлР" CdTe с барьером Шоттки, С б. науч. трудов "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки",Киев,1979,с.203-207.

18. Милне А.,Фойхт Д., Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник ,М.,"Мир",1975,432 с.

19. Аскеров Ш.Г.,Вольтамперная характеристика диодов Шоттки в

20. Кузьмин В.A.,Крюкова Н.Н.,Кюрегян A.G.,Мнацаканов Т.Т., Зависимость напряжения пробоя Р-П. перехода от величины его площади. Электротехническая промышленность,1975,вып.5 /64/, с.3-6,сер.преобразовательная техника. Ш.Валиев К.А. ,Паши1-1цев Ю.И.,Петров Г. В., Применение контакта металл-полупроводник в электронике,М.,Сов.радио,1981,304 с.

21. Добрецов Л.Н.,Мацкевич Т.Л., К вопросу о работе выхода металлов ,Журнал техн.физики,1966,36,№ 8,0.1449-1458, 7riBa6Z€J?7ejt>s о/г clecuz- clea,ved ЛМся.,

22. Аскеров Ш.Г., Свойства II St диодов с барьером Шоттки, Рук.депон.в В Н Т 2676-76 от 15 июля 1976,14 с,Изв.АН АзССР И ИИ сер.физ.тех.и мат.наук,1978,Р I,с.57-62. 87..г/ CUlo, -ои tempeae геасМ€Р/гб oJ St ме:о£ conj/ocJd fu) i Oz, bou>tA du <Si Ли ±eac:Uon to -the meUuLnU V /oгaJtгc>n,,

23. Адамчук В.К.«Федосеенко С И Исследование процесса формирования барьеров Шоттки методом фотоэлектронной спектроскопии, Сб.науч.трудов "Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки", Киев,1979,с.3-8.

24. Аскеров Ш.Г.,Гурбанов А.А.,Эфендиев К.И.,Мурадов М.Б., Деградация вольтамперной характеристики диодов Шоттки, деп,науч.работ /Естественные и точные науки,технологии/ HS /142/ М.,1983,Р 467. дО.Романова И.Д.,Максимова Н.К.,Пекарский Е.Н.,Якубеня М.П., Влияние термообработки на характеристики диодов с барьером Шоттки,Изв.ВУЗ,физика,1976,№ 4,c.I5I-I53.

25. Аскеров Ш.Г.,Мамедов Р.К., Исследование электрических свойств контакта поликристаллического металла с полупроводником,Письма в ЖТФ,1978,4,Р 5,0.275-277.

26. Омар 0.А..Попов В.П.,Электрические свойства поверхностнобарьерных структур и, п. Q-CLP ,ИЗВ.Ленинградского ордена Ленина Электротехнического института,1979,Р 247,с.62-65. 93.БОЖИКОВ В.Г.,Заводчиков В.М.,Чернов И.П.,Солдатенко К.В., Ятис А.А.,Влияние температурной обработки на межфазное взаимо27. Борковская О.Ю.,Дмитрук Н.Л.,Конакова Р.В.,Филатов М.Ю.. Влияние низкотемпературных прогревов на характеристики диодов Шоттки Сг Orals и z--j>,ST,сер.2,Полупроводниковые приборы,1979,вып.8,3134,с.47-53.

28. Pcido7>a./U QJUenlde Of pi. й*9 Лсс/пе c/u): -ayt/Ue/2> PP 311717-317. a./ Ih., 7965, \/.эе, JUmp-ie 110* a, jkancUlcuuy ConJ.CLcJ>> -Moeen /е::6г£ d. Phf6, С alcd-jtajU.p. 797S, 1/Л/Го,рревВ-вб8. Ш.Бонч-Бруевич В.Л. «Калашников Г. «Физика полупроводников, Москва,"Наука",1977,672 с.