СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНОК НА ПОВЕРХНОСТИ InP С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКСИДА И ФОСФАТА МАРГАНЦА Российский патент 2019 года по МПК H01L21/316 B82Y40/00 

Изобретение относится к области формирования наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности полупроводников группы A^IIIB^V и может быть использовано в полупроводниковой микроэлектронике, в частности, для создания МДП-структур (металл - диэлектрик - полупроводник).

Известно, что формирование диэлектрических пленок на полупроводниках группы A^IIIB^V возможно при использовании физических методов осаждения (методы магнетронного распыления, электронно-лучевого испарения и т.д.) и химических процессов, протекающих на поверхности полупроводника (термическое, анодное, плазменное оксидирование и т.д.). В работе [Агаев В.В. Влияние диэлектрической пленки SrF₂ на люминесцентные свойства n-InP / В.В. Агаев, В.А. Созаев, Г.И. Яблочкина //Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74, №11. - С. 141-142] на поверхности пленок фосфида индия методом вакуумного испарения осаждались диэлектрические пленки SrF₂, являющиеся эффективным защитным покрытием для InP. В работе [Effects of fluorine incorporation on the electrical properties of atomic-layer-deposited Al₂O₃ gate dielectric on InP substrate / Chen Y. Т., H. Zhao, J. H. Yum, Y. Wang, F. Xue, F. Zhou, J.C. Lee // Journal of the electrochemical society. -2010. - Vol. 157, No. 3. - P. G71-G75] на поверхность p-InP были осаждены диэлектрические слои оксида алюминия методом атомно-слоевого осаждения с последующим внедрением фтора, что позволило значительно улучшить электрофизические характеристики сформированных гетероструктур. Метод электронно-лучевого испарения при сравнительно низких температурах (до 200°С) позволяет осаждать на поверхность InP диэлектрические пленки оксида магния, как указано в работе [Kim Т.W. Microstructural and electrical properties of MgO thin films grown on p-InP (100) substrates at low temperature / T.W. Kim, Y.S. You, T.W. Kim // Applied surface science. - 2001. - Vol. 180, No. 1-2. -P. 162-167].

Термическое оксидирование является одним из самых простых методов синтеза пленок разнообразных оксидов. Термооксидирование полупроводников группы A^IIIB^V, в отличие от аналогичного процесса на кремнии, приводит к созданию пленок с неудовлетворительными электрофизическими характеристиками, несовершенными внутренними границами раздела, является нетехнологичным с точки зрения длительности процесса формирования. Хемостимулированное термооксидирование фосфида индия позволяет решать эту проблему за счет блокирования отрицательного канала связи между реакциями покомпонентного окисления при собственном термооксидировании полупроводников, ускорения формирования пленок в сравнении с процессом собственного оксидирования (в том числе и за счет разветвления посредством продуктов превращения), целенаправленного изменения состава пленок, его компонентного и фазового распределения по толщине пленки, снижения рабочих параметров процесса и предотвращения деградации; пленок [Миттова И.Я. Влияние физико-химической природы хемостимулятора, способа и метода его введения в систему на механизм термооксидирования GaAs и InP / И.Я. Миттова // Неорганические материалы. - 2014. - Т. 50, №9. - С. 948-955].

Наиболее близкой работой является способ, взятый за прототип [Влияние магнетронно напыленного слоя MnO₂ на кинетику термооксидирования InP, состав и морфологию синтезированных пленок/ Н.Н. Третьяков, И.Я. Миттова, Б.В. Сладкопевцев, А.А. Самсонов, С.Ю. Андреенко // Неорганические материалы. - 2017. - Т. 53, №1. - С. 41-48], согласно которому на предварительно обработанные полирующим травителем состава H₂SO₄ (ХЧ ГОСТ-4204-77,92.80 %-ная): H₂O₂(ОСЧ ТУ 6-02-570-750, 56%-ная): H₂O=2: 1: 1 в течение 10 мин и многократно промытые в бидистиллированной воде полированные пластины InP (ФИЭ-1А ориентации (100), легированные оловом),, методом магнетронного распыления наносили слои MnO₂ толщиной около 30 нм. Далее сформированные образцы MnO₂/InP термооксидировали, в результате чего на поверхности полупроводника были синтезированы пленку сложного состава, характеризующиеся зеренной структурой со средним размером зерна 55 нм (АСМ).

Положительный эффект введения MnO₂ состоит в увеличении темпа прироста толщины пленок по сравнению с собственным оксидированием и быстром химическом связывании индия с блокированием его диффузии в пленку. Недостатком предложенного способа является повышенное содержание оксидов, в частности, оксида индия, обусловливающее полупроводниковый, а не диэлектрический характер формирующихся пленок.

Задача данного изобретения заключается в разработке способа создания на поверхности InP диэлектрических наноразмерных пленок с использованием наноразмерного слоя MnO₂ при сохранении технологичности и простоты метода.

Технический результат настоящего изобретения заключается в формировании наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности InP с толщиной в пределах 70-110 нм и удельным сопротивлением от 4,8⋅10⁸ до 1,5-10¹⁰ Ом⋅см.

Технический результат достигается тем, что в способе создания наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности InP с использованием магнетронно нанесенного слоя MnO₂ и вводимого в процессе термооксидирования фосфата марганца проводят предварительную обработку полупроводника травителем в течение 10-12 минут, многократное промывание в бидистиллированной воде и высушивание на воздухе, формирование слоя MnO₂ толщиной 25-30 нм методом магнетронного распыления мишени из прессованного порошка диоксида марганца, а согласно изобретению, последующее термооксидирование образцов MnO₂/InP проводят при температурах 450-550°С в течение 40-70 мин. в потоке кислорода в присутствии фосфата марганца Mn₃(PO₄)₂, испаряющегося из контейнера.

