CC BY
96
УДК 621.3.032
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУТРНАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА
ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ
Баринов И.Н., к.т.н.
Пензенский государственный университет;
При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки
молодых российский ученых-кандидатов наук МК-472.2011.8.
В статье рассмотрен вариант металлизации Ti/TiN/Pt в качестве омического контакта к чувствительным элементам высокотемпературных датчиков давлений. Были определены и проанализированы параметры и характеристики данной структуры.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МЕТАЛЛИЗАЦИЯ, ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ,
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
The article describes the variant of the metallization Ti / TiN / Pt as an ohmic contact to the sensitive elements of the high-pressure sensors. The parameters and characteristics of the structure were identified and analyzed.
KEYWORDS: METALLIZATION, OMIC CONTACT, SENSITIVE ELEMENT, PRESSURE SENSOR
Большинство существующих электронных приборов, в том числе полупроводниковые датчики давлений (ПДД) имеют максимальную рабочую температуру не более 200°С, ограниченную деградационными процессами во внутренней структуре кремния, германия, арсенида галлия и других материалов. Технология «кремний-на-диэлектрике» (КНД) позволяет расширить верхнюю границу рабочей температуры электронных приборов до 400°С. Длительное воздействие более высокой температуры на электронные приборы, изготовленные по технологии КНД, также приводит к резкому ухудшению их метрологических свойств [1].
В настоящее время одним из перспективных материалов при создании высокотемпературных датчиков давлений является широкозонный полупроводник карбид кремния SiC, имеющий верхний температурный диапазон до 1000°С [1,2,5]. Существуют различные виды карбида кремния с одинаковой химической природой,
но отличающиеся своими электрофизическими параметрами. Образцы SiC могут иметь различную кристаллическую структуру - кубическую (ЗС-SiC, или beta-SiC), гексагональную ^Н-SiC, 4Н- SiC, 6Н- SiC и иН-SiC), ромбоэдрическую (15R, 21R и др.). Главные физические различия между гексагональными структурами SiC (2Н-SiC, 4Н- SiC, 6Н- SiC и иН-SiC) заключаются в последовательности упаковки кремниево-углеродных двойных атомных слоев, количестве атомов на элементарную кубическую решетку, и постоянных решеток.
Однако контактная металлизация в SiC чувствительных элементах (ЧЭ) подвержена деградации при температуре свыше 500°С из-за взаимодиффузии составляющих металлизацию материалов, термохимических реакций на их поверхности и изменений их микроструктуры [1]. Имеются сообщения о создании омических контактов, стабильных при температурах свыше 500°С в вакууме [3,4]. Однако условия эксплуатации высокотемпературных датчиков давлений, особенно при использовании в авиационной и ракетно-космической технике, исключают возможность применения вакуума с целью защиты металлизации от влияния внешних неблагоприятных факторов.
При создании ЧЭ на основе SiC необходимо идентифицировать металлы и сплавы, которые приемлемы для высокотемпературных ПДД на основе бН-SiC (политип, являющийся наиболее адекватным к существующей технологии создания монокристаллических структур приемлемого качества). Для омических контактов к и-SiC такими металлами являются титан и его сплавы на основе никеля и вольфрама. Никель также является приемлемым для этой цели, но в случае его использования существуют проблемы адгезии к и-SiC. Никель-титановые сплавы сочетают в себе высокие электрические свойства никеля и адгезионные свойства титана. Сплавы на основе титана и вольфрама показывают высокие свойства диффузионного барьера и также являются приемлемыми для создания омических контактов [1,5]. Далее рассмотрим более подробно вариант Ti/TiN/Pt в качестве высокотемпературной металлизации ЧЭ ПДД.
Структура для измерений сопротивления контактов представлена на рисунке 1.
1 - Многослойная металлизация; 2 - SiO2; 3 - и-эпитаксиальный слой; 4 -высокоомный n-6H-SiC Рисунок 1
Сопротивление контактов может быть измерено с использованием метода, выраженного следующей формулой [6]:
V - V
у AB у BC
‘""3 d)- (2
21n2
r =
cs
I
AD
(1)
где VAB - напряжение между контактами A и B (см. рисунок 1);
VBC - напряжение между контактами B и C (см. рисунок 1);
A - площадь контакта;
s - расстояние между смежными контактами; d - диаметр контакта.
