Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Твердотельная электроника

Диссертационная работа:

Агеев Олег Алексеевич. Физико-технологические основы формирования контактов к карбиду кремния методами импульсной термообработки : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.27.01 Таганрог, 2005 524 с. РГБ ОД, 71:06-5/119

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1. Анализ проблем технологии формирования контактов

металл/карбид кремния ^

(Я 1.1. Требования к контактам металл/полупроводник 15

1.2. Контакты к n-SiC на основе тугоплавких металлов 20

  1. Никель - карбид кремния 20

  2. Титан - карбид кремния 34

  3. Хром - карбид кремния 43

  4. Кобальт - карбид кремния 46

  5. Молибден - карбид кремния 47

  6. Тантал - карбид кремния 52

  7. Вольфрам - карбид кремния 63

/~ 1.2.8. Платина - карбид кремния 73

1.2.9. Использование соединений для контактов к n-SiC 84

1.2.10 Применение многослойных структур для контактов к n-SiC 94

1.3. Контакты к p-SiC 120

  1. Контакты на основе тугоплавких металлов 120

  2. Палладий - карбид кремния 124

  3. Контакты на основе титана 137

  4. Контакты на основе алюминия 143

  5. Сравнение параметров контактов кр-SiC 168

А 1,4. Влияние обработки поверхности подложки карбида кремния на электро
физические параметры контактов 179

  1. Методы получения силицидов и карбидов тугоплавких металлов 193

  2. Выводы 201

2. Разработка методики выбора материала для формирования контактов к

SiC 204

2.1. Свойства материалов контактов 205

  1. Структурные особенности кристаллической решетки карбида кремния 205

  2. Некоторые электрофизические свойства SiC 212

  3. Некоторые свойства тугоплавких металлов 221

  4. Соединения тугоплавких металлов с карбидом кремния 227

  5. Удельное сопротивление карбидов и силицидов тугоплавких металлов 234

  6. Температура плавления карбидов и силицидов тугоплавких металлов 247

2.1.7. Стабильность силицидов и карбидов в окислительных средах 251

2.2. Термодинамические закономерности высокотемпературной стабильности
структур металл/карбид кремния 255

2.2.1. Методы анализа твердофазных реакций и определения термодинамиче-

(у ских свойств соединений 25 5

2.2.2. Термодинамический анализ стабильности в тройной системе Ni-Si-C 260

2.3. Механические напряжения в контактах к карбиду кремния 269

  1. Влияние напряжений на параметры микроэлектронных структур 269

  2. Источники напряжений в пленках 271

  3. Напряжения из-за различия молярных объемов материалов пленки и подложки 276

  4. Термоупругие напряжения 281

  5. Напряжения из-за несоответствия параметров кристаллической решетки пленки и подложки 283

^ 2.3.6. Напряжения в структурах контактов к SiC 287

2.3.7. Напряжения в контактах к SiC на основе никеля и его силицидов 293

2.4. Выводы 314

3. Влияние параметров границы раздела на токопрохождение в контактах к
карбиду кремния 316

  1. Формирование потенциального барьера в контакте металл-полупроводник 317

  2. Токопрохождение в контакте металл-полупроводник 330

  3. Влияние концентрации легирующей примеси и плотности состояний на границе раздела на параметры контактов к карбиду кремния 335

,f 3.4. Выводы 341

4. Моделирование процессов импульсной термообработки SiC 343

  1. Особенности методов импульсной термообработки 343

  2. Быстрая термообработка некогерентным ИК-излучением SiC и структур

на его основе 354

  1. Отражение и поглощение некогерентного ИК-излучения в SiC и структурах на его основе 354

  2. Общие закономерности нагрева SiC и структур на его основе при БТО некогерентным ИК-излучением 363

