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四川大学硕士学位论文 n i c k e1 6 h si c 欧姆接触机理研究 凝聚态物理专业 研究生吴健指导教师龚敏 s i c 具有宽禁带( 3 2 3 4 e v ) ，高热导率，高饱和电子漂移速率，因此被 认为是制作高压，高温，高频器件的重要材料之一。 欧姆接触是制作s i c 器件中非常重要的一个环节，欧姆接触的好坏直接影 响s i c 高温，高频器件的频率，稳定性等问题。虽然，过去有用a l ，c o ，t i ，p t 来 做n 型s i c 的接触。近来，n i c k e l 被认为是最合适的候选金属来做s i c 的欧姆 接触。用n i 来制作s i c 的欧姆接触需要在高温下热处理。虽然，n i s i c 在5 0 0 0 c 左右就能发生固相反应，但通常只有热处理温度2 9 5 0 0 c 才能形成欧姆接触。有 文献报道n i s i c 欧姆接触的形成是由于n i s i 合金的生成，即形成了s i l i c a t e s i c 接触。另有文献认为在合金与炭化硅界面存在着石墨层，并且对欧姆接触的形 成起作用。根据不同文献可以注意到，在相近的衬底浓度下，n i s i c 欧姆接触 的比接触电阻率尸c 仍然有很大的差别，如文献报道分别为1 0 - - 4 【2 c m 2 和1 0 - - 6 f 2 c m 2 ( 衬底浓度1 0 1 9 c m 3 ) 。这种差别很可能与热处理工艺和所形成的合 金及界面结构情况等因素有关。因此，对n i s i c 欧姆接触工艺机理研究就非常 重要。 本论文的实验采用n i 金属来做s i c 的欧姆接触，用晶体管特性图示仪分别 测试n “s i c 经过5 0 0 。c 和9 5 0 0 c 退火后的l - v 特性，结果表明5 0 0 。c 呈现整流 特性，9 5 0 。c 为欧姆接触特性，根据传输线法计算其比接触电阻为3 2 x 1 0 一 q c m 2 。x p s 测试分析了n i c k e l 6 h - s i c9 5 0 。c 退火形成欧姆接触后元素的深度 分布图及各元素的电荷态，结果表明有n i 2 s i 合金生成并占主要合金相，同时 在合金层中夹杂有石墨c 的分布，x r d 测试结果表明没有石墨微晶或者石墨c 层的存在。得到的研究结果为进一步研究s i c 材料和器件打下了良好的基础。 关键词：势垒欧姆接触6 h s i c 比接触电阻率 四川大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o nt h em e c h a n i s mo fn ib a s e do h m i c c o n t a c t st os i c m a j o r ：c o n d e n s e d s t a t ep h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：w uj i a nd i r e c t o r ：g o n gm i n s i ci sp r o p o s e dt ob et h eb e s tm a t e r i a l st of a b r i c a t eh i g l lt e m p e r a t u r e ，h i 曲 v o l t a g e ，h i g hf r e q u e n c yd e v i c e sd u et oi t sw i d eb a n d g a p ( 3 2 0 4 e v ) ，h i g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dh i g h - s a t u r a t i o nd r i f tv e l o c i t y o h m i cc o n t a c ta sab a s i cp r o c e s si sv e r yi m p o r t a n tt od e t e r m i n et h ep r o p e r t i e s o fs i cd e v i c e s t h ee l e m e n t sa i ，c o ，t i ，p ta n dn iw a su s e da so h m i cc o n t a c tm e t a l s t os i cf o ry e a r s ，h o w e v e r ，n ii sr e c e n t l yp r o p o s e dt ob et h eb e s to n e t of o r ma g o o d n i s i co h m i cc o n t a c t s ，h i g ht e m p e r a t u r et r e a t m e n to v e r9 5 0 。ci sa l w a y sn e e d e d a l t h o u g hn i s ia l l o yc o u l df o r m a t5 0 0 。