СПОСОБ ПАССИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ GaAs

Изобретение относится к технологии арсенид-галлиевой микроэлектроники, в частности к методам электрической пассивации поверхности полупроводниковых соединений и твердых растворов групп А^IIIВ^V, и может быть использовано для снижения плотности поверхностных состояний как на свободной поверхности полупроводника, так и на границе раздела металл-полупроводник и диэлектрик-полупроводник.

Известен способ [Waldrop J.R. / Influence of S and Se on the Schottky-barrier height and interface chemistry of Au contacts to GaAs // J.Vac. Sci. Technol. 1985. №3. C.1197-1201], в котором пластина GaAs обрабатывается в свежеприготовленном растворе H₂SO₄:H₂O₂:H₂O (4:1:1), в результате чего удаляется тонкий приповерхностный слой GaAs, а после окончания травления на поверхности остается тонкий (0,8-1 нм) слой собственного оксида GaAs. Затем пластина загружается в вакуумную камеру и после завершения цикла откачки с целью удаления оксидного слоя нагревается до температуры 550°C. После охлаждения до комнатной температуры пластина с целью электрической пассивации поверхности обрабатывается парами серы, выходящими из нагретой кварцевой ампулы, заполненной высокочистой серой. В результате такого воздействия происходит халькогенизация пластины GaAs и на ее поверхности формируется сверхтонкая пленка серы, имеющая с кристаллом GaAs связи типа Ga-S и As-S. Образование пленки приводит к уменьшению плотности поверхностных состояний, препятствует окислению поверхности GaAs и обеспечивает необходимое структурно-химическое сопряжение полупроводника с осаждаемой на халькогенизированную поверхность GaAs тонкой пленкой металла или диэлектрика.

Недостатком данного способа является сложность его включения в маршруты изготовления полупроводниковых приборов или МИС в связи с необходимостью использовать высокую температуру (550°C) для удаления слоя собственного оксида. Обычно температура пластины GaAs в типичных маршрутах изготовления приборов находится в диапазоне 20-80°C, а максимальная температура термообработки не превышает 460°C. Кроме этого операция халькогенизации поверхности пластины GaAs серой, находящейся в газовой фазе, нетехнологична и приводит к серьезному загрязнению вакуумной камеры и вакуумной системы установки.

Известен способ, выбранный авторами за прототип [В.Н.Бессолов, Е.В.Коненкова, М.В.Лебедев / Пассивация GaAs в спиртовых растворах сульфида аммония // Физика и техника полупроводников, т.31, №11, 1997. С.1350-1356], включающий химическую очистку пластины GaAs в кислотном растворе HCl в течение 100 секунд при комнатной температуре и халькогенизацию поверхности пластины GaAs в 20% растворе (NH₄)₂S в течение 10-15 мин также при комнатной температуре. После этого остатки раствора удаляются с поверхности пластины.

К недостаткам способа следует отнести низкую воспроизводимость результата процесса халькогенизации от пластины к пластине (от процесса к процессу), что связано с невоспроизводимым физико-химическим состоянием поверхности пластины GaAs перед выполнением операции обработки в кислотном растворе, а также недостаточно низкую плотность поверхностных состояний, реализующуюся после завершения халькогенизации поверхности.

Основной технической задачей предложенного способа является преодоление указанных выше недостатков, а также улучшение электрических параметров границы раздела металл-полупроводник и диэлектрик-полупроводник, сформированных на пассивированной поверхности GaAs.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе пассивации поверхности GaAs, включающем химическую очистку поверхности пластины GaAs, ее халькогенизацию в водном растворе (NH₄)₂S и удаление остатков раствора, согласно предложенному решению после химической очистки и перед халькогенизацией пластину GaAs подвергают окислению в растворе перекиси водорода H₂O₂ в течение 1-10 мин.

В частном случае после химической очистки поверхности пластины GaAs и ее окисления проводят операции технологического маршрута изготовления полупроводникового прибора, а халькогенизацию пластины GaAs выполняют непосредственно перед осаждением тонких металлических пленок, в том числе формирующих омический или барьерный контакт к GaAs.

В частном случае после химической очистки поверхности пластины GaAs и ее окисления проводят операции технологического маршрута изготовления полупроводникового прибора, а халькогенизацию пластины GaAs выполняют непосредственно перед осаждением тонкой диэлектрической пленки, в том числе капсулирующей поверхность GaAs.

В частном случае халькогенизацию поверхности пластины GaAs производят при комнатной или повышенной температуре, с активацией или без активации световым излучением.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого способа, отсутствуют.

Результаты поиска известных решений в данной и в смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлены относительные значения плотности поверхностных состояний для 10 халькогенизированных пластин GaAs, полученных по способу-прототипу, и 10 халькогенизированных пластин GaAs, полученных по предлагаемому способу, на фиг.2 - значения приведенного контактного сопротивления омических контактов к GaAs для пластин, полученных по способу-прототипу и предлагаемому способу.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Пластина GaAs очищается от загрязнений и собственных окислов мышьяка и галлия в кислотном растворе HCl или H₂SO₄ и окисляется в растворе H₂O₂ в течение t=1-10 мин при комнатной температуре. Затем пластина GaAs подвергается халькогенизации в растворе (NH₄)₂S в течение t=1-20 мин при Т=20-80°C и сушится.

