（微电子学与固体电子学专业论文）p型sic欧姆接触高温可靠性研究.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 本文针对p 型s i c 欧姆接触在高温应用时的可靠性问题，结合欧姆接触的量子 隧穿形成机制，提出了用a i 多晶硅复合层结构作为p 型s i c 外延层的欧姆接触的 方法。主要研究内容如下： 1 ) 对在p 型s i c 上实现欧姆接触的工艺方法进行了分析，讨论了如何克服 费米钉扎等关键问题；其次，从材料、工艺两方面总结了如何提高接触可靠性的 方法； 2 ) 介绍y s i c 的特性、实验所用到的仪器、比电阻和可靠性的测试方法，并 以3 c s i c 欧姆接触的测量为例，具体讲述提高精度的测量方法； 3 ) 对p 型s i c 欧姆接触形成机制进行了研究。首先介绍了费米钉扎效应的形 成及工艺上的消除方法；其次对合金理论和空位理论进行了分析；最后提出了一 种新的基于量子力学的纳米隧穿形成机制，并对失效原因进行了讨论； 4 ) 采用r f 辅助热丝c v d 方法( r f + t t f + c v d ) 在单晶硅衬底上生长大面积p 型 3 c s i c 薄膜，所制得样品结构为s i s i c ；并提出用a i 多晶硅复合层结构作为p 型 s i c p b 延层的欧姆接触。 关键词：碳化硅；欧姆接触；比电阻；高温可靠性；费米钉扎；隧穿效应；纳米 多晶硅 兰型查兰堡主兰垒堡苎型璺竺l a b s t r a c t c o n c e r n i n gp r o b l e m s 0 1 1 1 r e l i a b i l i t yo fp - s i co h m i cc o n t a c tu s i n ga th i 曲 t e m p e r a t u r e ，c o m b i n i n gq u a n t u r nt u n n e l i n gm e c h a n i s mo fo h m i cc o n t a c t ，t h i sp a p e r g i v e so h m i cc o n t a c tm e t h o d ，i nw h i c hm u l t i p l eb e dc o n f i g u r a t i o no f a lo rp o l y s i l i c o n i su s e dt ob ee p i t a x i a ll a y e ro fp - s i c t h em a i nr e s u l t sa l em a d ei nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 ) f i r s t , t e c h n i q u eo fo h m i cc o n t a c tu s e do np - s i ci sa n a l y s e da n ds o m ek e y p r o b l e m so ff e r m ip i n n i n ga n d s oo na l ed i s c u s s e d ；a n dt h e nh o wt of m i h a l l c e c o n t a c t i n gr e l i a b i l i t yi ss u m m e du pt h r o u g hm e t h o do f t w oa s p e c t sa b o u t m a t e r i a la n d t e c h n i q u e 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fs i c 、a p p a r a t u su s e di nt h ee x p e r i m e n t 、s p e c i f i c r e s i s t a n c ea n dm e t h o l do fr e l i a b i l i t yt e s t i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i lr e s p e c t i v e l y , a n d t h em e a s u r e m e n to f3 c s i co h m i cc o n t a c ti su s e da sa ne x a m p l et od e s c r i b et h e m e a s u r i n gm e t h o do f e n h a n c i n gp r e c i s i o n 3 ) h o wt of o r ms i co h m i cc o n t a c ti ss t u d i e d f i r s t l yf o r mo ff e r m ip i n n i n g e f f e c ta n de l i m i n a t i n gm e t h