СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖКИ И ПОДЛОЖКА Российский патент 2016 года по МПК H01L21/316 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к способу обработки подложки из полупроводникового соединения для того, чтобы получить на подложке кристаллический оксидный слой. Изобретение также относится к подложке из полупроводникового соединения и применению подложки в структуре транзистора, такого как полевой МОП-транзистор (MOSFET), или в структуре оптоэлектронного прибора.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представления и разработки в области окисленных поверхностей полупроводников и границ раздела оксид-полупроводник важны для многих технологий, таких как пассивация поверхностных дефектов на внешних участках прибора и обработка материалов для электроники, а также формирование границ раздела диэлектрик-полупроводник для полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник (полевых МОП-транзисторов). Пожалуй, любой полупроводниковый прибор включает в себя границу раздела диэлектрик-полупроводник и полевой МОП-транзистор является хорошим примером. Современные полевые МОП-транзисторы, применяемые, например, в микропроцессорах, преимущественно основаны на каналах из Si и изоляторах затвора из диоксида кремния (SiO₂) и диоксида гафния (HfO₂). Эти приборы сталкиваются с фундаментальными ограничениями при разработке более мощных компонентов. Полупроводниковые соединения III-V, такие как InAs, InGaAs, InSb и InP, являются желательными материалами каналов для будущих полевых МОП-транзисторов вследствие более высоких подвижностей электронов в этих материалах по сравнению с кремнием (Si). Поэтому значительные усилия были приложены, чтобы получить границы раздела изоляторов затвора и канальных слоев из полупроводников III-V, которые стабильны и отвечают критериям приборов для коммерческих целей, как это успешно делает переход SiO₂-Si. Однако эта большая цель, которая привела бы, например, к увеличенному сроку службы приборов и экономии электроэнергии на серверах, не достигнута до сих пор.

Одной из основных причин этого является присутствие (или образование) естественных аморфных поверхностных оксидов на полупроводниках III-V, которые вызывают пиннинг уровня Ферми вследствие высокой плотности дефектных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик. Таким образом, эти естественные аморфные оксиды являются вредными для транзисторов. Поэтому огромная работа была проделана, чтобы найти способ пассивации поверхностей полупроводников III-V в отношении их реакции с кислородом и образования аморфных оксидов. Это, однако, является очень сложной задачей, поскольку трудно избежать реакции между поверхностью полупроводника III-V и кислородом во время роста границ раздела. Например, во время наращивания слоя диэлектрика, поверхности полупроводников III-V обычно реагируют с кислородом. Соответственно, до сих пор неизвестно, возможно ли избежать реакции с кислородом во время роста границы раздела. Тем не менее, хорошо известно, что обработка исходных поверхностей полупроводников III-V значительно влияет на свойства полевых МОП-транзисторов, и границы раздела из кристаллического (или эпитаксиального) оксида являются весьма желательными для этих приборов.

Некоторое время назад было найдено [1] вызывающее интерес улучшение в полевом МОП-транзисторе с каналом из InAs, в котором поверхность InAs была термически окислена в печи при условиях атмосферного давления. Полученное просвечивающей электронной микроскопией изображение этой границы раздела показывает образование кристаллических островков InAsO_x. Однако поверхность результирующего слоя, включающая InAsO_x, не обладает дальним порядком и становится загрязненной в применяемых атмосферных условиях приготовления.

В предшествующих экспериментах с применением вакуума (например, ссылка [2]), было найдено, что разные структуры поверхности на исходной подложке из полупроводника III-V влияют на окисление и свойства результирующих поверхностных оксидов на полупроводниках III-V. Представленные поверхностные оксиды на полупроводниках III-V являются аморфными, без дальнего порядка. Поэтому любое окисление поверхностей полупроводников III-V обычно рассматривалось как вредное, и его старались избежать.

Подводя итог вышесказанному, нерешенная проблема, относящаяся к применению полупроводниковых соединений III-V в полевых МОП-транзисторах, заключается в аморфной границе раздела полупроводник-оксид (или отсутствию границы раздела достаточно кристаллический оксид-полупроводник), что обусловливает вредные эффекты, такие как пиннинг уровня Ферми, нежелательные токи утечки и уменьшение подвижностей носителей заряда в полевых МОП-транзисторах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является предоставление нового способа обработки подложки из полупроводникового соединения III-V таким образом, что вышеуказанные проблемы могут быть устранены.

В частности, целью данного изобретения является предоставление способа формирования стабильного и кристаллического оксидного слоя на подложке из полупроводникового соединения III-V, в частности, на подложке из индий(In)-содержащего III-мышьяка (As), III-сурьмы (Sb) или III-фосфора (P).

В частности, целью данного изобретения является предоставление способа получения стабильных и кристаллических кислород-индуцированных поверхностей полупроводников III-V, который может также существенно способствовать получению кристаллических границ раздела полевых МОП-транзисторов.

Целью данного изобретения также является предоставление простого процесса для формирования кристаллического оксидного слоя, обладающего дальним порядком, на подложке из полупроводникового соединения.

