Способ получения диэлектрических пленок для мдп структур на основе арсенида индия и его твердых растворов

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может найти широкое применение в технологии полупроводниковых приборов. Сущность: способ включает погружение полупроводниковой пластины в первый электролит, содержащий органический растворитель, электропроводящий компонент и галогеносодержащую добавку, и подачу на пластину электрического напряжения. При этом в качестве галогеносодержащей добавки используют аммоний фтористый в количестве 1,6-1,8 вес.%. После анодирования в первом электролите, полупроводниковую пластину погружают во второй электролит, содержащий то же количество органического растворителя и электропроводящего компонента, что и первый, и проводят анодирование. При этом анодирование в обоих электролитах осуществляют до одинакового напряжения. Технический результат: снижение величины встроенного заряда и плотности ловушек в диэлектрических пленках 3 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может найти широкое применение в технологии полупроводниковых приборов и, в частности, многоэлементных МДП-фотоприемников на основе арсенида индия и его твердых растворов.

Требования оборонной техники диктуют необходимость создания фотоприемников, обладающих максимумом чувствительности в спектральном диапазоне 2-3 мкм и 8-10 мкм, где в качестве полупроводниковых материалов могут быть использованы InAs и InAs_1-x Sb_x соответственно.

Современные требования, предъявляемые к многоэлементным фотоприемникам, диктуют необходимость создания МДП-структур с определенным набором электрофизических параметров: минимальной плотностью поверхностных состояний N_SS менее 5.10¹¹ см^-2 , минимальным встроенным в диэлектрик зарядом, определяемым по напряжению плоских зон U_FB≤IB и другими.

При этом следует отметить, что, во-первых, встроенный заряд является одним из важнейших параметров, т.к. от его величины зависит максимальный заряд, накапливаемый в элементе инфракрасного фотоприемника, работающего по принципу прибора с переносом или инжекцией заряда, либо значение темнового тока р-п перехода, определяющего чувствительность фотодиода. Во-вторых, взаимосвязь основных электрофизических параметров означает, что увеличение встроенного заряда приводит к росту N_SS и уменьшению времени темновой релаксации в МДП-структуре, либо к увеличению тока р-п перехода из-за эффектов туннелирования или увеличению его эффективной площади.

Наиболее широко используемым методом создания диэлектрических пленок для МДП-структур на полупроводниках группы А₃В₅ является их анодное окисление, включающее погружение п/п пластин в электролит определенного состава и подачу на них электрического напряжения. Отсюда следует, что проблему создания совершенной границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-структуре можно решать двояко: подбором соответствующего электролита и режима электрохимического окисления или их сочетанием.

Однако до настоящего времени не решена задача создания МДП-структур на InAs и InAs_1-x Sb_x с малым встроенным зарядом (в частности, из-за отсутствия электролита), из-за чего до сих пор, как в отечественной, так и зарубежной практике, не получены ИК фотоприемные устройства типа ПЗИ или ПЗС на их основе.

Известен способ получения диэлектрических пленок для МДП-структур на основе полупроводниковых соединений А₃В₅, заключающийся в том, что полупроводниковую пластину погружают последовательно, по крайней мере, в два электролита, один из которых характеризуется величиной вводимого в пленку заряда меньше заданной величины, а другой - величиной встроенного заряда больше заданной величины, при этом на пластину в каждом электролите подают электрический потенциал.

Отметим сразу, что этот способ не пригоден для формирования МДП-структур на основе InAs и InAs_1-xSb с малым встроенным зарядом, т.к. он предполагает создание определенного встроенного заряда путем суммарного наложения величин встроенного заряда, характерных для конкретных электролитов. А поскольку в мировой практике не известны электролиты для InAs и InAsSb, характеризующиеся получением диэлектриков с разноименными по знаку встроенными зарядами, то данная проблема до настоящего времени не разрешена. Задача осложняется еще тем, что большинство известных электролитов для анодного окисления InAs характеризуются получением большой плотности ловушек в диэлектрике.

Наиболее близким техническим решением является способ анодного окисления полупроводника в галогенсодержащих (четыреххлористый углерод) электролитах, включающих органический растворитель (ацетонитрил) и электропроводную компоненту (пирофосфорную кислоту), заключающийся в том, что после погружения в указанный электролит полупроводниковой пластины, к ней вначале подводят отрицательное напряжение (i_k≈0,2 мА/см²) и проводят катодный процесс в течение 15 сек, обеспечивающий химическое восстановление хлорсодержащего органического соединения. После проведения катодного процесса к рабочей пластине подается положительное напряжение (i_a =1,5 мА/см²), при котором ведут анодный процесс окисления в течение 3,5 мин. При создании МДП-структур на InAs получены следующие электрофизические параметры.

