第五章 電極系統(tǒng)

半導(dǎo)體工藝原理第五章電極系統(tǒng)本章內(nèi)容提要5.1

金屬-半導(dǎo)體接觸5.3

金屬電極材料5.2

歐姆接觸5.4

金屬電極系統(tǒng)的失效機(jī)理5.5

GaAs的歐姆接觸§

5.1金屬-半導(dǎo)體接觸一、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)E0(EF)mWm功函數(shù)的大小標(biāo)志著電子在金屬中束縛的強(qiáng)弱，Wm越大，電子越不容易離開(kāi)金屬。金屬功函數(shù)約為幾個(gè)電子伏特。銫的功函數(shù)最低(1.93eV),鉑的最高（5.36eV)。1、金屬的功函數(shù)Wm金屬功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與金屬的EF

能量之差，即上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。Ec(EF)sEvE0χWsEn2、半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws

在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底Ec

和價(jià)帶頂EV一般都比E0

低幾個(gè)電子伏特。半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即電子的親合能：從E0

到

Ec

的能量間隔，即x稱(chēng)為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Note:

和金屬不同的是，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨雜質(zhì)濃度變化，因而Ws也和雜質(zhì)濃度有關(guān)。故常用親合能表征半導(dǎo)體。①n型半導(dǎo)體：式中：②P型半導(dǎo)體：式中：Ec(EF)sEvE0χWsEnn型Ec(EF)sEvE0χWsEpEgp型金屬/半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體金屬半導(dǎo)體金屬What?能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化新的物理效應(yīng)和應(yīng)用二、金屬與半導(dǎo)體接觸及接觸電勢(shì)差設(shè)想有一塊金屬和一塊n型半導(dǎo)體，并假定金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)，即：即半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)(EF)s高于金屬的費(fèi)米能級(jí)(EF)m金屬的傳導(dǎo)電子的濃度很高，1022～1023cm-3半導(dǎo)體載流子的濃度比較低，1010～1019cm-3EvWsEcE0WmE0金屬n型半導(dǎo)體En(EF)s(EF)m(a)接觸前在接觸開(kāi)始時(shí)，半導(dǎo)體中的電子將向金屬流動(dòng)，使金屬表面帶負(fù)電，半導(dǎo)體表面帶正電。結(jié)果降低了金屬的電勢(shì)(Vm)，提高了半導(dǎo)體的電勢(shì)(Vs')

。達(dá)到平衡狀態(tài)，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在同一水平線(xiàn)上，平衡時(shí),相對(duì)于(EF)m,半導(dǎo)體的(EF)s下降為接觸電勢(shì)差：Vm:

金屬電勢(shì)，Vs:半導(dǎo)體電勢(shì)D(b)間隙很大(D>原子間距)（c）緊密接觸E+_qVD緊密接觸后，電荷的流動(dòng)使得在半導(dǎo)體表面相當(dāng)厚的一層形成正的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成電場(chǎng)，其電場(chǎng)在界面處造成能帶彎曲，使得半導(dǎo)體表面和內(nèi)部存在電勢(shì)差，即表面勢(shì)Vs。接觸電勢(shì)差分降在空間電荷區(qū)和金屬與半導(dǎo)體表面之間。半導(dǎo)體體內(nèi)電場(chǎng)為零，在空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由內(nèi)向外，半導(dǎo)體表面勢(shì)Vs＜0，能帶向上彎曲。若D原子間距,電子可自由穿過(guò)間隙,Vms0,則接觸電勢(shì)差大部分降落在空間電荷區(qū)。（d）忽略間隙qVD考慮忽略間隙中的電勢(shì)差時(shí)的極限情況時(shí)，有半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度為：金屬一邊的勢(shì)壘高度為：當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸（1）Wm>Ws半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)。電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面(Vs<0)。半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢(shì)壘。在勢(shì)壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱(chēng)為阻擋層。界面處的勢(shì)壘通常稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘。金屬n型半導(dǎo)體E0EvWsEcEn(EF)sE0Wm(EF)m接觸前：E+_qVDXD界面電子阻擋層接觸后：EEcEFsEvWmEFmWsE0EcEFsEv半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)。電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)(Vs>0)。半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲。在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為反阻擋層，即電子反阻擋層－高導(dǎo)通區(qū)。（2）Wm<Ws當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸當(dāng)金屬與p型半導(dǎo)體接觸（1）Wm<Ws半導(dǎo)體表面形成負(fù)的空間電荷區(qū)。電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)（Vs>0）。半導(dǎo)體能帶向下彎曲，形成空穴的表面勢(shì)壘。在半導(dǎo)體的勢(shì)壘區(qū)，空間電荷主要由負(fù)的電離受主形成，其多子空穴濃度比體內(nèi)小得多，也是一個(gè)高阻區(qū)域，形成空穴阻擋層。EFmEFsWsWmEvEcE0電場(chǎng)EEcEFEvxdqVd接觸后當(dāng)金屬與p型半導(dǎo)體接觸（2）Wm>Ws在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)。電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面（Vs<0）。半導(dǎo)體表面能帶向上彎曲。在空間電荷區(qū)中，空穴濃度比體內(nèi)大得多，因而是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)之為反阻擋層，即空穴反阻擋層。WmWsEFsEFmEvEcE0接觸后：xdEcEFEvEN型P型Wm>Ws阻擋層反阻擋層Wm<Ws反阻擋層阻擋層能帶向上彎曲（高阻區(qū)）（高電導(dǎo)區(qū)）能帶向下彎曲（高阻區(qū)）（高電導(dǎo)區(qū)）形成n型和p型阻擋層的條件Note:反阻擋層是很薄的高電導(dǎo)層，對(duì)半導(dǎo)體和金屬的接觸電阻的影響是很小的，它在平常的實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)不到.三、表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響表面態(tài)就是局域在表面附近的新電子態(tài)。它的存在導(dǎo)致表面能級(jí)的產(chǎn)生。表面能級(jí)：與表面態(tài)相對(duì)應(yīng)的能級(jí)。由于晶體的不完整性使得勢(shì)場(chǎng)的周期性受到破壞，在禁帶中產(chǎn)生附加能級(jí)。半導(dǎo)體表面態(tài)金半接觸勢(shì)壘達(dá)姆表面能級(jí):晶體自由表面的存在使其周期場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷，引起附加能級(jí)(1932年)。在實(shí)際晶體表面常存在缺陷或吸附原(分)子