c s o m er e s e a r c h e r sb e l i e v e dt h a tt h e m e c h a n i s mo fn i s i co h m i cc o n t a c tw a sd u et ot h es i l i c a t e ，t h a t i s ， n i c k e l s i l i c a t e s i cc o n t a c t ，b u to t h e r st h o u g h tt h a tt h eg r a p h i t el a y e rb e t w e e nt h e s i l i c a t ea n dt h es u b s t r a t em i g h tp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e i nf a c t ，t h er e p o r t e d s p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c e sw e r eq u i t ed i f f e r e n te v e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h e s u b s t r a t e sw a st h es a m e t h i sm i g h tb er e l a t e dt ot h ed i f f e r e n c e so ft h ep r o c e s s e s a n dt h ei n t e r f a c e t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h em e c h a n i s mo f o h m i cc o n t a c t p r o c e s s n i s i co h m i cc o n t a c t sw e r ef a b r i c a t e di nt h i s e x p e r i m e n t t h ei - v c h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l e sa n n e a l e da t5 0 0 0 ca n d9 5 0 0 cw a sm e a s u r e d , w h i c h p r e s e n t e d ar e c t i f i e ri - va n da no h m i cl - v , r e s p e c t i v e l y n l es p e c i f i cc o n t a c t r e s i s t a n c ec a l c u l a t e db yt h em e t h o do f t l mw a sa b o u t3 2 x l o - - 3 f l 。e m 2 t h ed e p t h p r o f i l eo fe l e m e n t sa n dt h e i re l e c t r i cc o n f i g u r a t i o n sw e r em e a s u r e db yu s i i l gx p s ， w h i c hs h o w e dt h a tn i 2 s iw a sad o m i n a n tp h a s ei nt h ec o n t a c tl a y e ra n dg r a p h i t ec i i 四川大学硕士学位论文 n e t w o r k s ，b u tt h eg r a p h i t el a y e ro rn a n o c r y s t a l l i n eg r a p h i t ew a sn o to b s e r v e db y x r d ，w h e nt h es a m p l e sw e r ea n n e a l e da f t e r9 5 0 。 k e y w o r d s ：b a r r i e r , o h m i cc o n t a c t ，6 h s i c ，s p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c e i u 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论 文成果归四川大学所有，特此声明。 四川大学硕士学位论文 第一章s i c 材料的特性及研究意义 s i c 材料是比较具有代表性的第三代半导体材料。它具有良好的物理特性： 硬度大，耐磨，很强的抗腐蚀性，同时具有较高的击穿场强，优良的导热性能， 因而，将来它有可能成为制作特种器件的首选材料。