ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Советский патент 2006 года по МПК H01L29/02 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для создания полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе полевого эффекта, таких как полевые транзисторы, МДП-варакторы, МДП-фотоприемники ИК-диапазона и ПЗС.

Для таких приборов структура диэлектрик - InSb должна обладать совершенной границей раздела, т.е. содержать малую плотность поверхностных состояний (менее 5·10¹¹ см^-2 эВ^-1) и малый встроенный заряд, а также у нее должен отсутствовать гистерезис на вольт-фарадной характеристике. Кроме того, диэлектрик должен характеризоваться высоким значением пробивной напряженности электрического поля (более 10⁶ В/см).

Важной задачей при создании структур диэлектрик - InSb с совершенной границей раздела является выбор диэлектрика, а также установление связи между составом диэлектрика вблизи границы раздела и электрофизическими параметрами МДП-структур.

На антимониде индия известно применение в качестве диэлектриков "собственных" окислов, полученных методами анодирования, плазменного или термического окисления [1]. Следует отметить, что применение понятия "собственный" окисел к полупроводникам типа А^IIIВ^V является не совсем точным, так как в результате указанных технологических процессов на поверхности полупроводника растет окисел со сложным и переменным по толщине составом.

Анодные окислы антимонида индия, полученные в водных электролитах (например, КОН), обладали высокой пористостью и низкими пробивными напряжениями. Кроме того, на границе раздела окисел - InSb содержалось большое количество поверхностных состояний (около 10¹² см^-2 эВ^-1), при этом параметры МДП-структуры были нестабильными во времени [2].

В случае использования безводных электролитов свойства границы раздела окисел - InSb существенно улучшались. Так, плотность поверхностных состояний для ряда экспериментальных образцов составляла (1-7)·10¹¹ см^-2 эВ^-1 [2]. Однако трудность в этом случае заключалась в получении структур с воспроизводимыми параметрами. Отмечалось, что структуры, полученные практически в "одинаковых" условиях, обладали различными характеристиками.

Диэлектрик, полученный термическим окислением, обладал большей проводимостью (10^-4 ом^-1 см^-1), что на 6-8 порядков превышало проводимость анодного окисла [1].

Кроме "собственных", на InSb предлагалось использовать следующие диэлектрики: окислы и нитриды кремния и алюминия, в том числе SiO₂, SiO, SiO_x, SiO_xN_у, Si₃N₄, Al₂O₃ и AlN [1, 2].

Для окислов кремния, несмотря на низкие температуры их получения, плотность поверхностных состояний на границе раздела с InSb изменялась в пределах 5·10¹¹-10¹³ см^-2 эВ^-1, МДП структуры на InSb обладали нестабильными во времени параметрами, т.е. они деградировали.

В работе [1] сообщалось о возможности получения структур оксинитрид кремния - InSb с хорошим качеством границы раздела (˜10¹¹ см^-2 эВ^-1) и их использовании при создании ПЗИ и ПЗС приборов. Пленки SiO_xN_y получали пиролитическим разложением моносилана в среде азота и аргона на подложке, нагретой до 250°С. Данных о структуре и составе диэлектрика и связи его с условиями получения не приводилось. Отсутствовали сведения и о стабильности и воспроизводимости свойств границы раздела.

Аналогичные результаты сообщались и для МДП-структур, использующих в качестве диэлектрика окислы и нитрид алюминия. Эти диэлектрики были изготовлены методами низкотемпературного пиролиза (300-400°С), вакуумного напыления и электронно-лучевого испарения [2]. Для большинства МДП-образцов плотность поверхностных состояний на границе раздела InSb превышала 5·10¹¹ см^-2 э^-1, в то время как для отдельных образцов она составляла менее 10¹¹ см^-2 эВ^-1. Причин этого явления в этих работах не выяснено, не приводилось никаких данных о воспроизводимости процессов получения МДП-структур.