Объемное сопротивление (Rs) и контактное сопротивление (Rc) могут быть вычислены как:
R + R
s c
V - V
I
(2)
Металлизация Ti/TiN/Pt была получена в соотношении 50нм/50нм/100нм методом напыления в вакууме. TiN был получен реактивным напылением титана в среде, содержащей 20% азота. Непосредственно после формирования, титановые контакты на эпитаксиальном слое были омическими для образца с концентрацией носителей 1,9-10 см- . Контактное сопротивление, вычисленное по формуле (1) составило
5 2
значение 1 • 10- см- . Для получения омического контакта к n-6H-SiC с концентрацией носителей 3,3 • 10 см- был применен высокотемпературный отжиг. Средняя высота потенциального барьера перед отжигом была получена из прямой ветви вольтамперной характеристики с использованием модели термоэлектронной
эмиссии:
J = J..
(qv / AT)
1
(3)
где J - плотность тока в прямом направлении;
V - приложенное напряжение; q - заряд электрона; к - постоянная Больцмана;
T - температура;
n - коэффициент, учитывающий отклонение от «идеальной» вольтамперной характеристики из-за непрерывности границы раздела метал/эпитаксиальный слой;
Js - ток насыщения, определяемый как:
j _ a*t2e'^qfs/kT)
(4)
*
где A - константа Ричардсона;
fB - высота барьера Шоттки между металлами в контакте.
Коэффициент n составляет значение от 1 до 1,05 до и после отжига соответственно,
8 3 2
а величина Js - от 9,44-10' до 4,4-10' А-см' . Константа Ричардсона оценивалась как:
A* _ 120 (m**/ m0),
(5)
где m**/ m0 - отношение эффективной массы электрона к массе покоя электрона.
Для значения m*/m0=0,45 константа Ричардсона А =54 А-см- •К- . Высота барьера Шоттки составила значение от 0,54 до 0,84 эВ.
Омический контакт, получающийся после отжига, обусловлен эффектом снижения барьера из-за изменения на границе раздела метал-SiC в течение отжига, когда происходит формирование карбида титана с низкой работой выхода на поверхности эпитаксиального слоя и соответствующими изменениями в плотности поверхностных состояний. Оже-электронная спектроскопия глубины профиля непосредственно после его формирования по данным источника [1] показывает четкие границы металлов на эпитаксиальном слое (рисунок 2).
а) б)
а - Оже-электронная спектроскопия глубины профиля металлизации Ti/TiN/Pt непосредственно после ее формирования на и-бИ-SiC; б - Оже-электронная спектроскопия металлизации Ti/TiN/Pt после отжига при 1000°С в течении 30 сек в атмосфере аргона Рисунок 2
Из рисунка 2, б очевидно взаимное смешивание и реакции веществ после отжига, когда новый слой состоит главным образом из Pt, Ti, Si и С, находящихся в непосредственном контакте с эпитаксиальным слоем. По данным [7] при данных условиях происходит формирование TiC1-x и Ti5Si3 соединений для пластин, подвергшихся отжигу в диапазоне температур от 500 до 1200°С. Уменьшение высоты барьера Шоттки по-видимому связано с низкой работой выхода TiC (3,35 эВ) по сравнению с Ti (4,1 эВ).
На рисунке 3 представлена зависимость контактного сопротивления от концентрации примеси.
Рисунок 3
Для оценки удельного контактного сопротивления rCS необходимо разделить Rs и Rc. Предположим, что TiC является новым слоем в контакте с бН-SiC эпитаксиальным слоем. Тогда Rs может быть вычислен относительно его толщины с использованием метода [8]:
Rs = Рпс
t
p(d /2)2 ’
(б)
где pTiC - сопротивление предположенного слоя TiC; t - толщина слоя.
С учетом (6) уравнение (2) запишется как:
t 1 г т
pTiC (Jit-) ч2 + Rc [VAB — VBC ]• (7)
p(d/2) Їао
Для значения сопротивления TiC, равного 200 Ом-см [9], после вычислений было установлено, что Rs<< Rc.