o dw i t ht e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e d ；t h e na l l o yt h e o r ya n d c - v a c a n c yt h e o r y a r e a n a l y s e d ；f i n a l l yan e wn a n o m e t e rt u n n e l i n g f o r m a t i o n m e c h a n i s mi sg i v e nt h a ti sb a s e do nq u a n t u mm e c h a n i c s ，a n dt h ei n e f f e c t u a lr e a s o n s a r ed i s c u s s e d 4 ) a m e t h o dt h a tc o r n b i n e sr a d i of r e q u e n c y ( a t ) p l a s m a 谢t l lh o tf i l a m e n t ( a 1 9 c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c v d ) t o g e t h e rh a sb e e nu s e dt op r e p a r e3 c s i cf i l m ；a n d m u l t i p l eb e dc o n f i g u r a t i o no f a l o rp o l y s i l i c o ni su s e dt ob ee p i t a x i a ll a y e ro f p - s i c k e y w o r d s ：s i l i c o nc a r b i d e ；o h m i cc o n t a c t ；s p e c i f i cr e s i s t a n c e ；h i 曲t e m p e r a t u r e r e l i a b i l i t y ；f e r m ip i n n i n g ；t u n n e l i n ge f f e c t ；n a n o m e t e rp o l y s i l i c o n 兰州i 火学硕上学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名，垂盐日期：型雩l 立l 兰州i 大学硕二l 学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：腧另师签名： 习南 日期：- 趋丑：皇2 兰州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 碳化硅( s i c ) 具有独特的物理性质和电子学特性，是宽带隙为2 o 7 0 e v 的半导体材料。s i c 器件及其电路主要是针对常规硅器件无法应用场合的重要补 充，所以目前最感兴趣的应用研究是将s i c 器件用于常规硅无法应用的场合，如 高温、高压和高腐蚀性环境等。基于上述考虑，在研究s i c 器件时，器件在特殊 环境下的可靠性问题是决定s i c 器件能否得到实用化的重要因素之一。欧姆接触 是s i c 器件制备的重要工序，也是影响器件高温工作的主要制约因素。p 型s i c 欧 姆接触由于存在费米钉扎效应，仍需进一步研究。 目前，碳化硅材料已经商品化，国内外研究人员利用碳化硅材料研制成功各 种碳化硅器件【，并表现出优异的性能。然而，由于碳化硅材料价格较昂贵， 而且大面积的单晶碳化硅材料的生长仍然较困难，碳化硅的工艺相对于传统的硅 材料也困难得多，这些都阻碍了碳化硅器件实用化的步伐，大部分碳化硅器件仍 停留在实验室研究阶段。 为了降低成本，研究者希望仅仅在做器件的区域用碳化硅材料，而在衬底等 其它部分用单晶硅等价格低廉的材料代替，这样既可以发挥碳化硅材料本身的优 势，又可以降低材料的成本。在单晶硅衬底上外延碳化硅薄膜所获得的s i s i c 材 料成本较低，同时仍然具有碳化硅材料在高温、大功率、高频和抗辐射等方面的 优势，在器件制造、x 射线掩膜、微机械系统等领域具有大的应用潜力。但要使 这种材料直接应用到微电子领域大规模的生产中，仍存在若干工艺难题，其中主 要问题之一是如何获得良好的欧姆接触。欧姆接触的质量直接影响器件的效率、 增益和开关速度等性能指标，不良的欧姆接触使器件的工作性能和稳定性受到限 制。 当今对碳化硅欧姆接触方面的研究工作主要集中在体材料上，如x f f n 型4 h 、 6 h s i c ，接触物质主要是金属( 包括a l 、t i 、c o 、n i ) 和硅化物等1 7 , s , 9 ，这些 接触一般是淀积在掺杂为1 0 1 6 1 0 1 3 锄4 的s i c 衬底上，针对不同的材料采取相应 兰闸大学硕士学位论文第一章绪论 的合金温度，比接触电阻率可达1 0 4 1 0 d c m 2 。