CC BY
179
УДК 621.797
ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНТАКТОВ К 6Н-8ІС
И.А. Рябинина, С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза
В статье рассмотрены возможности использования стандартного оборудования кремниевой технологии для изготовления приборных структур на монокристаллах карбида кремния. Рассмотрены такие технологические операции, как термическое окисление БіЄ, изготовление омических и выпрямляющих контактов к 6И-БІЄ. Показано, что химическая обработка пластин, термическое окисление и напыление металлов могут осуществляться на стандартном оборудовании кремниевой технологии без ограничений
Ключевые слова: БіЄ, термическое окисление, контакты к БіЄ
Введение
Интерес к карбиду кремния, как к перспективному материалу экстремальной электроники, возрос в 90-х годах [1,2] в связи с успехами в изготовлении больших монокристаллов и развитием технологии получения качественных эпитаксиальных слоев, в частности, методом СУО. Большая ширина запрещенной зоны, высокая радиационная стойкость и рабочие температуры, хорошая теплопроводность и другие достоинства карбида кремния определяют его востребованность для экстремальной электроники в настоящее время и в ближайшем будущем.
Имеющееся в распоряжении исследовательских центров или предприятий электронной промышленности стандартное технологическое оборудование для кремниевой технологии только частично может быть использовано для изготовления приборов на основе карбида кремния. Например, химическая подготовка пластин и фотолитография карбида кремния могут выполняться без ограничений на оборудовании для кремниевой технологии. Процессы напыления металлов и некоторые термические операции также можно осуществлять на имеющемся оборудовании.
Цель данной статьи- рассмотрение технологических особенностей изготовления приборных структур на карбиде кремния, в частности процессов термического окисления и изготовления омических контактов к 6И-8Ю, а также оценка возможностей использования для этих целей стандартного оборудования кремниевой технологии.
Методика эксперимента и образцы
При изготовлении приборов на 8Ю диэлектрические пленки могут применяться для пассивации поверхности, в качестве маски при ионном легировании, изоляции поверхности при металлизации и т. п.
Рябинина Ирина Александровна - ВГТУ, инженер, тел. (4732) 43-76-95
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 43-76-95
Рембеза Екатерина Станиславовна - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 77-08-98
В зависимости от назначения используются толстые или тонкие пленки 8Ю2, иногда в сочетании с А12О3 или другими оксидами [3]. Пленки 8Ю2 можно изготовить магнетронным распылением кварца на переменном токе, либо СУО - методом, или термическим окислением карбида кремния. Наиболее качественная пленка 8Ю2 получается при термическом окислении карбида кремния.
Рассмотрим некоторые экспериментальные результаты, полученные при термическом окислении монокристаллов 6И-8Ю в атмосфере сухого и влажного кислорода, а также в атмосфере влажного азота. Окислялись плоскости монокристаллов
(0001) и (0001), выращенных методом Лели. Процесс окисления осуществлялся в потоке газа - носителя азота, на стандартном термическом оборудовании: печь СДОМ-100/3, температура 1150°С,
время процессов от 1 до 3,5 часов. Прямое измерение толщины 8Ю2 методом интерференции затруднено из-за прозрачности подложки 81С в видимом свете (возможно, по этой причине экспериментальные результаты разных авторов противоречивы). Поэтому ступенька на границе 8Ю2-81С покрывалась тонким слоем напыленного А1, после чего можно было измерить высоту ступени с помощью микроскопа МИИ-4. В некоторых случаях эти измерения дублировались на профилометре «АЬРА8ТБР». Кроме толщины 8Ю2, оценивалась пористость пленок электрохимическим методом [4]. Этот метод позволяет выявить только сквозные поры, поэтому используется для качественной оценки сплошности пленки 8Ю2. Все приведенные ниже экспериментальные результаты относятся только к одной грани монокристалла 6И-8Ю с наибольшей скоростью роста 8Ю2.
