Способ создания омических контактов в тонкопленочных устройствах на аморфных гидрогенизированных полупроводниках

 

Использование: в электронной технике и микроэлектронике для формирования омических контактов в тонкопленочных полевых транзисторах, элементах памяти, солнечных элементах на барьере типа Шоттки и др. на основе аморфного гидрогенизированного кремния, далее а-Si:Н, или других гидрогенизированных неупорядоченных полупроводников. Сущность изобретения: при создании омического контакта из техпроцесса изготовления тонкопленочного устройства на гидрогенизированных аморфных полупроводниках исключаются операции легирования пленки под контакт с применением токсичных и взрывоопасных газов фосфин и диборан, которые заменяются операцией отжига пленки перед нанесением слоя маскирующего диэлектрика и металлических электродов. Операцию отжига пленки полупроводника проводят при температуре эффузии водорода с поверхности пленки в пределах от 20 до 30 минут. Техническим результатом изобретения является уменьшение токсичности и взрывоопасности технологического процесса создания омических контактов, а также упрощение процесса. 2 ил.

Изобретение относится к области электронной техники, микроэлектроники и может быть использовано для формирования поверхностных омических контактов в тонкопленочных полевых транзисторах, элементах памяти, солнечных элементах на барьере типа Шоттки и др. на основе аморфного гидрогенизированного кремния (далее а-Si:H) или других гидрогенизированных неупорядоченных полупроводников.

Известен способ создания омического контакта к полупроводниковому соединению GaAs, который заключается в создании на GaAs подложке слоя n⁺-типа, на который с помощью молекулярно-лучевого эпитаксиального наращивания формируют контакт. Затем GaAs подложку подвергают термообработке и помещают в сверхвысокий вакуум, где обрабатывают молекулярным пучком из газового источника, состоящего из атомов Si и As. В результате на поверхности GaAs n⁺-слоя образуется слой SiAs, с помощью вакуумного напыления наносят многослойную структуру Ti-Pt-Au. Таким образом, на границе слоя Si-As и слоя Ti-Pt-Au образуется омический контакт [1].

Существует также способ формирования контакта к переходу "металл-полупроводник", заключающийся в том, что на поверхности подложки из полупроводникового соединения формируют слой титана, толщиной 10-150 ангстрем, а над ним слой химического соединения или сплава титана, во время или после формирования которого проводят термообработку в течение времени, необходимого для протекания реакции между полупроводником подложки и слоем титана и формирования контактного сплава титана с полупроводником [2].

Наиболее близким по технической сущности и реализации к заявляемому способу является способ создания омического контакта к слоям a-Si:H путем дополнительного легирования из газовой фазы, содержащий газ фосфин (РН₃) для создания n⁺-подслоя или диборан (В₂Н₆) - для р⁺-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 [3, 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, т.к. 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_F в пределах ±0,4 эВ. В халькогенидных стеклообразных полупроводниках и "чистом", непассивированном водородом или другими элементами аморфном кремнии изменять положение Е_F, внося легирующие добавки, практически не удается [3]. 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; бороводороды: диборан - неприятно пахнущий газ, высокая теплота сгорания, ядовит [6]).

Задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении токсичности и взрывоопасности технологического процесса создания поверхностных омических контактов, а также в его упрощении.

Указанная задача решается вводом в технологический процесс создания тонкопленочных устройств на a-Si:H (и других аморфных гидрогенизированных полупроводниках), после осаждения пленки полупроводника на подложку вместо дополнительного легирования пленки под омический контакт с использованием токсичных и взрывоопасных газов фосфин или диборан вводится дополнительная технологическая операция отжига пленки аморфного полупроводника в течение 20...30 минут при температуре эффузии водорода с поверхности пленки, с последующим формированием маскирующего диэлектрического слоя фотолитографией для вскрытия окон в диэлектрическом слое и напылением металлических электродов с последующей фотолитографией по металлу.

Данный способ базируется на следующих известных фактах. При температуре 350-450°С с поверхности пленки a-Si:H, представляющей собой аморфный сплав кремния с водородом при содержании водорода порядка 10% происходит эффузия (испарение) водорода, в результате чего в приповерхностном слое концентрация водорода резко снижается [4, стр.41]. Это приводит к увеличению плотности состояний, локализованных в щели подвижности (запрещенной зоне) аморфного полупроводника вблизи уровня Ферми [5, стр.24]. Расчет распределения потенциала в области пространственного заряда (ОПЗ) по координате в этом случае проводится согласно уравнению

где ϕ(х) - распределение потенциала от поверхности вглубь пленки по координате х, В;

е - заряд электрона, Кл;

L - ширина ОПЗ, м;

χ - параметр, обратный длине экранирования заряда в пленке a-Si:H, м^-1;

β₁ - величина, обратная характеристической энергии или тангенс угла наклона аппроксимирующей функцию плотности состояний прямой, эВ^-1.

Ширина ОПЗ L при отсутствии внешнего поля определяется выражением

где ϕ₀ - потенциал в пленке a-Si:H на границе раздела металл - полупроводник.

Параметр β₁ зависит от плотности состояний вблизи уровня Ферми и, с увеличением последней, β₁ уменьшается. Согласно (2) это приводит к уменьшению ширины ОПЗ L. В этом случае потенциал, определяемый из формулы (1), 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)~10¹⁸ см^-3 эВ^-1 ширина ОПЗ L~10^-7 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.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ позволяет избавиться от трудоемких, дорогостоящих, токсичных и взрывоопасных технологических операций легирования пленки a-Si:H для создания поверхностного омического контакта, что отличает его от прототипа. Кроме того, заявляемый способ позволяет формировать тонкопленочные структуры приборов на a-Si:H (если это не p-i-n диод) в однокамерной установке, что упрощает и удешевляет технологический процесс изготовления тонкопленочных приборов. В противном случае необходимо было бы использовать 2-х или 3-х камерную вакуумную установку.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна", т.к. в известных источниках не обнаружена предложенная технология создания омического контакта к аморфным гидрогенизированным 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. представлено распределение плотности энергетических состояний g(E) в щели подвижности для сплава аморфного кремния с водородом a-Si:H (2) и для "чистого" аморфного кремния (1) [8]. Очевидно, что у a-Si плотность состояний на уровне Ферми Е_F больше, чем для a-Si:H. Если концентрация водорода будет изменяться от 10 ат % до 0, то зависимости g(E) будут находится между зависимостями 1 и 2, представленными на фиг.1. Показаны также аппроксимирующие функции 3 и 4 вида

где B₁=g(E_v) - плотность состояний при экстраполяции функции g₁(E) на уровне Е_v, эВ^-1 м^-3;

E_g - ширина щели подвижности, E_g=Е_c-Е_v, эВ;

Е_v, Е_c -"потолок" зоны валентных состояний и "дно" зоны проводимости.

На фиг.2. представлена энергетическая диаграмма контакта металл - аморфный полупроводник для различной плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми, связанной с различной концентрацией водорода у поверхности пленки a-Si:H.

Очевидно, что с ростом g(E_F) или с уменьшением степени гидрогенизации - содержания водорода в сплаве a-Si:H, - происходит уменьшение ширины ОПЗ L>L₁>L₂ и изменение хода зависимости ϕ(х), в результате чего эффективная высота барьера ϕ_B уменьшается ϕ_B>ϕ_B1>ϕ_B2 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_B 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 гидрогенизированных аморфных полупроводниках операций легирования пленки под контакт с применением токсичных и взрывоопасных газов фосфин и диборан, и замена их операцией отжига пленки перед нанесением слоя маскирующего диэлектрика и металлических электродов. Отжиг проводится в рабочей камере при температуре 350-450°С в течение 20-30 мин. Для создания пленки a-Si:H возможно применение метода разложения силановой смеси в тлеющем разряде. Температура подложки при напылении a-Si:H - 250°С, давление в рабочей камере 50 Па, мощность разряда 0,2...0,3 Вт/см², содержание водорода в силановой смеси 90%.

Заявляемое техническое решение позволяет, кроме того, в случае, если нет необходимости формирования n- или p-типа слоев, проводить технологический процесс в однокамерной установке, в качестве которой можно использовать, например, модифицированную установку УВП-4.

Таким образом, заявляемое техническое решение имеет экспериментальное обоснование и позволит уменьшить токсичность и взрывоопасность технологического процесса изготовления тонкопленочных приборов на а-Si:H и других гидрогенизированных аморфных полупроводниковых соединений путем исключения из техпроцесса операций легирования из газовой фазы пленки аморфного гидрогенизированного полупроводника под омический контакт и упростит тем самым техпроцесс, создавая возможность уменьшения количества трудоемких операций и выбора технологического оборудования отечественного производства. Данный способ предлагается для реализации предприятиям и организациям, занимающимся разработкой и выпуском приборов на a-Si:H.

Источники информации

1. Способ создания омического контакта (патент Японии.//ВНИИПИ 129-03-90, с. 45).

2. Способ создания контакта к переходу "металл - полупроводник" (патент Японии//ВНИИПИ 129-09-90, с. 84).

3. 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.

4. Найтс Дж. Структурная и химическая характеризация. (в кн. Физика гидрогенизированного аморфного кремния//Под ред. Дж.Джоунопулоса, Дж.Люковски, вып.1, М.: Мир, 1987, 368 с.

5. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. Пер. с англ. М.: Мир, 1991, 670 с.

6. Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1985, с. 160, 1420.

7. Ильченко В.В. Стриха В.И. ВАХ контакта металл - аморфный кремний для экспоненциального распределения плотности локализованных состояний//ФТП, 1984, т. 18, вып.5, с.873-876.

8. П.Ле-Комбер, У.Спир Легированные аморфные полупроводники//в кн. Аморфные полупроводники//Под ред. М. Бродски, М.: Мир, 1982, с.313.

Формула изобретения

Способ создания поверхностных 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, отличающийся тем, что непосредственно перед формированием маскирующего диэлектрического слоя производят операцию отжига пленки полупроводника при температуре эффузии водорода с поверхности пленки в пределах от 20 до 30 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2