В процессе изготовления, во время испытаний, хранения и эксплуатации приборов, устройств и микросхем в контактах с барьером Шоттки под действием внешних и внутренних факторов происходят физико-химические процессы, которые могут привести к старению, деградации и выходу параметров контактов за пределы заданных, т.е. к их отказу (постепенному или внезапному). Механизмы деградации, причины выхода контактов из строя представлены на рис.3.8.

арсенид галлий токопроводящая система

Рисунок 3.8 - Механизмы деградации ТС с барьером Шоттки

Анализ данных, приведенных на рис.3.8, показывает, что основными причинами, приводящими как к постепенным, так и к внезапным отказам являются механические напряжения в системе металл - GaAs, процессы диффузии, аутдиффузии элементов данной системы, испарение компонентов полупроводника, образование химических соединений, сплавов. Механические напряжения в ТС с выпрямляющим контактом вызываются следующими причинами: различием а параметров кристаллических решеток арсенида галлия, металла, диэлектрика, т. н. напряжения несоответствия; термические напряжения, обусловленные различием КТЛР слоев ТС, градиентом температур в структуре ТС; напряжения, вызванные различием модуля Юнга Е слоев ТС; локальные напряжения, возникающие из-за дефектов структуры слоев; внутренние механические напряжения в слоях ТС. Напряжения из-за разницы КТЛР возникают при охлаждении или нагреве готовой структуры относительно температуры нанесения слоев. Если температурная зависимость периодов решеток линейна, то

_тклр=E/ (1-) Т, (3.1)

где - разность ТКЛР пленки и подложки, Т - разность между температурой выращивания и изменения Е - модуль Юнга, - коэффициент Пуансона. Напряжения несоответствия отличаются от термических более значительной величиной, а также тем, что они присутствуют уже на начальных стадиях роста пленки и могут вызвать необратимые структурные изменения в пленке.

Наличие полей внутренних механических напряжений повышает свободную энергию ТС и делает токопроводящую систему термодинамически неравновесной. Стремление системы к минимальной свободной энергии будет проявляться в релаксации механических напряжений. Релаксация бывает упругой и пластической. Результатом упругой релаксации является изгиб подложки, доменизация. Пластическая релаксация механических напряжений приводит к генерации и перемещению дислокаций, образованию двойников, а также у движению пленки металла относительно полупроводника. Последнее вызывает нарушение сплошности пленки (отслаивание, вспучивание, образование трещин) и разрушение ТС.

При релаксации напряжений может иметь место изменение структуры пленки металла, образование бороздок в крупнозернистых пленках и появление усов и холмиков в малозернистых.

Механические напряжения в ТС оказывают влияние на параметры полупроводника. Это прежде всего проявление деформационного эффекта, когда под действием деформации изменяется структура энергетических зон и, следовательно, изменяется ширина запрещенной зоны Е_g, концентрация, эффективная масса, подвижность и время жизни носителей тока. Изменение ширины запрещенной зоны можно рассчитать по

Е_g=_g, (3.2)

где _g - коэффициент, для всестороннего сжатия GaAs, он равен 11,310^-11 эВ/Па; - механическое напряжение, Па. При максимально возможных упругих напряжениях, приближающихся к пределу упругости кристалла, изменение ширины запрещенной зоны достигает 0,05 - 0,07эВ. Кроме того, арсенид галлия обладает пьезоэлектрическими свойствами, поэтому наличие механических напряжений может вызвать появление пьезоэлектрического заряда, что приводит к изменению характеристик приборов, например, порогового напряжения ПТБШ. Изменение электрофизических параметров GaAs под воздействием напряжений приводит к изменению ВАХ и ВФХ контакта, повышению токов утечки, увеличению генерационно-рекомбинационного шума.

При уровнях напряжений >>кТ/_g в ТС могут возникнуть необратимые изменения, заключающиеся в образовании микротрещин и, следовательно, образованием и последующим окислением атомарно-чистых поверхностей в приповерхностном слое полупроводника. Эти механические нарушения действуют как центры рекомбинации и как акцепторные центры. К тому же трещины приводят к неодинаковому распределению плотности тока по площади контакта, к увеличению обратных токов.

Для снижения уровня механических напряжений в ТС с ВК необходимо:

· использование материалов слоев с близкими значениями а, ТКЛР, модуля Юнга;

· строгий контроль параметров процесса нанесения слоев ТС;

· нанесение многослойных покрытий, включающих слои с напряжениями сжатия и растяжения;

· одновременное напыление материалов с напряжениями сжатия и растяжения;

· нанесение слоев при рабочей температуре.

Т.к. вышеперечисленные требования выполнить на практике полностью не удается, то в реальных ТС всегда присутствуют некоторые механические напряжения, которые желательно подвергать быстрой релаксации. Для ускорения последней существуют термические и атермические процессы (за счет поглощения энергии квантов или частиц), причем атермические механизмы оказываются эффективнее термических.

Диффузия в слоях ТС с контактами Шоттки является причиной деградации всех рассмотренных выше разновидностей ТС в процессе изготовления, эксплуатации, хранения. При этом может иметь место диффузия металлов, примесей металлов в арсениде галлия, мышьяка и галлия в слой (слои) металла, т.к. аутдиффузия, диффузия примесей ив полупроводника в металлические слои, а также интердиффузия между металлами в многослойных ТС.

