Проблемы технологического процесса термической обработки омических контактов.
Современные полупроводниковые приборы на основе гетероструктур А3В5 составляют перспективную основу элементной базы микроэлектроники. В России технология создания подобных приборов, транзисторов, СВЧ интегральных схем на их основе, сейчас находится на стадии завершающихся опытно-конструкторских работ. За последние десять лет был решен ряд сложных технологических задач, в том числе, связанных с этапами пост-ростового цикла планарных технологических операций. Однако в настоящее время все еще существуют определенные сложности с реализацией различных важнейших технологических операций, таких как формирование омических контактов к приборам на основе гетероструктур А3В5.
Технологический процесс формирования омического контакта состоит из двух основных этапов – непосредственно создание контактной металлизации, и ее дальнейшая термическая обработка. Полученный после термической обработки контакт должен иметь как можно более высокую электропроводность и теплопроводность, вносить как можно меньшие механические напряжения, иметь хорошую адгезию к поверхности эпитаксиальной структуры, низкую шероховатость, быть технологичным и воспроизводимым.
Термическая обработка контактной металлизации, после ее физического осаждения, определяет такие ключевые параметры контакта как морфология, омическое сопротивление. При этом, обработка образцов на основе гетероструктур А3В5, имеющих в своем составе в качестве подложек такие материалы как карбид кремния, сапфир и др., с неоднородным поглощением оптического излучения по поверхности, сопряжена с рядом технологических трудностей. Поэтому, в связи с развитием интереса к созданию различных полупроводниковых приборов, возникает потребность в современном технологическом оборудовании для реализации процесса термической обработки.
Важнейшими технологическими параметрами процесса термической обработки являются температура процесса, однородность и скорость нагрева образца. Так, для отжига контактной металлизации к транзисторным гетероструктурам на основе нитрида галлия требуются скорости нагрева образца порядка 30 градусов в секунду при максимальной температуре 800-850 градусов Цельсия. Допустимая неоднородность нагрева при этом не должна превышать 5-7% на диаметре образца 100мм, что обусловлено производственной необходимостью. Подобные технологические параметры используются для создания контактной металлизации на основе системы металлов титан – алюминий, например Ti/Al/Ni/Au. При этом относительно низкая температура плавления алюминия диктует необходимость в высоких скоростях нагрева образца для исключения влияния расплавленного алюминия на структуру контакта, во избежание его деградации. Высокая максимальная температура процесса обусловлена высокой, более 800 градусов Цельсия, температурой образования фазы TixNy, которая обедняет приповерхностный слой полупроводника азотом, создавая вакансии азота, которые, в свою очередь, являются донорами для нитридных материалов.
Таким образом, для формирования омических контактов полупроводниковых приборов на основе гетероструктур А3В5 необходимо провести быструю высокотемпературную обработку металлизации. Такой процесс принято называть взрывное вжигание. В ряде случаев для термической обработки контактной металлизации к нитридным гетероструктурам используется так называемый “флеш” - процесс.
Конструкция большинства современных установок термической обработки имеет в своем составе нагревательный элемент на основе галогенных ламп накаливания. Общий принцип построения таких установок представлен на рисунке 1 (Общий принцип построения установки термической обработки с нагревательным элементом на основе галогенных ламп накаливания. 1 - массив ламп, 2 - кварцевое окно для ввода излучения, 3 – образец, 4 – держатель образца.). Подобные нагревательные элементы обладают низкой инерционностью и позволяют достичь скорости нагрева образца 40 градусов за секунду и более. Низкая инерционность таких источников излучения также позволяет реализовать ПИД – закон для прецизионного управления процессом температурной обработки.
Однако подобный принцип организации установок имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является значительная неоднородность нагрева образцов с неоднородным поглощением оптического излучения по поверхности. К подобным образцам относятся, например, полупроводниковые транзисторные гетероструктуры, выращенные на сапфировых подложках. Такие образцы, как правило, имеют не постоянную степень заполнения сформированной на поверхности металлизацией, что приводит к неоднородности нагрева образца и низкой повторяемости технологического процесса в производственном цикле, особенно при обработке различных типов образцов мелкими сериями. Кроме того, принцип расположения ламп внутри нагревательного элемента также влияет на однородность нагрева образца за счет неоднородного распределения падающего на поверхность образца излучения. При температурах порядка 600-800 градусов Цельсия этот эффект проявляется виде светлых и темных пятен на поверхности полупроводниковой пластины, соответствующих форме и расположению галогенных ламп накаливания в нагревательном элементе. Этот эффект возможно компенсировать располагая несколько массивов ламп с разных сторон образца в различных геометрических конфигурациях, в том числе, это могут быть два параллельных массива, образующих решетку.
Спектр излучения линейных галогенных ламп накаливания также влияет на однородность и эффективность нагрева образца. Так, наиболее распространенные линейные галогенные лампы с биспиральной нитью накаливания имеют широкий спектр излучения, часть которого лежит в видимом диапазоне. В то же время, образец имеет различные коэффициенты поглощения такого излучения для подложки и сформированной металлизации, что и обуславливает низкую однородность нагрева. Эффективность нагрева образца определяется его коэффициентом поглощения, который увеличивается с увеличением длины волны излучения. С этой точки зрения, видимая часть спектра излучения галогенных ламп накаливания уменьшает эффективность нагрева образца. Для повышения эффективности нагрева возможно использование инфракрасных галогенных ламп, спектр излучения которых также широкий, однако его пик значительно сдвинут в длинноволновую область.
