МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 1, с. 9-16
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 539.234,538.911,549.086,621.382.22
ФОРМИРОВАНИЕ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЬ-ПЛАТИНОВОГО СИЛИЦИДНОГО СПЛАВА
© 2014 г. В. А. Солодуха*, А. С. Турцевич*, Я. А. Соловьев*, Ф. Ф. Комаров**, О. В. Мильчанин**, Т. Б. Ковалева**, С. В. Гапоненко***
*Открытое акционерное общество "ИНТЕГРАЛ", Минск, Беларусь **Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко БГУ, Минск, Беларусь ***Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБеларуси, Минск, Беларусь
E-mail: komarovf@bsu.by Поступила в редакцию 26.01.2013 г.
Предложен новый метод формирования барьера Шоттки, включающий магнетронное нанесение из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель, тонкой пленки на кремнии с последующей ступенчатой термообработкой. С использованием данного метода были изготовлены приборные структуры с высотой барьера Шоттки от 0.69 до 0.71 В. Установлено, что барьерный слой состоит из силицидной фазы Nil _ xPtxSi с включением в области контакта до 2 ат. % платины. Показано, что определяющее влияние на высоту барьера оказывает количество платины на границе раздела с кремнием. Наибольшее содержание платины на границе раздела обеспечивается при двух-стадийной термообработке при температуре первой стадии термообработки от 240 до 300°С. Использование двухстадийной термообработки для процесса силицидообразования в системе "кремний — композитный сплав металов Ni—Pt—V" позволяет получать структурно более совершенный силицидный слой, а также более качественную границу кремний/силицид по сравнению с одностадийной обработкой.
DOI: 10.7868/S0544126913050086
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее сильное влияние на электрические характеристики диодов Шоттки оказывает выбор контактного металла, от которого зависит высота барьера Шоттки. При малой величине высоты барьера диод Шоттки имеет сравнительно большую плотность обратного тока, который к тому же экспоненциально возрастает с увеличением температуры кристалла и приложенного обратного напряжения. Применение металлов с большим значением высоты барьера к кремнию позволяет значительно уменьшить обратный ток диода Шоттки [1—3]. При производстве силовых диодов Шоттки силицидам переходных металлов отводится исключительно важная роль, поскольку силициды переходных металлов обладают высокой проводимостью металлического характера, высокой температурной стабильностью и большим значением высоты барьера к кремнию. Одним из распространенных материалов данного класса является силицид платины, отличающийся большой высотой потенциального барьера с кремнием я-типа проводимости (0.82 В) и легкостью получения твердофазной реакцией с кремнием. Использование силицида платины в таких изделиях силовой электроники, как диоды Шоттки позво-
ляет получать структуры с малыми обратными токами, высокими пробивными напряжениями и максимальной температурой эксплуатации до 175—200°С [1, 4].
Но в ряде работ [5, 6] было отмечено, что использование чистых платиновых пленок и стандартных термообработок при 550°С (для формирования фазы Р181) при формировании барьеров Шоттки для силовой электроники, где линейные размеры контактов в приборах достигают единиц и десятков миллиметров, имеет ряд недостатков. Основными и главными недостатками данного режима термообработки являлись большая неоднородность по толщине формируемых слоев, а также большие напряжения на границах кремний/металл, что приводило к отслоению силицид-ного слоя. В [5, 6] также было показано, что использование дополнительного нанесения пленки никеля на платину при последующем формировании силицидных слоев (550°С, 30 мин) приводило к воспроизводимому формированию более качественного барьера Шоттки (хорошая гомогенность толщин и размеров зерен в слоях силицидов, качественная граница кремний/металл, высота барьера порядка 0.82 В). Силициды никеля широко используются в настоящее время при создании раз-
Al-Si •V
SiO2
NiPtSi
Ti/Ni/Ag
Рис. 1. Структура диода Шоттки с барьером из силицидов композитного сплава №—Р1—У.
личных контактов, слоев металлизации, барьеров Шоттки благодаря своей низкой температуре формирования, низкому слоевому и контактному сопротивлению и хорошему согласованию кристаллических решеток к кремниевой матрице. Формируемый в работах [5, 6] слой силицидов Р181 и N181 имел лучшие структурные характеристики.