而对p 型s i c 的欧姆接触，一般 认为，在p - s i c 半导体上形成欧姆接触是菲常困难的。因为有大的肖特基势垒高 度，并且商掺杂的p 型s i c 材料难以实现，经过1 0 0 0 以上高温退火，比接触电阻 率可达l o - 2 1 0 。d c m 2 【1o ，1 1 】。j u n ge ta 1 ( 2 0 0 2 ) 【l l l 认为p 型4 h s i c 衬底上用金属n 实现欧姆接触，但n 在大气环境下极易氧化。相比之下，用金属a l 的工艺更为成 熟，目前用金属舢与p 型s i c 材料欧姆接触方面研究的重点主要是如何控制淀积工 艺、合金温度等，使其在p 型s i c 材料的掺杂浓度不是很高的情况下，仍能获得比 较理想的接触特性。 1 2 研究现状 1 2 1p 型s i c 欧姆接触的工艺方法 欧姆接触具有线性的电压电流关系；相对于器件尺寸来讲，可忽略电阻。 好的欧姆接触需要低的肖特基势垒高度【嘲。最常用的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。但对于新材料来说，很难做到高 掺杂，而且这种方法做出的最小接触电阻也受限于掺杂浓度。事实上，许多情况 下，退火是形成稳定的势垒高度和低的漏电流的好办法，同时退火是形成欧姆接 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。对p 型 来讲，最后一种方法需要一个具有高的功函数的金属与之匹配【1 3 】。 在研究p 型s i c 欧姆接触工艺问题时，用p 型s i c 材料做欧姆接触受到费米钉 扎效应的影响，所以需考虑克服费米钉扎的问题。而解决该问题的方法是通过减 少态密度来消除界面费米钉扎。例如，可用化学方法钝化半导体表面，以解决氢 悬挂键问题，h p h f 缓冲控制p h 或沸水法【1 3 】。 一、高掺杂法 1 ) 利用隧道效应原理获得欧姆接触 重掺杂的p n 结可产生显著的隧道电流。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。 2 ) 欧姆接触的制作 2 兰州大学硕士学位论文第一章绪论 在n 型或p 型半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触，形成- n n 或金属 一f p 结构。由于有n + 和p + 层，金属的选择就比较自由。舢常被用作p 型s i c 的欧姆 接触。形成s i c 欧姆接触的最普通方式是a l 淀积和随后的高温退火。但是，a l 接 触并不适合在高温下应用。为了缓解这一问题，发展了其它的金属接触，如s i c o 、 m o 、n 和t a ，以避免a l 的负面影响【1 4 1 。 p 型6 h - s i c 高掺杂，浓度为1 4 x 1 0 1 3 c m 3 ，与a v i i 欧姆接触，1 6 5 0 。c 高温退火， 得到阻值为l o 。1 0 4 0 c m 2 【”l 。另有p 型6 h s i c 更高的掺杂研究认为：当搀杂浓度 为2 x 1 0 1 9 锄4 时，阻值为1 5 x 1 0 4 m r l l 2 。还有研究表明，当c o s i 2 的掺杂浓度为 2 x 1 0 1 9 c m 。时，阻值为1 0 q c m 2 【1 6 l 。 二、退火法 退火条件对接触的电学、热学、化学特性有决定性影响。为了克服高温退火 所造成的负面影响，目前研究的退火主要是在相对低的温度下( 7 e v ) 的材料。对于m 5 e v 的不同金属，如n i 、p t 、p d 都已有用来做欧姆接触的研究【1 7 1 。另外，还有 一种基于a 1 s i 的新结合物的欧姆接触。a i s i ( 2 ) 1 i ( 0 1 5 ) 材料蒸发到p 型4 h 。s i c 上，在7 0 0 。c 9 5 0 c 之间退火形成理想的欧姆接触，在9 5 0 。c 时，退火5 m i n ，可 得最低阻值为9 6 x 1 0 4 q c m 2 。研究表明，钛的加入能减小接触电阻，提高热稳定 性。另外，用n 或w 同p t 或a u 形成的合金材料，具有明显的高温稳定性，但采 用这些合金材料形成的接触电阻值偏大1 6 1 。 1 2 2 高温可靠性方面的研究 s i c 在高温下工作的能力不仅取决于材料自身的发展，如净化、结构和特性， 兰州大学硕士学位论文 第一章绪论 而且也取决于相关的设备单元，如欧姆接触、绝缘层、相互连接、封装技术等”9 1 。 已研制成功工作温度超过3 0 0 x 2 的s i cp n 结二极管、m o s f e t 、j f e t 、b j t 及晶闸 管等器件刚。当这些未进行封装的器件在6 0 0 1 2 空气中工作时，其合金部位所发 生的化学变化，使其工作寿命仅为几小时；但在无氧环境下，器件的寿命则很长。 显然，研究可靠的内部连接、钝化及封装技术，对s i c 器件能否在恶劣条件下工 作极为重要。由于要求s i c 器件能正常工作于强电场和高温状态下，所以氧化与 表面钝化的可靠性便成为又一个严重问题。 