Способ формирования диэлектрического слоя на поверхности кристалла InAs Российский патент 2019 года по МПК H01L21/316 

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, содержащих пассивную структуру диэлектрик -полупроводник, в том числе диодов и транзисторов, а также приемников излучения, чувствительных в спектральном диапазоне (1÷3,5) мкм, таких как фотодиоды и фототранзисторы на кристаллах InAs n-типа проводимости. При этом предложение может применяться для защиты поверхности планарных р⁺-n переходов диодных (фотодиодных) и транзисторных (фототранзисторных) структур с целью устранения поверхностных токов утечки и взрывных шумов туннельного типа, а также увеличения пробивных напряжений р⁺-n переходов за счет создания величины положительного эффективного заряда на границе InAs-диэлектрик () при рабочей температуре (обычно 77К) ниже критической величины. При этом желательно получать наименьшие значениядля создания запаса по указанным параметрам.

Известно, что в случае р⁺-n переходов на антимониде индия критическая величина составляет [В.П. Астахов, В.Ф. Дудкин, Б.С. Кернер, В.В. Осипов, О.В. Смолин, И.И. Таубкин. Механизмы взрывного шума р-n переходов. Микроэлектроника. Том 18, вып. 5, с. 455-463, 1989 г.]. Поскольку значения относительной диэлектрической проницаемости антимонида и арсенида индия составляют близкие величины (16 и 18, соответственно), то, следовательно, в случае арсенида индия критическая величина также составляет +3⋅10¹¹ см^-2.

Известно, что величина определяется суммой зарядов на поверхностных состояниях (Q_ss) и встроенных в защитный диэлектрический слой у границы с полупроводником (Q_V). Таким образом для защиты поверхности планарных р⁺-n переходов на InAs требуется формировать диэлектрические слои с высокими диэлектрическими свойствами (уд. сопротивление не ниже 10¹² Ом⋅см) и суммой значений Q_ss и Q_V не более +3⋅10¹¹ см^-2.

Известно, что диэлектрические слои на InAs с требуемыми диэлектрическими свойствами и наименьшими значениями создают методом анодного окисления (АО) с добавлением в электролит фторсодержащей компоненты, позволяющей внедрять в растущую анодную окисную пленку (АОП) атомы фтора, компенсирующие встроенный заряд вблизи границы раздела InAs-АОП, вызванный наличием ловушек для дырок и таким образом уменьшать величину Q_V. [Е.А. Лоскутова, В.Н. Давыдов, Т.Д. Лезина. Особенности электрофизических и фотоэлектрических характеристик МОП-структур из InAs. Микроэлектроника. Том 14, №2, с. 134-138, 1985 г].

Известен способ формирования диэлектрического слоя на поверхности InAs методом АО в гальваностатическом режиме при плотности тока j=0,5 мА/см² в электролите на основе смеси этиленгликоля и 33%-го водного раствора аммиака в соотношении 5:1 с добавлением фторсодержащей компоненты - соли NH₄F в количестве, обеспечивающем концентрацию NH₄F в электролите: 4.7, 23.8 и 47.6 г/л [В.Н. Давыдов, Е.А. Лоскутова, И.И. Фефелова. Влияние фтора на свойства систем оксид - полупроводниковое соединение A^IIIB^V. Микроэлектроника. Том 15, вып. 5, с. 455-459, 1986 г.].

Недостатком данного способа является получение значений не менее +4⋅10¹¹ см^-2.

Известен наиболее близкий по технической сущности и взятый за прототип способ формирования диэлектрического слоя (при модификации поверхности перед осаждением пленки SiO₂) на поверхности InAs методом АО в гальваностатическом режиме при j=0,5 мА/см² в электролите на основе смеси этиленгликоля и концентрированного раствора аммиака в соотношении 5:1 с добавлением фторсодержащей компоненты - соли NH₄F в количестве, обеспечивающем концентрацию NH₄F в электролите 12 г/л, позволяющий формировать границу раздела InAs-АОП в структурах InAs-АОП (200 ) - SiO₂ (0.2 мкм) - In₂O₃ с величиной эффективного заряда +(4÷5)⋅10¹¹ см^-2. [Н.А. Валишева, А.А. Гузев, А.П. Ковчавцев, Г.Л. Курышев, Т.А. Левцова, З.В. Панова. Электрофизические свойства МДП-структур InAs-SiO₂-In₂O₃ с модифицированной границей раздела. Микроэлектроника. Том 38, №2, с. 99-106, 2009 г.].

Однако этот способ также не позволяет получать величину меньше +3⋅10¹¹ см^-2.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является устранение поверхностных токов утечки и взрывных шумов туннельного типа, а также увеличение пробивного напряжения планарных р⁺-n переходов на кристаллах InAs за счет улучшения защитных свойств диэлектрического слоя, формируемого на поверхности приборной структуры.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является получение величин в пределах +(2÷3)⋅10¹¹ см^-2 при удельном сопротивлении слоя не ниже +10¹² Ом⋅см.

