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武艳青;赵润;赵永林;宋红伟;于峰涛
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【摘 要】对P型InGaAs半导体金属接触形貌进行了分析.采用磁控溅射法在P型InGaAs表面制作了不同厚度的金属膜,并在不同温度下进行合金,研究了合金温度和膜层厚度对接触形貌、比接触电阻率的影响.使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对界面形貌进行了表征,结果表明金属-半导体界面空洞与合金温度有直接关系,在合金温度小于350℃时,界面处不会出现空洞,若合金温度超过此值,空洞逐渐出现,并且空洞数量会随着合金温度的升高而增加.金属膜层间相互扩散和器件的比接触电阻率与Ti层和Pt层的厚度有关.通过优化合金工艺和金属膜层厚度改进了半导体与金属接触形貌,金属间界面清晰无相互扩散,降低了器件比接触电阻率和常态温度下的失效率(FIT).【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2019(019)008
【总页数】5页(P31-35)
【关键词】P型 InGaAs;界面空洞;合金温度;扩散;膜层厚度
【作 者】武艳青;赵润;赵永林;宋红伟;于峰涛
【作者单位】中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051
【正文语种】中 文
【中图分类】TN305
1 引言
半导体器件中，一般是通过金属与半导体形成的欧姆接触把电荷导入器件内，而欧姆接触界面的状态直接影响半导体器件的比接触电阻率、器件效率、热稳定性以及器件的可靠性等。AlGaInAs/InP 体系光电器件中由于InGaAs 与金属接触的势垒高度比较低，所以常被
用做P 型接触层来获得高质量的欧姆接触，可用于欧姆接触的金属体系种类较多，比如Au/Zn/Au、Cr/Au、Cr/Pt/Au 等，但是这些金属体系多存在一些问题，比如高温下阻挡金属扩散的能力差、形成尖峰、金属-半导体界面不平整、欧姆接触电阻偏大等[1-3]。Ti/Pt/Au 金属化体系由于其稳定性和可靠性高，并且比接触电阻率比较小而被广泛采用[4]，此结构中金属Ti 是欧姆接触和附着层，Pt 是阻挡层，用来阻挡Au 扩散进入半导体，Au 为导电层。工艺有缺陷时欧姆接触界面的尖峰以及表面粗糙会造成器件比接触电阻率的增大和接触点的热效应，严重时可造成器件失效[5-6]。对失效器件进行解剖分析，发现金已经扩散进入半导体材料，并且金属-InGaAs 界面出现元素配比失调导致的元素含量异常点，Ti 与半导体材料合金过程中会形成TiAs、TixGa1-x 合金，破坏了半导体的晶格结构造成界面空洞，并发生金属层之间的相互扩散，使金进入半导体内部。因此研究以及改善金属-半导体接触界面的状态对半导体器件性能和可靠性的提高有重要意义。本文采用相同金属膜层厚度下不同合金温度，以及相同合金温度下不同金属膜层厚度的实验方法，研究了合金温度和金属膜层厚度与界面状态、金属膜层特性方面的关系，并提出了改进措辞，得到了低比接触电阻率、平整金属半导体界面形貌的器件。
2 金属与InGaAs 界面异常形貌
原有工艺中磁控溅射得到的Ti/Pt/Au 金属体系可以与InGaAs 表面形成欧姆接触，比接触电阻率可达10-5 Ω·cm2 量级，但是合金后半导体表面会产生空洞，以及金属层界面模糊，空洞和界面模糊都会对器件的可靠性造成隐患。
图1 为在P-InGaAs 上溅射金属膜层以及合金工艺后的SEM 剖面图，具体工艺为先溅射厚度分别为40 nm/50 nm/200 nm 的Ti/Pt/Au，然后410 ℃/60 s 合金。图2 为图1 中样品湿法腐蚀去除金属层后的SEM俯视图，为了便于对比以及排除其他干扰因素，比如解理过程中引入的缺陷，采集了溅射与合金工艺优化后的扫描电镜剖面图，如图3 所示。