Подготовка поверхности монокристаллов 8Ю имеет существенное значение для воспроизводимости получаемых результатов. Непосредственно перед окислением пластины 8Ю отмывались по обычной схеме подготовки пластин кремния: 1) отмывка органических загрязнений в смеси КАРО И2804 : И202 (7:3) при температуре 130°С в течение 5 минут; 2) гидромеханическая отмывка пластин в деионизованной воде и сушка струёй горячего воз-
духа на установке «Лада-125 электроника»; 3) отмывка в перекисно-аммиачной смеси (ПАС): И202:КИ40И:И20 (1:1:4) при температуре 75°Є в течение 10 минут.
После промывки в деионизованной воде и сушки пластины БіЄ загружались в диффузионную печь СДОМ-100/3 с расходом газа-носителя (азота) 500 л/час и расходом кислорода или паров воды из барботера также 500 л/час, температура процесса 1150°С, время окисления варьировалось от 1 до 3,5 часов.
На рис. 1 приведены результаты термического окисления 6И-БіЄ в атмосфере сухого и влажного кислорода и влажного азота.
Время окисления, мин
1 - 81С, окисленный в сухом кислороде; 2 - 81, окисленный сухом кислороде; 3 - 81С, окисленный во влажном азоте; 4 - 81, окисленный во влажном азоте; 5 - 81С, окисленный во влажном кислороде; 6 - 81, окисленный во влажном кислороде
Рис. 1. Динамика окисления Б1С и Б1 в различных средах (Т = 1150°С, 1 = 1 + 3,5 часа)
Как следует из рис. 1, наименьшая скорость окисления 81С (как и у кремния) наблюдается в сухом кислороде, а наибольшая - во влажном кислороде. Однако, по сравнению с термическим окислением кремния (см. рис. 1), все процессы на поверхности 81С протекают значительно медленнее. Например, при окислении п-81 во влажном кислороде при 1150°С в течение 2 часов толщина 8102 достигает ~ 1 мкм [5], тогда как толщина 8102 на поверхности 6И-81С при тех же условиях составляет ~ 0,4 мкм. Таким образом, для выращивания пленок 8102 на поверхности 81С можно использовать имеющееся термическое оборудование, но для получения толщин 8102, сопоставимых с кремниевой технологией, потребуются значительно большие времена термического окисления.
В качестве метода определения пористости оксидной пленки был выбран метод электролитического выявления дефектов [4]. Он основан на использовании маскирующих свойств пленки двуокиси кремния. Исследуемые пластины 81 и 81С с пленкой окисла на одной из сторон помещается на предметный столик микроскопа, на который подается напряжение. Капля электролита наносится на окисленную сторону пластины и служит катодом. Анодом является серебряный электрод. В качестве элек-
тролита используется вязкий электролит (концентрированный раствор сахара в воде). Это позволило зафиксировать картину распределения пузырьков на время достаточное для их подсчетов.
Оценка плотности (р) макроскопических дефектов производилось с помощью микроскопа МБС-2. В поле зрения микроскопа (8=0,095 см2) подсчитывалось количество «пузырьков» (п). Таких измерений на каждой пластине производилось не менее 5. От всех полученных значений п определялось среднее арифметическое.
В качестве режима электролиза экспериментально были выбраны и=15В и 1=200 мкА [6].
Результаты оценки сплошности термических окислов 8102 на 81 и 6И-81С показаны на рис. 2. Исследовались образцы 81 и 6И-81С, термически окисленные в режимах, приведенных на рис. 1. Как видим, пористость пленок термического окисла 8102 на 6И-81С существенно превосходит пористость 8102 на кремнии для пленок, полученных в одинаковых условиях.
