碩士學(xué)位論文中期報(bào)告(崔虹云)

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文中期報(bào)告姓 名 崔虹云 學(xué) 號 07SG21901 院 （系） 航天學(xué)院 學(xué) 科 微電子科學(xué)與技術(shù)系 導(dǎo) 師 劉曉為 論 文 題 目多晶硅納米膜歐姆接觸特性的研究 中期報(bào)告日期 2009年4月1日 檢查組長簽字 研究生院培養(yǎng)處制- 1 -1論文工作是否按開題報(bào)告預(yù)定的內(nèi)容及進(jìn)度安排進(jìn)行是按開題報(bào)告預(yù)定的內(nèi)容及進(jìn)度安排進(jìn)行的。2目前已完成的研究工作及結(jié)果2.1歐姆接觸的設(shè)計(jì)測試分析2.1.1歐姆接觸的能帶分析 設(shè)想有一塊金屬和p型半導(dǎo)體，它們具有相同的真空靜止電子能級E0，并假定金屬功函數(shù)大于半導(dǎo)體功函數(shù)，即Wm>Ws。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸時，由于電子將從費(fèi)米能級(

2、EF)s較高的半導(dǎo)體流向費(fèi)米能級較低的金屬，使半導(dǎo)體表面形成正空間電荷區(qū)。其中電場方向由半導(dǎo)體體內(nèi)指向表面，表面勢Vs<0，使半導(dǎo)體表面的能量高于體內(nèi)，能帶向上彎曲，形成一個勢壘。在勢壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子的濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，常稱為阻擋層。金屬一邊的電子勢壘高度取決于金屬的功函數(shù)Wm和半導(dǎo)體的電子親和能之差。如圖1所示 圖1 理想p型半導(dǎo)體-金屬歐姆接觸能帶圖由肖特基-莫特定律，給出理想金-半接觸的勢壘高度： (1)可以得出對于理想的p型半導(dǎo)體，形成良好的歐姆接觸需要高功函數(shù)的金屬與之匹配，并且可以控制勢壘高度。但是，實(shí)際上，半導(dǎo)體材料表面一般

3、都具有很高的表面態(tài)，特別是多晶材料。當(dāng)半導(dǎo)體與金屬接觸時，這些表面態(tài)（界面態(tài)）就在界面禁帶中引入了表面能級。高的表面態(tài)密度可以釘扎費(fèi)米能級，使勢壘高度不受金屬功函數(shù)控制。因此，制備高表面態(tài)密度半導(dǎo)體的歐姆接觸，必須克服表面態(tài)的費(fèi)米釘扎問題，盡量減少表面態(tài)密度。2.1.2多層金屬設(shè)計(jì)歐姆接觸的形成是一個復(fù)雜的過程, 涉及到各種各樣的固態(tài)反應(yīng)，單一金屬形成的歐姆接觸很難保證各方面性能的綜合提高，例如低接觸電阻率、低金屬方塊電阻、高熱穩(wěn)定性、抗氧化腐蝕等。多層歐姆接觸結(jié)構(gòu)是指在半導(dǎo)體表面淀積3層或3層以上金屬結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)?shù)墓に囂幚淼玫剿璧臍W姆接觸特性。一般分為勢壘層、覆蓋層、擴(kuò)散阻擋層、帽層。

4、下面給出一些金屬材料的特性：鈦（Ti） 金屬Ti具難熔性，更高的化學(xué)活性，功函數(shù)低的優(yōu)點(diǎn)。可以和Si形成良好的化合鍵，在三明治接觸結(jié)構(gòu)中通常被用作阻擋層金屬。Ti與Si在退火作用下，可以生成TiSi2化合物。TiSi2具有較低的電阻率和較高的熱穩(wěn)定性，已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。Ti金屬與其他金屬的合金也常被用來制備歐姆接觸。其中，TiAl3合金可以降低勢壘高度。TiW合金具有較高的熱穩(wěn)定性以及高溫下不會發(fā)生相變的優(yōu)點(diǎn)，合適用于歐姆接觸。 鋁（Al） 金屬Al及其合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的歐姆接觸中。其電阻率低、淀積工藝簡單、制造成本低，與Si及其氧化物的黏附性很好，并且可以與Si表面的天然氧化

