Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем технологии формирования контактов металл/карбид кремния
1.1. Требования к контактам металл/полупроводник 15
1.2. Контакты к n-SiC на основе тугоплавких металлов 20
1.2.1. Никель - карбид кремния 20
1.2.2. Титан - карбид кремния 34
1.2.3. Хром - карбид кремния 43
1.2.4. Кобальт - карбид кремния 46
1.2.5. Молибден - карбид кремния 47
1.2.6. Тантал - карбид кремния 52
1.2.7. Вольфрам - карбид кремния 63
1.2.8. Платина - карбид кремния 73
1.2.9. Использование соединений для контактов к n-SiC 84
1.2.10 Применение многослойных структур для контактов к n-SiC 94
1.3. Контакты к p-SiC 120
1.3.1. Контакты на основе тугоплавких металлов 120
1.3.2. Палладий - карбид кремния 124
1.3.3. Контакты на основе титана 137
1.3.4. Контакты на основе алюминия 143
1.3.5. Сравнение параметров контактов кр-SiC 168
1.4. Влияние обработки поверхности подложки карбида кремния на электрофизические параметры контактов 179
1.5. Методы получения силицидов и карбидов тугоплавких металлов 193
1.6. Выводы 201
2. Разработка методики выбора материала для формирования контактов к SiC 204
2.1. Свойства материалов контактов 205
2.1.1. Структурные особенности кристаллической решетки карбида кремния 205
2.1.2. Некоторые электрофизические свойства SiC 212
2.1.3. Некоторые свойства тугоплавких металлов 221
2.1.4. Соединения тугоплавких металлов с карбидом кремния 227
2.1.5. Удельное сопротивление карбидов и силицидов тугоплавких металлов 234
2.1.6. Температура плавления карбидов и силицидов тугоплавких металлов 247
2.1.7. Стабильность силицидов и карбидов в окислительных средах 251
2.2. Термодинамические закономерности высокотемпературной стабильности структур металл/карбид кремния 255
2.2.1. Методы анализа твердофазных реакций и определения термодинамических свойств соединений 255
2.2.2. Термодинамический анализ стабильности в тройной системе Ni-Si-C 260
2.3. Механические напряжения в контактах к карбиду кремния 269
2.3.1. Влияние напряжений на параметры микроэлектронных структур 269
2.3.2. Источники напряжений в пленках 271
2.3.3. Напряжения из-за различия молярных объемов материалов пленки и подложки 276
2.3.4. Термоупругие напряжения 281
2.3.5. Напряжения из-за несоответствия параметров кристаллической решетки пленки и подложки 283
2.3.6. Напряжения в структурах контактов к SiC 287
2.3.7. Напряжения в контактах к SiC на основе никеля и его силицидов 293
2.4. Выводы 314
3. Влияние параметров границы раздела на токопрохождение в контактах к карбиду кремния 316
3.1. Формирование потенциального барьера в контакте металл-полупроводник 317
3.2. Токопрохождение в контакте металл-полупроводник 330
3.3. Влияние концентрации легирующей примеси и плотности состояний на границе раздела на параметры контактов к карбиду кремния 335
3.4. Выводы 341
4. Моделирование процессов импульсной термообработки SiC 343
4.1. Особенности методов импульсной термообработки 343
4.2. Быстрая термообработка некогерентным ИК-излучением SiC и структур на его основе 354
4.2.1. Отражение и поглощение некогерентного ИК-излучения в SiC и структурах на его основе 354
4.2.2. Общие закономерности нагрева SiC и структур на его основе при БТО некогерентным ИК-излучением 363
4.2.3. Оптимизация реакционной камеры установки БТО для пластин SiC 366
4.2.4. Оптимизация режимов БТО пластин SiC...-. 378
4.2.5. Математическая модель расчета температурных полей в структурах на основе SiC при БТО некогерентным излучением 386
4.2.6. Закономерности формирования температурных полей в структурах металл/карбид кремния при БТО некогерентным излучением 389
4.3. Температурные поля и термоупругие напряжения в SiC при электроискровой обработке 395
4.3.1. Моделирование температурных полей приЭИО в карбиде кремния 395
4.3.2. Напряжения в области воздействия ЭИО 401
4.4. Выводы 406
5. Экспериментальное исследование влияния импульсной термообработки на параметры контактов к SiC 409
5.1. Влияние режимов БТО на электрические и структурные параметры контактов к SiC 410
5.1.1. Влияние БТО на электрические параметры контактов Ni/n-21R-SiC 410
5.1.2. Влияние БТО на электрические параметры контактов Ni/n-6H-SiC 428
5.2. Влияния электроискровой обработки на параметры контактов Ni/n-6H-SiC 431
5.3. Применение электроны о-лучевой обработки в технологии изготовления контактов для SiC 440
5.3.1. Влияние электронно-лучевой обработки на морфологию поверхности подложки карбида кремния 446
5.3.2. Влияние электронно-лучевой обработки на параметры контактов Ti/n-6H-SiC 450
5.4. Влияние импульсной термообработки на параметры контактов к p-6H-SiC 454
5.4. Выводы 462
Заключение 464
Список использованных источников 468
Приложения 5 03
- Применение многослойных структур для контактов к n-SiC
- Методы анализа твердофазных реакций и определения термодинамических свойств соединений
- Влияние концентрации легирующей примеси и плотности состояний на границе раздела на параметры контактов к карбиду кремния
- Закономерности формирования температурных полей в структурах металл/карбид кремния при БТО некогерентным излучением
Введение к работе
Прогресс в области технологии радиоэлектронной аппаратуры для экстремальных условий эксплуатации, а так же возможности реализации разработок по приоритетным направлениям развития науки и техники, обеспечиваются развитием экстремальной электроники - направления микроэлектроники и микросистемной техники, которое основано на использовании широкозонных полупроводниковых материалов, наиболее перспективным и освоенным из которых является карбид кремния (SiC).
