Способ изготовления выпрямляющих контактов к карбиду кремния n-типа

 

Использование: микроэлектронные устройства на карбиде кремния, включающие активные приборы с барьером Шоттки. Сущность изобретения: выпрямляющие контакты Шоттки изготавляются путем отжига предварительно химически очищенного кристала или кристаллического слоя карбида кремния в вакууме при температурах от 600 до 800°С в течение времени от 10 до 30 мин. В качестве материала контакта используют алюминий, который осаждают при температуре 350 - 80°С, в результате становится возможной замена традиционного материала контакта - золота на алюминий.

Изобретение относится к созданию выпрямляющих контактов и может быть применено в полупроводниковом приборостроении для создания активных приборов на полевом эффекте Шоттки.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка простого и недорогого способа получения выпрямляющего контакта к карбиду кремния (SiC).

В настоящее время развитие микроэлектроники СВЧ вызвало повышенный интерес к приборам на широкозонном полупроводниковом материале n-карбиде кремния, для которого характерна высокая дрейфовая скорость насыщения электронов, теплопроводность, близкая к теплопроводности меди, что предполагает возможность работы при повышенных температурах и рассеиваемых мощностях.

Один из классов таких приборов - приборы с барьером Шоттки (диоды и транзисторы) [1-3] , в которых важнейшим элементом является электрод (затвор) с барьером Шоттки (БШ). При создании БШ на n-карбиде кремния наиболее важны выбор наносимого металла, обработка поверхности SiC перед нанесением, а также условия нанесения материала контакта.

Важнейшими требованиями к способам изготовления контактов Шоттки являются доступность материала контакта; дешевизна и простота изготовления.

Контакт должен удовлетворять следующим требованиям: достаточное механическое сцепление между подложкой и контактом; тонкий переходный слой между металлом и полупроводником, обеспечивающий хорошие выпрямляющие свойства контакта, влияющий на его стабильность; высокая величина барьерного потенциала, которая также влияет на выпрямляющие свойства контакта; литографичность материала контакта, т.е. способность к формированию на нем топологического рисунка.

Известен способ, где на предварительно сколотую вдоль плоскости (1100) подложку при комнатной температуре в качестве барьерного металла наносили Al вакуумным напылением. Достоинство способа - получение стабильного и значительного по величине барьерного потенциала (Ib = 1,2...1,5 В).

Особенностью способа и его главным недостатком является операция скалывания подложки SiC. Использование сколотой грани, перпендикулярной в данном случае базовой (основной плоской развитой) грани, позволило автору получить поверхность с минимальным количеством загрязнений, однако это значительно усложняет способ и удорожает его, так как требует дополнительного оборудования для реализации скола в вакууме; снижает процент выхода годных, так как сколы в условиях малых размеров кристаллов SiC трудно реализуемы; уменьшает и без того незначительную площадь площадки SiC; затрудняет фотолитографию из-за малости сколотой поверхности и требует применения специального оборудования.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому способ создания выпрямляющего барьерного контакта на n-SiC [2]. При этом на базовую развитую поверхность кристалла - n-типа ориентации (0001) наносят вакуумным напылением слой Au, после чего химическим травлением формируют электрод затвора.

Золотой контакт применяется потому, что этот материал обладает химической инертностью и формирует с полупроводником границу раздела, не вступая в химическую реакцию.

Главным недостатком этого способа является высокая стоимость и малодоступность материала контакта, а также его низкая адгезия к подложке, что ограничивает возможность его применения в приборах с БШ на SiC.

Целью изобретения является удешевление технологии получения контактов.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе получают выпрямляющие контакты к n-SiC путем нанесения в вакууме металлического контакта на химически очищенную базовую грань n-подложки SiC.

Но в отличие от известного способа предварительно выдерживают подложку в вакууме в интервале температур 600-800^оС в течение 30-10 мин, а в качестве материала контакта используют Al, который осаждают при температуре подложки от 350 до 80^оС. Предварительный отжиг дает поверхность с минимальным количеством загрязнений и дефектов. Увеличение времени отжига свыше 10 мин при 800^оС приводит к обогащению поверхности SiC углеродом из-за преимущественного испарения Si и увеличению переходного слоя между металлом и SiC. Если время отжига менее 30 мин при 600^оС, то на поверхности наблюдаются остатки адсорбированного кислорода, углеводородных соединений, а также относительно высокая плотность поверхностных дефектов решетки. Температуры менее 600^оС и более 800^оС непригодны для отжига, так как в первом случае не хватает энергии для релаксации поверхностных дефектов; во втором случае неизбежно частичное обогащение поверхности углеродом даже при небольших выдержках. После отжига необходимо снизить температуру подложки перед нанесением до 350-80^оС. При температуре ниже 80^оС наблюдается недостаточная адгезия Al к SiC. При температуре 355-360^оС на границе раздела SiC/Al происходят необратимые фазовые изменения, что сопровождается переходом выпрямляющего барьерного контакта в невыпрямляющий омический.

Докажем существенность отличий предлагаемого способа.

Известно изготовление барьерного выпрямляющего контакта к SiC из Al [1] . Однако при его изготовлении не производили предварительной химической обработки, чистую поверхность получали путем скола; Al осаждали на холодную подложку. Этот способ получения выпрямляющих Al контактов сложен, дорог и не позволяет изготавливать микроэлектронные устройства.

Известен отжиг SiC при высоких температурах, улучшающий качество поверхности [4] . Он снижает число дефектов и загрязнений на ней и способствует реиспарению адсорбированного на поверхности кислорода и его соединений. Однако неизвестен отжиг, применяемый перед осаждением барьерного металла на SiC, предлагаемый в данном способе.

