Полупроводниковый прибор

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В работе [1] сообщалось о возможности получения структур оксинитрид кремния - InSb с хорошим качеством границы раздела (˜10 11 см-2 эВ-1) и их использовании при создании ПЗИ и ПЗС приборов. Пленки SiOxN y получали пиролитическим разложением моносилана в среде азота и аргона на подложке, нагретой до 250°С. Данных о структуре и составе диэлектрика и связи его с условиями получения не приводилось. Отсутствовали сведения и о стабильности и воспроизводимости свойств границы раздела.

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

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

В случае nSb выбор диэлектрика по такому принципу затруднен; по-видимому, таким окислом или нитридом мог бы служить Al2O 3 или AlN. Однако постоянные решетки соединений InSb и AlSb отличаются почти на 21% (5,1356 Å и 6,4789 Å соответственно). С этими диэлектриками граница раздела с антимонидом индия была неудовлетворительной: высокая плотность Nss, наличие гистерезиса, невоспроизводимость параметров.

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

Отклонение параметров решеток оценивалось по уравнению

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

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

Рассмотрим более подробно соответствие параметров решеток InSb и окисных соединений, которые могут образовываться на его поверхности при различных методах окисления. Среди этих окисных диэлектрических соединении можно выделить In2 О3 (см. Mn2O3), InSbO4 (см. рутил), Sb2O3 (валентинит), Sb 2O3 (сенармонтит) и Sb2O4 .

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

Из таблицы видно, что лучшее совпадение параметров решеток наблюдается для InSb с ориентацией [100] и [111] и соединения InSbO4 (-4%). Для модификаций In2O3 и Sb 2O3 это расхождение параметров решетки несколько большее и для InSb с ориентацией [111] составляет -6% и +12% соответственно. Большое отличие обнаружено для окислов Sb 2О4 и Sb2O5, которое составляет +18%.

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

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

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

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

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

В свободных электролитах на основе диметилформамида в зависимости от содержания воды может образоваться окисел, состоящий из различных модификаций окислов индия и сурьмы. При содержание воды в электролите от 0,1 до 1% образуется анодный окисел, содержащий In2О3, Sb2О3 и InSbO 4. Этот факт был установлен авторами методом вольтамперметрии. Все эти модификации имеют постоянные решетки, отличающиеся от постоянной решетки InSb менее чем на 12%. В этом случае, как и предполагалось, МДП-структуры обладали плотностью поверхностных состояний менее 1011 см-2 эВ-1 , при этом они не изменяли своих параметров в течение длительного времени (более 1000 часов). Встроенный заряд в окисле практически отсутствовал. Электролит для получения такого анодного окисла описан в [3].

Добавление Н2O в электролит свыше 1 вес.% приводило к образованию еще двух модификаций в анодном окисле: Sb2O4 и Sb2O5 . Как видно из таблицы, отличие их постоянных решеток от решетки InSb составило 18%. Найдено, что характеристики МДП-структур на основе такого анодного окисла ухудшались: повышалась плотность поверхностных состояний до 7·1011-5·10 12 см-2 эВ-1, появлялся гистерезис на вольт-фарадных характеристиках и обнаруживалась их временная нестабильность.

Интересно заметить, что такие же характеристики наблюдались для МДП-структур на InSb с использованием анодного окисла, выращенного в водных растворах КОН. Авторами было установлено, что, как и в предыдущем случае, в окисле обнаруживались модификации окислов сурьмы Sb2О4 и Sb2О 5.

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

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

В таблице приведены постоянные двумерных решеток для диэлектрических соединений, таких как Al2O3 (различные модификации), SiO2 (различные модификации), Si 3N4, AlN, InN, TiO2 (различные модификации).

К сожалению, данные о структуре SiON в литературе отсутствуют.

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

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

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

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

Методами масс-спектрометрии вторичных ионов, Оже-спектрометрии и дифракции медленных ионов авторами было установлено наличие собственных окислов, для "плохих" МДП-структур, между InSb и диэлектриками TiO2, Al 2O3 и AlN. Эти собственные окислы, в основном Sb2O4 и Sb2O5, образовывались перед процессом (или в начальной его стадии) нанесения диэлектриков. Эти "собственные" окислы, содержащие Sb2 O4 и Sb2O5, и приводили к ухудшению характеристик МДП-структур.

Для получения МДП-структур на основе диэлектриков Al2O3 и TiO 2 авторами было экспериментально проверено два способа:

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

2) предварительное нанесение тонкого (10-500Å) анодного окисла, не содержащего модификаций Sb2O4 и Sb2O 5, и последующее нанесение диэлектриков Al2O 3 или TiO2.

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

Хотя и оказывалось, что SiO2 может позволить получить хорошую границу раздела (<5·10 11 см-2 эВ-1) в МДП-структурах на основе InSb, однако основная трудность в настоящее время заключается в получении воспроизводимых структур. Даже в случае получения SiO2 из газовой фазы (смеси SiH4 и O 2) с предварительным травлением поверхности процент выхода годных не превышал 5-10%.