4.2.3. Оптимизация реакционной камеры установки БТО для пластин SiC 366

(* 4.2.4. Оптимизация режимов БТО пластин SiC...-. 378

4.2.5. Математическая модель расчета температурных полей в структурах на

основе SiC при БТО некогерентным излучением 386

4.2.6. Закономерности формирования температурных полей в структурах ме
талл/карбид кремния при БТО некогерентным излучением 389

4.3. Температурные поля и термоупругие напряжения в SiC при электроис
кровой обработке 395

  1. Моделирование температурных полей приЭИО в карбиде кремния 395

  2. Напряжения в области воздействия ЭИО 401

4.4. Выводы 406

5. Экспериментальное исследование влияния импульсной термообработки

на параметры контактов к SiC 409

5.1. Влияние режимов БТО на электрические и структурные параметры кон
тактов к SiC 410

  1. Влияние БТО на электрические параметры контактов Ni/n-21R-SiC 410

  2. Влияние БТО на электрические параметры контактов Ni/n-6H-SiC 428

  1. Влияния электроискровой обработки на параметры контактов Ni/n-6H-SiC 431

  2. Применение электроны о-лучевой обработки в технологии изготовления

* контактов для SiC 440

  1. Влияние электронно-лучевой обработки на морфологию поверхности подложки карбида кремния 446

  2. Влияние электронно-лучевой обработки на параметры контактов Ti/n-6H-SiC 450

5.4. Влияние импульсной термообработки на параметры контактов к p-6H-SiC 454

5.4. Выводы 462

Заключение 464

Список использованных источников 468

Приложения 5 03

,*

Введение к работе:

Прогресс в области технологии радиоэлектронной аппаратуры для экстремальных условий эксплуатации, а так же возможности реализации разработок по приоритетным направлениям развития науки и техники, обеспечиваются развитием экстремальной электроники - направления микроэлектроники и микросистемной техники, которое основано на использовании широкозонных полупроводниковых материалов, наиболее перспективным и освоенным из которых является карбид кремния (SiC).

Успехи в технологии выращивания объемных монокристаллов и эпитак-сиальных слоев, а так же микротехнологии обработки карбида кремния, обеспечены приоритетными фундаментальными и прикладными исследованиями российских научных центров, которые являются признанными мировыми лидерами (кафедра микроэлектроники и Центр микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ), Физико-технический институт РАН им. А.Ф. Иоффе (ФТИ), РНЦ "Курчатовский институт). Это позволило начать исследования и разработки широкого класса приборов и устройств экстремальной электроники, прежде всего силовой, СВЧ-электроники и датчиковой тематики.

Одной из наиболее важных задач при проектировании и изготовлении приборов этого класса является создание контактов с заданными параметрами, стабильными при эксплуатации в условиях высоких температур и уровней радиации.

При разработке технологии формирования контактов к карбиду кремния необходимо обеспечить решение ряда взаимосвязанных проблем, которые определяются современным состоянием и тенденциями развития технологии производства приборов на SiC.

Первая проблема заключается в необходимости выбора материалов, применение которых обеспечит воспроизводимое формирование невыпрям-ляющих или выпрямляющих контактов к SiC с контролируемыми параметрами, стабильными в широком температурном диапазоне. Решение этой про-

блемы является актуальной задачей и достигается при разработке методики, основанной на анализе особенностей структуры, электрофизических, физико-химических и физико-механических свойств материалов контактов, а так же проблем их совместимости со свойствами карбида кремния.

Вторая проблема заключается в необходимости контроля процессов твердофазного взаимодействия контактирующих материалов и структуры границы раздела при термообработке нанесенных на подложку SiC пленок металлов.

В настоящее время при изготовлении контактов к SiC широко используются типовые технологические процессы, разработанные для нужд серийного производства кремниевых ИС (очистка поверхности подложек, нанесение пленочных структур, фотолитография) [1]. Однако, ключевой операций при формировании контактов к SiC является термообработка пленочных структур, поскольку она сопровождается диффузионным перераспределением и твердофазным взаимодействием атомов металлов с кремнием и углеродом, что приводит к формированию новых соединений, а так же к изменению структуры границы раздела контакта.