Резюмируя литературные данные по структурам диэлектрик - InSb можно сказать, что выбор диэлектрика носил случайный характер, не установлено связи между структурой и составов диэлектрика и свойствам границы раздела структуры диэлектрик - InSb.

В случае ∂nSb выбор диэлектрика по такому принципу затруднен; по-видимому, таким окислом или нитридом мог бы служить Al₂O₃ или AlN. Однако постоянные решетки соединений InSb и AlSb отличаются почти на 21% (5,1356 Å и 6,4789 Å соответственно). С этими диэлектриками граница раздела с антимонидом индия была неудовлетворительной: высокая плотность N_ss, наличие гистерезиса, невоспроизводимость параметров.

Цель изобретения - улучшение параметров границы раздела структуры и повышение их воспроизводимости. Для достижения поставленной цели предлагается использовать на InSb в качестве диэлектрика такое соединение, параметры двумерной решетки которого (a_d) согласуются с параметрами двумерной решетки InSb (a_s) в пределах ±12%.

Отклонение параметров решеток ε оценивалось по уравнению

Совпадение параметров двумерной решетки полупроводника и диэлектрика на границе раздела между ними приведет, как и при эпитаксиальном росте монокристаллических слоев на подложке, к устранению механических напряжений, уменьшению дефектов, дислокаций и других нарушений, и тем самым к получению совершенной границы раздела.

Требованиям, сформулированным к МДП-структурам при постановке задачи изобретения (в том числе плотность поверхностных состояний на границе раздела менее 5·10¹¹ см^-2 эВ^-1), отвечают структуры InSb - диэлектрик, у которых параметр двумерных решеток, как будет показано из сопоставления экспериментальных данных и данных таблицы, отличаются не более чем на 12%.

Рассмотрим более подробно соответствие параметров решеток InSb и окисных соединений, которые могут образовываться на его поверхности при различных методах окисления. Среди этих окисных диэлектрических соединении можно выделить In₂О₃ (см. Mn₂O₃), InSbO₄ (см. рутил), Sb₂O₃ (валентинит), Sb₂O₃ (сенармонтит) и Sb₂O₄.

В таблице, составленной на основании известных литературных данных, приведены параметры двумерных решеток для InSb и указанных окисных соединений. При заданной ориентации полупроводника установлены оптимальная ориентация и состав диэлектрика, при которых наблюдается минимальное отклонение параметров их решеток.

Из таблицы видно, что лучшее совпадение параметров решеток наблюдается для InSb с ориентацией [100] и [111] и соединения InSbO₄ (ε≤-4%). Для модификаций In₂O₃ и Sb₂O₃ это расхождение параметров решетки несколько большее и для InSb с ориентацией [111] составляет -6% и +12% соответственно. Большое отличие обнаружено для окислов Sb₂О₄ и Sb₂O₅, которое составляет +18%.

Несколько слов о знаке ε. Если а_s>a_d, то знак ε "+", в этом случае происходит растяжение диэлектрической пленки. При отрицательном значении ε наблюдается ее сжатие.

В случае больших значений ε как при растяжении, так и при сжатии диэлектриков, из-за несоответствия параметров решеток диэлектрика и полупроводника возникают деформации несоответствия. При этом происходит разрыв когерентности и образуются дислокации перехода, которые в свою очередь приводят к ухудшению электрофизических параметров границы раздела диэлектрик-полупроводник и уменьшению пробивных напряжений диэлектрических слоев. Из этого анализа вытекает, что для структур, которые содержат на границе раздела In₂О₃ и InSbO₄, должны наблюдаться оптимальные характеристики. Добавление в диэлектрик Sb₂О₃ должно приводить к незначительному ухудшению параметров структур. В случае модификации Sb₂О₄ и Sb₂О₅ можно ожидать увеличения плотности поверхностных состояний и встроенного заряда, а также появления гистерезиса на вольт-фарадной характеристике МДП-структур. Кроме этого, может наблюдаться временная нестабильность параметров МДП-структур.

