RU2065226C1

RU2065226C1 - Method of manufacture of low-impedance contact to silicon

Info

Publication number: RU2065226C1
Application number: RU93038602A
Authority: RU
Inventors: В.В. Чистяков; С.П. Зимин; А.Л. Винке
Original assignee: Институт микроэлектроники РАН
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: technology of semiconductor devices at manufacture of various integrated sensors and transducers, photo- and optoelectronic devices, using layers of porous silicon and silicon-silicon contacts. SUBSTANCE: a layer of porous silicon is produced on silicon substrate of electronic conductance by anodization. A layer of aluminium is applied over the layer of porous silicon and burnt in an inert medium at 300 to 350 C for 10 to 15 min. EFFECT: facilitated procedure.

Description

Изобретение относится к области технологии полупроводниковых приборов и может быть использовано при изготовлении различных интегральных датчиков и преобразователей, фото- и оптоэлектронных устройств, включающих в себя слои пористого кремния (ПК) и контакты алюминий/кремний. The invention relates to the field of technology of semiconductor devices and can be used in the manufacture of various integrated sensors and converters, photo and optoelectronic devices, including layers of porous silicon (PC) and aluminum / silicon contacts.

Требование омичности контакта к кремнию, как компактному, так и пористому, при малой величине переходного удельного сопротивления R_c диктуется необходимостью достижения значительных величин пропускаемых токов, а также необходимостью уменьшения нежелательных шумов.The requirement of ohmic contact to silicon, both compact and porous, for a small value of the transition resistivity R _c is dictated by the need to achieve significant values of transmitted currents, as well as the need to reduce unwanted noise.

Проблема получения низкоомного контакта к пористому кремнию осложнена повышенной химической активностью последнего в соединении с различными металлами, когда образующиеся в процессе высокотемпературных технологических операций силициды и сплавы деформируют пористую матрицу, закупоривают устья пор. А операция высокотемпературного отжига контакта в инертной среде вызывает в ряде случаев превращение монокристаллической структуры ПК в поликристаллическую (см. например [1]), (что значительно повышает ее сопротивление), а также деградацию термически нестабильных элементов устройства. The problem of obtaining a low-resistance contact to porous silicon is complicated by the increased chemical activity of the latter in combination with various metals, when silicides and alloys formed during high-temperature technological operations deform the porous matrix and clog the pore mouths. And the operation of high-temperature annealing of a contact in an inert medium causes in some cases the transformation of a single-crystal structure of a polycrystalline structure into a polycrystalline one (see, for example, [1]) (which significantly increases its resistance), as well as the degradation of thermally unstable elements of the device.

Известен способ формирования омического контакта к кремнию, заключающийся в том, что кремниевую пластину подвергают химической очистке с использованием буферных растворов плавиковой кислоты или чистых растворов HF, отмывают ее в деионизованной воде, сушат, напыляют алюминий и вжигают его при 550-560^oС (см. [2]). При этой операции химической очистки с поверхности кремния удаляют тонкие пленки окисла и химические загрязнения. Главный недостаток способа применительно к ПК аномально высокие величины удельных переходных сопротивлений контактов R_c>10² Ом•мм².A known method of forming an ohmic contact to silicon, namely, that the silicon wafer is subjected to chemical cleaning using buffer solutions of hydrofluoric acid or pure HF solutions, it is washed in deionized water, dried, aluminum is sprayed and annealed at 550-560 ^o C (cm . [2]). In this chemical cleaning operation, thin oxide films and chemical contaminants are removed from the silicon surface. The main disadvantage of the method with respect to PC is the abnormally high values of the specific transient resistance of the contacts R _c > 10 ² Ω • mm ² .

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является способ изготовления чувствительного элемента полупроводникового газового сенсора, включающий формирование пористого слоя путем анодирования в HF-содержащем электролите высокоомной кремниевой подложке p-типа проводимости, промывку полученного пористого слоя в деионизованной воде, сушку его, сухое травление его поверхности во фтороуглеродно-кислородной плазме высокочастотного (ВЧ) разряда, нанесение алюминия поверх пористого слоя (см.[3]). Способ дает высокие значения удельных переходных сопротивлений за счет потенциального барьера на границе металл/ПК, а также за счет аномальной высокоомности самого пористого слоя. Последний, будучи сформированным на высокоомной подложке p-типа проводимости, имеет показатель, пористости R ≈ 60-70% и удельное сопротивление порядка 10⁷ Ом•см.The closest set of features to the claimed one is a method of manufacturing a sensitive element of a semiconductor gas sensor, comprising forming a porous layer by anodizing a high-resistance p-type silicon substrate in an HF-containing electrolyte, washing the obtained porous layer in deionized water, drying it, dry etching of its surface in a fluorocarbon-oxygen plasma of a high-frequency (RF) discharge, the deposition of aluminum over a porous layer (see [3]). The method gives high values of specific transition resistance due to the potential barrier at the metal / PC boundary, as well as due to the anomalous high resistance of the porous layer itself. The latter, being formed on a high-resistance p-type substrate of conductivity, has an index of porosity R ≈ 60-70% and a resistivity of the order of 10 ⁷ Ohm • cm.

