1. Введение
Диффузионные контакты на основе алюминия и кремния широко используются в микроэлектронике благодаря высокой электропроводности Al, технологичности и совместимости с процессами кремниевого производства [1], [2]. Однако термическая обработка таких контактов, необходимая для формирования омического поведения, сопровождается активацией диффузионных процессов, способных как улучшать, так и ухудшать электрофизические характеристики [3], [4]. Формирование качественных омических контактов металл–полупроводник является критически важной задачей в технологии изготовления полупроводниковых приборов.
Особый интерес представляет температурный режим 600 °C, который, согласно классическим исследованиям [5], служит порогом для запуска активных твердофазных реакций в системе Al–Si. При этой температуре наблюдается активация диффузии алюминия в кремний, однако процессы фазообразования и деградации ещё не достигают критической стадии [6]. В этом контексте время изотермической выдержки становится ключевым параметром, определяющим конечное состояние контакта, что подтверждается работами по термической стабильности контактов Al/Si/SiC [7] и Al/W/Si [5].
Целью данной работы является определение оптимального времени термической выдержки при 600 °C, обеспечивающего минимальное контактное сопротивление при сохранении структурной целостности границы раздела Al–Si, с применением методов статистической обработки экспериментальных данных.
2. Обзор литературы
2.1. Активация диффузии алюминия
Фанг и Янг [5] исследовали влияние диффузии алюминия на омические свойства контактов Al/W/Si с использованием спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния (RBS). Полученные результаты показали, что при отжиге 500 °C диффузия алюминия была минимальной, но становилась значительной после отжига при 600 °C. Это подтверждает, что 600 °C представляет собой критическую температуру для активации диффузионных процессов в алюминий–кремниевых системах.
Авторы наблюдали очень низкое удельное контактное сопротивление (около 2×10⁻⁶ Ом·см² при концентрации легирования 10¹⁹ см⁻³) для контактов как Al/W/n⁺Si, так и Al/W/p⁺Si при отжиге 600 °C в течение 30 минут. Это указывает на то, что наличие диффузии не обязательно коррелирует с электрической деградацией при условии контролируемого времени выдержки.
2.2. Термическая стабильность при 600 °C
Каканаков и др. [7] провели систематические исследования термической стабильности контактов Al/Si/SiC при температуре старения 600 °C. Их результаты показали, что контакты сохраняют исходное удельное сопротивление 2,4×10⁻⁴ Ом·см² в течение 24 часов. После этого порога контактное сопротивление возрастает до 6,2×10⁻⁴ Ом·см², а после 100 часов увеличивается на порядок. Данная деградация объясняется твердофазным взаимодействием компонентов и зернограничной диффузией, приводящей к атомной перестройке [8].
Обобщение литературных данных позволяет составить следующую картину (Таблица 1):
Влияние времени выдержки при 600 °C на свойства контактов Al/Si
| Диапазон времени | Ожидаемый эффект | Источник |
| Кратковременная (≤ 30 мин) | Низкое контактное сопротивление, хорошие омические характеристики | [5] |
| Средняя (24–100 ч) | Начало деградации простых контактов Al/Si | [7] |
| Длительная (> 100 ч) | Значительное увеличение сопротивления | [7] |
3. Методика эксперимента
3.1. Изготовление образцов
Контактные структуры формировались на подложках кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением 1–10 Ом·см и ориентацией (100). Перед нанесением металлизации подложки подвергались стандартной химической очистке RCA с финишным удалением естественного оксида в разбавленной HF (1:50). Плёнка алюминия толщиной 1,0 мкм наносилась методом термического испарения в вакууме (остаточное давление не выше 5×10⁻⁶ Торр).
3.2. Геометрия контактных площадок
Контактные площадки имели круглую форму. Средний диаметр и средняя площадь для каждой группы образцов приведены в Таблице 2. Разброс диаметров в пределах группы не превышал 12% (за исключением режима 3 мин, где разброс составил около 2,4%).
Геометрия контактных площадок
| Параметр | 3 мин | 4 мин | 5 мин | 6 мин |
| Число образцов | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Средний диаметр, мм | 0,497 | 0,507 | 0,509 | 0,495 |
| Диапазон диаметров, мм | 0,491–0,503 | 0,441–0,563 | 0,442–0,558 | 0,462–0,541 |
| Средняя площадь, мм² | 0,1943 | 0,2042 | 0,2061 | 0,1936 |
| Диапазон площадей, мм² | 0,1893–0,1987 | 0,1527–0,2489 | 0,1534–0,2445 | 0,1676–0,2299 |
3.3. Термическая обработка
Изотермический отжиг проводился в атмосфере азота (расход 5 л/мин) при температуре 600 ± 2 °C. Температура контролировалась термопарой, закреплённой непосредственно на подложкодержателе. Время выдержки варьировалось: 3, 4, 5 и 6 минут. Нагрев до целевой температуры осуществлялся со скоростью 50 °C/мин, охлаждение — в потоке азота.