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

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

Кроме того, изобретение позволяет прогнозировать оптимальные композиции диэлектриков для создания межслойной изоляции и многоуровневой металлической разводки на InSb. В качестве примера можно привести анодный окисел - AlN, анодный окисел - AlO 3, AlN, анодный окисел - TiO2 и др.

Параметры двумерных решеток антимонида индия и диэлектриков с различной ориентацией № п/пПараметры полупроводника Параметры диэлектрика ориентация параметры двумерной решеткитип ориентацияпараметр двумерной решетки 12 345 671 0016,48 InSbO4 (рутил)а=4,74; с=3,215Å 0016,64 -2%2111 4,547,84InSbO 40214,74 7,98-4%-2% 31104,54 6,48×2=12,96InSbO4 0314,74 -4%4001 9,07In 2О3 (см. Mn2 О3)а=10,12Å 00110,12-12% +20%5111 9,0715,69In 2О3 (см. Mn2 О3)310 10,1216,6-12%
-6% 6110 9,07
6,48×2=12,96n2О3 (см. Mn 2О3)210 10,12
11,315-12%
+12%7 0016,48×2=12,96
6,48 Sb2О3
a=4,92 (валентинит)
в=12,46; с=5,42100 12,46
5,42+4%
+12%8 0016,48Sb 2О4 (Sb2О 5)
a=5,436; в=4,510; с=11,76Å 0105,436
11,76 +18%9001 6,48×2=12,96Sb 2O3 (сенармонтит)
а=11,15 00111,15 +14%10111 9,07×2=18,14Sb 2O3 (сенармонтит) 11115,61+12% 11110 9,07×2=18,14
6,48×2=12,96 Sb2O3 (сенармонтит) 11015,61
11,15 +12%
+14% 121119,07 Si3N4
а=13,38
c=8,60000113,38 -48%13 1119,07:2=4,53-Al2O3
a=4,75
с=12,97Å0001 13,38
4,751-5% 140016,48 Al2O3 (шпинель)
a=7,9000111,175:2=5,59 +12%15 0016,48Al 2O3 (шпинель)
a=3,95 0015,59 +12%16111 9,07AlN (см. InSb)
a=3,104
с=4,9650001 9,312-3% 171119,07 InN (см. InSb)
a=3,533
с=5 000110,599-17% 18111 9,07SiO2 (-кварц)
a=4,99
с=5,45 00014,99×2=9,98 -14%19111 9,07SiO 2 (-кварц)
a=4,90
с=5,39 00014,90×2=9,8 -14%20111 9,07
9,07×2=18,14 SiO2 (-тридимит)
a=5,03
с=8,22 00015,03×2=10,06
5,03×3=15,09 -11%
-17% 210016,48 SiO2 (-кристобалит)
a=7,05001 7,05-9% 221119,07 SiO2 (-кристобалит)111 9,97-10% 231109,07
6,48SiO2 (-кристобалит)110 9,87
7,05-10%
-9% 24111 4,54
7,84TiO2 (рутил)0214,49
7,32+1%
+7% 251104,54
12,96TiO2 (рутил) 0314,49
9,76 +1%
+25% 260016,48 TiO2 (брукит)
а=9,166
в=5,436
с=5,1351005,436
5,135+16%
+20% 27001 9,07:2=4,54
6,48TiO 2 (анатаз)
а=3,777
с=9,501 0013,777
5,34 +17%28001 9,07:2=4,54
6,48 TiO2 (рутил)
а=4,49
с=2,89 0014,49
6,35 +1%29 1119,07:2=4,54Sb
а=4,4981114,498 +1%

Источники информации:

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

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

3. Авторское свидетельство СССР № 1840205, 2006.


Формула изобретения

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области полупроводникового производства, а именно к конструкции вертикального биполярного транзистора с низким уровнем обратного тока

Изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано в устройствах автоматики и телемеханики

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, изготавливаемых на эпитаксиальном кремнии. В силовых полупроводниковых приборах с повышенной устойчивостью к ионизирующему излучению, изготавливаемых на эпитаксиальном кремнии с вертикальным перемещением носителей тока и содержащих эпитаксиальный слой, активную область и периферию, в качестве периферии используется канавка шириной от 2 до 6 микрон, глубиной не менее толщины эпитаксиального слоя, стенки и дно которой покрыты слоем термического окисла кремния толщиной от 0,5 до 2 микрон, остальной объем канавки заполнен защитным наполнителем для повышения устойчивости к ионизирующему излучению. В результате такой конструкции периферии полупроводникового прибора ионизирующее излучение, попадающее в область периферии и за ее пределы под прямым углом, не изменяет электрические свойства полупроводникового прибора. Излучение, направленное под углом в сторону полупроводникового прибора, попадающее за пределами канавки, значительно ею ослабляется или отражается. Изобретение обеспечивает повышенную устойчивость полупроводниковых приборов к ионизирующему излучению. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх