硕士学位论文中期报告(崔虹云)

1、哈尔滨工业大学硕士学位论文中期报告姓 名 崔虹云 学 号 07SG21901 院 （系） 航天学院 学 科 微电子科学与技术系 导 师 刘晓为 论 文 题 目多晶硅纳米膜欧姆接触特性的研究 中期报告日期 2009年4月1日 检查组长签字 研究生院培养处制1论文工作是否按开题报告预定的内容及进度安排进行是按开题报告预定的内容及进度安排进行的。2目前已完成的研究工作及结果2.1欧姆接触的设计测试分析2.1.1欧姆接触的能带分析 设想有一块金属和p型半导体，它们具有相同的真空静止电子能级E0，并假定金属功函数大于半导体功函数，即Wm>Ws。当金属与半导体接触时，由于电子将从费米能级(EF)s较

2、高的半导体流向费米能级较低的金属，使半导体表面形成正空间电荷区。其中电场方向由半导体体内指向表面，表面势Vs<0，使半导体表面的能量高于体内，能带向上弯曲，形成一个势垒。在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子的浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。金属一边的电子势垒高度取决于金属的功函数Wm和半导体的电子亲和能之差。如图1所示 图1 理想p型半导体-金属欧姆接触能带图由肖特基-莫特定律，给出理想金-半接触的势垒高度： (1)可以得出对于理想的p型半导体，形成良好的欧姆接触需要高功函数的金属与之匹配，并且可以控制势垒高度。但是，实际上，半导体材料表面一般都具有很高

3、的表面态，特别是多晶材料。当半导体与金属接触时，这些表面态（界面态）就在界面禁带中引入了表面能级。高的表面态密度可以钉扎费米能级，使势垒高度不受金属功函数控制。因此，制备高表面态密度半导体的欧姆接触，必须克服表面态的费米钉扎问题，尽量减少表面态密度。2.1.2多层金属设计欧姆接触的形成是一个复杂的过程, 涉及到各种各样的固态反应，单一金属形成的欧姆接触很难保证各方面性能的综合提高，例如低接触电阻率、低金属方块电阻、高热稳定性、抗氧化腐蚀等。多层欧姆接触结构是指在半导体表面淀积3层或3层以上金属结构，通过适当的工艺处理得到所需的欧姆接触特性。一般分为势垒层、覆盖层、扩散阻挡层、帽层。 下面给出一

4、些金属材料的特性：钛（Ti） 金属Ti具难熔性，更高的化学活性，功函数低的优点。可以和Si形成良好的化合键，在三明治接触结构中通常被用作阻挡层金属。Ti与Si在退火作用下，可以生成TiSi2化合物。TiSi2具有较低的电阻率和较高的热稳定性，已经得到了广泛关注。Ti金属与其他金属的合金也常被用来制备欧姆接触。其中，TiAl3合金可以降低势垒高度。TiW合金具有较高的热稳定性以及高温下不会发生相变的优点，合适用于欧姆接触。 铝（Al） 金属Al及其合金已经被广泛应用于半导体材料的欧姆接触中。其电阻率低、淀积工艺简单、制造成本低，与Si及其氧化物的黏附性很好，并且可以与Si表面的天然氧化薄层反应，

5、因此可以形成良好的欧姆接触。然而，Al-Si体系的热力学特性，使Al作为单一合金化金属存在许多问题。研究表明，后期合金化退火处理会导致Si固相分散到接触层上的Al层中，使Al中的Si固溶度饱和，并在热处理后的冷却过程中发生Si的界面再结晶，产生深熔失效（spiking failure）现象。这一现象会增大Al/Si界面的势垒高度和接触电阻。因此，Al一般要与其他难溶金属相结合，应用到欧姆接触体系中。镍（Ni） 金属Ni 具有较高的功函数（约5.15eV），常被用作Si材料的接触金属。在高温退火后，Ni可以与Si发生反应，生成NiSi、NiSi2等富Si硅化物。这些硅化物对欧姆接触的形成具有重要

6、作用。因此，一些研究中，将Si薄膜预淀积到非硅半导体材料表面，再淀积Ni层，经高温退火生成Ni的硅化物，实现欧姆接触。Ni在有氧气存在气氛中高温退火时，会被氧化，从而使接触电阻增大，所以Ni很少单独作为接触金属使用。金（Au）金属Au凭借其低电阻率、高化学稳定性等优点，常被用来降低金属层方块电阻，防止接触表面氧化。但是，由于Au在半导体材料中的扩散作用很强，会在半导体的禁带中引入深陷阱能级，从而严重影响半导体器件的性能，因此，一般都要在半导体和Au之间添加一层阻挡层金属来抑制Au向半导体衬底的扩散。并且，Au基本不单独用作接触金属材料。铂（Pt）金属Pt是功函数最高的金属之一（功函数约为5.6