Для того чтобы достигнуть указанных выше целей, способ и подложка из полупроводникового соединения в соответствии с данным изобретением характеризуются тем, что определено в отличительной части независимых пунктов приложенной формулы изобретения.

Некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах представленной ниже формулы изобретения.

Кроме того, данное изобретение относится к применению подложки из полупроводникового соединения III-V по изобретению в структуре транзистора, такой как структура полевого МОП-транзистора. Изобретение также относится к применению подложки из полупроводникового соединения III-V по изобретению в структуре оптоэлектронного прибора, такого как светоизлучающий диод, фотодиод, фотоконденсатор, фотогальванический элемент или полупроводниковый лазер.

В способе по изобретению для получения кристаллического оксидного слоя на подложке из In-содержащего полупроводникового соединения III-As, III-Sb или III-P, в условиях вакуума

- очищают поверхность подложки из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P от аморфных естественных оксидов, и после этого

- нагревают очищенную подложку до температуры примерно 250-550°C и окисляют введением газообразного кислорода к поверхности подложки.

Типично, подложка из полупроводникового соединения по данному изобретению содержит по меньшей мере

- базовый материал из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P, имеющий первую сторону и вторую сторону, и

- кристаллический оксидный слой (3×1)-O, (2×3)-O, c(4×2)-O, (1×2)-O, (3×1)-SnO, (3×3)-SnO или (1×1)-SnO, сформированный на по меньшей мере части первой стороны базового материала.

Предпочтительно, кристаллический оксидный слой сформирован на базовом материале подложки из полупроводникового соединения способом по изобретению.

Неожиданно, теперь было найдено, что подложка из индий (In)-содержащего III-мышьяка (As), III-сурьмы (Sb) или III-фосфора (P) может быть окислена контролируемым образом в условиях вакуума для того, чтобы получить стабильный и кристаллический оксидный слой на поверхности подложки, который не реагирует в дальнейшем с кислородом. Другими словами, данное изобретение основано на том факте, что не предпринимались попытки избежать реакций между упомянутым материалом III-V и кислородом, как делалось в уровне техники, а окисление осуществляют контролируемым образом для того, чтобы получить желательную кристаллическую структуру на поверхности подложки из полупроводникового соединения. Приготовление поверхностных оксидов по изобретению требует условий вакуума. Поэтому способ, представленный в ссылке [1], не обеспечивает кристаллических оксидных слоев, выявленных здесь, с обладающими дальним порядком поверхностями.

Обладающая дальним порядком оксидная поверхность означает здесь однородный слой, который имеет четко определенную структуру на протяжении всей поверхности образца, дающую четкую картину дифракции электронов низкой энергии (ДЭНЭ).

В частности, было найдено семейство новых упорядоченных оксидных слоев на поверхностях InAs (арсенида индия), InGaAs (арсенида индия-галлия), InSb (антимонида индия), InGaSb (антимонида индия-галлия) и InP (фосфида индия). Упорядоченный оксидный слой имеет кристаллическую структуру (3×1) на поверхности In-содержащих III-As и III-Sb и кристаллическую структуру (2×3) на поверхности InP. В дополнение к ним, на поверхности In-содержащего III-As образуется структура оксида c(4×2), а на In-содержащем III-Sb - структура (1×2)-O. Оксидные слои идентифицировали с применением дифракции электронов низкой энергии (ДЭНЭ), сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС), а также измерений фотоэмиссии электронов внутренних оболочек и валентной зоны.

В способе формирования кристаллической кислород-индуцированной поверхности полупроводника из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P ключевым является формирование исходных поверхностей. В способе по изобретению желательные исходные поверхности формируют посредством очистки поверхностей полупроводников в условиях вакуума таким образом, что слабоструктурированные (аморфные) естественные поверхностные оксиды и углеродные загрязнения могут быть удалены с поверхности подложек. Исходные поверхности InAs и InSb, образованные очисткой, имеют реконструкцию c(8×2), а исходная поверхность InP имеет реконструкцию (2×4).

Во время способа окисления по изобретению могут быть сформированы описанные выше кристаллические оксидные слои на подложке из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P. В данном способе температуру очищенной подложки повышают до определенного уровня и осуществляют окисление подложки контролируемым образом в условиях вакуума введением газообразного кислорода к поверхности подложки. Формирование кристаллического оксидного слоя на поверхности подложки зависит от исходной поверхности подложки, температуры и давления газообразного кислорода во время окисления и от времени окисления.

Давление в вакуумной камере, в которой осуществляют способ по изобретению, ниже атмосферного давления, т.е. способ по изобретению осуществляют в условиях вакуума. Типично, базовые давления в вакуумной камере в способе по изобретению составляют менее 5×10^-8 мбар. Более низкий уровень давлений в вакуумной камере зависит от используемого оборудования.