Технический результат достигается тем, что в известном способе формирования диэлектрического слоя методом АО в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,5 мА/см² в электролите на основе смеси этиленгликоля и концентрированного раствора аммиака в соотношении 5:1 с добавлением фторсодержащей компоненты - соли NH₄F, обеспечивающей концентрацию NH₄F в электролите ~12 г/л, толщину АОП увеличивают от 200 (по прототипу) до 350÷500 (за счет увеличения длительности процесса АО). При этом для уменьшения увеличивают толщину АОП.

Уменьшение при увеличении толщины АОП объясняется результатами измерения распределения атомов фтора по глубине АОП, выращенных до различных толщин в пределах 200÷550 . Из этих данных следует, что при увеличении толщины АОП в указанных пределах все большее количество атомов фтора сдвигается к границе с АОП, все в большей мере компенсируя (уменьшая) величину Q_V и, как следствие, уменьшая величину

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом фиг. 1, на котором по оси ординат отложены экспериментальные значения (при температуре 77К) для толщин АОП в пределах 200-550 (, ), отложенных по оси абсцисс. Представлены также соответствующие этим данным длительности процесса АО (t) и величина эффективного поверхностного заряда по способу-прототипу (). Из данных чертежа следует, что при увеличении толщины АОП от 200 до 400 происходит резкий спад величины Спад замедляется при переходе к диапазону толщин 400-500 и завершается насыщением при 500

Таким образом, представленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что уменьшения величины можно добиться, увеличивая толщину АОП в диапазоне 200-500 При этом значения ниже критической величины +3⋅10¹¹ см^-2 достигаются при толщинах не менее 350

Данные чертежа получены в полном соответствии с формулой и по прототипу.

Ограничения толщины АОП снизу (350 ) и сверху (500 ) объясняются превышением или недостаточным запасом получаемых значений по отношению к критической величине +3⋅10¹¹ см^-2 при малых толщинах и достижением минимального значения при 500 , а также отсутствием дальнейшего спада при наборе больших толщин, что делает такие процессы АО нецелесообразными.

Для измерения , на выращенные АОП напыляли алюминиевые электроды ∅2 мм, создавая структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Контакт к кристаллу осуществляли локальным вплавлением индия. Исходным кристаллом являлся InAs марки ИМЭб с кристаллографической ориентацией (111)А и концентрацией электронов не более 2⋅10¹⁶ см^-3 при 77К. Значения определяли из расчета вольт-фарадных характеристик МДП-структур, измеренных на частоте 1МГц в темноте при охлаждении жидким азотом. Расчет производили в соответствии с теорией работы [Whelan M.V., Graphical relations between surface parameters of silicon, to be used in connection with MOS-capacitance measurements. Philips Res. Repts, v. 20, pp. 620-632, 1965.].

Представленные на чертеже экспериментальные данные показывают, что предлагаемый способ позволяет получать величины меньше критической величины в пределах +(2÷3)⋅10¹¹ см^-2 за счет обеспечения толщины АОП в пределах 350-500 . При этом удельное сопротивление АОП составляет не менее 10¹² Ом⋅см.

Предложенный способ при его применении позволяет устранить поверхностные токи утечки и взрывные шумы фонового типа, а также увеличить пробивное напряжение планарных р⁺-n переходов на кристаллах InAs за счет улучшения защитных свойств диэлектрического слоя, формируемого на поверхности приборной структуры.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, содержащих пассивную структуру диэлектрик - полупроводник, в том числе диодов и транзисторов, а также приемников излучения, чувствительных в спектральном диапазоне (1÷3,5) мкм, таких как фотодиоды и фототранзисторы на кристаллах InAs n-типа проводимости. Изобретение обеспечивает устранение поверхностных токов утечки и взрывных шумов туннельного типа, а также увеличение пробивного напряжения планарных р⁺-n переходов на кристаллах InAs. В способе формирования диэлектрического слоя методом анодного окисления в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,5 мА/см² в электролите на основе смеси этиленгликоля и концентрированного раствора аммиака в соотношении 5:1 с добавлением фторсодержащей компоненты - соли NH₄F, обеспечивающей концентрацию NH₄F в электролите 12 г/л, толщину слоя обеспечивают . 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования диэлектрического слоя на поверхности кристалла InAs, включающий анодное окисление в гальваностатическом режиме при плотности тока j=0,5 мА/см² в электролите на основе смеси этиленгликоля и концентрированного раствора аммиака в соотношении 5:1 с добавлением фторсодержащей компоненты - соли NH₄F, обеспечивающей ее концентрацию в электролите ~12 г/л, отличающийся тем, что с целью получения значений положительного эффективного поверхностного заряда на границе InAs - слой диэлектрика в пределах при удельном сопротивлении слоя не ниже 10¹² Ом⋅см анодное окисление проводят до толщины образующегося слоя в пределах

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для уменьшения значения увеличивают толщину слоя.