Успехи в технологии выращивания объемных монокристаллов и эпитак-сиальных слоев, а так же микротехнологии обработки карбида кремния, обеспечены приоритетными фундаментальными и прикладными исследованиями российских научных центров, которые являются признанными мировыми лидерами (кафедра микроэлектроники и Центр микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ), Физико-технический институт РАН им. А.Ф. Иоффе (ФТИ), РНЦ "Курчатовский институт). Это позволило начать исследования и разработки широкого класса приборов и устройств экстремальной электроники, прежде всего силовой, СВЧ-электроники и датчиковой тематики.
Одной из наиболее важных задач при проектировании и изготовлении приборов этого класса является создание контактов с заданными параметрами, стабильными при эксплуатации в условиях высоких температур и уровней радиации.
При разработке технологии формирования контактов к карбиду кремния необходимо обеспечить решение ряда взаимосвязанных проблем, которые определяются современным состоянием и тенденциями развития технологии производства приборов на SiC.
Первая проблема заключается в необходимости выбора материалов, применение которых обеспечит воспроизводимое формирование невыпрям-ляющих или выпрямляющих контактов к SiC с контролируемыми параметрами, стабильными в широком температурном диапазоне. Решение этой про-
блемы является актуальной задачей и достигается при разработке методики, основанной на анализе особенностей структуры, электрофизических, физико-химических и физико-механических свойств материалов контактов, а так же проблем их совместимости со свойствами карбида кремния.
Вторая проблема заключается в необходимости контроля процессов твердофазного взаимодействия контактирующих материалов и структуры границы раздела при термообработке нанесенных на подложку SiC пленок металлов.
В настоящее время при изготовлении контактов к SiC широко используются типовые технологические процессы, разработанные для нужд серийного производства кремниевых ИС (очистка поверхности подложек, нанесение пленочных структур, фотолитография) [1]. Однако, ключевой операций при формировании контактов к SiC является термообработка пленочных структур, поскольку она сопровождается диффузионным перераспределением и твердофазным взаимодействием атомов металлов с кремнием и углеродом, что приводит к формированию новых соединений, а так же к изменению структуры границы раздела контакта.
Использование методов термообработки с прецизионным контролем режимов отжига позволяет управлять этими процессами и оказывать влияние на параметры контактов.
Третья проблема связана с необходимостью учета современных тенденций развития технологии приборов экстремальной электроники при разработке технологических процессов формирования контактов к SiC. В частности, особенностью современного этапа развития технологии выращивания объемных монокристаллов SiC является организация перехода на коммерческое производство пластин диаметром 100 мм. Этим устраняется одно из основных препятствий на пути организации полномасштабного массового производства приборов экстремальной электроники, и на большинстве технологических операций могут быть использованы стандартные для микроэлектронной технологии оборудование и оснастка. При этом, закономерным яв-
7 ляется проявление в технологии приборов экстремальной электроники тенденций, действующих в микроэлектронной технологии: повышение сложности, а так же необходимость снижения стоимости и повышения выхода годных изделий приводят к повышению степени интеграции и сокращению цикла изготовления приборов, а так же увеличению диаметра пластин и переходу к методам индивидуальной обработки.
Решение этого комплекса взаимосвязанных проблем, обеспечивается за счет применения методов импульсной термообработки, основанных на кратковременном нагреве структур с высокой скоростью в широком диапазоне температур и различных технологических средах.
В диссертационной работе решается задача создания методики разработки технологических процессов формирования выпрямляющих и невы-прямляющих контактов к карбиду кремния на основе отжига методами импульсной термообработки.
Решение этой задачи основано на применении комплексного, физико-технологического подхода, который заключается в необходимости разработки методики выбора материалов контактов с учетом их электрофизической, физико-химической, физико-механической и структурной совместимости с карбидом кремния, а так же оптимизации режимов технологических процессов и конструкционных параметров оборудования импульсной термообработки, с учетом геометрических размеров и свойств подложек, топологии структур контактов, а так же нелинейных зависимостей оптических, тепло-физических, физико-механических и физико-химических свойств материалов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации, дано краткое содержание основных разделов диссертации.
В первой главе выполнен обзор литературных источников, проведены обобщение практического опыта, основных физико-технологических проблем формирования и анализ требований к контактам к SiC. Систематизированы работы по контактам к карбиду кремния п- и р- типов проводимости на основе тугоплавких металлов с учетом процессов твердофазного взаимодействия в структурах при термообработке, и их влияния на электрофизические параметры контактов.
