Высокотемпературный полупроводниковый прибор и способ его изготовления

 

Использование: микроэлектроника, конструкции и технология диодов Шотки. Сущность изобретения: высокотемпературный полупроводниковый прибор (ВПП) содержит полупроводниковую подложку 1, омический электрод 2 и многослойный выпрямляющий электрод 3, расположенный на подложке 1 и включающий барьерообразующий слой 4, связанный с подложкой 1 с образованием барьера Шотки, промежуточный слой 5 из материала на основе тугоплавкого металла и внешний слой 6 из благородного металла. Для повышения температурной и радиационной стойкости слой 4 изготовлен из хрома и связан с подложкой 1 с образованием переходной зоны 8 из карбида хрома, на внешнем слое 6 сформирован выходной контакт 7, при этом подложка 1 выполнена из SiC n⁺-типа с гомоэпитаксиальным n-слоем 10, легированным азотом до уровня от 7 · 10¹⁵ до 1 · 10¹⁸см^-3, расположенным по месту формирования барьера Шотки, а на подложку 3 нанесен защитный герметизирующий слой 11. В способе изготовления ВПП используют в качестве подложки структуру n-n⁺ SiC с эпитаксиальным n-слоем, легированным азотом до уровня от 7 · 10¹⁵ до 10¹⁸см^-3, а в качестве барьерообразующего металла используют Сr, многослойный выпрямляющий электрод формируют в едином технологическом цикле магнетронным распылением, после микропрофилирования на поверхности многослойного выпрямляющего электрода и n-слоя подложки наносят защитный диэлектрический слой, в окне которого формируют выходной контакт из благородного металла, а высокотемпературный отжиг производят после нанесения металла омического электрода и по окончании формирования выходного контакта. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы прибора в экспериментальных условиях температуры и радиации. 2 c. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в конструкции и технологии производства диодов Шотки. Особенно эффективно его использовать в микроэлектронных схемах, эксплуатируемых в экстремальных условиях.

Известен высокотемпературный полупроводниковый прибор (ВПП), содержащий монокристаллический алмазный слой, на котором сформирован гетероэпитаксиальный металлический слой, образующий с ним выпрямляющий контакт. Для достижения термостойкости выпрямляющего контакта постоянная кристаллической решетки используемого металла согласована с аналогичной характеристикой алмазного слоя (US 5212401, H 01 L 29/48, 1993).

Его недостатком является высокая себестоимость и сложность изготовления, связанные с выращиванием и использованием алмаза.

Известно также выполнение ВПП на основе кремния, в котором для обеспечения термостойкости выпрямляющий электрод сформирован из силицида тугоплавкого металла посредством отжига (US 5155559, H 01 L 29/48, 1992). Другим направлением развития данного вида техники является конструирование полупроводникового диода с барьером Шотки, под выпрямляющим электродом которого сформирован слой полупроводника, содержащего в микроколичестве азот. Это техническое решение апробировано на интегральной схеме, выполненной на кремнии (JP 5-27993, H 01 L 29/48, 1993).

Однако данные приборы обладают дрейфующими вольт-амперными характеристиками при работе в условиях повышенной температуры и радиации.

Наиболее близким к заявляемому является полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковую подложку, омический электрод и многослойный выпрямляющий электрод, расположенный на подложке и включающий барьерообразующий слой алюминия толщиной 10-200 нм, контактирующий с полупроводниковой подложкой с образованием барьера Шотки, промежуточный слой, имеющий толщину 20-200 нм, изготовленный из нитрида одного из тугоплавких металлов (Ti, Та, W, Hf, Mo, Zr, Nb, W, Cr) и выходной контакт для присоединения к внешней электрической цепи, выполненный из алюминия (JP 3-76030, H 01 L 29/46, 21/28, 21/3205, 29/48, 1991).

Однако данная конструкция обладает низкой надежностью работы при высоких температурах и, особенно, при радиационном воздействии потоком быстрых нейтронов с флюенсом более 10¹⁵ нейтр./см².

Для изготовления ВПП известным способом на поверхности кремниевой подложки последовательно формируют внутреннюю пленку оксида кремния и внешнюю пленку нитрида кремния, далее во внешней пленке вскрывают первое окно, которое вместе с прилегающей поверхностью закрывают оксидом кремния, после чего концентрично первому окну вскрывают второе окно с диаметром, меньшим, чем диаметр первого окна, и последовательно формируют в нем двухслойный контакт Шотки (JP 5-41026, H 01 L 29/48, 21/28, 1993).