Проведем сопоставление вышеуказанных результатов для структур InSb - окисел, в качестве окисла которых рассматривались In₂О₃, InSbO₄, Sb₂О₃, Sb₂О₄ и Sb₂О₅, экспериментальными данными.

Как указывалось ранее, окислы, полученные на InSb электрохимическим анодированием, термическим и плазменным методами, представляют собой смесь вышеуказанных окислов.

Рассмотрим связь состава окислов и методов их получения с характеристиками границы раздела окисел -InSb.

В свободных электролитах на основе диметилформамида в зависимости от содержания воды может образоваться окисел, состоящий из различных модификаций окислов индия и сурьмы. При содержание воды в электролите от 0,1 до 1% образуется анодный окисел, содержащий In₂О₃, Sb₂О₃ и InSbO₄. Этот факт был установлен авторами методом вольтамперметрии. Все эти модификации имеют постоянные решетки, отличающиеся от постоянной решетки InSb менее чем на 12%. В этом случае, как и предполагалось, МДП-структуры обладали плотностью поверхностных состояний менее 10¹¹ см^-2 эВ^-1, при этом они не изменяли своих параметров в течение длительного времени (более 1000 часов). Встроенный заряд в окисле практически отсутствовал. Электролит для получения такого анодного окисла описан в [3].

Добавление Н₂O в электролит свыше 1 вес.% приводило к образованию еще двух модификаций в анодном окисле: Sb₂O₄ и Sb₂O₅. Как видно из таблицы, отличие их постоянных решеток от решетки InSb составило 18%. Найдено, что характеристики МДП-структур на основе такого анодного окисла ухудшались: повышалась плотность поверхностных состояний до 7·10¹¹-5·10¹² см^-2 эВ^-1, появлялся гистерезис на вольт-фарадных характеристиках и обнаруживалась их временная нестабильность.

Интересно заметить, что такие же характеристики наблюдались для МДП-структур на InSb с использованием анодного окисла, выращенного в водных растворах КОН. Авторами было установлено, что, как и в предыдущем случае, в окисле обнаруживались модификации окислов сурьмы Sb₂О₄ и Sb₂О₅.

Таким образом, знание структуры окислов индия и сурьмы позволяет правильно выбрать состав сложного "собственного" окисла InSb и условия его получения. В свою очередь это способствует получению стабильных МДП-структур с совершенной границей раздела. Из экспериментальных данных по анодным окислам установлено, что хорошую по качеству границу раздела анодный окисел - InSb образуют окислы индия и сурьмы, параметры двумерных решеток которых отличаются от постоянной решетки InSb не более чем на 12%.

Рассмотрим соответствие параметров решеток InSb и инородных диэлектриков, их связь с характеристиками МДП-структур и условиями их получения.

В таблице приведены постоянные двумерных решеток для диэлектрических соединений, таких как Al₂O₃ (различные модификации), SiO₂ (различные модификации), Si₃N₄, AlN, InN, TiO₂ (различные модификации).

К сожалению, данные о структуре SiON в литературе отсутствуют.

Из таблицы видно, что лучших результатов следует ожидать для МДП-структур на антимониде индия, в которых применяется в качестве диэлектриков AlN и TiO₂ (рутил). В этом случае постоянные двумерных решеток окислов и InSb отличаются не более чем на 3%.

Для окислов Al₂O₃ и SiO₂ (β-кристобаллит) это расхождение составляет менее 12%.

Как указывалось выше, для МДП-структур на основе AlN и TiO₂ (полученных в плазме и методом молекулярного наслаивания) удавалось получить границу раздела, содержащую плотность поверхностных состояний (3-7)·10¹⁰ см^-2 эВ^-1, при этом гистерезис на вольт-фарадных характеристиках отсутствовал. Эти структуры обладали стабильностью характеристик во времени. Однако процент выхода таких структур был ничтожно мал (1-2%) и причины этого явления были неясными.

