Технологии микропрофилирования и формирования контактных систем для микроприборов на основе нитридов III группы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Желаннов Андрей Валерьевич

• Желаннов Андрей Валерьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Желаннов Андрей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ДЛЯ

ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОПРИБОРОВ

1.1 Основные характеристики и применение нитридов III группы

1.1.1 Свойства нитридов III группы

1.1.2 Эпитаксиальные структуры нитридов III группы

1.2 Микропрофилирование приборных структур на основе АЮаК

1.2.1 Химическое («жидкостное») травление

1.2.2 Плазменное («сухое») травление

1.3 Формирование контактных систем к материалам АЮаЫ

1.3.1 Омические контакты к системе АЮаЫ

1.3.2 Формирование барьерного контакта к нитриду галлия

1.4 Формирование микроприборов на нитриде галлия

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОПРОФИЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ

III ГРУППЫ

2.1 Оценка микрорельефа и морфологии поверхности

2.1.1 Атомно-силовая микроскопия

2.2.2 Оптическая про филометрия

2.2 Экспериментальные исследования процесса микропрофилирования нитрида галлия в хлорсодержащей среде

2.2.1 Влияние мощности источника индуктивно-связанной плазмы на параметры травления

2.2.2 Влияние высокочастотной мощности на параметры травления

2.2.3 Влияние давления в камере на параметры травления

2.2.4 Влияние расхода газовой смеси на параметры травления

2.3 Процессы селективного травления ОаК/АЮаЫ при создании приборных структур

2.4 Исследование влияния режимов обработки поверхности полупроводника на параметры барьерной металлизации

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ К НИТРИДНЫМ ПОЛУПРОВОДНИКАМ

3.1 Контроль сопротивления омических контактов

3.2 Подбор системы металлизации омических контактов к материалам АЮаЫ

3.3 Модификация поверхности для улучшения качества омических контактов к системе АЮаЫ

3.4 Подбор системы металлизации для барьерных контактов к структурам на основе АЮаК

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ III ГРУППЫ

4.1 Измерение параметров микроприборов на основе AlGaN/GaN на пластине

4.2 Технологический маршрут изготовления и исследование характеристик микроприборов диодов Шоттки

4.2.1 Технологический маршрут изготовления диодов Шоттки

4.2.2 Исследование характеристик диодов Шоттки

4.3 Последовательность технологических операций по изготовлению транзисторов и исследование их характеристик

4.3.1 Последовательность технологических операций по изготовлению транзисторов

4.3.2 Исследование характеристик транзисторов

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологии микропрофилирования и формирования контактных систем для микроприборов на основе нитридов III группы»

ВВЕДЕНИЕ

Нитрид галлия (ОаЫ) обладает совокупностью свойств, позволяющих получать на его основе приборы, превосходящие по параметрам приборы на классических полупроводниках. Использование нитридных полупроводников в областях высокотемпературной, высоковольтной, высокочастотной и сильноточной электроники, позволяет существенно расширить пределы работы полупроводниковой техники. Уникальное сочетание физических свойств, включающее большую ширину запрещенной зоны, высокую дрейфовую скорость насыщения электронов, высокое напряжение пробоя, высокую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость позволяет рассматривать нитридные полупроводники как наиболее перспективные материалы для создания микроприборов нового поколения. Именно с внедрением ОаЫ в настоящее время связывается прорыв в СВЧ - и сильноточной электронике.

С середины 90-х наметился существенный прогресс, как в технологии полупроводникового нитрида галлия, так и в технологии приборов на его основе. В настоящее время происходит быстрая модернизация технологии выращивания эпитаксиальных пленок нитридов III группы. Улучшаются структурные и электрофизические параметры структур.

В настоящее время параметры приборов на GaN не достигли предельных значений. Это обусловлено использованием чужеродных подложек и недостаточным качеством выращиваемых на них эпитаксиальных структур. Подложки для эпитаксии нитрида галлия должны иметь минимальное рассогласование постоянной решетки и коэффициента термического расширения, приемлемую теплопроводность для снятия тепловых ограничений и хорошие изолирующие свойства. На сегодня этим критериям соответствуют подложки из сапфира (А1203) и карбида кремния (81С). Развитие технологии <Юа^на-кремнии» открывает путь к интеграции структур на основе GaN с кремниевой электроникой. Однако сложности использования кремниевых подложек ограничивают развитие данной технологии.

