WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 5 06;12 Исследования термической стабильности и радиационной стойкости диодов Шоттки на основе карбида кремния © А.В. Афанасьев, В.А. Ильин, И.Г. Казарин, А.А. Петров Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия e-mail: luch@cm.etu.spb.ru (Поступило в Редакцию 21 июля 2000 г.) Изготовлены диодные структуры с барьером Шоттки Pt–W–Cr–SiC, сохраняющие свои электрофизические параметры до температуры 450C. Методом электронной оже-спектроскопии показано, что термическая стойкость обусловлена использованием многослойной металлической композиции, обеспечивающей стабильность границы раздела металл–карбид кремния. Проведены радиационные испытания полученных поверхностно-барьерных структур. Экспериментально установлено, что в диапазоне концентраций Nd - Na = 1016-5 · 1017 cm-3 при комплексном воздействии быстрыми нейтронами и сопутствующим -излучением дозами 4.42·1015 neutr./cm2 и8.67·105 R соответственно необратимые изменения характеристик барьерных структур происходят при концентрациях Nd - Na 8 · 1016 cm-3. При этом деградация характеристик тем больше, чем меньше уровень легирования материала.

В настоящее время проводятся целенаправленные ра- исследование факторов, которые обусловливают их терботы по созданию приборов экстремальной электрони- мическую стабильность, а также радиационные испытаки на основе карбида кремния. Неотъемлемой частью ния изготовленных структур.

этих приборов являются контактные системы, которые В работе использовались монокристаллы n-SiC подолжны сохранять свои электрические характеристики литипной модификации 6H с эпитаксиальными слоями в условиях высоких температур и интенсивных потоков (Nd - Na = 1016-1017 cm-3), полученными методом ионизирующих излучений.

сублимации в вакууме на грани (0001) Si [7]. ПодготовВлияние термического отжига на свойства поверхка поверхности к нанесению металлов выполнялась по ностно-барьерных структур (ПБС) металл–карбид кремстандартной технологии. Финишная очистка поверхности ния (Me–SiC) исследовано в ряде работ [1–3], где в осуществлялась кратковременной бомбардировкой ионакачестве барьерообразующих металлов использовались ми аргона с энергией 400 eV непосредственно перед Au, Pt, Hf, Ni, Ti, Cr и др. Было установлено, что в резульнанесением металлов. Омический контакт формировался тате воздействия высоких температур (300-700C) в нанесением пленки никеля толщиной 0.3 µmна C-грань диодных структурах происходит необратимое изменение SiC методом магнетронного распыления с последующим электрических характеристик. Это является причиной отжигом в вакууме при температуре 1000C в течение уменьшения диапазона рабочих температур. Например, 3 min. Напыление многослойной системы Cr–W–Pt проданные по сохранению работоспособности диодов Шотводилось в едином вакуумном цикле методом магнетронтки на основе Au–SiC приводятся только до 300C [4].

ного распыления металлов на предварительно нагретые Очевидно, что термическая стабильность контактов, до 200C подложки Si. Толщины металлических пленок в первую очередь определяется свойствами границы составляли 0.1-0.15 µm, а площадь выпрямляющего раздела Me–SiC. Проблеме, связанной с поиском путей контакта — 5 · 10-4 cm2. Стабилизация электрофистабилизации параметров переходного слоя, посвящен зических свойств диодных структур, рассчитанных на ряд работ. Так, в [5] было показано, что для создания рабочие температуры до 450C, обеспечивалась отжигом высокотемпературных выпрямляющих контактов перв вакууме при температуре 500C в течение 10 min.

спективным является использование таких металлов, как Измеренные вольт-фарадным методом на сформироCr, W, Ta, Mo, а также многослойных систем на их ванных структурах высоты барьеров Шоттки составили основе. Данный вывод был сделан на основе оже-анализа 0.9-1.05 eV, что на 0.2-0.25 eV меньше по сравнению профилей распределения элементов на границе раздела с образцами, не проходившими высокотемпературную металл–SiC при высокотемпературной обработке конобработку. Это можно связать с наблюдавшимися экспетактных систем. Возможность использования диодной риментально изменениями химического состава и струкструктуры Cr–SiC в качестве датчика температуры с туры границы раздела металл–полупроводник.