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления ВПП, предусматривающий формирование на полупроводниковой подложке омического электрода и многослойного выпрямляющего электрода последовательным нанесением слоев барьерообразующего, тугоплавкого и благородного металлов, высокотемпературный отжиг и микропрофилирование целевого изделия. Барьерообразующий слой наносят из сплава W/Ti и непосредственно после этого осуществляют высокотемпературный отжиг при 400-900^oC в атмосфере газовой смеси NH₃/N₂, формируя таким образом тугоплавкий нитридный слой на поверхности барьерообразующего слоя W/Ti. Затем на нитридную пленку наносят слой благородного металла, в качестве которого используют золото (JP 3-61346, H 01 L 29/48, 21/285, 1991).

Однако известные способы не позволяют изготовить целевое изделие, надежно работающее в условиях воздействия высоких температуры и радиации. Кроме того, эти способы сложны по причине многостадийности.

Технической задачей разработки предлагаемых устройства и способа его изготовления является повышение надежности работы целевого изделия в экстремальных условиях температуры и радиации.

Многочисленными исследованиями установлено, что причина ненадежной работы полупроводниковых приборов с барьером Шотки в данных условиях заключается в ускоренной деградации омического и выпрямляющего электродов, в связи с чем задача обеспечения надежной работы получаемых приборов продолжает оставаться актуальной [см. , например: Растегаева М.Г. Омические контакты металл-карбид кремния: Автореф. дисс. к.т.н.-СПб: ФТИ, 1999.-16 с.; Афанасьев А.В. Термически- и радиационно-стойкие контакты "металл - карбид кремния" для приборов экстремальной электроники: Автореф. дисс. к.т.н. - СПб.: СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999.-16 с.].

Решение указанной задачи заключается в том, что в конструкцию ВПП, содержащего полупроводниковую подложку, омический электрод и многослойный выпрямляющий электрод, расположенный на подложке и включающий барьерообразующий слой, связанный с полупроводниковой подложкой с образованием барьера Шотки, промежуточный слой из материала на основе тугоплавкого металла и выходной контакт для присоединения к внешней электрической цепи, внесены следующие изменения: 1) барьерообразующий слой выпрямляющего электрода изготовлен из хрома; 2) барьерообразующий слой связан с полупроводниковой подложкой с образованием переходной зоны из карбида хрома; 3) полупроводниковая подложка выполнена из карбида кремния ⁺-типа проводимости с гомоэпитаксиальным n-слоем, легированным азотом до уровня от 7· 10¹⁵ до 10¹⁸ см^-3, расположенным по месту формирования барьера Шотки; 4) на внешнем слое выпрямляющего электрода сформирован выходной контакт для присоединения ВПП к соответствующей электрической цепи; 5) на полупроводниковой подложке сформирован защитный слой из высокотемпературного диэлектрического материала с возможностью герметизации боковых поверхностей выпрямляющего электрода.

Предлагаемое решение технической задачи основано на впервые установленном авторами неизвестном ранее свойстве сформированной переходной зоны карбида хрома препятствовать деградации барьера Шотки в экстремальных условиях. При этом совокупность новых признаков направлена на оптимальную техническую реализацию этой идеи, в том числе на обеспечение технологичности изготовления целевого изделия, а режимный признак уровня легирования эпитаксиального слоя подложки установлен экспериментально из условия обеспечения максимальной радиационной стойкости прибора (см. табл. 1).

В предлагаемой конструкции переходный слой выпрямляющего электрода может быть выполнен из нитрида тугоплавкого металла, как это имеет место в прототипе. Вместе с тем, в новой конструкции для выполнения функции диффузионного барьера (препятствующего взаимной диффузии атомов металлов барьерообразующего слоя и выходного контакта) в качестве материала промежуточного слоя выпрямляющего электрода достаточно использовать чистый тугоплавкий металл. Наиболее целесообразно изготавливать этот слой из вольфрама.

Для нанесения диэлектрического защитного слоя наиболее технологично использовать диоксид кремния. Возможно также нанесение защитного слоя из нитрида алюминия и других термостойких диэлектриков.