Величина встроенного заряда в диэлектрике, пропорциональная напряжению плоских зон на вольт-фарадных кривых U_FB, равна 4,5-6,5 В, а плотность ловушек, оцененная по гистерезису вольт-фарадных кривых δU_гист. - 1,5-4,0 В. Таким образом, данный способ не позволяет обеспечить требуемых электрофизических параметров МДП-структур, а следовательно, и обнаружительной способности изготавливаемых фотоприемников. Целью изобретения является уменьшение величины встроенного заряда и плотности ловушек в диэлектрических пленках при сохранении других оптимальных электрофизических параметров.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ получения диэлектрических пленок для МДП-структур на основе арсенида индия и его твердых растворов, включающий погружение полупроводниковой пластины в первый неводный электролит, содержащий органический растворитель, электропроводную компоненту и галогенсодержащую добавку и подачу на пластину электрического напряжения. Новым в способе является то, что в первый электролит в качестве галогенсодержащей добавки вводят аммоний фтористый в количестве 1,6-1,8 вес.%, а после анодирования в первом электролите полупроводниковую пластину погружают во второй электролит, содержащий те же органический растворитель и электропроводную компоненту, при этом анодирование в обоих электролитах осуществляют до одинакового напряжения.

Уменьшение встроенного заряда в диэлектрике происходит за счет применения аммония фтористого (1,6-1,8 вес.%) в электролите, содержащем органический растворитель и электропроводную компоненту. В то же время анодирование в данном электролите приводит к резкому увеличению плотности ловушек в диэлектрике; а она, в свою очередь, уменьшается последовательным погружением и анодированием в электролите, содержащем те же составляющие, но без галогенсодержащей добавки. Наилучшие результаты получены при равных напряжениях анодирования.

На фиг.1а приведена зависимость величины напряжения плоских зон U_FB от концентрации фторида аммония в электролите на основе диметилформамида и пирофосфорной кислоты.

На фиг.1б представлена зависимость величины гистерезиса δU_гист. от концентрации фторида аммония (NH ₄F).

На фиг.2 для сравнения приведена зависимость величины гистерезиса δU_гист. от конечной величины напряжения анодирования U_a для МДП-структур, диэлектрик которых получен в электролите, не содержащем NH₄F.

Из приведенной на фиг.1б зависимости видно, что минимальный встроенный заряд получается при анодном окислении арсенида индия в электролите с концентрацией фторида аммония в диапазоне 1,6-1,8 вес.%.

Семейство кривых, приведенных на фиг.1а для различных напряжений анодирования, показывает, что в этом диапазоне концентраций величина U_FB практически не зависит от величины напряжения анодирования U_a.

В то же время из сравнения фиг.1б и фиг.2 видно, что по величине гистерезиса, несомненно, в более выигрышной ситуации находится диэлектрик, сформированный в электролите без галогенной добавки, хотя величина встроенного заряда в нем выше (фиг.1а) по сравнению с первым электролитом.

Попытка оптимизации параметров МДП-структур на InAs по величинам встроенного заряда и гистерезиса δU_гист. использованием двух этих электролитов и варьирования конечных значений напряжения анодирования и формовки привела к результатам, представленным в таблице 1.

Все экспериментальные данные получены в квазивольтстатическом режиме. Увеличение напряжения на аноде - полупроводнике происходит ступенчато с интервалом δU_a от 5 В до 10 В и выдержкой каждого значения U_a в течение 60÷120 секунд.

Из таблицы 1 видно, что эксперименты №№5, 8, 11 удовлетворяют обоим условиям, а именно, полученные МДП-структуры имеют как минимальный встроенный заряд, характеризуемый наименьшей величиной U_FB≈0,1÷0,25 В, так и наименьшую плотность ловушек δU_гист.≈0,2÷0,4 В. Следует отметить два важных обстоятельства.

Во-первых, важна последовательность применения электролитов, что обусловлено, по всей видимости, как залечиванием галогенами разорванных связей, образующих поверхностные состояния на границе раздела, так и компенсацией заряда, локализованного непосредственно в диэлектрике.

Во-вторых, наиболее оптимальным является применение анодирования в первом электролите и формовки во втором электролите при одинаковых напряжениях, что связано со стабилизацией сечений захвата ловушек для электронов и дырок и, как следствие, лучшей компенсацией при динамических процессах.