s i c 具有多种晶体结构， 如闪锌矿结构，纤锌矿结构和菱形结构，目前已发现2 5 0 多种，其中菱形结构， 纤锌矿结构统称为o 【一s i c ，闪锌矿结构的称为j 3 - - s i c ，且不同的晶体结构具有 不同的电学和光学性能。 1 1s i c 材料的基本特- 眭及研究进展 1 1 1s i c 材料的基本特性 表格1 1 ：s i c 材料的基本特性 特性参数 3 c s i c 6 h s i c4 h 。s i c 禁带宽度( e v ) 2 2 3 0 2 3 3 2 6 5 热导率( w c m - k ) 1 54 94 9 电子饱和漂移速度( c m s 1 2 0 1 0 1 72 0 x 1 0 1 72 0 x 1 0 1 7 击穿电场( m v c m ) 2 53 5 3 5 介电常数9 6 9 7 2 l o 21 0 2 电子迁移率( c m 2 v s ) 4 0 0 1 0 0 03 8 08 0 0 空穴迁移率( c n l 2 v s ) 9 51 4 0 电子亲和势( v ) 4 2 4 2 根据上表，我们可以比较一下s i ，g a n ，g a a s 等材料，发现s i c 材料具有很 高的电子饱和漂移速度和比较高的临界击穿电场，所以其具有其他半导体材料 无法相比的优越性能。并且s i c 器件制造工艺与s i 工艺兼容，所以，随着s i c 材料的商品化，必将成为制造新一代器件的候选材料。 四川大学硕e 学位论文 1 1 2s i c 材料的研究进展 从上世纪6 0 年代开始，世界各发达国家就已开始对s i c 材料及其可行性的 器件进行了研究。荷兰飞利浦实验室采用升华再结晶技术生长出第一块高质量 的s i c 单晶，但此方法很难控制晶体的成核过程及晶体的尺寸；1 9 7 8 年t a i r o v 和t s v e t k o v 提出了采用物理气相输运工艺生长s i c 单晶；1 9 8 3 年z i e g l e re t a l 引 入了改进的升华工艺；1 9 8 7 年北加利福尼亚大学成功的实现了改进的l e l y 生长 技术一籽晶升华生长法，这标志着s i c 器件的研究进入了新的阶段。1 9 9 1 年美 国c l e e 公司开始出售6 h s i c 单晶片，1 9 9 4 年e r e e 公司和a t m i 公司开始提供 4 h s i c 单晶片。目前s i c 单晶的生长主要集中在提高生长速率和增加晶圆尺寸 及减少材料缺陷等方面。消除微管缺陷是发展大功率s i c 器件的一个关键问题。 为了消除该缺陷，近年来采用以s i c 为衬底的同质外延生长技术，薄膜质量得 到了很大的提高，掺杂浓度提高到y 1 0 1 9 c m o 。 虽然s i c 材料的制备技术还不很成熟，但是s i c 具有优异的性能，科研工 作者对s i c 器件的研究一直很感兴趣。下面，本文将主要介绍近年来研究较多 的s i c 器件的结构及其应用。 1 1 3s i c 器件研究进展 a ：肖特基势垒二极管( s b d ) 肖特基势垒二极管是多子器件，具有很快的开关速度以及不呈现明显的反 向电流恢复等特点，因此，在高频，微波电路等领域具有很广泛的应用i l l 。文 献【2 l 报道了s i c 肖特基二极管反向击穿电压可以达到3 0 0 0 v ，另有文献【3 4 1 报道反向击穿电压3 5 0 0 v ，反向漏电流在1 0 0 0 v 时仅为5 1 0 7 c m - 2 。2 0 0 6 年文 献【5 1 制作的s i cs b d 反向击穿电压为4 7 k v ，在3 5k v 时反向漏电流密度小 于1 0 p a c m 2 。通常，限制肖特基二极管击穿电压的主要因素是金属一半导体接 触边沿处的电场集中，为了提高s b d 的击穿电压，目前常用的设计方法有三种： 深槽阻断，介质阻断，和p n 结阻断。其中文献【6 】采用的结构为p n 结阻断。 b ：功率m o s f e t 器件 由于s i c 与其它半导体材料( s i ，g a a s ，g a n ) 相比具有很高的临界击穿电场 2 四川大学硕士学位论文 ( 2 m v c m ) ，在制作高压器件中，对于相同的阻断电压，s i cm o s f e t 的漂移区 厚度可以更薄，掺杂浓度可以更高，对于高阻断电压，一般选择难熔金属 ( n i ，t i ，w ) 做s i c 的欧姆接触 用s i c 做衬底的m o s f e t ，可轻易做到阻断电压1 0 0 0 2 0 0 0 伏【7 】，其开 关特性( 结电容值，开关损耗，开关波型等) 则与1 0 0 多伏的硅m o s f e t 相比， 导通电阻可低至毫欧值。在高压开关电源应用上，完全可取代硅i g b t 并可提 高系统的整体效率以及开关频率 虽然用s i c 制作的功率m o s f e t 器件具有很多优点，但是s i c 功率 m o s f e t 的优势还没有真正的呈现出来。这主要与s i c 的热氧化生长质量，离 子注入掺杂及欧姆接触制备的稳定性有很大的关系。目前，对于s i c 功率 m o s f e t 的研究主要是增加阻断电压的同时减少其开态电阻，增加电流额定 值，实现商品化。 