Температуру подложки во время окисления поддерживают при примерно 250-550°C для того, чтобы получить кристаллические оксидные слои на поверхности подложки. Более конкретно, температура подложки примерно 340-400°C во время окисления давала слой InAs(100)(3×1)-O, а температура примерно 340-450°C давала слой InSb(100)(3×1)-O. Температура подложки будет составлять примерно 450-500°C для формирования кристаллического слоя (2×3)-O на подложке из InP. В случае InGaAs и InGaSb температурный интервал составляет примерно 400-550°C. Однако следует заметить, что вышеуказанные температурные интервалы зависят от давления газообразного кислорода, и может также оказаться возможным получать кристаллические оксидные слои также при температурах, близких к указанным интервалам, если давление газообразного кислорода изменено. Предел разброса термометрии составлял ±25°C.

Давление газообразного кислорода предпочтительно составляет между 5×10^-7 и 5×10^-5 мбар во время окисления, и подложку окисляют предпочтительно в течение примерно 15-45 минут, а более предпочтительно в течение примерно 15-30 минут, для получения кристаллических оксидных слоев на поверхности подложки. Нагревание и окисление подложки могут быть осуществлены одновременно, или же подложка может быть нагрета до желательной температуры перед началом процесса окисления. Обычно, нагревание и подвергание воздействию кислорода прекращали одновременно после подвергания воздействию кислорода.

Сформированные оксидные слои являются кристаллическими и стабильными. Толщина оксидного слоя составляет типично 0,2-1 нм, а более типично 0,2-0,5 нм.

В варианте осуществления изобретения очищенную поверхность полупроводника III-V покрывают слоем олова (Sn), толщина которого составляет 0,5-2 атомных слоя (моноатомных слоя). Нагревание покрытой Sn поверхности при 300-550°C дает Sn-индуцированную структуру (1×2). Окисление этих поверхностей, как описано выше, дает кристаллической оксидный слой, включающий олово. Такие SnO-содержащие слои имеют такую же толщину, какую имеет (3×1)-O, и обладают следующими структурами (с дальним порядком): (3×1) и (3×3) на подложке из InAs, (3×1) на подложке из GaAs и (1×1) на подложке из InP.

Кристаллический оксидный слой, сформированный способом по изобретению, будет функционировать в качестве пассивирующего слоя, который защищает полупроводниковую подложку от образования естественных аморфных оксидов. Кроме того, результирующие оксидные слои не имеют состояний на уровне Ферми. Поэтому, подложка по изобретению делает возможной разработку более мощных компонентов, например, полевых МОП-транзисторов. Конкретнее, способ и подложка по изобретению могут быть использованы в области транзисторов. Изобретение делает возможным применение In-содержащих материалов III-As, III-Sb или III-P в качестве материалов каналов для будущих комплементарных МОП-приборов.

Кристаллические оксидные слои по изобретению могут также быть применены в качестве барьерного слоя с большой шириной запрещенной энергетической зоны в приборах наподобие лазерных диодов и СИД, а также в качестве участка пассивации внешних поверхностей приборов. Подложка по изобретению может быть использована в структуре оптоэлектронного прибора, такого как светоизлучающий диод, фотодиод, фотоконденсатор, фотогальванический элемент или полупроводниковый лазер.

В качестве альтернативы, подложка из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P по изобретению может быть слоем, который был нанесен на долговечные и недорогие подложки из Si. Это может быть выполнено, например, с помощью различных методов выращивания кристаллов. Конечной целью является то, чтобы носители (электроны и дырки) перемещались быстрее в III-канальных слоях, полученных на подложках из Si.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее данное изобретение будет описано более подробно со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает упрощенный вид сечения подложки из полупроводникового соединения по изобретению;

Фиг.2 показывает картины ДЭНЭ от слоев InAs(100)c(4×2)-O и InAs(100)(3×1)-O. Белые квадраты показывают элементарные ячейки (1x1) подложки из InAs, а белые прямоугольники показывают элементарные ячейки слоев c(4×2)-O и (3×1)-O;

Фиг.3a, 3b и 3c показывают (a) атомную модель для структуры c(8x2) исходной поверхности InAs, (b) атомную модель для слоя (3×1)-O на InAs, и (c) атомную модель для слоя c(4×2)-O на InAs. Атомы O, In и As показаны соответственно черными, белыми и серыми шариками;

Фиг.4 показывает спектры фотоэмиссии электронов валентной зоны из слоев InAs(100)(3×1)-O и c(4×2)-O;

Фиг.5 показывает спектры фотоэмиссии электронов внутренних оболочек для линий In 4d и As 3d; и

Фиг.6 показывает упрощенный вид сечения структуры в полупроводниковом приборе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 показывает упрощенный вид сечения подложки из полупроводникового соединения по изобретению. Подложка содержит базовый материал 1 из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P, имеющий первую сторону и вторую сторону, и кристаллический оксидный слой 2, сформированный на по меньшей мере части первой стороны базового материала. Базовым материалом может быть подложка из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P, или же он может быть слоем In-содержащего III-As, III-Sb или III-P на поверхности подложки, выполненной из какого-либо другого материала, например кремния (Si). Кристаллический оксидный слой имеет структуру (3×1)-O, (2×3)-O, c(4×2)-O, (1×2)-O, (3×1)-SnO, (3x3)-SnO или (1x1)-SnO, в зависимости базового материала.

