Термически-и радиационно-стойкие контакты «металл-карбид кремния» для приборов экстремальной электроники

Наиболее интенсивное развитие в настоящее время получили приборы экстремальной электроники, сохраняющие свои параметры и характеристики в условиях высоких температур, интенсивных ионизирующих излучений и агрессивных сред. Приоритетом в развитии приборов этой группы пользуются широкозонные алмазоподобные полупроводники, такие как алмаз и карбид кремния. На основании анализа многочисленных работ в области приборов для экстремальных условий и режимов эксплуатации, можно сделать вывод, что на рынке изделий экстремальной электроники доминирует карбид кремния (81С) [1,2]. Это обусловлено, в первую очередь, совокупностью его уникальных свойств, определяющих термическую, радиационную и химическую стойкость [3]. Следует отметить, что высокий коммерческий интерес к приборам экстремальной электроники способствовал тому, что в настоящее время технология получения карбида кремния достигла высокого уровня [4,5].

Независимо от функционального назначения прибора условия эксплуатации накладывают очень жесткие требования к выпрямляющим и линейным контактным системам «металл — БЮ». С учетом особенностей свойств карбида кремния, можно выделить основные требования к формируемым контактным системам:

• омический контакт должен иметь низкое удельное сопротивление (не л /-у превышающее 10 Ом •см), характеризоваться стабильной границей раздела в области высоких температур, обеспечивать технологичность операций при посадке кристаллов в корпус прибора;

• поверхностно-барьерные структуры должны сохранять выпрямляющие свойства до температур 350.400 °С, иметь стабильную вольт-амперную характеристику после длительной эксплуатации при максимальных температурах;

• для приборных структур, включающих омический контакт и барьер Шоттки необходимо обеспечить неизменность вольт-амперной характеристики при воздействии высоких доз ионизирующих излучений.

1 /- л / по быстрым нейтронам Д, < 10 нейтр./ см, по у — квантам Иу < 10 Р).

Несмотря на значительное количество работ в этой области (в материалах последних международных конференций по экстремальной и высокотемпературной электронике данному вопросу посвящалось около трети работ), проблему создания контактных систем, в особенности, барьеров Шоттки, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, нельзя считать решенной. В частности, явно недостаточны сведения о результатах исследований радиационных эффектов в карбиде кремния, как базовом материале приборных структур, а публикации по испытаниям радиационной стойкости последних практически отсутствуют. Термическая стабильность контактных систем к БЮ различного типа также требует целенаправленных исследований с привлечением современных методов анализа.

Настоящая работа направлена на разработку технологии и исследование свойств контактных систем на карбиде кремния для приборов экстремальной электроники, что является одним из стратегических путей развития современной элементной базы электронной техники.

Целью работы являются разработка физико-технологических основ создания высокотемпературных и радиационно-стойких контактных систем «металл — БЮ» для приборов экстремальной электроники, исследования электрофизических свойств и границ раздела систем, а также характеристик поверхностно-барьерных структур (ПБС) применительно к задачам термометрии при термических и радиационных воздействиях.

Задачи диссертационной работы.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

— выбор материалов и их композиций для формирования высокотемпературных омических и выпрямляющих контактов;

— отработка технологических операций, методов пооперационного контроля и изготовление тестовых структур с целью исследования их электрофизических параметров и границ раздела после термической обработки;

— теоретический анализ механизмов токопереноса в поверхностно-барьерных структурах на основе 81С для широкого интервала температур;

— разработка технологии изготовления экспериментальных образцов, включающих многослойные структуры металлизации и защитно-изолирующие покрытия;

— исследование термической стабильности приборных структур электрофизическими методами и методом электронной Оже-спектроскопии в режиме послойного анализа;

— исследование радиационной стойкости выпрямляющих контактов при комплексном импульсном воздействии ионизирующих излучений высокой интенсивности;

— разработка вариантов конструкций, изготовление и испытания датчика температуры на основе барьера Шоттки на 81С.