5、薄層反應(yīng)，因此可以形成良好的歐姆接觸。然而，Al-Si體系的熱力學(xué)特性，使Al作為單一合金化金屬存在許多問題。研究表明，后期合金化退火處理會導(dǎo)致Si固相分散到接觸層上的Al層中，使Al中的Si固溶度飽和，并在熱處理后的冷卻過程中發(fā)生Si的界面再結(jié)晶，產(chǎn)生深熔失效（spiking failure）現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會增大Al/Si界面的勢壘高度和接觸電阻。因此，Al一般要與其他難溶金屬相結(jié)合，應(yīng)用到歐姆接觸體系中。鎳（Ni） 金屬Ni 具有較高的功函數(shù)（約5.15eV），常被用作Si材料的接觸金屬。在高溫退火后，Ni可以與Si發(fā)生反應(yīng)，生成NiSi、NiSi2等富Si硅化物。這些硅化物對歐姆接觸的形

6、成具有重要作用。因此，一些研究中，將Si薄膜預(yù)淀積到非硅半導(dǎo)體材料表面，再淀積Ni層，經(jīng)高溫退火生成Ni的硅化物，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。Ni在有氧氣存在氣氛中高溫退火時，會被氧化，從而使接觸電阻增大，所以Ni很少單獨(dú)作為接觸金屬使用。金（Au）金屬Au憑借其低電阻率、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，常被用來降低金屬層方塊電阻，防止接觸表面氧化。但是，由于Au在半導(dǎo)體材料中的擴(kuò)散作用很強(qiáng)，會在半導(dǎo)體的禁帶中引入深陷阱能級，從而嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的性能，因此，一般都要在半導(dǎo)體和Au之間添加一層阻擋層金屬來抑制Au向半導(dǎo)體襯底的擴(kuò)散。并且，Au基本不單獨(dú)用作接觸金屬材料。鉑（Pt）金屬Pt是功函數(shù)最高的金屬之一（功函數(shù)

7、約為5.65eV）。其具有電阻率低、化學(xué)及熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。Pt在p型和n型Si中都可以得到低電阻歐姆接觸（<1×10-7 cm2）。研究表明，Pt在Pt/p-Si接觸結(jié)構(gòu)中可以使勢壘高度降低0.25eV；在n-Si中，高溫退火可以生成PtSi硅化物，并使n型雜質(zhì)在接觸界面發(fā)生堆疊。Pt和Si發(fā)生反應(yīng)的退火溫度一般為600。此外，Pt與其他金屬的金屬間化合物也可以降低接觸電阻率。Pt通常在接觸合金化中也用作Au的擴(kuò)散阻擋層，如Ti/Pt/Au和Pd/Pt/Au。鈷（Co） Co也是一種具有較高功函數(shù)、高熱穩(wěn)定性的接觸金屬材料。高溫退火后，Co基金屬接觸的硅化物具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

8、性。在所有的硅化物中，TiSi2和CoSi2在室溫下具有最低的電阻率，單晶薄膜分別為13µ和14.5µ。CoSi2更少與摻入雜質(zhì)和SiO2發(fā)生反應(yīng)，并且可以抵抗大多數(shù)的等離子體加工工藝。CoSi2的薄膜應(yīng)力水平也較低，因此具有較好的應(yīng)用前景。通過上述對金屬材料接觸特性的分析可以看出，用于歐姆接觸的金屬元素在元素周期表中多為過渡金屬元素。這些金屬元素的功函數(shù)與其原子外層電子排布呈對應(yīng)關(guān)系，即金屬功函數(shù)隨原子序數(shù)呈現(xiàn)周期變化。圖2為金屬的功函數(shù)。2.1.3接觸電阻率的測量按照材料的厚度，測量方法一般分為2種。一種為體材料上的接觸電阻率測量，包括曲線擬合法、兩直徑法、四探針法、回

9、歸分析法等；另一種是薄膜材料的接觸電阻率的測量?，F(xiàn)在關(guān)于薄膜接觸電阻率的測量方法一般都是采用傳輸線模型圖2 常用接觸金屬的功函數(shù)（transmission line model，TLM）, 即在通過一恒定電流的情況下, 通過測量各接觸點(diǎn)之間電壓求出各自的電阻, 然后按照相應(yīng)模型, 通過合理的近似和假設(shè), 從電阻中扣除各種寄生電阻, 最后求得接觸電阻率。而傳輸線模型法一般包括線性傳輸線模型法（linear transmission line model，LTLM）、圓點(diǎn)傳輸線模型法（circular dot transmission line model，CDTLM）和圓環(huán)傳輸線模型法（circ

10、ular ring transmission line model，CRTLM）等。2.1.3.1線性傳輸線模型法（LTLM）該模型最早由Schockley 引入, 后由Berger作了進(jìn)一步改進(jìn)。在一個寬度為W的長方形樣品上制作多個（一般為6個）不等距（距離為dn）寬度為W、長度為L的長方形金屬化接觸電極(與臺面邊緣間隔為) 見圖3。圖3 線性傳輸線模型（LTLM）通常情況下L 遠(yuǎn)大于LT (2)理論上Rtot-dn曲線為一條直線, 因此可用作圖法求得接觸電阻率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用擬合法作出Rtot-dn 曲線, 如圖4所示。直線的斜率就是Rsh/W, 直線與橫坐標(biāo)的截距是2LT, 與縱坐標(biāo)的截

