PL219258B1 - Struktura półprzewodnikowa z reaktywną barierą antykorozyjną oraz sposób wytwarzania reaktywnej bariery antykorozyjnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest struktura półprzewodnikowa z reaktywną barierą antykorozyjną oraz sposób wytwarzania reaktywnej bariery antykorozyjnej, przeznaczonej do ochrony metalizacji kontaktowej w półprzewodnikowych przyrządach elektronicznych pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych a zwłaszcza w wysokich temperaturach i w utleniającej atmosferze.

Znakomite właściwości fizyczne półprzewodników szeroko przerwowych, a w szczególności węglika krzemu, azotku galu, diamentu, tlenku cynku i związków pokrewnych na bazie tych materiałów, stwarzają możliwości opracowania tranzystorów dużej mocy oraz sensorów działających w ekstremalnie wymagających środowiskach. Ekstremalne warunki eksploatacyjne mogą być wynikiem działania czynników zewnętrznych takich jak wysoka temperatury i korozyjne czynniki chemiczne, mogą być także związane z wnętrzem przyrządu, jako konsekwencja rozpraszania mocy przy dużych przepływach prądu i dużej polaryzacji. Sprostanie wymogom pracy w skrajnie trudnych warunkach wysokiej mocy, wysokiej temperatury i agresywnego otoczenia nakłada bardzo duże wymagania odnośnie stabilności termicznej i chemicznej metalizacji kontaktowych.

W znanych strukturach, na ogół występują dwa rodzaje metalizacji kontaktowej. Jednym rodzajem metalizacji jest tzw. metalizacja aktywna, osadzona na półprzewodnikowym podłożu, która decyduje o właściwościach elektrycznych kontaktu metal-półprzewodnik, a drugim rodzajem metalizacji jest zewnętrzna metalizacja montażowa. Dla poprawy stabilności termicznej i chemicznej kontaktu, stosuje się także dodatkowe bariery antydyfuzyjne i antykorozyjne. Warunkiem sine qua non dla materiałów stosowanych na obydwie bariery jest ich dobre przewodnictwo elektryczne, to znaczy aby dodatkowa warstwa barierowa nie powodowała znaczącego wzrostu rezystywności metalizacji.

W publikacjach: P. J. Pokela et al., J. Appl. Phys. 70, 2828 (1991) oraz H. G. Tompkins, J. Appl. Phys. 71, 980 (1992) opisano bariery antykorozyjne wytworzone z cienkich warstw przewodzących azotków, węglików i borków metali trudnotopliwych (Ti, Ta, W, Zr) oraz analogicznych związków potrójnych zawierających dodatkowo krzem (Si) tzw. Krzemo-azotków, powszechnie stosowanych jako bariery antydyfuzyjne w przyrządach półprzewodnikowych. Stwierdzono, że zaproponowane bariery nie spełniają w pełni oczekiwań, ponieważ w trakcie wygrzewania w atmosferze utleniającej w temperaturach 500-850°C, związki te ulegają przekształceniu w tlenki o właściwościach izolacyjnych.

Technologia barier antykorozyjnych była najintensywniej rozwijana w ramach prac nad integracją cienkowarstwowych kondensatorów ferroelektrycznych z krzemowymi układami scalonymi pod kątem wytwarzania pamięci półprzewodnikowych. W szczególności dotyczyło to spodniej elektrody kondensatora, na którą osadzana jest w temperaturze ok. 600°C, w atmosferze tlenu warstwa ferroelektryka. Elektroda ta powinna stanowić barierę antydyfuzyjną i antykorozyjną dla podłoża Si oraz zachować dobre przewodnictwo elektryczne. W tym kontekście, w pracy Y.-C. Jeon et al., Appl. Phys. Lett. 71, 467 (1997), opisano 100 nm warstwę irydu na polikrystalicznym Si, która zapobiega dyfuzji tlenu do Si w trakcie krótkoczasowego (30 min.) wygrzewania w tlenie, w temperaturze 700°C.

Z publikacji; S. Aggarwal et al.. Acta Mater. 48, 3387 (2000), A. M. Dhote et al., Appl. Phys. Lett. 79, 800 (2001), W. Fan et al.,J. Appl. Phys. 94, 6192 (2003) oraz T. Riekkinen, J. Europ. Ceram. Soc. 27, 2983 (2007) znana jest natomiast mikrostruktura z barierą antykorozyjną Ti-AI, którą uzyskano stosując odpowiednie parametry procesu rozpylania katodowego. W wyniku zastosowanego procesu osadzania, wytworzono cienką warstwę o strukturze amorficznej Ti-Al, która charakteryzuje się odpornością na utlenianie do temperatury 600°C przez czas trwania procesu osadzania warstwy tlenku ferroelektrycznego i posiada przewodnictwo elektryczne 300 pQcm.