В тех случаях когда пассивация поверхности GaAs используется для улучшения параметров границы раздела GaAs/металл (омических или барьерных контактов) или GaAs/диэлектрик (капсулирующего покрытия), то сначала исходная пластина GaAs подвергается химической очистке, а затем окисляется в растворе H₂O₂. После этого пластина GaAs проходит все операции технологического маршрута в состоянии, когда ее поверхность защищена от воздействия технологических сред тонким слоем собственного оксида. Халькогенизацию пластины GaAs в растворе (NH₄)₂S выполняют непосредственно перед осаждением тонкой пленки металла или диэлектрика. После окончания халькогенизации и удаления остатков раствора пластина GaAs загружается в вакуумную камеру, где производится осаждение тонких металлических или диэлектрических пленок.

Окисление поверхности пластины GaAs в растворе H₂O₂ протекает по механизму самоостанавливающегося процесса (скорость роста пленки оксида резко уменьшается с течением времени окисления и увеличения толщины пленки) и поэтому позволяет сформировать тонкую, но однородную по толщине пленку оксида. Это приводит к выравниванию начальных условий на поверхности и увеличению воспроизводимости результата электрической пассивации. Кроме этого тонкий оксидный слой, защищающий поверхность, при прохождении пластиной технологического маршрута гарантирует получение воспроизводимого результата вне зависимости от вида воздействия на поверхность.

При халькогенизации в растворе (NH₄)₂S последовательно происходят удаление тонкой пленки собственного оксида GaAs и пассивация серой очищенной поверхности. При этом все загрязнения, присутствовавшие на поверхности, удаляются вместе с пленкой собственного оксида, что гарантирует высокую воспроизводимость результата процесса халькогенизации (величину снижения плотности поверхностных состояний).

Минимальная длительность выполнения операции окисления в растворе H₂O₂ (1 мин) определяется временем, необходимым для достижения пленкой оксида такой толщины, когда дальнейшее увеличение времени не приводит к существенному ее росту. Максимальная длительность (10 мин) определяется нецелесообразностью дальнейшего окисления вследствие прекращения роста пленки оксида.

ПРИМЕР 1

Данный пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, а именно влияние пассивации поверхности GaAs, подготовленной по предлагаемому способу, на величину плотности поверхностных состояний N_s.

В экспериментах использовались ионно-легированные пластины n-i-GaAs с концентрацией электронов в слое толщиной 0,12 мкм, равной n=2×10¹⁷ см^-3. На поверхности пластины GaAs производилась очистка поверхности от собственных окислов мышьяка и галлия в водном растворе H₂SO₄ (1:10) в течение 3 минут с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. Затем пластина делилась на две части, одна из которых (образец I) подвергалась химическому окислению в 30% растворе перекиси водорода H₂O₂ в течение t=3 мин. Далее оба образца одновременно проходили технологические операции по формированию омических контактов на основе композиции AuGeNi с топологией, позволяющей проводить относительные измерения величины плотности поверхностных состояний N_S. После измерения величины N_S на обоих образцах образец II проходил предварительную подготовку поверхности согласно способу-прототипу. После чего оба образца подвергались халькогенизации в 20%-ном водном растворе (NH₄)₂S в течение t=5 мин при комнатной температуре и удалению остатков раствора. Далее производились измерения величины плотности поверхностных состояний. Величины измерялись на 10 тестах, а затем усреднялись. Данный эксперимент повторялся 10 раз для получения результатов по воспроизводимости.

Из результатов, представленных фиг.1, видно, что заявляемый способ позволяет уменьшить значение плотности поверхностных состояний на 10-20% относительно исходного значения и существенно увеличить воспроизводимость результата процессов халькогенизации.

ПРИМЕР 2

Пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, при изготовлении омических контактов к GaAs. В эксперименте использовалась ионно-легированная пластина n-i-GaAs с концентрацией электронов в слое толщиной 0,12 мкм, равной n=2×10¹⁷ см^-3.

На поверхности пластины GaAs производилась очистка поверхности от собственных окислов мышьяка и галлия в водном растворе H₂SO₄ (1:10) в течение 3 минут с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. Затем пластина делилась на две части, одна из которых (образец I) подвергалась химическому окислению в 30% растворе перекиси водорода H₂O₂ в течение t=3 мин, а второй оставался без изменений. На поверхности обоих образцов формировалась двухслойная резистивная маска, в которой вскрывались окна в месте будущих омических контактов. Затем образец II проходил предварительную подготовку поверхности согласно способу-прототипу. После чего оба образца подвергалась халькогенизации в 20%-ном водном растворе (NH₄)₂S в течение t=5 мин при комнатной температуре с последующим удалением остатков раствора. Затем образцы загружались в вакуумную камеру. После чего на образцы методом термического испарения производилось осаждение металлизации омического контакта на основе композиции Ge/Au/Ni толщиной 0,2 мкм. Образцы извлекались из вакуумной камеры, и с помощью обратной фотолитографии формировалась топология контактов. Затем с целью формирования омических контактов образцы подвергались быстрой термической обработке при температуре Т=420°C в течение t=60 секунд.

Величины приведенного контактного сопротивления омических контактов измерялись методом линии передач на 10 тестах, а затем усреднялись.

Из результатов, представленных фиг.2, видно, что омические контакты, сформированные к пассивированной поверхности GaAs, предварительно подготовленной согласно заявляемому способу, обладают в 1,5 раза меньшим значением приведенного контактного сопротивления, чем омические контакты, сформированные на поверхности, подготовленной по способу-прототипу.

Таким образом, можно заключить, что халькогенидная обработка предварительно окисленной в перекиси водорода поверхности GaAs перед осаждением металлизации омических контактов приводит к улучшению их электрофизических параметров.