11、距是2(cRsh)1/2/W，即2Rc。最后再代入公式c = (RC2·W2)/Rsh得到c。圖4 線性傳輸線模型的測試曲線2.1.3.2圓點(diǎn)傳輸線模型法（CDTLM） Marlow等人提出用圓形電極代替長方形電極的圓點(diǎn)傳輸線模型, 如圖5所示。測量時在圓環(huán)兩邊通恒定電流I , 通過測量電壓V，測得相應(yīng)的電阻Rtot。Maboudian等人又采用了四端法測量I-V特性，如圖5所示。比起傳統(tǒng)的兩端法，這種方法可以消除來自探針/金屬接觸和測試設(shè)備的寄生電阻。根據(jù)CTLM，測得總電阻可以模型化為： (3)圖5 圓點(diǎn)傳輸線模型（CDTLM）式中，r0、rn分別為內(nèi)圓和外圓的半徑，LT為傳輸長

12、度。由于rn-r0很小，可近似認(rèn)為rn= r0 ,因此理論上Rtot-ln(rn/r0)曲線是一直線。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可從直線擬合中得到Rsh和LT，再由c =Rsh·LT2求得c。2.1.3.3圓環(huán)傳輸線模型法（CRTLM）基本模型如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中要測量中心圓盤和內(nèi)圓環(huán)間的電阻R1、兩個圓環(huán)間的電阻R2和端電阻RE。其中，端電阻RE定義為中間接觸圓環(huán)的輸出電流為零時，其輸出電壓與輸入電流的比值，可表示為： 或 (4)圖6 圓環(huán)傳輸線模型（CRTLM）2.1.3.4三種傳輸線模型的比較分析 從制備工藝上看，LTLM法必須要經(jīng)過臺面刻蝕，較為復(fù)雜。由于套刻精度和刻蝕工藝的限制,臺面與歐姆接

13、觸之間必須留有余量，因而引入寄生電阻，造成了測量誤差。即使在這個微小間隙確定的情況下，也會因?yàn)椴僮魅藛T的光刻工藝的水平以及其干法刻蝕工藝的條件的不同，產(chǎn)生不同的測量誤差，即“人員誤差”很大。這就影響了比接觸電阻率測量的可靠性。而圓形傳輸線模型法既不需要圓形與襯底的隔離，也不需要臺面刻蝕，所以制備接觸的過程最簡單，受工藝的影響也比較小。從測試結(jié)構(gòu)上看，LTLM法最直觀，容易理解，經(jīng)端電阻修正，精度也在可接受的范圍。經(jīng)過一些改善，效果也會得到較大的提高。圓形傳輸線模型法雖然做法精巧，但計(jì)算復(fù)雜，特別是CRTLM法計(jì)算公式相當(dāng)復(fù)雜，而且需要計(jì)算機(jī)模擬，不便形象理解。從精度上看，LTLM法受工藝的影響

14、誤差較大，結(jié)果往往偏低；CRTLM方法多次測得的歐姆接觸的比接觸電阻率差別很大。其誤差主要來源于端電阻RE的測量。端電阻RE比較小, 約為100 量級，它在數(shù)值上等于(R1+R2-R3)/2；而R1、R2和R3數(shù)值上都較大，當(dāng)R1+R2和R3在數(shù)值上非常接近時，兩個相近的大數(shù)相減必然會引入較大的測量誤差。也就是說，R1、R2和R3本身的絕對測量誤差達(dá)到了可以和RE相比擬的地步，因此造成了RE測量值的不準(zhǔn)確，使得測量誤差表現(xiàn)出很大的隨機(jī)性。而CDTLM則可重復(fù)性相當(dāng)好，幾乎沒有什么變化，所以精度最高。在歐姆接觸制作過程中采用的光刻膠掩膜，會受到曝光光束衍射和顯影時過度顯影的影響，使光刻膠掩膜比設(shè)

