3
5
СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ AB И СПОСОБ ЕЕ ФОРМИРОВАНИЯ
3
5
METAL-DIELECTRIC-SEMICONDUCTOR STRUCTURE BASED ON AB COMPOUNDS AND ITS FORMATION METHOD

Изобретения относятся к полупроводниковым приборам, к технологии их изготовления и могут быть использованы при разработке и изготовлении приборов на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структур), в частности, InAs.
3
5
3
5
Известна структура металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (М.Yamaguchi, A.Yamamoto, H.Sugiura and С.Uemura. Thermal oxidation of InAs and characterization of the oxide film. Thin Solid Films, 92 (1982), p.p.361-369), содержащая полупроводниковую подложку АВ, расположенный на ее рабочей поверхности диэлектрический слой, полученный термическим окислением подложки с образованием окисного слоя толщиной от 13 нм до 1000 нм, и напыленный слой металла - золота - на диэлектрический слой. В качестве полупроводниковой подложки использована подложка InAs.
Приведенной структуре присущи ограниченность применения и функциональных возможностей, низкое качество, отсутствие воспроизводимости электрофизических параметров, значительная толщина диэлектрического слоя, неудовлетворительные пассивирующие свойства диэлектрического слоя. Недостатки обусловлены следующим.
Используемому термическому окислу в качестве диэлектрического слоя свойственно нарушение стехиометрии при росте окисной пленки из-за преимущественного испарения атомов мышьяка и наличие широкой переходной области между диэлектрическим слоем и подложкой. Таким образом, МДП-структуры, в которых использован диэлектрический слой, полученный термическим окислением, характеризуются недостаточными параметрами для изготовления приборов.
3
5
3
5
Известна структура металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (Сорокин И.Н., Гатько Л.Е. Влияние фтора на рост и свойства анодных окисных слоев арсенида индия. Неорганические материалы, т.21, №4, 1985 г., с.с.537-540), содержащая полупроводниковую подложку АВ, расположенный на ее рабочей поверхности диэлектрический слой, являющийся анодным окислом, полученный анодированием подложки в электролите, содержащем ионы фтора, и напыленный слой металла - алюминия - на диэлектрический слой. Толщина анодного окисного слоя - 100 нм. В качестве полупроводниковой подложки использована подложка InAs.
Приведенной структуре присущи ограниченность применения и функциональных возможностей, низкое качество, отсутствие воспроизводимости электрофизических параметров, значительная толщина диэлектрического слоя, неудовлетворительные пассивирующие свойства диэлектрического слоя. Недостатки обусловлены следующим.
3
5
МДП-структурам, в которых использован диэлектрический слой, сформированный анодным окислением в жидком электролите, свойственна размытая граница раздела диэлектрик-полупроводник (С.Л.Григорович, А.С.Волков, А.П.Лоцман. Исследование состава анодных окисных пленок на арсениде индия методом Оже-электронной спектроскопии. Электронная техника. Сер. Материалы. Вып.3 (152) (1981), с.с.39-42), а также сильная зависимость соотношения имеющихся окисных фаз в диэлектрическом слое, например, мышьяка, индия и элементного мышьяка от условий синтеза и существенный градиент химического состава по толщине диэлектрического слоя (Сорокин И.Н., Козлов В.И. Получение и свойства анодных окисных пленок на InAs. Неорганические материалы, т.15, №3, 1979, с.с.537-538; F.Echeverria, P.Sceldon, G.E.Thompson, Y.Habazaki, K.Shimizu. The formation of anodic oxides on InAs at high efficiency in sodium tungstate electrolite. Thin Solid Films, 371 (2000), p.p.303-309; С.Л.Григорович, А.С.Волков, А.П.Лоцман. Исследование состава анодных окисных пленок на арсениде индия методом Оже-электронной спектроскопии. Электронная техника. Сер. Материалы. Вып.3 (152) (1981), с.с.39-42; Сорокин И.Н., Гатько Л.Е. Влияние фтора на рост и свойства анодных окисных слоев арсенида индия. Неорганические материалы, т.21, №4, 1985, с.с.537-540; Т.П.Смирнова, Н.Ф.Захарчук, А.Н.Голубенко, В.И.Белый. Фазовый состав и структура оксидных слоев на полупроводниках АВ. Проблемы электронного материаловедения. 1990, с.с.62-83).
3
5
Кроме того, в состав используемых анодных окислов, например InAs, неизбежно входят нежелательные примеси - компоненты электролита. МДП-структуры на основе анодных окисных пленок обладают рядом отрицательных свойств, таких как гистерезисные явления, высокая плотность поверхностных состояний, нестабильность порогового напряжения и фотопамять. Для системы АВ анодный окисел-InSb (Е.П.Кокин, Ю.В.Сурин. Условия получения и свойства системы металл-диэлектрик-антимонид индия. Электронная техника. Микроэлектронные устройства. Серия 10, вып.4(16) (1979), с.с.73-80; Романов О.В., Сазонов С.Г., Моталева Н.В. Совершенствование формирования МДП-системы на основе InSb. Микроэлектроника, т.11 вып.2, 1982, с.с.165-169) установлено, что ухудшение электрофизических параметров МДП-структур связано с увеличением толщины анодной окисной пленки.
2
10
-2
-1
Таким образом, для снижения этих паразитных эффектов необходимо уменьшение толщины пассивирующего окисного слоя. В настоящее время МДП-структуры с анодным окислом тоньше 15 нм не обладают воспроизводимыми параметрами. Приемлемые электрофизические параметры МДП-структур могут быть получены только в случае использования слоя анодного окисла толщиной порядка 15 нм, защищенного сверху качественным диэлектриком - SiO толщиной более 100 нм (Н.А.Корнюшкин, Н.А.Валишева, А.П.Ковчавцев, Г.Л.Курышев. Влияние свойств границы раздела и глубоких уровней в запрещенной зоне на вольт-фарадные характеристики МДП-структур на арсениде индия. ФТП, 1996, т.30, вып.5, с.с.914-917; Н.А.Валишева, Т.А.Левцова, Л.М.Логвинский, А.П.Ковчавцев, Г.Л.Курышев, А.З.Петренко, И.П.Петренко. Влияние фтора на границу раздела анодный оксид - арсенид индия. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1999, №11, с.с.53-58; А.П.Ковчавцев и др. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона, Новосибирск, Наука, 2001, с.10). Таким МДП-структурам свойственна низкая плотность поверхностных состояний (2÷5)·10 см эВ, однако при этом в них наблюдаются гистерезисные явления, нестабильность порогового напряжения и эффект фотопамяти. Для устранения этих отрицательных явлений необходимо дальнейшее уменьшение толщины пассивирующей пленки при сохранении ее качества. Изготовление таких структур требует последовательного проведения нескольких технологических операций, требует термического нагрева образца до 200÷220°С и связано с необходимостью перемещения изготавливаемых структур между технологическими установками в условиях слабо контролируемой атмосферы. Указанная многостадийность процесса изготовления структур диэлектрик-полупроводник может отражаться на воспроизводимости их параметров.
3
5
3
5
3
5
Известна структура металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (Fusako Koshiga and Takuo Sugano. The anodic oxidation of GaAs in an oxygen plasma generated by a d.c. electrical discharge. Thin Solid Films, 56 (1979), p.p.39-49), содержащая полупроводниковую подложку АВ, расположенный на ее рабочей поверхности диэлектрический слой, являющийся анодным окислом, полученный анодированием подложки в плазме кислорода, и напыленный слой металла - алюминия - на диэлектрический слой. В качестве полупроводниковой подложки AB использована подложка GaAs n-типа проводимости, ориентации (100) или (111), А или В; или р-типа проводимости ориентации (111). Толщина окисного слоя равна от 100 нм до 400 нм; диаметр алюминиевого контакта - 0,3 мм.
