退火參數(shù)對p-Si與Ti/Pt/Au歐姆接觸的影響*

林立娜,梁 庭,趙 丹,楊嬌燕,李奇思,雷 程

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 030051)

絕緣體上的硅SOI(Silicon on Insulator)高溫壓力傳感器是一種新型的半導體高溫壓力傳感器,有靈敏度高,耐高溫,穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1],能夠解決石油、汽車、航空航天等領域對高溫壓力傳感器的迫切要求[2]。

SOI高溫壓力傳感器用頂層硅制作壓敏電阻,在工作時受到壓力其阻值發(fā)生變化從而導致輸出電壓變化,而電信號的傳輸與測量需要金屬電極引出,再與外界進行電連接,這就不可避免地出現(xiàn)金屬和半導體的接觸問題。金屬與半導體的接觸分為兩類,肖特基接觸與歐姆接觸[3]。理想的歐姆接觸是指,當金屬與半導體通過一定條件接觸在一起時,交界處沒有勢壘的存在,表現(xiàn)出低阻特性,類似純電阻,伏安特性曲線呈線性[4]。一般情況下,當金屬接觸到半導體后,半導體的一側在界面處會形成新的勢壘,即肖特基勢壘,它具有整流作用[5]。通常在金屬電極引線制作之前,我們會使用半導體表面重摻雜以及摻雜后的退火激活工藝來處理樣品,此時在同等勢壘高度的情況下隧道厚度會變窄,容易發(fā)生隧穿,而達到良好的歐姆接觸[6-7]。在半導體上濺射金屬后,需要通過退火工藝來進一步釋放電極引線的寄生應力、增加其延展性和韌性,同時使頂層硅表面與金屬之間形成合金點,降低歐姆接觸電阻[8]。退火作為一種常用熱處理工藝,可以使金屬半導體接觸界面互相擴散[9],促成匹配金屬半導體的接觸。理想的歐姆接觸對半導體器件的影響很小,這對提高SOI高溫壓力傳感器的靈敏度與穩(wěn)定性具有重要意義。

陳存禮等研究了Al_Si接觸的快速熱退火,適用于常溫下的傳感器[10];于宗光等人研究的基于Ti_Pt_Au歐姆接觸金屬系統(tǒng)的HEMT器件,適應于InP材料[11],目前很少研究適應于高溫環(huán)境下的p-Si與Ti/Pt/Au金屬系統(tǒng)的歐姆接觸。本文主要研究的針對SOI高溫壓力傳感器電氣互連的問題,分析了退火參數(shù)對p-Si與Ti/Pt/Au歐姆接觸性能的影響。

圖1 SOI高溫壓力芯片圖

1 實驗內(nèi)容

本實驗采用自制的SOI高溫壓力傳感器芯片,如圖1所示。芯片以硅薄膜作為敏感結構,在方形膜表面邊緣處制作4個半導體壓敏電阻,通過金屬引線引出并連接組成惠斯通電橋。對于金屬鈦來說,N型硅更易形成歐姆接觸。但是在相同的摻雜濃度下,P型摻雜的壓阻系數(shù)要大于N型摻雜的壓阻系數(shù),為獲得器件最大靈敏度,選用P型硅制作壓敏電阻。首先,在SIMOX技術SOI晶圓的基礎上注入硼離子,使SOI頂層硅變成P型摻雜,然后刻蝕電阻條,重摻雜制作歐姆接觸區(qū)。當P型Si表面濃度大于1019cm-3時,才具有比較小的比接觸電阻。由于離子注入相對于擴散工藝橫向效應小,結深易控制,重摻雜選擇離子注入的方式,注入硼的濃度約為1×1019cm-3,根據(jù)工程經(jīng)驗和注入濃度確定結深為1.5 μm。注入后退火1 000 ℃,0.5 h。在制作金屬引線時,一般選擇功函數(shù)與半導體材料相同或者相似的金屬。為了避免光刻誤差和退火中橫向擴散對電阻阻值的影響,我們在傳感器歐姆接觸區(qū)和金屬連接區(qū)留下5 μm的冗余。金(Au)是常用電極金屬材料,具有良好的高溫特性,易于制作高溫器件的電極引線。但為提高Au與襯底之間的粘附性,添加鈦(Ti)為過渡層。另外,在高溫環(huán)境下,Au是快擴散雜質,合金退火時,Au很容易擴散到P-N結內(nèi),使結特性破壞,影響歐姆接觸電氣性能,因此選用鉑(Pt)為阻擋層金屬進行隔離[12]。