Предпочтительно, кристаллический оксидный слой 2 сформирован на всей поверхности первой стороны базового материала. Оксидный слой может содержать некоторые дефекты кристалла, а именно, аморфные области или другие кристаллические структуры, однако предпочтительно по меньшей мере 90% слоя содержит упомянутую кристаллическую структуру. Результаты фотоэмиссии электронов валентной зоны и внутренних оболочек указывают, что концентрация возможных дефектов составляет менее чем 5×10¹¹ дефектов на см².

В способе формирования кристаллической кислород-индуцированной поверхности полупроводника из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P поверхности базового материала вначале очищают от сочетания аморфных естественных поверхностных оксидов и углерода. Очистка может быть осуществлена распылением ионами аргона и последующим нагреванием в камере сверхвысокого вакуума (СВВ). Распыление ионами аргона и последующее нагревание в условиях СВВ по меньшей мере до 400°C приводит к четко определенным реконструкциям c(8×2) на исходных поверхностях InAs и InSb и структуре (2×4) на подложке из InP. Эти исходные поверхности могут быть получены также посредством одного лишь нагревания в условиях СВВ при примерно 400-550°C или более, чтобы удалить защитный верхний слой As, полученный методом эпитаксиального выращивания. В условиях вакуума, предпочтительно применяли базовые давления в камере ниже чем 5×10^-8 мбар.

Перед окислениями чистые исходные поверхности показывали (i) высококонтрастные картины дифракции электронов низкой энергии (ДЭНЭ) от c(8×2) или (2×4), (ii) большие ровные участки с террасами, обычно размером порядка 100 нм в диаметре, как определено сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), и (iii) отсутствие загрязнений кислорода и углерода, как определено рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (РФЭС).

В процесса окисления кислород адсорбируется на поверхности c(8×2) или (2×4). Фиг.3a показывает поверхность InAs с атомом кислорода в энергетически наиболее благоприятной позиции атома. Стабильность этой позиции адсорбции, которая расположена во втором поверхностном слое, т.е. ниже поверхности, очень значительна. Она является такой стабильной (на ~1 эВ более стабильной, чем другие позиции адсорбции), поскольку относительно электроотрицательный кислород связан с четырьмя относительно электроположительными атомами индия. Важно заметить, что этот вид центра адсорбции обнаружен, поскольку специфическая структура c(8×2) включает смешанный (III-V) первый поверхностный слой.

Лучшее понимание данного изобретения, например, условий окисления, может быть достигнуто с помощью приведенных ниже примеров, которые изложены в иллюстративных целях, но не должны истолковываться как ограничивающие данное изобретение.

Приведенные ниже примеры были осуществлены с применением системы исследования поверхности (Omicron), которая включает три разных вакуумных камеры, соединенных через вакуумные затворы, так что образцы могут быть перемещены между камерами без нарушения условий вакуума. Образцы помещали в вакуум через загрузочную камеру. Окисления выполняли в подготовительной камере, а окисленные поверхности охарактеризовывали в аналитической камере. Аналогичные очистку поверхности и приготовления оксидов выполняли также в отдельной вакуумной системе при лаборатории MAX с применением пучка синхротронного излучения 41 на синхротронном кольце MAX-I.

Эксперименты по окислению выполняли в вакуумной камере с использованием молекулярного газообразного кислорода с напускным клапаном, через который газообразный O₂ инжектировали в камеру. Давление O₂ регулировали в интервале между примерно 5×10^-7 и 5×10^-5 мбар во время экспериментов по окислению. Поверхность образца была обращена к напускному клапану на расстоянии примерно 15 см. Время окисления подложек, нагреваемых одновременно, составляло примерно 15-30 минут. Нагревание и подвергание воздействию кислорода прекращали одновременно после подвергания воздействию кислорода. Температура подложки при вышеуказанных условиях окисления влияет на формируемую кристаллическую структуру окисленного полупроводника, предпочтительно следующим образом:

- Температура примерно 340-400°C давала слой InAs(100)(3×1)-O

- Температура примерно 400-450°C давала слой InAs(100)c(4×2)-O

- Температура примерно 340-450°C давала слой InSb(100)(3×1)-O

- Температура примерно 340-450°C давала слой InSb(100)(1×2)-O

- Температура примерно 450-550°C давала слой InGaAs(100)c(4×2)-O,

что ясно указывает на то, что слой InGaAs(100)(3×1)-O формируется ниже 550°C, если количество индия в поверхностном слое достаточно высокое. Расчеты прогнозируют формирование InGaAs(100)(3×1)-O, когда количество индия в поверхностном слое InGaAs увеличивается. Температурный интервал в случае InGaSb аналогичен, как и у InGaAs.

