Багатошарова контактна система до кремнієвої структури з мілкозалегаючим p-n переходом

Багатошарова контактна система до кремнієвої стр уктури з мілкозалегаючим p-n переходом, яка містить омічний контакт на основі силіцидів металів платинової групи, бар'єрний шар з нітриду титану, адгезійний шар титану, взаємоконтактуючий шар та контактний шар з гальванічно осадженого золота, яка відрізняється тим, що бар'єрний шар з нітриду титану, синтезований термоіонним способом, має склад, в якому відношення титану до азоту 2:1, і оптимальну товщин у бар'єрного шару, яка визначена відповідно до наступного співвідношення: A (54) БАГАТОШАРОВА КОНТАКТНА СИСТЕМА ДО КРЕМНІЄВОЇ СТРУКТУРИ З МІЛКОЗАЛЕГАЮЧИМ P-N П ЕРЕХОДОМ 36917 В технічному рішенні (Способ изготовления многослойной контактной металлизации. а. с. 1715129 СССР, МКИ 5 H01 L21/28. Заявл. 22.08.89) запропоновано застосувати тугоплавкий метал вольфрам в якості бар'єрного шару з метою підвищення довгострокової стабільності параметрів багатошарової контактної системи. Багатошарова контактна система формувалась на високолегованій поверхні напівпровідникового елементу і складалась з паладію, шару вольфраму з доповненням ренію 15-27% товщиною 0,15-0,5 мкм, шару паладію товщиною 1560 Å і шару золота товщиною 20000 Å. Плівки вольфраму з ренієм і паладієм наносились іоно-плазмовим розпиленням. Вміст 15-27% ренію в шарі вольфраму зменшував механічні напруги в контактній системі. Незважаючи на підвищену термостійкість, розглянута контактна система не придатна для виробництва приладів з високими термостабільними характеристиками через: - проникнення і розчинення паладію (приблизно 2-3%) в шарі вольфраму з ренієм; - несумісність зі стандартними літографічними процесами. Відомі контактні системи до кремнію на основі силіцидів металів платинової групи: платини і паладію (М.-А. Nicolet. Diffusion barriers in thin films // Thin Solid Films. - 1978. - vol. 52. - P. 415-443). Силіциди цих металів відрізняються порівняно низькими питомими опорами, близькими до металу (r=25-38×10-6 Ом·см), високою адгезійною міцністю і стійкі до електроміграції. Контакти на основі силіцидів металів платинової групи характеризуються низькими перехідними (rК»1×10-3 Ом·см 2) опорами і дозволяють формувати низькоомний контакт до напівпровідникової структури з мілкозалегаючим p-n переходом. Плівки силіцидів металів платинової групи мають бар'єрні властивості, оскільки запобігають взаємній дифузії металу і напівпровідника. Технологія формування омічних контактів порівняно проста при точному контролі товщини нанесеного металу. Звичайно товщина нанесених плівок електронно-променевим випаровуванням або магнетронним розпиленням становить 200-300 Å. Поряд з відзначеними перевагами контактні системи на основі силіцидів металів платинової групи мають такі недоліки: - напруги, які розтягують та призводять до механічного руйнування контактної системи та виникають через утворення порожнин-вакансій при проходженні реакцій в твердій фазі між кремнієм і металом на межі розділу; - порівняно низькі значення енергії активізації процесу деградації (1-1,6 эВ), які зумовлені високим коефіцієнтом дифузії кремнію і металу через тонкий шар силіциду. Тому довговічність напівпровідникових приладів з контактною системою на основі розглянутих силіцидів не перевищує 1000 годин при температурі роботи Т=250°С і густині струму j=0,5×10-3 А/м 2. Найбільш близьким за технічною суттю і ефектом, який досягається, є технічне рішення, описане в джерелі (Semiconducture device with multilayered heat-resistive electrode in titanium-titaniumnitride-platinum-gold system. Pat. 5.426.331. U.S. МПК6 HO1 L Prior. 