СПОСОБ ПЛАЗМО-СТИМУЛИРОВАННОГО АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НИТРИД-ГАЛЛИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2017 года по МПК H01L21/31 

Изобретение относится к технологии осаждения изолирующих и пассивирующих диэлектрических покрытий на подложки типа AlGaN/AlN/GaN методом плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения из металлорганических прекурсоров.

Широко известен способ атомно-слоевого осаждения, позволяющий получать тонкие бездефектные пленки диэлектриков и металлов, толщина которых контролируется на атомарном уровне [1]. При применении такого подхода при осаждении слоев диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью из металоорганических прекурсоров может требоваться температура, превышающая 500°С, что приводит к деградации сформированных ранее на подложке функциональных элементов. Способ был применен для создания нитрид-галлиевого транзистора, диэлектрические слои которого осаждаются методом атомно-слоевого осаждения [2]. Недостатком прибора, изготовленного по этой технологии, является ограничение рабочей частоты прибора (эффект коллапса тока) и рабочих напряжений (пробой) транзистора с такими диэлектрическими покрытиями. Причиной коллапса тока является наличие зарядовых поверхностных состояний на границе раздела и оборванных связей.

Улучшения характеристик прибора можно добиться пассивацией поверхности полупроводника, а также ее нитридизацией [3] при помощи слоя нитрида алюминия толщиной 2-10 нм, формируемого методом атомно-слоевого осаждения. Недостатком такого подхода является ограничение возможности применения такого метода только для пассивации структур нитрид-галлиевых приборов на гетероструктурах НЕМТ и невозможность пассивации границы полупроводник-диэлектрик на гетероструктурах MISHEMT приборов. Кроме того, реализация метода требует отдельного этапа в производстве транзисторной структуры с разрывом вакуума.

Указанные недостатки способа атомно-слоевого осаждения были устранены в способе плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения [4], являющимся прототипом настоящего изобретения. В частности, применение плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения позволяет резко понизить температуру процесса осаждения до 300°С.

Предлагаемый способ позволяет получить сниженные токи утечки и пассивацию поверхностных зарядовых состояний в полупроводниковом приборе за счет предварительной подготовки поверхности подложки гетерострутуры нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов и улучшить электрические характеристики приборов.

Достижение указанного результата обеспечивается предлагаемым способом плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения пленок изолирующих диэлектрических покрытий на подложки гетероструктур нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов, влючающим в себя: помещение подложки в технологическую камеру, оборудованную для проведения плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения; введение первого технологического материала в технологическую камеру; введение второго технологического материала в технологическую камеру; подачу в технологическую камеру одновременно с подачей второго технологического материала электромагнитной энергии мощностью более 600 Вт для генерации плазмы, ускоряющей реакцию между первым и вторым технологическими материалами (прекурсорами) на поверхности подложки; и формирование пленки на подложке посредством чередующегося ввода первого технологического материала и второго технологического материала, отличающийся тем, что подложка походит предварительную обработку в индуктивно связанной плазме водорода низкого давления при пониженной вкладываемой в разряд мощности в зоне, удаленной от источника плазмы, в которой обеспечивается низкая концентрация ионов, не более 10⁹ см^-3 и одновременно высокая концентрация химически активных радикалов, не менее 10¹³ см^-3, стимулирующие поверхностные реакции пассивации оборванных химических связей и удаления естественного оксида, адсорбированной из атмосферы влаги и других поверхностных адсорбатов для обеспечения последующего атомно-слоевого роста пленки на поверхности с минимальным количеством поверхностных состояний на границе раздела пленка-подложка.

При этом подготовка поверхности в плазме водорода при пониженной вкладываемой мощности в удаленной от источника плазмы области до атомно-слоевого осаждения обеспечивает пассивацию оборванных связей, а обработка в плазме аммиака кроме эффекта, производимого радикалами водорода, способствует пассивации оборванных связей атомами азота.

Предлагаемый способ плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения изолирующих диэлектрических покрытий на гетероструктурах нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов обеспечивает получение диэлектрического покрытия с низким содержанием дефектов и ловушек на границе с полупроводником состава AlGaN, что приводит к улучшению электрических и частотных характеристик нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов.

Источники информации

1. Патент США US 4058430, 1977 (Method for Producing Compound Thin Films, Tuomo Suntola et al.).

2. Патент США US 7692222 B2, 2010 (Atomic layer deposition in the formation of gate structures for III-V semiconductor, Kamal Tabatabaie et al.).

3. Патент США US 8937336 B2, 2015 (Passivation of group III-nitride heterojunction devices, Jing Chen et al.).

4. Патент США US 7314835 B2, 2008 (Plasma enhanced atomic layer deposition system and method, Tadahiro Ishizaka et al.).

Изобретение относится к технологии осаждения изолирующих и пассивирующих диэлектрических покрытий на подложках типа AlGaN/AlN/GaN методом плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения из металлоорганических прекурсоров таким образом, чтобы получить сниженные токи утечки и пассивацию поверхностных зарядовых состояний. Способ плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения пленок изолирующих диэлектрических покрытий на подложки гетероструктур нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов характеризуется тем, что поверхность гетероструктуры проходит предварительную обработку в индуктивно связанной плазме водорода низкого давления при пониженной вкладываемой в разряд мощности в зоне, удаленной от источника плазмы, в которой обеспечивается низкая концентрация ионов, не более 10⁹ см^-3 и одновременно высокая концентрация химически активных радикалов, не менее 10¹³ см^-3, стимулирующие поверхностные реакции пассивации оборванных химических связей и удаления естественного оксида, адсорбированной из атмосферы влаги и других поверхностных адсорбатов для обеспечения последующего атомно-слоевого роста пленки на поверхности с минимальным количеством поверхностных состояний на границе раздела пленка-подложка. Технический результат: получение диэлектрического покрытия с низким содержанием дефектов и ловушек на границе с полупроводником состава AlGaN, что приводит к улучшению электрических и частотных характеристик формируемых нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения пленок изолирующих диэлектрических покрытий на подложки гетероструктур нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов, включающий в себя: помещение подложки в технологическую камеру, оборудованную для проведения плазмо-стимулированного атомно-слоевого осаждения; введение первого технологического материала в технологическую камеру; введение второго технологического материала в технологическую камеру; подачу в технологическую камеру одновременно с подачей второго технологического материала электромагнитной энергии мощностью более 600 Вт для генерации плазмы, ускоряющей реакцию между первым и вторым технологическими материалами на поверхности подложки; и формирование пленки на подложке посредством чередующегося ввода первого технологического материала и второго технологического материала, отличающийся тем, что подложка походит предварительную обработку в индуктивно связанной плазме водорода низкого давления при пониженной вкладываемой в разряд мощности в зоне, удаленной от источника плазмы, в которой обеспечивается низкая концентрация ионов, не более 10⁹ см^-3 и одновременно высокая концентрация химически активных радикалов, не менее 10¹³ см^-3, стимулирующие поверхностные реакции пассивации оборванных химических связей и удаления естественного оксида, адсорбированной из атмосферы влаги и других поверхностных адсорбатов для обеспечения последующего атомно-слоевого роста пленки на поверхности с минимальным количеством поверхностных состояний на границе раздела пленка-подложка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительная обработка подложки производится в плазме смеси азота и аммиака, содержащей радикалы водорода и азотсодержащие соединения, обеспечивающей дополнительную нитридизацию верхнего слоя подложки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительная обработка подложки производится в плазме смеси аммиака и водорода.