Использование методов термообработки с прецизионным контролем режимов отжига позволяет управлять этими процессами и оказывать влияние на параметры контактов.

Третья проблема связана с необходимостью учета современных тенденций развития технологии приборов экстремальной электроники при разработке технологических процессов формирования контактов к SiC. В частности, особенностью современного этапа развития технологии выращивания объемных монокристаллов SiC является организация перехода на коммерческое производство пластин диаметром 100 мм. Этим устраняется одно из основных препятствий на пути организации полномасштабного массового производства приборов экстремальной электроники, и на большинстве технологических операций могут быть использованы стандартные для микроэлектронной технологии оборудование и оснастка. При этом, закономерным яв-

7 ляется проявление в технологии приборов экстремальной электроники тенденций, действующих в микроэлектронной технологии: повышение сложности, а так же необходимость снижения стоимости и повышения выхода годных изделий приводят к повышению степени интеграции и сокращению цикла изготовления приборов, а так же увеличению диаметра пластин и переходу к методам индивидуальной обработки.

Решение этого комплекса взаимосвязанных проблем, обеспечивается за счет применения методов импульсной термообработки, основанных на кратковременном нагреве структур с высокой скоростью в широком диапазоне температур и различных технологических средах.

В диссертационной работе решается задача создания методики разработки технологических процессов формирования выпрямляющих и невы-прямляющих контактов к карбиду кремния на основе отжига методами импульсной термообработки.

Решение этой задачи основано на применении комплексного, физико-технологического подхода, который заключается в необходимости разработки методики выбора материалов контактов с учетом их электрофизической, физико-химической, физико-механической и структурной совместимости с карбидом кремния, а так же оптимизации режимов технологических процессов и конструкционных параметров оборудования импульсной термообработки, с учетом геометрических размеров и свойств подложек, топологии структур контактов, а так же нелинейных зависимостей оптических, тепло-физических, физико-механических и физико-химических свойств материалов.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации, дано краткое содержание основных разделов диссертации.

В первой главе выполнен обзор литературных источников, проведены обобщение практического опыта, основных физико-технологических проблем формирования и анализ требований к контактам к SiC. Систематизированы работы по контактам к карбиду кремния п- и р- типов проводимости на основе тугоплавких металлов с учетом процессов твердофазного взаимодействия в структурах при термообработке, и их влияния на электрофизические параметры контактов.

Во второй главе выполнена разработка основных этапов методики выбора материала для формирования контактов к SiC: проведены обобщение и теоретический анализ особенностей структуры, электрофизических, физико-химических и физико-механических свойств материалов контактов и карбида кремния; разработана математическая модель для анализа закономерностей твердофазного взаимодействия в тройных системах металл-Si-C в диапазоне температур нагрева контактов при формировании и эксплуатации; разработаны математические модели для исследования закономерностей формирования напряжений в структурах контактов с учетом технологических и размерных факторов.

Во третьей главе проведен анализ и представлены математические модели для определения параметров контактов к SiC, с учетом влияния параметров границы раздела и электрофизических свойств материалов на формирование потенциального барьера и токопрохождения в контактах.

В четвертой главе разработаны математические модели, которые предназначены для использования при проектировании и оптимизации промышленного оборудования, технологических процессов и режимов отжига методами импульсной термообработки при формировании контактов к карбиду кремния. С помощью разработанных моделей изучены закономерности взаимодействия потоков низкоэнергетических частиц с материалами и структурами, а так же закономерности формирования температурных полей, термоупругих напряжений и термопластических эффектов в структурах с учетом

нелинейных температурных зависимостей оптических, теплофизических и физико-механических свойств материалов, а так же топологии контактов.

Кроме того, в начале главы проведен анализ достоинств, недостатков и возможных областей применения различных методов импульсной термообработки в микроэлектроной технологии.