附加表面能級(jí)問(wèn)題的提出：不同金屬與同一半導(dǎo)體接觸金屬功函數(shù)相差很大，而勢(shì)壘高度相差很小理論上實(shí)際中金屬一邊的勢(shì)壘高度應(yīng)隨金屬功函數(shù)而變化Why

?對(duì)于同一種半導(dǎo)體材料，親合能χ將保持不變，如用不同的金屬相連形成接觸，根據(jù)公式：金屬一邊的勢(shì)壘：勢(shì)壘高度應(yīng)該隨金屬的不同而變化，但在實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果不能反映出該理論的預(yù)測(cè)的行為。Au的功函數(shù)為4.8eV,Al的功函數(shù)是4.25eV,相差0.55eV。但在A(yíng)u、Al和n-GaAs接觸時(shí)，勢(shì)壘高度相差0.15eV。顯然，0.55eV＞0.15eV！實(shí)驗(yàn)表明，金屬-半導(dǎo)體接觸時(shí)的勢(shì)壘高度受金屬功函數(shù)的影響很小。這是由于半導(dǎo)體表面存在表面態(tài)造成的。表面態(tài)一般分施主型和受主型：一般表面態(tài)在表面禁帶中有一定的分布，表面處存在距離價(jià)帶頂為q0

的能級(jí)。對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體，q0約為禁帶寬度的1/3。

電子填滿(mǎn)q0

以下所有表面態(tài)時(shí)，表面電中性。

q0

以下的表面態(tài)空著時(shí)，表面帶正電，呈現(xiàn)施主型。

q0

以上的表面態(tài)被電子填充時(shí)，表面帶負(fù)電，呈現(xiàn)受主型。施主型：能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)呈電中性，放電后帶正電，（給予電子的能力）受主型：能級(jí)空著時(shí)呈電中性，而接受電子后帶負(fù)電。（得到電子的能力）存在受主表面態(tài)時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖假定在一個(gè)n型半導(dǎo)體的表面存在表面態(tài)。半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF

高于表面能級(jí)q0

，如果q0以上存在受主表面態(tài)，則在q0和EF之間的能級(jí)基本被電子填滿(mǎn)，表面帶負(fù)電。存在受主表面態(tài)時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖半導(dǎo)體表面附近必定會(huì)出現(xiàn)正電荷，形成正的空間電荷區(qū)，結(jié)果形成電子的勢(shì)壘，勢(shì)壘高度qVD

恰好使表面態(tài)上的負(fù)電荷與勢(shì)壘區(qū)的正電荷數(shù)量相等。如果表面態(tài)密度很大時(shí)，只要EF比q0高一點(diǎn)，就會(huì)在表面積累很多的負(fù)電荷，能帶向上彎曲，表面處的EF很接近q0，勢(shì)壘高度就等于原來(lái)費(fèi)米能級(jí)和q0之差，即這時(shí)勢(shì)壘高度稱(chēng)為被高表面態(tài)密度釘扎（Pinned）。存在高表面態(tài)密度時(shí)n型半導(dǎo)體的能帶圖Eg不存在表面態(tài)，半導(dǎo)體的功函數(shù)存在表面態(tài)，即使不與金屬接觸，表面也形成勢(shì)壘，

半導(dǎo)體的功函數(shù)（形成電子勢(shì)壘時(shí)）表面態(tài)密度很高時(shí)由此可見(jiàn)，在半導(dǎo)體表面態(tài)密度很高時(shí)，費(fèi)米能級(jí)的位置由表面態(tài)決定。表面態(tài)對(duì)半導(dǎo)體功函數(shù)的影響通過(guò)表面態(tài)發(fā)生作用金屬費(fèi)米能級(jí)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)空間電荷區(qū)正電荷等于表面受主態(tài)留下的負(fù)電荷與金屬表面負(fù)電荷之和表面受主態(tài)密度很高的n型半導(dǎo)體與金屬接觸能帶圖（Wm>Ws）（a）接觸前；（b）緊密接觸；（c）極限情形金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖（Wm>Ws）（a）接觸前；（b）間隙很大；（c）緊密接觸；（d）忽略間隙區(qū)別在極限情況下，半導(dǎo)體的勢(shì)壘高度為因表面態(tài)密度很高，表面態(tài)中跑掉部分電子后，表面能級(jí)