Для оксидных слоев, включающих олово (Sn), температура подложки при вышеуказанных условиях окисления влияла на формируемую кристаллическую структуру окисленного полупроводника, предпочтительно следующим образом:

- Температура примерно 370-400°C давала слой InAs(100)(3×1)-SnO

- Температура примерно 400-450°C давала слой InAs(100)(3×3)-SnO

- Температура примерно 370-450°C давала слой InP(100)(1×1)-SnO

- Температура примерно 450-550°C давала слой GaAs(100)(3×1)-SnO.

Примеры процесса окисления подложек из InAs и InSb представлены в нижеследующих Таблицах 1 и 2. Подложки нагревают до желательной температуры перед началом окисления. Сформированную кристаллическую структуру слоя (3×1)-O определяли с помощью измерения дифракции электронов низкой энергии (ДЭНЭ). Таблица 1 представляет окисление подложки из InAs при разных временах окисления. Давление газообразного кислорода во время окисления составляло 4×10^-6 мбар.

Таблица 1 Окисление T(°C) t (мин) ДЭНЭ I 374 5 c(4×2) II 376 15 (3×1) + слабая c(4×2) III 375 20 (3×1) + слабая c(4×2) IV 374 30 (3×1) V 373 45 более слабая (3×1)

Таблица 2 представляет окисление подложки из InSb при разных временах окисления, давление газообразного кислорода составляло 3-4×10^-6 мбар.

Таблица 2 Окисление T(°C) t (мин) ДЭНЭ I 350 5 (1×2) с разделенными ×2 пятнами II 349 10 (1×2) с разделенными ×2 пятнами III 353 15 (3×1) + слабая (1×2) с разделенными ×2 пятнами IV 351 20 (3×1) V 351 30 (3×1)

Имеется также альтернативный вариант осуществления для получения слоя (3×1)-O на подложке из In-содержащего III-As или III-Sb. А именно, вначале приготавливали слой InAs(100)c(4x2)-O на подложке при применении температуры 400-450°C, а затем подложку извлекали из вакуумной камеры на воздух, где ее выдерживали примерно 30 мин. После этого образец перемещали обратно в условия вакуума и нагревали до примерно 400-450°C в течение 20 мин. Это также приводило к образованию (3×1)-O. Это показывает, что исходный слой InAs(100)c(4×2)-O может «катализировать» образование (3×1)-O, поскольку то же самое подвергание воздействию воздуха чистой поверхности InAs не дает (3×1)-O. На Фиг.3c показана атомная модель для слоя c(4×2)-O на структуре InAs.

Фиг.2 показывает картины интенсивности ДЭНЭ от слоев c(4×2)-O и (3×1)-O на подложке из InAs. Нелишне отметить, что картина от слоя InSb(100)(3×1)-O была аналогична картине на Фиг.2. Прежде всего, пятна высокой интенсивности с низкой фоновой интенсивностью показывают, что оба оксидных слоя являются высокоупорядоченными или кристаллическими. Во-вторых, пятна с дополнительной интенсивностью внутри элементарной ячейки 1×1, которая обозначена белым квадратом на Фиг.2, показывают, что оксидный слой включает кристаллическую решетку (3×1), которая обозначена белым прямоугольником.

На основании сравнения разных измерений с неэмпирическими расчетами предложена предварительная атомная модель для кристаллической структуры слоев (3×1)-O на Фиг.3b.

Фиг.4 показывает спектры фотоэмиссии электронов валентной зоны из слоев InAs(100)(3×1)-O и c(4×2)-O. Измерения показывают, что эти границы раздела не включают металлические электронные состояния вблизи энергии Ферми. Кроме того, важно заметить, что не происходит изгиб зоны, который более чувствителен к дефектам, по сравнению с чистым InAs(100) c(8×2), подтверждая отсутствие пиннинга. Эти результаты указывают, что вредного пиннинга уровня Ферми можно избежать в полевых МОП-транзисторах. Также измерения сканирующей туннельной спектроскопией (СТС) показывают, что эти кристаллические оксидные слои не вызывают вредных электронных состояний в запрещенной зоне InAs. Максимальная разность (или смещение) валентной зоны между подложкой из InAs и слоем (3×1)-O оценивается на Фиг.4 при использовании разностного спектра между спектрами InAs(100)(3×1)-O и InAs(100)c(4×2)-O, в котором край зоны InAs по существу удален. Этот разностный спектр дает оценку для края валентной зоны (3×1)-O: она обладает на 1,0-1,4 эВ более высокой энергией связи, чем у InAs, которая может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить энергетический барьер для носителей электрического заряда в валентной зоне полевых МОП-транзисторов. Для справки, измеряли эмиссию с уровня Ферми из подверхнутой воздействию воздуха поверхности InAs(100)c(8×2), которая была окислена и показывала плохую ДЭНЭ (1×1). Этот спектр, показывающий эмиссию на уровне Ферми, как предполагается, возникает из-за дефектных состояний такой аморфной поверхности.

Фиг.5 показывает спектры фотоэлектронов внутренних оболочек для линий In 4d и As 3d. Характерные черты (пики или плечи) на стороне низкой кинетической энергии демонстрируют наличие кислорода и образование оксидного слоя.