3
5
3
5
3
5
В качестве наиболее близкого аналога выбрана структура металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (L.A.Chesler and G.Y.Robinson, d.c. plasma anodization of GaAs. Appl. Phys. Lett.32(1) (1978), pp.60-62), содержащая полупроводниковую подложку АВ, расположенный на ее рабочей поверхности диэлектрический слой, являющийся анодным окислом, полученный анодированием подложки в плазме кислорода, и напыленный слой металла - алюминия или золота - на диэлектрический слой. В качестве полупроводниковой подложки АВ использована подложка GaAs n-типа или р-типа проводимости ориентации (100). Толщина окисного слоя выбрана равной 250 нм.
Приведенным структурам присущи ограниченность применения и функциональных возможностей, низкое качество, отсутствие воспроизводимости электрофизических параметров, значительная толщина диэлектрического слоя, неудовлетворительные пассивирующие свойства диэлектрического слоя. Недостатки обусловлены следующим.
МДП-структурам свойственны граница раздела окисел-полупроводник низкого качества, низкое качество диэлектрического окисного слоя при его малой толщине. Как показано на примере GaAs, диэлектрические собственные окислы однородны по глубине и близки к стехиометрическому составу при относительно большой толщине. При этом чем больше толщина окисла, тем больше ширина переходной области между однородным окисным слоем и полупроводниковой подложкой. Указанная переходная область характеризуется повышенным содержанием атомов мышьяка. C-V характеристики МДП-структур на основе плазменных окислов GaAs, также как и для анодных окисных пленок, характеризуются значительным гистерезисом, значительной частотной зависимостью емкости в режиме обогащения и высокой плотностью поверхностных состояний.
3
5
3
5
3
5
Известен способ формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (D.H.Laughlin and C.W.Wilmsen. Thermal oxidation of InAs. Thin Solid Films, 70 (1980), p.p.325-332), заключающийся в том, что полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей ее поверхность, после чего проводят выращивание диэлектрического слоя термическим окислением подложки. В качестве подложки АВ используют легированную цинком пластину InAs ориентации (111). Предварительную обработку проводят, сначала выдерживая подложку в 10% растворе НСl в течение 15 минут, после чего осуществляя химико-механическую полировку в 1% растворе брома в метаноле, далее производя травление в составе «Chemsol-z» и, наконец, промывая ультрачистой водой в течение 15÷20 минут и высушивая в атмосфере азота. Термическое окисление проводят в атмосфере сухого кислорода при температуре от 350 до 475°С в течение 0,25÷1 часа, причем с использованием меньшего времени окисления при большей температуре. При этом получают толщину диэлектрического окисного слоя от 0,4÷1,0 нм - величины, соответствующей присутствующему после предварительной обработки естественному окислу, измеренной непосредственно после указанной обработки, до 20 нм.
3
5
3
5
3
5
-5
Известен способ формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (М.Yamaguchi, A.Yamamoto, H.Sugiura and С.Uemura. Thermal oxidation of InAs and characterization of the oxide film. Thin Solid Films, 92 (1982), p.p.361-369), заключающийся в том, что полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей ее поверхность, после чего проводят выращивание диэлектрического слоя термическим окислением подложки, затем на диэлектрический слой напыляют слой металла. В качестве подложки АВ используют пластину InAs ориентации (100) n-типа проводимости. Предварительную обработку проводят, сначала осуществляя химико-механическую полировку, затем производя травление в 2% растворе брома в метаноле в течение 5 минут, далее промывая в ультрачистой воде в течение 5 минут. После обработки проводят сушку. Подложку помещают в кварцевую трубку, откачивают до давления 10 Торр, после чего осуществляют подачу высокоочищенного кислорода. Термическое окисление проводят в атмосфере сухого кислорода при температуре от 400 до 650°С в течение от 15 минут до 64 часов, давление в процессе окисления поддерживают на уровне 1 атм. При этом получают толщину диэлектрического окисного слоя - 13÷1000 нм. На полученный окисный слой напыляют слой металла - золота.
К недостаткам приведенных способов формирования относятся ограниченность применения и функциональных возможностей МДП-структур, изготовленных этими способами, низкое качество МДП-структур, отсутствие воспроизводимости электрофизических параметров МДП-структур, значительные толщины диэлектрического слоя, неудовлетворительные пассивирующие свойства диэлектрического слоя. Недостатки обусловлены следующими причинами.
Реализация термического окисления подложки в атмосфере кислорода с целью формирования диэлектрического слоя требует нагрева до высоких температур (выше 350°С). Применение столь высоких температур вызывает нарушение стехиометрии поверхности полупроводниковой подложки и растущей окисной пленки из-за преимущественного испарения атомов мышьяка. МДП-структуры, полученные термическим окислением, характеризуются недостаточными параметрами для изготовления приборов.
3
5
3
5
Известен способ формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (Сорокин И.Н., Гатько Л.Е. Влияние фтора на рост и свойства анодных окисных слоев арсенида индия. Неорганические материалы, т.21, №4, 1985 г., с.с.537-540), заключающийся в том, что полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей ее поверхность, после чего проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в электролите, содержащем ионы фтора, затем на диэлектрический слой напыляют слой металла. В качестве полупроводниковой подложки используют подложку InAs n-типа проводимости ориентации (111). Анодирование проводят до получения анодного окисного слоя толщиной 100 нм в режиме постоянного тока или в комбинированном режиме в две стадии - гальваностатической и вольтстатической. В гальваностатической стадии применяют трехэлектродную схему, в вольтстатической - двухэлектродную. В качестве электрода сравнения используют насыщенный каломельный электрод, в качестве вспомогательного электрода - платиновую пластину. Подложку InAs окисляют в безводном растворе сульфосалициловой кислоты и фторида аммония. Формирование МДП-структуры завершают напылением через маску пленки алюминия.
К недостаткам приведенного способа формирования относятся ограниченность применения и функциональных возможностей МДП-структур, изготовленных этим способом, низкое качество МДП-структур, отсутствие воспроизводимости электрофизических параметров МДП-структур, значительные толщины диэлектрического слоя, неудовлетворительные пассивирующие свойства диэлектрического слоя. Недостатки обусловлены следующими причинами.
3
5
Окисные пленки, получаемые методом анодного окисления в жидких электролитах, характеризуются размытой границей раздела диэлектрик-полупроводник (С.Л.Григорович, А.С.Волков, А.П.Лоцман. Исследование состава анодных окисных пленок на арсениде индия методом Оже-электронной спектроскопии. Электронная техника. Сер. Материалы. Вып.3 (152) (1981), с.с.39-42), сильной зависимостью соотношения окисных фаз, например, мышьяка, индия и элементного мышьяка от условий синтеза и существенным градиентом химического состава по толщине пленки (Сорокин И.Н., Козлов В.И. Получение и свойства анодных окисных пленок на InAs. Неорганические материалы, т.15, №3, 1979, с.с.537-538, F.Echeverria, P.Sceldon, G.E.Thompson, Y.Habazaki, K.Shimizu. The formation of anodic oxides on InAs at high efficiency in sodium tungstate electrolite. Thin Solid Films, 371 (2000), p.p.303-309; С.Л.Григорович, А.С.Волков, А.П.Лоцман. Исследование состава анодных окисных пленок на арсениде индия методом Оже-электронной спектроскопии. Электронная техника. Сер. Материалы. Вып.3 (152) (1981), с.с.39-42; Сорокин И.Н., Гатько Л.Е. Влияние фтора на рост и свойства анодных окисных слоев арсенида индия. Неорганические материалы, т.21, №4, 1985, с.с.537-540; Т.П.Смирнова, Н.Ф.Захарчук, А.Н.Голубенко, В.И.Белый. Фазовый состав и структура оксидных слоев на полупроводниках АВ. Проблемы электронного материаловедения. 1990, с.с.62-83).