Кроме эпитаксиальных процессов не менее сложными являются постростовые процессы создания приборного чипа. Постростовые процессы в производстве полупроводниковых приборов определяют достижимые параметры и надежность приборов. Наиболее ответственными операциями постростовой обработки приборных структур на нитриде галлия являются: создание омических и выпрямляющих контактов, микропрофилирование эпитаксиальной структуры и пассивация поверхности.

Использование непроводящих подложек приводит к необходимости введения в технологический процесс операции микропрофилирования для формирования областей под металлизацию контактов (омических и выпрямляющих) и изоляции между элементами. При этом глубина удаляемой области полупроводника может изменяться от единиц (вплоть до десяти) до долей микрометров. Одновременно с этим предъявляются требования к сохранению морфологии поверхности после процесса травления.

Не менее важным аспектом создания микроприборов является формирование воспроизводимых и надежных систем омических и выпрямляющих контактов. Получение омических контактов с низким сопротивлением позволяет улучшать характеристики изготавливаемых приборных структур.

Все вышесказанное определяет важность и актуальность данной диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию постростовых операций формирования микроприборов на основе нитридов III группы.

В настоящей работе проведено исследование возможных путей решения ряда актуальных проблем в технологии создания приборных структур на основе нитридов III группы, приведен анализ основных операций их постростовой обработки, изготовлены и исследованы опытные образцы микроприборов.

Целью работы является разработка основных технологических операций прецизионного микропрофилирования и формирования контактных систем для

структур на основе нитридов III группы и создание на базе разработанных технологий диодов Шоттки и HEMT транзисторов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка технологии микропрофилирования эпитаксиальных структур на основе нитридов III группы.

2. Выбор материалов и их композиций для формирования омических и выпрямляющих контактов.

3. Поиск способов улучшения параметров омических контактов.

4. Разработка технологии изготовления и анализ характеристик и параметров микроприборов на основе нитридов III группы - диодов Шоттки на нитриде галлия, HEMT транзисторов на основе гетероэпитаксиальных структур AlGaN/GaN.

Объектами исследования были эпитаксиальные структуры нитридов III группы на сапфировых подложках и микроприборы на их основе. Эпитаксиальные структуры, используемые в рамках данной работы, поставлялись ЗАО «Элма-Малахит» г. Москва, ФТИ им. Иоффе г. Санкт-Петербург.

Методы исследования. При проведении процессов травления для анализа топологии, морфологии и структурных особенностей поверхности использовались методы оптической профилометрии, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Для решения поставленных задач по анализу характеристик приборных структур на пластине использовался измерительный комплекс, который включает в себя зондовую станцию MPS150 и измеритель характеристик полупроводниковых приборов Keithley 4200-SCS; для анализа электрофизических параметров структур на отдельных технологических операциях использовались холловские измерения.

Научная новизна:

1. Установлены факторы (режим травления, материал защитного покрытия), определяющие процесс микропрофилирования структур на основе нитридов III группы с целью реализации технологии глубокого травления нитрида галлия.

2. Обеспечена управляемость процесса селективного травления GaN относительно Al0,25Ga0,75N с помощью выбора режима травления.

3. Выявлена возможность изготовления омических контактов на основе систем Cr/Pt/Au без высокотемпературной обработки, которая позволяет формировать системы выпрямляющих и омических контактов в одном технологическом цикле.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для обеспечения глубокого травления (10 мкм и выше) нитрида галлия с получением вертикального профиля и сохранением морфологии поверхности

Л

необходимо использование газовой смеси Cl2/BQ3/Ar 20/60/10 см /мин) с мощностью источника индуктивно-связанной плазмы 600 Вт и высокочастотной мощностью 100 Вт.

2. Введение в газовую смесь Cl2/Ar добавки кислорода с расходом

-5

5 см /мин позволяет получить селективность травления GaN по отношению к Al025Ga075N на уровне 28:1 с сохранением морфологии поверхности.