对于p 型s i c 欧姆接触的热稳定性已有研耕1 羽，其结果表明，能稳定工作的 温度主要集中在5 0 0 和低于5 0 0 ，即4 0 0 、3 0 0 2 、2 0 0 ，工作环境为氮气， 寿命测试时间均低于1 0 0 - j , 时。可见，高温环境中，p 型s i c 欧姆接触的可靠性问 题需给予一定的重视。 一、退火温度 热稳定性好的欧姆接触一般要在高温下退火，但退火温度太高，会在接触界 面引入热应力等负面因素。为此，k a s s a m a k o v ac ta 1 ( 1 9 9 9 ) 【1 4 1 研究的p d s i c 接 触的高温可靠性问题所对应的样品退火温度为6 0 0 7 0 0 c 之间。测试环境：氮 气下5 0 0 x 2 ，持续1 0 0 d 、时；6 0 0 c 退火对应样品的接触电阻率为3 2 x 1 0 4 q c m 2 ， 可维持4 小时。8 d , 时后，电阻率升至3 2 x 1 0 。i a c m 2 ，2 4 + 时后升至4 1 x 1 0 2 9 2 c m 2 。 6 5 0 c 退火对应的样品电阻率为2 9 1 0 4 q 跚2 ，8 d , 时后升至4 7 x 1 0 4 9 2 c m 2 。只 有在7 0 0 c 退火得到的样品电阻率一直保持不变，为5 7 x l 旷( k m 2 。故仅有7 0 0 c 退火得到的欧姆接触可在5 0 0 c 时保持1 0 0 d 、时稳定。分析实验结果表明，高的退 火温度可使p d 接触层和s i c 表层完全反应，所以电阻率稳定。而6 0 0 c 和6 5 0 退 火，没有完全反应的淀积p d 会继续化学反应，所以接触热稳定性达不到应用的要 求。 二、加保护层 l e ee ta t ( 2 0 0 2 ) 【2 1 1 的研究结果表明，在欧姆接触工艺后蒸发一层a u 或p t 可起到保护作用，所得到的样品在真空6 0 0 0 下能稳定l o o d 、时以上。 三、多层金属做为接触材料 欧姆接触要具有良好的力学性质，因而在制作过程和后续工艺或使用过程中 4 兰：i l f 大学硕士学位论文第一章绪论 必须粘附坚固。通常对于单层金属接触形成的s i c 欧姆接触，由于器件制备中接 触层与s i 的化学反应或原子间的扩散，使之很难满足应用要求。因此，制备高温 s i c 欧姆接触较好的办法是采用a u 难熔金属s i c 的多层接触系统。在多层接触系 统中，由于难熔金属( 如c r 、n i 、n 、，i 拥w ) 与s i c 形成的碳化物或硅化物变 成致密和坚固的接触层，使a u 难以越过这阻挡层向下扩散，因而接触的物理、 化学和电学性质非常稳定。 k a k a i l a k o ve ta 1 ( 2 0 0 1 ) 【1 8 l 研究了6 0 0 时a f s i s i c 和a i s i t d s i c 接触的热稳 定性，试验在6 0 0 氮气中测试1 0 0 d , 时发现，a l s s i c 接触，在2 4 d , 时内保持初 始值为2 4 1 0 4 d c x n 2 ，之后上升到6 2 x 1 0 4 2 c m 2 。测试时间增加，导致性能恶 化，f o o d , 时后，恶化程度严重。而砧s n i s i c 接触在寿命测试温度稳定运行1 0 0 小对阻值没有变化。试验结果表明，在接触材料中加t 阃f 提高热稳定性，确保高 温应用。 1 3 本论文主要工作 本学位论文综述了国内外p 型s i c 欧姆接触在高温可靠性方面的研究进展； 讨论了p 型s i c 的欧姆接触实现方法和影响欧姆接触高温可靠性的原因。针对纳 米级材料对隧穿几率的增强作用，开展了用a i 多晶硅复合层结构作为p 型s i c 外延层的欧姆接触的研究。主要研究内容如下： 首先，在第二章中介绍了s i c 的特性以及它和s i 性质的比较；其次详细描述 了实验所用到的仪器；再次提出了比电阻和可靠性的测试方法；最后为了提高测 量精度，以3 c s i c 欧姆接触的测量为例进行了研究。 在第三章中对p 型s i c 欧姆接触形成机制进行了研究。首先介绍了费米钉扎效 应的形成及工艺上的消除方法；其次对合金理论和空位理论进行了分析；最后提 出了一种新的基于量子力学的纳米隧穿形成机制，并对失效原因进行了讨论。 在第四章中采用r f 辅助热丝c v d 方法( r f + h f + c v d ) 在单晶硅衬底上生长 大面积p 型3 c - s i c 薄膜，所制得样品结构为s 淤i c 。对所制得的样品研究其欧姆 接触方面的特性时，先用a l 金属直接作为接触材料，淀积在所制备的样品上，通 过调节合金温度等，获得不同退火条件下a f s i c s i 样品，对它们的i - v 特性进行 了分析；另外，考虑到p 型s i c 之所以不能很好地与a l 形成欧姆接触的主要原因， 设想在金属与p 型s i c 之间，加一个过渡层，要求这个过渡层不能影响载流予的运 兰州大学硕士学位论文 第一章绪论 动，同时又有降低与金属接触势垒的作用：综合以上考虑，在本文中提出用a l 多晶硅复合层结构作为p 型s i c 外延层的欧姆接触。