3
5
Кроме того, в состав анодных окислов, например, InAs неизбежно входят нежелательные примеси - компоненты электролита. МДП-структуры, изготовленные на основе анодных окисных пленок, обладают рядом отрицательных свойств, таких как гистерезисные явления, высокая плотность поверхностных состояний, нестабильность порогового напряжения и фотопамять. Для системы АВ анодный окисел-InSb (Е.П.Кокин, Ю.В.Сурин. Условия получения и свойства системы металл-диэлектрик-антимонид индия. Электронная техника. Микроэлектронные устройства. Серия 10, вып.4(16) (1979), с.с.73-80; Романов О.В., Сазонов С.Г., Моталева Н.В. Совершенствование формирования МДП-системы на основе InSb. Микроэлектроника, т.11, вып.2, 1982, с.с.165-169) установлено, что ухудшение электрофизических параметров МДП-структур связано с увеличением толщины анодной окисной пленки.
2
1
-2
-1
Таким образом, для снижения этих паразитных эффектов необходимо уменьшение толщины пассивирующего окисного слоя. До настоящего времени обычными электролитическими способами не удалось получить воспроизводимые параметры МДП-структур с анодным окислом тоньше 15 нм. Приемлемые электрофизические параметры МДП-структур могут быть получены, только когда слой анодного окисла толщиной порядка 15 нм защищен сверху качественным диэлектриком SiO толщиной более 100 нм (Н.А.Корнюшкин, Н.А.Валишева, А.П.Ковчавцев, Г.Л.Курышев. Влияние свойств границы раздела и глубоких уровней в запрещенной зоне на вольт-фарадные характеристики МДП-структур на арсениде индия. ФТП, 1996, том 30, вып.5, с.с.914-917; Н.А.Валишева, Т.А.Левцова, Л.М.Логвинский, А.П.Ковчавцев, Г.Л.Курышев, А.З.Петренко, И.П.Петренко. Влияние фтора на границу раздела анодный оксид - арсенид индия. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1999, №11, с.с.53-58; А.П.Ковчавцев и др. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона, Новосибирск, Наука, 2001, с.10). В таких МДП-структурах удалось получить низкую плотность поверхностных состояний (2÷5)·10 см эВ при добавлении в электролит при анодном окислении ионов фтора, однако при этом все еще остаются гистерезисные явления, нестабильность порогового напряжения и эффект фотопамяти. Для снижения этих отрицательных явлений необходимо дальнейшее уменьшение толщины пассивирующей пленки при сохранении ее качества. Изготовление таких структур требует последовательного проведения нескольких технологических операций, требует термического нагрева образца до 200÷220°C и связано с необходимостью перемещения изготавливаемых структур между технологическими установками в условиях слабо контролируемой атмосферы. Указанная многостадийность процесса изготовления структур диэлектрик-полупроводник может отражаться на воспроизводимости их параметров.
3
5
3
5
3
5
3
4
2
2
2
2
Известен способ формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (Fusako Koshiga and Takuo Sugano. The anodic oxidation of GaAs in an oxygen plasma generated by a d.c. electrical discharge. Thin Solid Films, 56 (1979), p.p.39-49), заключающийся в том, что полупроводниковую подложку AB подвергают предварительной обработке, очищающей ее поверхность, после чего проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки -анодирование подложки в плазме тлеющего разряда, содержащей кислород, затем на диэлектрический слой напыляют слой металла. В качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку GaAs n-типа проводимости ориентации (100) или (111), А или В или р-типа проводимости ориентации (111). При предварительной подготовке, очищающей поверхность подложки, проводят химико-механическую полировку с последующим травлением подложки в смеси НРO:НO:НO, взятой в соотношении по объему 7:3:50, и промывку в ультрачистой деионизованной воде. Для проведения окисления подложку помещают в камеру окисления, при этом сама подложка выполняет функцию анода, а в качестве катода используют алюминиевый электрод. Расстояние между алюминиевым электродом и окисляемой подложкой выбирают равным 10 см. Камеру окисления откачивают до давления 0,01÷0,03 Торр и затем осуществляют подачу кислорода, устанавливая давление от 0,1 до 2 Торр. При окислении температуру подложки поддерживают на уровне от 22 до 200°С, а плотность тока - 5,3 мА/см. Толщину окисного слоя получают равной от 100 нм до 400 нм. Формирование МДП-структуры завершают вакуумным напылением через маску контакта из алюминия диаметром 0,3 мм.
3
5
3
5
Наиболее близким аналогом является способ формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ (L.A. Chesler and G.Y. Robinson. d.c. plasma anodization of GaAs. Appl. Phys. Lett. 32(1) (1978), p.p.60-62), заключающийся в том, что полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей ее поверхность, после чего проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда, содержащей кислород, затем на диэлектрический слой напыляют слой металла.
3
5
4
2
2
2
-7
-4
2
В качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку GaAs n-типа или р-типа проводимости ориентации (100). При предварительной подготовке, очищающей поверхность подложки, проводят травление полированной рабочей поверхности подложки в смеси NHOH:HO:HO. Для проведения окисления подложку помещают в камеру окисления, в качестве катода используют алюминиевый электрод. Подложку устанавливают на кварцевый пьедестал, размещая ее между анодом и катодом. Камеру окисления откачивают до давления 10 Торр и затем осуществляют подачу кислорода, устанавливая давление 10 Торр. Зажигают тлеющий разряд на постоянном токе. При окислении температуру подложки поддерживают на уровне не выше 40°С, а плотность тока - 1 мА/см. Толщину окисного слоя получают равной 250 нм. Формирование МДП-структуры завершают вакуумным напылением алюминия или золота через маску.
К недостаткам приведенных способов формирования относятся ограниченность применения и функциональных возможностей МДП-структур, низкое качество МДП-структур, отсутствие воспроизводимости электрофизических параметров МДП-структур, значительные толщины диэлектрического слоя, неудовлетворительные пассивирующие свойства диэлектрического слоя. Недостатки обусловлены следующим.
Формируемым структурам свойственна граница раздела окисел-полупроводник низкого качества и низкое качество диэлектрического слоя при его малых толщинах. Методом сухого окисления в кислородной плазме, как показано на примере GaAs, могут быть получены однородные по глубине и близкие к стехиометрическому составу собственные окислы относительно большой толщины. При этом ширина переходной области между диэлектрическим окисным слоем и подложкой растет с увеличением толщины окисла. C-V характеристики МДП структуры на основе плазменных окислов GaAs, также как и для анодных окисных пленок, характеризуются значительным гистерезисом, значительной частотной зависимостью емкости в режиме обогащения и высокой плотностью поверхностных состояний.
Техническим результатом группы изобретений является:
- расширение области применения МДП-структуры;
- расширение функциональных возможностей МДП-структуры;
- повышение качества МДП-структуры;
- достижение воспроизводимости электрофизических параметров МДП-структуры;
- снижение толщины диэлектрического слоя до туннельно-тонких толщин (3-10 нм);
- улучшение пассивирующих свойств диэлектрического слоя.
3
5
3
5
10
-2
-1
Технический результат достигается в структуре металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ, содержащей полупроводниковую подложку АВ, расположенный на ее рабочей поверхности диэлектрический слой, являющийся анодным окислом, полученный анодированием подложки в плазме тлеющего разряда, и напыленный слой металла на диэлектрический слой, в которой диэлектрический слой выполнен туннельно-тонким, в составе слоев - слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, используемого при анодировании в плазме, диэлектрическому слою свойственна граница раздела с подложкой с плотностью поверхностных состояний на границе раздела полупроводниковая подложка-диэлектрик менее 5·10 см эВ.
3
5
В структуре в качестве полупроводниковой подложки АВ использована подложка InAs или GaAs.
В структуре толщина диэлектрического слоя, выполненного туннельно-тонким, равна от 3 до 10 нм.
В структуре диэлектрический слой выполнен туннельно-тонким, в составе слоев: слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, используемого при анодировании в плазме, а именно слоя окисла индия и мышьяка и слоя окисла алюминия, или слоя окисла галлия и мышьяка и слоя окисла алюминия, или слоя окисла индия и мышьяка и слоя окисла кремния.