3.4. Электрические измерения
Измерения проводились на пяти образцах для каждого временного режима (n = 5). Для каждого образца снималось не менее 10 вольт-амперных характеристик для оценки воспроизводимости. Фиксировались:
· прямое падение напряжения при токе 1 мА (для расчёта статического сопротивления R);
· полные ВАХ в диапазоне напряжений от −2 В до +2 В (прямая и обратная ветви);
· ток утечки при фиксированном обратном смещении −0,1 В обратное напряжение при фиксированном токе утечки 100 мкА.
3.5. Статистическая обработка
Для каждого режима рассчитывались:
· среднее арифметическое значение (X̄);
· стандартное отклонение (s);
· коэффициент вариации (CV = s / X̄ × 100 %);
· 95% доверительный интервал (t-критерий Стьюдента для n = 5, число степеней свободы df = 4);
· проверка на наличие выбросов проводилась по критерию Граббса (уровень значимости α = 0,05).
Сравнение между группами осуществлялось с использованием непараметрического U-критерия Манна–Уитни. Выбор непараметрического критерия для межгрупповых сравнений обусловлен малым объёмом выборки (n = 5) и отсутствием уверенности в нормальности распределения данных. Доверительные интервалы по t-критерию приведены как описательная оценка разброса и не используются для проверки гипотез о различии средних.
3.6. Приведённое контактное сопротивление
Поскольку измеренное статическое сопротивление включает не только собственно контактное сопротивление, но и растекание тока в объёме полупроводника, величина R·A (произведение измеренного сопротивления на площадь контакта) представляет собой верхнюю оценку удельного контактного сопротивления. Для сопоставления с литературными данными в Таблице 5 приведены значения R·A. Следует учитывать, что истинное удельное контактное сопротивление может быть существенно ниже, поскольку в измеряемое сопротивление даёт вклад растекание тока в подложке.
4. Результаты и обсуждение
4.1. Динамика прямого сопротивления
Результаты измерения статического сопротивления при токе 1 мА представлены в Таблице 3 и на Рисунке 1.
Зависимость сопротивления контакта Al–Si от времени изотермической выдержки при 600 °C
| Время, мин | Среднее R, Ом | Стандартное отклонение s, Ом | Коэффициент вариации CV, % | 95 % ДИ, Ом | Относительное изменение R, % |
| 3 | 893 | 64 | 7,2 | 893 ± 79 | — |
| 4 | 599 | 32 | 5,3 | 599 ± 40 | −32,9 |
| 5 | 545 | 12 | 2,2 | 545 ± 15 | −9,0 |
| 6 | 674 | 60 | 8,9 | 674 ± 74 | 23,7 |
Зависимость среднего статического сопротивления контакта Al–Si от времени изотермической выдержки при 600 °C. Точки — средние значения, усы — 95 % доверительные интервалы
Переход от 3-х к 4-минутной выдержке демонстрирует статистически значимое снижение сопротивления на 33% (p < 0,01, U-критерий Манна–Уитни). Это объясняется совместным действием двух процессов:
1) удалением естественного оксида SiO₂ с границы раздела за счёт реакции восстановления: 4Al + 3SiO₂ → 2Al₂O₃ + 3Si [9];
2) формированием приконтактного слоя p⁺-Si за счёт диффузии алюминия (акцепторная примесь в кремнии), что приводит к сужению обеднённой области и включению туннельного механизма токопереноса (термополевая эмиссия) [10].
Дальнейшее увеличение времени до 5 минут улучшает параметр ещё на 9%, доводя сопротивление до минимума. Ключевым показателем здесь является не только абсолютное значение (545 Ом), но и минимальный коэффициент вариации (2,2%), что свидетельствует о высокой однородности границы раздела по всей площади контакта.
Однако при выдержке 6 минут наблюдается статистически значимый рост сопротивления до 674 Ом (p < 0,05 по сравнению с режимом 5 минут), что указывает на начало структурной деградации.
4.2. Анализ ветви ВАХ
Сравнительный анализ прямых ветвей ВАХ (Рисунок 2) подтверждает немонотонную динамику. Увеличение выдержки с 3 до 4 минут вызывает наибольший прирост тока на малых напряжениях (в 3 раза при +0,3 В), что коррелирует со снижением высоты потенциального барьера на границе раздела.
Прямые ветви ВАХ контакта Al–Si для режимов отжига 3, 4, 5 и 6 мин при 600 °C
При режиме 5 минут достигается наиболее линейная характеристика: статическое сопротивление стабилизируется на уровне 532–538 Ом во всём диапазоне напряжений, что характерно для сформированного омического контакта.