Как и в случае кремния, сквозная пористость термического 8102 уменьшается с ростом толщины пленки. Например, при окислении 6И-81С во влажном кислороде в течение 1 часа толщина 8102 составляет 0,2 мкм и пористость ~ 1370 см-2, а после окисления в течение 3,5 часов толщина 8102 равна
0,66 мкм, а пористость ~140 см2, т.е. при увеличении толщины в ~2,5 раза пористость уменьшается в 10 раз. Наименее пористыми оказались пленки 8102, выращенные во влажном азоте: после 3,5 часов окисления 6И-81С толщина 8102 составила 0,52 мкм, а пористость ~ 1,3 см-2.
0
Толщина оксидного слоя, А
1 - БіЄ, окисленный в сухом кислороде; 2 - Бі, окисленный сухом кислороде; 3 - БіЄ, окисленный во влажном азоте; 4 - Бі, окисленный во влажном азоте; 5 - БіЄ, окисленный во влажном кислороде; 6 - Бі, окисленный во влажном кислороде
Рис. 2. Зависимость пористости от толщины термически выращенной пленки Бі02 на поверхности Бі и 6И-БіЄ (на вставке в увеличенном масштабе приведены экспериментальные данные, расположенные ниже линии АА рис. 2)
Таким образом, для получения сплошного и толстого окисла на поверхности 6И-Б1С можно будет рекомендовать, как и в технологии изготовления кремниевых приборов, комбинированное длительное окисление в атмосфере сухого-влажного-сухого кислорода.
Другим необходимым элементом любой приборной структуры является омический контакт. Омический контакт должен иметь низкое удельное сопротивление и стабильную границу раздела при высоких температурах.
В случае идеального контакта «металл - полупроводник» предполагается, что на границе раздела отсутствуют поверхностные состояния и выделения третьей фазы (оксиды и другие химические соединения). Если работа выхода электронов у полупроводника п - типа (ФБ) меньше, чем работа выхода у металла (Фт), то при приведении образцов в контакт происходит перенос носителей зарядов из полупроводника в металл до установления термодинамического равновесия. Уровни Ферми в обоих материалах выравниваются и происходит формирование потенциального барьера. Высота барьера (Фв) равна разности между работой выхода металла (Фт)
и электронным сродством полупроводника (Х). При этом в полупроводнике образуется обедненная область. Этот случай называется пределом Шоттки [7] и на практике реализуется на поверхности полупроводника, полученной сколом в высоком вакууме с последующим нанесением на неё металла. При этом высота барьера прямо пропорциональна работе выхода металла, и получение выпрямляющих ими омических контактов обусловлено выбором металла с соответствующей работой выхода.
На поверхности реальных полупроводниковых кристаллов всегда присутствуют дефекты кристаллической решетки. Кроме того, на границе раздела реальных контактов «металл-полупроводник» всегда имеется тонкий граничный слой, сформированный за счет остаточных загрязнений, окисных пленок и продуктов химического взаимодействия металла с полупроводником. По этим причинам в области реального контакта «металл-полупроводник» имеются поверхностные состояния с плотностью и характеризующиеся энергетическим уровнем ФО, а контактная разность потенциалов Фт - ФБ будет компенсироваться зарядом поверхностных состояний. Следовательно, высота барьера Фв не будет зависеть от работы выхода металла Фт, а будет определяться параметрами полупроводника и граничного слоя. Этот случай называется пределом Бардина [7].
Необходимо отметить также, что параметры граничного слоя зависят от метода и режимов обработки поверхности полупроводника перед нанесением контактов [8]. В реальном контакте «металл-полупроводник» результирующая величина барьера Фв определяется как пределом Шоттки, так и пределом Бардина. На рис. 3 приведены экспериментальные данные разных авторов о величинах потенциальных барьеров Фв диодов Шоттки в зависимости
от работы выхода электрона из металла (по данным работы [9]).
Различный наклон зависимостей отражает сильное влияние на высоту барьера различных методов подготовки поверхности Б1С перед нанесением контактов.