q0

的位置基本不變，故半導(dǎo)體內(nèi)的表面勢(shì)壘qVD

在接觸前后不變.綜上分析，當(dāng)半導(dǎo)體的表面態(tài)密度很高時(shí)，由于它可屏蔽金屬接觸的影響，使半導(dǎo)體內(nèi)的勢(shì)壘高度和金屬的功函數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，而基本上由半導(dǎo)體的表面性質(zhì)所決定，接觸電勢(shì)差全部降落在兩個(gè)表面之間（極端情況）。實(shí)際上，由于表面態(tài)密度不同，緊密接觸時(shí)，接觸電勢(shì)差有一部分要降落在半導(dǎo)體表面以?xún)?nèi)，金屬功函數(shù)對(duì)表面勢(shì)壘將產(chǎn)生不同程度的影響，但影響不大。為什么說(shuō)當(dāng)金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)時(shí)（Wm<Ws），也可以形成n型阻擋層？問(wèn)題：表面態(tài)對(duì)功函數(shù)和接觸勢(shì)壘的影響四、金屬半導(dǎo)體接觸整流特性阻擋層的整流特性—外加電壓對(duì)阻擋層（高阻層）的作用qVD=-q(Vs)0xdE0EcEFEvE0EFsEcEvEFmWmWsχ金屬/n半導(dǎo)體接觸能帶圖金屬與n型半導(dǎo)體接觸時(shí)，若Wm>Ws，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度比體內(nèi)小得多，是一個(gè)高阻區(qū)域，稱(chēng)為電子阻擋層。在沒(méi)有加電壓的情況下，金半接觸的系統(tǒng)處于平衡態(tài)的阻擋層是沒(méi)有凈電流：從金屬流向半導(dǎo)體的電流和半導(dǎo)體流向金屬的電流相抵消。所以，在沒(méi)有外加電壓時(shí)，半導(dǎo)體進(jìn)入金屬的電子流和從金屬進(jìn)入半導(dǎo)體的電子流相等，方向相反，構(gòu)成動(dòng)態(tài)平衡。凈電流在緊密接觸的金屬與半導(dǎo)體之間加上電壓V時(shí)，由于阻擋層是一個(gè)高阻區(qū)域，電壓主要降落在阻擋層上。電子勢(shì)壘高度變?yōu)椋和饧与妷汉?，半?dǎo)體和金屬不再處于相互平衡的狀態(tài)，兩者沒(méi)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，兩者的費(fèi)米能級(jí)差就等于外加電壓所引入的靜電勢(shì)能差。其中，(Vs)0是半導(dǎo)體的表面勢(shì)，即半導(dǎo)體表面和內(nèi)部的電勢(shì)差，V是所加的外場(chǎng)電壓。①加上正向電壓在n型阻擋層(金屬一邊為正)時(shí)：qVD/=q[VD-V]qVEFxd對(duì)于n型阻擋層，即金屬和n型半導(dǎo)體在Wm＞W(wǎng)s時(shí)，表面勢(shì)為負(fù)的值，當(dāng)在金屬上加正向電壓即V>0，使得電子的勢(shì)壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)體流向金屬的數(shù)目變多。電流：進(jìn)一步增加正向電壓：勢(shì)壘高度進(jìn)一步減低，勢(shì)壘寬度減薄，多子導(dǎo)電變強(qiáng)。qVD1=q[VD-V]qVxdEFV對(duì)于n型阻擋層，即金屬和n型半導(dǎo)體在Wm＞W(wǎng)s時(shí)，表面勢(shì)為負(fù)的值，當(dāng)在金屬上加正向電壓即V>0，使得電子的勢(shì)壘高度減低，多子電子從半導(dǎo)體流向金屬的數(shù)目變多，并隨電壓增加而變得越大，即從金屬流向半導(dǎo)體的正向電流變大。結(jié)論：E,外電場(chǎng)方向②加上反向電壓(金屬一邊為負(fù))時(shí)：qVD1=q[VD-V]q（-V）xdEFE0EcEv當(dāng)加反向電壓即V＜

0時(shí)，半導(dǎo)體一邊的電子的勢(shì)壘高度增高了，所以半導(dǎo)體到金屬的電子數(shù)目減少，相反金屬到半導(dǎo)體的電子流占優(yōu)勢(shì)，形成由半導(dǎo)體到金屬的反向電流。在此過(guò)程中，金屬邊的勢(shì)壘qns不隨外加電壓變化（阻擋層在半導(dǎo)體內(nèi)）電流：如進(jìn)一步增加反向電壓：EFqVD1=q[VD-V]q（-V）xd︱V︱勢(shì)壘高度進(jìn)一步增高，多子電子導(dǎo)電變?nèi)?。但和正向電流行為不一樣的是：金屬一邊的電子所要越過(guò)的勢(shì)壘，不隨外加電壓而變化。所以，金屬到半導(dǎo)體的電子流是恒定的。當(dāng)反向電壓提高時(shí)，半導(dǎo)體到金屬的電子流可以忽略不計(jì)，反向電流達(dá)到飽和值。對(duì)p型阻擋層：能帶向下彎，表面勢(shì)(Vs)0>0。當(dāng)金屬加負(fù)電壓V＜0時(shí)，能帶下彎得更大，多子空穴從