歐姆接觸的制備需要極度潔凈的半導體表面,表面清洗是通過物理作用及化學反應破壞沾污物質與表面的作用力,以達到消除雜質污染清潔表面的作用[13-14]。制作金屬引線前的清洗處理:在120 ℃下濃H2SO4∶H2O2=3∶1的溶液清洗15 min,去除樣品表面有機物;BOE(HF∶NH4F=1∶20)漂洗15 s,去除表面氧化層,防止氧化層阻擋金屬與硅的連接。金屬引線制作過程:光刻金屬圖形,依次濺射Ti(80 nm)、Pt(60 nm)、Au(300 nm),剝離得到金屬引線與金屬電極。

半導體濺射金屬后需要進行退火工藝,退火工藝的參數(shù)直接影響歐姆接觸的電阻。對歐姆接觸的質量進行評價,一般用比接觸電阻率表征,傳輸線模型是一種測試比接觸電阻率常用的方法[15-16]。如圖2所示為SOI壓力傳感器在測試區(qū)的傳輸線模型的示意圖,在寬度為Y的半導體表面(Y=W+2δ),有一系列長度L、寬度W的金屬電極,且金屬電極之間的間距逐漸增加,間距為dn。半導體表面相鄰兩個金屬電極之間的電阻如式(1)[17]。其中Rt為兩個金屬電極之間的總電阻,Rc為金屬與半導體之間的接觸電阻,Rs為歐姆接觸之間半導體的方阻。

(1)

W=200 μm,L=100 μm,Y=210 μm,δ=5 μm,d1=100 μm,d2=200 μm,d3=400 μm圖2 傳輸線模型

在理想情況下,Rt-dn曲線為一條直線,可根據(jù)作圖法求出接觸電阻Rc。如圖3所示為電阻Rt與金屬電極間距dn的變化曲線。代入式(2)可得到比接觸電阻率ρc[16]。

(2)

圖3 Rt與dn的變化曲線

本實驗采用型號為OTF-1200X-4-RTP的退火爐在真空環(huán)境下進行退火實驗。該退火爐最高溫度為1 100 ℃,加熱區(qū)長度為300 mm,恒溫區(qū)長度為100 mm,穩(wěn)態(tài)溫度穩(wěn)定性為±5 ℃,加熱元件是8根紅外燈管。分別在不同的時間和溫度下,對實驗芯片進行歐姆接觸退火?？梢酝ㄟ^壓敏電阻兩端的電極引線測試壓敏電阻的I-V曲線是否呈線性,電阻值是否符合預期值來評估退火工藝的效果。退火后芯片的表面形貌采用場發(fā)射掃描電鏡進行觀察,退火成功后對測試區(qū)的傳輸線模型進行測試,同時通過高低溫探針臺對成功的樣品進行高溫實驗測試。

圖4 不同退火溫度下的I-V曲線

2 結果與討論

2.1 退火溫度對歐姆接觸的影響

2.1.1 退火溫度對電阻阻值的影響

在真空退火爐中對樣品進行不同溫度(550 ℃,560 ℃,565 ℃,570 ℃,580 ℃)的退火處理,相應的退火時間固定為80 min。圖4為不同退火溫度下的I-V曲線。歐姆接觸退火前的離子注入通過引入雜質的方式降低費米能級,可以促進歐姆接觸的形成;注入后的退火可以修復離子注入過程造成的晶格損傷,使得注入的雜質轉入晶格點替代位,消除損傷,使雜質再分布,被激活。但退火前,測到的I-V曲線近似垂直于X軸,說明退火前金屬與硅未連接,是斷裂的,即離子注入后頂層硅的摻雜濃度不夠高,沒有使頂層硅與金屬形成歐姆接觸,對于離子注入B(硼)摻雜形成的P型硅的雜質濃度很難達到 1×1019cm-3,即使摻雜達到 1×1019cm-3,也很難使所注入的雜質全部激活,所以歐姆接觸退火是必要的且有效形成歐姆接觸的工藝。退火溫度為550 ℃時,I-V曲線呈現(xiàn)“S”型,表現(xiàn)出明顯的整流作用,為肖特基接觸。升溫到560 ℃時,I-V曲線接近直線。隨著溫度繼續(xù)升高,565 ℃和570 ℃的樣品的I-V曲線呈線性,說明溫度為565 ℃時已經(jīng)形成歐姆接觸。

