5.2. Создание омических контактов к ис
Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.
Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.
Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:
- быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;
- обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;
- иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;
-
Рис.5.2.
Контакты к
планарным приборам: а - локальные;
б - распространенные
- представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;
- металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;
- не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;
- обеспечивать проведение фотолитографии;
- глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.
Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла мет и кремния Si удовлетворяли условиям: мет < Si для Si n-типа; и мет > Si для Si p-типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.
Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n+-типа. Между n–- и n+-областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением k. Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника
.
Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:
где A* = 4em*k2/h3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; m* - эффективная масса носителей заряда; h - постоянная Планка); В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 1017 см–3, k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде
,
где S - диэлектрическая постоянная кремния; ND - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 1019 см–3 k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения В для наиболее употребимых материалов контактов.
Таблица 5.1