Для МДП-структур на основе окисла алюминия (γ-Al₂O₃), полученного методом электронно-лучевого испарения, плотность поверхностных состояний составляла менее 5·10¹¹ см^-2 эВ^-1. Но, как и в предыдущем случае, наблюдалась невоспроизводимость процесса получения таких структур.

Методами масс-спектрометрии вторичных ионов, Оже-спектрометрии и дифракции медленных ионов авторами было установлено наличие собственных окислов, для "плохих" МДП-структур, между InSb и диэлектриками TiO₂, Al₂O₃ и AlN. Эти собственные окислы, в основном Sb₂O₄ и Sb₂O₅, образовывались перед процессом (или в начальной его стадии) нанесения диэлектриков. Эти "собственные" окислы, содержащие Sb₂O₄ и Sb₂O₅, и приводили к ухудшению характеристик МДП-структур.

Для получения МДП-структур на основе диэлектриков Al₂O₃ и TiO₂ авторами было экспериментально проверено два способа:

1) предварительное травление поверхности InSb и последующее нанесение диэлектрика в той же вакуумной камере;

2) предварительное нанесение тонкого (10-500Å) анодного окисла, не содержащего модификаций Sb₂O₄ и Sb₂O₅, и последующее нанесение диэлектриков Al₂O₃ или TiO₂.

В этих случаях удалось повысить процент выхода годных структур (с плотностью поверхностных состояний менее 5·10¹¹ см^-2 эВ^-1) до 70-80%.

Хотя и оказывалось, что SiO₂ может позволить получить хорошую границу раздела (<5·10¹¹ см^-2 эВ^-1) в МДП-структурах на основе InSb, однако основная трудность в настоящее время заключается в получении воспроизводимых структур. Даже в случае получения SiO₂ из газовой фазы (смеси SiH₄ и O₂) с предварительным травлением поверхности процент выхода годных не превышал 5-10%.

Таким образом, из вышеизложенного вытекает, что для создания совершенной границы раздела диэлектрик - антимонид индия необходимо применять диэлектрик, у которого параметры двумерной решетки согласуются с параметрами двумерной решетки InSb в пределах ±12%.

Изобретение позволило выбрать оптимальный диэлектрик, необходимый для создания МДП фотоприемных линеек, состоящий из анодного окисла, полученного в безводных электролитах с оптимальным содержанием воды, и второго слоя - двуокиси алюминия. Этот двухслойный диэлектрик, в свою очередь, позволил поднять процент выхода годных линеек до 70% (ранее 5-10%) до операции сборки и до 20% для 64 элементных линеек после сборки (ранее менее 0,5%). При испытаниях повысились стабильность параметров линеек: они работали без изменения параметров в течение 3 лет, выдерживая при этом многократные термоциклы от комнатной температуры до 77К.

Кроме того, изобретение позволяет прогнозировать оптимальные композиции диэлектриков для создания межслойной изоляции и многоуровневой металлической разводки на InSb. В качестве примера можно привести анодный окисел - AlN, анодный окисел - AlO₃, AlN, анодный окисел - TiO₂ и др.