В пятой главе, для проверки эффективности разработанных технологических процессов проведены экспериментальные исследования влияния режимов импульсной термообработки на морфологию, структуру и параметры контактов к карбиду кремния различных политипов. В экспериментальные исследования использовались монокристаллы двух политипов (6H-SiC и 21R-SiC) различной концентрации и типа проводимости.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложениях приведены: список публикаций по теме диссертации, акты внедрения на промышленных предприятиях и в научных организациях, акты использования научных результатов в учебном процессе

Научная новизна работы:

разработана математическая модель для анализа температурных зависимостей термодинамических характеристик реакций твердофазного взаимодействия в тройных системах металл-Si-C, которая позволяет выбирать материалы, не взаимодействующие с карбидом кремния в диапазоне температур нагрева при формировании и эксплуатации контактов;

проведен анализ механизмов формирования механических напряжений в пленках и структурах контактов к SiC и разработаны математические модели для их расчета, которые позволяют проводить анализ закономерностей влияния технологических и размерных факторов на напряжения в структурах контактов;

разработана математическая модель для анализа закономерностей поглощения некогерентного излучения в подложках SiC при их нагреве с учетом нелинейных температурных зависимостей электрофи-

10 зических свойств карбида кремния и спектральной зависимости интенсивности источника излучения, которая позволяет проводить оптимизацию режимов быстрой термической обработки некогерентным ИК-излучением карбида кремния;

разработана математическая модель для расчета температурных полей, термоупругих напряжений и термопластических эффектов в пластинах SiC при их быстрой термической обработке некогерентным ИК-излучением с учетом нелинейных температурных зависимостей оптических, теплофизических и физико-механических свойств карбида кремния, которая позволяет проводить оптимизацию конструкции реакционной камеры промышленного оборудования и режимов термообработки пластин SiC;

разработана математическая модель расчета температурных полей в структурах контактов к SiC при быстрой термической обработке с учетом нелинейных температурных зависимостей оптических и теплофизических свойств карбида кремния, а также топологии контактов, которая позволяет проводить оптимизацию режимов термообработки контактов к SiC;

разработаны физико-технологические основы формирования контактов к карбиду кремния на основе отжига методами импульсной термообработки, позволяющие контролировать параметры контактов путем влияния на процессы фазообразования и параметры границы раздела.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ в 1988 — 2005 гг.: "Разработка автоматической установки и внедрение технологических процессов импульсной термообработки в серийное производство микросхем" (№ гос. регистрации 01870061116); "Разработка макета вакуумной установки с микропроцессорным управлением режимами обработки полупроводниковых структур" (№ гос. регистрации 019000001341); "Исследование процессов фо-

тонной и термополевои технологии для устройств высокотемпературной электроники" (№ гос. регистрации 01980010271); "Разработка принципов построения наноразмерной элементной базы и нетермически активируемых технологических процессов изготовления интегральных схем экстремальной электроники" (№ гос. регистрации 01200315248).

Часть теоретических и практических результатов получена при выполнении НИР по грантам НТП Министерства образования Российской Федерации в 2000 - 2004 гг.:

"Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" - НИР "Исследование и разработка высокоэффективных базовых технологических процессов формирования полупроводниковых структур высокотемпературной электроники на основе фотонной и термополевои технологии" (№ гос. регистрации 01950004918);

"Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" - НИР "Разработка фотонной и термополевои технологии формирования барьерных и омических контактов для устройств высокотемпературной электроники" (№ гос. регистрации 01200111555).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс, акты использования научных результатов в учебном процессе прилагаются к диссертации.

По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ, в том числе 5 монографий, 32 статьи в центральных периодических изданиях (среди которых 17 в журналах, входящих в Перечень ведущих научных журналов и изданий ВАК Минобразования РФ и 11 в зарубежных англоязычных рецензируемых периодических изданиях), 12 статей в сборниках трудов, 36 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях. Новизна и практическая значимость результатов выполненных исследований подтверждены авторским свидетельством Правительства СССР и патентом РФ.