0,5
Ш
•сГ
Мй
-Аё А1 Аи
А1 . -■' № '
а--* ' Сг г ¡У р<3
/ /
А8 / У
М%.-й л у / / / / / /
/ /
А1 / /
Я X
* Р1
/
Л-
3,5
4,5
5,5
Ф„,эВ
Рис. 3. Зависимость высоты потенциального барьера на границе металл-БЮ в зависимости от работы выхода электрона от металла
Горизонтальная линия Фв = 1,45 эВ описывает предел Бардина, когда высота барьера полностью определяется высокой плотностью состояний на границе «металл-полупроводник». Пунктирные наклонные линии соответствуют пределу Шоттки. Таким образом, сравнивать экспериментальные данные разных авторов можно, если методика подготовки поверхности Б1С перед напылением металла была одинаковой.
После нанесения металла все приборные структуры подвергаются отжигу при температурах 400 - 800 0С. Поэтому также необходимо учитывать процессы взаимодиффузии и химического взаимодействия металла и полупроводника с образованием нескольких метастабильных фаз, преобразующихся одна в другую при нагреве. Известно, что карбид кремния с различными металлами может формировать несколько различных фаз как карбидов, так и силицидов [10].
Основными объектами исследований при формировании металлических контактных систем являются металлы, широко используемые в микроэлектронной технологии: А1, N1, Сг, Т1 и др., а также многослойные композиции Т1/^ Сг/^ Сг^/Р!, и др. напыляемые на монокристаллы карбида кремния разными методами. Контроль элементного состава и исследование процессов в контактных системах до и после отжига обычно осуществляется методом послойной Оже-электронной спектроскопии.
В работе [10] исследовалась граница раздела А1 - Б1С. Установлено (рис. 4), что после 3 - х минутного отжига образца при 400 0С наблюдается уширение переходного слоя и образование химического соединения в виде карбида алюминия. Это подтверждается химическим сдвигом линии КЬЬ
алюминия и идентифицируется, как соединение А14С3. Обнаружена высокая чувствительность карбида алюминия к парам воды в окружающей атмосфере, что приводит к деградации свойств контакта А1/Б1С и позволяет сделать вывод о непригодности чистого алюминия для изготовления контактов к Б1С.
1.0
А1 с
\ » / / / / * / * / » /
/* /1 / * / * / * / / 1 \
10 20 Время распыления, мин
Рис. 4. Профили распределения элементов по глубине для системы А1-БЮ [10]
Вольфрам как контактный материал характеризуется малой взаимной диффузией на границе раздела Ш - Б1С после отжига при 600 0С [11]. Из рис. 5 видно, что в переходной области образуется карбид вольфрама, о чем свидетельствует изменение формы Оже-спектральной линии углерода. На рис.5 (б) показ характер изменения формы линии углерода в карбиде кремния и в вольфраме.
а)
Время распыления, мш.
а).......до,.......после отжига при 600°С; б) формы ли-
ний углерода КУУ в Б1С (1) и Ш (2)
Рис. 5. Профили распределения компонентов по глубине в системе Ш - Б1С [11]
Наиболее перспективным с точки зрения термической стабильности контактов к Б1С представляется применение многослойных структур, в которых слой металла на поверхности Б1С выполняет роль диффузионного барьера для внешнего металла. Например, при последовательном напылении вольфрама и титана слой вольфрама после отжига при 6000С выполняет роль диффузионного барьера для проникновения Т1 в Б1С (рис. 6).
а)
Время распыления, мин.
б)
а - до, б - после отжига при температуре 600°С
Рис. 6. Профили распределения элементов по глубине для системы ТьШ-БЮ [11]
Высокоэффективные диффузионные барьеры можно получить с помощью разделительных подслоев нитридов или карбидов металлов. Имеются экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность диффузионного барьера нитрида титана в структуре Т1-Т1^Р1:, препятствующего взаимной диффузии Р! и Т1 при длительной непрерывной работе (300 час.) при температуре 500 0С.