7、5eV）。其具有电阻率低、化学及热稳定性高等优点。Pt在p型和n型Si中都可以得到低电阻欧姆接触（<1×10-7 cm2）。研究表明，Pt在Pt/p-Si接触结构中可以使势垒高度降低0.25eV；在n-Si中，高温退火可以生成PtSi硅化物，并使n型杂质在接触界面发生堆叠。Pt和Si发生反应的退火温度一般为600。此外，Pt与其他金属的金属间化合物也可以降低接触电阻率。Pt通常在接触合金化中也用作Au的扩散阻挡层，如Ti/Pt/Au和Pd/Pt/Au。钴（Co） Co也是一种具有较高功函数、高热稳定性的接触金属材料。高温退火后，Co基金属接触的硅化物具有更好的结构稳定性。在所有

8、的硅化物中，TiSi2和CoSi2在室温下具有最低的电阻率，单晶薄膜分别为13µ和14.5µ。CoSi2更少与掺入杂质和SiO2发生反应，并且可以抵抗大多数的等离子体加工工艺。CoSi2的薄膜应力水平也较低，因此具有较好的应用前景。通过上述对金属材料接触特性的分析可以看出，用于欧姆接触的金属元素在元素周期表中多为过渡金属元素。这些金属元素的功函数与其原子外层电子排布呈对应关系，即金属功函数随原子序数呈现周期变化。图2为金属的功函数。2.1.3接触电阻率的测量按照材料的厚度，测量方法一般分为2种。一种为体材料上的接触电阻率测量，包括曲线拟合法、两直径法、四探针法、回归分析法等

9、；另一种是薄膜材料的接触电阻率的测量。现在关于薄膜接触电阻率的测量方法一般都是采用传输线模型图2 常用接触金属的功函数（transmission line model，TLM）, 即在通过一恒定电流的情况下, 通过测量各接触点之间电压求出各自的电阻, 然后按照相应模型, 通过合理的近似和假设, 从电阻中扣除各种寄生电阻, 最后求得接触电阻率。而传输线模型法一般包括线性传输线模型法（linear transmission line model，LTLM）、圆点传输线模型法（circular dot transmission line model，CDTLM）和圆环传输线模型法（circular

10、ring transmission line model，CRTLM）等。2.1.3.1线性传输线模型法（LTLM）该模型最早由Schockley 引入, 后由Berger作了进一步改进。在一个宽度为W的长方形样品上制作多个（一般为6个）不等距（距离为dn）宽度为W、长度为L的长方形金属化接触电极(与台面边缘间隔为) 见图3。图3 线性传输线模型（LTLM）通常情况下L 远大于LT (2)理论上Rtot-dn曲线为一条直线, 因此可用作图法求得接触电阻率。根据实验数据用拟合法作出Rtot-dn 曲线, 如图4所示。直线的斜率就是Rsh/W, 直线与横坐标的截距是2LT, 与纵坐标的截距是2(c

11、Rsh)1/2/W，即2Rc。最后再代入公式c = (RC2·W2)/Rsh得到c。图4 线性传输线模型的测试曲线2.1.3.2圆点传输线模型法（CDTLM） Marlow等人提出用圆形电极代替长方形电极的圆点传输线模型, 如图5所示。测量时在圆环两边通恒定电流I , 通过测量电压V，测得相应的电阻Rtot。Maboudian等人又采用了四端法测量I-V特性，如图5所示。比起传统的两端法，这种方法可以消除来自探针/金属接触和测试设备的寄生电阻。根据CTLM，测得总电阻可以模型化为： (3)图5 圆点传输线模型（CDTLM）式中，r0、rn分别为内圆和外圆的半径，LT为传输长度。由于r

12、n-r0很小，可近似认为rn= r0 ,因此理论上Rtot-ln(rn/r0)曲线是一直线。由实验数据可从直线拟合中得到Rsh和LT，再由c =Rsh·LT2求得c。2.1.3.3圆环传输线模型法（CRTLM）基本模型如图6所示。实验中要测量中心圆盘和内圆环间的电阻R1、两个圆环间的电阻R2和端电阻RE。其中，端电阻RE定义为中间接触圆环的输出电流为零时，其输出电压与输入电流的比值，可表示为： 或 (4)图6 圆环传输线模型（CRTLM）2.1.3.4三种传输线模型的比较分析 从制备工艺上看，LTLM法必须要经过台面刻蚀，较为复杂。由于套刻精度和刻蚀工艺的限制,台面与欧姆接触之间必须

13、留有余量，因而引入寄生电阻，造成了测量误差。即使在这个微小间隙确定的情况下，也会因为操作人员的光刻工艺的水平以及其干法刻蚀工艺的条件的不同，产生不同的测量误差，即“人员误差”很大。这就影响了比接触电阻率测量的可靠性。而圆形传输线模型法既不需要圆形与衬底的隔离，也不需要台面刻蚀，所以制备接触的过程最简单，受工艺的影响也比较小。从测试结构上看，LTLM法最直观，容易理解，经端电阻修正，精度也在可接受的范围。经过一些改善，效果也会得到较大的提高。圆形传输线模型法虽然做法精巧，但计算复杂，特别是CRTLM法计算公式相当复杂，而且需要计算机模拟，不便形象理解。从精度上看，LTLM法受工艺的影响误差较大，