半導(dǎo)體流向金屬，形成正向電流；當(dāng)金屬加正電壓V＞0時(shí)，能帶下彎曲變小，形成金屬到

半導(dǎo)體的反向電流。正向和反向的電流特點(diǎn)就是阻擋層的整流作用理論推導(dǎo)，金屬－半導(dǎo)體整流接觸的伏安特性與p-n結(jié)相似空間電荷層厚度碰撞幾率勢(shì)壘寬度比載流子自由程小得多，無(wú)碰撞、越過(guò)勢(shì)壘勢(shì)壘高度起決定作用Bethe熱電子發(fā)射理論（阻擋層很?。﹦?shì)壘寬度比載流子自由程大得多，多次碰撞，勢(shì)壘形狀重要

與溫度有關(guān)與V有關(guān)與p-n結(jié)有別Schottky擴(kuò)散理論（阻擋層厚）p-n結(jié)電流電壓方程（利用連續(xù)性方程）肖克萊方程式

p區(qū)電子擴(kuò)散長(zhǎng)度p區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù)正向(V>0)：反向(V<0)：理想p-n結(jié)的J-V

曲線(xiàn)(1)p-n結(jié)具有單向?qū)?2)溫度對(duì)電流密度的影響很大反向飽和Dn、Ln、np0當(dāng)qV>>k0T時(shí)，當(dāng)qV>>k0T時(shí)，︱︱較高遷移率，較大的平均自由程（Ge、Si、GaAs），電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)以多子熱發(fā)射為主。遷移率較小，平均自由程較短（Cu2O），電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)以擴(kuò)散為主。金屬半導(dǎo)體接觸伏安特性擴(kuò)散理論正向(V>0)：反向(V<0)：當(dāng)qV>>k0T時(shí)，當(dāng)qV>>k0T時(shí)，︱︱JsD隨電壓而變化，并不飽和。對(duì)n型阻擋層，平衡界面處的載流子濃度：正向電壓（金屬為正），勢(shì)壘降低電子、空穴擴(kuò)散占優(yōu)（如何運(yùn)動(dòng)的）共同形成正向電流部分正向電流是由少數(shù)載流子空穴提供的（如何說(shuō)明？）平衡時(shí)濃度差被勢(shì)壘中的電場(chǎng)抵消，沒(méi)有電流。五、少數(shù)載流子的注入（n型阻擋層）與體內(nèi)濃度差電子由內(nèi)部向接觸面擴(kuò)散平衡時(shí)被勢(shì)壘電場(chǎng)抵消加正向電壓勢(shì)壘降低擴(kuò)散占優(yōu)，電子向表面流動(dòng)，形成正向電流與體內(nèi)濃度差空穴由表面向內(nèi)部擴(kuò)散平衡時(shí)被勢(shì)壘電場(chǎng)抵消加正向電壓勢(shì)壘降低擴(kuò)散占優(yōu)，自外向內(nèi)的空穴流，形成正向電流空穴電流p(0)可以等于n0，空穴勢(shì)壘頂在阻擋層的內(nèi)邊界積累的空穴對(duì)空穴流的阻礙施加正向電壓空穴從金屬流向半導(dǎo)體內(nèi)不立即復(fù)合少數(shù)載流子注入阻擋層內(nèi)界積累擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部擴(kuò)散效率（半導(dǎo)體內(nèi)）：空穴濃度（阻擋層）：少數(shù)載流子的積累§

5.2歐姆接觸金屬－半導(dǎo)體接觸{整流接觸－肖特基勢(shì)壘非整流接觸－歐姆接觸歐姆接觸：金/半接觸的非整流接觸，即不產(chǎn)生明顯的附加電阻，不會(huì)使半導(dǎo)體體內(nèi)的平衡載流子濃度發(fā)生明顯的改變。不考慮表面態(tài)的影響下Wm<Ws：金屬和n型半導(dǎo)體接觸形成反阻擋層Wm>Ws：金屬和p型半導(dǎo)體接觸形成反阻擋層選用適當(dāng)?shù)慕饘俨牧暇涂傻玫綒W姆接觸﹖

半導(dǎo)體材料一般都有很高表面態(tài)密度不能用選擇金屬的方法獲得歐姆接觸形成勢(shì)壘與金屬功函數(shù)關(guān)系不大歐姆接觸的制作，重點(diǎn)在于如何削弱肖特基勢(shì)壘的整流作用和少數(shù)載流子的注入效應(yīng)。如何解決？一、高摻雜接觸金屬-半導(dǎo)體接觸類(lèi)似于單邊突變p-n結(jié)，空間電荷主要在半導(dǎo)體一邊，且空間電荷區(qū)的寬度（即勢(shì)壘厚度）與半導(dǎo)體摻雜濃度的平方根成反比。半導(dǎo)體摻雜濃度較高時(shí)（如Si中摻雜濃度>5×1017/cm2），勢(shì)壘厚度δ很小，以致加上正向電壓時(shí)，載流子除了從勢(shì)壘頂部越過(guò)去以外（這種能量較高的電子稱(chēng)為熱電子），還能以隧道效應(yīng)方式穿過(guò)勢(shì)壘的中間部分。方法：高摻雜接觸、低勢(shì)壘接觸、高復(fù)合接觸半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)（如Si中摻雜濃度>1019/cm2），勢(shì)壘厚度δ相當(dāng)小，以致能帶底附近的載流子也能以隧道效應(yīng)方式通過(guò)勢(shì)壘。半導(dǎo)體摻雜濃度很高時(shí)，通過(guò)接觸勢(shì)壘的電流中，熱電子發(fā)射的成分居于很次要的地位，主要是隧道電流，接觸電阻會(huì)很小，電流與外加電壓近似成正比，即近似服從歐姆定律。這說(shuō)明，金屬與高摻雜半導(dǎo)體接觸時(shí)，盡管肖特基勢(shì)壘仍然存在，但由于太薄，已不起重要作用，因此成為歐姆接觸。制作歐姆接觸最常用的方法：在n型或p型半導(dǎo)體上制作一層重?fù)诫s區(qū)再與金屬接觸，形成金屬－n+n或金屬－