c ：s i c 微波器件 s i c 之所以能够做微波器件是因为具有高饱和漂移速度、高击穿场强和高 热导率特性使得s i c 成为1 - - 1 0 g h z 范围的大功率微波放大器的理想材料短 沟道s i cm e s f e t 的特征频率已经达到2 2 g h z 最高振荡频率f 可以达到 5 0 g h z 静电感应晶体管( s i t s ) 在6 0 0 m h z 时功率可以达到4 7 0 w ( 功率密度为 1 3 6 w m m ) ，3 g h z 时功率为3 8 w ( 1 2 w m m ) 由于s i c 的热导率很高( g a a s 的l o 倍，g a n 的3 倍) ，工作产生的热量可以很快地从衬底散发通过改进器 件结构，s i cs i t s 的特征频率目前可以达到7 g h z 最近文献 8 】等人报道了s i c m e s f e t 在3 5 g h z 频率下功率密度可以达到4 6 w m m 。与s i c 分立器件追求 高电压、大功率、高频以及高温特性不同，s i c 集成电路的研究目标主要是获 得高温数字电路。欧姆接触的质量，互连金属的选择直接影响电路的工作。 由上述的讨论可以看出，欧姆接触在器件和电路中具有非常重要的应用， 欧姆接触的质量直接关系着器件和集成电路的工作，为此，我们下面着重讨论 s i c 欧姆接触工艺的一些进展。 四川大学硕士学位论文 1 2s i c 欧姆接触工艺国内外研究进展 高频器件要求低阻欧姆接触，另外，高温高功率器件要求欧姆接触必须可 靠。由于欧姆接触是s i c 器件工艺发展的重要难题之一，通过大量的研究欧姆 接触的制造技术，它已经迅速成熟起来。下面主要介绍目前国内外研究的状况。 1 2 1 国内外的研究进展 近年来，在实验和理论上对s i c 材料的欧姆接触制备工艺进行了广泛的研 究。包括最佳退火条件( 环境，温度) ，退火后的合金相，退火后的界面层等方 面。国外对s i c 材料的研究比较广泛，实验上得到了一定工艺条件下的比较低 的欧姆接触电阻率，理论主要集中在用界面层的元素分布来解释欧姆接触的机 制。 欧姆接触一般都是在高掺杂的积体上制备，从而可以有效的降低欧姆接触 的比接触电阻。国外早期的n s i c 欧姆接触的研究工作开始于1 9 7 0 年【3 】，所用 的金属是c r 或者c r 合金( f e ，n i ，o r f ea n d n i ) ，热处理温度1 5 0 0 0 c 1 9 0 0 0 c ， 得到了良好的欧姆接触特性。最近，g l a s s l 9 - 1 0 l 报道了用t i n 作s i c 欧姆接触， c r o f l o n i l l l ：报道了选择t i w 作s i c 的欧姆接触，在上述两种情况下，欧姆接触的 行为都和绝缘层联系起来，即退火后形成了金属一绝缘体一半导体结构( m l s ) ， 但是，形成的绝缘层是很薄的，有利于电子的隧穿。随着s i c 欧姆接触金属化 系统选择研究的深入，n i 被认为是最合适的候选金属。欧姆接触金属化系统的 选择具体如下表： a ：对于单层金属一半导体s i c 欧姆接触我们列出如下表1 2 。 表格1 2 ：单层金属的欧姆接触 金属沉积衬底 真空度退火接触电载流子文献 方式温度 ( t o r 0 条件 阻率2 )浓度 ( o c )( e m - 3 ) ( j r 熔融金 1 0 一b p 1 0 0 0 2 0 sn r4 5 1 0 1 71 2 属 4 四川大学硕士学位论文 w 热蒸发 n rn r1 2 0 0 l 1 6 0 0 。5 x l f f 3 ix 1 0 43 x l o i 1 3 ix 1 0 1 9 啊 热蒸发 r tn r 无 1x 1 0 - 22 x 1 0 5 2 1 0 ”一1 4 1 5 1x 1 0 2 0 m o溅射 n r 1 0 一7 b p 无i 1 0 4 i x l 0 1 91 6 t a溅射n r l o 一7 b p 无 。l 1 0 一o l x l 0 91 6 单层金属制作欧姆接触，工艺比较简单。上表的结果可以看出在掺杂浓度 比较低的金属上也可以制作出比较低的接触的电阻率，说明接触电阻率不仅仅 与半导体的掺杂浓度有关系。 b ：多层金属一s i c 欧姆接触： 下表1 3 是两层以上的金属做s i c 欧姆接触的结果： 表格1 3 ：多层金属s l c 欧姆接触 金属沉积衬底真空度退火接触电载流子参考 方式温度条件 阻率 浓度 文献 删i ， 熟蒸发 n rn r 7 5 0 。, n 2 ， n r 5 x1 0 1 i c m - 31 7 砸，a u l o 分钟 a l 厂n 磁控溅 n r l o 一7 b p 1 0 0 0 0。 昆好1 0 t 8 c m 31 8 射 3 m i n , n 2 n v a t =电子束室温n r 9 5 0 0 3 0 sl0 3 “急co 0 2 6 f 工c m1 9 蒸发 m 2 、 m g a u 电子束室温 n r9 5 0 0 ，3 0 s 欧姆 0 0 2 6 n 1 9 蒸发 特性 w ，1 岍热蒸发 n rn r1 0 0 ( p1 0 一3 l o9 8 x 1 0 1 72 0 5 分钟 c i l l ， s 四川大学硕上学位论文 c ：合金和半导体s i c 的欧姆接触表格如下表1 4 。 