ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 34-44
УДК 621.315.592.793:548.4
ЭФФЕКТ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ AlGaN/GaN
© 2015 г. К. Л. Енишерлова1, *, В. С. Куликаускас2, Л. А. Сейдман3, В. В. Пищагин4,
А. М. Коновалов4, В. И. Корнеев1
1ОАО "Научно-производственное предприятие "Пульсар", 105187Москва, Россия 2НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119234 Москва, Россия 3Институт функциональной ядерной электроники Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ", 115409 Москва, Россия 4ОАО "Государственный завод "Пульсар", 105187Москва, Россия *Е-таИ: enisherlova@pulsarnpp.ru Поступила в редакцию 23.01.2015 г.
Анализировались результаты обработки поверхностей гетероструктур АЮаМ/ОаМ с верхним нелегированным слоем (у одних структур г'-АЮаК, у других ;'-ОаМ) кислородной плазмой двух видов, а также пучком ионов аргона. Использовалась кислородная плазма, созданная в двухэлектродной диодной СЧ-системе, и кислородная плазма, реализуемая в безэлектродной ВЧ-системе. Для исследования применялась спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния ионов, а для оценки изменений электрических параметров структур использовался метод высокочастотных С-К-характе-ристик. Показано, что нанообласти (10—20 А) исходных поверхностей слоев г'-АЮаК и ;'-ОаМ имеют разную степень упорядоченности кристаллической структуры: для слоев г'-АЮаК характерно большее количество смещенных атомов Оа, А1, а главное — азота и кислорода, что приводит к росту концентрации донорноподобных поверхностных ловушек. При обработке кислородной плазмой в зависимости от режимов может иметь место чисто химическое взаимодействие ионов с поверхностью. Кроме того, процесс химической очистки может сопровождаться ударным воздействием ионов на поверхность. Показано, что структуры с разными поверхностными слоями по-разному реагируют на плазменную обработку. Наибольшее изменение состояния приповерхностных наносло-ев наблюдается при ионной обработке аргоном. Анализ электрических характеристик тестовых образцов показал, что обработка поверхности ионами аргона непосредственно перед металлизацией может позволить получить омические контакты с наименьшим омическим сопротивлением и барьеры Шоттки с наименьшими токами утечки.
Ключевые слова: плазмохимическая обработка, резерфордовское обратное рассеяние, гетерострук-туры АЮаМ/ОаМ, кислородная плазма, пучки ионов аргона, С-К-характеристики, поверхностные состояния.
БО1: 10.7868/80207352815070082
ВВЕДЕНИЕ
Важной операцией при изготовлении транзисторов на основе нитрида галлия является обработка контактных окон, открытых в маске из фоторезиста, которая проводится перед напылением металлических композиций для формирования основных элементов транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ-транзисторов): омических контактов и барьеров Шоттки. Оставшиеся загрязнения на поверхности материалов перед напылением металлических пленок значительно ухудшают их адгезию и могут изменять характеристики приборов. Кроме возможных загрязнений от предыдущих технологических операций поверхность гетероструктур может содер-
жать также загрязнения, попадающие из окружающей среды до загрузки в установку. Одним из эффективных средств очистки поверхности от этих загрязнений является обработка низкоэнергетическими ионами (25—100 эВ) аргона, азота или кислорода [1], которая проводится в вакуумной камере непосредственно перед напылением без выноса пластин на воздух. Считается, что для очистки поверхности достаточна доза 6 х 1015—6 х х 1016 ион/см2 [1]. При этом коэффициенты распыления газовых примесей достигают громадных величин (20—40 атомов на один ион). Однако надо учитывать, что полупроводники проявляют высокую чувствительность к обработке ионами. В частности, отмечалось [1], что обработка поверх-
ности GaAs ионами аргона с энергией 50 эВ может приводить к изменению диодных характеристик и для их восстановления требуется химическое стравливание обработанного ионами слоя GaAs толщиной 17 Á.
Другим способом подготовки поверхности к напылению является ионно-реактивное травление хлорсодержащими ионами. В работе [2] показано, что использование такого травления при изготовлении омических контактов на основе Ti/Al к гетероструктурам AlGaN/GaN может обеспечить низкое омическое сопротивление контактов. Однако, по данным авторов [3], использование такой предварительной обработки может приводить к ухудшению качества контактов, предположительно из-за наличия хлора на поверхности. В работе [4] экспериментально продемонстрировано, что травление в С12/Аг-плазме при формировании затворов НЕМТ-транзистора может приводить к коллапсу тока прибора и фли-кер-шумам из-за возникновения специфических дефектов при такой обработке. Положительный эффект при формировании металлических контактов Ti/Al к слоям «-GaN и «-AlGaN достигался при использовании предварительной обработки поверхности и в кислородной плазме [5, 6]. В работе [6] экспериментально продемонстрировано влияние продолжительности и мощности плаз-мохимической обработки перед напылением на качество формируемых контактов.
При анализе влияния плазмохимических и ионных обработок надо учитывать, что воздействие на поверхностные нанослои гетероструктур /-GaN или /-AlGaN может быть несколько различным, а на данном этапе развития технологии НЕМТ-транзисторов тонкий (20—25 Á) слой /-GaN активно используется в качестве слоя, пассивирующего поверхность структуры [7].
