Термостійка контактна омічна система до напівпровідникового приладу з алмазу

Реферат: Термостійка контактна омічна система до напівпровідникового приладу з алмазу містить в собі контактний шар титану визначеної товщини, який нанесений на поверхню алмазу, бар'єрний антидифузійний шар з тугоплавкого матеріалу оптимальної товщини та контактуючий шар із золота, до якого приєднуються електричні виводи приладу. Після термічної обробки утворюється проміжний шар карбіду титану, який забезпечує адгезію та низький омічний опір. При цьому товщина шару титану забезпечує при термообробці утворення карбіду ТіС 0,96, 8 омічний питомий опір якого мінімальний для карбідів титану та становить 61·10 Ом·м, а контактуючий шар Ті має оптимізовану товщину d, яка визначається за співвідношенням: x  d  2 ƒx dx , 0 де ƒx   1 x2  x  2 дробово-раціональна функція розподілу атомів Ті в об'ємі алмазу та в бар'єрному шарі; x - координата знаходження атомів Ті контактної системи. UA 97274 U (12) UA 97274 U UA 97274 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель, що заявляється, належить до напівпровідникової електроніки на основі алмазу. Природні та штучні алмази відомі своїми властивостями, такими як висока теплопровідність, хімічна та радіаційна стійкість, прозорість від ультрафіолетового до радіохвильового діапазонів, хімічна, радіаційна стійкість та висока рухливість носіїв заряду. Алмаз є перспективним матеріалом для таких напівпровідникових приладів як потужні НВЧ прилади (діоди та транзистори) оптоелектронні прилади, датчики іонізуючих випромінювань, приймачі ультрафіолету. Також відомі діоди Шоткі з робочою температурою 700 °C, планарні транзистори з робочою температурою 300 °C, польові транзистори, світловипромінюючі прилади. Також перспективні матричні оптичні перемикаючі елементи. Перехід від кремнію до більш широкозонних напівпровідників забезпечує підвищення робочих температур, допустимої оберненої напруги p-n переходів, а для НВЧ приладів підвищення максимальної потужності та граничної частоти. Також є ефективним використання алмазу в ГІС НВЧ сантиметровому діапазоні. Особливо перспективним є використання алмазу в польових транзисторах з затвором Шотткі. Моделювання показало, що в цих приладах вихідна потужність в діапазоні 5-100 ГГц повинна бути в 30 разів вища ніж в транзисторах на GaAs. Важливим компонентом напівпровідникових приладів на основі алмазу є омічна контактна система. Відомі електричні контакти до алмазу, який використовується як детектор іонізуючих випромінювань [1]. Контакт до алмазу формується при допомозі імпульсного лазера, діаметр плями випромінювання якого становить від 10 до 50 мкм на довжині хвилі генерації 1,06 мкм. Під дією лазерного випромінювання в зоні плями відбувається графітизація алмазу. Шари 4 графіту формуються на поверхні об'єму алмазу з опором 10 Ом. Опір графітних ділянок становить від 5 до 100 Ом. Основний недолік таких контактів - неможливість одержання електричного контакту з рівномірним розподілом опору по поверхні алмазу. В іншому технічному рішенні [2] термостійкі омічні електроди на алмазній підкладці, яка легувалась 19 -3 23 -3 іонами бору до одержання концентрацій від 1·10 см до 1,8·10 см . На леговану іонами бору поверхню алмазу наносилась система Ti-Mo-Au. Розглянута термостійка контактна система була використана в реальному термісторі, який працював при високих температурах. Основний недолік - перетворення легованого бором алмазу в дефектну структуру, яка потребує відновлення. Найбільш близьким по суті до заявленого об'єкта є технічне рішення [3], у якому термостійкий омічний контакт сформований з тонкого шару Ті, який наносився на поверхню напівпровідникового алмазу. Завдяки хімічній реакції в об'ємі алмазу утворюються карбіди титану, які забезпечують високу адгезію та низький омічний опір. Омічна контактна система складалась з трьох шарів Au-Мо-Ті. Шар Мо виконував функцію бар'єру. Як бар'єр можуть бути використані W, Mo, Ti/W, Pt або жаростійкі сполуки ТіС, TiN. При всіх задовільних характеристиках розглянута контактна система має той недолік, що товщина шару Ті не оптимізована, а знаходиться в деякому інтервалі, що приводить до збільшення опору всієї контактної системи. Таким чином, задачею корисної моделі, яка заявляється, є зменшення омічного опору відомої термостійкої контактної системи шляхом знаходження більш точного значення товщини шару титану. Поставлена задача вирішується тим, що в термостійкій омічній контактній системі до