19.05.93, Filed 17.04.94). Згідно з цим технічним рішенням, термостійка багатошаро ва контактна система кремнієвого біполярного транзистора складається з таких шарів: омічного контакту на основі силіцидів металів платинової групи, нанесений зверху нього адгезійний шар титану, після цього послідовно нанесені бар'єрний шар нітриду титану, взаємоконтактуючий шар платини і шар гальванічно осадженого золота. Всі шари, окрім золота, були нанесені шляхом розпилення мішені. Незважаючи на явні переваги розглянутої термостійкої контактної системи, вона не підходить для застосування в лавино-пролітних діодах або інших сильнострумних приладах, які працюють при температурі 200-250°С. Основні недоліки термостійкої багатошарової контактної системи прототипу: - порівняно високі температури створення контактного шару до кремнію - силіциду платини (600800°С), які неприпустимі для приладів з мілкозалегаючими p-n переходами і високолегованими областями; - високий перехідний опір бар'єрного шару через відсутність оптимального співвідношення між титаном і азотом, який зумовлений способом отримання нітриду - розпиленням або розкладом титановмісних сполук; - відсутність оптимальних значень товщин бар'єрного шару. При малих товщинах бар'єрні властивості недостатні для термостійкої роботи контактної системи. З іншого боку, надмірне збільшення товщини бар'єрного шару веде до збільшення теплового опору контактної системи і, як наслідок, до низької її термостійкості. В зв'язку з розглянутим вище, контактна система-прототип не дає можливості виконати напівпровідниковий прилад з підвищеною радіаційною і термічною стійкістю. Основна задача винаходу - вдосконалення багатошарової контактної системи до кремнієвої структури з мілкозалегаючим p-n переходом, в якій нове виконання відомого елементу - бар'єрного шару - дозволяє отримати такий технічний результат: зменшити об'ємний електричний опір бар'єрного шару за рахунок певного співвідношення компонент в шарі, а також оптимізації його товщини і, як наслідок, істотно підвищити термічну і радіаційну стійкість приладів з контактною системою, яка пропонується. Означений технічний результат досягається за рахунок того, що в бага тошаровій контактній системі до кремнієвої структури з мілкозалегаючим pn переходом, яка містить омічний контакт на основі силіцидів металів платинової групи, бар'єрний шар з нітриду титану, адгезійний шар титану, взаємоконтактуючий шар і контактний шар гальванічно осадженого золота, згідно з винаходом, бар'єрний шар нітриду титану, який синтезований термоіонним способом, має склад, в якому відношення титану до азоту 2:1, а оптимальна товщина означеного шару визначається таким співвідношенням: 2 é æ ù 1ö l êbç T1 + ÷ - (bT2 + 1) 2 ú bø ê è ú ë û Pb >L> v × D × t × a 0 (1) Q де l - коефіцієнт теплопровідності бар'єрного шару, Вт/м×К; b - постійна, що характеризує зміну коефіцієнта теплопровідності від температури: 2 36917 l - l0 B , T м ×К2 l0 - коефіцієнт теплопровідності при мінімальних температурах, Вт/м×К; Т - температура бар'єрного шару, К; Т1 - температура поверхні бар'єрного шару з боку p-n переходу, К; T2 - температура зовнішньої поверхні бар'єрного шару, яка визначається з рівняння: T1=T 2+DRT×P, K DRT - гранично допустиме значення теплового опору бар'єрного шару, К/Вт; Р - потік тепла через бар'єрний шар, Вт/с; v- густина міжзеренного простору в бар'єрному шарі, г/м 3; D - коефіцієнт дифузії по межам зерен; t - час напрацювання приладу на відмову, с; a 0 - концентрація атомів металу на межі бар'єрного шару, атом ; 2 b= T2 = 1 æ 1ö RL2 + ç T1 + ÷ b bø l0b è (2) l - коефіцієнт теплопровідності бар'єрного шару; b - постійна, що характеризує зміну Х від температури; l - l0 b= (3) T l0 - коефіцієнт теплопровідності при мінімальних температурах; Т- температура бар'єрного шару; L - товщина бар'єрного шару; T1 - температура поверхні бар'єрного шару з боку