Во второй главе выполнена разработка основных этапов методики выбора материала для формирования контактов к SiC: проведены обобщение и теоретический анализ особенностей структуры, электрофизических, физико-химических и физико-механических свойств материалов контактов и карбида кремния; разработана математическая модель для анализа закономерностей твердофазного взаимодействия в тройных системах металл-Si-C в диапазоне температур нагрева контактов при формировании и эксплуатации; разработаны математические модели для исследования закономерностей формирования напряжений в структурах контактов с учетом технологических и размерных факторов.
Во третьей главе проведен анализ и представлены математические модели для определения параметров контактов к SiC, с учетом влияния параметров границы раздела и электрофизических свойств материалов на формирование потенциального барьера и токопрохождения в контактах.
В четвертой главе разработаны математические модели, которые предназначены для использования при проектировании и оптимизации промышленного оборудования, технологических процессов и режимов отжига методами импульсной термообработки при формировании контактов к карбиду кремния. С помощью разработанных моделей изучены закономерности взаимодействия потоков низкоэнергетических частиц с материалами и структурами, а так же закономерности формирования температурных полей, термоупругих напряжений и термопластических эффектов в структурах с учетом
нелинейных температурных зависимостей оптических, теплофизических и физико-механических свойств материалов, а так же топологии контактов.
Кроме того, в начале главы проведен анализ достоинств, недостатков и возможных областей применения различных методов импульсной термообработки в микроэлектроной технологии.
В пятой главе, для проверки эффективности разработанных технологических процессов проведены экспериментальные исследования влияния режимов импульсной термообработки на морфологию, структуру и параметры контактов к карбиду кремния различных политипов. В экспериментальные исследования использовались монокристаллы двух политипов (6H-SiC и 21R-SiC) различной концентрации и типа проводимости.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
В приложениях приведены: список публикаций по теме диссертации, акты внедрения на промышленных предприятиях и в научных организациях, акты использования научных результатов в учебном процессе
Научная новизна работы:
разработана математическая модель для анализа температурных зависимостей термодинамических характеристик реакций твердофазного взаимодействия в тройных системах металл-Si-C, которая позволяет выбирать материалы, не взаимодействующие с карбидом кремния в диапазоне температур нагрева при формировании и эксплуатации контактов;
проведен анализ механизмов формирования механических напряжений в пленках и структурах контактов к SiC и разработаны математические модели для их расчета, которые позволяют проводить анализ закономерностей влияния технологических и размерных факторов на напряжения в структурах контактов;
разработана математическая модель для анализа закономерностей поглощения некогерентного излучения в подложках SiC при их нагреве с учетом нелинейных температурных зависимостей электрофи-
10 зических свойств карбида кремния и спектральной зависимости интенсивности источника излучения, которая позволяет проводить оптимизацию режимов быстрой термической обработки некогерентным ИК-излучением карбида кремния;
разработана математическая модель для расчета температурных полей, термоупругих напряжений и термопластических эффектов в пластинах SiC при их быстрой термической обработке некогерентным ИК-излучением с учетом нелинейных температурных зависимостей оптических, теплофизических и физико-механических свойств карбида кремния, которая позволяет проводить оптимизацию конструкции реакционной камеры промышленного оборудования и режимов термообработки пластин SiC;
разработана математическая модель расчета температурных полей в структурах контактов к SiC при быстрой термической обработке с учетом нелинейных температурных зависимостей оптических и теплофизических свойств карбида кремния, а также топологии контактов, которая позволяет проводить оптимизацию режимов термообработки контактов к SiC;
разработаны физико-технологические основы формирования контактов к карбиду кремния на основе отжига методами импульсной термообработки, позволяющие контролировать параметры контактов путем влияния на процессы фазообразования и параметры границы раздела.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ в 1988 — 2005 гг.: "Разработка автоматической установки и внедрение технологических процессов импульсной термообработки в серийное производство микросхем" (№ гос. регистрации 01870061116); "Разработка макета вакуумной установки с микропроцессорным управлением режимами обработки полупроводниковых структур" (№ гос. регистрации 019000001341); "Исследование процессов фо-
тонной и термополевои технологии для устройств высокотемпературной электроники" (№ гос. регистрации 01980010271); "Разработка принципов построения наноразмерной элементной базы и нетермически активируемых технологических процессов изготовления интегральных схем экстремальной электроники" (№ гос. регистрации 01200315248).
Часть теоретических и практических результатов получена при выполнении НИР по грантам НТП Министерства образования Российской Федерации в 2000 - 2004 гг.:
"Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" - НИР "Исследование и разработка высокоэффективных базовых технологических процессов формирования полупроводниковых структур высокотемпературной электроники на основе фотонной и термополевои технологии" (№ гос. регистрации 01950004918);
"Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" - НИР "Разработка фотонной и термополевои технологии формирования барьерных и омических контактов для устройств высокотемпературной электроники" (№ гос. регистрации 01200111555).
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс, акты использования научных результатов в учебном процессе прилагаются к диссертации.
По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ, в том числе 5 монографий, 32 статьи в центральных периодических изданиях (среди которых 17 в журналах, входящих в Перечень ведущих научных журналов и изданий ВАК Минобразования РФ и 11 в зарубежных англоязычных рецензируемых периодических изданиях), 12 статей в сборниках трудов, 36 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях. Новизна и практическая значимость результатов выполненных исследований подтверждены авторским свидетельством Правительства СССР и патентом РФ.