Известно осаждение металлов для получения барьерных контактов к SiC на холодную подложку (при комнатной температуре), причем нагрева подложки стараются избежать, в основном, для того, чтобы толщина окисла на границе раздела была минимальна. Осаждение Al без образования Al₂O₃на границе раздела металл-полупроводник даже на холодной подложке проблематично, так как Al сильно реагирует с адсорбированным на поверхности кислородом, образуя уже при комнатной температуре окисел в несколько десятков ангстрем. Если между металлом и полупроводником имеется значительный окисел (50-100 ), то в зависимости от плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-окисел и толщины окисла контакт может приобрести либо невыпрямляющие свойства, либо свойства контакта МОП-структуры. Осаждение Al для получения барьера Шоттки при повышенной температуре (80-350^оС) ранее не было известно авторам. Эта операция становится возможной только в сочетании с предыдущей операцией и составляет с ней последовательную совокупность технологических операций, необходимых для реализации способа нанесения именно Al-выпрямляющих контактов.

Это доказывает существенность отличий предлагаемого способа.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Кристаллический слой или подложку SiC подвергают предварительной химической обработке, затем помещают образец в вакуум не хуже 10^-6 мм рт.ст, где нагревают подложку до 600-800^оС, выдерживая ее 30-10 мин соответственно температуре. Затем охлаждают подложку до температуры ниже 350^оС но выше 80^оС, и наносят Al на базовую грань слоя или подложки n-SiC. Контакты формируют либо через маску, либо литографически.

При отработке способа поверхность SiC и его граница раздела с Al исследовались методами ВИМС и Оже-спектроскопии. Высота барьеров Шоттки у получаемых контактов была 1,45-1,55 В (C-V, 1-V методы),что не менее, чем в [1]. Выявлено, что на высоту барьера не влияет ориентация базовой монокристаллической грани.

П р и м е р 1. Подложку монокристаллического карбида кремния n-проводимости, которая была выращена методом Лели и имеет ориентацию базовой поверхности (0001), обрабатывают в расплаве едкого калия при 600^оС в течение 15 мин, затем промывают в деионизованное воде 10 мин, опускают в разбавленную плавиковую кислоту при комнатной температуре и кипятят в деионизованной воде 7 раз по 3 мин.

После химической обработки подложку сушат в струе сухого очищенного аргона и помещают в камеру установки УВН-83-П1 с безмасляной откачкой. Затем откачивают камеру до значения 1 ˙ 10^-7 мм рт.ст. После этого нагревают подложку до 700^оС и выдерживают при этой температуре 20 мин. Далее охлаждают подложку до температуры 300^оС и наносят алюминий на базовую грань (0001) (С-грань) из навески, находящейся в водоохлаждаемом тигле, с помощью электронного луча. Скорость нанесения 2-20 /с.

После охлаждения до Т меньше, чем 80^оС, достают готовые образцы. Электрические измерения на полученных контактах дают величину Ib = 1,45...1055 В для 95% контактов.

П р и м е р 2. Производится по примеру 1, но перед напылением отжиг проводят при 550^оС в течение 60 мин. Электрические измерения дают величину Ib только для 10% контактов. Большинство контактов дают невоспроизводимые характеристики или характеристики МДП-структур.

П р и м е р 3. Производится по примеру 1, но отжиг перед нанесением проводится при 850^оС в течение 5 мин. Электрические измерения показывают, что большинство контактов дают неустойчивые омические характеристики с высоким сопротивлением.

П р и м е р 4. Производится по примеру 1, но при напылении температура подложки составляет 360^оС. Получаемые контакты при этом имеют омическую характеристику.

П р и м е р 5. Проводится по примеру 1, но при напылении температура подложки составляет 75^оС. При установке измерительных электродов на поверхность контактов они легко отслаиваются.

П р и м е р 6. Производится по примеру 1, но отжиг перед нанесением проводится 35 мин при 600^оС. Результаты электрических измерений сходны с теми, что указаны в примере 3.

П р и м е р 7. Производится по примеру 1, но отжиг перед нанесением проводится 8 мин при 800^оС. Результаты электрических измерений сходны с теми, что указаны в примере 2.

П р и м е р 8. Производится по примеру 1, но в качестве монокристаллической базисной поверхности n-SiC используется слой SiC нанесенный на подложку сапфира Al₂O₃ с ориентацией поверхности (101). Нанесение Al производят сразу после осаждения слоя, поэтому химической обработки не требуется. Получены результаты, сходные с теми, что указаны в примере 1.

П р и м е р 9. Производится по примеру 8, но между слоем SiC и подложкой Al₂O₃ находится слой AlN, улучшающий монокристаллическую структуру SiC. Результаты такие же, как в предыдущем примере.

Предлагаемый способ по сравнению с наиболее близким по технической сущности значительно удешевляет способ изготовления контакта вследствие замены дорогостоящего материала контакта на дешевый Al. Кроме того, способ дает ряд значительных преимуществ: он соединяет технологию Al-Шоттки-контактов с возможностью использования ее на основной базовой поверхности кристаллов SiC или слоев SiC на изолирующих и полуизолирующих подложках. Это открывает возможность использовать комплекс технологического оборудования (напылительного и фотолитографического), приспособленного для производства Al-разводки на Si-ИС, для создания SiC-ИС с активными элементами на барьерах Шо

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ КОНТАКТОВ К КАРБИДУ КРЕМНИЯ N-ТИПА, включающий нанесение в вакууме металлического покрытия на химически очищенную подложку карбида кремния n-типа, отличающийся тем, что предварительно выдерживают подложку в вакууме при 600 - 700^oС в течение 10 - 30 мин, а в качестве материала покрытия используют алюминий, который осаждают при температуре подложки 80 - 350^oС.