В данной работе предложен новый метод формирования барьера Шоттки, включающий магне-тронное нанесение из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель, тонкой пленки на кремнии с последующей ступенчатой термообработкой. В связи с тем, что силицид платины (Р1281) может формироваться уже при 200°С [7, 8], было предложено использовать двухстадийную термообработку. На первой стадии низкотемпературной обработки (200—450°С) предполагалось получать преимущественно мо-носилицидную фазу платины на границе кремний/металл, так как фаза №281 формируется при более высоких температурах (280—300°С [9]). Последующая стандартная термообработка (550°С) должна приводить к полному завершению процесса формирования слоев моносилицидов платины и никеля в параллельных контактах барьера Шоттки.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Пленки сплава никель—платина—ванадий толщиной 35 и 70 нм наносили магнетронным распылением сплавной мишени с соотношением компонентов 77—18—5 мас. % соответственно на подложки монокристаллического кремния я-типа проводимости с удельным сопротивлением 0.6 Ом см и ориентацией (111). Наличие ванадия обеспечивало создание немагнитного многокомпонентного сплава металлов, что приводило к более устойчивому и воспроизводимому процессу нанесения пленок. Полученные пленки подвер-
гали одно- и двухстадийному отжигу в инертнои среде. Одностадийный отжиг осуществляли при температуре 550°С в течение 30 минут. При двух-стадийном отжиге температуру первой стадии варьировали в пределах от 200 до 450°С. Вторую стадию отжига осуществляли при температуре 550°С в течение 30 мин. Затем непрореагировав-шие с кремнием остатки сплава никель—платина-ванадий удаляли в растворе царской водки.
Структурные характеристики композитных сплавов Ni—Pt—V после нанесения и термообработок исследовались методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в планарном ("plan-view") и поперечном ("cross-section") сечениях, а также методом электронной дифракции с использованием просвечивающего электронного микроскопа Hitachi Н-800 (Hitachi, Япония). Элементный и фазовый состав в композитных слоях металлов и силицидов исследовали методами резерфордовского обратного рассеяния (РОР) с помощью ускорительного комплекса AN-2500 (High Voltage, Голландия) c оборудованием регистрации и анализа спектров РОР (тип иона — He+; энергия — 1.3 МэВ) и комбинационного рассеяния света с помощью лазерного сканирующего микроскопа с конфокальной фокусирующей системой Nanofinder, Solar TII (Tokyo Instruments Inc., Япония) (длина волны 532 нм).
На базе полученных силицидных слоев также формировали структуры диодов Шоттки с охранным кольцом (размер кристалла 3.176 х 3.176 мм) (рис. 1). Кристаллы диодных структур собирали в пластмассовый корпус КТ-28 (ТО-220).
Вольт-амперные характеристики диодных структур исследовали с помощью программно-аппаратного комплекса прецизионных измерений НР4156В (Hewlett-Packard, США). Высоту барьера определяли по прямой ВАХ диодов Шоттки графоаналитическим методом с реализацией в табличном процессоре Excel.
n
+
n
Высота барьера Шоттки контактных структур, полученных из композитного сплава №—Р1—У при различных режимах термообработки
Условия термообработки Фв, В 9ptsb В 9NiSb В SNiSi/S NPt, ат. %
I стадия II стадия
240°С, 240 мин 0.694 0.171 41.4
300°С, 180 мин 360°С, 120 мин 550°С, 30 мин 0.709 0.702 0.82 0.65 0.096 0.124 45.2 43.8
450°С, 90 мин 0.704 0.115 44.2
Расчет содержания никеля и платины в контактно-барьерной структуре проводили в рамках модели параллельных контактов из силицидов
никеля и платины [10] методом оптимизации параметров следующего выражения средствами табличного процессора Excel:
kT ^ ^NiSi
ФB =--ln Нт1
q \ S
exp ) - exp (
kT J \ kT
+ exp
^ptSi
kT
(1)
где фВ — результирующая высота барьера, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, q — элементарный заряд, — доля площади выпрямляющего контакта, занимаемая силицидом никеля, Б — суммарная площадь выпрямляющего контакта, ф№8! — высота барьера Шоттки силицида никеля на кремнии, фИ8! — высота барьера Шоттки силицида платины на кремнии. Расчеты
производились в предположении, что при вышеуказанных режимах термообработки образуются моносилициды платины и никеля, а содержащийся в композитном сплаве ванадий не вступает в реакцию с кремнием и не оказывает влияние на высоту барьера Шоттки. В таком случае содержание каждого металла в силицидном слое определяется как:
NNi — SNiSi/2, Npt — (1 - SNisi)/2,
(2) (3)
где и — содержание никеля и платины в силицидном слое в ат. % соответственно.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты определения высоты барьера Шоттки и доли площади, занимаемой силицидом никеля, представлены в таблице. Видно, что высота барьера сильно зависит от режимов первой стадии термообработки. Изменения высоты барьера составляют до 15 мВ. Максимальная высота барьера наблюдается при температуре первой стадии термообработки 300°С. Рассчитанное в рамках модели параллельных контактов из силицидов никеля и платины содержание платины в барьере Шоттки в зависимости от условий термообработки варьируется в пределах от 41 до 45 ат. %. Но, эти значения значительно превышают содержание платины в исходном композитном сплаве (~6.12 ат. %).
Результаты РОР исследований (рис. 2) не подтверждают модель формирования параллельных контактов из силицидов никеля и платины на гра-
нице кремний/металл. Измеренные концентрации платины вблизи границы кремний/металл гораздо ниже расчетных по модели параллельных контактов из силицидов никеля и платины.
При температуре отжига 240° С существенного перераспределения платины и никеля в композитном сплаве не наблюдается. В работе [8] при
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.