Для повышения технологичности изготовления выходной контакт 7 целесообразно выполнить из того же металла, что и внешний слой 6 выпрямляющего электрода 3, так как в этом случае элементы 6 и 7 образуют монолитную конструкцию.

Заявляемый способ изготовления предлагаемого полупроводникового прибора предусматривает формирование на полупроводниковой подложке омического электрода и многослойного выпрямляющего электрода последовательным нанесением слоев барьерообразующего, тугоплавкого и благородного металлов, высокотемпературный отжиг и микропрофилирование целевого изделия. Новым в заявляемом способе является: 1) использование структуры n-n⁺ карбида кремния с эпитаксиальным n-слоем, легированным азотом до уровня от 7·10¹⁵ до 10¹⁸ см^-3 в качестве полупроводниковой подложки; 2) использование хрома в качестве барьерообразующего металла; 3) формирование многослойного выпрямляющего электрода в едином технологическом цикле на установке магнетронного распыления; 4) осуществление стадии микропрофилирования нанесением диэлектрического защитного слоя на открытые поверхности многослойного выпрямляющего электрода с последующим вскрытием в защитном слое окна до поверхности выпрямляющего электрода и формирования в окне выходного контакта из благородного металла;
5) проведение высокотемпературного отжига в две стадии: после нанесения металла омического электрода и по окончании формирования выходного контакта.

Новизна и изобретательский уровень нового способа вытекают из его направленности на реализацию нового принципа действия диффузионных барьеров, препятствующих деградации электродной системы. Кроме того, в отличие от известных способов изготовления диодов Шотки с многослойным выпрямляющим электродом, в новом способе предусмотрена одностадийность нанесения электродных слоев за счет использования магнетронного распыления. Принципиально также проведение отжига, поскольку в известном способе одностадийный отжиг имеет назначением образование нитридов, выполняющих функцию промежуточного слоя, а именно диффузионного барьера, препятствующего взаимной диффузии атомов металлов барьерообразующего слоя и выходного контакта.

В новом способе первая стадия отжига имеет назначением формирование омического контакта, что общеизвестно [см., например: Thermally stable ohmic contacts on n-type 6H- and 4H-SiC based on silicide and carbide./ S.Liu, K. Reinhardt, C. Severt. // Silicon Carbide and Related Mat. Proc.Conf. Kyoto. Japan. 1995. Ser. N 142. - P.589-592; Растегаева М.Г. Указанная работа], а вторая стадия отжига имеет новое назначение - формирование переходной зоны карбида хрома, препятствующей деградации барьера Шотки в экстремальных условиях. В прототипном же способе отжиг производят для формирования промежуточного слоя выпрямляющего электрода.

На фиг. 1 приведена схема ВПП; на фиг. 2 и 3 приведены вольт-амперные характеристики целевого изделия при комнатной и высоких температурах.

В табл. 1 и 2 приведены технические характеристики ВПП к примерам 1 и 2 соответственно.

ВПП (фиг. 1) содержит полупроводниковую подложку 1, омический электрод 2 и многослойный выпрямляющий электрод 3, расположенный на подложке и включающий барьерообразующий слой 4, связанный с полупроводниковой подложкой 1 с образованием барьера Шотки, промежуточный слой 5, выполненный из вольфрама, и платиновый внешний слой 6 с выходным контактом 7, также выполненным из платины. Барьерообразующий сдой 4 выпрямляющего электрода 3 изготовлен из хрома и связан с полупроводниковой подложкой 1 с образованием переходной зоны 8 из карбида хрома. Полупроводниковая подложка 1 выполнена из карбида кремния и включает слой 9 n⁺-типа проводимости и гомоэпитаксиальный n-слой 10, легированный азотом, расположенный по месту формирования барьера Шотки. На полупроводниковой подложке 1 сформирован защитный слой 11 из диоксида кремния с возможностью герметизации боковых поверхностей выпрямляющего электрода 3.

ВПП работает как токовый ключ в зависимости от полярности напряжения между омическим электродом 2 и выходным контактом 7. При подаче на ВПП напряжения с отрицательной полярностью на омическом электроде 2 ток проходит через ВПП, поскольку уменьшен потенциальный барьер протекания тока через контакт Шотки, образованный между n-слоем 10 карбида кремния и зоной 8 карбида хрома. При обратной полярности потенциальный барьер контакта Шотки возрастает, запирая электрическую цепь. В экстремальных условиях промежуточный слой 5 препятствует взаимной диффузии атомов слоев 4 и 6 выпрямляющего электрода 3.