сохранением линейности преобразования до 400Cбыла показана в [6]. Вольт-амперная характеристика ПБС, представленная Целью данной работы являлось получение диодов на рис. 1, характеризуется коэффициентом выпрямления Шоттки на основе SiC, сохраняющих стабильность вольт- Kr = 107 при U± = 1V и 20C, Kr = 102 при 400C.

амперных характеристик (ВАХ) до температуры 450C, Коэффициент неидеальности ВАХ при комнатной темИсследования термической стабильности и радиационной стойкости диодов Шоттки... костью [8]. Поэтому образующийся переходный слой протяженностью около 30 nm стабилизирует интерфейс металл–SiC и при рабочих температурах 450Cявляется эффективным диффузионным барьером.

Как отмечалось ранее, условия эксплуатации приборов экстремальной электроники предполагают возможность одновременного воздействия температуры и ионизирующего излучения. Поэтому представляло интерес провести исследования способности высокотемпературных диодов Шоттки сохранять свои параметры после воздействия высоких доз ионизирующих излучений. Очевидно, что основной вклад в изменение ВАХ прибора вносит модификация свойств полупроводника радиационными дефектами, возникающими после облучения. Особенности процессов дефектообразования в 6H-SiC, связанные с возникновением при облучении большого числа глубоких центров различной природы, а также высокие (T 1000C) температуры отжига радиационных дефектов исключают возможность релаксации свойств диодов при рабочих температурах (400-600C) [9]. В связи с этим необходимо было исследовать зависимость влияния Рис. 1. Вольт-амперные характеристики ПБС Pr–W–Cr–SiC:

исходного уровня легирования SiC на радиационную — исходная структура, — после отжига при 450C стойкость изготовления диодов Шоттки.

в течение 50 h. На вставке — температурные зависимости коэффициентов выпрямления (Kr) и неидеальности (n) для данной структуры.

пературе составляет n 1.12 и с ростом температуры уменьшается (вставка на рис. 1).

Температурная стабильность поверхностно-барьерных структур исследовалась путем термического отжига в вакууме в течение 50 h при температуре 450C. Из ВАХ, измеренных при комнатной температуре (рис. 1), видно, что такая термообработка не приводит к изменению выпрямляющих свойств ПБС. Более того, последующий 10-минутный отжиг при температуре 700C также не приводит к деградации электрических характеристик диодных структур. Представленные на рис. результаты измерений концентрационных профилей систем Pt–W–Cr–SiC, полученные методом электронной оже-спектроскопии, свидетельствуют о несущественной трансформации границы раздела Cr–SiC, а также об эффективности вольфрамового барьера, препятствующего взаимной диффузии атомов платины и хрома.

В процессе температурной обработки как на этапе формирования диодной структуры, так и при длительном отжиге происходит образование переходных областей карбидов хрома, которые выделены штриховкой на рис. 2, a, c. Фазы карбидов хрома были идентифицированы на основе анализа тонкой структуры KVV-линий углерода (рис. 2, b). При этом характерных изменений формы линий кремния не наблюдалось. Данное обстоятельство свидетельствует об активационном характере диффузии с образованием карбидов хрома, препятствуРис. 2. Профили распределения элементов по глубине для ющих формированию силицидных фаз. Известно, что системы Pt–W–Cr–SiC (a, c) и формы оже-линий углерода карбиды хрома обладают высокой термической стой- (KVV ) в карбиде хрома и в карбиде кремния (b).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 80 А.В. Афанасьев, В.А. Ильин, И.Г. Казарин, А.А. Петров характеристик диодов Шоттки методами нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней, вольтфарадных измерений и измерений ВАХ.

Электрические измерения показали, что для структур типа 3 вид ВАХ не изменяется (рис. 3, a), а в образцах типа 1 и 2 происходят небратимые изменения характеристик (рис. 3, b) из-за существенного роста последовательного сопротивления, связанного с компенсацией материала радиационными дефектами. При этом отжиг при температуре 600C не приводит даже к частичному восстановлению характеристик.

