概述
欧姆接触指的是它不形成显著的附加阻抗,并且不会使半导体内部的平衡氮化物含量发生明显的改变。
条件
欲产生好的欧姆接触,有二个先决条件:
(1)金属与半导体间有低的势垒高度()
(2)半导体有高含量的杂质掺入(
)区别
后者可使界面电压中热迸发部份()降低;前者则使半导体用尽区变窄,电子有更多的机会直接穿透(),而同时使Rc电阻减小。
若半导体不是硅晶,而是其它能量间隙()较大的半导体(如GaAs),则较难产生欧姆接触(无适当的金属可用),必须于半导体表面参杂高含量杂质,产生Metal-n+--p+-p等结构。
理论
任何两种相接触的固体的费米基态()(或则严格意义上,物理势)必须相等。费米基态和真空基态的差值叫做功函数。接触金属和半导体具有不同的功函,分别记为φM和φS。当两种材料相接触时,电子将会从低功函(高费米基态)一边流向另一边直至费米基态相平衡。因而,低功函的材料将带有少量正电荷而高功函材料则会显得具有少量官能团。最终得到的静电势称为内建场记为Vbi。这些接触电势将会在任何两种固体间出现而且是例如晶闸管检波现象和温差电效应等的潜在诱因。内建场是造成半导体联接处能带弯曲的诱因。显著的能带弯曲在金属中不会出现由于她们很短的屏蔽厚度意味着任何电场只在接触面间无限小距离显存在。
欧姆接触或肖特基势垒产生于金属与n型半导体相接触。
欧姆接触或肖特基势垒产生于金属与p型半导体相接触。在精典化学图象中,为了克服势垒,半导体自旋必须获得足够的能量能够从费米基态跳到弯曲的导带底。穿越势垒所需的能量φB是内建势及费米基态与导带间偏斜的总和。同样对于n型半导体,
当中
是半导体的电子亲合能(),定义为真空基态和导带(CB)基态的差。对于p型半导体,
其中Eg是禁带长度。当穿越势垒的迸发是热力学的,这一过程称为热发射。真实的接触中一个同等重要的过程既即为量子热学隧穿。WKB近似描述了最简单的包括势垒穿透概率与势垒高度和宽度的乘积指数相关的隧穿图象。对于电接触的情形,用尽区长度决定了长度,其和内建场穿透入半导体内部宽度同量级。用尽层厚度W可以通过解泊松等式以及考虑半导体显存在的参杂来估算:
在MKS单位制ρ是净电荷密度而ε是介电常数。几何结构是一维的由于界面被假定为平面的。对多项式作一次积分,我们得到
积分常数按照用尽层定义为界面完全被屏蔽的厚度。就有
其中
被用于调整剩下的积分常数。这一V(x)等式描述了插图左手边白色的断点曲线。用尽长度可以通过设置
来决定,结果为
对于
,
是完全用尽的半导体中离子化的道友和受主净电荷密度以及e是电荷。ρ和Vbi对于n型半导体取正号而对于p型半导体取减号,n型的正曲率V''(x)和p型的负曲率如图所示。
从这个大约的推论中可注意到势垒高度(与电子亲和性和内建场相关)和势垒宽度(和内建场、半导体绝缘常数和参杂密度相关)只能通过改变金属或则改变参杂密度来改变。其实工程师会选择导电、非反应、热力学稳定、电学性质稳定且低张力的接触金属之后提升接触金属下方区域参杂密度来减少势垒高度差。高参杂区根据参杂种类被称为n+或则p+。由于在隧穿中透射系数与粒子质量指数相关,低有效质量的半导体更容易被解除。另外,小禁带半导体更容易产生欧姆接触由于它们的电子亲和度(因而势垒高度)更低。
上述简单的理论预言了
,因而虽然可以天真的觉得功函紧靠半导体的电子亲和性的金属一般应当容易产生欧姆接触。事实上,高功函金属可以产生最好的p型半导体接触而低功函金属可以产生最好的n型半导体接触。不幸的是实验表明理论模型的预测能力并不比上述论断前进更远。在真实条件下,接触金属会和半导体表面反应产生具有新热学性质的复合物。界面处一层污染层会特别有效的降低势垒厚度。半导体表面可能会重构成一个新的热学态。接触内阻与界面间物理细节的相关性是造成欧姆接触制造工艺可重复性为这么巨大的制造挑战的诱因。实验特点
接触内阻可以通过比较比较带有欧姆表的四探针检测(four-)和简单的两探针检测结果来简略恐怕。在两探针检测中,检测电压造成同时跨越探针和接触的势降欧姆接触,因而这种器件的阻值与真是元间的阻值是串联而不可分离的。在四探针检测中,一对探针用於注入检测电压同时另一对并联的探针用於检测跨越元件的势降。在四探针情形下,没有通过电压检测探针的势降从而接触内阻降并不包括其中。从两极法和四极法推论的阻值差值是对接触内阻合理确切的检测假定探针内阻足够小而忽视不计。特点接触内阻可以通过除以接触面积来得到。