Научная новизна работы.

1. В результате систематических исследований свойств контактных систем к карбиду кремния, включающих широкий класс используемых металлов, технологических режимов, внешних воздействий, предложены и технически реализованы варианты омического и выпрямляющих контактов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками при экстремальных воздействиях.

2. Показано, что использование многослойной системы Р1>У-Сг-81С-№-Р1 позволяет формировать термически устойчивые барьеры Шоттки за счет стабилизирующего действия тонкого переходного слоя карбидов хрома и подавления эффектов взаимной диффузии слоем вольфрама.

3. Впервые для высокотемпературных барьеров Шоттки на карбиде кремния исследована радиационная стойкость при комплексном воздействии быстрых нейтронов и у-квантов в зависимости от исходного уровня легирования полупроводника.

4. Показано, что в барьерах Шоттки «металл — БЮ» с ростом температуры увеличивается вклад диффузионной составляющей тока и для адекватного описания вольт-амперных характеристик необходимо использовать объединенную теорию термоэлектронной эмиссии и диффузии.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Широкий диапазон рабочих температур карбидкремниевых приборов на основе барьера Шоттки вызывает необходимость учета увеличивающегося с ростом температуры вклада в электронный транспорт диффузионной составляющей тока. Адекватное описание вольт-амперных характеристик достигается использованием объединенной теории термоэлектронной эмиссии — диффузии.

2. Стабильность вольт-амперных характеристик поверхностно-барьерных структур Р^ХУ-Сг-БЮ при длительном воздействии температуры до 400 °C обусловлена образованием на границе раздела «металл — БЮ» фазы карбидов хрома и наличием вольфрамового диффузионного барьера. Экспериментально доказано, что созданные многослойные структуры устойчивы к кратковременному термическому воздействию вплоть до температуры 700 °C 3. Радиационная стойкость структур Р1^-Сг-8:1С определяется исходным уровнем легирования полупроводника. Экспериментально установлено,.

16 17 3 что в диапазоне концентраций Л^-А^а = Ю .5−10 см" при комплексном воздействии быстрыми нейтронами и сопутствующего у-излучения дозами 4,421 015нейтр./см2 и 8,67−105Р, соответственно, необратимые изменения термометрических характеристик барьерных структур происходят при концентрациях А^-А^ < 8-Ю16 см" 3. При этом деградация характеристик тем больше, чем меньше уровень легирования материала.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

— разработана оригинальная технология формирования многослойных контактных систем к карбиду кремния, обладающих высокой радиационной и термической стойкостью;

— разработана и технически реализована конструкция широкодиапазонного датчика температуры на основе барьера Шоттки с максимальной рабочей температурой 450 °C;

— результаты работы вошли в отчетные материалы по ВИР: 5968/ЦМИД.

80 («Карбид-К-ЛЭТИ»), выполняемой в соответствии с планом работ Федерального фонда развития электронной техники- 5975/ ЦМИД.

81 («Ведро»), выполняемой в соответствии с Государственным оборонным заказом- 5976/ ЦМИД-82 («Деление»), выполняемой по договору с Секцией Прикладных Проблем при Президиуме РАН;

— результаты работы использованы в ЭНПО «Специализированные электронные системы» (г. Москва) при создании и испытании аппаратуры и машин с экстремальными условиями эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах:

• Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -98» (Зеленоград, 20−22 апреля, 1998 г.) и «Микроэлектроника и информатика-99» (Зеленоград, 19−21 апреля, 1999 г.);

• Научных молодежных школах по твердотельной электронике: «Твердотельные датчики» (Санкт-Петербург, 23−25 ноября 1998 г.) и «Поверхность и границы раздела структур микрои наноэлектроники» (Санкт-Петербург, 2−4 ноября 1999 г.);

• Третьей Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов. Санкт-Петербург, 4−11 декабря 1998 г.;

• ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (1997;1999гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 1 статья и 5 тезисов докладов на конференциях и школах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований. Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста. Работа содержит 43 рисунка и 7 таблиц.

