Способ изготовления наноструктурного омического контакта фотоэлектрического преобразователя

Способ изготовления наноструктурного омического контакта фотоэлектрического преобразователя

Реферат

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов, в частности к изготовлению фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе антимонида галлия, способных эффективно преобразовывать падающее излучение высокой плотности.

В условиях экстремальной работы концентраторных ФЭП к качеству контактов предъявляются повышенные требования. Уменьшение сопротивления контактов необходимо для увеличения токосъема с приборов и уменьшения разогрева, связанного с протеканием токов большой плотности, и в конечном счете для увеличения КПД концентраторных ФЭП и срока их эксплуатации.

Известен способ изготовления наноструктурного омического контакта (см. заявка US 20080230904, МПК H01L 23/48, опубликована 25.09.2008), включающий последовательное нанесение на полупроводниковый слой на основе GaN контактного слоя из металла, выбранного из группы: Ni, Ir, Pt, Pd, Au, Ti, Ru, W, Та, V, Co, Os, Re, Rh, улучшающего адгезию на границе металл - полупроводник; отражающего слоя из Al или Ag; барьерного слоя из материала, выбранного из группы: Ru, Ir, Re, Rh, Os, V, Та, W, ITO (оксид индий-олова), IZO (оксид индий-цинка), RuO₂, VO₂, MgO, IrO₂, ReO₂, RhO₂, OsO₂, Ta₂O₃ или WO₂, предотвращающего диффузию; а также первого и второго слоев для осуществления сварки. Первый слой наносят из металла, выбранного из группы: Ni, Cr, Ti, Pd, Ru, Ir, Rh, Re, Os, V, Та; второй слой наносят из металла, выбранного из группы: Au, Pd, Pt. Вжигание контактов производят в течение 10-100 с в атмосфере, содержащей от 5% до 100% кислорода, при температуре от 100 до 700°C. Предпочтительные материалы для изготовления омического контакта - (Ir, Ni, Pt)/Ag/Ru/Ni/Au. Контактный слой, выбранный из группы (Ir, Ni, Pt), имеет толщину от 5 до 500 Å (предпочтительнее 200 Å или менее). Отражающий слой Ag имеет толщину от 100 до 9000 Å (предпочтительнее - от 1000 до 2000 Å). Барьерный слой Ru имеет толщину от 50 до 1000 Å (предпочтительнее - от 100 до 800 Å). Первый слой Ni для осуществления сварки имеет толщину от 100 до 3000 Å (предпочтительнее - от 1000 Å или менее). Второй слой Au для осуществления сварки имеет толщину от 100 до 9000 Å (предпочтительнее - от 1000 Å или менее).

Известный способ предполагает последовательное нанесение адгезионного (контактного) слоя толщиной от 5 Å до 500 Å и слоя алюминия или серебра без барьерного слоя между ними. Предлагаемые толщины контактного слоя недостаточны для того, чтобы предотвратить интенсивную диффузию Ag в GaSb во время отжига, что приведет к нарушению планарности границы раздела металл - полупроводник.

Известен способ изготовления наноструктурного омического контакта (US Pat. №3978517, H01L 23/52. опубликован 31 августа 1976 г.), включающий последовательное нанесение на полупроводниковую структуру, в частности кремниевую, слоя титана (толщиной 60-80 нм), слоя серебра (толщиной 600-800 нм) и палладия (толщиной 100-150 нм).

Толщина слоя титана, наносимого в известном способе, слишком велика и может сказаться на увеличении последовательного сопротивления контакта. Кроме того, слой титана даже такой толщины может не предотвратить диффузию серебра в слой полупроводника при отжиге. Вместе с тем, толщина проводящего слоя серебра недостаточна для применения в технологии изготовления сильноточных приборов, таких как концентраторные ФЭП.

Известен способ изготовления наноструктурного омического контакта (см. патент US 5422307, МПК H01L 29/45, опубликован 06.06.1995), включающий метод формирования омического электрода, состоящий из последовательного нанесения на подложку GaAs слоев золота-германия, никеля, вольфрамового сплава и золота. Рисунок контакта создается с помощью нанесения защитной маски, предохраняющей область формирования омического электрода, удаления металлических слоев (золота-германия, никеля, вольфрамового сплава, золота) с нежелательных участков и последующего удаления защитной маски. Толщина металлических слоев лежит в диапазоне значений: золото-германий - 800-1200 Å, никеля - 200-400 Å, вольфрамового сплава - 200-1000 Å, золота - 1000-3000 Å. В качестве вольфрамового сплава используется TiW и WSi. Предусмотрен дополнительный отжиг контактов при температуре 450°C в течение 60 с. Возможно нанесение на подложку GaAs дополнительного изолирующего слоя (SiN или SiO₂) с последующим удалением части указанного слоя за счет экспонирования подложки GaAs на участках в подконтактных областях.

