Омические контакты для высокотемпературных датчиков давлений на основе карбида кремния

Баринов И.Н. ОМИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЙ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

В статье рассмотрен вариант металлизации Ti/TiN/Pt в качестве омического контакта к чувствительным элементам высокотемпературных датчиков давлений. Были определены и проанализированы параметры и характеристики данной структуры.

Современные воздушно-газотурбинные, автомобильные двигатели в целом являются отработанными и совершенными механизмами, поскольку они были объектами интенсивных развития и модернизации как со стороны отечественных, так и зарубежных производителей на протяжении более полувека для военного, авиационно-космического и гражданского применений. Вследствие этого резко возросла стоимость и трудоемкость дальнейшего усовершенствования авиационных, ракетно-космических и автомобильных двигателей. Добиться значительного улучшения характеристик двигателя (кпд, удельного расхода топлива, массы, габаритных размеров, выбросов, стоимости и др.) возможно, основываясь на более глубоком изучении режимов его работы на установившемся, переходном и аэродинамическом режимах. Важнейшим параметром, подлежащим измерению в двигателях, является давление. Изучение и понимание таких процессов, как пульсация и срыв потока в компрессоре, устойчивость сгорания и низкий уровень выбросов систем сгорания, шум в системах перегрева оборудования, изменение давления в камере сгорания и цилиндрах, системах впрыска топлива и выхлопа и т.д. напрямую связаны с наличием постоянных данных о давлениях, снимаемых с высокотемпературных датчиков давлений. К датчикам давлений, устанавливаемым на авиационных, ракетно-космических и автомобильных двигателях, подвергающихся на различных этапах отработки и эксплуатации воздействию температур до (800)°С, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех, предъявляются высокие метрологические и эксплуатационные требования.

Кроме контроля давлений в двигательных установках, существует необходимость измерения давлений в нефтегазовой отрасли, например, геотермические исследования нефтяных и газовых скважин, процессов бурения, контроль работы установок добычи нефти и газа и др., где температура измеряемой среды может достигать значений 800°С, и где также предъявляются высокие требования по метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

Большинство существующих электронных приборов, в том числе полупроводниковых датчиков давлений (ПДД) имеют максимальную рабочую температуру не более 2 0 0°С, ограниченную деградационными процессами во внутренней структуре кремния, германия, арсенида галлия и других материалов. Технология «кремний-на-диэлектрике» (КНД) позволяет расширить верхнюю границу рабочей температуры электронных приборов до 4 0 0°С. Длительное воздействие более высокой температуры на электронные приборы, изготовленные по технологии КНД, также приводит к резкому ухудшению их метрологических свойств [1].

В настоящее время одним из перспективных материалов при создании высокотемпературных датчиков давлений является широкозонный полупроводник карбид кремния SiC, имеющий верхний температурный диапазон до 1000°С [1, 2, 5]. Существуют различные виды карбида кремния с одинаковой химической природой, но отличающиеся своими электрофизическими параметрами. Образцы SiC могут иметь различную кристаллическую структуру - кубическую (3С^^, или beta-SiC), гексагональную (2Н^^, 4Н- SiC, 6Н- SiC и лН^^), ромбоэдрическую (15R, 2^ и др.) . Главные физические различия между гексагональными

структурами SiC (2Н^^, 4Н- SiC, 6Н- SiC и лН^^) заключаются в последовательности упаковки крем-

ниево-углеродных двойных атомных слоев, количестве атомов на элементарную кубическую решетку, и постоянных решеток.

Однако контактная металлизация в SiC чувствительных элементах (ЧЭ) подвержена деградации при температуре свыше 500°С из-за взаимодиффузии составляющих металлизацию материалов, термохимических реакций на их поверхности и изменений их микроструктуры [1]. Имеются сообщения о создании омических контактов, стабильных при температурах свыше 50 0°С в вакууме [3,4]. Однако условия эксплуатации высокотемпературных датчиков давлений, особенно при использовании в авиационной и ракетно-космической технике, исключают возможность применения вакуума с целью защиты металлизации от влияния внешних неблагоприятных факторов.