Заключение
1. Стандартное технологическое оборудование для производства кремниевых полупроводниковых приборов частично пригодно для изготовления изделий на основе карбида кремния: можно использовать процессы и оборудование для химической обработки пластин и для термического окисления.
2. Термическое окисление карбида кремния протекает медленнее, чем у кремния, при одинаковых технологических условиях. Скорости окисления плоскостей А и В различаются в несколько раз.
3. Увеличением времени термического окисления Б1С в атмосфере сухого-влажного-сухого кисло-
рода можно подобрать режимы изготовления маскирующего и изолирующего слоя БЮ2необходимой толщины на поверхности Б1С.
4. Высота потенциального барьера контакта металл - Б1С в сильной степени зависит от состояния и качества обработки поверхности карбида кремния, поэтому результаты значительно различаются в экспериментах разных авторов. Для промышленного производства изделий из Б1С необходимо разработать рекомендации по унификации методик подготовки поверхности Б1С перед нанесением контактов.
5. Для повышения термической стабильности контактов к поверхности Б1С целесообразно использовать многослойные структуры с барьерными слоями карбидов или нитридов металлов.
Литература
1. Лучинин В. В., Таиров Ю.М. Карбид кремния -перспективный материал электронной техники. Изв. ВУЗов. Электроника, 1997.-№ 1.-с.10-37.
2. Иванов П.А., Челноков В.Е. Полупроводниковый карбид кремния - технология и приборы. Обзор, ФТП.-1995.-Т.29.-Вып.11.- С.1421-1443.
3. Wolborski M., Ph.G. Dis. “Characterization of Di electric Layers for passivation of 4H-SiC Devices”, КТН, Stockholm, Sweden, 2006.
4. Ажажа Э.Г. О сплошности окисных пленок кремния// Э.Г. Ажажа, В.И. Коркин//Электронная техника, 1968.-сер.2.-№3.-С.44-53.
5. Технология СБИС, под ред. Зи С., М. Мир, 1986,
Т.1.
6. Рембеза С.И., Рябинина И.А., Тимохин Д.П. Термическое окисление карбида кремния // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2007. №11. С. 88-90.
7. Bozack M.J., Surface Studies in SiC as related to contacts // Phys. Stat-Sol(b) - 1997- V.202.-p.549-580.
8. Агеев О.Ф., Светличный А.М., Ковалев Н.А., Разгонов Р. Н. Влияние обработки поверхности и нагрева на высоту потенциального барьера контактов к SiC// Технология и конструирование электронной аппаратуры, 2001, № 2, С.37-41.
9. Андреев А.Н., Лебедев А.А., Растегаева М.Г. и др. Высота барьера в диодах Шоттки, сформированных на основе n-SiC-6H, ФТП, 1995, Т.29, №10, С. 1833-1843.
10. Peteves S.D., Tambuyser P., Helbach P., Microstructure and microchemistry of the Al/SiC interface, J. Mat. Sci, 1990, V.25, p. 3765-3772.
11. Петров А.А. Гетерофазные границы раздела в тонкопленочных структурах электроники. Петербургский журнал электроники, 2006, вып. 4, С.109-131.
Воронежский государственный технический университет
THERMAL OXIDATION AND FABRICATION OF CONTACTS FOR 6H-SiC
I.A. Riabinina, S.I. Rembeza, E.S. Rembeza
This paper presents results of the standard equipment for silicon technology using for manufacturing of device structures on monocrystals of silicon carbide. Such technological operations as thermal oxidation SiC, preparation of ohmic and barrier contacts to 6H-SiC are considered. It is shown that chemical treatment of semiconductor wafers, thermal oxidation and a sputtering of metals can be carried out on the standard equipment of silicon technology without restrictions
Key words: SiC, thermal oxidation, contacts on SiC