p-n переходу; T2 - температура зовнішньої поверхні бар'єрного шару, яка визначається з рівняння: T1=T 2+DRT×P (4) DRT - гранично допустиме значення теплового опору бар'єрного шару; Р - потік тепла через бар'єрний шар. Вирішуючи (2) відносно L, знаходимо гранично максимальну товщин у бар'єрного шару: м3 Q - кількість речовини, накопиченої на поверхні розділу метал-бар'єрний шар, атом . м3 2 Новими ознаками, які має дане технічне рішення порівняно з прототипом, є виконання бар'єрного шару з певним відношенням титану до азоту і оптимальною товщиною, яка визначається співвідношенням (1), що забезпечує відповідність технічного рішення критерію винаходу “новизна”. Виконання багатошарової контактної системи до кремнієвої структури з мілкозалегаючим p-n переходом дає можливість отримати технічний результат - зменшити об'ємний електричний опір бар'єрного шару, що пояснюється таким чином. Бар'єрний шар нітриду титану синтезувався термоіонним методом, який дозволяє в широких межах змінювати склад і структур у шару. В результаті експериментальних досліджень була відпрацьована технологія отримання плівки, яка має щільну упаковку зерен, що забезпечило зменшення об'ємного електричного опору бар'єрного шару. Зміною співвідношення між титаном і азотом в процесі синтезу досягнутий мінімальний об'ємний електричний опір шару r=20 Ом×см при співвідношенні титану до азоту рівному 2:1. Шари нітриду титану мають фазовий склад близький до стехіометричного і відрізняються високою термостійкістю при високих температурах роботи приладу з контактною системою, яка пропонується. Оптимальна товщина бар'єрного шару визначається з таких припущень. Мінімальна товщина бар'єрного шару обмежується різким зменшенням бар'єрних властивостей через дифузію по межзеренним межам. З іншого боку, при більших товщинах бар'єрного шару росте його об'ємний опір і, як наслідок, його тепловий опір, який може обмежувати величину розсіюваної в приладі потужності і зменшити час його безвідмовної роботи. Максимально допустима товщина бар'єрного шару визначається так. Для стаціонарного режиму розв'язування рівняння теплопровідності для однорідної пластини товщиною L буде мати вигляд (Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981): Lmax 1ö æ lbç T1 + ÷ - (bT2 + 1)2 bø è = P ×b (5) В зворотно зміщеному переході виділення металу іде в шарі об'ємного заряду і в тонких шарах товщиною в декілька довжин вільного пробігу (Конструкции корпусов и тепловые свойства полупроводниковых устройств / Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергия, 1972). P=0,24×IR×UR (6) IR - струм через p-n перехід; UR - падіння напруги на переході. Потік тепла в бік бар'єрного шару: P=0,12×IR×UR (7) Мінімальна товщина бар'єрного шару обмежена кількістю металу контактної системи, продифундованого через бар'єр і накопиченого на межі розділу метал-напівпровідник. Кількість матеріалу, яка проникла через бар'єр і вступила в твердофазну реакцію з напівпровідником, залежить від коефіцієнта дифузії атомів металу в бар'єрному шарі, товщини бар'єрного шару і часу роботи приладу. Ефективність бар'єрного шару визначається коефіцієнтом міжзеренної дифузії. Спрощене рішення рівняння дифузії по межах зерен має вигляд (P.N. Holloway, D.E. Amos and G.C.Nelson. Analysis of groin-boundary diffusion in thin films: Chromium gold // J. of Appliel Physics. – vol. 47, № 9, 1976. - p. 3769-3775): é Q 1 2 ¥ (- 1)1 = v × êh 2 t - - 2 × å 2 × exp - h 2 × t × p × j 2 a 0L 6 p j= 1 j ê ë ( )ùúú (8) û де Q - кількість речовини, яка продифундувала і акумулювалася по поверхні розділу; a 0 - концентрація дифузанта на поверхні бар'єрного шару; L - товщина бар'єрного шару; v- густина міжзеренного простору в бар'єрному шарі; t - заданий час безвідмовної роботи приладу: h=D/L; D - коефіцієнт межзеренної дифузії. Для достатньо великих h2×t рівняння (8) набуває більш простого вигляду: 3 36917 Т=250-300°С. Бар'єрний шар 3 (нітриду титану) отриманий термоіонним синтезом в плазмі суміші парів титану і азоту при параметрах, коли питомий опір шару нітриду титану одержується мінімальним, про що свідчить крива, наведена на фіг. 2. Найбільш низькі значення перехідного опору бар'єрного шару досягнуті при парціальному тиску азоту рівному r=1,4×10-4 мм.