合金沉积衬底 真空度 退火比接触电阻掺杂参考文 方式温度条件 率( qc m 2 ) 浓度献 t i w溅射室温 1 0 一6 b p 7 5 0 ，5 m i n 8 l o 一47 - 8 x 1 0 b 2 1 c m 。 n i c r 溅射室温 1 0 一b p 9 5 0 ，5 m i n 1 8 x 1 0 34 7 1 0 1 82 2 w s i 2溅射室温 1 0 b p 1 0 0 0 ，1 0 s 3 9 x 1 0 41 0 1 7 - 1 0 1 8 2 3 c m 。 t i s i 2 溅射室温 1 0 b p 1 0 0 0 1 0 s 1 1 1 0 41 0 1 7 1 0 1 82 3 c m j t a s i 2 溅射室温 n r8 5 0 5 m i n2 o 1 0 2 5 1 0 1 6 2 4 c m 3 t i c热蒸5 0 03 1 0 一l o 7 0 0 9 5 0 9 2 8 1 0 61 3 1 0 1 9 2 5 发 t o r tr t a 1 8 0 s n i 2 s i 激光室温 1 x 1 0 6 9 5 0 3 0 s好的线性2 o 1 0 1 8 2 6 沉积 t o r t c m 。 上表格1 3 说明了多层金属也可以得到比较低的比接触电阻率，如文献 4 7 1 报道的别接触电阻率达到1 0 - 3 1 0 _ 4 q c m 2 ，用多层金属可以生成具有比较低的 功函数的合金，同时可以提高欧姆接触的质量，但是在制作工艺当中有难度， 完成多层金属的制各必须有较多的真空系统，另外，热处理时的升温过程，以 及气体的保护等都会对比接触电阻率有较大的影响。 表1 4 选择合金因其具有较好的热稳定性，有些合金具有比较低的功函数， 所以经过选择合适的合金沉积和高温退火后能够形成比较好的欧姆接触特性， 如文献1 2 5 1 得到比接触电阻率为9 2 8 x 1 0 _ 6 q c m 2 。虽然，用该种方法能够形成 欧姆接触，并且文献【2 1 - 2 6 l 一致认为是由于合金起重要作用。但是在沉积合金 6 四川大学硕士学位论文 后的界面状况则很少有报道，即经过高温处理后界面是否发生重构，是否有其 它元素存在等。 国内在s i c 器件及欧姆接触工艺方面的研究工作相对比较滞后，近几年中 科院半导体所，西安电子科技大学等兄弟单位和四川大学，在材料，器件和工 艺方面开展了一些基础工作。从1 9 9 4 年开始西安电子科技大学微电子所对s i c 物理参数，器件模型和模拟等理论问题进行了系统较为深入的研究。立足国内 现有的条件，研究了s i c 器件制造中金属一半导体接触，氧化等工艺，制作出 可以用于器件研制的欧姆接触i 明，比接触电阻达到8 4 x 1 0 5 q c i n 2 。 1 4 本论文的主要工作 本文的主要工作是基于s i c 材料的特性，对欧姆接触的制备工艺条件进行 了研究，对欧姆接触的形成条件和形成机理作出了进一步的分析与研究。 l ：近年来，由于n i 被认为是做s i c 欧姆接触的最合适的候选金属，并且 只有在高温下才能形成好的欧姆接触，但是对于高温合金后c 的电荷态及其在 合金层的分布报道不一，为此，本文采用现有的技术手段对形成欧姆接触后的 界面层结果进行测试分析 2 ：从金属一半导体的形成基本理论入手，分别对n 和p 型半导体的肖特 基和欧姆接触进行研究，重点是n 型，并对制备肖特基中影响势垒的因素给予 了充分的说明，即欧姆接触和肖特基接触与势垒有很大的关系 3 ：考虑了各种因素，设计了欧姆接触的工艺条件，在制备欧姆接触工艺后 的界面情况分别用x p s ，x r d 详细的进行了研究，然后给予了合理性的解释。 7 一 塑型奎兰竺主耋竺笙兰 参考文献 【l 】h m a t s u n a m i ，t e c h n o l o g yo fs e m i c o n d u c t o rs i ca n di t sa p p l i c a t i o n ，2 0 0 3 ，n i k k a nk o g y o s h i m b u nl t d 2 1 q - w a h a b ，s i cp o w e rd e v i c e sf o rh i g h v o l t a g ea p p l i c a t i o n s ，m a t e r s c i e n g b 1 9 9 9 ，6 1 - 6 2 ，3 3 0 3 1 u z i m m e r m a n n ，a h a l l a n ，s c a n n i n gs p r e a d i n gr e s i s t a n c em i c r o s c o p yo fa l u m i n u mi m p l a n t e d 4 h - s i cm a t e r i a l s s c i e n c