Отдельные результаты отражены в зарегистрированных в ВНИТЦ в 9 научно-исследовательских отчетах.
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных, всесоюзных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: НТК "Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии" (Пенза, 1988); международной конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (г. Москва, 1991); International conference on advanced and laser technologies ALT"92 (Moscow, 1992); 38-я НТК ТРТИ (Таганрог, 1992); "Актуальные проблемы микроэлектроники" (Таганрог, 1994); Международный научно-методический семинар 'Математические модели физических процессов и их свойства', (Таганрог, 1996); МНТК 'Приборостроение - 97' (Винница, 1997г.); Third European Conference on Magnetic Sensors and Actuators, EMSA 2000 (Dresden, 2000); III МНТК "Электроника и информатика XXI век" (Зеленоград, 2000); The Third International Euro Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM'2000 (Smolenice Castle, Slovakia, 2000); 9th International Conference on SiC and Related Materials ICSCRM2001 (Tsukuba, Japan, 2001); ВНТДК "Электроника" (Зеленоград, 2001); 23rd International Conference on Microelectronics, MIEL-2002 (Nis, Yugoslavia, 2002); 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, УНКФН-1 (Одеса, Україна, 2002); The Fourth International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM'02 (Smolenice Castle, Slovakia, 2002); IV МНТК "Электроника и информатика - 2002" (Москва, МИЭТ, 2002); 10th International Conference on SiC and Related Materials, ICSCRM2003 (Lyon, France, 2003); МНТК "Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе" (Баку-Сумгаит, 2001, 2003); МНПК "Современные информационные и электронные технологии" (г. Одесса, Украина, 2002, 2004); International Seminar on Silicon Carbide and Related Materials (Novgorod the Great, Russia, 2000, 2002, 2004); 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, ECSCRM2004 (Bologna, Italy, 2004); МНТК "Актуальные про-
13 блемы твердотельной электроники" (Дивноморское, 1997, 1999, 2000, 2002, 2004); IV МНК "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехноло-гии" (г.Кисловодск, 2004 г.)
Результаты работы отмечены дипломами ряда конкурсов научных работ: Научная сессия МИФИ-98 (Москва, 1998), Министерства Образования РФ (Москва, 2001), Российского научно-технического вакуумного общества (Казань, 2003), СКНЦВШ и Ростовского отделения Российской инженерной академии (Ростов-на-Дону, 2003).
Применение многослойных структур для контактов к n-SiC
Согласно литературным данным, хром формирует с SiC контакты с достаточно стабильными электрическими параметрами [8-10]. В [11] приводятся характеристики датчика температуры на основе контакта Cr/n-6H-SiC с высокой линейностью преобразования до 400 С.
Исследования, проведенные в работе [46], показали, что высота барьера Шоттки контактов Cr/n-6H-SiC может изменяться от 1,26 эВ (для концентра-ции легирующей примеси 1-Ю см") до 1,08 эВ (для концентрации легирующей примеси 3-Ю18 см"3). Эти результаты хорошо согласуются с данными работ [8, 42, 44].
В работе [45] предложена модель формирования барьера Шоттки в контакте металл/полупроводник с учетом влияния состояний дефектов, локализованных на границе раздела. В ходе анализа модели отмечается, что контакты Cr/n-6H-SiC обладают рядом особенностей, из-за которых они не соответствуют общим тенденциям.
Для выявления преобладающего механизма токопереноса в выпрямляющих контактах Cr/n-6H-SiC (Ы017-5-1017 см 3) в работе [8] был проведен комплекс исследований. В результате было установлено, что в диапазоне температур 300-550 К прямой ток определяется термоэлектронной эмиссией, а при температурах 550-800 К - надбарьерной эмиссией с преобладанием диффузионной составляющей. В указанном диапазоне концентрации легирующей примеси и температуры рекомбинационной и туннельной составляющей тока через контакт можно пренебречь [8]. Вместе с тем отмечается, что рассеяние носителей заряда в контакте проявляется сильнее, чем это предсказывает теория. Авторы связывают эту особенность с появлением слоя карбида хрома при термообработке, что согласуется с результатами [10].
В обзоре [49] отмечается высокая стабильность омических контактов Cr/SiC, обогащенных углеродом в ходе предварительной обработки, удельное переходное сопротивление которых составляет 3-Ю"4 Ом-см2. В обзоре [54] приводятся данные об омических контактах Cr/n-3C-SiC (5-Ю16 см"3) после термообработки 1250С /5 мин. Удельное переходное сопротивление та-ких контактов составляет 7 10" Ом-см .
Достаточно полно электрические параметры контактов Cr/SiC были изучены в работах [47, 48]. В ходе выполнения комплексных экспериментальных исследований получены зависимости Фь от температуры термообработки для различных политипов SiC (рис. 1.20). Теоретический анализ полученных результатов позволил авторам объяснить полученные зависимости влиянием взаимодействия поверхностных центров с адсорбатом, а также кремниевых вакансий в приповерхностном слое SiC на формирование поверхностных барьеров.