Диффузия примесей в арсенид галлия вызывает появление точечных дефектов, их скоплений, что может привести к появлению упругих напряжений в кристаллической решетке полупроводника, вызывающих дислокации. В зависимости от рода примесных атомов в процессе диффузии может изменяться (увеличиваться или уменьшаться) уровень легирования приповерхностной области GaAs. Следует отметить, что в бинарных полупроводниках из-за аутдиффузии или испарения летучего компонента (для арсенида галлия - As) диффузия примесей может протекать по вакансионному механизму. Процессы диффузии примесных атомов в GaAs вызывают изменение концентрации заряженных центров в области пространственного заряда, изменение концентрации носителей, уменьшение подвижности последних, изменение параметров переходного слоя и границы раздела. Кроме того, если парциальные коэффициенты диффузии различны, то из-за эффекта Киркендалла может произойти перемещение границы раздела металл - арсенид галлия. В итоге вышеуказанных процессов произойдет изменение ВАХ, ВФХ контакта. Обратная диффузия примесей из GaAs в пленки металла, а так - же интердиффузия между металлами (в случае многослойной ТС) приводит к изменению структуры металла с образованием большого числа дефектов, через которые возможна диффузия примесей и газов, электронных свойств металла из-за образования твердых растворов металлов и соединений металлов, что оказывает влияние на удельное сопротивление металла и контактную разность потенциалов, что в свою очередь вызовет деградацию характеристик ТС. Диффузия в металлических слоях протекает по ускоренным путям, т.е. по границам зерен, по дефектам и имеет значительные скорости даже при невысоких температурах.

В структурах металл-арсенид галлия благодаря наличию двух или более различных фаз и их взаимному проникновению при термообработке и других воздействиях могут реализовываться условия для прохождения реакционной диффузии. т.е. диффузии, при которой происходит образование химических соединений. Возможность образования нового соединения определяется диаграммой состояния в данной системе. Если диаграмма состояния допускает также образования твердых растворов, то наряду с новыми соединениями возникают и твердые растворы. Для ТС с металлами, образующими с GaAs твердые растворы, основным процессом, приводящим к изменению свойств переходного слоя, является диффузия Ga и As в слой твердого раствора и диффузия в переходной слой металла из пленки твердого раствора полупроводника в металле. При этом происходит диссонация арсенида галлия, образование структурно-примесных дефектов в полупроводнике. При этом возможно расширение переходного слоя, образование или перестройка плотности электронных состояний. Твердофазные реакции в ТС с ВК приводят к образованию галлидов и арсенидов металлов, тройных соединений, а также интерметаллидов, образующихся в результате взаимодействия металлов в многослойных системах. Это вызывает изменение параметров пленки металла, переходного слоя и, соответственно, ВАХ и ВФХ контакта.

Частным случаем реакционной диффузии является диффузия активных газов (кислород, пары воды, ионы О^-, ОН ^- и др.) в слои ТС: он и могут диффундировать в металл, арсенид галлия, переходной слой и окислять GaAs и металл. Способность к окислению зависит от теплоты образования окисла Н_о. Если Н_о<-40 ккал/моль, то кислород будет диффундировать через металл, практически не окисляя последний. К таким металлам относятся Au, Ag, Pd, Ni, Pb, Cu. У таких металлов, как Al, Ta, Ti, Cr, V H_о>-300 ккал/моль, что приводит к их эффективному окислению. Для других металлов могут одновременно проходить процессы как диффузии, так и окисления [54]. Взаимодействие с кислородом GaAs вызовет увеличение толщины окисла на границе раздела. Окисление металла повышает его сопротивление, изменяет вольт-амперные характеристики контакта с барьером Шоттки. К тому же наличие кислорода в слоях ТС будет стимулировать аутдиффузию галлия, что ускорит деградацию параметров ТС с ВК.

Из приведенного рассмотрения основных причин старения, деградации и отказа контактов металл-арсенид галлия следует, что они сводятся к изменению свойств приповерхностного слоя GaAs, переходного слоя и пленки металла. Следовательно повышение надежности, термостойкости контактов может быть достигнуто следующим:

· выбором конструкции ТС, подбором материалов слоев, оптимизации режимов их формирования с целью снижения уровня механических напряжений в ТС;

· выбором материалов слоев, обладающих низкими коэффициентами диффузии в GaAs и переходной слой; в многослойных ТС металлы не должны обладать взаимной растворимостью;

· выбором примесей в арсениде галлия с, которые не диффундируют в металл;

· ограничением или предотвращением твердофазных реакций в ТС;

· применением материалов слоев, стойких к окислению, коррозии, электромиграции;

· создание условий для исключения или ограничения испарения мышьяка и аутдиффузии галлия;

· уменьшение локальной неоднородности вдоль границы раздела металл-арсенид галлия.

Очевидно, что реализовать одновременно все вышеперечисленные требования практически невозможно, необходимо находить компромисное решение. Одним из таких решения является использование в качестве материалов слоев ТС металлоподобных тугоплавких соединений (силицидов, карбидов, нитридов и т.п.), обладающих высокой химической инертностью, что предотвратит формирование новых соединений и твердых растворов, а также хорошими барьерными свойствами, которые будут способствовать существенному замедлению диффузионных процессов. Можно также уменьшить аутдиффузию компонентов GaAs путем добавления в металл галлия или созданием подслоя из Ga и As. Повышение надежности и термостойкости обеспечивает применение тонкой диэлектрической прослойки между контактным слоем и GaAs, которая препятствует взаимодействию между полупроводником и металлом.

Уменьшение локальной неоднородности границы раздела достигается путем создания чистой, бездефектной поверхности GaAs, уменьшением дефектности пленки металла (отсутствие инородных включений, пор), а также повышением однородности переходного слоя и металла. Последнее может быть обеспечено за счет формирования мелкодисперсных, квазиаморфных покрытий, что уменьшит влияние межзеренных границ в пленке металла на диффузию галлия и мышьяка, а также увеличит воспроизводимость и однородность характеристик.

4. Обоснование выбора диборидов тугоплавких переходных металлов в качестве материалов слоев ТС с контактом Шоттки