14、结果往往偏低；CRTLM方法多次测得的欧姆接触的比接触电阻率差别很大。其误差主要来源于端电阻RE的测量。端电阻RE比较小, 约为100 量级，它在数值上等于(R1+R2-R3)/2；而R1、R2和R3数值上都较大，当R1+R2和R3在数值上非常接近时，两个相近的大数相减必然会引入较大的测量误差。也就是说，R1、R2和R3本身的绝对测量误差达到了可以和RE相比拟的地步，因此造成了RE测量值的不准确，使得测量误差表现出很大的随机性。而CDTLM则可重复性相当好，几乎没有什么变化，所以精度最高。在欧姆接触制作过程中采用的光刻胶掩膜，会受到曝光光束衍射和显影时过度显影的影响，使光刻胶掩膜比设计尺寸小，

15、因此欧姆接触的实际尺寸比设计值大，导致比接触电阻率测量值偏小。这是因为这个工艺误差导致测量曲线向右移动，使得比接触电阻率的测量值大大偏小。在曲线偏移量不变的情况下,随着欧姆接触的比接触电阻率的进一步降低，由欧姆接触尺寸引入的相对误差还会进一步增大,造成测量结果越来越不准确。在CDTLM中，曲线的纵坐标采用的是ln(rn/ro)的形式，它引起的曲线相对偏移量较小。在CRTLM方法中,计算时公式中要多次引用各圆环半径r的值，这里每一个r都有误差,经过多次计算后,综合起来就会产生很大的误差。因此在CDTLM中的测量结果受欧姆接触尺寸变动的影响相对于LTLM和CRTLM要小得多。LTLM中电流在边界处

16、有扩展效应，电流路径的实际宽度会大于欧姆接触的宽度，导致测量结果偏小。CDTLM方法重复性好。而CRTLM方法由于端电阻测量的重复性差。因此，CDTLM方法除了具有较好的可操作性和重复性之外，也更真实地反映了实际的比接触电阻率的大小。2.2工艺及实验2.2.1工艺获得好的欧姆接触的方法是重掺杂，它可使势垒变薄，而增大隧道电流。金属和半导体接触时，若半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也就通过隧道效应贯穿势垒，产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻就会很小，可用来作欧姆接触。事实上，许多情况下，退火也是形成稳定势垒高度和低

17、漏电流的好办法，同时它也是形成欧姆接触的最好方法，但不容易确定形成的是欧姆接触，还是肖特基整流接触。半导体表面的处理，高密度的表面态还会钉扎费米能级，屏蔽金属功函数对势垒高度的控制。因此，为了降低势垒高度，减轻或消除表面态对欧姆接触特性的影响，必须在淀积金属电极前对半导体进行表面处理。天然氧化层的存在，也会使势垒高度增加，增大接触电阻率。因此，表面处理工艺还应包括去除表面天然氧化层的步骤。热退火对接触系统的处理，多晶硅薄膜的表面层与晶界层相似，也存在着大量的缺陷和悬挂键，从而在薄膜表面附近产生表面态。当薄膜尺寸很小时，表面态对其性能及相应器件稳定性的影响将变得非常显著。因此，必须对薄膜材料表面

18、进行钝化处理，使其表面的悬挂键与其他原子形成牢固的化学键，降低薄膜表面活性，从而提高器件的稳定性。包括溶液钝化法、离子钝化法、薄膜钝化法。2.2.1淀积工艺流程图 2.2.2实验2.2.2.1二氧化硅的氢氟酸腐蚀数据 压力传感器芯片2号低掺杂浓度2.32*，HF腐蚀液含量1：10 样片号腐蚀时间腐蚀初始温度()对角电阻(K)结束温度()55 min483.863066 min 30 s403075 min471.363084 min481.563193 min 追加30 s48483131103 min 30 s501.5338115 min 30 s504.0840126 min504013

19、4 min 30 s504741144 min 30 s484.0839154 min 30 s4839通过数据的显示得到时间在3 min 30 s-5 min 30 s腐蚀的效果较好，时间大约在4 min 30 s。由于13、14、15号样片是处于芯片的边缘位置所以电阻效果不是很好。2.2.2.2二氧化硅的HNA腐蚀数据 醋酸1：硝酸4：氢氟酸1，时间在2-3秒，温度在30，过腐蚀，电阻无穷。2.2.2.3加缓冲剂的氢氟酸腐蚀数据 氢氟酸3ml：氟化氨6mg：水10ml 通过数据得到时间在2分钟，温度在35，对角电阻在1.63K。 氟化氨起到了缓冲的作用，降低了腐蚀时间。2.2.2.3版图设计通过理论分析采用TLM 和DTLM模型。版图如下：12其中：r0=400µm ，r1=430