图1 溅射Ti/Pt/Au 并合金后的剖面图
图2 合金后腐蚀掉金属层俯视图
图3 溅射、合金工艺优化后清晰界面剖面形貌
由图1、2 可以清晰地看出，溅射以及合金工艺后，在半导体和金属界面层出现了空洞，并且与工艺优化后的图3 相比，Ti/Pt/Au 各层间界面模糊，说明金属层之间发生了相互扩散。综合分析造成这种现象的可能原因有两方面：1）合金温度过高，膜层产生裂纹、接触
金属与半导体材料形成合金，破坏了半导体晶格结构，造成半导体元素配比失调；2）接触层和阻挡层金属过薄，没能阻挡住高温下导电层金的扩散。下面具体分析各工艺因素对界面质量的影响，并给出改进措施。
3 金属与InGaAs 界面形貌异常分析
3.1 界面形貌异常与合金温度的关系
合金的目的有两个：1）增加金属与半导体之间的附着性，防止金属接触层脱落而造成器件失效；2）合金前金属与半导体一般表现为整流接触，比接触电阻率约为10-2 Ω·cm2 量级，而合金后可形成欧姆接触，比接触电阻率降至10-5 ～10-7 Ω·cm2 量级，所以在半导体器件制作过程中合金工艺是必不可少的。彩硒鼓
为方便去除金属观测界面形貌和降低实验成本，采用溅射单层Ti 再经过合金，研究不同合金温度对金属半导体界面的影响，合金设备片间均匀性优于2%。为了排除Ti 层氧化对结果造成的影响，溅射Ti 层后立刻取出试验片放入有氮气保护的快速合金炉内进行合金，氮气氛围可以避免合金过程中Ti 被氧化，合金升降温速率为8 ℃/s。由图4 可以看出，溅射单层
金属Ti 410 ℃合金后的半导体表面出现了不规则的空洞，并且在半导体表面呈随机分布，图1 溅射Ti/Pt/Au全金属体系合金后也出现了相同的空洞，所以溅射单层Ti 可以得出与溅射全金属结构相同的结论，并且可以更直观地观察溅射金属表面形貌。制备4 片相同的P-InGaAs 外延衬底，采用相同溅射参数在衬底上溅射40 nm 金属Ti，溅射完成后4 个试验片分别采用350 ℃、380 ℃、410 ℃、440 ℃进行合金处理，合金时间统一设置为60 s[7]，合金后采用湿法腐蚀方法去除表面溅射的Ti 层，以便直接观察半导体表面形貌。图5 为溅射后不合金直接湿法腐蚀去除Ti 层后的半导体表面SEM形貌。图6 为溅射后采用不同温度合金，然后再腐蚀去除Ti 层后的半导体表面SEM 形貌。每种条件取3张以上SEM 照片，选定直径大于30 nm 的空洞数量平均值列入计数。
图4 410 ℃合金后界面剖面图
图5 溅射后不合金直接腐蚀去除金属后的半导体表面
图6 不同温度合金后腐蚀掉表面Ti 层的半导体表面
由图5 可以看出，溅射后若不合金直接去除表面的金属层，半导体界面上不会留下空洞。
图7 为不同合金温度下单位面积内的空洞数量曲线，由图6、7 可以看出，相同溅射参数下1#/2#/3#/4#实验片随着合金温度的升高，半导体与金属的接触界面逐渐变得粗糙，并且空洞数量也随之增加，所以半导体界面上的空洞与合金温度有直接关系，并且成正比例关系。图8为不同合金温度下的比接触电阻率曲线，随着温度的升高比接触电阻率先下降再升高。
图7 不同合金温度下单位面积内的空洞数量
图8 不同合金温度下的比接触电阻率
比接触电阻率随温度变化机理：1）合金后可以使金属Ti 与InGaAs 之间形成良好的欧姆接触，降低界面势垒使比接触电阻率降低；2）在芯片生产中由于干法刻蚀和等离子体清洗等工艺，会引入半导体表面一定深度内的晶格错位以及其他晶格损伤，一定温度下合金等效于对半导体表面进行退火，退火后晶格损伤被消除，消除晶格损伤可以提高载流子的迁移率，从而使比接触电阻率降低，但随着温度继续升高空洞数量增加，金属与半导体的实际接触面积减小，并且接触面变得粗糙，导致比接触电阻率再次变大。