напівпровідникового приладу з алмазу, яка містить в собі контактний шар титану визначеної товщини, який нанесений на поверхню алмазу, бар'єрний антидифузійний шар з тугоплавкого матеріалу оптимальної товщини та контактуючий шар із золота, до якого приєднуються електричні виводи приладу, причому після термічної обробки утворюється проміжний шар карбіду титану, який забезпечує адгезію та низький омічний опір, згідно з корисною моделлю, з метою зменшення омічного опору контакту товщина шару титану забезпечує при термообробці утворення карбіду ТіС0,96, омічний питомий опір якого мінімальний для карбідів титану та 8 становить 61·10 Ом·м, при цьому контактуючий шар Ті має оптимізовану товщину d, яка визначається за співвідношенням: x d  2  ƒx dx 0 ƒx   55 , 1 2 x  x  2 - дробово-раціональна функція розподілу атомів Ті в об'ємі алмазу та в де бар'єрному шарі; x - координата знаходження атомів Ті контактної системи. 1 UA 97274 U 5 10 15 20 25 30 Крім цього контактними карбідними сполуками до алмазу можуть бути використані наступні карбіди жаростійких металів необхідних товщин: WC, ТаС0,99, ZrC0,97, ZrC0,98, MoC, NbC, які 8 мають мінімальний питомий опір від 17 до 99·10 Ом·м. В корисній моделі, яка заявляється, суттєвими відмінними ознаками є оптимізована товщина контактуючого матеріалу, яка знаходиться з виразу, який заявляється, та використання ряду карбідів жаростійких матеріалів. Контактна система з переліченими ознаками дає змогу досягти технічний результат - створювати термостійкі омічні контакти до напівпровідникових приладів з алмазу, які мають мінімальні значення контактного опору. Набір суттєвих ознак відповідає критерію "новизна". Можливість практичної реалізації запропонованої корисної моделі підтверджується кресленнями, на яких зображено: на фіг. 1 - розподіл елементів контактної системи Au-Mo-Ті-С по товщині контактної системи; на фіг. 2 - розподіл елементів контактної системи Au-Mo-Ті-С по товщині, в якій товщина металу оптимальна; на фіг. 3 - функція розподілу атомів титану в об'ємі контактної системи; на фіг. 4 - схематичне зображення контактної системи до напівпровідникового алмазу; на фіг. 5 - вольтамперні характеристики контактної системи Au-Mo-Ті-С. В таблиці чисельно задана функція розподілу титану в об'ємі контактної системи. Розглянемо Оже-профілі розподілу компонентів системи Аu-Мо-Ті-С після відпалу (фіг. 1), в якій товщина титану не оптимізована та становила 400 Å. Звертаючись до Джерела інформації: [5], знаходимо, що мінімальним питомим опором є карбід з складом 8 8 ТіС0,96-61·10 Ом·м. При складі карбіду ТіС0,62 питомий опір перехідного шару досягає 147·10 Ом·м. Таким чином, для одержання мінімального питомого опору перехідного шару необхідно, щоб концентрація титану в перехідному шарі досягала приблизно 0,5 в відносних одиницях. Завдяки взаємній дифузії елементів контактної системи Au-Mo-Ті-С пошаровий розподіл після відпалу при 800 °C має вигляд, як показано на фіг. 2. Для спрощення розрахунків оптимізованої товщини титану пошаровий розподіл контактного матеріалу титану приведено в табличному вигляді (див таблицю). Функцію розподілу титану по товщині приведено на фіг. 3. Для доказу заявленого співвідношення виконано інтерполювання функції однієї змінної за допомогою сплайнів [4]. Крім цього ця функція, як звичайно, неперервно разом із похідними до (m-1)-го порядку. В нашому випадку сплайн складений з багаточлена другої степені. В результаті такого інтерполювання розподіл атомів титану після відпалу в відносних одиницях має вигляд дробово-раціональної функції: ƒx   35 40 1 x 2  x  2 , (1) як показано на фіг. 3. Після інтегрування функції розподілу (1) від х=0 (де значення функції максимальне) до х=700 Å (глибина проникнення атомів титану в об'єм алмазу) знаходимо кількість титану, яка розподілена в об'ємі алмазу. Враховуючи те, що концентрація титану по товщині виражена в відносних одиницях, то його оптимальна товщина чисельно буде дорівнювати інтегралу функції (1). Межі інтегрування лежать від х=0, де концентрація титану максимальна, до х=700 Å відстань, на яку дифундує титан в об'єм алмазу. З другого боку титан також дифундує в об'єм бар'єрного матеріалу. Для спрощення розрахунків будемо вважати, що функція розподілу титану в шарі молібдену ідентична функції розподілу в алмазі. Тоді оптимальна товщина шару титану в контактній системі, яка заявляється, буде становити величину: x  700 A d2 45 50 55  x 0 1 x 2  x  2 . (2) На фіг. 3 показано, що інтеграл від функції розподілу титану має вигляд прямокутника. Тоді оптимально товщина титану для корисної моделі, яка заявляється, буде становити 270 Å. Мінімальний питомий опір також мають карбіди тугоплавких металів: 8 WC-17·10 Ом·м; 8 ТаС0,99-22·10 Ом·м; 8 ZrC0,97-49·10 Ом·м; 8 МоС - 49·10 Ом·м; 8 NbC-36·10 Ом·м. При використанні усіх карбідів в контактних системах замість титану перелічені сполуки мають бар'єрні властивості [6]. Таким чином, використовуючи карбіди тугоплавких металів, відпала необхідність в присутності окремого бар'єрного шару молібдену, що спрощує виконання термостійкої контактної системи до напівпровідникового приладу з алмазу. 