В структуре диэлектрический слой выполнен туннельно-тонким, в составе слоев: слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, используемого при анодировании в плазме, при этом слой окисла материала подложки расположен между подложкой и слоем окисла материала катода.
В структуре напыленный слой металла на диэлектрический слой выполнен из алюминия или золота.
3
5
3
5
Технический результат достигается в способе формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ, заключающемся в том, что полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей поверхность подложки, затем на подложке в вакуумной камере проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда, после чего на диэлектрический слой напыляют слой металла, при этом предварительную обработку, очищающую поверхность подложки, проводят при условиях, обеспечивающих полную очистку поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы, а выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда - осуществляют с использованием окислительной газовой среды и электропроводящего металлического или полупроводникового катода, при этом подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала катода, с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки.
3
5
В способе в качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку InAs или GaAs.
В способе предварительную обработку, очищающую поверхность подложки, проводят при условиях, обеспечивающих полную очистку поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы, а именно при условии проведения предварительной химической очистки, приводящей к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, и проведения окончательной очистки посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности.
3
5
В способе предварительную химическую очистку, приводящую к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, при использовании в качестве полупроводниковой подложки АВ подложки InAs проводят путем кипячения в толуоле в течение промежутка времени, достаточного для удаления загрязнений и получения поверхности подложки, покрытой аморфной окисной пленкой из естественных окислов индия и мышьяка, а затем подвергают воздействию насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени, удаляющего естественные окислы и не вызывающего нарастаний загрязнения хлором, не вызывающего нарастаний компоненты окисленного мышьяка и шероховатости поверхности; окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм проводят в вакууме с уровнем, обеспечивающим отсутствие адсорбирования на поверхность подложки остаточных газов, при температуре, достаточной для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки и не вызывающей нарушение стехиометрии из-за испарения мышьяка, и времени, достаточном для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки.
-7
-9
В способе кипячение в толуоле в течение промежутка времени, достаточного для удаления загрязнений и получения поверхности подложки, покрытой аморфной окисной пленкой из естественных окислов индия и мышьяка, проводят около 10 минут, а затем подвергают воздействию насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени, удаляющего естественные окислы и не вызывающего нарастаний загрязнения хлором, компоненты окисленного мышьяка и шероховатости поверхности, а именно продолжительностью от 5 до 30 минут; окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм проводят в вакууме с уровнем, обеспечивающим отсутствие адсорбирования на поверхность подложки остаточных газов, а именно 10÷10 Торр, при температуре, достаточной для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки и не вызывающей нарушение стехиометрии из-за испарения мышьяка, а именно от 200 до 400°С, и времени, достаточном для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки, а именно от 30 до 60 минут.
В способе выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда - осуществляют с использованием окислительной газовой среды, а именно кислородсодержащей или фторсодержащей.
2
2
3
6
В способе в качестве окислительной газовой среды, кислородсодержащей, используют среду O, или СО, или NO; фторсодержащей - NF или SF.
В способе выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда - осуществляют с использованием электропроводящего металлического или полупроводникового катода - алюминиевого или кремниевого.
В способе перед проведением выращивания диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда - создают уровень вакуума в вакуумной камере, достаточный для подавления влияния остаточных примесей на качество диэлектрического слоя, соответствующий выращиванию диэлектрического слоя в составе окислов материала подложки и окисла материала катода.
-7
-9
В способе создают уровень вакуума в вакуумной камере, достаточный для подавления влияния остаточных примесей в отношении используемой окислительной среды, а именно от 10 до 10 Торр.
В способе горение тлеющего разряда осуществляют в свободном пространстве вакуумной камеры, не ограничивая его стенками вакуумной камеры.
В способе выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда - проводят с использованием режима нормального тлеющего разряда и при давлении окислительной газовой среды, обеспечивающем стабильное горение тлеющего разряда.
В способе выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда - проводят с использованием режима нормального тлеющего разряда и при давлении окислительной газовой среды, обеспечивающем стабильное горение тлеющего разряда, а именно при напряжении на разрядном промежутке от 320 В до 500 В и давлении от 0,01 до 1 Торр.
В способе подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала катода с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки, а именно барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего диффузии окислителя к поверхности подложки.
В способе подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала-катода с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки, а именно подложку помещают, параллельно располагая рабочую поверхность подложки и поверхность катода, на расстоянии от катода, определяемом нормальной шириной катодной области тлеющего разряда.
В способе подложку помещают в вакуумную камеру и проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда при комнатной температуре.
В способе формируют туннельно-тонкий диэлектрический слой из окисла материала подложки, равный по толщине от 2 нм до 10 нм.
В способе подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала катода с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки, выдерживая подложку для формирования туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки в течение времени от 10 минут до 65 минут.
Сущность изобретений поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг.1 представлены рентгеновские фотоэлектронные линии мышьяка, индия и кислорода с поверхности образца InAs (111) А: 1 - после обезжиривания в толуоле; 2, 3, 4 - после обезжиривания в толуоле и затем обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте, соответственно в течение 5, 15, 30 минут; 5 - после обезжиривания в толуоле и затем последующих обработок в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте и отжигом в вакууме в течение 60 минут при температуре 300°С.
На Фиг.2 приведены гистограммы нормированных интенсивностей фотоэлектронных пиков примесных элементов с поверхности образца InAs для различной продолжительности обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте.
На Фиг.3 показано изображение поверхности образца InAs (111) А, полученное методом атомно-силовой микроскопии: а) после обезжиривания образца в толуоле; б) после обезжиривания в толуоле и затем обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте в течение 15 минут.
На Фиг.4 приведены гистограммы, иллюстрирующие отношение поверхностных концентраций As/In и эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда в приповерхностной области образца InAs после обезжиривания в толуоле, обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте и отжигов в вакууме в диапазоне температур от 200 до 500°С.
2
На Фиг.5 представлены рентгеновские фотоэлектронные линии мышьяка, индия, кислорода и углерода с поверхности образца InAs (111) А: 6 - после обезжиривания в толуоле и затем обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте; 7 - после обезжиривания в толуоле и затем обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте и выдержки в атмосфере O в течение 35 минут, в отсутствии воздействия плазмы; 8, 9, 10 - после обезжиривания в толуоле и затем последующих обработок в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте, отжига в вакууме и в финале - обработки в плазме кислорода, соответственно в течение 15, 35, 65 минут.
На Фиг.6 представлены вольт-амперные характеристики тлеющего разряда в атмосфере кислорода.
На Фиг.7 показана принципиальная схема установки плазменного оксидирования.
На Фиг.8 дана таблица толщин окисных пленок InAs и А1, полученных в результате воздействия кислородной плазмы, в зависимости от продолжительности воздействия плазмы.
На Фиг.9 показаны кривые вольт-фарадных характеристик (ВФХ) и малосигнального адмиттанса МДП-структуры при частоте f=16 кГц и температуре Т=78 К.
На Фиг.10 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-структуры при температурах Т=78 К и 300 К.
На Фиг.11 приведено поперечное сечение фоточувствительного элемента на основе МДП-структуры, где 11 - сильнолегированная полупроводниковая подложка; 12 - эпитаксиальный слой; 13 - область обеднения; 14 - инверсионный слой; 15 - подзатворный диэлектрик; 16 - затвор фоточувствительного элемента; 17 - омический контакт к полупроводниковой подложке.