p+p結(jié)構(gòu)。由于有n+、p+層，使得金屬的選擇很多。形成金屬與半導(dǎo)體接觸的方法：電子束、熱蒸發(fā)、濺射、電鍍等。削弱接觸勢(shì)壘的整流作用高摻雜接觸減小非平衡載流子的注入效應(yīng)半導(dǎo)體摻雜濃度的提高，使半導(dǎo)體中的平衡少數(shù)載流子濃度減少，從而在表面附近積累的少數(shù)載流子濃度也相應(yīng)減少。二、低勢(shì)壘接觸適當(dāng)選取電極金屬，使得與半導(dǎo)體接觸的勢(shì)壘較低，以致在室溫下就有足夠的載流子可以越過(guò)勢(shì)壘，則這種接觸的整流效應(yīng)極小，近似為歐姆接觸。實(shí)驗(yàn)證明，一般金屬同p型半導(dǎo)體的接觸勢(shì)壘較低。如Au-Si（p型）接觸勢(shì)壘約為0.34eV，而Pt-Si（p型）接觸勢(shì)壘只有0.25eV。因此，這種金屬-半導(dǎo)體接觸在室溫以上可保證是良好的歐姆接觸。三、高復(fù)合接觸高復(fù)合接觸：是在金屬-半導(dǎo)體接觸界面附近處引入大量的復(fù)合中心，以削弱肖特基勢(shì)壘的整流作用。引入復(fù)合中心的方法：在與金屬接觸前，先把半導(dǎo)體表面打毛，使其形成大量晶格缺陷，這些表面的晶格缺陷將成為強(qiáng)復(fù)合中心。在用合金、擴(kuò)散等方法來(lái)制作電極接觸時(shí)，在接觸面處摻入Au、Cu、Ni等強(qiáng)復(fù)合中心作用的雜質(zhì)。存在于接觸勢(shì)壘中的大量強(qiáng)復(fù)合中心將復(fù)合掉注入到半導(dǎo)體內(nèi)的非平衡少數(shù)載流子。在反向時(shí)，強(qiáng)復(fù)合中心將成為強(qiáng)產(chǎn)生中心，能提供大量的載流子。從而使反向電流變得很大，反向的高阻狀態(tài)就不會(huì)出現(xiàn)。高復(fù)合接觸基本上消除了少數(shù)載流子的注入效應(yīng)高復(fù)合接觸不會(huì)有整流作用局限：這種高復(fù)合接觸不可用在靠近p-n結(jié)的地方。因?yàn)槿魏尉嚯xp-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)在一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度以?xún)?nèi)的高復(fù)合區(qū)，都會(huì)使p-n結(jié)的反向電流增大。因此，這種接觸一般用離在p-n結(jié)較遠(yuǎn)的電極處?！?/p>

5.3金屬電極材料用作電極的金屬材料應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下要求：電阻率低（體電阻率ρ<10μΩ·cm）。與半導(dǎo)體和SiO2等介質(zhì)薄膜的粘附性好。無(wú)論對(duì)n型或p型半導(dǎo)體都能形成歐姆接觸，而且接觸電阻要低。金屬與金屬、金屬與半導(dǎo)體之間不產(chǎn)生使器件性能退化的金屬間化合物。便于淀積和光刻。抗電遷移能力要強(qiáng)。（電遷移是指金屬離子在大電流情況下沿電

流方向移動(dòng)的一種現(xiàn)象）抗電化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)。金屬在淀積過(guò)程中，不能引起半導(dǎo)體表面的不穩(wěn)定性。適合大規(guī)模集成電路的多層布線(xiàn)技術(shù)。常用的歐姆電極材料這些歐姆電極材料是通過(guò)燒結(jié)、蒸發(fā)等方法制成的。常用金屬的性質(zhì)在硅平面工藝中，最廣泛采用的歐姆電極材料是Al。雖然Al是硅平面器件的一種良好電極材料，但純Al電極系統(tǒng)在使用中存在以下問(wèn)題：在高溫（200℃以上）、大電流密度（1×106A/cm2以上）時(shí)，抗電遷移能力差。這將導(dǎo)致大功率器件失效。在潮濕氣氛中，抗化學(xué)腐蝕能力差。由于Si在A(yíng)l中溶解度較大，且擴(kuò)散也較快，所以Al可以在Si表面造成腐蝕坑，易造成e-b結(jié)退化，對(duì)淺結(jié)器件有嚴(yán)重危害。當(dāng)發(fā)射結(jié)深度小于5um時(shí)，腐蝕坑中的鋁硅合金會(huì)造成發(fā)射區(qū)與基區(qū)短路。溫度循環(huán)中，Al的再結(jié)構(gòu)引起多層布線(xiàn)的極間短路。為了克服Al電極存在的問(wèn)題，也曾提出了以下改進(jìn)措施：用Al合金來(lái)代替純Al，如Al-Si（含Si重量為1~3%），Al-Cu（含Cu為1~8%）或Al-Si-Cu（含Cu4%、Si1%）

