CC BY
24
Доклады БГУИР
2006 октябрь-декабрь № 4 (16)
МАТЕРИАЛЫ
УДК 621.793
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА 81/Р181 В ДИОДАХ ШОТТКИ ДЛЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
А С. ТУРЦЕВИЧ1, Я.А. СОЛОВЬЕВ1, Д.Л. АНУФРИЕВ1, О.В. МИЛЬЧАНИН2
1 Унитарное предприятие "Завод Транзистор" ул. Корженевского 16, г. Минск, 220108, Беларусь,
2НИИ прикладных физических проблем им. А.И. Севченко Белорусского государственного университета
ул. Курчатова 7, г. Минск, 220064, Беларусь
Поступила в редакцию 19 июня 2006
Исследованы структурно-морфологические особенности границы раздела 81/Р181, сформированной твердофазной реакцией платиновой пленки с кремниевой подложкой при температуре 550 °С в среде азота. Установлено, что переходной силицидный слой содержит Р1281, а также чистую платину и характеризуется неоднородной структурой, обусловливающей неоднородное прохождение тока по площади выпрямляющего контакта. Предложена герметизация платины пленкой никеля. При этом существенно улучшаются однородность структуры и контактные свойства силицидного слоя.
Ключевые слова: диод Шоттки, силицид платины, твердофазная реакция, граница раздела.
Введение
Силициды различных металлов нашли широкое применение в изделиях твердотельной электроники в качестве материалов выпрямляющих и омических контактов, а также токопро-водящих элементов интегральных схем [1, 2]. Одним из распространенных материалов данного класса является силицид платины, отличающийся большей высотой потенциального барьера с кремнием «-типа проводимости (0,82 В) и легкостью получения путем твердофазной реакции с кремнием. Использование силицида платины в таких изделиях силовой электроники, как диоды Шоттки позволяет получать структуры с малыми обратными токами, высокими пробивными напряжениями и максимальной температурой эксплуатации до 200 °С [3].
Отличительной особенностью изделий силовой электроники является большая площадь структуры, которая может достигать десятков квадратных миллиметров, что обусловливает значительные механические напряжения структур, полученных твердофазной реакцией с кремнием при термическом воздействии. Кроме того, граница раздела Р181/81 данных контактов характеризуется неоднородностью структуры и электрофизических свойств по площади [4-6]. В работе [4] Оже-электронной спектроскопией рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии установлены особенности формирования неоднородностей состава и структуры слоев Р181 в зависимости от температурных режимов отжига в азоте платиновых пленок толщиной 430 А на кремниевых подложках ориентации (100). В работе [5] методами просвечивающей электронной микроскопией и рентгеновской спектроскопии установлены закономерности кинетики образования силицидов платины, сформированных быстрым термическим отжигом в сверхвысоком вакууме пленок платины на подложках кремния ориентации
(100). В работе [6] методами просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей зон-довой микроскопии установлено наличие неоднородностей структуры и контактных свойств силицида платины, сформированного на кремнии ориентации (111), а также исследовано влияние неоднородностей на прямые вольтамперные характеристики диодов Шоттки на их основе. Однако в реальных диодах Шоттки для силовой электроники контактные слои не используются в чистом виде, а в совокупности с другими тонкопленочными элементами, например Мо [7] или Pd [8]. Данная работа посвящена исследованию структурно-морфологических особенностей границы раздела в диодах Шоттки для силовой электроники.
Методика эксперимента
Типовая структура диода Шоттки для силовой электроники с контактом из силицида платины представлена на рис. 1. Слои силицида платины формировали твердофазной реакцией платиновой пленки с кремнием при температуре 550°С в среде азота в течение 30 мин. Пленки платины наносили магнетронным распылением платиновой мишени чистотой не хуже 99,95 % на установке "MRC 603" с криогенной системой откачки и предельно откачиваемым давлением менее 5-10-5 Па. Элементный состав пленок исследовался с помощью Оже-электронной спектроскопии при с использованием спектрометра PHI-660 (Perkin Elmer, США). Фазовый состав тонких пленок определялся исходя из данных рентгеноструктурного анализа, полученных на установке ДТС-1. Структура пленок исследовалась методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с применением электронного микроскопа H-800 (Hitachi, Япония). Морфология поверхности пленок изучалась с использованием сканирующей зондовой микроскопии по методике отображения сопротивления растекания [9, 10], а также согласно полуконтактной методике при помощи кремниевого зонда с углеродной нанотрубкой [11].