При выдержке 6 минут ток снижается на 14–16% при напряжениях выше 0,5 В, а разброс значений сопротивления для разных образцов возрастает в 5 раз (с 12 до 60 Ом), что сигнализирует о локальной неоднородности контакта.
4.3. Анализ обратной ветви ВАХ и механизмы деградации
Анализ токов утечки при обратном смещении выявляет немонотонный характер изменения (Таблица 4). Анализ обратных токов выявляет немонотонный характер изменения запирающих свойств (Таблица 3).
Параметры обратной ветви ВАХ
| Время, мин | Средний ток утечки при −0,1 В, мкА | Разброс тока утечки (±), мкА |
| 3 | 15,4 | 0,12 |
| 4 | 8,7 | 0,035 |
| 5 | 7,2 | 0,025 |
| 6 | 24,1 | 0,035 |
Обратные ветви ВАХ контакта Al–Si для режимов отжига 3, 4, 5 и 6 мин при 600 °C
При времени 4–5 минут ток утечки снижается, а его разброс уменьшается, достигая минимума ±0,025 мкА при 5 минутах. Это подтверждает снижение плотности дефектов и токов утечки на границе раздела. ~~При времени 4–5 минут обратное напряжение возрастает (по модулю), а его разброс уменьшается, достигая минимума ±0,025 В при 5 минутах.~~
При выдержке 6 минут наблюдается аномальное увеличение тока утечки при малых обратных напряжениях (в 3,3 раза по сравнению с режимом 5 минут). При выдержке 6 минут наблюдается аномальное увеличение тока утечки при малых обратных напряжениях (в 3,3 раза по сравнению с режимом 5 минут), несмотря на рост среднего обратного напряжения. Это противоречивое поведение может быть объяснено эффектом Киркендалла: нескомпенсированный поток кремния в алюминий приводит к образованию микроскопических пор и пустот на границе раздела [11]. В результате:
· реальная площадь токопереноса сокращается (оценка: на 25–30%, исходя из соотношения сопротивлений);
· оставшиеся проводящие участки перегружаются током, что проявляется в росте локальной плотности тока и усилении нелинейности;
· в местах дефектов возникают локальные области с пониженным барьером, что объясняет рост тока утечки.
Важное замечание: представленное объяснение является гипотезой, основанной на косвенных электрических данных. Для прямого подтверждения необходимо проведение структурных исследований (растровая электронная микроскопия поперечных срезов, просвечивающая электронная микроскопия, энергодисперсионный анализ).
4.4. Обобщение результатов
Сводные электрофизические параметры образцов
| Параметр | 3 мин | 4 мин | 5 мин (оптимум) | 6 мин (деградация) |
| R стат. при I = 1 мА, Ом | 893 ± 79 | 599 ± 40 | 545 ± 15 | 674 ± 74 |
| Коэффициент вариации R, % | 7,2 | 5,3 | 2,2 | 8,9 |
| Ток утечки (при −0,1 В), мкА | 15,4 | 8,7 | 7,2 | 24,1 |
| Средняя площадь контакта, мм² | 0,1943 | 0,2042 | 0,2061 | 0,1936 |
| Приведённое R·A, Ом·см² | 1,73 | 1,22 | 1,12 | 1,31 |
Приведённые значения R·A монотонно убывают при переходе от 3 к 5 минутам и возрастают при 6 минутах, повторяя динамику статического сопротивления. Следует подчеркнуть, что эти величины представляют собой верхнюю оценку удельного контактного сопротивления и включают вклад растекания тока в объёме полупроводника; для получения истинного удельного контактного сопротивления требуется применение метода линии передачи (TLM) или модели передачи тока.
5. Заключение
Экспериментально установлено, что формирование диффузионного контакта Al–Si при 600 °C имеет немонотонную временную зависимость. Оптимальное время отжига составляет 5 минут, при котором достигается баланс между легированием приконтактной области кремния алюминием и сохранением структурной целостности границы раздела. Данный режим обеспечивает:
· минимальное среднее прямое сопротивление (545 ± 15 Ом при 95 % ДИ; s = 12 Ом) (545 ± 15 Ом при 95% ДИ);
· минимальный коэффициент вариации сопротивления (2,2%);
· минимальный ток утечки (7,2 мкА при −0,1 В).
Дальнейшее увеличение времени отжига (до 6 минут) приводит к статистически значимой деградации контакта: рост сопротивления на 24%, увеличение разброса параметров в 5 раз, рост тока утечки в 3,3 раза.
Для дальнейшего улучшения параметров контактов рекомендуется:
1) введение диффузионно-барьерных слоёв (Ti/TiN) для предотвращения избыточной диффузии [12];
2) использование кратковременного быстрого термического отжига (RTA) с точным контролем температурно-временного профиля [13];
3) легирование алюминия небольшим количеством кремния (1–2 %) для подавления эффекта Киркендалла [14].