Оценка степени компенсации полупроводника радиационными дефектами была проведена вольт-фарадным методом (рис. 4). Концентрация нескомпенсированных доноров после облучения в структурах 3 определялась как (Nd - Na) =(Nd - Na) tg(1)/ tg(2) (1) и составляла (Nd - Na) = 7 · 1016 cm-3, а соответствующая концентрация компенсирующих центров была порядка 3 · 1016 cm-3.

На основе экспериментальных результатов, полученных методом DLTS (вставка на рис. 4), и данных по глубоким центрам радиационной природы в 6H-SiC [9] установлено, что эффект компенсации при облучении и отжиге структур обусловлен глубокими центрами с энергиями активации 0.35 eV и 0.6-0.8 eV от дна зоны проводимости.

Таким образом, в результате проведенных исследований были изготовлены диодные структуры с барьером Шоттки Pt–W–Cr–SiC, сохраняющие свои электрофизические параметры при термообработке в течение 50 h при температуре 450C. Термическая стойкость обусловлена использованием многослойной металлической композиции, обеспечивающей стабильность границы разРис. 3. ВАХ диодов Шоттки до ( ) и после ( ) облучения быстрыми нейтронами: a — структуры с исходной Nd - Na = 1017 cm-3, b — структуры с исходной Nd - Na = 1016-3 · 1016 cm-3.

Для проведения радиационных испытаний были отобраны 3 типа образцов диодов Шоттки с уровнями легирования эпитаксиальных слоев 1016, 3 · 1016, 1017 cm-(тип 1, 2, 3 соответственно). Облучение образцов проводилось на импульсном реакторе БАРС- (СПЭЛС, Москва). Исследуемые образцы устанавливались в центральном канале реактора в заранее отградуированной точке с максимальным флюенсом частиц. Энергетический спектр нейтронов составлял (0.1–3.0) MeV. Одновременно с воздействием нейтронов образцы подвергались -облучению. При этом суммарный флюенс нейтронов составил 4.42 · 1015 neutr./cm-2, а доза сопутствующего -излучения D = 8.67 · 105 R. После вылеживания Рис. 4. Вольт-фарадные характеристики ПБС (тип 3) до ( ) и отжига при T = 600C в течение 10 min прово- и после () облучения. На вставке — DLTS спектры глубоких дились исследования электрофизических параметров и уровней в 6H-SiC диодной структуре после облучения.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Исследования термической стабильности и радиационной стойкости диодов Шоттки... дела Me–SiC. Радиационная стойкость структур Pt–W– Cr–SiC определяется исходным уровнем легирования полупроводника. Экспериментально установлено, что в диапазоне концентраций Nd - Na = 1016-5 · 1017 cm-при комплексном воздействии быстрыми нейтронами и сопутствующего -излучения дозами 4.42·1015 neutr./cmи 8.67 · 105 R соответственно необратимые изменения характеристик барьерных структур происходят при концентрациях Nd -Na 8·1016 cm-3. При этом деградация характеристик тем больше, чем меньше уровень легирования материала.

Список литературы [1] Waldrop J.R., Grant R.W. // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 62.

P. 2685–2687.

[2] Веренчикова Р.Г., Санкин В.И. // ФТП. 1988. Т. 22. Вып. 9.

С. 1692–1695.

[3] Porter L.M., Davis R.F. // Second International High Temperature Conf. Charlotte (North Carolina, USA), 1994.

Vol. 1. P. XIII-3–XIII-8.

[4] Аникин М.М., Андреев А.Н., Лебедев А.А. и др. // ФТП.

1991. Т. 25. Вып. 2. С. 328–333.

[5] Балландович В.С., Лучинин В.В., Петров А.А. и др. // Петербургский журнал электроники. 1994. Т. 2. С. 47–51.

[6] Il’in V.A., Luchinin V.V., Petrov A.A. et al. // Mat. Science and Eng. 1997. Vol. B46. P. 383–386.

[7] Lebedev A.A., Davydov D.V., Savkina N.S. at al. // Mat. Science and Eng. 1999. Vol. B61–62. P. 165–169.

[8] Пашкин В.А., Ширяев А.М. // Поверхность. 1992. № 3.

С. 106–108.

[9] Il’in V.A., Ballandovich V.S. // Defect and Diffusion Forum.

Switzerland: Trans. Tech. Publ., 1993. Vol. 103–105. P. 633– 644.

6 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.