Стабильность границы раздела, которая является важным свойством для применений, испытывали следующим образом. Пассивность поверхностей InAs(100)(3×1)-O и InAs(100)c(4×2)-O испытывали посредством помещения образцов в атмосферу на 0,5-1 час. После этого их снова перемещали назад в вакуумную камеру и охарактеризовывали с помощью ДЭНЭ и СТМ в зависимости от времени последующего нагрева. После выдерживания на воздухе в течение одного часа получали образец InAs(100)(3×1)-O, без какого-либо последующего нагрева, картина (3×1) не проявлялась. Естественно, полученная картина была слабее, чем картина (3×1) перед воздействием воздуха, однако картина становилась четкой (3×1) при нагревании подложки до 400°C в течение 30 мин. Эти результаты ДЭНЭ поддерживаются СТМ от поверхности InAs(100)(3×1)-O после 0,5-часового воздействия воздуха и последующего нагрева при 400°C. Следует заметить, что такая же процедура с воздействием воздуха и последующим нагревом чистой поверхности InAs(100)c(8 ×2) приводила к плохой ДЭНЭ (1×1) без какой-либо явной сверхструктуры. Эти результаты, несомненно, показывают, что слой InAs(100)(3×1)-O является стабильным в отношении довольно сильных нагрузок воздуха и температуры. Это является важным свойством, которое делает возможным, например, перемещение образца (3×1)-O через воздух в другую камеру, чтобы вырастить, например, верхний слой диэлектрика SiO₂. Стабильность также означает, что слой (3×1)-O не разрушается во время осаждения верхнего слоя диэлектрика. Нелишне отметить, что осаждение атомных слоев (ALD) изоляторов затвора на InAs(100) и InGaAs(100) обычно выполняют при температурах подложек 250-350°C, при которых InAs(100)(3×1)-O являлся отчетливо стабильным. Такие же испытания пассивации для InAs(100)c(4×2)-O показали плохую (1×1) после воздействия воздуха, но после последующего нагрева до примерно 400°C появлялась ДЭНЭ (3×1). Это означает, что структура c(4×2)-O может «катализировать» образование слоя (3×1), поскольку мы не наблюдали такого же образования после подвергания воздействию воздуха чистой поверхности InAs(100)c(8×2).

Представленный ниже пример описывает процесс окисления по изобретению при использовании подложки из InGaAs.

Поверхность пластины-подложки из GaAs(100) (примерно 0,5 мм толщиной) очищали от углеродных загрязнений и аморфных поверхностных оксидов посредством распыления ионов Ar и нагревания в камере сверхвысокого вакуума (СВВ). В течение 30-минутного растрового распыления давление газообразного Ar составляло 1-3×10^-6 мбар, напряжение распыления составляло 0,7 кВ, а ток - 10 мА, и температура подложки из GaAs составляла примерно 400°C. После этого распыления подложку из GaAs нагревали до примерно 570°C в вакууме ниже чем 1×10^-9 мбар в течение 30 мин. Шесть таких циклов распыление-последующий нагрев давали чистую и гладкую поверхность, которая имела структуру (6×6), как определено методами ДЭНЭ и СТМ. Для того, чтобы приготовить поверхность InGaAs, 1-2 монослоя (ML) индия осаждали на чистую поверхность подложки GaAs(100)(6×6) и нагревали образец до 500-550°C. Это давало поверхность InGaAs(100)c(8×2). Эту чистую четко определенную поверхность InGaAs(100)c(8×2) окисляли, что приводило к образованию слоя c(4×2)-O, подобно случаю с InAs(100)c(4×2)-O, следующим образом: первоначально температуру подложки увеличивали до примерно 550°C за 15 мин в условиях вакуума. Затем открывали напускной клапан линии подачи газообразного кислорода (O₂), соединенной с вакуумной камерой, и давление кислорода увеличивали до 3-4×10^-6 мбар. После 15-минутного окисления при давлении кислорода 3-4×10^-6 мбар и 550°C (InGaAs) нагревание заканчивали за 10 с до закрытия потока кислорода. Кристаллическая структура c(4×2) была определена с помощью ДЭНЭ. Образование слоя c(4×2)-O на поверхности InGaAs ясно указывает, что слой (3×1)-O образуется также в InGaAs, подобно случаю с InAs, если увеличено количество индия (In) в поверхностном слое InGaAs.

На основании условий приготовления InAs(100)c(4×2)-O и -(3×1)-O, в которых (3×1)-O всегда образуется при более низкой температуре, чем c(4×2)-O, может быть сделан вывод, что (3×1)-O образуется на InGaAs при температурах ниже чем 550°C.

Окисление подложки из InP было осуществлено таким образом, как описано в последующих примерах.