在文中对这种结构的实现工 艺、测量结果和工作原理进行了详细介绍，并对同样退火条件下的两种a i p s i c 样品的欧姆接触特性进行了对比分析。 最后，在第五章中对本论文研究工作进行了阶段性的总结。 6 兰州大学硕士学位论文第一二章s i c 欧姆接触 第二章s i c 欧姆接触 本章介绍了s i c 的特性、实验所用到的仪器、比电阻和可靠性的测试方法， 并以3 c s i c 欧姆接触的测量为例，具体讲述提高精度的测量方法。 2 1s i c s i c 半导体材料是继第一代元素半导体材料( s i ) 和第二代化合物半导体材 料( g a a s 、g a p 、i n p 等) 之后发展起来的第三代宽禁带半导体材料，它具有带 隙宽、临界击穿电场高、热导率高、饱和电子漂移速率高、介电常数小、抗辐射 能力强和化学稳定性好等独特优点，因此在高温、高频、高功率、光电子及抗辐 射等方面具有巨大的应用潜力。 2 1 1s i c 同素异构体 s i c 材料具有众多的同素异构体，其中3 c s i c 、6 h - s i c 和4 珏- s i c 是相对比较 成熟的半导体材料。3 c s i c 是高温、大功率和高速器件的首选材料。6 h s i c 应用 在光电子学、高温电子学、抗辐射电子学和高频大功率器件领域。4 h s i c 带隙比 6 h - s i c 宽，电子迁移率接近3 c s i c ，是大功率器件方面最有前途的材料。 由于单晶s i c , , 1 备通常在较高温度下进行，因而工艺复杂、成本过高，同时 得到的单晶s i c 晶体中杂质较多，严重的限制了其应用程度特别是在微电子器件 上的应用。因此，在低温下沉积高质量的单晶s i c 薄膜成为了国内外研究的一个 重要课题。在s i c 的同素异构体中，3 c s i c 是唯一具有闪锌矿结构的半导体，其 电子迁移率是半导体中最高的，其高热导率和高临界击穿电场预示着可以得到高 的器件密度，因此3 c s i c 是高温、高功率和高速器件中的首选材料。 2 1 2s i c 与s i 的比较 随着功率器件、微波器件的不断发展，传统的s i 材料由于材料本身的性能缺 陷，在此领域越来越显示出一定的局限性。而同时，s i c 材料近年来在材料制备、 外延生长等方面的突破性进展使其成为国内外半导体行业的研究热点。 s i c 作为一种高温结构材料，具有一系列与金刚石相似的性质，如较高的硬 度、大的高温强度、优越的耐腐蚀性、良好的导热性、较小的膨胀系数、强的抗 ， 兰州大学硕i ：学位论文 第二章s i c 欧姆接触 氧化性等优良特性：同时，作为一种高温半导体材料，s i c 具有比s i 优越得多的 热稳定性和耐高温性，具有较高的击穿电场及较宽的能带结构。表2 1 为主要s i c 异构体与s i 的性质比较f 1 2 】 表2 1 主要s i c 异构体与s i 的性质比较 性能3 c s i c6 h 。s j c 4 h s i cs i 点阵常数( a ) 4 3 5 9 口= 3 0 8 1口= 3 0 8 1 5 4 3 1 c = 1 5 0 9 2c = 1 0 0 6 1 熔点( o c ) 3 1 0 0 升华 3 1 0 0 升华 3 1 0 0 升华 1 4 2 0 优优优 好 物理稳定性 最高工作温度( o c ) 1 2 5 01 5 8 01 5 8 06 0 0 热导率( w c m o c ) 5 4 9 4 9l 5 4 64 64 63 8 热膨胀系数( 1 0 c ) 能隙( e v ) 2 2 33 0 23 2 6 1 1 1 电子迁移率 ( r t ) ( 硎2 v s ) 1 0 0 0 4 0 01 1 4 01 5 0 0 空穴迁移率 5 05 0 5 06 0 0 ( 1 0 0 矿c 脚) 击穿电场 ( 1 0 6 v c m ) 23 2 3 oo - 3 饱和电子漂移速度 2 22 02 ol ( 1 0 7 矿c m ) 9 7 1 0 09 61 1 8 介电常数 从表2 1 可以看出，与成熟的半导体材料s i 相比。虽然s i c 的电子迁移率 和空穴迁移率比较低，但其它的性质普遍比较优越。其中，3 c - s i c 的饱和电子 漂移速度是s i 的2 2 倍，热导率是s i 的3 倍多，且都比同为s i c 同素异构体的 6 h s i c 和4 h s i c 高。较高的饱和电子漂移速度决定了3 c s i c 器件具有优良的 兰州大学硕士学位论文第二章s i c 欧姆接齄 微波特性，同时，高的热导率有利于器件散热，这两个特性结合在一起，器件的 承受能力将大大提高，因此，3 c s i c 在高温高频器件方面具有广泛的应用前景。 2 2 测试方法 下面介绍本试验中用到的实验仪器和参数测试方法。 2 2 1 实验仪器 一、二次质谱测试仪( s i m s ) s i m s 是用几个k e v 能量的离子束轰击样品，用磁偏转质量分析器分析二次离 子质量，通过扫描或直接成像的方式，获得试样表面某种元素二维分布图像，结 合氢离子枪的逐层剥蚀得到深度分布信息，对二维及三维成分分析及杂质分析。 