К недостатках указанного способа следует отнести достаточно высокую (450°C) температуру вжигания контакта, которая может быть недопустима при формировании приборных структур с мелким p-n-переходом и приводит к возрастанию токов утечки. Пленки на основе вольфрамового сплава могут наноситься только методом магнетронного распыления, что усложняет технологию нанесения контакта и не может быть оправдано без указания полученных низких значений удельного переходного сопротивления

Известен способ изготовления наноструктурного омического контакта (см. патент US 5982036, МПК H01L 21/338, опубликован 09.11.1999), включающий осаждение на подложку n⁺- GaAs немонокристаллического слоя InAs, распыление пленок Ni, WSi и W, последующую взрывную литографию, вжигание контактов сначала при температуре 300°C в течение 30 минут и последующий прогрев многослойной структуры до 650°C (1 секунда).

Недостатки известного способа аналогичны указанным выше: высокие температуры вжигания контакта и большая длительность этой операции недопустимы при формировании приборов (в том числе фотоэлементов) на основе GaSb с мелким p-n-переходом.

Известен способ изготовления наноструктурного омического контакта (см. В.П.Хвостиков, М.Г.Растегаева, О.А.Хвостикова, С. В.Сорокина, А.В.Малевская, М.З.Шварц, А.Н.Андреев, Д.В.Давыдов, В.М.Андреев. - Высокоэффективные (49%) мощные фотоэлементы на основе антимонида галлия. - ФТП, 2006, т.40, вып.10, стр.1275-1279) для фотопреобразователей на основе GaSb, включающая последовательно нанесенные слои титана, платины и золота на поверхность антимонида галлия р-типа проводимости (р~10²⁰ см^-3), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Ti и Pt наносились на поверхность полупроводника методом магнетронного распыления, a Au-термическим испарением. Отжиг образцов проводился в потоке азота, его продолжительность составляла 1-2 минуты. Минимальная величина удельного переходного сопротивления омических контактов, определяемая по методике TLM (Transmission Line Method) (см. H.H.Berger. Models for contacts to planar devices. Solid State Electronics, 1972, Vol.15, pp.145-158), соответствовала ρ_c=(4-6)·10^-6 Ом·см². После отжига контактов в атмосфере азота при температуре 250°C величина ρ_c уменьшались до (1-3)·10^-6 Ом·см². Основным преимуществом таких контактов является тот факт, что Pt, являясь эффективным диффузионным барьером, препятствует глубокому проникновению Au в полупроводник и предотвращает возможность локального шунтирования мелкого p-n-перехода, обеспечивая стабильность работы приборов при повышенных температурах. Для уменьшения сопротивления контактной сетки производилось утолщение контакта посредством электрохимического осаждения золота из электролита. Электрохимическое осаждение осуществлялось с использованием маски фоторезиста путем последовательного нанесения слоев золота, никеля и вновь золота. Толщина осажденного золота составляет 1,5-3,5 мкм.

Наличие дополнительной и достаточно трудоемкой операции гальванического утолщения контактов, требуемой при изготовлении приборных структур, следует отнести к недостаткам способа. К недостаткам способа-прототипа также можно отнести его относительно высокую стоимость из-за повышенного расхода золота при изготовлении толстых, до 5 мкм толщиной, контактов.

Задачей заявляемого изобретения является разработка такого способа изготовления наноструктурного омического контакта к GaSb р-типа проводимости, который обеспечит воспроизводимое формирование омического контакта с малым удельным переходным сопротивлением.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления наноструктурного омического контакта предварительно проводят очистку поверхности GaSb р-типа проводимости методом ионно-плазменного травления на глубину 5-30 нм. Затем последовательно напыляют методом магнетронного распыления адгезионный слой титана Ti толщиной 5-30 нм и барьерный слой платины Pt толщиной 20-100 нм. Далее напыляют термическим испарением проводящий слой серебра Ag толщиной 50-5000 нм и контактирующий с окружающей средой слой золота Au толщиной 30-200.

Изготовленный наноструктурный омический контакт для лучшей адгезии можно отжечь путем выдержки в атмосфере водорода или азота при температуре 170-250°C в течение 30-60 с.