Зависимость технических характеристик ВПП конструктивного исполнения и технологических режимов изготовления иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. На полупроводниковой подложке 1, выполненной из карбида кремния и имеющей структуру n-n⁺, где n-слой 10 легирован азотом, формируют омический электрод 2. С этой целью на поверхность 9 (n+) подложки 1 наносят слой 2 никеля толщиной 0,3 ± 0,1 мкм путем магнетронного распыления Ni при температуре подложки 200^oC. Далее проводят отжиг в вакууме (10^-3 Па) при температуре 1000^oC в течение трех минут. Затем формируют многослойный выпрямляющий электрод 3 последовательным нанесением на поверхность 10 подложки 1 хрома, вольфрама и платины для образования слоев 4, 5 и 6 соответственно. Осаждение слоев 4, 5 и 6 проводят в едином технологическом цикле на установке магнетронного распыления при температуре подложки 175 ± 25^oC. Толщина каждого из нанесенных слоев составляет 0,10 - 0,15 мкм. Затем с помощью фотолитографии производят микропрофилирование боковой поверхности слоев 4, 5 и 6 выпрямляющего электрода 3. На поверхность подложки 1 со стороны выпрямляющего электрода 3 наносят диэлектрический защитный слой 11 диоксида кремния толщиной 0,5 ± 0,1 мкм с помощью плазмохимического осаждения. При этом слой 11 закрывает также нанесенные элементы 4, 5 и 6 выпрямляющего электрода 3. После этого в защитном слое 11 вскрывают окно диаметром 150 мкм до поверхности выпрямляющего электрода 3 посредством фотолитографии. Затем формируют в окне выходной контакт 7 путем магнетронного распыления платины через маску до полного заполнения окна и небольшого пространства, прилегающего к окну. Таким образом, слой 11 герметизирует боковые поверхности многослойного выпрямляющего электрода 3 и поверхность слоя 10 подложки 1.

Для образования переходной зоны 8 из карбида хрома проводят отжиг сформированной структуры при температуре 500^oC в течение 30 минут. За это время происходит карбидизация хрома на границе раздела слоев 4 и 10 с образованием переходной зоны 8.

В данном примере изготавливают 4 образца ВПП, различающиеся уровнем легирования эпитаксиального n-слоя 10 в диапазоне от 7 · 10¹⁵ до 10¹⁸ см^-3.

Образцы ВПП испытывают термостатированием при 450^oC в течение 50 ч с последующим комплексным воздействием ионизирующим излучением быстрыми нейтронами флюенсом 4,42 · 10¹⁵ нейтр./см¹⁵ и γ-квантами 8,67 · 10⁵ P. В качестве контрольного образца испытывают ВПП, изготовленный согласно патенту JP 3-76030, H 01 L 29/46, 21/28, 21/3205, 29/48, 1991. Определяют изменение коэффициента выпрямления ВПП при подаче на него напряжения 0,5 В различной полярности.

Результаты испытаний приведены в табл. 1. Как видно из таблицы, контрольный образец и предлагаемые образцы, изготовленные на подложке с уровнем легирования эпитаксиального n-слоя в диапазоне от 7 · 10¹⁵ до 1 · 10¹⁷ см^-3, до проведения испытаний имеют близкие значения коэффициента выпрямления K_r (от 1 · 10⁶ до 7 · 10⁶). Образец, полученный при уровне легирования 1 · 10¹⁸ см^-3, имеет K_r = 2 · 10³, что на три порядка ниже, а образец, полученный при уровне легирования 6 · 10¹⁸ см^-3, выпрямляющими свойствами не обладает. Это обусловлено, по-видимому, наличием дополнительных механизмов электронного транспорта в диоде Шотки с сильно легированным эпитаксиальным слоем подложки.

После термообработки коэффициент выпрямления всех вариантов нового ВПП не изменяется, тогда как в известном ВПП этот коэффициент падает до уровня K_r = 10 из-за деградации выпрямляющего электрода в зоне контакта Шотки.