由圖4可知570 ℃的I-V曲線斜率比565 ℃時的小,即退火溫度為570 ℃時比565 ℃電阻小。當溫度為570 ℃時,電阻值是1.69 kΩ,符合設計值。再升溫到580 ℃時,I-V曲線與退火前情況相同,主要原因可能是連接的金屬引線由于溫度太高已經(jīng)斷裂,說明退火溫度不能過高。通過測試樣品的金屬引線I-V曲線,驗證引線電阻無限大,但此時壓敏電阻值是1.6 kΩ,說明只有金屬引線被破壞。(在未退火或退火溫度小于570 ℃時,測試的金屬引線值為9 Ω)。隨著溫度的升高,I-V曲線由肖特基特性變?yōu)闅W姆接觸特性,分析認為可能的原因:一方面由于溫度升高會使平均熱能kT增加,使得空穴所處能級越來越遠離費米能級,而空穴越遠離費米能級,所需穿過的勢壘厚度就越小,隧穿概率越大;另一方面是由于溫度升高,Si材料的禁帶寬Eg減小,導致勢壘高度和勢壘厚度減小,也使得空穴的隧穿概率增大。

2.1.2 退火溫度對接觸表面形貌的影響

圖5中給出了退火前,550 ℃,560 ℃,565 ℃,570 ℃,580 ℃退火后樣品得接觸表面放大3 500倍的SEM照片,相應的退火時間固定為80 min?？梢杂^察到退火前接觸表面平整光滑、致密性好。經(jīng)過不同溫度的退火,接觸表面形態(tài)產(chǎn)生很大的差異。550 ℃退火后的樣品表面形貌比較平整均勻;560 ℃退火后的樣品表面則出現(xiàn)較為明顯的聚球現(xiàn)象,說明金屬之間以及金屬與硅之間開始發(fā)生互擴散;565 ℃退火后的樣品表面有小顆粒且出現(xiàn)融合現(xiàn)象,說明金屬之間以及金屬與硅之間的互擴散增強;570 ℃退火后的樣品表面融合現(xiàn)象擴展到整個表面,且測到的壓敏電阻阻值小,這可能是因為退火溫度為570 ℃時,金屬與硅之間發(fā)生更充分的反應,金屬鈦與P型硅發(fā)生的互擴散程度達到了可以形成歐姆接觸的程度,從而獲得更低的電阻值,說明這一溫度是最佳的熱處理溫度;580 ℃退火后的樣品表面出現(xiàn)裂紋,致密性下降,這可能是退火溫度太高,硅被溶解且穿透到金屬層上,在界面的某些缺陷處因硅的溶解形成蝕坑,金屬沉淀到這些蝕坑從而出現(xiàn)了金屬表面出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

2.2 退火時間對歐姆接觸的影響

2.2.1 退火時間對電阻阻值的影響

對樣品在570 ℃下進行不同時間的退火處理,退火時間分別是50 min,60 min,70 min,80 min,90 min。圖6為不同退火時間下的I-V曲線。

圖6 不同退火時間下的I-V曲線

當退火時間為50 min時,I-V曲線表現(xiàn)為“S”型,即為肖特基接觸,原因可能是退火時間太短,金屬Ti與p-Si互相擴散運動緩慢且合金反應較小,使金屬與半導體界面的勢壘高度沒有降低到可以順利形成歐姆接觸的程度。當退火時間增加為60 min時,I-V曲線接近直線,說明Ti與p-Si互相擴散運動增強且合金反應程度增加,有效地降低了金屬與半導體界面的勢壘高度。當退火時間為70 min時,I-V曲線呈現(xiàn)線性,說明Ti/Pt/Au金屬系統(tǒng)在70 min就已經(jīng)合金化,且形成了歐姆接觸。在80 min時I-V曲線呈現(xiàn)線性且斜率比70 min時小,即退火80 min后樣品阻值比退火70 min后的小,且電阻值符合設計值,說明退火80 min要比退火70 min形成的歐姆接觸好。延長退火時間為90 min時,I-V曲線與X軸近似垂直,說明電阻無限大,原因可能是表面金屬結構已經(jīng)被破壞,退火時間不宜太久。同時驗證金屬引線I-V曲線,證明只有金屬引線被破壞。對于Si半導體材料而言,Ti是有反應活性的金屬,合金時會與半導體發(fā)生融合。這種融合是不確定的,在低摻雜濃度的N型硅中,Ti與硅接觸通常仍表現(xiàn)為肖特基接觸,但在以B作為摻雜雜質形成的高濃度p型硅中卻起到了降低勢壘高度的作用,使得歐姆接觸能夠順利完成,通過退火使得金屬與半導體接觸界面互擴散,促成匹配金屬半導體的接觸,也可能生成合金過渡層 Ti-Si。高溫下,Si與Ti有一定的互擴散,Ti與Pt有一定的互擴散,Pt會阻擋Au的擴散,使得歐姆接觸有一定的熱穩(wěn)定性。因此,電極與半導體電阻的接觸界面變得模糊,具有良好匹配的Au與p-Si材料接觸,促成歐姆接觸的形成。