При создании ЧЭ на основе SiC необходимо идентифицировать металлы и сплавы, которые приемлемы для высокотемпературных ПДД на основе 6Н^^ (политип, являющийся наиболее адекватным к существующей технологии создания монокристаллических структур приемлемого качества). Для омических контактов к л-SiC такими металлами являются титан и его сплавы на основе никеля и вольфрама. Никель также является приемлемым для этой цели, но в случае его использования существуют проблемы адгезии к л^^. Никель-титановые сплавы сочетают в себе высокие электрические свойства никеля и адгезионные свойства титана. Сплавы на основе титана и вольфрама показывают высокие свойства диффузионного барьера и также являются приемлемыми для создания омических контактов [1, 5]. Далее рассмотрим более подробно вариант Ti/TiN/Pt в качестве высокотемпературной металлизации ЧЭ ПДД.

Структура для измерений сопротивления контактов представлена на рисунке 1.

1 - Многослойная металлизация; 2 - SiO2; 3 - n-эпитаксиальный слой; 4 - высокоомный л-6H-SiC Рисунок 1

Сопротивление контактов может быть измерено с использованием метода, выраженного следующей форму-

где Урл - напряжение между контактами А и В (см. рисунок 1) ; Увс - напряжение между контактами В и С (см. рисунок 1); А - площадь контакта; б - расстояние между смежными контактами; d - диаметр контакта.

Объемное сопротивление (Кб) и контактное сопротивление (Ко) могут быть вычислены как:

лой [6]:

я, + я.

Улв _ Уз,

1 ЛП

Металлизация Ti/TiN/Pt была получена в соотношении 50нм/50нм/100нм методом напыления в вакууме. TiN был получен реактивным напылением титана в среде, содержащей 2 0% азота. Непосредственно после формирования, титановые контакты на эпитаксиальном слое были омическими для образца с концентрацией

носителей 1,9^10

Контактное сопротивление, вычисленное по формуле (1) составило значение 1^10

Для получения омического контакта к п-6H-SiC с концентрацией носителей 3,3^10

был при-

менен высокотемпературный отжиг.

Средняя высота потенциального барьера перед отжигом была получена из прямой ветви вольтамперной характеристики с использованием модели термоэлектронной эмиссии:

|"пкт) _ ^

где J - плотность тока в прямом направлении; У - приложенное напряжение; д - заряд электрона; к -постоянная Больцмана; Т - температура; л - коэффициент, учитывающий отклонение от «идеальной» вольтамперной характеристики из-за непрерывности границы раздела метал/эпитаксиальный слой; JБ - ток

насыщения, определяемый как:

= Лт ге{гЧфв !кт],

где А* - константа Ричардсона; фь - высота барьера Шоттки между металлами в контакте.

Коэффициент л составляет значение от 1 до 1,05 до и после отжига соответственно, а величина JБ -от 9,44^10-8 до 4,4^10-3 А^см-2. Константа Ричардсона оценивалась как:

А = 120^те / т0),

где

та / тп

отношение эффективной массы электрона к массе покоя электрона. Для значения те /т0

= 0,45 константа Ричардсона А = 54 А^см •К . Высота барьера Шоттки составила значение от 0,54 до

0,8 4 эВ.

Омический контакт, получающийся после отжига, обусловлен эффектом снижения барьера из-за изменения на границе раздела металв течение отжига, когда происходит формирование карбида титана с низкой работой выхода на поверхности эпитаксиального слоя и соответствующими изменениями в плотности поверхностных состояний. Оже-электронная спектроскопия глубины профиля непосредственно после его формирования по данным источника [1] показывает четкие границы металлов на эпитаксиальном слое (рисунок 2).

а)

б)

а - Оже-электронная спектроскопия глубины профиля металлизации Ti/TiN/Pt непосредственно после ее формирования на n-6H-SiC; б - Оже-электронная спектроскопия металлизации Ti/TiN/Pt после отжига при 1000°С в течении 30 сек в атмосфере аргона Рисунок 2

Из рисунка 2, б очевидно взаимное смешивание и реакции веществ после отжига, когда новый слой состоит главным образом из Pt, ^, Si и С, находящихся в непосредственном контакте с эпитаксиальным слоем. По данным [7 ] при данных условиях происходит формирование и TІ5Siз соединений для пла-

стин, подвергшихся отжигу в диапазоне температур от 500 до 1200°С. Уменьшение высоты барьера Шоттки по-видимому связано с низкой работой выхода TiC (3,35 эВ) по сравнению с ^ (4,1 эВ).

На рисунке 3 представлена зависимость контактного сопротивления от концентрации примеси.

Рисунок 3

3

м

см

см

Для оценки удельного контактного сопротивления Газ необходимо разделить Rs и Rc. Предположим, что TiC является новым слоем в контакте с 6H-SiC эпитаксиальным слоем. Тогда Rs может быть вычислен относительно его толщины с использованием метода [8]:

Rs = PTiC /0 ч2 ,

ж

где pTic - сопротивление предположенного слоя TiC; t - толщина слоя.