。Al的陽(yáng)極化（有孔膜，致密膜，復(fù)合膜）和玻璃化（Al2O3、SiO2、PSG磷硅玻璃等）。用電子束蒸發(fā)Al膜。研究表明，對(duì)Si器件電極材料，不僅單一的Al不能滿(mǎn)足上述所有要求，就是Al的合金也是難以滿(mǎn)足，因而發(fā)展了多層電極系統(tǒng)。常用的三層電極結(jié)構(gòu)：下層金屬—接觸膜要求電阻率低、易于鍵合的金屬，如用Au。要求粘附性好、接觸電阻小，如用Pt。防止在高溫、大電流的情況下，上層金屬透過(guò)下層金屬與Si形成合金，常用Mo和W等高熔點(diǎn)金屬。中間金屬—阻擋膜上層金屬—導(dǎo)電膜其他三層電極結(jié)構(gòu)：Ti-W-Au,PtSi-W-Au,Cr-Ag-Au等四層電極結(jié)構(gòu)：PtSi-Ti-Pt-Au,PtSi-Ti-W-Au等§

5.4金屬電極系統(tǒng)的失效機(jī)理引起器件失效的因素很多，其中一個(gè)重要的因素是電極系統(tǒng)的失效。對(duì)Si平面晶體管的失效分析得出，因金屬系統(tǒng)而失效的占28%。所以，提高電極系統(tǒng)的可靠性具有很重要的意義。金屬電極系統(tǒng)的失效機(jī)理蒸發(fā)自掩蔽效應(yīng)造成氧化層臺(tái)階處金屬膜的斷路。因電遷移現(xiàn)象造成金屬電極系統(tǒng)表面出現(xiàn)小丘、空洞、晶須，造成開(kāi)路。金屬與硅的共熔，導(dǎo)致硅表面出現(xiàn)腐蝕坑，使e-b結(jié)特性變軟，甚至穿通。溫度循環(huán)過(guò)程中，金屬膜表面再結(jié)構(gòu)，造成膜表面粗糙化，出現(xiàn)小丘。在變薄處加速了電遷移現(xiàn)象的發(fā)生，在隆起處引起二次布線(xiàn)極間短路。在高溫下，電極金屬與SiO2相互作用，使金屬膜變薄，SiO2受到侵蝕，造成極間短路或開(kāi)路。潮濕氣氛下，電極系統(tǒng)的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象造成極間開(kāi)路。一、蒸發(fā)自掩蔽效應(yīng)這種效應(yīng)將造成金屬膜在氧化層臺(tái)階處發(fā)生斷路。即使不是完全斷開(kāi)，也必將是膜變薄或“藕斷絲連”。當(dāng)器件工作時(shí)，臺(tái)階處電流密度高，溫度也高，必然是明顯的熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，氧化層臺(tái)階處金屬膜斷路的原因與金屬淀積工藝、氧化層臺(tái)階的形狀以及PSG厚度有關(guān)，而與電極金屬材料的種類(lèi)無(wú)關(guān)。氧化層臺(tái)階處有效Al膜厚度與金屬蒸汽入射角的光系蒸汽入射角是指襯底表面法線(xiàn)和蒸發(fā)原子軌跡間的夾角。隨著蒸汽入射角的增大，有效膜厚明顯下降。這易造成氧化層臺(tái)階處金屬膜的開(kāi)路失效。采用多源蒸發(fā)、傾斜蒸發(fā)、蒸發(fā)時(shí)襯底片旋轉(zhuǎn)等方法，可大大減小入射角，使膜厚在臺(tái)階處無(wú)突變，防止微裂縫產(chǎn)生。臺(tái)階處有效Al膜厚度與PSG厚度的關(guān)系為了改善器件的穩(wěn)定性，往往要采用PSG鈍化。PSG對(duì)氧化層臺(tái)階斷面的影響PSG厚度的影響主要是由于在常用光刻弱腐蝕劑中，PSG的腐蝕速率比SiO2快得多，且磷含量越高，腐蝕速度越快。所以，PSG月后，臺(tái)階斷面越陡，則蒸發(fā)自掩蔽效應(yīng)越嚴(yán)重。PSG厚度一般控制在0.1um以下。(a)(b)(c)臺(tái)階形狀對(duì)蒸發(fā)自掩蔽效益的影響(a)臺(tái)階層45度；(b)臺(tái)階內(nèi)凹；(c)分兩級(jí)的臺(tái)階為減弱自掩蔽效應(yīng)，氧化層的臺(tái)階應(yīng)該越平緩越好，高度越矮越好。對(duì)于熱生長(zhǎng)的SiO2，由于腐蝕速度的各向同性，腐蝕出的臺(tái)階形狀近似為45度。對(duì)于SiO2-PSG-SiO2夾層結(jié)構(gòu)，臺(tái)階向內(nèi)凹，更易產(chǎn)生蒸發(fā)自掩蔽效應(yīng)。對(duì)于高度很大的臺(tái)階，可采用所謂套刻工藝，有意使臺(tái)階分成兩級(jí)。二、電遷移電遷移是指金屬離子在大電流情況下沿電流方向移動(dòng)的一種現(xiàn)象。在一定溫度下，金屬中的粒子將借助空位的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)而發(fā)生自擴(kuò)散。在無(wú)外力作用時(shí)，這種自擴(kuò)散是各向同性的，在任何位置上不產(chǎn)生質(zhì)量的凈積累和虧損。在有電場(chǎng)作用時(shí)，金屬離子受到兩種力的作用——電場(chǎng)力和摩擦力。