На фиг. 1 приведена таблица значений относительного увеличения толщины оксидной пленки при термическом оксидировании образцов MnO₂/InP под воздействием вводимого через газовую фазу Mn₃(PO₄)₂ в различных режимах: а) в сравнении с эталоном InP; б) в сравнении с образцом MnO₂/InP

На фиг. 2 приведены ИК-спектры поглощения образцов MnO₂/InP, оксидированных под воздействием вводимого из газовой фазы Mn₃(PO₄)₂, после термооксидирования при 500°С в течение 60 минут.

На фиг. 3 приведены данные об идентифицированных фазах (метод рентгенофазового анализа, РФА) в образцах MnO₂/InP, оксидированных под воздействием вводимого из газовой фазы Mn₃(PO₄)₂, при различных температурах за время 60 мин.

На фиг. 4 приведена таблица значений удельных сопротивлений образцов, синтезированных термооксидированием при различных температурных режимах.

Способ реализуется следующим образом.

Пример 1.

Перед магнетронным нанесением наноразмерных слоев диоксида марганца для удаления естественного оксидного слоя и разного рода загрязнений поверхность полированных пластин InP обрабатывали травителем состава H₂SO₄ (ХЧ ГОСТ-4204-77, 92.80%-ная): H₂O₂(ОСЧ ТУ 6-02-570-750, 56%-ная): H₂O=2: 1: 1 в течение 12 минут, после этого пластины трижды промывали в бидистиллированной воде и высушивали на воздухе.

Нанесение наноразмерного слоя хемостимулятора MnO₂ на предварительно подготовленную поверхность InP проводили методом магнетронного распыления мишени, спрессованной из порошка диоксида марганца (диаметр мишени 50 мм, чистота - 99,8%, скорость распыления составляла ~2 нм/мин, время - 15 мин), в атмосфере аргона (давление процессного газа - 10⋅10^-3 Torr).

Далее навеску порошка Mn₃ (PO₄)₂(m=0.3 г) помещали в цилиндрический кварцевый контейнер (до отметки на этом контейнере), крышкой которого служила пластина оксидируемого InP с магнетронно нанесенным слоем MnO₂. Расстояние от поверхности порошка фосфата марганца до рабочей стороны пластины было постоянным и составляло 10 мм. Контейнер устанавливали в предварительно разогретую до 450°С печь резистивного нагрева (МТП-2М-50-500), в которую через шлиф подавали поток кислорода с объемной скоростью 30 л/ч. Постоянство температуры в реакторе обеспечивали измерителем-регулятором ТРМ-10 (точность регулировки ±1°С). Через каждые 10 минут оксидируемый образец извлекали из реактора, обновляли навеску модификатора и продолжали оксидирование до достижения общего времени процесса, равного 60 минутам. Толщину растущих пленок контролировали методом лазерной эллипсометрии, для указанных условий термооксидирования толщина получившейся в итоге пленки составила 70±1 нм.

Как следует из таблицы на фиг. 1, предлагаемый способ значительно интенсифицирует процесс роста пленок как по сравнению с оксидированием чистого InP, так и по сравнению с оксидированием фосфида индия в присутствии только магнетронно нанесенных слоев MnO₂. Данные ИК-спектроскопии и РФА (фиг. 2 и 3) свидетельствуют о том, что в полученных пленках практически отсутствуют свободные оксиды индия и марганца и Имеет место широкий ряд фосфатов индия и марганца, что приводит к формированию именно диэлектрических пленок. На фиг. 4 приведены данные об удельном сопротивлении, для указанного режима формирования оно составляет 2,1⋅10⁹ Ом⋅см. Как следует из полученных результатов, сформированные предлагаемым способом пленки являются диэлектрическими.

Пример 2. Способом, описанным в примере 1, увеличив температуру оксидирования до 500°С, получали диэлектрические пленки на поверхности InP. На фиг. 4 представлены данные удельного сопротивления пленок, для указанного режима оксидирования оно составляет максимальное для всего температурного интервала значение 1,5⋅10¹⁰ Ом⋅см. Для указанных условий термооксидирования толщина получившейся в итоге пленки составила 84±1 нм (по данным лазерной эллипсометрии).

Использование: для формирования наноразмерных диэлектрических пленок. Сущность изобретения заключается в том, что способ создания наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности InP включает предварительную обработку полированных пластин InP травителем H₂SO₄:H₂O₂H₂O=2:1:1 в течение 10-12 мин, многократное промывание в бидистиллированной воде, высушивание на воздухе, формирование на поверхности пластин InP слоя MnO₂ толщиной 25-30 нм методом магнетронного распыления мишени, термооксидирование образцов при температуре 450-550°С в течение 40-70 мин в потоке кислорода в присутствии фосфата марганца Mn₃(PO₄)₂. Технический результат: обеспечение возможности формирования наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности InP с толщиной в пределах 70-110 нм и удельным сопротивлением от 4,8⋅10⁸ до 1,5⋅10¹⁰ Ом⋅см. 4 ил.

Способ создания наноразмерных диэлектрических пленок на поверхности InP, включающий предварительную обработку полированных пластин InP травителем Н₂SО₄:Н₂O₂:Н₂О=2:1:1 в течение 10-12 мин, многократное промывание в бидистиллированной воде, высушивание на воздухе, формирование на поверхности пластин InP слоя МnО₂ толщиной 25-30 нм методом магнетронного распыления мишени, термооксидирование образцов при температуре 450-550°С в течение 40-70 мин в потоке кислорода, отличающийся тем, что в процессе термооксидирования через газовую фазу дополнительно вводится фосфат марганца.