Технической задачей заявляемого способа является уменьшение переходного удельного контактного сопротивления R_c и сохранение имеющихся на подложке элементов интегральных схем, склонных к термической деградации (применительно к слоям ПК также и сохранение структурных свойств пористой кремниевой матрицы).The technical task of the proposed method is to reduce the transient specific contact resistance R _c and to preserve the integrated circuit elements that are prone to thermal degradation (as applied to PC layers, also preserve the structural properties of the porous silicon matrix).

Указанная задача достигается тем, что в известном способе, включающем формирование на кремниевой подложке пористого слоя путем анодирования ее в Н-содержащем электролите, промывку полученного пористого слоя в деионизованной воде, сушке его, травление поверхности его во фтороуглеродно-кислородной плазме высокочастотного (ВЧ), разряда, нанесение алюминия поверх пористого слоя, в качестве подложки используют низкоомный кремний n-типа проводимости и после нанесения металла осуществляют вжигание в инертной среде при 300-350^oС в течение 10-15 мин.This problem is achieved by the fact that in the known method, comprising forming a porous layer on a silicon substrate by anodizing it in an H-containing electrolyte, washing the obtained porous layer in deionized water, drying it, etching its surface in high-frequency (HF) fluorocarbon-oxygen plasma, discharge deposition of aluminum on top of the porous layer as a substrate using a low-resistance silicon n-type conductivity and after the metal deposition is carried out by heating in an inert atmosphere at 300-350 ^o C for 10-15 E .

Сформированный на низкоомном кремнии, в частности легированном сурьмой пористый слой, имеет преимущественно в том, что он не истощен носителями и в идеале образует с алюминием невыпрямляющий контакт. Однако, верхних несколько микрон того слоя чрезвычайно аморфизированы и загрязнены продуктами анодирования. Эту диэлектрическую по свойствам пленку, препятствующую диффузии алюминия в кремний, как и в прототипе удаляют при помощи операции плазмохимического травления. Остающийся слой обладает чрезвычайно высокой удельной поверхностью, что в несколько раз увеличивает эффективную площадь контакта с металлом. В дополнение к этому повышенная химическая активность поверхности
ПК после операции плазмохимического травления способствует протеканию процессов диффузии и геттерирования нежелательных примесей металлическим слоем. Высокая концентрация водорода, диффундирующего в кремний в процессе анодирования, снижает плотность электронных ловушек в нем. Концентрация же рассеивающих примесей и дефектов в объеме ПК ниже, чем в компактном. Все это в совокупности обуславливает возрастание подвижности носителей тока и снижение величины R_c/Ом•мм². Относительно низкие температуры вжигания позволяют снизить опасность термической деградации самого пористого слоя и других элементов микросхем, расположенных на подложке.The porous layer formed on low-resistance silicon, in particular, antimony doped with antimony, has the advantage that it is not depleted by carriers and ideally forms a non-rectifying contact with aluminum. However, the upper few microns of that layer are extremely amorphized and contaminated with anodizing products. This dielectric properties of the film, preventing the diffusion of aluminum into silicon, as in the prototype is removed using the operation of plasma chemical etching. The remaining layer has an extremely high specific surface area, which increases the effective contact area with the metal several times. In addition to this, increased surface reactivity
PC after the operation of plasma chemical etching contributes to the processes of diffusion and gettering of undesirable impurities with a metal layer. A high concentration of hydrogen diffusing into silicon during the anodization process reduces the density of electron traps in it. The concentration of scattering impurities and defects in the PC volume is lower than in the compact one. All this together leads to an increase in the mobility of current carriers and a decrease in the value of R _c / Ohm • mm ² . Relatively low burning temperatures can reduce the risk of thermal degradation of the porous layer itself and other elements of microcircuits located on the substrate.

Примеры реализации. Implementation examples.