Параметры двумерных решеток антимонида индия и диэлектриков с различной ориентацией№ п/пПараметры полупроводникаПараметры диэлектрикаориентацияпараметры двумерной решеткитипориентацияпараметр двумерной решетки123456710016,48InSbO₄ (рутил)
а=4,74; с=3,215Å0016,64-2%21114,54
7,84InSbO₄0214,74
7,98-4%
-2%31104,54
6,48×2=12,96InSbO₄0314,74-4%40019,07In₂О₃ (см. Mn₂О₃)
а=10,12Å00110,12-12%
+20%51119,07
15,69In₂О₃ (см. Mn₂О₃)31010,12
16,6-12%
-6%61109,07
6,48×2=12,96∂n₂О₃ (см. Mn₂О₃)21010,12
11,315-12%
+12%70016,48×2=12,96
6,48Sb₂О₃
a=4,92 (валентинит)
в=12,46; с=5,4210012,46
5,42+4%
+12%80016,48Sb₂О₄ (Sb₂О₅)
a=5,436; в=4,510; с=11,76Å0105,436
11,76+18%90016,48×2=12,96Sb₂O₃ (сенармонтит)
а=11,1500111,15+14%101119,07×2=18,14Sb₂O₃ (сенармонтит)11115,61+12%111109,07×2=18,14
6,48×2=12,96Sb₂O₃ (сенармонтит)11015,61
11,15+12%
+14%121119,07Si₃N₄
а=13,38
c=8,60000113,38-48%131119,07:2=4,53α-Al₂O₃
a=4,75
с=12,97Å000113,38
4,751-5%140016,48Al₂O₃ (шпинель)
a=7,9000111,175:2=5,59+12%150016,48Al₂O₃ (шпинель)
a=3,950015,59+12%161119,07AlN (см. InSb)
a=3,104
с=4,96500019,312-3%171119,07InN (см. InSb)
a=3,533
с=5000110,599-17%181119,07SiO₂ (β-кварц)
a=4,99
с=5,4500014,99×2=9,98-14%191119,07SiO₂ (α-кварц)
a=4,90
с=5,3900014,90×2=9,8-14%201119,07
9,07×2=18,14SiO₂ (β-тридимит)
a=5,03
с=8,2200015,03×2=10,06
5,03×3=15,09-11%
-17%210016,48SiO₂ (β-кристобалит)
a=7,050017,05-9%221119,07SiO₂ (β-кристобалит)1119,97-10%231109,07
6,48SiO₂ (β-кристобалит)1109,87
7,05-10%
-9%241114,54
7,84TiO₂ (рутил)0214,49
7,32+1%
+7%251104,54
12,96TiO₂ (рутил)0314,49
9,76+1%
+25%260016,48TiO₂ (брукит)
а=9,166
в=5,436
с=5,1351005,436
5,135+16%
+20%270019,07:2=4,54
6,48TiO₂ (анатаз)
а=3,777
с=9,5010013,777
5,34+17%280019,07:2=4,54
6,48TiO₂ (рутил)
а=4,49
с=2,890014,49
6,35+1%291119,07:2=4,54Sb
а=4,4981114,498+1%

Источники информации:

1. Г.А. Манохина, З.В. Павлова, Ю.А. Кузнецов. Диэлектрики в разработке и производстве приборов на антимониде индия. Обзоры по электронной технике. Серия 2 "Полупроводниковые приборы". Вып. 6, 1979.

2. Сорокин И.Н. и др. Обзор на тему "Анодные окисные пленки на поверхности полупроводников группы A^IIIB^V. "Зарубежная электронная техника, 1979, № 14, июль.

3. Авторское свидетельство СССР № 1840205, 2006.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для создания полупроводниковых приборов и интегральных схем на основе полевого эффекта, таких как полевые транзисторы, МДП-варакторы, МДП-фотоприемники ИК-диапазона и ПЗС. Сущность: полупроводниковый прибор на основе антимонида индия содержит раздел полупроводник-диэлектрик. При этом, в качестве диэлектрика использован материал, у которого рассогласование двумерной решетки не превышает 12% от постоянной двумерной решетки антимонида индия. Технический результат: улучшение электрофизических параметров прибора. 1 табл.

Полупроводниковый прибор на основе антимонида индия, содержащий раздел полупроводник - диэлектрик, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрофизических параметров прибора, в качестве диэлектрика использован материал, у которого рассогласование двумерной решетки не превышает 12% от постоянной двумерной решетки антимонида индия.