（1）電場(chǎng)力，使金屬離子由電極正端向負(fù)端運(yùn)動(dòng)；（2）摩擦力，即傳導(dǎo)電子與金屬離子間動(dòng)量交換，電子將動(dòng)量傳給金屬離

子，使金屬離子由電極負(fù)端向正端運(yùn)動(dòng)。在半導(dǎo)體中，由于電子的屏蔽作用，電場(chǎng)力小于摩擦力，使得金屬離子由

電極負(fù)端向正端運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生凈質(zhì)量輸運(yùn)。金屬離子輸運(yùn)的電流密度為：式中，N是金屬離子濃度;D0是表觀(guān)擴(kuò)散系數(shù)；ф是擴(kuò)散激活能;ρ是電阻率；j是電流密度；k是玻爾茲曼常數(shù)；T是絕對(duì)溫度。散度：divF=▽·F在矢量場(chǎng)F中的任一點(diǎn)M處作一個(gè)包圍該點(diǎn)的任意閉合曲面S，當(dāng)S所限定的區(qū)域直徑趨近于0時(shí)，比值∮F·dS/ΔV的極限稱(chēng)為矢量場(chǎng)F在點(diǎn)M處的散度，并記作divF。由散度的定義可知，divF表示在點(diǎn)M處的單位體積內(nèi)散發(fā)出來(lái)的矢量F的通量，所以divF描述了通量源的密度。散度的重要性在于，可用于表征空間各點(diǎn)矢量場(chǎng)發(fā)散的強(qiáng)弱程度，當(dāng)divF>0，表示該點(diǎn)有散發(fā)通量的正源；當(dāng)divF<0表示該點(diǎn)有吸收通量的負(fù)源；當(dāng)divF=0，表示該點(diǎn)為無(wú)源場(chǎng)。在金屬薄膜中某一點(diǎn)，若離子電流密度Ja的散度不為零（divJa≠0），就會(huì)出現(xiàn)凈質(zhì)量的累積和虧損，嚴(yán)重將出現(xiàn)小丘和空洞，空洞的聚集造成開(kāi)路。因此，電極金屬膜由于電遷移而發(fā)生失效與divJa有關(guān)。造成divJa≠0的主要原因：金屬膜上的溫度梯度和金屬膜結(jié)構(gòu)變化引起的擴(kuò)散系數(shù)的梯度。這兩個(gè)梯度的存在，往往加速了電遷移現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致薄膜的失效。金屬膜在失效前的平均壽命（MTF）：式中，W和t分別是金屬膜的寬度和厚度；C是與金屬膜密度、電阻率、離子質(zhì)量、晶粒大小、幾何尺寸有關(guān)的參數(shù)。提高M(jìn)TF措施外因內(nèi)因降低結(jié)溫度降低電流密度

提高激活能

降低常數(shù)C采用改良的Al電極系統(tǒng)，即在A(yíng)l中添加少量雜質(zhì)（Si、Cu等）或進(jìn)行金屬膜表面鈍化；采用Au的多層電極系統(tǒng)。增加金屬膜寬度和厚度以增加導(dǎo)電截面積Al、Au擴(kuò)散的激活能Au的相應(yīng)擴(kuò)散激活能比Al的大得多，因此，用Au來(lái)取代Al可以提高ＭＴＦ。三、金屬與硅互溶１、Al與Si互溶Al與Si互溶是導(dǎo)致器件失效的一個(gè)重要原因：在電極系統(tǒng)制作過(guò)程中及其經(jīng)受強(qiáng)電流沖擊時(shí)，Al-Si接觸窗口處的Si不均勻地溶解到Al中，并向Al內(nèi)擴(kuò)散，同時(shí)在Si中留下空穴，而Al就進(jìn)入這些空穴，于是在A(yíng)l膜上由于這種“腐蝕”作用便出現(xiàn)很深的坑，可能穿透p-n結(jié)造成短路。減弱以至消除因Al-Si互溶而失效的方法：采用Al-Si合金（含Si重量0.1~0.3%）代替純Al。因金屬薄膜中的Si已達(dá)到飽和，防止了Si的進(jìn)一步溶解。采用薄Al-厚Al蒸發(fā)工藝。先蒸發(fā)20~70nm薄Al，經(jīng)400~450℃熱處理后，再蒸發(fā)一層較厚的Al,可減少腐蝕坑的深度。在A(yíng)l和Si之間加阻擋膜，即采用Al的雙層電極結(jié)構(gòu)。常用的阻擋膜金屬釉NiCr、Mo、Ti和V。2、Au與Si互溶Au是滲透能力很強(qiáng)的金屬，Au-Si直接接觸時(shí)，在低于100℃下就可以互相擴(kuò)散，在200℃以上時(shí)，這種反應(yīng)就更加明顯，到377℃時(shí)，可形成共熔金屬。Au在Si中的擴(kuò)散系數(shù)和溶解度都很高，在器件裝架過(guò)程中，Au原子便可以擴(kuò)散到p-n結(jié)處，引起p-n性能變壞。采取的措施：當(dāng)用Au作電極材料時(shí)，在A(yíng)u和Si之間一定要加阻擋膜。Pt、Mo、W阻擋膜是最理想的，沒(méi)有合金現(xiàn)象，導(dǎo)體電阻變化不大，而且阻擋膜越厚，效果越好。四、Al膜表面的再結(jié)構(gòu)Al膜表面的再結(jié)構(gòu)：在解剖失效器件時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)Al電極膜的表面和粗糙，甚至發(fā)黑，在SEM下看出這時(shí)Al表面上出現(xiàn)小丘、晶須或皺紋的現(xiàn)象。Al膜表面的再結(jié)構(gòu)對(duì)器件的影響：會(huì)使Al膜的方塊電阻增大。極間短路或多層布線(xiàn)層間短路。促進(jìn)電遷移現(xiàn)象的發(fā)生。甚至使電極開(kāi)路。Al膜表面再結(jié)構(gòu)的起因：Al膜是敷在Si片或Si片上的SiO2層上的。Al膜厚度僅有1um左右，而Si片卻有150~300um。由于A(yíng)l膜的線(xiàn)膨脹系數(shù)（23.6×10-6/℃）比Si和SiO2的分別大7倍和47倍，所以當(dāng)器件芯片加高溫時(shí)，Al膜要受到壓應(yīng)力，當(dāng)冷卻時(shí)要受到張應(yīng)力。這種應(yīng)力正是導(dǎo)致Al膜發(fā)生再結(jié)構(gòu)的內(nèi)因，而Al表面產(chǎn)生小丘、晶須、晶粒分裂空隙、皺紋等正是這種應(yīng)力被釋放的結(jié)果。應(yīng)力的大小和熱沖擊的溫度變化成正比。溫度高低不同，再結(jié)構(gòu)現(xiàn)象也不同。為此又分為高溫少循環(huán)和低溫多循環(huán)再結(jié)構(gòu)。高溫少循環(huán)再結(jié)構(gòu)：在合金、燒結(jié)、熱壓等工藝過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)構(gòu)。會(huì)使Al表面小丘、晶須和空隙。在應(yīng)力下，由Al原子擴(kuò)散蠕變導(dǎo)致。防止Al膜表面再結(jié)構(gòu)的措施：低溫多循環(huán)再結(jié)構(gòu)：在溫度變化小，但變化次數(shù)多的熱循環(huán)過(guò)程中所發(fā)生的再結(jié)構(gòu)。會(huì)使Al表面粗糙不平，出現(xiàn)皺紋。壓縮疲勞所引起的塑性形變導(dǎo)致。提高蒸Al時(shí)襯底的溫度，以增大晶粒直徑，從而減弱以至完全防止