рт.ст. Співвідношення між титаном і азотом наведене на профілях розподілу компонент в бар'єрному шарі (фіг. 3). Видно, що співвідношення між титаном і азотом змінюється по товщині і лежить в межах 2:1. Товщина бар'єрного шару нітриду титан у становить (9001000 Å), що відповідає оптимальній товщині бар'єрного шару і визначається формулою винаходу. Плівка 4 титану є адгезійним шаром між нітридом титану і плівкою 5 золота, яка є взаємоконтактуючою з осадженим шаром 6 золота товщиною 5000 Å для формування тепловідводу або приварки виводів приладу. Додатковою перевагою системи металізації Si-Pd2Si-TiN-Ti-Au є економічність її формування, зважаючи на відсутність потреби отримання і використання шару дорогоцінного метала (платини) в якості бар'єру між нітридом титану і золотом. Шар нітриду титану, отриманий термоіонним синтезом, має надійні бар'єрні властивості. Запропонована термостійка контактна система була застосована при виготовленні лавино-пролітних діодів. Проведені дослідження стабільності параметрів діодів з робочим діапазоном частот 58-62 ГГц при експлуатації в форсованих режимах і температурах p-n переходу 335, 355 і 375°С. Випробування проводились при кожній температурі до виходу з ладу половини випробуваних діодів. Діоди випробувались в безперервному режимі при пропусканні зворотного струму величиною - 130 мА, що відповідало потужності, яка генерується в модулі 200-250 мВт. За результатами випробувань визначалася енергія активації частоти відмов. Енергія активації частоти відмов, обчислена за цими результатами, становила величину 2,2 эВ, яка характеризує високу термостійкість контактної системи. Q vD = (9) a 0L L2 Звідки мінімальна товщина бар'єрного шару: vD + a 0 L min = (10) Q Виходячи з рівнянь (5) і (10), оптимальне значення товщини бар'єрного шару буде лежати в межах: 2 é æ ù 1ö l êbç T1 + ÷ - (bT2 + 1) 2 ú hø ê è ú ë û Pb >L > v × D × t × a0 Q (11) Ліва частина нерівності (11) визначає максимальну товщин у нітриду ти тану, при якій тепловий опір контактної системи стає неприпустимим для роботи приладу при високих температурах. Ліва частина нерівності визначає мінімальну товщину бар'єрного шару, при якій процес межзеренної дифузії погіршує бар'єрні властивості до межі заданої термостійкості. Можливість здійснення винаходу підтерджується: фіг. 1. - схематичне зображення напівпровідникового приладу, в якому використана контактна система з бар'єрним шаром нітриду титану; фіг. 2. - залежність питомого опору бар'єрного матеріалу нітриду титану від парціального тиску азоту в розрядному об'ємі приладу термоіонного синтезу; фіг. 3. - профілі розподілу компонент в термостійкій контактній системі. Багатошарова контактна система, яка пропонується, застосована в конструкції лавинопролітного діоду (ЛПД) міліметрового діапазону і представлена на фіг. 1. Активна область 1 діоду являє собою багатошарову епітаксійну стр уктуру р+-p-n-n+, де високолеговані області р+ і n+ мають питомий опір r=(0,0024-0,003) Ом×см. Шар 2 - силіцид паладію, утворений в результаті твердофазної реакції кремнію і паладію, забезпечує невипрямляючий контакт до високолегованого кремнію. Шар силіциду паладію, одержаний вакуумним випаровуванням паладію на поверхню кремнію при 4 36917 Фіг. 1 Фіг. 2 5 36917 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6