主要用来测量掺杂原子在靶中的浓度分布情况。 二、原子力显微镜( a f m ) a f m 用于分辨出样品表面的个别原子对力敏感的易弯曲度。悬臂上的尖端 对样品表面作光栅扫描，悬臂与样品表面的力的作用造成悬臂的微小偏转。这种 偏转被检测并用作反馈信号。通过保持力的恒定，可获得恒力形貌图。主要用来 观察表面粗糙度。 三、透射电子显微镜( t e m ) t e m 主要用来研究样品表面起伏不平、各部分对电子散射能力不同、晶态 薄膜中各种对电子衍射敏感的微观结构，以及研究晶体缺陷和相变等问题。主要 用t e m 研究金半接触界面的完整性。 四、扫描隧道显微镜( s t m ) 扫描隧道显微镜s t m ，利用它来观察和分析更精细的结构。这种显微电镜的 原理很简单。由金属制作的可移动的探针在真空室内靠近被测表面，直到观察到 有隧道电流产生。表面到针尖的距离由隧道电流加以控制。如果电流保持不变， 则通过调节针尖的位置就能判断被测表面结构。实际上，这个间距可以通过压电 器件来控制。通过附加电压使测量针尖侧向移动，因而可观测到的试样上的区域 是很小的。 扫描隧道显微镜还可以用来写( 构建) 物理结构。采取适当的操作步骤，s t m 的测试探针可以拾取单个原子并把它们重新排列到另外某个位置。利用这种方 法，已经可以用原子写成一条线或者写成字母。这种技术的最终目标是在表面或 9 兰州大学硕士学位论文第一二章s i c 欧姆接触 晶体内的特定位置沉积原子。 五、x 射线衍射谱分析 当用x 射线照射样品时，会在各晶面上产生反射及相互之间的干涉，只有 在满足下列条件时，可以观察到由于干涉而加强的衍射峰，在其它方向上则由于 干涉相消而不出现衍射峰。 2 d s i n 0 = n 2 ( 2 1 ) 、 弋涂力 7 图2 1x 射线的衍射原理 图2 1 简单地表示了衍射和干涉之间的关系。若用一束波长为五的单色x 射 线照射，并测出产生衍射时的p 角，可以从上式求得晶面间距d 。对于粉末或多 晶试样，均以n = l 求d 。 晶面间距一般为物质的特有参数，若能对某一物质测定数个d 及其相对应的 衍射峰的强度，就能对该物质进行鉴定。 本实验中的x r d 测量是采用r i g a k ud m a x i i i c ( c uk i 射线) 型x 射线 衍射仪和s i e m e n s d 5 0 0 5 ( c u k 0 l 线) 型x - 射线衍射仪完成的。 六、x 射线光电子谱分析 x 射线光电子谱( x p s ) 的最显著特点是它不仅能测定表面的组成元素，而 且能确定各元素的化学状态。 众所周知。电子是被束缚在各种不同的量子化能级之上，当用一定波长的光 照射样品时，会激发出光电子，其结合能根据能量守恒定律导出： = h v e( 2 2 ) 式中磊为电子动能，矗 为光子能量。光电子激发过程如图2 2 所示。 l o 兰州大学硕士学位论文 第二章s i c 欧姆接触 图2 2 光电子激发示意图 严格地说，式( 2 2 ) 必须考虑对电子动能的相对论修正和发射电子的原子 的反冲能，但在一般情况下，这些量都可忽略不计。另一个值得注意的问题是。 对于固体来说，结合能是相对于费米能级来说的，如果简单地采用公式( 2 2 ) ， 由于不同实验室和分析器所测得电子动能可能不同，由它导出的电子结合能就可 能不一致，这是由于逸出功不同所产生的。为了理解这个问题，我们用图2 3 来 表示这些能量关系。当样品与分析器相连接时，在相同的温度下，它们的费米能 级是相同的，这时由能量守恒定律得到的结果是： h v = 局+ 允+ e 。( 2 3 ) t e k ， v自由电 t 子能级 e k 自由电 l 巾。 r 罕自鲤野 h vi ：| ：十， 一 ，“ ，o n 价带 ， 上e b 图2 3x p s 的测量原理 兰州大学硕士学位论文 第= 章s i c 欧姆接触 其中历为相对于费米能级的电子结合能，矗为样品的功函数，e 是电子从 样品逸出时的动能。 电子进入能量分析器时，会受样品和能量分析器之间的接触电势差的作用加 速或减速。设如为能量分析器的功函数，由图2 3 可以看出 ， e k + 争。= e k + 争| 所以电子的动能为： ， e k = e k + 多。，一母|q 将( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) ，可以得到电子的结合能为： e b = h v 一臣一九 ( 2 5 ) 这里矗哟激发光源的能量，是已知量；能量分析器功函数如一般为几个电 子伏，也是已知量。因此，由能量分析器测量出光电子动能岛后，电子与原子 的结合能历便完全确定下来了。 本实验所采用的x p s 测量是在p h i - 5 7 0 2x p s 多功能表面分析系统中完成 的，实验中选用m g 磁激发源，通过能量为2 9 3 e v ，入射角为4 5 0 ，激发功率为 2 5 0 w 。为了进行深层剖面分析，利用离子枪对样品表面进行了溅射剥离及原位 x p s 测量。氩离子枪溅射时，加速电压为2 5 k v ，离子流密度为2 0 h a e r a 2 ，溅 射面积为l x ln l n l 2 。