Inną barierę antykorozyjną, o wyższej, ale również krótkoczasowej stabilności termicznej opisano w pracy D.-S. Yoon et al,, J. Vac. Sei. Technol. B 16, 3059 (1998). Barierę tę wykonano z amorficznego nanokompozytu Ta-Ru-O, którego warstwa o grubości 100 nm zabezpiecza przed dyfuzją tlenu do podłoża Si w trakcie wygrzewania w powietrzu w 800°C przez 30 min.

Znana jest także (R. Okojie et al., J. Appl. Phys., 91, 6553, (2002)) metalizacja Ti/TaSi2/Pt odporna na wygrzewanie w powietrzu w temperaturze 600°C przez 1000 godzin opracowana na potrzeby kontaktów omowych do 4H i 6H-SiC typu n.

Reasumując można powiedzieć, że większość znanych barier antykorozyjnych charakteryzuje się krótkoczasową stabilnością termiczną (do 700°C), a jedynie metalizacja Ti/TaSi₂/Pt pozwala osiągnąć stabilność długoczasową do temperatury 600°C.

Struktura półprzewodnikowa według wynalazku posiada reaktywną barierę antykorozyjną w postaci warstwy krzemku irydu (IrSi) o grubości co najmniej 40 nm. Bariera ta może pełnić jednocześnie

PL 219 258 B1 funkcję metalizacji aktywnej lub może być dodatkową warstwą ochronną umieszczoną na warstwie metalizacji aktywnej.

Sposób otrzymywania reaktywnej bariery antykorozyjnej według wynalazku polega na tym, że najpierw na półprzewodnikowym podłożu przygotowanym do postaci „epi ready” lub na uprzednio wytworzonej na tym podłożu warstwie metalizacji aktywnej, osadza się warstwę irydowo - krzemową (Ir-Si) o grubości co najmniej 40 nm., przy czym zawartość atomowa Si i Ir jest w przybliżeniu równa (± 5%).

Po zakończeniu procesu osadzania warstwę tę czyli barierę wygrzewa się w temperaturze 400 - 700°C, w atmosferze gazu obojętnego, przez 510 min.

Barierę taką można otrzymać także osadzając na podłożu lub na warstwie metalizacji aktywnej, na przemian cienkie warstwy krzemu (Si) i irydu (Ir) o podobnej grubości i o porównywalnej sumarycznej zawartość atomowej Si i Ir (± 5%). Układ osadzanych warstw może być następujący: (Si/lr)n, (lr/Si)_n, (Si/lr/Si)_n, bądź (lr/Si/lr)_n, gdzie n>1.

Zastosowanie w metalizacji struktury półprzewodnikowej reaktywnej bariery antykorozyjnej wykonanej ze związku IrSi znacznie zwiększa spektrum zastosowań takich struktur. Ponieważ materiał bariery nie ulega degradacji w skrajnie trudnych warunkach wysokiej temperatury i agresywnego otoczenia, staje się możliwym wykorzystanie pełnego potencjału półprzewodników szerokoprzerwowych w przyrządach elektronicznych wysokiej mocy i sensorach pracujących w warunkach wysokotemperaturowych i w korozyjnym środowisku.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie struktury półprzewodnikowej, w której zastosowano reaktywną barierę antykorozyjną Si-lr.

W przykładzie, jako struktury półprzewodnikowej, użyto warstwy epitaksjalnej niedomieszkowanego azotku galu (GaN) o grubości 4 μm na podłożu z szafiru. Powierzchnię struktury oczyszczono przez zanurzenie kolejno we wrzącym trójchloroetylenie, acetonie i alkoholu etylowym. Następnie zanurzono w 5% roztworze HCI, wypłukano w wodzie dejonizowanej i wysuszono w strumieniu czystego azotu. Do procesu dołączono płytkę referencyjną z szafiru, na której po procesie wytwarzania warstwy barierowej przeprowadzono dodatkowe badania mikrostruktury, składu i oporności metalizacji. Powierzchnię szafiru oczyszczono przez zanurzenie kolejno we wrzącym trójchloroetylenie, acetonie i w alkoholu etylowym. Następnie powierzchnię szafiru stabilizowano w atmosferze tlenu w temperaturze 800°C przez 15 min. Stanowisko do magnetronowego rozpylania katodowego wyposażone było w dwa targety: Si o czystości 5N oraz Ir o czystości 5N. Przed procesami osadzania cienkich warstw komorę próżniową odpompowano do ciśnienia poniżej 5x10^-6mbar, a następnie odświeżono powierzchnię targetów Si i Ir, rozpylając katodowo kolejno każdy z nich jonami argonu przez 10 min.