Рис. 1. Типовая структура диода Шоттки с контактным слоем из PtSi: 1 — подложка; 2 — эпитаксиальный слой; 3 — слой SiO2; 4 — охранное кольцо; 5 — слой PtSi; 6 — слой Мо; 7 — слой Al-Si
Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 2 представлен профиль распределения элементов по толщине пленки, полученный Оже-электронной спектроскопией. Как видно из рис. 2, содержание кремния в силицидном слое не соответствует стехиометрическому составу ни одного из известных силицидов, что свидетельствует о неоднородном фазовом составе. Данный вывод подтверждается также рент-геноструктурным анализом, результаты которого приведены в таблице. Поскольку в напряженных структурах возможна деформация связей между атомами и, как следствие, изменение межплоскостных расстояний, в таблице представлены расчетные данные для всех ближайших к экспериментальным пикам. Точная и однозначная интерпретация экспериментальных пиков затрудняется из-за близости межплоскостных расстояний для фаз Р181 и Р1;281, а также и Р1 Однако анализ результатов позволяет утверждать, что в исследуемых образцах содержатся пики, соответствующие фазам Р181, Р1^1, а также непрореагировавшей платины. Данные результаты противоречат общеизвестной кинетике образования слоев Р181, согласно которой сначала вся платина должна перейти в субсилицид, который затем переходит в моносилицид [1]. Ана-
логичная картина описана в работе [4], где было показано, что диффузия кислорода в пленку платины препятствует ее полному переходу в субсилицид из-за образования окислов кремния.
Результаты ПЭМ исследований также свидетельствуют о структурной неоднородности силицидного слоя. На рис. 3 представлена типовая светлопольная ПЭМ-микрофотография поперечного сечения слоев 81/Р181/Мо твердотельной структуры диода Шоттки. Следует отметить большой разброс толщины силицидного слоя — от 40 до 75 нм. Неровность и размытость границы раздела свидетельствует о наличии напряжений и структурных дефектов в данной области. Было зарегистрировано и формирование дефектов упаковки в кремнии вблизи границы раздела 81/Р181.
о"* 100
р. 90 80
я
а & 70
О И 60
я 50
о 40
< 30
20
10
0
/ 5:1 81
И /
4—' Ы
\ й 14
О 0,5 1 1,5 2 2,5
Время травления, мин.
Рис. 2. Профиль распределения элементов по толщине слоя Р181 Результаты рентгеноструктурного анализа слоев силицида платины
Экспериментальные значения Табличные значения
20, град Межплоскостное расстояние, нм Межплоскостное расстояние, нм Фазовый состав
29,0 0,308 0,308 (011)
32,1 0,278 0,278 Р12Б1 (100)
39,9 0,226 0,226 Р (111)
44,1 0,206 0,204 (202)
61,7 0,150 0,149 РЧ281(004)
67,3 0,139 0,139 Р12Б1 (220)
Рис. 3. Светлопольная ПЭМ-микрофотография поперечного сечения слоев 81/Р181/Мо в диоде Шоттки: 1 — кремниевая подложка, 2 — слой силицида платины, 3 — пленка молибдена
Неоднородность структуры силицидного слоя установлена также сканирующей зондо-вой микроскопией (рис. 4). Как видно из рис. 4, а, на поверхности силицидного слоя существуют участки с различной работой выхода, что хорошо согласуется с результатами работы [9].
Из рис. 4,б видно, что силицидные зерна размером 15-30 нм объединяются в конгломераты размером порядка 200 нм.
а б
Рис. 4. Результаты исследования структуры силицидного слоя сканирующей зондовой микроскопией: а) по методике отображения сопротивления растекания (область сканирования 9x9 мкм); б) полуконтактная методика; кремниевый зонд с углеродной нанотрубкой (область сканирования 1,5x1,5 мкм)
Структурные неоднородности силицидного слоя обусловливают резкий рост обратных токов диодов Шоттки с 81/Р181 контактом (рис. 5). В области обратных смещений до 5 В экспериментальная ВАХ совпадает с теоретической, рассчитанной для такой же высоты барьера Шоттки. С увеличением обратного смещения разность между двумя кривыми увеличивается более чем на два порядка, что обусловлено наличием неоднородностей на границе раздела с кремнием [12].