在进行x p s 测量过程中，分析室的真空度保持在5 x 1 0 4 p a 。 用c l s 2 8 4 6 e v 对x 光电子谱仪进行校对。采用p h i m u l t p a k 软件系统进行数 据处理。 七、红外吸收光谱分析 红外吸收( 或反射) 和拉曼光谱方法都是研究晶格振动的重要方法，它们各 有所长，并相互补充。红外吸收光谱法是利用物质对红外光区辐射的选择性吸收 特性进行物质成分分析，定性鉴定和定量测定的一种分析方法，又称为红外分光 光度分析法。 当用红外光照射样品时，由于红外光能量大小与物质中原子的振动能级在数 量上相当，因而能引起原子振动能级的跃迁，而产生红外吸收光谱。但并非任何 原子振动都能产生红外吸收光谱，只有在振动的周期内发生偶极矩变化的振动才 能产生红外吸收光谱。同时，由于振动能级的跃迁不可避免地伴随着转动能级的 兰抖f 大学硕士学位论文第二章s i c 欧姆接触 跃迁，因此，红外吸收光谱不是简单的吸收线而是呈现为吸收谱带。这些特征反 映了物质的组成和结构。因而，根据红外吸收光谱，可以对物质进行定性和定量 分析。 本实验中，利用s y s t e m2 0 0 0 型p e r k i n - e l m e rf t i r 光谱仪测量了样品在远红 外波段的红外吸收谱。 八、拉曼光谱分析 用单色光照射透明样品时，光的绝大部分沿着入射光的方向透过，只有一小 部分会被样品在各个方向上散射。当光子与物质分子发生弹性碰撞时，产生瑞利 散射，散射光的频率与入射光频率相同。当光子与物质分子发生非弹性碰撞时产 生拉曼散射。拉曼散射的谱线对称地分布于瑞利线的两侧，散射光的频率低于或 高于入射光的频率，其中频率较低的称为斯托克斯线，频率较高的称为反斯托克 斯线。斯托克斯线或反斯托克斯线的频率与入射光频率之差v ，称为拉曼位移， 对应的斯托克斯线与反斯托克斯线的拉曼位移相等。斯托克斯线的强度比反斯托 克斯线强得多。 同种物质分子，随着入射光频率的改变，拉曼线的频率也改变，但拉曼位移 v 始终保持不变，因此拉曼位移与入射光频率无关，它与物质分子的振动和转 动有关。不同的物质分子有不同的振动和转动能级，因而有不同的拉曼位移。利 用拉曼光谱可对物质分子进行结构分析和定性检定。 本实验中的拉曼散射测量是在j o b i n - y v o n 公司生产的t 6 4 0 0 0 型拉曼光谱仪 上进行的，用a r + 5 1 4 5n m 谱线为激发光源，束斑面积约为1 m 2 ，辐照在样品 上的功率控制在几个m w 以避免样品结构发生变化，分辨率为o 1c m i 。 九、卢瑟福背散射分析( 髓s ) 当一束准直的具有单一能量的口粒子( 4 h e + ) 或质子( 矿) 由加速器出射打 在样品表面时，束流中的离子将与表面或内部的原子进行碰撞而发生散射，其中 那些散射角大于9 0 。的粒子称为背散射粒子。根据力学中二体碰撞的规律可以知 道( 见图2 4 ) 当靶原子的质量m s 不同时，背散射离子的反射能量e l 也不相同， 用合适的探测器测定这些背散射粒子的能量和强度就可以确定待测靶的成分以 及它们的深度分布。这就是背散射方法的基本思想。 兰舟l 大学硕士学位论文第二章s i c 欧姆接触 一o 盘 m i j o 。7 ，v i e l m 2 图2 4 二体碰撞 背散射分析是一种无损测量，特别适用于轻基体上的重元素分析。对于薄膜 样品各元素的信号常常是分开的，当重元素的薄膜附在轻元素基体上时( 如稀土 和硅) ，其背散射谱如图2 5 所示。 计 数 h o e l 。e l 驻量 图2 5 重元素膜在轻元素衬底上时的背散射谱 本实验利用h vt a n d e t r o n 型加速器和串列式静电加速器分别进行了2 0m e v q - i e 2 + 和3 0 m e v7 i j 秘r b s 测量以确定硅化物层的厚度及原子的浓度分布，背散 射测量角度都为1 7 0 。 十、原位电阻率测量：四探针法 在二元合金的退火晶化过程中，有可能发生化合物相的转变，产生新的化合 物相或合金相。另一方面，薄膜的电阻率对合金相和结构相的变化非常敏感。这 是由于自由载流子在非晶与晶体中的输运和散射机制是不同的，而这种差别可以 通过电阻率的变化反映出来。通常人们对这一过程的研究大多采用两步进行，即 兰州大学硕士学位论文 第二二章s i c 欧姆接触 先进行热处理，然后再在室温下逐步进行测量分析【2 2 l 。很明显，这一过程限制 了实验温度范围。因为非晶晶体的转变发生在一个很窄的温度范围内，通过上 面介绍的两步测量，不但不能很好地反映整个晶化过程和相的转变，而且还直接 影响到了实验的精度。为了较为全面地研究稀土金属硅化物在整个热处理过程中 由于化合物相的转变而引起的电学特性的改变，b u k o ve ta 1 田】对稀土r e - s i 二元 合金薄膜进行了原位电阻率测量，发现当退火温度达到5 8 0o c 时，薄膜从非晶 转变成纳米晶，电阻率在该温度点发生突变。因此当非晶晶体发生转变时，通 过电阻温度曲线可以很好地确定相转变的具体温度点。 测量电阻率最常用的方法是四探针法，测量范围为l o 。