15、計(jì)尺寸小，因此歐姆接觸的實(shí)際尺寸比設(shè)計(jì)值大，導(dǎo)致比接觸電阻率測量值偏小。這是因?yàn)檫@個工藝誤差導(dǎo)致測量曲線向右移動，使得比接觸電阻率的測量值大大偏小。在曲線偏移量不變的情況下,隨著歐姆接觸的比接觸電阻率的進(jìn)一步降低，由歐姆接觸尺寸引入的相對誤差還會進(jìn)一步增大,造成測量結(jié)果越來越不準(zhǔn)確。在CDTLM中，曲線的縱坐標(biāo)采用的是ln(rn/ro)的形式，它引起的曲線相對偏移量較小。在CRTLM方法中,計(jì)算時公式中要多次引用各圓環(huán)半徑r的值，這里每一個r都有誤差,經(jīng)過多次計(jì)算后,綜合起來就會產(chǎn)生很大的誤差。因此在CDTLM中的測量結(jié)果受歐姆接觸尺寸變動的影響相對于LTLM和CRTLM要小得多。LTLM中電

16、流在邊界處有擴(kuò)展效應(yīng)，電流路徑的實(shí)際寬度會大于歐姆接觸的寬度，導(dǎo)致測量結(jié)果偏小。CDTLM方法重復(fù)性好。而CRTLM方法由于端電阻測量的重復(fù)性差。因此，CDTLM方法除了具有較好的可操作性和重復(fù)性之外，也更真實(shí)地反映了實(shí)際的比接觸電阻率的大小。2.2工藝及實(shí)驗(yàn)2.2.1工藝獲得好的歐姆接觸的方法是重?fù)诫s，它可使勢壘變薄，而增大隧道電流。金屬和半導(dǎo)體接觸時，若半導(dǎo)體摻雜濃度很高，則勢壘區(qū)寬度變得很薄，電子也就通過隧道效應(yīng)貫穿勢壘，產(chǎn)生相當(dāng)大的隧道電流，甚至超過熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分。當(dāng)隧道電流占主導(dǎo)地位時，它的接觸電阻就會很小，可用來作歐姆接觸。事實(shí)上，許多情況下，退火也是形成穩(wěn)定勢

17、壘高度和低漏電流的好辦法，同時它也是形成歐姆接觸的最好方法，但不容易確定形成的是歐姆接觸，還是肖特基整流接觸。半導(dǎo)體表面的處理，高密度的表面態(tài)還會釘扎費(fèi)米能級，屏蔽金屬功函數(shù)對勢壘高度的控制。因此，為了降低勢壘高度，減輕或消除表面態(tài)對歐姆接觸特性的影響，必須在淀積金屬電極前對半導(dǎo)體進(jìn)行表面處理。天然氧化層的存在，也會使勢壘高度增加，增大接觸電阻率。因此，表面處理工藝還應(yīng)包括去除表面天然氧化層的步驟。熱退火對接觸系統(tǒng)的處理，多晶硅薄膜的表面層與晶界層相似，也存在著大量的缺陷和懸掛鍵，從而在薄膜表面附近產(chǎn)生表面態(tài)。當(dāng)薄膜尺寸很小時，表面態(tài)對其性能及相應(yīng)器件穩(wěn)定性的影響將變得非常顯著。因此，必須對薄

18、膜材料表面進(jìn)行鈍化處理，使其表面的懸掛鍵與其他原子形成牢固的化學(xué)鍵，降低薄膜表面活性，從而提高器件的穩(wěn)定性。包括溶液鈍化法、離子鈍化法、薄膜鈍化法。2.2.1淀積工藝流程圖 2.2.2實(shí)驗(yàn)2.2.2.1二氧化硅的氫氟酸腐蝕數(shù)據(jù) 壓力傳感器芯片2號低摻雜濃度2.32*，HF腐蝕液含量1：10 樣片號腐蝕時間腐蝕初始溫度()對角電阻(K)結(jié)束溫度()55 min483.863066 min 30 s403075 min471.363084 min481.563193 min 追加30 s48483131103 min 30 s501.5338115 min 30 s504.0840126 min5

19、040134 min 30 s504741144 min 30 s484.0839154 min 30 s4839通過數(shù)據(jù)的顯示得到時間在3 min 30 s-5 min 30 s腐蝕的效果較好，時間大約在4 min 30 s。由于13、14、15號樣片是處于芯片的邊緣位置所以電阻效果不是很好。2.2.2.2二氧化硅的HNA腐蝕數(shù)據(jù) 醋酸1：硝酸4：氫氟酸1，時間在2-3秒，溫度在30，過腐蝕，電阻無窮。2.2.2.3加緩沖劑的氫氟酸腐蝕數(shù)據(jù) 氫氟酸3ml：氟化氨6mg：水10ml 通過數(shù)據(jù)得到時間在2分鐘，溫度在35，對角電阻在1.63K。 氟化氨起到了緩沖的作用，降低了腐蝕時間。2.2.2.3版圖設(shè)計(jì)通過理論分析采用TLM 和DTLM模型。版圖如下：12其中：r0=400µm ，r1=430µm，r