На Фиг.12 показана в разрезе структура полевого транзистора с изолированным затвором, где 18 - исток; 19 - затвор; 20 - сток; 21 - диэлектрический слой; 22 - металлический электрод; 23 - подложка р-типа проводимости; 24 - канал.
s
е
м
gs
gn
g
0
1
2
n
м
е
На Фиг.13, в ее левой части, показана зонная диаграмма МДП-структуры со сверхтонким диэлектрическим слоем при приложенном отрицательном напряжении на металле относительно полупроводника, где φ - изгиб зон на поверхности полупроводника; Ф - высота потенциального барьера на границе полупроводник-диэлектрик; Ф - высота потенциального барьера на границе металл-полупроводник; E - ширина запрещенной зоны полупроводника; E - ширина запрещенной зоны сверхтонкого окисла; V - напряжение на МДП-структуре; Е, E и Е - три квантовых уровня в слое инверсии полупроводника; в правой части показана ВАХ МДП-структуры при низкой температуре Т=4,2 К, где 25 - экспериментальная кривая; 26 - теоретическая кривая, построенная с использованием модели с закреплением зон (d = 1,16 нм, Ф, Ф = 0,51 эВ).
Достижение технического результата в предлагаемой группе изобретений обусловлено следующим.
10
-2
-1
10
-2
-1
МДП-структурам присуща граница раздела окисел-полупроводник высокого качества, а также высокое качество диэлектрического окисного слоя при его малой толщине. Диэлектрическому слою свойственна граница раздела с подложкой с плотностью поверхностных состояний на границе раздела полупроводниковая подложка-диэлектрик менее 5·10 см эВ. В частном случае граница раздела диэлектрический слой - подложка InAs характеризуется плотностью поверхностных состояний 3,8·10 см эВ. Напряжение плоских зон и гистерезис вольт-амперных характеристик составляют около 0,5 В.
Толщина диэлектрического слоя, являющегося анодным окислом, полученным анодированием подложки в плазме тлеющего разряда, задана с прецизионной точностью. Указанный слой выполнен в составе диэлектрически прочного слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, защищающего слой окисла материала подложки, задающего его толщину с прецизионной точностью и позволяющего его выполнять туннельно-тонким.
3
5
При изготовлении МДП-структур осуществлена возможность простого и удобного прецизионного формирования диэлектрических слоев - тонкопленочных пассивирующих слоев и туннельных барьеров на поверхности полупроводника типа АВ в нанометровом диапазоне толщин без удаления подложки из вакуумной системы. Так, при формировании используют особенность, позволяющую контролируемо и прецизионно выращивать туннельно-тонкие диэлектрически прочные окисные пленки, защищенные окислом материала катода. При помещении подложки в столб тлеющего разряда реализуют возможность переосаждения материала катода, с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода. Формирующийся барьерный слой препятствует взаимодействию окислительной среды с материалом подложки и, таким образом, обеспечивает образование туннельно-тонкого диэлектрического слоя окисла материала подложки. Поскольку в предлагаемом способе формирование диэлектрического слоя происходит без нагрева, при комнатной температуре, в вакуумной камере, он обладает преимуществами перед известными методами термического и анодного окисления, так как позволяет исключить побочные эффекты, связанные с термическим разрушением стехиометрии поверхности полупроводника, загрязнением оксида и значительным градиентом химического состава по толщине окисла и, как следствие, обеспечить высокое качество окисла материала подложки и границы раздела его с подложкой.
Формирование сверхтонких (3÷10 нм) собственных окисных слоев предполагает особые требования к чистоте и структурному совершенству поверхности исходных подложек. Предварительную обработку, очищающую поверхность подложки, проводят при условиях, обеспечивающих полную очистку поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы. За основу предварительной обработки была принята разработанная в ИФП СО РАН низкотемпературная очистка поверхности InAs (111)А (Галицын Ю.Г., Мансуров В.Г., Пошевнев В.И., Соколов Р.А., Валишева Н.А. Исследование поверхности InAs(111)A после различных химических обработок с помощью дифракции быстрых электронов и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Поверхность. Физика, химия, механика. 5, 1992 г., с.с.108-117).
Перед загрузкой подложек в вакуумную камеру осуществляют предварительную химическую очистку, приводящую к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла. Окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности, проводят в вакуумной камере.
3
5
Предварительную химическую очистку, приводящую к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, при использовании в качестве полупроводниковой подложки АВ, например, подложки InAs проводят сначала путем кипячения в толуоле в течение промежутка времени, достаточного для удаления загрязнений - обезжиривания и получения поверхности подложки, покрытой аморфной окисной пленкой из естественных окислов индия и мышьяка. Кипячение в толуоле проводят около 10 минут. Затем подложку подвергают воздействию насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени, удаляющего естественные окислы и не вызывающего нарастания загрязнения хлором, не вызывающего нарастания компоненты окисленного мышьяка и шероховатости поверхности. Продолжительность воздействия составляет от 5 до 30 минут.
-7
-9
Окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм, проводят в вакууме. Уровень вакуума поддерживают обеспечивающим отсутствие адсорбирования на поверхность подложки остаточных газов, а именно 10÷10 Торр. Температуру поддерживают достаточной для исчезновения дефектов и очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки и не вызывающей нарушение стехиометрии из-за испарения мышьяка, а именно от 200 до 400°С. Время термообработки выбирают достаточным для полного исчезновения дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки - от 30 до 60 минут.
8
2
Исследования химического состава приповерхностной области подложек и рельефа поверхности, проведенные на примере подложек InAs (111)А, прошедших процедуру кипячения в толуоле для обезжиривания, последующие обработку в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте и термообработку при вышеуказанных условиях, позволили установить, что непосредственно после процедуры кипячения в толуоле поверхность подложки покрыта аморфной окисной пленкой толщиной около 2 нм, состоящей из окислов индия и мышьяка. Естественная окисная пленка практически полностью исчезает уже в первые минуты последующей обработки в насыщенном соляной кислотой изопропиловом спирте. Однако на поверхности подложки остаются остаточные примеси, содержащие кислород, углерод, хлор и избыточный элементный мышьяк (см. Фиг.1). При этом на поверхности подложки после указанной обработки присутствуют дефекты в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм, с плотностью до 3·10 см. Установлено, что дефекты в виде «шипов» представляют собой окислы мышьяка, а дефекты в виде «ямок» являются углублениями в гладкой поверхности подложек.
th
Конкретными оптимальными режимами предварительной обработки, очищающей поверхность подложки, обеспечивающими условие полной очистки поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы, являются: продолжительность воздействия насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени от 5 до 30 минут; продолжительность термообработки от 30 до 60 минут при температуре от 200 до 400°С, поскольку, во-первых, увеличение времени воздействия насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта более 30 минут вызывает нарастание интенсивности пика хлора и компоненты окисленного мышьяка As 2p (см. Фиг.2) и шероховатости поверхности (см. Фиг.3), во-вторых, температура обработки менее 200°С является недостаточной для удаления загрязнения при указанной продолжительности термообработки, а температура выше 450°С приводит к нарушению стехиометрии поверхности из-за преимущественного испарения мышьяка и значительному уменьшению времени жизни неравновесных носителей заряда (см. Фиг.4) (Valeriy G. Kesler, Andrei V. Gorbunov. Investigation of Recombination of Nonequilibrium Charge Carriers in InAs. 10International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM' 2009), Erlagol, Altai - July 1-6, 2009. Proceedings, p.p.17-19; В.Г.Кеслер, В.А.Селезнев, А.П.Ковчавцев, А.А.Гузев. Исследование поверхности InAs(111)A после химической обработки в насыщенном растворе HCl-изопропиловый спирт и отжигов в вакууме методами РФЭС и АСМ. IX Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники' 09. 28 сентября - 3 октября 2009 г. Новосибирск - Томск. Тезисы, с.3352).
Проведение вышеописанной предварительной подготовки обеспечивает высокую чистоту, стабильность и инертность поверхности подложек, например, InAs. Их поверхность не окисляется, в частности, в кислородсодержащей атмосфере при давлении 0,15 Торр при комнатной температуре в течение длительного времени, более 1 часа.
3
5
В качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку InAs или GaAs.