Экспериментальная часть
Для устранения вышеперечисленных недостатков нагревательных элементов на основе галогенных ламп накаливания авторами работы была предложена конструкция термостатирующего элемента, которая легла в основу линии серийно выпускаемых установок быстрого термического отжига компании ЗАО “НТО”. В качестве термостатирующего элемента используется держатель образца, изготовленный из материала, позволяющего улучшить распределение падающего на образец излучения. При этом образец поглощает не первичное излучение от галогенных ламп, а вторичное излучение термостатирующего элемента, испускаемое на длине волны соответствующей его температуре. На основе расчетов и проведенных экспериментов, в качестве материала для термостатирующего элемента был выбран пиролитический графит. Конструкция предложенного термостатирующего элемента имеет вид двух плоских дисков, между которых располагается образец. При температурах процесса порядка 800-1000 градусов Цельсия, спектр излучения подобного элемента будет лежать в инфракрасной области, и поглощение излучения образцом будет происходить более эффективно, чем в случае с более широким спектром галогенных ламп. Кроме того, использование двух дисков способствует выравниванию температуры образца, так как фактически тепловая засветка происходит с двух сторон. Помимо термостатирующего элемента, во всех установках термического отжига также применяются системы тепловых экранов, позволяющие повысить эффективность и увеличить однородность нагрева образца. На рисунке 2 (Схема построения установок серии STE RTA компании ЗАО “НТО”. 1 –тепловые экраны, 2 – термостатирующий элемент из пиролитического графита, 3 – образец, 4 - кварцевое окно для ввода излучения, 5 – массив галогенных ламп) представлена общая схема построения установок серии STE RTA компании ЗАО “НТО”.
В ходе экспериментов при помощи термопар была измерена скорость и однородность нагрева образца, исследована зависимость однородности нагрева от толщины графитовых дисков. На рисунке 3 представлен типичный график зависимости скорости нагрева образца от времени, полученный в ходе эксперимента. Скорость нагрева на линейном участке составила 25-30 градусов Цельсия в секунду при однородности нагрева 2% на диаметре 100мм. Для эксперимента были выбраны графитовые диски толщиной 3.5мм. Дальнейшее уменьшение толщины графитовых дисков до 2 мм позволило увеличить скорость нагрева образца до 45 град/сек.
На основе данных эксперимента были реализованы установки быстрого термического отжига STE RTA 79 (рисунок 4) и STE RTA 70H (рисунок 5) предназначенные для проведения быстрой температурной обработки в управляемой газовой среде. Отличие установки STE RTA 79 заключается в возможности проводить кратковременные до 10 минут процессы термической обработки в инертной атмосфере при температуре до 900 градусов Цельсия и при более высоких скоростях нагрева. Установка STE RTA 70H позволяет производить процесс температурной обработки при температурах до 1200 градусов Цельсия в сочетании с длительным временем отжига до 120 минут. При этом в качестве рабочей среды может выступать вакуум, инертная или химически активная среда. Обе установки имеют возможность проведения многостадийного отжига образцов в полностью автоматическом режиме.
При помощи установки STE RTA 79 в ЗАО «Светлана-Рост» был проведен ряд экспериментов по вжиганию омических контактов к гетероструктурам на основе арсенида и нитрида галлия. Экспериментальные гетероструктуры были выращены в ЗАО «Светлана-Рост» методом молекулярно пучковой эпитаксии. Измерение контактного сопротивления производилось методом «длинной линии».
Полученные результаты значения контактного сопротивления для нитридных гетероструктур Rk=0.4÷0.6 Ом×мм при значении шероховатости поверхности Ra=0.2÷0.09 мкм, для слаболегированных арсенидных контактных слоев Rk=0.15÷0.25 Ом×мм, Ra=0.05÷0.01 мкм
Аналогичные результаты были получены на установке STE RTA 79 в ЗАО «Светлана-Электронприбор». Значение полученного контактного сопротивления для арсенидных контактных слоев составилоRk=0.1÷0.15 Ом×мм, Ra=0.05÷0.02 мкм.
Стоит отметить, что во всех случаях вжигания омических контактов к нитридным и арсенидным гетероструктурам однородность полученных значений сопротивления не превышала 5% на диаметре образца 76 мм. Карта однородности омического сопротивления для нитридной гетероструктуры представлена на рисунке 6. Незначительная неоднородность, отмеченная на карте индексами “2” является следствием не плотного прилегания пластины к держателю образца. Данный эффект наблюдается на нитридных образцах, выращенных на сапфировых подложках и подложках из карбида кремния, так как данные образцы не обладают идеально ровной поверхностью со стороны подложки вследствие внутренних механических напряжений структуры. В настоящий момент авторами работы ведутся эксперименты по нейтрализации этого эффекта за счет использования держателя образцов специальной конструкции. (Рисунок 6. Карта однородности омического сопротивления для нитридной гетероструктуры (диаметр пластины 76мм).1 – Rk=0.4÷0.41 Ом×мм, 2 - Rk=0.42 Ом×мм, 3 - Rk=0.43 Ом×мм.)
Заключение
В качестве заключения необходимо отметить, что созданные в компании ЗАО “НТО” установки быстрого термического отжига серии STE RTA в составе комплекса оборудования планарного технологического цикла позволяют проводить как исследовательские, так и промышленные работы по формированию низкоомных омических контактов, как традиционных приборов, так и приборов на основе новейших материалов.
