半导体工艺的关键环节

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金属与半导体形成欧姆接触是指在接触处是一个纯电阻，而且该电阻越小越好，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。因此，其I-V特性是线性关系，斜率越大接触电阻越小，接触电阻的大小直接影响器件的性能指标。

欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心。

欧姆接触指的是它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

形成条件：

欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：

（1）金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height)

（2）半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3)

前者可使界面电流中热激发部分(Thermionic Emission)增加;后者则使半导体耗尽区变窄，电子有更多的机会直接穿透(Tunneling)，而同时使Rc阻值降低。

前者可使界面电流中热激发部分(Thermionic Emission)增加;后者则使半导体耗尽区变窄，电子有更多的机会直接穿透(Tunneling)，而同时使Rc阻值降低。

若半导体不是硅晶，而是其它能量间隙(Energy Gap)较大的半导体(如GaAs)，则较难形成欧姆接触 (无适当的金属可用)，必须于半导体表面掺杂高浓度杂质，形成Metal-n+-n or Metal-p+-p等结构。

良好的欧姆接触还应该具有以下几个主要特点：

(1)可再生的低比接触电阻；

(2)统一的、均匀的接触一半导体界面，在界面相就有平面同性；

(3)光滑的表面形态；

(4)高温工作状态下的热稳定性；

(5)抗氧化；

(6)好的勃附性；

(7)工艺上的易实现；

(8)好的机械性能。

欧姆接触理论 欧姆接触和肖特基接触

金属一半导体接触分为欧姆接触和肖特基接触两种情况。在理想的情况下，金属和半导体接触处呈现很小的电阻，其电压降小到可以忽略。而肖特基接触则具有整流特性，和p-n结的特性类似。在没有经过合金化的情况下，金属一半导体接触通常是肖特基接触，其整流特性主要的形成原因是金属一半导体界面存在的肖特基势垒。 欧姆接触与肖特基势垒接触均是金属与半导体在特定情况下形成的接触。一般情况下，金属与半导体的功函数不同[1] 。当金属与半导体接触体系达到平衡时，任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level）（或者严格意义上，化学势）必须相等。 费米能级和真空能级的差值称作功函数。 接触金属和半导体具有不同的功函，分别记为φM和φS。 当两种材料相接触时，电子将会从低功函（高费米能级）一边流向另一边直到费米能级相平衡。从而，低功函的材料将带有少量正电荷而高功函材料则会变得具有少量电负性。最终得到的静电势称为内建场记为Vbi。这种接触电势将会在任何两种固体间出现并且是诸如二极管整流现象和温差电效应等的潜在原因。内建场是导致半导体连接处能带弯曲的原因。明显的能带弯曲在金属中不会出现因为他们很短的 屏蔽长度意味着任何电场只在接触面间无限小距离内存在。

欧姆接触

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与n型半导体相接触，以n型半导体为例，在金属和半导体界面处的能带如右图所示。

金属和n型半导体接触时，若金属的功函数大于半导体功函数，则在导体表面形成一个正的空间电荷区其中电场方向由体内指向表面，使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形成表面势垒。在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小的多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。若金属的功函数小于半导体功函数，在金属一半导体接触处形成电子势阱，即形成电子浓度高于体内的高电导区域，称为反阻挡层 。

测量

欧姆接触的接触界面总有一个附加的电阻，即是金属与半导体间的界面电阻。接触区一般包括金属层、金属与半导体的界面和半导体结。实际测定时，还有各种寄生电阻带入。为了消除测试时用的探针和金属间的电阻，可以在测试时将电流和电压探针分开和使用高阻抗的数字电压表来达到;但是诸如界面下有电流弯曲、边缘电流聚集、电流扩展等引入的附加电阻以及工艺过程中的沾污或损伤等引入的电阻，这些附加电阻不可能完全避免。这些附加电阻和两个接触点间的体电阻值在所测总电阻值中会占有相当大的比重，甚至可能超过接触电阻值。为了精确测定比接触电阻P。值，需要建立精确的模型来测定电阻值。

无论何种测试比接触电阻的方法，都是在一定的恒定电流下，在一些接触点间测定电压，求出各自的电阻，然后按照不同的物理模型，自总电阻中除去各种寄生电阻，最后求得比接触电阻值。

常用比接触电阻测试方法

1.Cox和Strack方法：Cox和Strack在研究GaAs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备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。