Отметим, что аналогичные результаты получены для электролитов, содержащих другие растворитель и электропроводную добавку, например, ацетонитрил и ортофосфорную кислоту.

Предлагаемый способ получения диэлектрических пленок пригоден для твердых растворов InAs, например InAs_1-xSb_x, где Х=0.8÷0.85. При создании МДП-приборов на эпитаксиальных структурах InAs-InAs_0,15 Sb_0,85 (толщина эпитаксиального слоя 30÷50 мкм, концентрация основных носителей n≈10¹⁴÷10¹⁵ см^-3) получены следующие параметры: U_FB≈0,3-0,6 В, δU_гист.≈0,4-0,7 В.

Пример.

В качестве полупроводника использован монокристалл п-типа с концентрацией п=2,7·10 ¹⁵ см^-3, подвижностью ˜6,7.10⁴ В.см^-2 и ориентацией [III].

Для анодного окисления использовались два электролита следующего состава (вес.% в диметилформамиде):

№1. Аммоний фтористый: 1.6-1.8% Кислота пирофосфорная: 1.5%№2. Кислота пирофосфорная: 1.5%.

Напряжение формовки в обоих случаях было равно 20 В.

Таблица 1 № режимаТип электролита и последоват. их примененияНапряжение анодирования и формовки, ВНапряжение плоских зон, (U _FB), ВГистерезис δU_гист., ВПрим. 1Э 203,50,3  2Э 305 0,1 3 Э+NH₄F 200,5÷1,51,2  4 Э+NH₄F30 0,6÷1,71,2  5а) Э+NH ₄F0-100,1÷0,2 0,2÷0,4   б) Э 0-10    6 -"-0-10        0-200,5÷1,00,2÷0,4  7 -"-0-20        0-100,1÷0,21,5÷2,0  8 -"-0-200,15÷0,25 0,2÷0,4  9-"- 0-200,6÷1,00,3÷0,5     0-30     10-"- 0-300,1÷0,3 1,0÷1,5    0-20     11 -"-0-300,15÷0,25 0,25÷0,4     0-30     12а) Э0-10 3÷3,50,5÷0,7    б) Э+NH₄F0-10     13 а) Э0-102,5÷3 0,8÷1,0   б) Э+NH ₄F0-20     14-"- 0-204,5÷5,00,4÷0,5     0-10     15-"- 0-204,0÷4,5 0,5÷0,7    0-20     16 -"-0-204,0÷4,5 0,5÷0,9     0-30    17 -"-0-306,5÷7 0,4÷0,6     0-20    18 -"-0-306÷6,5 0,5÷0,7     0-30    

После формирования анодной пленки на рабочую сторону полупроводника через металлическую маску наносились контактные электроды из алюминия (0,7×0,7 мм2) путем вакуумного напыления при температуре 130°C толщиной 1 мкм.

Перед измерением вольт-фарадных кривых с обратной стороны п/п удалялся анодный оксид и далее на нее наносился омический контакт из индия также путем вакуумного напыления при комнатной температуре.

Результаты вольт-фарадных измерений МДП-структур:

N_SS≈(1-5)10¹¹ см^-2

U_FB ≈0.2 В

δ_Uгист.≈0.15 В

Использование предлагаемого способа получения диэлектрических пленок для МДП-структур на InAs и его твердых растворах обеспечивает, по сравнению с существующими способами, следующие преимущества:

- снижение величины встроенного заряда в 5-7 раз;

- уменьшение плотности ловушек и, следовательно, величины гистерезиса на (C, V) кривых в 7-10 раз.

Это позволило впервые в мировой практике реализовать 16-элементную МДП-фотоприемную линейку на InAs и InAs_1-xSb_x с чувствительностью менее 10^-6 Вт/см² при фоне 10^-5 Вт/см² Гц^1/2.

Формула изобретения

Способ получения диэлектрических пленок для МДП структур на основе арсенида индия и его твердых растворов, включающий погружение полупроводниковой пластины в первый электролит, содержащий органический растворитель, электропроводящий компонент и галогеносодержащую добавку и подачу на пластину электрического напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения обнаружительной способности МДП структур путем снижения величины встроенного заряда и плотности ловушек в диэлектрических пленках, в качестве галогеносодержащей добавки используют аммоний фтористый в количестве 1,6-1,8 вес.%, после анодирования в первом электролите, полупроводниковую пластину погружают во второй электролит, содержащий то же количество органического растворителя и электропроводящего компонента, что и первый, и проводят анодирование, причем анодирование в обоих электролитах осуществляют до одинакового напряжения.

РИСУНКИ