Исследования реакционной зоны контактов Cr/6H-SiC после отжига при 1000 С в течение 192 ч показывают, что на границе раздела формируется многослойная структура Сг/С зСб/С Сз/С Сз+СгзЗі/СгзЗі/СгзЗізС/ЗіС за счет диссоциации SiC, взаимной диффузии и взаимодействия компонентов [56]. Необходимо отметить, что в экспериментах использовались достаточно толстые образцы хрома, т.к. он не израсходовался полностью в ходе длительного высокотемпературного отжига.
Омические контакты на основе кобальта к эпитаксиальным слоям п-6H-SiC на подложке p-6H-SiC толщиной 2 мкм исследованы в работах [90, 90].
В [90] контакты из Со толщиной 50 нм формировались электроннолучевым распылением на эпитаксиальные слои n-6H-SiC (7-Ю18 см 3), затем структуры отжигались в вакууме при 500 С в течение 5 часов и при 900 С в течение 2 часов. Методами спектроскопии обратнорассеяных ионов и рентгеновской дифрактометрии установлено, что при отжиге при 500 С взаимодействия Со и SiC не происходит, а наименьшее удельное переходное сопро-тивление таких контактов составило 1,4-10 Ом см . Исследования после отжига при 900 С показали, что в структуре формируются силициды кобальта, a Re составляет 1,8-10"3 Ом-см2.
Для управления процессом силицидообразования в работе [90] были сформированы контакты Si(165 нм)/Со(50 нм)/6Н SiC, которые отжигались при тех же режимах. Структурные исследования показали, что после отжига при 900 С формируются контакты CoSi2/SiC с удельным переходным сопро-тивлением 1,2-10" Ом-см , которое при рабочей температуре 460 К снижается до 9,2-Ю"4 Ом-см2.
В работе [91] исследовались контакты к эпитаксиальным слоям п-6Н SiC(l,4-10 см"). Контакты формировались электронно-лучевым напылением структуры Si(178 нм)/С(50 нм)/6Н SiC с последующим двухступенчатым отжигом в вакууме - при 500 С в течение 5 часов и при 900 С в течение 2 часов. Структурные исследования показали, что при этом формируются контакты CoSi2/SiC с Re "3-Ю"5 Ом-см2. Измерения при повышении температуры до 500 С показали, что удельное переходное сопротивление контакта CoSii/SiC достаточно стабильно до температуры 500 С (рис. 1.21).
В обзорах [54, 55] также сообщается об исследовании контактов Со/бН-SiC сформированных электронно-лучевым напылением. При температурах отжига до 800 С контакты являются выпрямляющими с Фь, по разным данным от 0,79 до 1,15 эВ. Отжиг при 800 С в течение 20 мин приводит к увеличению токов утечки в контакте, однако омический характер токопрохож-дения наблюдается при отжиге 1000 С в течение 2 мин. При этом, согласно [54], формируется CoSi и углерод, а граница раздела характеризуется значительной неоднородностью (рис. 1.22), подобно структуре Ni/SiC.
Контакты Со/п-ЗС-SiC исследованы в работе [92]. Эксперименты проводились на эпитаксиальных слоях n-3C-SiC (1-Ю16 см"3) толщиной 10 мкм, выращенных на Si подложке. Пленка кобальта толщиной 200 нм наносилась резистивным испарением на ненагретую подложку, сформированные контакты термообработке не подвергались. В результате измерения и анализа ВФХ контактов получено значение Фь=0,73 эВ. Анализ ВАХ контактов Со/п-ЗС-SiC показал, что в них протекают значительные токи утечки, которые связаны с дефектами, формирующимися в эпитаксиальном слое ЗС-SiC при гете-роэпитаксиальном выращивании [92].
Таким образом, вопросы фазообразования в контактах Co/SiC при термообработке являются актуальными, учитывая изменение характера токо-прохождения.
В работе [69] отмечается, что при взаимодействии Со с монокристаллическим SiC при температуре 600 С формируется Co2Si, при температуре 900 С - CoSi, а при температуре 1000 С - CoSi2.
Методы анализа твердофазных реакций и определения термодинамических свойств соединений
Перспективность применения вольфрама для формирования омических и выпрямляющих контактов к SiC определяется его высокой химической инертностью. В работе [56] отмечается, что вольфрам не взаимодействует с SiC до температуры 1000 С.
В экспериментальных исследованиях использовались монокристаллы n-6H-SiC (10і см"3). Пленки W толщиной 150 им наносились магнетронным распылением, исследуемые контакты формировались фотолитографией. Изотермический отжиг в атмосфере аргона проводился с низкой скоростью нагрева (1С/мин) для предотвращения отслоения пленки вольфрама. После отжига в течение 60 мин при температуре 1000 С контакты становились омическими с удельным переходным сопротивлением 0,25 Ом-см2.
Согласно данным обзора [55], контакт W/n-6H-SiC(0001) без термообработки является выпрямляющим с высотой барьера Шоттки 0,79 эВ. Данные об уровне легирования SiC не приводятся.