空洞形成机理：合金时由于高温产生应力使金属膜层出现裂纹，并且Ti 是有反应活性的金属，一定温度下合金时会与半导体发生熔合，使InGaAs 里的As与Ga 首先和Ti 相互扩散形成TiAs、TixGa1-x 合金，这时半导体结构受到破坏，部分半导体材料随即沿着裂纹或晶隙熔出，最终形成空洞。图9 为器件合金后的TEM 图片，可以看出界面半导体一侧出现了异常亮点和黑点，亮点处为部分半导体元素熔出后的元素异常区域（一般In 会最后熔出，所以亮点为残留In），黑点为半导体所有元素形成合金或熔出后留下的空洞，若合金温度在350 ℃以下时此类情况不会发生，形成空洞后相当于减小了金属与半导体的接触面积，会导致电流密度增大并使界面粗糙，从而形成高阻尖峰，造成比接触电阻率的增大。
图9 410 ℃合金后半导体与金属界面TEM 元素分布图
3.2 界面形貌异常与金属层厚度的关系
金属膜层溅射中，Ti 为半导体与金属层的附着层，增加其厚度可以增加粘附力，减少界面空洞，因为增加Ti 层厚度可以减少膜层的晶隙，防止高温下半导体材料的熔出，但Ti 层厚度不能太厚，随着Ti 厚度的增加比接触电阻率会先减小后增大，这是因为Ti 层较薄时膜层存在较多的晶格间隙，对载流子的运动阻力大导致比接触电阻率高，随着Ti 层厚度的增加
比接触电阻率减低，随着其厚度继续增加，由于Ti 本身体电阻的存在，比接触电阻率再次增大[8-9]。经试验验证Ti厚度为40 nm 时比接触电阻率最低，试验结果见表1。
表1 Ti 层厚度与比接触电阻率的关系?
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Pt 为阻挡层，过薄的Pt 层会降低阻挡金扩散的能力，导致金属层间互相扩散以及金扩散进入半导体内部，上述Ti 层厚度变化对比接触电阻率的影响同样适用于Pt 层,固定Ti 层和金层厚度溅射不同厚度Pt，测得比接触电阻率如表2 所示，经验证Pt 厚度为50 nm时比接触电阻率最低。
表2 Pt 层厚度与比接触电阻率的关系?
整个金属体系中，随着金属层厚度的增加，溅射膜的生长方向会倾向于垂直基底方向生长，因为溅射气体氩气会吸附在基底表面，对金属原子扩散具有抑制作用，从而造成溅射原子在水平和垂直方向运动不对称，使金属原子沿着垂直于基底的方向堆积成柱状结构[10-11]，这种结构会促进膜层晶隙的形成，所以实际生产中需要根据设备以及产品情况来选择合适的厚度，以达到在保证金属半导体接触形貌良好的前提下提高膜层阻挡能力的目
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的。实验得出Ti/Pt/Au 厚度在40 nm±5 nm/50 nm±5 nm/200 nm±5 nm 时较合适，此厚度下在增加阻挡能力的同时经过工艺优化，比接触电阻率可到10-6 Ω·cm2 量级。
4 金属与InGaAs 界面形貌异常改进措施
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合金过程中随着温度的升高界面空洞数量会增加，所以减少界面空洞最有效的方法是降低合金温度，但是合金温度过低会影响金属层附着性和器件的比接触电阻率。可以通过提高溅射金属前烘烤温度来保证膜层的附着性，以及溅射前采用湿法腐蚀工艺，去除半导体接触窗口表面的损伤层和工艺中形成的较厚氧化层来降低比接触电阻率，之所以用湿法腐蚀是因为任何形式的干法刻蚀都会对半导体表面造成新的晶格损伤，值得注意的是为了尽可能减少半导体表面被重新氧化，湿法腐蚀要在送入溅射腔室前几分钟内进行，这样即使表面有小于5 nm 的一层氧化层也不会对器件参数造成明显影响，此工艺优化既可以保证较低的合金温度同时又不会使器件的性能劣化。
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