Całkowite ciśnienie w trakcie procesów rozpylania katodowego utrzymywano na poziomie 1x10^-2 mbar. Warstwy osadzano na niegrzane podłoże. Jako pierwszy wykonano proces osadzania warstwy Si o grubości 10 nm. Proces wykonano w atmosferze gazowej Ar, w zmiennoprądowym modzie zasilania. Później, bez przerywania próżni, wykonano proces osadzania warstwy Ir o grubości 10 nm, w stałoprądowym modzie zasilania, w atmosferze Ar, po czym powtórzono proces osadzania warstw Si, Ir i ostatniej warstwy Si w warunkach i o grubościach jak poprzednio.

Po takim osadzeniu warstw płytkę ze strukturą półprzewodnikową oraz płytkę kontrolną umieszczono w piecu z przepływem azotu i prowadzono wygrzewanie w temperaturze 500°C przez 10 min. W rezultacie, co ustalono na podstawie wyników pomiarów rezystywności metodą sondy czteroostrzowej, uzyskano warstwę Si-lr o rezystywności 5.1x10^-4 Qcm. Na podstawie pomiarów metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) stwierdzono obecność krzemku irydu IrSi. W pomiarach głębokościowych profili składu metodą spektrometrii masowej jonów wtórnych (SIMS) zaobserwowano, że rozkład Si i Ir jest jednorodny w całej grubości metalizacji.

Strukturę półprzewodnikową oraz płytkę kontrolną z barierą IrSi poddano długoczasowemu starzeniu w temperaturze 800°C, w przepływie tlenu.

Stwierdzono, że po wygrzewaniu na powierzchni metalizacji utworzyła się jednorodna warstwa zawierająca Ir, Si oraz tlen. Grubość tej warstwy wynosiła ok. 5 nm po wygrzewaniu przez 30 min., wzrosła do 50 nm po 50 godzinach wygrzewania i nie uległa mierzalnej zmianie po 75 godzinach wygrzewania. Należy przy tym zaznaczyć, ze po 75 godzinach wygrzewania na 25 nm grubości metalizacji Ir-Si graniczącej z podłożem nie wykryto obecności tlenu. Rezystywność metalizacji po 50 godzinach wygrzewania wynosiła 2.3x10^-4 Qcm, zaś po 75 godzinach - 1.4x10^-4 Qcm. Właściwości strukturalne (XRD, SIMS) oraz rezystywność bariery IrSi wytworzonej na strukturze półprzewodnikowej oraz na płytce kontrolnej były takie same.

PL 219 258 B1

Wytworzenie na strukturze półprzewodnikowej reaktywnej bariery antykorozyjnej Ir-Si tj. bariery z materiału, który wystawiony na działanie atmosfery zawierającej tlen, utlenia się powierzchniowo jest bardzo istotne. Tlenek lr-Si-O tworzący się w obszarze przypowierzchniowym znacząco hamuje dyfuzję tlenu do objętości materiału bariery, tak że utlenianie tego materiału staje się samo ograniczające. Znaczące jest także, że zarówno sam wyjściowy materiał bariery Ir-Si jak i tlenek lr-Si-O wykazują dobre przewodnictwo elektryczne i stabilność w wysokich temperaturach.

Claims (3)

1. Struktura półprzewodnikowa z reaktywną barierą antykorozyjną osadzoną bezpośrednio na półprzewodnikowym podłożu lub na warstwie metalizacji aktywnej, znamienna tym, że reaktywna bariera antykorozyjna jest warstwą krzemku irydu (IrSi) o grubości co najmniej 40 nm.

2. Sposób wytwarzania reaktywnej bariery antykorozyjnej, w którym barierę osadza się na półprzewodnikowym podłożu lub na uprzednio wytworzonej na tym podłożu warstwie metalizacji aktywnej, znamienny tym, że najpierw osadza się warstwę irydowo-krzemową (Ir-Si) o grubości co najmniej 40 nm, przy czym zawartość atomowa Si i Ir jest w przybliżeniu równa (± 5%), a następnie strukturę z osadzoną warstwą wygrzewa się w temperaturze 400 - 700°C, w atmosferze gazu obojętnego, przez 5-10 min.

3. Sposób wytwarzania według zastrz. 2, znamienny tym, że warstwę irydowo-krzemową (Ir-Si) osadza się w postaci wielowarstwy złożonej z ułożonych na przemian cienkich warstw krzemu (Si) i irydu (Ir), korzystnie w układzie (Si/lr)_n, (lr/Si)_n, (Si/lr/Si)_n, bądź (lr/Si/lr)_n, gdzie n>1, przy czym osadzane warstwy mają zbliżoną sumaryczną zawartość atomową Si i Ir (± 5%).