Количественные данные, отражающие влияние уровня легирования и ориентации грани подложки на удельное переходное сопротивление контактов W/n-6H-SiC приведены в обзоре [53]. В экспериментальных исследованиях W контакты наносились термическим напылением, отжиг проводился при температуре 1200 1600 С. На (0001) грани 6H-SiC (3-Ю18 -ь 1-Ю19 см 3) удельное переходное сопротивление контактов составило 5-10 -г 1 -10" Ом-см2, а на (00ОЇ) грани 6H-SiC (1-Ю17 1-Ю19 см 3) - 1-Ю 25-Ю"4 Ом-см2.
В экспериментальных исследованиях, представленных в [75], использовались подложки CREE RESEARCH, INC. n-4H-SiC(0001) с эпитаксиаль-ным слоем n-4H-SiC(7,8-1015 см 3) толщиной 10 мкм. После стандартной химической очистки на поверхность эпитакспального слоя магнетронным распылением осаждалась пленка W толщиной 100 нм. Исследуемые контакты формировались с помощью фотолитографии. Термообработка сформированных контактов не проводилась. Полученные контакты были выпрямляющими, с высотой барьера Шоттки 1,27 эВ.
Комплексные исследования контактов W/n-6H-SiC проведены в работе [99]. В экспериментах использовались нелегированные ( 1016 см"3) образцы n-6H-SiC. После химической очистки на поверхность подложки магнетрон-ным распылением наносился слой W толщиной 150 нм, а затем с помощью фотолитографии формировались исследуемые контакты. Изотермический отжиг в течение 60 мин при различных температурах проводился в атмосфере аргона со скоростью нагрева и охлаждения 1 и 5 град/мин соответственно. Отмечается, что более высокие скорости нагрева и охлаждения приводят к отслоению контактов.
Контакты без отжига имеют зеркально-гладкую поверхность, нелинейную ВАХ с большим разбросом значений между отдельными контактами. Рентгенодифракционные исследования показали наличие в структуре контакта только пика, соответствующего W [99].
На рис. 1.34 представлено изображение поверхности контактов W/n-6H-SiC после отжига до различных температур, полученное в растровом электронном микроскопе в режиме эмиссии вторичных электронов. После отжига при 1000 С поверхность контактов становится более шероховатой (рис. 1.34, а), ВАХ омическими, а значение удельное переходное сопротивление 0,17 -0,27 Ом-см2. Рентгенодифракционные исследования также показывают наличие в структуре контакта только пика, соответствующего W.
Отжиг при 1200 С приводит к изменениям морфологии контактов (рис. 1.34, б), в частности появляются области с гранулированной структурой. Удельное переходное сопротивление характеризуется значительным разбросом значений (0,08- 0,82 Ом-см ), при этом большие значения характерны для контактов с преобладанием областей с гранулированной структурой [99].
После отжига при 1300 С в структуре контакта формируются равномерно распределенные гранулы WC размером порядка 1 мкм (рис. 1.34, в) и незначительное количество W5S13, а удельное переходное сопротивление возрастает до 0,35- 0,67 Ом-см .
Исследования фазообразования в системе W-SiC при высокотемпературном отжиге проводилось на образцах карбида кремния, контактирующих с фольгой из вольфрама, толщиной 25 мкм [99].
Установлено, что длительный (29 дней) отжиг при температуре 1000 С не приводит к формированию реакционной зоны в системе W-SiC. Отжиг при температуре выше 1200 С приводит к формированию диффузионной зоны W/W5Si3/WC/SiC с ячеистой морфологией.
Таким образом, контакт вольфрама со слаболегированным карбидом кремния становится омическим только после отжига при 1000 С, при этом заметных реакций взаимодействия не выявлено. С другой стороны, повышение температуры отжига приводит к взаимодействию W с SiC и повышению удельного переходного сопротивления контакта.
Общим недостатком является плохая адгезия вольфрама к карбиду кремния.
В работах [61, 100] методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследовано распределение элементов в структуре W(300 нм)/п-4Н-SiC, сформированной магнетронным распылением вольфрама. Установлено, что отжиг при 1200 С в течение 4 мин приводит к существенному перераспределению элементов (рис. 1.35). При этой температуре в присутствии атомов W на границе раздела происходит разрыв связей Si-C. Освободившиеся атомы углерода и кремния диффундируют в пленке вольфрама, формируя включения карбида (W2C) и силицида (W5Si3).
Влияние концентрации легирующей примеси и плотности состояний на границе раздела на параметры контактов к карбиду кремния
Контакты Pt/n-3C-SiC также достаточно широко исследовались [95, 105, 106]. В работе [105] использовались подложки p-Si с эпитаксиальными слоями п-ЗС-SiC толщиной 5-10 мкм с концентрацией примеси 5,0-10 -5,0 1017 см 3. Платиновые контакты толщиной 80 нм формировались электронно-лучевым напылением при температуре подложки 140 С с последующей фотолитографией, при этом отмечается формирование трещин в пленке платины после охлаждения до комнатной температуры. Изотермический отжиг структур в течение 20 мин проводился в диапазоне температур 450-800 С.
Полученные в результате измерения и анализа ВАХ и ВФХ температурные зависимости электрических параметров контактов представлены на рис. 1.42. Похожие зависимости представлены также в работе [106].
