一种半导体电极欧姆接触电阻参数提取方法与流程

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种半导体电极欧姆接触电阻参数提取方法。

背景技术：

固态半导体器件技术在现代科技中的重要性日益凸显，它已经广泛深入到民用、军事、航天等各个应用领域。新科技的发展进一步拓展了应用领域，特别是极端条件领域，体积更小、功耗更低、智能化芯片成为半导体芯片的重要指标，这就要求获得的半导体技术参数更加精准。因此，从半导体基本原理出发，对传统半导体技术模型和经验公式进行重新建模和方案创新具有重要意义。欧姆接触电极制作是固态半导体器件的核心工艺环节之一，其接触电阻大小与电极制备技术、金属类型、退火方案等工艺过程密切相关。具体来说，半导体电极欧姆接触电阻包含电极金属电阻、金-半接触界面电阻、电极界面下方半导体接触电阻等成分，各成分阻值占整个电极欧姆接触电阻的比例以及各成分电阻之间的物理关联是个需要深入探讨的技术问题。传统的欧姆接触电阻模型往往无法区别电极接触电阻大小各成分，基于传统模型只能笼统地对整体电阻进行计算。特别地，为了方便制图与计算，传统模型采用了较多的近似处理，例如对电极间材料的方块电阻大小与接触电极下方材料的方块电阻大小进行近似相等处理。因此基于传统模型计算得到的欧姆接触电阻数值并不准确，需要我们对半导体电极布局方案重新设计，对其欧姆接触电阻计算过程进行重新建模。

传统欧姆接触电阻模型的典型代表是传输线模型法(TLM)，其核心实施过程为：制作一系列宽度相同而间距不同的电极，通过测量每相邻两端电极的电阻，最后计算得到欧姆接触电阻大小，其电极布局示意图如图1。传统模型的核心特征为各电极宽度相同而间距不同。

传统的欧姆接触电阻模型往往无法区别电极接触电阻大小各成分，基于传统模型只能笼统地对整体电阻进行计算。特别地，为了方便制图与计算，传统模型采用了较多的近似处理，例如对电极间材料的方块电阻大小与接触电极下方材料的方块电阻大小进行近似相等处理。实际上，在进行欧姆接触工艺实验过程中，高温退火往往是必不可少的一个环节，而高温退火往往导致金-半接触界面元素互扩散，因此电极下方的材料组分和载流子迁移率都要发生变化，因此其方块电阻势必与电极间的材料方块电阻相差较大。因此基于传统模型计算得到的欧姆接触电阻数值并不准确，需要我们对半导体电极布局方案进行重新设计，对其欧姆接触电阻计算过程进行重新建模。

技术实现要素：

本发明技术方案所要解决的技术问题是通过对半导体电极布局方案进行设计创新，提供一种新的可提取半导体电极欧姆接触电阻参数的新模型。该模型能够对欧姆接触电极进行评估，提取电极间材料的方块电阻、接触电极下方材料的方块电阻以及比接触电阻率等参数，对半导体器件的设计参考具有积极的指导性意义。

为解决上述技术问题，本发明具体技术方案包含半导体电极布局设计和具体模型推导两部分，电极布局方案如图2所示，具体技术流程叙述如下：

(1)设计并制作电极：

在半导体材料表面设计并制作一系列间距都为d，宽度不同，分别为W1,W2……Wn的电极对，如图2所示。其中各电极间距相同，而电极宽度不同为本发明技术方案核心特征。

(2)电流-电极宽度关系建模：

当对第n对相邻电极进行I-V测试时，其电阻可表示为：

Rn＝2RMn+2RCn+RS公式(1)

其中RMn为第n对电极中，单个电极金属本身电阻，因金属本身电阻值远小于公式(1)中的后两项，因此在本专利申请模型中忽略其影响；RCn为第n对电极中，单个电极金属下方接触电阻总和，包括金-半接触界面电阻和电极界面下方半导体接触电阻两部分；RS为接触电极之间半导体电阻，在本模型中电极间距d保持不变，其为定值；其中金属下方接触的电压u(x)与电流i(x)分布规律遵从下面的基本均匀传输线方程：