Целью данной работы было выяснение эффекта воздействия некоторых способов предварительной обработки поверхности на свойства рабочих слоев /-GaN и /-AlGaN и на качество формируемых на них активных элементов транзисторов. Анализировались результаты обработки кислородной плазмой, созданной в двухэлектродной диодной СЧ-системе и кислородной плазмой, созданной в безэлектродных ВЧ-системах. Особое внимание уделено обработке поверхностей пучком ионов аргона для выявления влияния ионной бомбардировки (без химического взаимодействия) на свойства слоев.
МЕТОДИКА
В качестве исходных образцов использовались гетероструктуры AlGaN/GaN диаметром 53 мм с барьерным легированным слоем AlGaN (NSi = 3 х х 1018 см-3) толщиной 130—250 Á, мольным содер-
жанием Al 0.25—0.26 и разным верхним нелегированным слоем — у одних структур /-AlGaN, у других /-GaN толщиной 20—30 А. Эпитаксиальные слои всех структур выращивали методом MOCVD на сапфировых подложках. Затем каждый образец делили на четыре равновеликие части; каждая из трех частей подвергалась воздействию кислородной плазмы или ионов аргона, четвертая часть использовалась в качестве контрольной.
Обработка пластин нитрида галлия в кислородной СЧ-плазме проводилась на установке плазмохимической очистки Glen YES-G500. Для создания плазмы применялась двухэлектродная диодная система, к которой подавали импульсы частотой 40 кГц, мощностью 450 Вт, напряжением 253 В и током 1.68 А. Давление кислорода составляло 20 Па при потоке 18.6 мВт. Поскольку эпитаксиальные слои AlGaN/GaN выращивались на подложках из диэлектрического сапфира, то их поверхность приобретала плавающий потенциал. Из-за наличия в плазме электронов с высокой энергией этот потенциал был отрицательным. Поэтому положительные ионы кислорода, ускоряясь в темном катодном пространстве, приобретали энергию, близкую к потенциалу катода, т.е. примерно 250 эВ.
Обработка в безэлектродной кислородной ВЧ-плазме проводилась на установке Плазма 600 Тл при частоте 13.56 МГц в потоке О2, напускаемого в систему при скорости подачи газа 0.34 Вт, давление в камере после напуска О2 — 106 Па. Кроме этого дополнительно проводилась аналогичная обработка отдельных пластин в установке фирмы Diener Electronic с конденсаторным возбуждением ВЧ-плазмы. Длительность обработки была выбрана такой, чтобы удалить все органические остатки резиста в окнах резистивной маски, не повредив саму маску. Она составляла в случае СЧ-плазмы 30 с, а в случае ВЧ-плазмы 60 с.
Предварительную обработку поверхности пластины ионами аргона проводили, используя ионный источник непосредственно в камере установки электронно-лучевого напыления Kurt Lesker PVD 250, при напряжении разряда 110 В, токе 1.5 А. Энергия ионов в пучке была не более 110 эВ, средняя энергия ионов Еср = 75 эВ, плотность тока пучка 0.13 мА/см2, поток инов Ar+ 8.12 х х 1014 ион/см2 • с. Длительность предварительной обработки составляла 4.5 мин, но она продолжалась и при нанесении первого слоя контактной металлизации — титана.
Для анализа результатов непосредственного воздействия обработок на гетероструктуры проводилось исследование их поверхностей непосредственно до и после обработок методом спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов, основанным на измерении энергораспределения обратно рассеянных ионов [8]. В
Таблица 1. Параметр % для поверхностных слоев гетероструктур АЮаМ/ОаМ после разных обработок
№ Способ обработки Верхний нелегированный слой гетероструктуры Параметр % Среднее значение %, %
1 Исходная структура z-AlGaN z-GaN 6.3; 5.2; 8.7 6.8
2 Обработка кислородной ВЧ-плазмой z-AlGaN z-GaN 4.6; 5.0; 3.5 1.9; 1.9; 2.4 4.2 2.1
3 Обработка кислородной СЧ-плазмой z-AlGaN z-GaN 4.9; 3.7; 6.2 4.0; 3.4; 4.3 4.9 3.9
4 Обработка в пучке ионов Аг z-AlGaN z-GaN 5.3; 8.8; 8.7 3.1; 2.7; 3.2 7.3 3.1
качестве первичных частиц использовались ионы гелия Не+2 с энергией 2 МэВ. Спектры РОР снимались в скользящей геометрии, при этом детектор располагался относительно падающего пучка под углом 100°—110°. Толщина слоя, с которого снималась информация, составляла 0.5—0.6 мкм. Измерялось энергетическое распределение рассеянных ионов гелия при произвольном направлении падающего пучка относительно кристаллографической оси образца и при направлении движения входящих ионов, совпадающем с осью высокой симметрии кристалла (эффект канали-рования).
Для оценки изменений электронной структуры приповерхностных слоев после различных обработок был использован метод C—V-характеристик. С помощью
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.