При температуре отжига 450 С наблюдается формирование локального минимума на зависимостях фактора идеальности и тока насыщения, что связано с повышением однородности структуры контакта и отжигом дефектов. При увеличении температуры отжига наблюдается увеличение значений электрических параметров контактов. При увеличении температуры отжига до 850С происходит резкое (с 1,1 до 1,35 эВ) увеличение высоты барьера Шоттки и снижение тока насыщения. Это изменение авторы связывают с отжигом рекомбинационных дефектов на границе раздела Pt/SiC и удалением окисного слоя на границе раздела за счет твердофазных реакций между платиной и карбидом кремния.
Исследования межфазных взаимодействий в контактах Pt/n-3C-SiC, проведенные методом ЭОС, результаты которых представлены на рис. 1.43, показали, что уже при 450 С начинается размывание границы раздела Pt/SiC за счет взаимной диффузии элементов и твердофазных реакций. При дальнейшем увеличении температуры отжига происходит сегрегация углерода на поверхности структуры и формирование новой границы раздела PtSix/SiC, что приводит к стабилизации электрических параметров контактов.
Исследование влияния температуры термообработки на параметры контактов Pt/n-3C-SiC проведено в работе [95]. Эксперименты проводились на эпитаксиальных слоях n-3C-SiC (1-Ю17 см"3) толщиной 5 мкм. На части образцов проводилось дополнительное легирование до 5-Ю19 см"3 путем ионной имплантации азота на глубину 250 нм и отжиге в атмосфере аргона при 1200 С в течение 30 мин. Пленки Pt толщиной 200 нм формировались магне-тронным распылением. Термообработка контактов проводилась в вакууме при температурах 500 С и 900 С в течение 30 мин.
При концентрации примеси в эпитаксиальном слое 1-Ю17 см"3 контакты Pt/n-3C-SiC имели выпрямляющие характеристики, независимо от режимов термообработки. При увеличении концентрации примеси в эпитаксиальном слое до 5-Ю19 см"3 контакты становятся омическими, при этом неотожженные контакты имеют Rc 6-10"6 Ом см2. Отжиг при 500 С приводит к увеличению Re до 1-10 Ом-см . Отмечается низкая стабильность параметров омических контактов Pt/n-3C-SiC после отжига при 900 С в течение 30 мин.
Полученные зависимости авторы [95] связывают с протеканием при 500 С реакций на границе раздела контактов и формированием структуры, состоящей из силицида платины насыщенного углеродом. При 900 С начинаются процессы расслоения, в результате углерод контактирует с карбидом кремния, что приводит к формированию выпрямляющих контактов.
В работе [107] использовались кремниевые подложки с эпитаксиаль-ными слоями n-3C-SiC (3-10 см ) толщиной 4 мкм. Пленка платины толщиной 100 нм напылялась на поверхность эпитаксиального слоя при температуре 110 С, контакты формировались фотолитографией. Образцы отжигались в течение 1 часа в широком диапазоне температур в атмосфере азота.
Сообщается, что в диапазоне температур отжига до 500 С контакты демонстрируют выпрямляющие свойства с фактором идеальности 1,9 — 2,5 и токами насыщения 4,1-Ю"6 - 6,7-10"4 А при -1 В минимальные значения параметров достигаются при температуре отжига 300 С. При температурах отжига выше 600 С контакты становятся омическими.
Анализ представленных в работе [107] рентгенодифракционных профилей (рис. 1.44) показывает, что при температурах отжига 400 С не наблюдается взаимодействия между платиной и карбидом кремния. В случае отжига при 750 С и выше происходит формирование Pt2Si.
Детальное исследование особенностей морфологии реакционной зоны в структуре Pt/SiC после длительного, изотермического отжига проведено в работе [108]. В экспериментах использовались образцы из пол и кристаллического, горячепрессованного SiC, которые помещались на платиновую фольгу толщиной 0,25 мм и отжигались в вакууме при нагрузке 4 МПа в различных режимах. Морфология реакционной зоны полученных структур представлена нарис. 1.45.
Особенностью полученной морфологии является периодическая структура, состоящая из чередующихся слоев Pt7Si3 и Pt7Si3+C. Отжиг при 1023 К приводит к формированию на границе с SiC двухфазной области, состоящей из смеси Pt2Si и углерода. Граница раздела PtjSi и Pt7Si3 является очень неоднородной. Кроме того, на границе с платиной формируется слой Pt3Si, не содержащий углерода. После отжига при 973 К формируется аналогичная структура, в которой присутствует очень тонкий слой Pt2Si и нет Pt3Si.
Предложен механизм формирования периодической структуры, согласно которому в растущем слое Pt7Si3 формируется поток вакансий, который способствует диффузии атомов углерода, их накоплению в областях с повышенным уровнем механических напряжений и выпадению в виде второй фазы при релаксации напряжений.
В обзорной части работы [69] отмечается, что твердофазные реакции в системе Pt/SiC при превышении температуры эвтектики (980 С) приводят к нарушению однородности структуры контакта.
Закономерности формирования температурных полей в структурах металл/карбид кремния при БТО некогерентным излучением
В последнее десятилетие активно исследуется возможность использования в качестве контактов к карбиду кремния многослойных металлических структур. Положительный эффект от применения многослойных структур связан в основном с применением металлов, взаимодействующих с углеродом и кремнием, при этом после термообработки формируется контакт с более однородной структурой. В рамках этой технологии возможно также применение слоев, улучшающих адгезию к подложке, повышающих электропроводность структуры и защищающих от окисления при эксплуатации.