2. Kuphal方法：Kuphal在测试InP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。

3·Kelvin方法：通过扩散或离子注入的方式制备交叉电桥，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。

4.圆形电极TLM方法：是一种TLM测试结构，电极是同心的圆环形，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。

5.矩形电极TLM方法：矩形TLM(Transmission Line Methods)结构是一种提取欧姆接触参数、评价欧姆接触制备质量的有效、简便的方法，由Shockley在1964年提出，后经Murrman,Wdman, Berger等多次改进，已成为测试欧姆接触比电阻的主要方法，被广泛使用。其制备和测试较简单，结果较准确，但是测试结构需要隔离。本文中采取这种方法来提取欧姆接触的比接触电阻。

制备

欧姆接触制备是材料工程里研究很充分而不太有未知剩余的部分。可重复且可靠的接触制备需要极度洁净的半导体表面。例如，因为天然氧化物会迅速在硅表面形成，接触的性能会十分敏感地取决于制备准备的细节。

存在问题

而在具体制作M-S欧姆接触时，为了使接触良好，以减小接触电阻，往往在金属与半导体接触之后还需要进行退火处理，这就会带来若干问题。对于用得较多的金属电极材料Al，当把Al-Si接触系统放在N2气中加热到475oC时，几分钟后Al即可穿过其表面上很薄的自然氧化层而到达Si表面，并与Si相互扩散、很好地熔合成一体，能够得到很好的欧姆接触；但是，如果采用Al在浅n-p结或浅p-n结上来制作欧姆接触的话，那就容易产生很大的弊病——出现毛刺，这会使p-n结发生穿通或短路（这是由于在接触面上Al、Si原子的不均匀相互扩散所致）；解决此问题的一个办法就是在金属Al中加入少量的Si，以抑制在退火时出现毛刺。

在现代IC工艺中，Al不能完全满足要求。因为在IC工艺中，当欧姆接触形成之后还需要施行500oC以上的其它工艺步骤，而Al-Si接触系统承受不了这么高温度的处理，则难以满足热稳定性的要求。所以，在IC中往往改用难熔金属（Mo、Ta、Ti、W）的硅化物来制作欧姆接触，这样可以获得很高的温度稳定性。不仅如此，而且这种硅化物还能够改善欧姆接触的性能。例如，对于使用最为广泛的金属硅化物TiSi2，由于在把Si上的Ti膜经热处理而形成TiSi2的过程中，将要消耗掉半导体表面上的一薄层Si，从而也就相应地去掉了Si片表面上的缺陷和一些沾污，所以能够获得干净、平整、性能良好的欧姆接触。因此，难熔金属的硅化物是一种较好的欧姆接触金属材料。

改进措施

除了采用高掺杂和引入复合中心这些措施来实现欧姆接触以外，采用窄带隙半导体构成的缓变异质结，也可以实现对宽带隙半导体的欧姆接触。譬如利用MBE技术制作的n-InAs/n-GaAs或者n-Ge/n-GaAs异质结，就是很好的欧姆接触。

Si和GaAs器件及其IC的欧姆接触技术已经比较成熟，但是对于在p型Ⅲ-Ⅴ族半导体上的欧姆接触还不太容易做好，因为在退火时或在空气中时，p型Ⅲ-Ⅴ族半导体（如p-AlGaAs）的表面要比n型的表面更容易氧化。此外，对于许多宽带隙半导体（如CdS、AlN、SiC、GaN）的欧姆接触，在技术上尚很不成熟，其原因是这种半导体的自补偿作用（即大量的晶体本征缺陷对于施主杂质或者对于受主杂质的自发补偿作用）很严重，它们是所谓单极半导体，从外面掺入再多的杂质也难以改变其电阻率，更难以改变其型号，所以想要利用高掺杂来获得欧姆接触是很困难的；这里一种可行的办法就是加上一层高掺杂（型号相同）的窄带隙半导体、构成一个异质结来实现欧姆接触。

重要性

接触电阻相关联的RC时间常数会限制器件的频率响应。引线电阻的充电与放电高时钟速率的数字电子设备能量耗散的主要原因。接触电阻在非常见半导体制成的低频和模拟电路中通过焦耳热的形式导致能量耗散（比如太阳能电池）。金属接触制备方法的建立是任何新兴半导体科技发展的重要部分。金属接触的电迁移与分离成层也是电子器件寿命的限制因素之一。

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