e f o r u m ，2 0 0 0 ，v 0 1 3 3 8 - 3 4 2 ，p t 2 ， 1 3 2 3 1 3 2 6 【4 1 r r s i e r g i e j ，a d v a n c e si ns i cm a t e r i a l sa n dd e v i c e s ：a ni n d u s t r i a lp o i n to fv i e w m a t e r i a i s c i e n c ee n g n g b ，6 1 6 2 ( 1 9 9 9 ) 【5 j m b l u e t ，b a r r i e rh e i g h t h e m o g e n i t y f o r4 5 k v 4 h 。s i c s b d s u p e r l a t t i c e a n d m i c r o s t r u c t u r e s ，2 0 0 6 ，4 0 ，3 9 9 - 4 0 4 【6 j o h n s o nc m ，w r i g h tn g , i e e ，p r o c c i r c u i td e v i c e ss y s t 2 0 0 1 ，1 4 8 ，1 0 1 【7 】t y m c n u t l ，s i cp o w e r m o s f o t m o d e la n dp a r a m e t e r e x t r a c t i o n l e e e ，2 1 7 ，2 0 0 3 【8 】 s t a l l e n ，w l p r i b b l e ，p r o g r e s s i n h i g hp o w e r s i c p o w e r m i c r o w a v e m e s f e t s ，i e e e ，m i t - s ，1 9 9 9 ，p p 3 2 1 3 2 4 【9 r c g l a s s ，l m s p e l l m a n ，l o we n e r g yi o n - a s s i s t e dd e p o s i t i o no ft i t a n i u mn i l d d eo h m i c c o n t a c t so n ( 6 h ) - s i l i c o nc a r b i d ea p p l p h y s l e t t ，1 9 9 1 ，5 9 ，2 8 6 8 7 0 【1 0 】r c g l a s s ，j v a c s c i t e c h n 0 1 a ，1 9 9 2 ，1 0 ，1 6 2 5 1 6 3 0 。 【i1 j c r o f f o n , a m o r p h o u sa n dc r y s t a l l i n es i l i c o nc a r b i d e ，s p r i n g e r , b e r l i n ， 1 9 9 2 ，1 7 6 - 1 8 2 【1 2 a a d d a m i n o ， s e m i c o n d u c t i v e c r y s t a l s o fs i l i c o n c a r b i d e w i t h i m p r o v e d c h r o m i u m - c o n t a i n i n ge l e c t r i c a lc o n t a c t s ，i l sp a t e n t n o 35 1 07 3 3 ( 1 9 7 0 ) 【1 3 m m a n i k i n ，m g r a s t e g a v e a , a l s y r k i n 。a m p h o r o u s a n d c r y s t a l l i n e s i l i c o n c a r b i d e ，s p r i n g e rp r o c e e d i n g si np h y s i c s ，v 0 1 5 6 ，s p r i n g e rb e r l i n ，1 9 9 2 1 8 3 1 4 1d a l o k , b j b a l i g aa n dp k m c l a r t y , i e d mt e c h n i c a ld i g e s t ，i e d m1 9 9 3 ( 1 9 9 3 ) 6 9 1 6 9 4 8 四川大学硕士学位论文 【1 5 l m p o n e r j s b o w , j m a t e r r e s ，1 9 9 5 ，1 0 ，6 6 8 - 6 7 9 16 】j b p e t i t ，e g n e u d e c k , c s s a l u p o ，m e t a lc o n t a c t st on a n dp - t y p e6 h s i c i n s t i t u t eo f p h y s i c sc o n f e r e n c es e d