После окончания предварительной обработки подложки последняя загружена в вакуумную камеру, в которой в ее разрядной части (вакуумная разрядная камера) приступают к выращиванию диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодированию подложки в плазме тлеющего разряда (см. Фиг.7). Анодирование осуществляют с использованием окислительной газовой среды и электропроводящего металлического или полупроводникового катода, помещая подложку в столб тлеющего разряда. При этом используют электропроводящий металлический или полупроводниковый катод, например, алюминиевый или кремниевый. Анодирование сопровождают переосаждением материала катода, с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода. Формирующийся при анодировании барьерный слой препятствует взаимодействию окислителя с материалом подложки и в результате приводит к формированию туннельно-тонкого диэлектрически прочного слоя из окисла материала подложки. При этом барьерный слой из окисла материала катода препятствует диффузии окислителя к поверхности подложки.
2
2
3
6
Выращивание диэлектрического слоя осуществляют с использованием окислительной газовой среды, кислородсодержащей или фторсодержащей. В качестве окислительной газовой среды, кислородсодержащей, используют среду О, или СО, или NO; фторсодержащей - NF или SF.
-11
-7
-9
Перед выращиванием диэлектрического слоя вакуумную камеру откачивают, создавая уровень вакуума в ней, достаточный для подавления влияния остаточных примесей на качество диэлектрического слоя, соответствующий выращиванию диэлектрического слоя в составе окислов материала подложки и окисла материала катода. Сверхвысоковакуумная камера оборудована безмасляной системой откачки, системой напуска чистых газов, датчиками давления на диапазон от 760 до 10 Торр и вакуумными токовводами (Гузев А.А., Кеслер В.Г., Ковчавцев А.П., Панова З.В., Южаков В.В. Пассивация поверхности InAs методом сухого окисления в плазме тлеющего разряда. Совещание «Актуальные проблемы полупроводниковой фотоэлектроники», Фотоника-2008, г.Новосибирск, 19-23 августа 2008 г., с.34; Guzev A.A., Kesler V.G., Kovchavzev А.Р., Panova Z.V., Yuzhakov V.V. The formation of oxide-InAs interface by glow discharge plasma treatment in oxygen. First Russian-German seminar "Thermodynamics and materials science", Novosibirsk, 23-25 September 2008, Proceedings, p.p.39-40; V.G. Kesler, A.P. Kovchavzev, A.A.Guzev, Z.V.Panova. The chemical composition and electro-physical parameters of tunnel thin oxide films, grown by oxidation of indium arsenide in glow discharge plasma. Russian-Japanese Workshop (review conference) "State of Materials Research and New Trends in Material Science", August 3-5, 2009, Novosibirsk, Russia. Abstract book, p.76). Уровень вакуума составляет от 10 до 10 Торр.
Подложку размещают на молибденовом держателе, находящемся в электрическом контакте с корпусом вакуумной камеры. При этом подложку помещают, параллельно располагая рабочую поверхность подложки и поверхность катода, на расстоянии от катода, определяемом нормальной шириной катодной области тлеющего разряда. Горение тлеющего разряда осуществляют в свободном пространстве вакуумной камеры, не ограничивая его стенками вакуумной камеры. Диэлектрический слой выращивают с использованием режима нормального тлеющего разряда, при давлении окислительной газовой среды, обеспечивающем стабильное горение тлеющего разряда, а именно при напряжении на разрядном промежутке от 320 В до 500 В и давлении от 0,01 до 1 Торр. Для создания окислительной газовой среды был использован, например, кислород высокой степени очистки Oxygen N45 фирмы "ALPHAGAZ".
Указанные условия, в частности, обеспечивают стабильное горение тлеющего разряда, при котором подложка находится в столбе тлеющего разряда, что обуславливает однородность обработки ее поверхности. Вольт-амперные характеристики тлеющего разряда в случае окислительной атмосферы кислорода, полученные для различных величин давлений, приведены на Фиг.6. В качестве дополнительного контрольного параметра, характеризующего плазму тлеющего разряда, использовали свечение плазмы. Измерение яркости свечения осуществляли кремниевым фотодиодом ФД-24К.
2
3
2
5
На различных этапах окисления методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) in-situ выполнялись исследования химического состава и толщины окисных пленок (см. Фиг.5). Поверхность подложки непосредственно после предварительной обработки не окисляется в кислородной атмосфере при давлении 0,15 Торр при комнатной температуре в течение длительного времени, более 1 часа. После зажигания плазмы тлеющего разряда на поверхности подложки, в частности, InAs формируются двухслойные окисные пленки. Нижний слой толщиной, например, 3,5 нм, содержащий окислы материала подложки - индия и мышьяка - в соотношении 1:2,5, формируется в первые минуты окисления, и в дальнейшем его химический состав и толщина практически не меняются. Отношение окисных фаз мышьяка AsO/ AsO в окисле составляет величину около 0,5. Верхним формируемым слоем при использовании катода из алюминия является слой из окисла алюминия с толщиной, увеличивающейся квазилинейно со временем обработки в плазме тлеющего разряда (см. Фиг.8) со скоростью 0,03 нм/мин, что свидетельствует о переосаждении материала катода на анод при одновременном окислении. Растущая пленка оксида алюминия выступает в роли барьера для диффузии кислорода к поверхности InAs, что препятствует дальнейшему окислению полупроводника и позволяет прецизионно формировать сверхтонкие окисные пленки на его поверхности. Для получения слоя окислов материала подложки указанной толщины - 3,5 нм, время обработки выбиралось, в частности, от 15 до 65 минут (см. Фиг.8), при этом изменений указанной толщины не зафиксировано.
После формирования диэлектрического слоя в составе слоев - слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, используемого при анодировании в плазме, на него напыляют слой металла алюминия или золота.
Проводили исследования электрофизических свойств. Электрофизические свойства получаемых окисных слоев и их интерфейсов с подложкой, в частности, InAs исследовались посредством измерения вольт-фарадных характеристик (см. Фиг.9), вольтамперных характеристик (см. Фиг.10) и малосигнального адмиттанса МДП-структур с золотыми электродами диаметром 100 мкм (см. Фиг.9).
12
-2
Вольт-фарадные характеристики, записанные при частоте f=16 кГц и температуре Т=78 К, имеют высокочастотный вид с глубокой модуляцией емкости и гистерезисом электронного типа. Подвижный заряд в окисле, приводящий к гистерезису вольт-фарадных характеристик, и заряд плоских зон имеет положительный знак и по величине составляет около 1,8·10 см.
e
Величины высот барьеров на границах, определенные из анализа вольтамперных характеристик, составляют следующие значения: InAs/окисел - около 1,6 эВ; окисел/золото - около 2 эВ. Эффективная масса в барьере - около 0,35 m.
10
-2
-1
Расчет плотности поверхностных состояний, выполненный методом проводимости (В.Г.Кеслер, В.А.Селезнев, А.П.Ковчавцев, А.А.Гузев. Исследование поверхности InAs(111)A после химической обработки в насыщенном растворе HCl-изопропиловый спирт и отжигов в вакууме методами РФЭС и АСМ. IX Российская конференция по физике полупроводников. Полупроводники'09. 28 сентября - 3 октября 2009 г. Новосибирск - Томск. Тезисы, с.3352), показывает, что граница раздела плазменный окисел - InAs характеризуется низкой плотностью поверхностных состояний 3,8·10 смэВ, а напряжение плоских зон и гистерезис вольт-фарадных характеристик составляют около 0,5 В.
3
5
3
5
10
-2
-1
В общем случае выполненная структура металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ содержит полупроводниковую подложку АВ, расположенный на ее рабочей поверхности диэлектрический слой, являющийся анодным окислом, полученный анодированием подложки в плазме тлеющего разряда, и напыленный слой металла на диэлектрический слой. При этом диэлектрический слой выполнен туннельно-тонким, в составе слоев - слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, используемого при анодировании в плазме, диэлектрическому слою свойственна граница раздела с подложкой с плотностью поверхностных состояний на границе раздела полупроводниковая подложка-диэлектрик менее 5·10 см эВ.