圖7 不同退火時間下接觸表面的SEM圖

2.2.2 退火時間對歐姆接觸表面形貌的影響

圖7中給出了未退火樣品,退火50 min,60 min,70 min,80 min,90 min后樣品接觸表面放大 3 500 倍的SEM圖,相應的退火溫度固定為570 ℃。

由圖7可知,樣品經(jīng)過退火工藝后,表面形貌發(fā)生了變化。退火前,樣品表面致密性好,表面平整光滑;退火50 min后的樣品表面相對比較平整均勻,說明金屬之間以及金屬與Si之間反應小,對表面形貌影響小;繼續(xù)增加時間到60 min后表面組織結構開始出現(xiàn)小顆粒和聚團現(xiàn)象,說明金屬之間反應程度以及金屬與Si互相擴散運動增強,但未達到完全反應就開始降溫以至于未形成歐姆接觸;70 min時接觸表面出現(xiàn)融合現(xiàn)象,說明金屬之間反應充分,金屬與Si的互相擴散程度達到了形成歐姆接觸的程度;80 min時融合現(xiàn)象明顯且測到的電阻阻值小,說明此條件下金屬已經(jīng)發(fā)生了充分的反應且形成了合金點;時間上升到90 min后表面開始出現(xiàn)出現(xiàn)裂紋,其原因與退火溫度過高時相同,說明退火時間不能太長。

2.3 傳輸線模型結果測試

在測試區(qū),通過傳輸線模型的測試方法,計算出在570 ℃,80 min時,比接觸電阻率ρc為7.76×10-5Ω·cm2,說明在此退火條件下形成了較好的比接觸電阻率。

2.4 高溫實驗測試

對退火成功的樣品的4個電阻進行高溫測試。本實驗由Lake Shore CRX-6.5K高低溫探針臺提供真空和升溫環(huán)境,該設備的溫度范圍是-253 ℃～400 ℃。本測試從室溫加熱到400 ℃,采用KEITHLEY 4200-SCS半導體分析儀分別在常溫,150 ℃,200 ℃,300 ℃,400 ℃測I-V曲線。由測試結果可知各電阻在不同溫度下的I-V曲線仍保持線性狀態(tài),說明高溫對樣品沒有形成破壞且有較好的熱穩(wěn)定性,則該傳感器可以在這個溫度范圍內(nèi)使用,同時記錄電阻值并擬合成如圖8曲線。

圖8 不同溫度下的電阻阻值

由圖8可知,4個電阻的阻值隨溫度升高而升高,但其阻值變化較小。分析主要原因是溫度變化使電阻率發(fā)生變化,從而導致電阻值發(fā)生變化。對于雜質半導體,電阻率由雜質電離和本征激發(fā)兩個因素影響,同時存在電離雜質散射和晶格散射兩種散射機構,因而電阻率隨溫度的變化關系比較復雜。本實驗溫度從室溫上升到400 ℃,雜質電離為主要影響因素,本征激發(fā)還不是十分顯著,載流子基本不隨溫度變化,晶格振動散射成為主要影響因素,遷移率隨溫度升高而降低,所以電阻率隨溫度升高而增大,即電阻隨溫度升高而增大。

3 結論

為了使Ti/Pt/Au與P型摻雜的器件層硅表面形成性能良好的歐姆接觸,本文研究了不同退火時間和不同退火溫度對電阻以及接觸表面形貌的影響,并且對退火的條件進行了優(yōu)化,使I-V曲線呈線性,電阻符合設計值。研究結果表明,退火溫度在570 ℃,時間在80 min時,可獲得良好的歐姆接觸,退火溫度太高或者退火時間太久都會破壞金屬引線。最后測試退火成功的樣品的傳輸線模型,得到了比較小的比接觸電阻率,同時對退火成功的樣品進行高溫測試說明得到了比較好的歐姆接觸,且在400 ℃以下穩(wěn)定性好。