Отдельные результаты отражены в зарегистрированных в ВНИТЦ в 9 научно-исследовательских отчетах.

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных, всесоюзных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: НТК "Обработка материалов высококонцентрированными источниками энергии" (Пенза, 1988); международной конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (г. Москва, 1991); International conference on advanced and laser technologies ALT"92 (Moscow, 1992); 38-я НТК ТРТИ (Таганрог, 1992); "Актуальные проблемы микроэлектроники" (Таганрог, 1994); Международный научно-методический семинар 'Математические модели физических процессов и их свойства', (Таганрог, 1996); МНТК 'Приборостроение - 97' (Винница, 1997г.); Third European Conference on Magnetic Sensors and Actuators, EMSA 2000 (Dresden, 2000); III МНТК "Электроника и информатика XXI век" (Зеленоград, 2000); The Third International Euro Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM'2000 (Smolenice Castle, Slovakia, 2000); 9th International Conference on SiC and Related Materials ICSCRM2001 (Tsukuba, Japan, 2001); ВНТДК "Электроника" (Зеленоград, 2001); 23rd International Conference on Microelectronics, MIEL-2002 (Nis, Yugoslavia, 2002); 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, УНКФН-1 (Одеса, Україна, 2002); The Fourth International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM'02 (Smolenice Castle, Slovakia, 2002); IV МНТК "Электроника и информатика - 2002" (Москва, МИЭТ, 2002); 10th International Conference on SiC and Related Materials, ICSCRM2003 (Lyon, France, 2003); МНТК "Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе" (Баку-Сумгаит, 2001, 2003); МНПК "Современные информационные и электронные технологии" (г. Одесса, Украина, 2002, 2004); International Seminar on Silicon Carbide and Related Materials (Novgorod the Great, Russia, 2000, 2002, 2004); 5th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, ECSCRM2004 (Bologna, Italy, 2004); МНТК "Актуальные про-

13 блемы твердотельной электроники" (Дивноморское, 1997, 1999, 2000, 2002, 2004); IV МНК "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехноло-гии" (г.Кисловодск, 2004 г.)

Результаты работы отмечены дипломами ряда конкурсов научных работ: Научная сессия МИФИ-98 (Москва, 1998), Министерства Образования РФ (Москва, 2001), Российского научно-технического вакуумного общества (Казань, 2003), СКНЦВШ и Ростовского отделения Российской инженерной академии (Ростов-на-Дону, 2003).

Подобные работы
Малюков Сергей Павлович
Физико-технологические основы создания магнитных головок для высокоплотной записи информации
Щербаков Валентин Николаевич
Физико-технологические основы повышения эффективности полупроводниковых источников света
Трунин Дмитрий Александрович
Физико-технические основы систем переноса изображения на эффекте обращения волнового фронта для микроэлектронной технологии
Жуков Андрей Александрович
Физико-химические и технологические основы получения полиимидных структур для микроэлектронных устройств, устройств микромеханики и микросенсорики
Васильев Алексей Андреевич
Физико-химические принципы конструирования газовых сенсоров на основе оксидов металлов и структур металл /твердый электролит/ полупроводник
Кузькин Владимир Иванович
Формирование электронных нанообъектов на основе модифицированных углеродных структур
Невешкин Александр Александрович
Формирование пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе макроциклических соединений и исследование их электрофизических свойств
Булатов Андрей Николаевич
Формирование и электрические свойства планарных элементов на основе металлических и углеродных пленок наноразмерных толщин
Бобринецкий Иван Иванович
Формирование и исследование электрофизических свойств планарных структур на основе углеродных нанотрубок
Плуготаренко Нина Константиновна
Исследование процессов формирования по золь-гель технологии сенсорных элементов на основе тонких пленок состава SiOx:SnOy

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net