После радиационного облучения значения K_r новых ВПП, полученных при уровнях легирования 1 · 10¹⁷ и 1 · 10¹⁸ см^-3, сохраняются, в то время как у образцов, полученных при меньших уровнях легирования n-слоя, значение этого показателя резко снижается (так, при уровне легирования 7 · 10^-3 см^-3 K_r = 2) из-за существенного роста сопротивления полупроводниковой подложки, вызванного компенсацией материала глубокими уровнями радиационной природы.

На фиг. 2 приведена вольт-амперная характеристика ВПП, полученного при уровне легирования n-слоя 1 · 10¹⁷ см³. На фиг. 3 приведены вольт-амперные характеристики этого ВПП при работе в условиях комнатной температуры, а также при 200 и 400^oC. Как видно из фиг. 3, новые ВПП сохраняют выпрямляющие свойства при работе во всем диапазоне указанных температур. При этом они обладают высокой чувствительностью к температуре в диапазоне приложенных напряжений от -2 до 0,7 В.

Пример 2. Образцы ВПП изготавливают как в примере 1 с промежуточным слоем 5 из вольфрама и тантала и с защитным слоем 11 из диоксида кремния и нитрида алюминия. Образцы изготавливают на подложке с уровнем легирования n-слоя 8 · 10¹⁶ см^-3. Испытания проводят как в примере 1. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Как видно из таблицы, значения коэффициентов выпрямления всех образцов до и после испытаний являются близкими и находятся в диапазоне от 1 · 10⁶ до 3 · 10⁶, при этом у вариантов образцов с защитным слоем из AlN наблюдается некоторое повышение K_r после радиационного облучения. При промышленном изготовлении ВПП следует отдать предпочтение защитному слою из SiO₂ как значительно более дешевому, чем из AlN.

Как пояснено приведенными примерами, предлагаемые ВПП, в отличие от известных, сохраняют свои технические характеристики при крайне неблагоприятных воздействиях по температуре и радиационному облучению, что имеет следствием повышение надежности их работы в экстремальных условиях.

Формула изобретения

1. Высокотемпературный полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковую подложку, омический электрод и многослойный выпрямляющий электрод, расположенный на подложке и включающий барьерообразующий слой, связанный с полупроводниковой подложкой с образованием барьера Шотки, промежуточный слой из материала на основе тугоплавкого металла и внешний слой, выполненный из благородного металла, отличающийся тем, что барьерообразующий слой выпрямляющего электрода изготовлен из хрома и связан с полупроводниковой подложкой с образованием переходной зоны из карбида хрома, на внешнем слое выпрямляющего электрода сформирован выходной контакт, полупроводниковая подложка выполнена из карбида кремния n⁺ - типа проводимости с гомоэпитаксиальным n - слоем, легированным азотом до уровня от 7 · 10¹⁵ до 1 · 10¹⁸ см^-3, расположенным по месту формирования барьера Шотки, при этом на полупроводниковой подложке сформирован защитный слой из высокотемпературного диэлектрического материала с возможностью герметизации боковых поверхностей выпрямляющего электрода.

2. Полупроводниковый прибор по п.1, отличающийся тем, что промежуточный слой выполнен из вольфрама.

3. Полупроводниковый прибор п.1 или 2, отличающийся тем, что защитный слой выполнен из диоксида кремния.

4. Способ изготовления полупроводникового прибора, предусматривающий формирование на полупроводниковой подложке омического электрода и многослойного выпрямляющего электрода последовательным нанесением слоев барьерообразующего, тугоплавкого и благородного металлов, высокотемпературный отжиг и микропрофилирование целевого изделия, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой подложки используют структуру n-n⁺ карбида кремния с эпитаксиальным n-слоем, легированным азотом до уровня от 7 · 10¹⁵ до 10¹⁸ см^-3, в качестве барьерообразующего металла используют хром, многослойный выпрямляющий электрод формируют в едином технологическом цикле на установке магнетронного распыления, по окончании микропрофилирования на поверхности многослойного выпрямляющего электрода и n-слоя подложки наносят защитный диэлектрический слой, вскрывают в нем окно до поверхности выпрямляющего электрода и формируют выходной контакт из благородного металла в выполненном окне и на прилегающей к нему поверхности защитного диэлектрического слоя, при этом высокотемпературный отжиг производят после нанесения металла омического электрода и по окончании формирования выходного контакта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4