Рис. 5. Обратная ВАХ диода Шоттки с контактом из содержащим неоднородности
Для предотвращения нежелательной диффузии кислорода в платину и обеспечения ее полного перехода в Р181 используют герметизацию наружной границы платинового слоя другим металлом: молибденом [7] либо палладием [8]. Для достижения данной цели нами было предложено наносить поверх платины слой никеля. При магнетронном распылении предпочтительнее использование мишеней из сплава №(7%У) [13] для изменения доменной структуры и устранения магнитных свойств никеля. В данном случае становится возможным нанесение платины и никеля на установке магнетронного напыления в одном вакуумном технологическом цикле. На рис. 6 представлена светлопольная ПЭМ-микрофотография поперечного сечения 56
структуры 81/Р181/№81/Мо диода Шоттки. Из рис. 6 видно, что контактный слой Р181 характеризуется более однородной структурой, четкой границей раздела 81/Р181 и отсутствием фазы (ср. рис. 3). Не было обнаружено формирования дефектов упаковки в кремнии вблизи границы 81/Р181. Таким образом, герметизация платины слоем никеля позволяет после термообработки получить достаточно качественный контактный слой моносилицида платины. Результаты измерения вольтамперных характеристик также подтверждают отсутствие неоднородностей в выпрямляющих контактах.
50 им
Рис. 6. Светлопольная ПЭМ-микрофотография поперечного сечения слоев 81/Р181/№81/Мо в диоде Шоттки: 1 — кремниевая подложка; 2 — слой силицида платины; 3 — слой силицида никеля; 4 — пленка молибдена
Заключение
Исследованы структурно-морфологические особенности границы 81/Р181, сформированной твердофазной реакцией пленки платины с монокристаллическим кремнием при температуре 550 °С в среде азота. Установлено, что силицидный слой содержит Р1281, Р181 а также чистую платину и характеризуется неоднородной структурой, обусловленной диффузией кислорода в платину во время его формирования, что приводит к неоднородному прохождению тока по площади выпрямляющего контакта силицидного слоя с кремнием. Для исключения диффузии кислорода предложена герметизация платины пленкой никеля. При этом существенно улучшаются однородность структуры и контактные свойства силицидного слоя.
Авторы выражают благодарность сотрудникам Государственного центра "Белмикроа-нализ" и учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники" к.т.н. В.А. Ухова и м.н.с. Н.Г. Циркунову за помощь в проведении исследований.
FEATURES OF FORMATION SI/PTSI BOUNDARY IN SCHOTTKY DIODES FOR
POWER APPLICATION
A.S. TURTSEVICH, J.A. SOLOVJOV, D.L. ANUFRIEV, O.V. MILCHANIN
Abstract
Structure and morphology features of Si/PtSi boundary formatted by solid phase reaction of platinum film with silicon substrate at 550°C in nitrogen atmosphere are researched. Silicide layer content Pt2Si, PtSi and also pure platinum and characterized nonuniform structure that leads to nonuniform current flow through rectifying contact square were established. Capsulation of platinum by nickel film essentially improves the structure and contact properties uniformity of silicide layer.
Литература
1. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС/ Пер. с англ. В.В. Баранов. M., 1986. 176 с.
2. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. Mинск, 1989. 238 с.
3. Баранов В.В., Соловьев Я.А., Тарасиков М.В., Фоменко Н.К. Диоды Шоттки на основе силицида платины // Изв. Белорус. инж. акад. 2003. № i (15)/4. С. 89-91.
4. Chang C.-A, Segmüller A. Huang H.-C.W., et al. // J. Electrochem. Soc. 1986. Vol. 133, № 6. P. 1256-1260.
5. Larrieu G., Dubois E, WallartX., et al. // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 94, № 12. P. 7801-7810.
6. Lahnor P., Seiter K., Schulz M., et al. // Appl. Phys. A. 1995. Vol. 61. P. 369-375.
7. Пат. № 4408216 США. MÜK H01 L 29/48. Опубл. 04.10.1983.
8. Пат. № 5888891 США. MÜK Н01 L 21/34. Опубл. 30.03.1999.
9. Balan N., Gruzdev A., Nevsky A., Frolov V. // Books of abstracts, International conference "Micro- and nanoelectronics 2005", October 3rd-7th, 2005, Moscow, Zvenigorod, Russia. P. Pi-11.
10. Циркунова Н.Г., Соловьев Я.А., Турцевич А.С. // Изв. Белорус. инж. акад. 2005. № 1 (19)/5. С. 168-169.
11. Циркунова Н.Г., Соловьев Я.А., Турцевич А. С., Борисенко В.Е. // Изв. Белорус. инж. акад. 2005. № 1 (19)/5. С. 169-170.
12. Баранов В.В., Соловьев Я.А., Кошкаров Г.В. // Изв. Белорус. инж. акад. 2005. № 1 (19)/5. С. 101-104.
13. Пат. № 4139908ФРГ. MÜK H 01 L 23/532. Опубл. 09.06.1993.