高溫少循環(huán)再結(jié)構(gòu)（但抗低溫再結(jié)構(gòu)的能力下降）。采用Al合金膜電極，如Al-Cu、Al-Si或Al-Ag合金，這對(duì)防止低溫和

高溫再結(jié)構(gòu)均有效。Al膜玻璃化可以完全防止低溫再結(jié)構(gòu)，尤其是在A(yíng)l膜上低溫淀積SiO2，可使MTF提高2000~3000倍。采用玻璃化的大晶粒Al膜，可防

止低溫再結(jié)構(gòu)和高溫再結(jié)構(gòu)，而這種電極系統(tǒng)又具有較高的抗電遷移

的能力。五、Al和SiO2相互反應(yīng)在高溫下（200℃以上）Al與SiO2發(fā)生反應(yīng)：反應(yīng)速度隨溫度的升高呈指數(shù)加快（在500℃下已有明顯的反應(yīng)），且是一個(gè)放熱反應(yīng)?？墒咕植繙囟瘸^(guò)577℃，而形成Al-Si合金。反應(yīng)熱可使Al膜變薄，SiO2層穿透，造成極間開(kāi)路和短路。對(duì)器件來(lái)說(shuō)也是一種潛在的失效機(jī)構(gòu)，尤其是大功率器件，結(jié)溫高，易產(chǎn)生熱點(diǎn)，在熱點(diǎn)處就發(fā)生了Al與SiO2的相互反應(yīng)，以至SiO2層形成溶坑。解決方法：采用復(fù)合鈍化膜，如用SiO2-Al2O3-SiO2、Si3N4-SiO2等。采用Al的雙層電極系統(tǒng)，如Mo-Al、Ti-Al、V-Al、NiCr-Al等。在設(shè)計(jì)器件時(shí)要考慮熱分布均勻、散熱好、熱阻低，對(duì)

功率晶體管一定要加鎮(zhèn)流電阻。六、電極金屬的電化學(xué)腐蝕在潮濕氣氛下，因封裝漏氣，大量水蒸汽將侵入管殼內(nèi)。H2O是良好的電解質(zhì)，在電場(chǎng)下會(huì)使電極金屬受到腐蝕。對(duì)Al電極系統(tǒng)而言，發(fā)生反應(yīng)如下：解決Al金屬膜電化學(xué)腐蝕的根本措施：提高器件封裝的氣密性。在氣密性封裝徹底解決之前，相對(duì)有效地措施：采用Al陽(yáng)極氧化、Al玻璃化，或者選擇膨脹系數(shù)匹配、對(duì)電性能無(wú)影響的內(nèi)涂料。對(duì)于具體的器件，應(yīng)該選擇什么樣的電極系統(tǒng)才有利于提高可靠性，而又不過(guò)分增大工藝難度，這需要對(duì)不同的器件作具體分析。對(duì)高頻中、小功率管和低中速數(shù)字集成電路，可采用Al-Au合金來(lái)代替純Al，這在不增加工藝難度的情況下，對(duì)提高電極的可靠性是相當(dāng)有利的。對(duì)超高頻晶體管和高速超高速集成電路，采用玻璃化的Al-Si合金（

或Al-Au合金）-Ti雙層