3
5
В частных случаях реализации МДП-структуры в качестве полупроводниковой подложки АВ использована подложка InAs или GaAs. Толщина диэлектрического слоя, выполненного туннельно-тонким, равна от 3 до 10 нм. Диэлектрический слой выполнен туннельно-тонким, в составе слоев - слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода, используемого при анодировании в плазме, а именно слоя окисла индия и мышьяка и слоя окисла алюминия, или слоя окисла галлия и мышьяка и слоя окисла алюминия, или слоя окисла индия и мышьяка и слоя окисла кремния. При этом слой окисла материала подложки расположен между подложкой и слоем окисла материала катода. Напыленный слой металла на диэлектрический слой выполнен из алюминия или золота.
3
5
Описание использования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ дается в нижеприведенных вариантах.
Вариант 1
+
Использование МДП-структуры в фоточувствительном элементе матрицы на InAs (см. Фиг.11). Фоточувствительный элемент функционирует следующим образом. При приложении к металлическому затвору (16), содержащему в составе также напыленный слой металла, импульса отрицательного напряжения часть смещения падает на подзатворном диэлектрике (15), являющемся диэлектрическим слоем, выполненным в составе слоев - слоя окисла материала подложки и слоя окисла материала катода на подложке, содержащей сильнолегированную полупроводниковую подложку (11) из InAs и расположенный на последней эпитаксиальный слой (12) из InAs - слабо легированный n-слой. Другая часть смещения падает в приповерхностной области эпитаксиального слоя (12), расположенного на сильнолегированной полупроводниковой подложке (11), создавая изгиб зон в полупроводнике и соответствующую потенциальную яму для носителей заряда. В результате возникает ситуация, соответствующая образованию неравновесного обеднения основными носителями заряда (n) и, следовательно, образованию положительного заряда в области обеднения (13), состоящего из ионизованной донорной примеси. Инфракрасное (ИК) излучение с длиной волны около 3 мкм падает со стороны сильнолегированной полупроводниковой подложки (11), проникает через сильнолегированную n InAs подложку и поглощается в тонком эпитаксиальном слое (12) - слабо легированном n-слое, генерируя электронно-дырочные пары. При этом дырки собираются в потенциальной яме, образуя инверсионный слой (14). Количество дырок увеличивается пропорционально интенсивности излучения и времени накопления. С помощью кремниевой схемы считывания сигнала происходит выделение и считывание сигнала, связанного с количеством накопленных зарядов в потенциальной яме за счет генерации носителей ИК-излучением, от сигнала, связанного с другими неинформационными механизмами генерации носителей.
Вариант 2
3
5
+
+
Использование МДП-структуры в полевом транзисторе на АВ с изолированным затвором (МДП-транзистор) (см. Фиг.12). Полупроводниковая подложка, являющаяся элементом МДП-структуры, с заданным типом проводимости снабжена областями другого типа проводимости, полученными диффузией или имплантацией. Так, подложка р-типа проводимости (23) снабжена двумя областями n-типа, являющимися истоком (18) и стоком (20), между которыми выполнены последовательно на подложке диэлектрический слой (21) и слой металла, являющийся металлическим электродом (22) затвора (19). При отсутствии на диэлектрическом слое падения напряжения исток (18) и сток (20) образуют два включенных навстречу друг другу р-n перехода. Электрический ток, протекающий по цепи от истока (18) к стоку (20), является обратным током р-n перехода или током насыщения. При подаче на затвор (19) положительного смещения в области, примыкающей к диэлектрическому слою (21), подложки р-типа проводимости (23) формируется инверсионный слой n-типа, и исток (18) и сток (20), являющиеся областями с n-типом проводимости, оказываются соединенными приповерхностным каналом (24), по которому возможно протекание электрического тока. Проводимость канала (24) модулируется изменением напряжения на затворе (19).
i
3
5
Важными параметрами МДП-транзистора являются: длина канала (24) - L, ширина канала (24), толщина диэлектрического слоя (21) с диэлектрической постоянной ε и проводимость канала (24). Тонкий диэлектрический слой (21) позволяет значительно снизить управляющее напряжение на затворе (19). Более высокая подвижность носителей заряда в материале АВ, в частности, GaAs (по сравнению с Si) позволяет увеличить проводимость транзистора и, как следствие, его быстродействие.
Вариант 3
Использование МДП-структуры в качестве туннельного диода со сверхтонким диэлектрическим слоем (см. Фиг.13).
17
-3
s
е
м
gs
gn
g
0
1
2
n
м
е
Известно, что в приповерхностных областях полупроводниковых подложек InAs р-типа присутствует природный инверсионный слой n-типа проводимости (что связано с закреплением уровня Ферми в зоне проводимости), то есть сформирован приповерхностный р-n переход. При формировании на поверхности p-InAs с концентрацией акцепторов более 5·10 см сверхтонкого диэлектрического слоя и напыления слоя металла (Аu) в качестве электрода получаем структуру, являющуюся на деле МДП-диодом со встроенным р-n переходом либо представляющую собой неидеальный барьер Шоттки. Это видно из зонной диаграммы МДП-структуры со сверхтонким диэлектрическим слоем при приложенном отрицательном напряжении на металле относительно полупроводника, где φ - изгиб зон на поверхности полупроводника; Ф - высота потенциального барьера на границе полупроводник - диэлектрик; Ф - высота потенциального барьера на границе металл - полупроводник; E- ширина запрещенной зоны полупроводника; E - ширина запрещенной зоны сверхтонкого окисла; V - напряжение на МДП-структуре; Е, E и Е - три квантовых уровня в слое инверсии полупроводника (см. Фиг.13). Вольт-амперная характеристика прямой ветви у такой структуры имеет вид, показанный на Фиг.13 (в правой части). Видно, что в вольт-амперной характеристике (25) (экспериментально полученной) и (26) (полученной теоретически на основе модели с закреплением зон при d=1,16 нм, Ф, Ф=0,51 эВ) присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. В связи с этим на базе такой структуры, как на диоде с отрицательным сопротивлением, возможны разработка и создание схем усилителей сигналов, генераторов и смесителей сигналов.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.
Пример 1
3
5
3
5
При осуществлении способа формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ сначала полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей поверхность подложки.
3
5
В качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку InAs.
Предварительную обработку, очищающую поверхность подложки, проводят при условиях, обеспечивающих полную очистку поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы, а именно при условии проведения предварительной химической очистки, приводящей к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, и проведения окончательной очистки посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности.
3
5
Предварительную химическую очистку, приводящую к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, при использовании в качестве полупроводниковой подложки АВ подложки InAs проводят путем кипячения в толуоле в течение промежутка времени, достаточного для удаления загрязнений и получения поверхности подложки, покрытой аморфной окисной пленкой из естественных окислов индия и мышьяка, -10 минут, а затем подвергают воздействию насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени, удаляющего естественные окислы и не вызывающего нарастаний загрязнения хлором, не вызывающего нарастаний компоненты окисленного мышьяка и шероховатости поверхности, - 5 минут.
-7
Окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм, проводят в вакууме с уровнем, обеспечивающим отсутствие адсорбирования на поверхность подложки остаточных газов, - 10 Торр, при температуре, достаточной для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки и не вызывающей нарушение стехиометрии из-за испарения мышьяка, - 200°С и времени, достаточном для подавления указанных дефектов и очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки, - 60 минут.
2
Затем подложку помещают в вакуумную разрядную камеру и проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда с использованием окислительной газовой среды, а именно кислородсодержащей - О, и электропроводящего металлического катода - из алюминия.
-7
Перед проведением выращивания диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки создают уровень вакуума в вакуумной камере, достаточный для подавления влияния остаточных примесей на качество диэлектрического слоя, соответствующий выращиванию диэлектрического слоя в составе окислов материала подложки и окисла материала катода. Уровень вакуума в вакуумной камере поддерживают достаточным для подавления влияния остаточных примесей в отношений используемой окислительной среды, а именно 10 Торр.