通过求解上述方程，并将边界条件代入通解可得：

进而得到总电阻：

其中RS1和RS2分别为接触电极之间半导体方块电阻和接触电极下方半导体方块电阻；ρC为金-半接触的比接触电阻率；l为电极长度；d为电极对间距；Wn为电极的宽度。

因此，当对第n对电极进行电学I-V测试时，其电流In与Wn的关系表示为：

(3)核心参数获取：

对于公式(5)，若将In视为因变量，Wn视为自变量，其它不相关量均视为常量(U为测量电压，l为电极长度，可以直接带入数值)，则可将函数关系表示为：

其中对应关系如下：

另外，通过绘制该函数，如图4所示，还可知该函数存在最大值，即Imax。取coth(Wn·b)≈1时，I最大，即这样只要通过数学上简单的函数拟合便可以确定a，b，c三个未知量。

测量每一对电极中的I-V特性曲线，取在同一电压U下的电流分别为I1，I2......In；绘制在该电压下的电流(In)与电极宽度(Wn)的图像In-Wn，并根据绘制图像拟合出非线性函数其中两个相关参数(U为测量电压，l为电极长度)直接代入。利用Excel、Matlab等各种常见软件，拟合曲线从而获得未知参数a，b，c的数值，由此可直接计算得到目标电学参数ρC，RS1，RS2以及Imax的数值，其对应关系展示如下。

有益效果：本发明技术方案简单、易用、准确，由于在该方案中考虑到实际情况中金-半接触下方材料本身的方块电阻变化，相对于传统方案，获得的实验数据更加准确，能够满足实际工艺变化的要求，因此是一种更加有效的评估欧姆接触特性的技术方案。本技术方案模型能够对欧姆接触电极进行全面评估，同时准确提取电极间材料的方块电阻、接触电极下方材料的方块电阻以及比接触电阻率等参数，对半导体器件的设计参考具有积极的指导性意义。

附图说明

图1是典型的传统TLM模型电极设计图。

图2是本发明所提电极布局的俯视图。

图3是本发明所提模型中的金属-半导体欧姆接触电阻分布的电路原理图。

图4是本发明所提模型中电流-电极宽度关系的典型函数图像。

图5是实例中实际工艺制作的电极分布光学显微照片。

图6是实例中的电流数据提取与拟合曲线。

具体实施方式

(1)电极制作：

选用Si衬底GaN外延片作为欧姆接触中的半导体材料，GaN背景掺杂为n型，掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3。实验中制作电极光学显微照片如图5，电极长l为100μm，间距d为5μm，不同电极宽度Wn分别为2，3，4，5，7，15，20，35μm。

具体工艺如下：

(a)利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术制作出所需有源区的台面；

(b)在制作好的台面上利用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属,每层金属对应厚度为20/120/45/55nm；

(c)利用高温退火炉，在850℃、N2环境中退火30s，使之形成欧姆接触。

(2)实验数据测量：

测量图5中每一对电极中的I-V特性曲线，取在同一电压U＝1V下的电流分别为I1，I2......In；测得数据如表1。

表1：不同电极宽度下两电极间电流大小

(3)计算与评估：

对数据进行拟合，拟合表达式结果为拟合曲线如图6，a、b、c数值如下：

因此可进一步计算ρC，RS1，RS2以及Imax的数值如下：

本实施例获得了GaN外延片欧姆接触中详细的电学参数结果，包括各部分方块电阻和比接触电阻率。另外，利用本发明方案还可得到欧姆接触电极间最大允许电流数值结果。从实验数据结果可以看出，半导体材料欧姆接触电极间材料的方块电阻与接触电极下方材料的方块电阻相差很大，不可进行近似相等处理。如果利用传统模型进行计算，势必带来大的计算误差。

本发明的技术关键点在于方案中半导体欧姆接触各电极间距相同，而电极宽度不同，由此带来了新的更加准确的欧姆接触电阻计算模型。

本发明技术方案中电极布局为平行结构，也可以拓展成环形结构，同样适用于本发明模型。本发明技术方案适用所有半导体，不限定在某种类型半导体，不限定半导体参数；适用所有类型电极欧姆接触，不局限于某种制作工艺、金属类型、退火方案等。