2 UA 97274 U 5 10 15 20 25 30 Схематичне зображення варіанта виконання термостійкої контактної системи до алмазу, яка заявляється, показане на фіг. 4. На поверхні напівпровідникового алмазу 1 осаджений контактний шар титану 2 оптимальної товщини d=550 Å. Потім на поверхні титану формувався бар'єрний шар молібдену 3. Для створення електричного виводу на молібден наносився шар золота 4 товщиною 2000 Å. Після відпалу при температурі 800 °C титан з шару 2 дифундував в об'єм алмазу 1 та в об'єм шару молібдену 3. На межі розділу алмаз-титан утворювався перехідний шар ТіС0,96 5, який забезпечував високу термостійкість, адгезію до поверхні алмазу та мінімальний омічний питомий опір. За шаром 5 концентрація титану в об'ємі алмазу 6 зменшувалась згідно з дробовою раціональною функцією (1). Термостійка омічна контактна система була використана при формуванні ліній передачі гібридних інтегральних схем НВЧ на алмазних підкладках високої теплопровідності, які працювали в інтервалі температур (25-400)°С. На фіг. 5 продемонстровані залежність ВАХ лінії передач від температури. Товщина алмазу становила 20 мкм. Величина ємності НВЧ лінії не -4 залежала від напруги в інтервалі 0-40 В. Тангенс кута втрат становить величину не більше 10 . Експлуатація передаючої лінії НВЧ при температурах (25-400)°С показала стабільність імпедансних характеристик пристрою. Джерела інформації: 1. Пат. 4.511.783 США. МПК В23К 27/00. Method for making electrical contacts to diamond ba measens of a laser, and diamond provided coith contacts acconding to thit optical method. Ednand А.В. Заявл. 02.03.1983, опубл. 04.16.1985. 2. Пат. 5.309.000 US. МПК H01L 23/48. Diamond films coith heat-resisting ohmic electrodes, Kimitsugu S. et. el. Заявл. 23.04.1992, опубл. 05.03.1994. 3. Пат. 5.436.505 US. MПК H01L 23/48; 29/40. Heat-resisting ohmic contacts on semiconductor diamond laser, Kazushi H. et. el. Заявл. 02.01.1994, опубл. 07.25.1995. 4. Г.Г. Цегелик, Чисельні методи. - Львів: Видавничий центр ЛНУ ім. І. Франка, 2004. 5. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник. - М.: "Металлургия", 1986. 6. Пат. 4920071 США. МПК Н01L 21/283. High temperature interconnect system for an integrated circuits Thomas M.E. Заявл. 08.18.1987, опубл. 04.24.1990. Таблиця x, Å m, відн. од. 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0,5 0,48837 0,49535 0,46977 0,43953 0,39535 0,36977 0,34884 0,32558 0,27674 0,26047 0,22791 0,20698 0,16512 0,14419 0,1186 0,09535 0,08605 0,06512 0,06047 0,05116 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 1. Термостійка контактна омічна система до напівпровідникового приладу з алмазу, яка містить в собі контактний шар титану визначеної товщини, який нанесений на поверхню алмазу, бар'єрний антидифузійний шар з тугоплавкого матеріалу оптимальної товщини та контактуючий шар із золота, до якого приєднуються електричні виводи приладу, причому після термічної обробки утворюється проміжний шар карбіду титану, який забезпечує адгезію та низький 3 UA 97274 U омічний опір, яка відрізняється тим, що товщина шару титану забезпечує при термообробці утворення карбіду ТіС0,96, омічний питомий опір якого мінімальний для карбідів титану та 8 становить 61·10 Ом·м, при цьому контактуючий шар Ті має оптимізовану товщину d, яка визначається за співвідношенням: x 5  d  2 ƒx dx , 0 де ƒx   10 1 2 x x2 дробово-раціональна функція розподілу атомів Ті в об'ємі алмазу та в бар'єрному шарі; x - координата знаходження атомів Ті контактної системи. 2. Термостійка контактна омічна система за п. 1, яка відрізняється тим, що контактними карбідними сполуками до алмазу можуть бути використані наступні карбіди необхідних товщин: 8 WC, ТаС0,99, ZrC0,97, ZrC0,98, MoC, NbC, які мають мінімальний питомий опір від 17 до 99·10 Ом·м. 4 UA 97274 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5