Для выращивания подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала катода, с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки, а именно барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего диффузии окислителя к поверхности подложки. Подложку помещают, параллельно располагая рабочую поверхность подложки и поверхность катода, на расстоянии от катода, определяемом нормальной шириной катодной области тлеющего разряда.
Выращивание диэлектрического слоя в плазме тлеющего разряда осуществляют при комнатной температуре.
Горение тлеющего разряда осуществляют в свободном пространстве вакуумной камеры, не ограничивая его стенками вакуумной камеры.
Выращивание диэлектрического слоя проводят с использованием режима нормального тлеющего разряда, при напряжении на разрядном промежутке 500 В, при давлении окислительной газовой среды, обеспечивающем стабильное горение тлеющего разряда, - 0,01 Торр.
Формируют туннельно-тонкий диэлектрический слой из окисла материала подложки, равный по толщине 3,5 нм. Подложку помещают в столб тлеющего разряда, выдерживая в тлеющем разряде для формирования туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки в течение 15 минут.
После чего на диэлектрический слой напыляют слой металла - золота.
Пример 2
3
5
3
5
При осуществлении способа формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ сначала полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей поверхность подложки.
3
5
В качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку InAs.
Предварительную обработку, очищающую поверхность подложки, проводят при условиях, обеспечивающих полную очистку поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы, а именно при условии проведения предварительной химической очистки, приводящей к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, и проведения окончательной очистки посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности.
3
5
Предварительную химическую очистку, приводящую к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла при использовании в качестве полупроводниковой подложки АВ подложки InAs проводят путем кипячения в толуоле в течение промежутка времени, достаточного для удаления загрязнений и получения поверхности подложки, покрытой аморфной окисной пленкой из естественных окислов индия и мышьяка, - 10 минут, а затем подвергают воздействию насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени, удаляющего естественные окислы и не вызывающего нарастаний загрязнения хлором, не вызывающего нарастаний компоненты окисленного мышьяка и шероховатости поверхности, - 30 минут.
-8
Окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм проводят в вакууме с уровнем, обеспечивающим отсутствие адсорбирования на поверхность подложки остаточных газов, - 10 Торр, при температуре, достаточной для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки и не вызывающей нарушение стехиометрии из-за испарения мышьяка, - 400°С и времени, достаточном для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки, - 30 минут.
2
Затем подложку помещают в вакуумную разрядную камеру и проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда с использованием окислительной газовой среды, а именно кислородсодержащей - СO, и электропроводящего металлического катода - из алюминия.
-8
Перед проведением выращивания диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки создают уровень вакуума в вакуумной камере, достаточный для подавления влияния остаточных примесей на качество диэлектрического слоя, соответствующий выращиванию диэлектрического слоя в составе окислов материала подложки и окисла материала катода. Уровень вакуума в вакуумной камере поддерживают достаточным для подавления влияния остаточных примесей в отношении используемой окислительной среды, а именно 5·10 Торр.
Для выращивания подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала катода, с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки, а именно барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего диффузии окислителя к поверхности подложки. Подложку помещают, параллельно располагая рабочую поверхность подложки и поверхность катода, на расстоянии от катода, определяемом нормальной шириной катодной области тлеющего разряда.
Выращивание диэлектрического слоя в плазме тлеющего разряда осуществляют при комнатной температуре.
Горение тлеющего разряда осуществляют в свободном пространстве вакуумной камеры, не ограничивая его стенками вакуумной камеры.
Выращивание диэлектрического слоя проводят с использованием режима нормального тлеющего разряда, при напряжении на разрядном промежутке 320 В, при давлении окислительной газовой среды, обеспечивающем стабильное горение тлеющего разряда, - 1 Торр.
Формируют туннельно-тонкий диэлектрический слой из окисла материала подложки, равный по толщине 2,0 нм. Подложку помещают в столб тлеющего разряда, выдерживая в тлеющем разряде для формирования туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки в течение 65 минут.
После чего на диэлектрический слой напыляют слой металла - алюминия.
Пример 3
3
5
3
5
При осуществлении способа формирования структуры металл-диэлектрик-полупроводник на основе соединений АВ сначала полупроводниковую подложку АВ подвергают предварительной обработке, очищающей поверхность подложки.
3
5
В качестве полупроводниковой подложки АВ используют подложку InAs.
Предварительную обработку, очищающую поверхность подложки, проводят при условиях, обеспечивающих полную очистку поверхности от загрязнений и дефектов с достижением стабильности и инертности поверхности в условиях отсутствия воздействия плазмы, а именно при условии проведения предварительной химической очистки, приводящей к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла, и проведения окончательной очистки посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности.
3
5
Предварительную химическую очистку, приводящую к удалению поверхностных загрязнений и естественного окисла при использовании в качестве полупроводниковой подложки АВ подложки InAs проводят путем кипячения в толуоле в течение промежутка времени, достаточного для удаления загрязнений и получения поверхности подложки, покрытой аморфной окисной пленкой из естественных окислов индия и мышьяка, - 10 минут, а затем подвергают воздействию насыщенного соляной кислотой изопропилового спирта в течение промежутка времени, удаляющего естественные окислы и не вызывающего нарастаний загрязнения хлором, не вызывающего нарастаний компоненты окисленного мышьяка и шероховатости поверхности, - 15 минут.
-9
Окончательную очистку посредством термообработки, удаляющей остаточные примеси после химической обработки и дефекты поверхности в виде «ямок» и «шипов» с характерными размерами по высоте от 1 до 2 нм, а в основании от 50 до 100 нм, проводят в вакууме с уровнем, обеспечивающим отсутствие адсорбирования на поверхность подложки остаточных газов, - 10 Торр, при температуре, достаточной для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки и не вызывающей нарушение стехиометрии из-за испарения мышьяка, - 300°С и времени, достаточном для полного исчезновения указанных дефектов и полной очистки поверхности от оставшихся загрязнений после химической обработки, - 45 минут.
3
Затем подложку помещают в вакуумную разрядную камеру и проводят выращивание диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки - анодирование подложки в плазме тлеющего разряда с использованием окислительной газовой среды, а именно фторсодержащей - NF, и электропроводящего металлического катода - из алюминия.
-9
Перед проведением выращивания диэлектрического слоя посредством анодного окисления подложки создают уровень вакуума в вакуумной камере, достаточный для подавления влияния остаточных примесей на качество диэлектрического слоя, соответствующий выращиванию диэлектрического слоя в составе окислов материала подложки и окисла материала катода. Уровень вакуума в вакуумной камере поддерживают достаточным для подавления влияния остаточных примесей в отношении используемой окислительной среды, а именно 10 Торр.
Для выращивания подложку помещают в столб тлеющего разряда с реализацией возможности переосаждения материала катода, с одновременным его окислением и образованием на растущем окисном слое полупроводникового материала подложки барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего взаимодействию окислителя с материалом подложки и приводящего к формированию туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки, а именно барьерного слоя из окисла материала катода, препятствующего диффузии окислителя к поверхности подложки. Подложку помещают, параллельно располагая рабочую поверхность подложки и поверхность катода, на расстоянии от катода, определяемом нормальной шириной катодной области тлеющего разряда.
Выращивание диэлектрического слоя в плазме тлеющего разряда осуществляют при комнатной температуре.
Горение тлеющего разряда осуществляют в свободном пространстве вакуумной камеры, не ограничивая его стенками вакуумной камеры.
Выращивание диэлектрического слоя проводят с использованием режима нормального тлеющего разряда, при напряжении на разрядном промежутке 450 В, при давлении окислительной газовой среды, обеспечивающем стабильное горение тлеющего разряда, - 0,1 Торр.
Формируют туннельно-тонкий диэлектрический слой из окисла материала подложки, равный по толщине 10 нм. Подложку помещают в столб тлеющего разряда, выдерживая в тлеющем разряде для формирования туннельно-тонкого диэлектрического слоя из окисла материала подложки в течение 10 минут.
После чего на диэлектрический слой напыляют слой металла - золота.