Поверхность пластины-подложки из InP(100) (примерно 0,5 мм толщиной) очищали от углеродных загрязнений и аморфных поверхностных оксидов посредством распыления ионов Ar и нагревания в камере сверхвысокого вакуума (СВВ). В течение 30-минутного растрового распыления давление газообразного Ar составляло 1-3×10^-6 мбар, напряжение распыления составляло 0,7 кВ, а ток - 10 мА, и температура подложки из InP составляла примерно 370°C. После распыления подложку из InP нагревали до примерно 470°C в вакууме ниже чем 1×10^-9 мбар в течение 30 мин. Три таких цикла распыление-последующий нагрев давали чистую и гладкую поверхность, которая имела смешанную димерную структуру (2×4), как определено методами ДЭНЭ и СТМ. Эту чистую четко определенную поверхность InP(100)(2×4) окисляли, что приводило к образованию слоя (2×3)-O, следующим образом: первоначально температуру подложки из InP увеличивали до примерно 480°C за 15 мин в условиях вакуума. Затем открывали напускной клапан линии подачи газообразного кислорода (O₂), соединенной с вакуумной камерой, и давление кислорода увеличивали до 3-4×10^-6 мбар. После 15-минутного окисления при давлении кислорода 3-4×10^-6 мбар и температуре примерно 480°C (InP) нагревание заканчивали за 10 с до закрытия потока кислорода.

Такой же слой (2×3)-O был также получен посредством 15-минутного окисления при давлении кислорода 7-8×10^-7 мбар и температуре примерно 460°C (InP). Кристаллическая структура (2×3) была определена с помощью ДЭНЭ и СТМ. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) выявила три пика для эмиссии O1s при энергиях связи 528, 531 и 537 эВ. Также эмиссия P 2p показывает два связанных с кислородом пика при 133 и 138 эВ.

Таблица 3 представляет другие примеры окисления подложки из InP. Окисление чистой поверхности InP(100)(2×4) осуществляли при примерно 450°C посредством изменения времени окисления (напряжение и ток резистивного нагрева составляли 13,0 В и 2,3 А во всех испытаниях I-V). Давление кислорода было между 5×10^-7 и 5×10^-5 мбар во всех случаях. Результаты в Таблице 3 указывают, что 450°C является слишком низкой температурой для получения чистой (2×3)-O. Наличие (2×4) во всех случаях указывает на наличие некоторых чистых участков InP(100)(2×4) на поверхностях.

Таблица 3 Окисление T(°C) t (мин) ДЭНЭ I 453 5 более слабая (2×4), чем чистая поверхность (2×4) II 452 10 слабая (2×4) + слабая (2×3)-O III 455 15 (2×3)-O + слабая (2×4) IV 450 20 (2×3)-O + слабая (2×4) V 453 30 (2×3)-O + слабая (2×4)

Окисление покрытых Sn поверхностей выполняли следующим образом. После очистки поверхности подложки из InAs, как описано выше, 0,5-2,0 монослоя (ML) олова осаждали на очищенную поверхность подложки InAs(100)c(8×2) при комнатной температуре. Эту покрытую Sn поверхность затем нагревали в вакууме при 350-420°C в течение 15-30 мин, что обеспечило Sn-индуцированную (1×2) реконструкцию, как выявлено методами ДЭНЭ и СТМ. После этого образец перемещали в камеру окисления, и его температуру повышали до 420°C. Затем в камеру вводили газообразный кислород (O₂) через напускной клапан. Окисление при 3-4×10^-6 мбар в течение 10 мин давало поверхностный слой InAs(100)(3×3)-SnO. Снижение температуры подложки во время окисления и/или увеличение воздействия кислорода давали InAs(100)(3×1)-SnO.

Электронная структура границы раздела диэлектрик-полупроводник играет значительную роль при применениях полевых МОП-транзисторов. Подложка по изобретению, содержащая базовый материал из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P и кристаллический оксидный слой, такой как (3×1)-O, сформированный на базовом материале из In-содержащего III-As или III-Sb, или (2×3)-O, сформированный на базовом материале из In-содержащего III-P, может быть использована на границе раздела диэлектрик-полупроводник в полевых МОП-транзисторах. Пример структуры полевого МОП-транзистора, содержащего подложку из полупроводникового соединения по изобретению, представлен на Фиг.6. Она содержит канальный слой 1 из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P, такого как InAs, InGaAs, InSb, InGaSb или III-P, и кристаллический оксидный слой 2, сформированный на поверхности канального слоя. На поверхности оксидного слоя сформирован второй слой 3 диэлектрика, который может быть, например, из SiO₂ или Al₂O₃. Структура также содержит металлический затвор 4, контактный слой 5 истока, металл 6 истока, который может быть, например AuGeNi, контактный слой 7 стока и металл 8 стока, такой как AuGeNi. Кристаллический оксидный слой по изобретению служит в качестве барьерного слоя для электронов и дырок в In-содержащем канале, так что носители заряда не утекают к оксиду затвора. Кристаллический оксидный слой действует в качестве важной части пакета слоев изолятора затвора.

Данное изобретение не ограничивается примерами из вышеприведенного описания, и оно может быть модифицировано в пределах объема идеи изобретения, представленной в формуле изобретения.