Сравнение зависимостей, представленных на рисунке 2, показывает реакции на границах раздела TiN/Pt и 6H-SiC/Ti. Содержание кислорода (около 17%) на границе раздела TiN/Pt обусловлено воздействием системы осаждения во время процесса. Влияние этого эффекта до конца не известно, но граница раздела 6H-SiC/Ti относительна свободно от включений кислорода. После отжига на поверхности верхнего слоя платины видна светло-коричневая окраска, обусловленная миграцией частиц титана.
Среднее контактное сопротивление составило значение в диапазоне от 1,5-10-5 до 3,42^ 10- Ом-см , а высота барьера Шоттки значение в диапазоне от 0,8 до 0,84 эВ, что согласуется с результатами ранее опубликованных работ [10].
Для обеспечения работоспособности многослойной металлизации при температуре более 600°С содержание кислорода в металле должно быть не более 3%. Высокий уровень содержания кислорода на границах раздела Pt-TiN и/или TiN-Ti может быть результатам полного или частичного разложения слоя TiN при высокой температуре и заменой его слоем окисла титана из-за высокого сродства титана к кислороду. Образование оксида титана приводит к двум нежелательным эффектам: уменьшение эффективности диффузионного барьера и формированию диэлектрического слоя, ведущего к появлению не омического, а выпрямляющего контакта.
Кроме того, может произойти проникновение кислорода через наружный слой платины. А так как осажденная платина содержит множество микроотверстий, то при температуре более 600°С кислород может диффундировать через микроотверстия, вызывая деградацию диффузионного барьера TiN. Кислород также реагирует с титаном, находящимся под барьером, формируя слой оксида титана с выпрямляющими свойствами вплоть до поверхности 6H-SiC.
Таким образом, вариант высокотемпературной металлизации ЧЭ ПДД Ti/TiN/Pt может удовлетворительно работать при температурах вплоть до 600°С, выше которой необходимо исключать присутствие ЧЭ в атмосфере, содержащей избыточное количество кислорода.
Литература
1 The MEMS handbook / edited by Mohamed Gad-el-Hak. P.cm. - 2002 (Mechanical engineering handbook series).
2 Лебедев А, Сбруев С. SiC-электроника. Прошлое, настоящее, будущее // Электроника. - 2006 .- №5. - С. 28-41.
3 Papanicolaou, N.A., Edwards, A.E., Rao, M.V., Wickenden, A.E., Koleske, D.D., Henry, R.L., and Anderson, W.T. (1998) “A High Temperature Vacuum Annealing Method for Forming Ohmic Contact on GaN and SiC”, in Proc. 4th Int. Hugh Temp. Electron. Conf., pp. 122-127.
4 Liu,S., Reinhardt, K., Severt, C., Scofield, J., Ramalingam, M., and Tunstall, C., Sr. (1996) “Long-Term Thermal Stability of Ni/Cr/W Ohmic Contacts on N-Type SiC”, in Proc, 3 rd Int. High Temp. Electron. Conf., pp. VII (9-13).
5 Microengineering aerospace systems / Henry Helvajian, editor - El Segundo, California: The Aerospace Press, 1999.
6 Kuphal, E. (1981) “Low Resistance Ohmic Contacts to n-Type and p-InP”, Solid State Electron. 24, pp. 69-78.
7 Smithells, C.J., ed. Metals Reference Book, 5th ed., Butterworth & Co., London.
8 Cox, R.H., and Strack, H. (1967) “Ohmic Contacts for GaAs Devices”. in Solid-State Electronics, Vol. 10, Pergamon Press, Elmsford, NY.
9 Toth, L.E. (1971) Transistion Metals, Carbides and Nitrides, Academic Press, New York.
10 Waldrop, J.R., and Grant, R.W. (1993) “Schottky Barrier Height and Interface Chemistry of Annealed Metal Contacts to Alpha 6H-SiC: Crystal Face Dependence”, Appl. Phys. Lett. 62(21), pp. 2685-2687.
Сведения об авторе
Баринов Илья Николаевич - докторант кафедры «Информационно-измерительная техника», к.т.н. тел. +79085280636 e-mail: mzungu@inbox.ru