С учетом (6) уравнение (2) запишется как:

PTiC , . 2 + J [VAB ~ VBC ]

ж(й /2) Iad

Для значения сопротивления TiC, равного 200 Ом^см [9], после вычислений было установлено, что

Rs<< Rc.

Сравнение зависимостей, представленных на рисунке 2, показывает реакции на границах раздела TiN/Pt и 6H-SiC/Ti. Содержание кислорода (около 17%) на границе раздела TiN/Pt обусловлено воздействием системы осаждения во время процесса. Влияние этого эффекта до конца не известно, но граница раздела 6H-SiC/Ti относительна свободно от включений кислорода. После отжига на поверхности верхнего слоя платины видна светло-коричневая окраска, обусловленная миграцией частиц титана.

Среднее контактное сопротивление составило значение в диапазоне от 1,5^10-5 до 3,42^10-4 Ом^см2, а высота барьера Шоттки значение в диапазоне от 0,8 до 0,84 эВ, что согласуется с результатами ранее опубликованных работ [10].

Для обеспечения работоспособности многослойной металлизации при температуре более 600°С содержание кислорода в металле должно быть не более 3%. Высокий уровень содержания кислорода на границах раздела Pt-TiN и/или TiN-Ti может быть результатам полного или частичного разложения слоя TiN при высокой температуре и заменой его слоем окисла титана из-за высокого сродства титана к кислороду. Образование оксида титана приводит к двум нежелательным эффектам: уменьшение эффективности диффузионного барьера и формированию диэлектрического слоя, ведущего к появлению не омического, а выпрямляющего контакта.

Кроме того, может произойти проникновение кислорода через наружный слой платины. А так как осажденная платина содержит множество микроотверстий, то при температуре более 600°С кислород может диффундировать через микроотверстия, вызывая деградацию диффузионного барьера TiN. Кислород также реагирует с титаном, находящимся под барьером, формируя слой оксида титана с выпрямляющими свойствами вплоть до поверхности 6H-SiC.

Таким образом, вариант высокотемпературной металлизации ЧЭ ПДД Ti/TiN/Pt может удовлетворительно работать при температурах вплоть до 600°С, выше которой необходимо исключать присутствие ЧЭ в атмосфере, содержащей избыточное количество кислорода.

ЛИТЕРАТУРА

1. The MEMS handbook / edited by Mohamed Gad-el-Hak. P.cm. - 2002 (Mechanical engineering handbook series).

2. Лебедев А, Сбруев С. SiC-электроника. Прошлое, настоящее, будущее // Электроника. - 2006 .-

№5. - С. 2 8-41.

3. Papanicolaou, N.A., Edwards, A.E., Rao, M.V., Wickenden, A.E., Koleske, D.D., Henry, R.L., and Anderson, W.T. (1998) "A High Temperature Vacuum Annealing Method for Forming Ohmic Contact on GaN and SiC", in Proc. 4th Int. Hugh Temp. Electron. Conf., pp. 122-127.

4. Liu,S., Reinhardt, K., Severt, C., Scofield, J., Ramalingam, M., and Tunstall, C., Sr. (1996) "Long-Term Thermal Stability of Ni/Cr/W Ohmic Contacts on N-Type SiC", in Proc, 3rd Int. High Temp. Electron. Conf., pp. VII (9-13).

5. Microengineering aerospace systems / Henry Helvajian, editor - El Segundo, California: The

Aerospace Press, 1999.

6. Kuphal, E. (1981) "Low Resistance Ohmic Contacts to n-Type and p-InP", Solid State Electron.

24, pp. 6 9-7 8.

7. Smithells, C.J., ed. Metals Reference Book, 5th ed., Butterworth & Co., London.

8. Cox, R.H., and Strack, H. (1967) "Ohmic Contacts for GaAs Devices". in Solid-State Electronics, Vol. 10, Pergamon Press, Elmsford, NY.

9. Toth, L.E. (1971) Transistion Metals, Carbides and Nitrides, Academic Press, New York.

10. Waldrop, J.R., and Grant, R.W. (1993) "Schottky Barrier Height and Interface Chemistry of Annealed Metal Contacts to Alpha 6H-SiC: Crystal Face Dependence", Appl. Phys. Lett. 62(21), pp. 26852687 .