ССЫЛКИ

[1] H. Ko, K. Takei, R. Kapadia, S. Chuang, H. Fang, P. W. Leu, K. Ganapathi, E. Plis, H. S. Kim, S. Y. Chen, M. Madsen, A. C. Ford, Y. L. Chueh, S. Krishna, S. Salahuddin, and A. Javey A: Ultrathin compound semiconductor on insulator layers for high-performance nanoscale transistors. Nature Vol. 468: p. 286 (2010).

[2] G. Chen, S. B. Visbeck, D. C. Law, and R. F. Hicks: Structure-sensitive oxidation of the indium phosphide (001) surface. Journal of Applied Physics Vol. 91: p. 9362 (2002).

Использование: для формирования стабильного и кристаллического оксидного слоя на подложке. Сущность изобретения заключается в том, что очищают поверхность подложки из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P от аморфных естественных оксидов, нагревают очищенную подложку из In-содержащего III-As до температуры примерно 340-400°С, очищенную подложку из In-содержащего III-Sb нагревают до температуры примерно 340-450°С, или очищенную подложку из In-содержащего III-P нагревают до температуры примерно 450-500°С и окисляют подложку введением газообразного кислорода к поверхности подложки. Технический результат: обеспечение возможности формирования кристаллического оксидного слоя, обладающего дальним порядком, более простым способом. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения кристаллического оксидного слоя на подложке из In-содержащего полупроводникового соединения III-As, III-Sb или III-P, отличающийся тем, что в условиях вакуума
- очищают поверхность подложки из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P от аморфных естественных оксидов,
- нагревают очищенную подложку из In-содержащего III-As до температуры примерно 340-400°С, очищенную подложку из In-содержащего III-Sb нагревают до температуры примерно 340-450°С, или очищенную подложку из In-содержащего III-P нагревают до температуры примерно 450-500°С, и
- окисляют подложку введением газообразного кислорода к поверхности подложки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подложка из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P выполнена из InAs, InSb, InP, InGaAs или InGaSb.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подложку очищают распылением ионами аргона и последующим нагреванием в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) по меньшей мере до 400°С или одним лишь нагреванием в условиях СВВ при примерно 400-550°С.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что очищенную подложку покрывают слоем олова (Sn).

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что нагревание и окисление подложки осуществляют одновременно.

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подложку окисляют предпочтительно в течение 15-45 мин, а более предпочтительно в течение 15-30 мин.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что подложку окисляют предпочтительно в течение 15-45 мин, а более предпочтительно в течение 15-30 мин.

8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что подложку окисляют предпочтительно в течение 15-45 минут, а более предпочтительно в течение 15-30 мин.

9. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подложку очищают распылением ионами аргона и последующим нагреванием в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) по меньшей мере до 400°С или одним лишь нагреванием в условиях СВВ при примерно 400-550°С, тем, что очищенную подложку покрывают слоем олова (Sn), и тем, что подложку окисляют предпочтительно в течение 15-45 мин, а более предпочтительно в течение 15-30 мин.

10. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что давление газообразного кислорода составляет между 5×10^-7 и 5×10^-5 мбар.

11. Подложка из полупроводникового соединения, отличающаяся тем, что эта подложка содержит по меньшей мере
- базовый материал из In-содержащего III-As, III-Sb или III-P, имеющий первую сторону и вторую сторону, и
- кристаллический оксидный слой (3×1)-О, с (4×2)-О, (1×2)-О, (2×3)-О, (3×1)-SnO, (3×3)-SnO или (l×l)-SnO, сформированный на по меньшей мере части первой стороны базового материала.

12. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что оксидный слой сформирован способом по любому из пп. 1-10.

13. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что оксидный слой имеет кристаллическую структуру (3×1)-О, когда базовым материалом из In-содержащего III-As или III-Sb является InAs, InSb, InGaAs или InGaSb.

14. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что оксидный слой имеет кристаллическую структуру с(4×2)-О, когда базовым материалом из In-содержащего III-As является InAs или InGaAs.

15. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что оксидный слой имеет кристаллическую структуру (1×2)-О, когда базовым материалом из In-содержащего III-Sb является InSb или InGaSb.

16. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что базовым материалом является InP, а оксидный слой имеет кристаллическую структуру (2×3)-О.

17. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что оксидный слой имеет кристаллическую структуру (3×1)-SnO или (3×3)-SnO, когда базовым материалом из In-содержащего III-As является InAs или InGaAs.

18. Подложка по п. 11, отличающаяся тем, что оксидный слой имеет кристаллическую структуру (l×1)-SnO, когда базовым материалом из In-содержащего III-P является InP или InGaP.

19. Подложка по любому из пп. 11-18, отличающаяся тем, что базовым материалом является слой, который нанесен на поверхность подложки из Si.

20. Подложка по любому из пп. 11-18, отличающаяся тем, что толщина оксидного слоя составляет типично 0,2-1 нм.

21. Применение подложки по любому из пп. 11-20 в структуре транзистора, такой как структура полевого МОП-транзистора.

22. Применение подложки по любому из пп. 11-20 в структуре оптоэлектронного прибора, такого как светоизлучающий диод, фотодиод, фотоконденсатор, фотогальванический элемент или полупроводниковый лазер.