Большое количество работ посвящено исследованию структур, у которых контактирующим с SiC слоем является титан. Так, в работах [116, 117] сообщается об исследовании контактов Ti/Au/Pt/Ti/n-4H-SiC.
В экспериментах использовались подложки CREE RESEARCH, INC. n+-4H-SiC с выращенным эпитаксиальным слоем n-4H-SiC (1,8-1016 см"3) толщиной 10 мкм. После тщательной очистки, включающей ионное травление, осаждения на поверхность эпитаксиального слоя диэлектрика БіОг+Зіз и вскрытия окон диаметром 160 мкм, электронно-лучевым испарением наносились слои Ti(10 HM)/AU(300 HM)/Pt(50 нм)/Ті(50 нм) и фотолитографией формировались структуры контактов. Верхний слой ТІ(10 нм) осаждался для улучшения адгезии фоторезиста, последующие экспериментальные исследования показали, что на электрические параметры контактов он не влияет. Контакты отжигались при 750 С в течение 10 мин.
Перед формированием исследуемых структур на обратной стороне п+-4H-SiC подложки создавался омический контакт напылением слоя Ni толщиной 150 нм и отжигом при 950 С, затем на поверхность омического контакта наносили защитное покрытие Au(100 HM)/Pt(100 нм)/Ті(100 нм).
Электрические параметры контактов исследовались путем измерения ВАХ при различных температурах и их анализа. Измерения показали, что полученные контакты являются выпрямляющими, поэтому в дальнейшем анализировались их параметры - высота барьера Шоттки, фактор идеальности и ток насыщения..
Температурная стабильность параметров исследовалась в тестах двух типов. В первом тесте структуры подвергались изотермическому нагреву в атмосфере азота при 500 С в течение различного времени (до 100 часов), после чего охлаждались до комнатной температуры, и производилось измерение их ВАХ. Во втором тесте ВАХ измерялись при нагревании на воздухе в диапазоне температур 25 - 350 С.
ВАХ, представленные на рис. 1.52, отражают повышение прямого и обратного токов через структуру при увеличении температуры, что связано, по мнению авторов [116, 117], с увеличением уровня инжекции электронов. Высота барьера Шоттки составила 1,17 эВ, что выше, чем для структуры Ti/n-4H-SiC (0,95 эВ), фактор идеальности равен 1,09. Обратные токи через структуру низкие (3,98-10" А/мм при 5В и 96,9-10" А/мм при 100В) и изменяются в пределах порядка величины до температур 350 С. Полученные значения обратных токов на порядок меньше, чем в структурах Pt/SiC, и на четыре порядка ниже, чем в структурах Ti/SiC. При комнатной температуре напряжение пробоя превышает 400 В, а при 350 С выше 200 В.
Зависимости, представленные на рис. 1,53 показывают, что высота барьера Шоттки и фактор идеальности контактов Ti/Au/Pt/Ti/n-4H-SiC практически не зависят от времени нагрева при температуре 500 С и температуры работы в диапазоне 25 - 350 С.
Элементный состав контактов исследовался методом РФЭС. На рис. 1.54 представлены распределение элементов в исходной контактной структуре и после отжига при 575 С в течение 10 мин. Анализ показывает, что в результате отжига происходит размытие границ раздела за счет взаимной диффузии элементов. Наиболее интенсивная диффузия происходит на границе раздела Au/Pt, причем диффузия атомов платины в пленку золота преобладает, и создаются условия для формирования сплавов двух металлов.
Детальный анализ показал, что на границе раздела Ti/n-4H-SiC при термообработке происходит диссоциация SiC и формирование карбида титана, который предотвращает диффузию металлов в карбид кремния. Кремний диффундирует в многослойную структуру и формирует силицид платины. Зависимости, представленные на рис. 1.53, отражают высокую температурную стабильность электрических параметров структур Ti/Au/Pt/Ti/n-4H-SiC.
В экспериментах [118, 119] использовались подложки CREE RESEARCH, INC. p-6H-SiC с эпитаксиальным слоем n-6H-SiC (2,0-1019 см"3) на (0001) грани толщиной 0,5 мкм. После химической очистки и окисления на поверхности эпитаксиального слоя фотолитографией и магнетронным распылением формировались контакты Pt(300 HM)/TaSi2(200 нм)/Ті(100 нм). Отжигались образцы в атмосфере водорода при 600 С в течение 30 мин. Представленные в [118, 119] профили распределения компонентов в контактах Pt/TaSi2/Ti/ n-6H-SiC, полученные методом ЭОС после различных режимов отжига отражают высокую стабильность структуры. При температурах порядка 600 С у поверхности контакта происходит взаимодействие платины с силицидом тантала с образованием Pt2Si и Та, а на границе раздела с карбидом кремния происходит формирование ТІС.
На рис. 1.55 показаны зависимости удельного переходного сопротивления контактов от времени нагрева на воздухе при 500 С. Увеличение удельного переходного сопротивления контактов авторы связывают с перераспределением кислорода в структуре, отжигом состояний на границе раздела и завершением реакций фазообразования в структуре.