Заявляемый способ изготовления наноструктурного омического контакта осуществляют следующим образом (см. чертеж). Непосредственно перед процессом напыления контактных слоев производят очистку фронтальной поверхности полупроводниковой структуры 1 на основе GaSb p-типа проводимости методом ионно-лучевого травления на глубину 5-300 нм. Удаление приповерхностного слоя необходимо для улучшения адгезии металла к полупроводниковой структуре 1 и для уменьшения переходного контактного сопротивления. При травлении на глубину меньше 5 нм недостаточно эффективно происходит удаление поверхностных загрязнений и окислов. При травлении на глубину больше 300 нм повышается дефектность структуры 1, что может приводить к снижению характеристик изготавливаемого прибора, например к снижению напряжения холостого хода фотоэлементов. Последовательно напыляют методом магнетронного распыления адгезионный слой 2 титана Ti толщиной 5-30 нм и барьерный слой 3 платины Pt толщиной 20-100 нм. Адгезионный слой 2 титана толщиной менее 5 нм может иметь нарушения сплошности (возникновение проколов слоя), а слой 2 титана толщиной более 30 нм может ощутимо увеличить последовательное сопротивление контакта (титан имеет высокое удельное сопротивление, почти в 35 раз больше, чем у серебра). Толщина слоя 3 платины 20-100 нм (зависит от толщины предварительно нанесенного слоя 2 титана) достаточна для того, чтобы существенно замедлить диффузию серебра через слой 3. Увеличивать толщину слоя 3 платины более указанных выше не представляется целесообразным из-за увеличения стоимости контакта. Далее напыляют термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере ~8·10^-8-1·10^-6 мм рт. ст. проводящий слой 4 серебра Ag толщиной 50-5000 нм и контактирующий с окружающей средой слой 5 золота Au толщиной 30-200. Толщину проводящего слоя 4 серебра выбирают, прежде всего, из соображений уменьшения сопротивления контактной сетки, а также стоимости контакта. Учитываются также следующие соображения: при толщине контакта менее 1-1,5 мкм затрудняется процесс пайки солнечных элементов, а при толщинах контакта более 5 мкм могут возникнуть напряженные слои, вследствие чего уменьшается адгезия контакта к полупроводниковой структуре и его отслаивание. Кроме того, при таких толщинах контакта становится заметным затенение светочувствительной поверхности полупроводниковой структуры. Верхний предел давлений остаточных газов в вакуумной камере (8·10^-8 мм рт.ст.) при термическом испарении определяется возможностями установки. Нижнее значение давления остаточных газов (1·10^-6 мм рт.ст.) выбирается из соображений минимизации содержания остаточного кислорода, который может приводить к окислению серебра и, следовательно, ухудшению адгезии со слоем Pt. В композиции Ti-Pt-Ag верхний тонкий слой 5 золота наносят для предотвращения окисления контактной структуры (такие изменения свойств контакта могут вызывать трудности дальнейшего монтажа прибора, например, при пайке фотоэлементов в батарею). Кроме того, контактирующий верхний слой 5 золота обычно применяют, если прибор предназначен для работы в присутствии следов агрессивной среды.

Режим отжига контакта выбирают из условий минимизации удельного переходного сопротивления, а также обеспечения неглубокого залегания границы раздела металл - полупроводник.

Пример 1. Фронтальный наноструктурный омический контакт был сформирован на слое p-типа проводимости, полученном на подложке GaSb диффузией цинка. Концентрация свободных носителей заряда в слое составляла ~ 1·10²⁰ см^-3. Перед нанесением наноструктурного омического контакта на поверхности полупроводника была сформирована маска из двухслойного фоторезиста (с LOR-слоем), проведена очистка поверхности структуры методом ионно-лучевого травления (удалено 5 нм поверхностного слоя). Наноструктурный омический контакт состоял из слоя титана толщиной 30 нм, платины толщиной 90 нм, серебра толщиной 1070 нм и слоя золота толщиной 30 нм. Напыление Ag и Au проводили термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере ~ 7·10^-7 мм рт.ст. Переходное сопротивление контакта после отжига многослойной контактной структуры при температуре 250°C в течение 30 с составило 4,1·10^-7 Ом·см² (измерения по методике TLM).

Пример 2. Травление приповерхностного слоя на глубину 5 нм, магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 30 нм и барьерного слоя платины толщиной 90 нм, напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 7·10^-7 мм рт.ст. проводящего слоя серебра толщиной 1070 нм и слоя золота толщиной 30 нм. Переходное сопротивление контакта без дополнительного отжига многослойной контактной структуры составило 1,2·10^-6 Ом·см² (измерения по методике TLM).

Пример 3. Травление приповерхностного слоя на глубину 5 нм магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 5 нм и барьерного слоя платины толщиной 20 нм. Напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 8·10^-6 мм рт.ст. проводящего слоя серебра толщиной 5000 нм и контактирующего с окружающей средой слоя золота толщиной 200 нм. Переходное сопротивление контакта после отжига многослойной контактной структуры при температуре 250°C в течение 30 с составило 5,7·10^-7 Ом·см² (измерения по методике TLM).

Пример 4. Травление на глубину 30 нм магнетронное распыление адгезионного слоя титана толщиной 10 нм и барьерного слоя платины толщиной 50 нм. Напыление термическим испарением при давлении остаточных газов в вакуумной камере 6·10^-6 мм рт.ст. проводящего слоя серебра толщиной 50 нм и контактирующего с окружающей средой слоя золота толщиной 30 нм. Переходное сопротивление контакта после отжига многослойной контактной структуры при температуре 170°C в течение 1 минуты составило 7,1·10^-7 Ом·см² (измерения по методике TLM).

1. Способ изготовления наноструктурного омического контакта, включающий предварительную очистку поверхности GaSb р-типа проводимости ионно-плазменным травлением на глубину 5-30 нм с последующим последовательным напылением магнетронным распылением адгезионного слоя титана толщиной 5-30 нм и барьерного слоя платины толщиной 20-100 нм, напылением термическим испарением проводящего слоя серебра толщиной 50-5000 нм и контактирующего с окружающей средой слоя золота толщиной 30-200 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изготовленный наноструктурный омический контакт выдерживают в атмосфере водорода при температуре 170-250°С в течение 30-60 с.