1 0 4 d c m 。该方法原 理和设备简单，数据处理方便，测量时通常材料是非破坏性的。 一a 叫 图2 6 四探针测量电阻 如图2 6 所示，在无穷大的均匀样品上，探针等间距配置，有恒流源供给外 侧两根探针- - d 电流，测量中间两根探针问的电压。对厚度w 远小于a 或b 的 薄半导体样品，薄片电阻率由下式给出： p = ； 陀f 陋册】( 2 6 ) 式中c f 为校正因子，如图2 6 所示。在d 远大于j 的极限情况下( j 为探针间距) ， 校正因子为盎2 4 5 4 在样品无限薄的情况下，可视为二维平面，从上式可得 到面电阻率成为成= 4 5 4 二，这就是常用的方块电阻公式，肛的单位通常用f t , 表示。 本实验中，为了实现原位电阻测量，我们对传统的四探针测量方法进行了改 造以实现退火过程中的电阻测量，实验装置如图2 7 所示。 兰娴大学硕士学位论文第二章s i c 欧姆接触 图2 7 原位四探针测电阻 2 2 2 比电阻的测试方法 金属与半导体欧姆接触比电阻的测试手段主要有以下五种： 一、c o x 和s t r a e k 方法 c o x 和s w a c k 宅e 研究g a a s 材料的欧姆接触时，给出了一种测试方法，测试结 构是在半导体的外延面制各4 个不同半径的圆形电极，在半导体重掺杂的衬底面 制备大面积的电极，测试结构是纵向测试，不足的方面是不能测试小阻值的欧姆 接触电阻。 二、k u p h a l 方法 k u p h a l 在测试i n p 材料的欧姆接触时，用排列成线性的具有相同半径的4 个圆 形电极测量，也叫四探针法。测量电流是横向的，测量不够准确是其不足之处， 但是具有使用方便的优点。 三、k e v t n 方法 通过扩散或离子注入的方式制各交叉电桥，形成一种四端结构，这种方法的 精度很高，但是制备比较麻烦。 四、圆形电极t l m 方法 它是一种t l m 测试结构，电极是同心圆环形，测试是横向的，由于不需要 隔离，因而制备方法简便。但是要求电极的方块电阻很低，参数的计算方程也较 复杂。 1 6 兰：h l 大学硕士学位论文 第一二章s i c 欧姆接触 五、矩形电极t l m 方法 制备和测试较简单，但是测试结构需要隔离。 2 2 3 提高精度的测量 以3 c s i c 欧姆接触的测量为例，具体讲述提高精度的测量方法 一、t i 3 c - s i c 欧姆接触的制备 把所制得的3 c - s i c 衬底依次在浓h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 ，n h 4 0 h ：h 2 0 2 ：h 2 0 ( 1 ：1 ：3 ) 和 h c i ：h 2 0 2 ：h 2 0 ( 3 ：l ：1 ) 中加热煮沸，用稀i - i f ( 1 ：1 0 ) 漂掉样品正面s i 0 2 ，然后 用大量去离子水清洗，再用n 2 吹干。对s i c 衬底进行光亥0 ，为以下进行欧姆接触 测试图形的剥离作准备。为利于剥离，胶的厚度要求 1 5 t t m ，而且不进行坚膜。 在8 x 1 0 x p a 的真空下，在s i c 衬底上依次蒸发1 0 0 n m 的t i 和3 0 0 r i m 的a u ，其中雨的 蒸发时间控制在1 分钟之内，这样可以减少加热丝对胶的烘烤。蒸发后的样品在 丙酮中加超声进行剥离，形成测试图形。把样品分别在6 0 0 、7 5 0 和9 0 0 。c 温 度下的n 2 气氛中进行r t a ，用以合金形成欧姆接触，时间各为4 分钟。 ( a ) 圆点形传输线模型( b ) 同心圆环形传输线模型 图2 8 衬底欧姆接触的测试图形 为了使测试图形结构制作简单，本文采用了圆点形传输线模型和同心圆环形 传输线模型的测试图形，分别如图2 8 ( a ) 和图2 8 ( b ) 所示。这两种方法的好 处在于可以免除台面腐蚀工艺和图形间隙d 引起的寄生电阻。在圆点形传输线模 型法中，r 为1 0 0 t t m ，7 个圆形欧姆接触点的半径从小到大依次为5 0 p r o 、6 0 t u n 、 7 0 p r o 、8 0 t t m 、8 4 p r o 、9 0 t t m 和9 4 t t m 。d 是没有接触的圆环宽度，以外也是欧 姆接触。同心圆环形传输线模型的测试图形为一个半径为r o 的实心小圆c o 和环宽 1 7 兰州大学硕士学位论文 第= 章s i c 欧姆接触 各为吒一吖，2 一巧的圆环欧姆接触c i 及c 2 ，这样就能保证电力线均处于圆环内。 实心金属圆的半径和金属圜环的内径，外径分别为：l l o p m 、1 4 0 1 u n 、2 6 0 p m 、 3 4 0 1 u n 、4 6 0 1 a r a 。 二、传输线模型的具体应用 如图2 8 ( a ) 所示，圆点形传输线模型法的测试是在没有金属接触的圆环两 边通恒定电流，并测量跨过d 的电压，从而求出电阻r t ，r t 的理论计算值为： 碍= 嘉 k ( 南) + 南器期+ 篙绷 其中1 0 ，i l ，硒，k l 都是变形的b e s s e l 函数，凡