П р и м е р 1. Низкоомный контакт к кремнию получают следующим образом. Кремниевую подложку марки КЭС-0.01 ориентации <111> анодируют в 48%-ном водном растворе плавиковой кислоты при плотности тока 10 мА/см² в течение 5 мин. Сформированный таким образом слой толщиной 5-7 мкм с пористостью 12% промывают в деионизованной воде, сушат в потоке осушенного азота. Затем верхние 3-4 мкм этого слоя стравливают путем обработки в течение 1,2 мин плазмой ВЧ-разряда следующего состава (Па): 90 фреон-19, 14 кислород. Удельная мощность разряда 0,6 Вт/см³. Затем производят напыление термическим способом 0,5 мкм алюминия. После этого проводят вжигание металла в атмосфере азота ОСЧ при 300^oС в течение 15 мин. Омичность контактов исследуют по стандартной методике Кокса-Стрека и переключающегося контакта. Измерения продемонстрировали линейность вольт-амперных характеристик контактов в широком интервале электрических полей при удельных переходных сопротивлениях R_c до 0,8 Ом•мм².PRI me R 1. Low resistance contact to silicon is obtained as follows. A KES-0.01 grade silicon substrate of orientation <111> is anodized in a 48% aqueous hydrofluoric acid solution at a current density of 10 mA / cm ² for 5 minutes. Thus formed layer with a thickness of 5-7 μm with a porosity of 12% is washed in deionized water, dried in a stream of dried nitrogen. Then, the upper 3-4 microns of this layer are etched by treatment for 1.2 min with an RF discharge plasma of the following composition (Pa): 90 freon-19, 14 oxygen. The specific discharge power of 0.6 W / cm ³ . Then produce thermal spraying of 0.5 μm aluminum. After that, metal is burned in an atmosphere of nitrogen at a temperature of 300 ^o C for 15 minutes The ohmicity of the contacts is investigated according to the standard Cox-Streck technique and switching contact. The measurements demonstrated the linearity of the current – voltage characteristics of the contacts in a wide range of electric fields at specific transient resistances R _c up to 0.8 Ohm • mm ² .

П р и м е р 2. Пример демонстрируют способ изготовления низкоомного контакта к пористому кремнию и отличается от примера 1 временем анодирования подложки, составляющим 60 мин. Толщина полученного пористого слоя при этом составляет около 70 мкм. Вжигание алюминия проводят при 350^oС в течение 10 мин. Значение R_c при этом составляет 1,1 Ом•мм².PRI me R 2. The example demonstrate a method of manufacturing a low resistance contact to porous silicon and differs from example 1 by the time of anodizing the substrate, comprising 60 minutes The thickness of the obtained porous layer is about 70 microns. The burning of aluminum is carried out at 350 ^o C for 10 minutes The value of R _c in this case is 1.1 Ohm • mm ² .

Значения удельных переходных сопротивлений R_c для контакта алюминий/кремний, полученного по прототипу, составила не менее 10 Ом•мм². При температурах вжигания Т_o, меньших 300^oС, и времени, меньшем 10 мин, значения P_c у образцов не достигали удовлетворительных значений значительно не уменьшались. При температурах Т_o, больших 350^oС, и времени, большем 15 мин, выигрыш в уменьшении P_c по сравнению с оптимальным заявляемым режимом был несущественным. А при T_o > 450^oС начинается деградация пористого слоя при значительном увеличении глубины проникновения металла в поры. В заявленных интервалах режимных параметров вжигание алюминия, как показали электрофизические исследования и изучение образцов при помощи растрового электронного микроскопа с последующей цифровой обработкой полученных изображений, отсутствуют необратимые изменения резистивно-емкостных и структурных параметров пористого слоя.The values of the specific transient resistance R _c for the contact aluminum / silicon obtained by the prototype, was not less than 10 Ohm • mm ² . When the burning temperature T _o less than 300 ^o C, and the time less than 10 min, the values of P _c in the samples did not reach satisfactory values did not significantly decrease. At temperatures T _o greater than 350 ^o C, and a time greater than 15 minutes, the gain in reducing P _c compared with the optimal claimed regime was insignificant. And at T _o > 450 ^o C, the degradation of the porous layer begins with a significant increase in the depth of penetration of the metal into the pores. In the declared ranges of operating parameters, the burning of aluminum, as shown by electrophysical studies and the study of samples using a scanning electron microscope with subsequent digital processing of the obtained images, there are no irreversible changes in the resistive-capacitive and structural parameters of the porous layer.

Claims

A method of manufacturing a low-resistance contact to silicon, including the formation of a porous layer on a silicon substrate by anodizing it in an HF-containing electrolyte, washing the obtained layer in deionized water, drying, etching its surface in a high-frequency fluorocarbon-oxygen plasma, applying aluminum over the porous layer, characterized in that low-resistance silicon of n-type conductivity is used as a substrate, and after the deposition of aluminum, it is burned in an inert medium at 300 350 ^o C for 10 15 minutes