e s ，v 0 1 1 3 7 ，i n s t i t u t eo f p h y s i c s1 9 9 3 ，6 7 9 【1 7 】t g n i t d a uo h m i cc o n t a c t st on - t y p e6 h s i c m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g b 9 8 ( 2 0 0 3 ) ，1 7 7 f 1 8 p o l d t yd e p e n d e n t a i - t ic o n t a c t st o6 h - s i c ，b e r n a d e t tv e i s z , a p p l s u r s c i 2 3 3 , 2 0 0 4 , 3 6 0 1 1 9 】m j e t t e r , s t u d yo f a sd e p o s i t e dm e t a lc o n t a c t sf o rn s i c ，p h y s s t a t s 0 1 ，2 0 0 4 ， 1 0 ，2 5 3 3 - 2 5 3 6 【2 0 s a d a m s ，c s e v e r t , t r a n s 2 ”i n t e r n a t h i i g h t e m p e r a t u r e e l e c t r o n i c s c o n f e r e n c e ，c h o r l o t t e ，n c ，1 9 9 4 2 1 j c r o f l o n , j i l w i l l i a m s ，i n s t i t u t eo f p h y s i c sc o n f e r e n c es e r i e s ，v 0 1 1 3 7 ，1 9 9 3 ， 7 1 9 2 2 j c m f t o n , j m f e r r e r o , a m p h o r o u s a n d c r y s t a l l i n e s i l i c o nc a r b i d e i v , s p r i n g e r ，b e r l i n , 1 9 9 2 ，1 7 6 【2 3 】m i c h a u d h r y , w b b e r r y , i n t , e l e c t r o n i c s ，1 9 9 1 ，7 1 ，4 3 9 【2 4 】j a e d m o n d , j r y u ，j t g l n s s ，j e l c e t r o c h e m s o c ，1 3 5 ( 1 9 8 8 ) 3 5 9 【2 5 】s kl e e ，l o wr e s i s t i v i t yo h m i ct i t a n i u mc a r b i d ec o n t a c t st on a n dp - t y p e4 h - s i l i c o n e a r b i d e ，s o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s 4 4 ，2 0 0 0 ，11 7 9 【2 6 】m w c o l e ，e c j o s h i ，f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fp u l s el a s e rd e p o s i t e dn i 2 s io h m i c c o n t a c t so nn - s i c f o r h i g hp o w e r a n d h i g l lt e m p e r a t u r e d e v i c e a p p l i c a t i o n s j a p p l p h y s 8 ( 8 9 ) 2 0 0 1 2 7 尚也淳刘忠立孙国胜，固体电子学研究与进展，2 0 0 5 ，2 5 ，4 8 9 - - 4 9 3 9 四川大学硕：r 学位论文 第二章金属一半导体接触原理 固体表面具有与本体内部不同的晶态结构和电子结构，如果将不同物质的 固态物体相互紧密靠近，其接近的方式可以多种多样，比如焊接，合金化和各 种真空镀膜法，形成各种不同形式的接触，继而产生不同的物理性质。半导体 p - n 结的许多特性也可由金属一半导体结实现。金属一半导体结的制作工艺很 简单，特别适合于高频整流，也可应用在非整流场合，如欧姆接触等，是很有 吸引力的一种结构。本章要讨论的就是金属和半导体形成的整流接触和欧姆接 触及各自的电学特性。 2 1 金属一半导体接触 2 1 1 金属和半导体的功函数 半导体中的电子数目是非常多的，在一定的温度下电子不停的做无规则的 热运动，电子受内部晶格或者外部的作用后会吸收一定的能量，在不同的量子 态之间进行跃迁。对于一个电子，它的能量是不确定的，但是从大量电子的整 体来看，在热平衡状态下，电子按能量的大小具有一定的分布规律性。