随著集成电路制备过程的发展,远更复杂的接触内阻检测被使用,最流行的方式即为传输线检测。传输线检测的基本思路是描画类似接触之间同宽不同厚度的丝状内阻值。结果曲线的斜率是球状薄膜内阻率()的函数而截距即为接触电组()。
制备
欧姆接触制备是材料工程里研究很充分而不太有未知剩余的部份。可重复且可靠的接触制备须要极其洁净的半导体表面。诸如,由于天然氧化物会迅速在硅表面产生,接触的性能会非常敏感地取决于制备打算的细节。
接触制备的基础步骤是半导体表面清洁、接触金属沉积、图案制造和固溶。表面清洁可以通过溅射刻蚀、化学刻蚀、反应二氧化碳刻蚀或则离子碾磨。例如说,硅的天然氧化物可以通过蘸苯酚(HF)来消除,而钙钛矿(GaAs)则更具代表性的通过蘸氟化乙醇来清洁。清洁之后金属通过溅射、蒸发沉积或则物理液相沉积(CVD)沉积出来。溅射是金属沉积中比蒸发沉积更快且更便捷方式并且等离子带来的离子轰击可能会降低表面态或则甚至颠倒表面电荷自旋的类型。正由于此更为平和且仍然快速的CVD是愈发为人所倾向的方式。接触的纹样制造是通过标准平版拍照术来完成的,例如龟裂中接触金属是通过沉积于光刻胶层凹坑之中并稍后取出光刻胶来完成的。沉积后接触的固溶能有效消除张力并引起有利的金属和半导体之间的反应。
存在问题
而在具体制做M-S欧姆接触时,为了使接触良好,以减少接触内阻,常常在金属与半导体接触以后还须要进行固溶处理,这都会带来若干问题。对于用得较多的金属电极材料Al,当把Al-Si接触系统置于
气中加热到475oC时,几分钟后Al即可穿过其表面上很薄的自然氧化层而抵达Si表面,并与Si互相扩散、很好地熔合成一体,才能得到挺好的欧姆接触;并且,假如采用Al在浅n-p结或浅p-n结上来制做欧姆接触的话,那就容易形成很大的弊端——出现毛刺,这会使p-n结发生穿通或漏电(这是因为在接触面上Al、Si原子的不均匀互相扩散所致);解决此问题的一个办法就是在金属Al中加入少量的Si,以抑制在固溶时出现毛刺。
在现代IC工艺中,Al不能完全满足要求。由于在IC工艺中,当欧姆接触产生以后还须要实施500oC以上的其它工艺步骤,而Al-Si接触系统承受不了如此高湿度的处理,则无法满足热稳定性的要求。所以,在IC中常常改用难熔金属(Mo、Ta、Ti、W)的硅化物来制做欧姆接触,这样可以获得很高的气温稳定性。除了这么,但是这些硅化物还能否改善欧姆接触的性能。比如,对于使用最为广泛的金属硅化物
,因为在把Si上的Ti膜经热处理而产生
的过程中,即将消耗掉半导体表面上的一薄层Si,因而也就相应地除去了Si片表面上的缺陷和一些浸蚀,所以才能获得干净、平整、性能良好的欧姆接触。为此,难熔金属的硅化物是一种较好的欧姆接触金属材料。改进举措
不仅采用高参杂和引入复合中心这种举措来实现欧姆接触以外,采用窄带隙半导体构成的缓变异质结,也可以实现对宽带隙半导体的欧姆接触。例如借助MBE技术制做的n-InAs/n-GaAs或则n-Ge/n-GaAs异质结,就是挺好的欧姆接触。
Si和GaAs元件及其IC的欧姆接触技术早已比较成熟,而且对于在p型Ⅲ-Ⅴ族半导体上的欧姆接触还不太容易做好,由于在固溶时或在空气中时,p型Ⅲ-Ⅴ族半导体(如p-)的表面要比n型的表面更容易氧化。据悉,对于许多宽带隙半导体(如
、
、
、
)的欧姆接触,在技术上尚很不成熟,其缘由是这些半导体的自补偿作用(即大量的晶体本征缺陷对于道友杂质或则对于受主杂质的自发补偿作用)很严重,它们是所谓单极半导体欧姆接触,从外边掺入再多的杂质也未能改变其阻值率,更无法改变其机型,所以想要借助高参杂来获得欧姆接触是很困难的;这儿一种可行的办法就是加上一进深参杂(机型相同)的窄带隙半导体、构成一个异质结来实现欧姆接触。重要性
接触内阻相关联的RC时间常数会限制元件的频度响应。引线阻值的充电与放电高时钟速度的数字电子设备能量耗散的主要诱因。接触内阻在特别见半导体制成的低频和模拟电路中通过焦耳热的方式造成能量耗散(例如太阳能电板)。金属接触制备方式的完善是任何新兴半导体科技发展的重要部份。金属接触的电迁移与分离成层也是电子元件寿命的限制诱因之一。