ВЫВОДЫ.

1. Предложена структура высокотемпературного диода Шоттки на основе системы Р1-?-Сг-81С-№-Р1-, где XV — выполняет функцию диффузионного барьера, а Pt — является защитным покрытием и материалом для обеспечения термокомпрессии при корпусировке структуры. Для обеспечения защиты выпрямляющих электродов от бокового окисления использовалось зашитно-изолирующее покрытие на основе 8Ю2;

2. Разработана технология формирования высокотемпературных диодов Шоттки на основе БЮ. При этом, изготовленные экспериментальные образцы обладали электрофизическими характеристиками приборного качества;

3. Экспериментально показано, что постоянство характеристик диодных структур при высокотемпературном воздействии обусловлено стабилизацией границы раздела Сг-БЮ в результате образования тонкого переходного слоя карбидов хрома различного состава;

4. Изготовленные приборные структуры обладают выпрямляющими свойствами в диапазоне температур 20.400°С. При этом коэффициент выпрямления при 400 °C составляет величину порядка 102;

5. Показана возможность работы приборных структур в качестве датчиков температуры с сохранением линейности термометрических характеристик до температуры 450 °C с чувствительностью не хуже 0,9 мВ/К. Изготовлены закорпусированные образцы датчиков температуры с максимальными рабочими температурами до 350 °C;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработана и реализована технология формирования омических и выпрямляющих контактов к БЮ п-типа проводимости, обеспечивающих стабильные электрические характеристики при высоких температурах и уровнях ионизирующего излучения. Показано, что в изготовленных структурах вольт — амперные характеристики остаются неизменными при отжиге вплоть до температур ~ 700 °C и дозах комплексного.

15 2 облучения быстрыми нейтронами £)п=4,42−10 нейтр./см и у-квантами £>у = 8,67−105Р.

2. Экспериментально и теоретически установлено, что в механизме электронного транспорта при переходе к высоким температурам необходимо учитывать возрастающий вклад диффузионной составляющей тока, тогда как в области комнатных температур вольтамперные характеристики удовлетворительно описываются в рамках теории термоэлектронной эмиссии.

3. Методом электронной Оже-спектроскопии и электрофизическими измерениями показано, что стабилизация свойств омического контакта №-8Ю происходит за счет образования на границе раздела достаточно протяженного (~0,8 мкм) переходного слоя сложного состава. В случае выпрямляющего контакта Р1-?-Сг-8Ю стабилизирующее действие оказывают слои карбидов хрома (~ 50 нм) и вольфрама (~100нм), которые выполняют функции диффузионных ' барьеров для атомов полупроводника и металлов соответственно.

4. Проведены исследования влияния облучения потоком быстрых нейтронов и у-квантов на свойства структур «металл-карбид кремния». Обнаружено значительное снижение радиационной стойкости барьеров Шоттки с.

117 уменьшением уровня легирования эпитаксиального слоя Экспериментально установлено, что при реализованных дозах облучения необратимые изменения вольт — амперных характеристик происходят.

1 ¿-г -5 при Nc?-Na< 8−10 см" за счет компенсации материала центрами с глубинами залегания от дна зоны проводимости 0,35 эВ и в интервале (0,6.0,8) эВ.

5. На основе проведенных исследований и разработанной технологии формирования стабильных контактов металл-изготовлены экспериментальные образцы датчиков температуры с максимальной рабочей температурой 350 °C в корпусе и 450 °C в бескорпусном исполнении. Линейность преобразования достигается за счет использования в качестве термометрической характеристики температурной зависимости прямого падения напряжения с крутизной не менее 0,9 мВ/К и нелинейностью, не превышающей 1,5%. Показано, что при более высоких температурах существенная нелинейность характеристики обусловлена влиянием последовательного сопротивления квазинейтральной области структуры на основе барьера Шоттки.