根据量 子统计理论i ，服从p a u l i 不相容原理的电子遵循f e r m i 统计规律。对于能量为 e 的一个量子态被一个电子占据的几率为 l 厂( e ) = 1 _ ( 1 ) 1 + e x p 苛) 其中，上0 称为费米能级，它和温度，半导体的导电类型，杂质的含量以 及能量零点的选取有关。 功函数是指一个电子从费米能级上升到金属表面外静止状态( 真空能级) 所需的能量。功函数的大小标志着电子在金属或者半导体中束缚的强弱。金属 的功函数一般用来表示，纯表示半导体的功函数。如下图2 1 。 1 0 四j i i 大学硕：b 学位论文 图示2 1 ( a ) 半导体的功函数图，( b ) 金属的功函数图 ( a ) ( b ) 都是在理想的表面情况的能带图，真空能级为连续的 影响功函数的主要因素有体内的晶格势场和表面的界面态。一般情况下， 表面原子周围的电子层相对于原子核是不对称分布的，因此正电荷与负电荷对 称中心不一致一原子具有电负性，结果在表面就会形成偶极层。如果偶极层单 位面积有电偶极矩p ，那么表面外真空与晶体内部具有数量为p o 的电势差， 该电势差对功函数的影响起着重要作用。 界面态( 理想半导体) 是由晶格的完整周期性在晶体表面突然中断而产生 的，薛定鄂方程有解存在，这些解对应着半导体中禁带内的能级和波矢k 的虚 值，对应的波函数是损耗波，随着距离指数性的衰减，因此，它们在空间是局 域化的，并且在完整的半导体中仅存在于表面一表面态。它们的形成具有连续 能量范围的二维带，而且该带可以与价带或导带相重叠；然而，只有落在禁带 中间的那些带在接触现象中起主要作用。这一类表面态通称为本征态。组 成本征态的波函数是从构成无限晶体的价带和导带的波函数引出来的，因此， 表面附近的价带和导带的态密度减小弘j 。由此可知，如果表面态的带被部分填 满时，只有靠调节来补充的电子才能使表面成为电中性，由此引出中性能级仇 的概念。中性能级即表面是电中性时表面态被填满的能级。如果以下的态是 空的，表面有净正电荷；而纯以下的态是填满的，则表面有净负电荷。中性能 级的存在对金属和半导体的功函数影响很大。 2 1 2 金属一半导体接触电势差 四川大学硕士学位论文 因为半导体分为n 型或者p 型，因此m s 接触分为m s ( n ) 和m s ( p ) ， 下面我们首先考察金属一半导体( n 型) 接触。假设，金属和半导体功函数的 关系为 仍，半导体的电子将向金属流动，使金属表面带负电，而在半导体 一边留下一层由电离施主构成的带有等量电荷的正空间电荷区，如图2 2 所示。 0 ；眵 m 0 ：囝国 s 国 。 0 0 空闻电 荷屡 t 悼e n i 。 甲5 石 图示2 2 ：金属半导体结及其能带图 如果以费米能级所在的位置为零势，则半导体表面电子的电势能增加，能 带向上弯曲，金属则相反，继而引起金属和半导体电势的变化，直到接触两边 的费米能级处于统一水平线上。它们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的 不同，电势差的大小由功函数确定： k 一圪：盟玉( 2 ) g 其中金属中电子朝向半导体的势能为g 丸= 丸一zd i ，半导体一边为 g = 一g 屹= 一织，这种结具有整流特性，该特性首先由肖特基讨论，因此， 这种m s 结通常称肖特基结，杰，也被称为肖特基势垒。 2 2 接触势垒及界面态对欧姆接触的影响 2 2 1 肖特基接触 理想的肖特基接触是指当金属和半导体( 这里指1 1 型) 接触时，半导体中 电子的亲和势小于金属的功函数或者具有界面态：费米能级钉扎1 4 1 。在金属一 半导体接触中，m s 界面结构对器件的特性起着非常重要的作用。在过去的几 十年，对于m s 界面肖特基势垒形成机制的理解进展很小【5 l ，仍然认为功函数 1 2 四川大学倾j ：学位论文 和界面态密度( 引起费米能级钉扎) 对肖特基势垒高度起主要作用o j ，但是缺 乏强有力的实验证据。也有人把肖特基势垒归结与m s 界面的电偶极层有关， 意味着s b h 与界面结构有着非常紧密的联系，但是，却没有引起广大科研工作 者的重视，主要原因有两个：l ：位于m s 界面的多晶和其他晶格缺陷使界面 的原子结构变得非常复杂，很难用实验去研究。现存的肖特基模型都没有建立 起和界面结构之间的联系，但并不是说和界面结构没有关系，而是因为太复杂 很难去研究。2 ：对于肖特基势垒高度的一致性缺乏认识。肖特基势垒高度的一 致性和肖特基势垒形成机理之间有很重要的联系。例如：如果s b h 和界面结构 有关，在m s 界面的s b h 应该有一个变化的范围，因为处于界面的原子结构 不一样。如果是费米能级钉扎，对于肖特基二极管应该具有相同的肖特基势垒 高度。下面我们将主要讨论上述谈到的和s b h 有关的几个因素。 2 2 2 欧姆接触及其形成机理 欧姆接触是金属与半导体在特定条件下的接触，接触电阻相对于半导体的 体电阻或扩散电阻可以忽略不计，良好的欧姆接触具有非常完美的线性i v 对 称性和低的接触电阻率。与金属接触的半导体可能是n 型或者p 型，在实际应 用中最重要的是n 型半导体的接触，并且在大多数情况下