3. Для получения низкоомных омических контактов при формировании микроприборов на основе нитридов III группы необходимо проведение модификации поверхности полупроводника посредством создания ионно -легированных слоев, введения подслоя кремния в систему металлизации, использования сильнолегированных защитных слоев.

Обоснованность и достоверность экспериментальных исследований основана на использовании апробированных методик исследования, согласием экспериментальных данных с теоретическими представлениями, широким

представлением результатов на конференциях и семинарах, публикациями в рецензируемых журналах.

Практическая значимость заключается в следующем:

1. Разработана технология микропрофилирования, обеспечивающая проведение процессов глубокого травления нитридов III группы.

2. Получены режимы, позволяющие проводить селективное травление структур ОаКМ^^Оао^К без повреждения барьерного слоя.

3. Разработана технология формирования омических контактов без высокотемпературной обработки к нитридам III группы с низким значением контактного сопротивления.

4. Разработаны и изготовлены опытные образцы диодных и транзисторных микроприборов на основе нитридных полупроводников.

Реализация и внедрение результатов исследований:

Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого, где используются в лекциях и при проведении практических занятий по дисциплине «Процессы микро- и нанотехнологии», при выполнении выпускных квалификационных работ при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника». Результаты исследований использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: при поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания, проект №3.3572.2017/ПЧ, 2017-2018 г.г., при поддержке Минобрнауки в рамках базовой части госзадания, проект № 1755, 2014-2016 г.г. НИОКР по заказу ОАО «ОКБ-Планета»: Анализ микро- и наноструктур на основе полупроводниковых соединений А3В5 (2013 г.), Анализ приборных микро- и наноструктур на основе нитрида и арсенида галлия зондовыми методами (2015 г.), Формирование структур силовой и оптической электроники на основе нитрида и арсенида галлия

(2016 г.), Диагностика микроструктур силовых приборов на основе нитрида галлия (2017 г.).

На конкурсе персональных грантов «Участник молодежного научно-исследовательского конкурса» в 2011 году получен грант государственной поддержки.

Апробация результатов исследования и публикации. Основные результаты работы представлялись на следующих международных, всероссийских конференциях и семинарах, а также вузовских конференциях:

1. 7-я, 8-я, 9-я, 10-я, 11-я всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия, алюминия-структуры и приборы», 2010, 2011, 2013, 2015, 2017.

2. IX, X, XII, XIII, XIV, XV научно-техническая конференция «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2010, 2011,

2013, 2014, 2015, 2017.

3. Конкурсные работы аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности», 2010.

4. IV, V Всероссийская конференция и школа молодых ученых и специалистов «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», 2012, 2014.

5. 15th Scientific Youth School «Physics and technology of micro- and nanosystems. Silicon Carbide and Related Materials», 2012.

6. Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию ФГУП «НПП «Исток», 2013.

7. 5-я, 6-я, 7-я, 8-я, 9-я научно-практические конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения»,

2014, 2015, 2016, 2017, 2018.

8. VI, VIII, IX, Х Международные научно-технические конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике», 2016, 2017, 2018.

9. 7-я Международная научная конференция «Химическая термодинамика и кинетика», 2017.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 8 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен патент на полезную модель.

Личный вклад соискателя.

При непосредственном участии автора были проведены основные технологические операции, рассмотренные в работе. Автор лично проводил измерения параметров экспериментальных образцов. В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал активное участие в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения и интерпретации полученных результатов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 155 страницах, а также списка литературы. В работе имеется 90 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 170 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, основные научные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены основные свойства нитридов III группы, показаны области, в которых наиболее перспективно их использование. Представлены особенности эпитаксиального выращивания, а также выбора подложек для различных приборных приложений. Рассмотрены особенности постростовой обработки нитридов III группы, вопросы травления и формирования контактных систем к материалам Al^Ga^N, в том числе выбор систем омических и выпрямляющих контактов.

Во второй главе проведено исследование процесса микропрофилирования AlxGai_xN и его использования для формирования микроприборов на основе нитридов III группы. Рассмотрено диагностическое оборудование для анализа топологии и морфологии поверхности в процессе микропрофилирования. Показаны основные этапы подбора режимов травления для получения широкого диапазона скоростей травления. Описана технология селективного травления, позволяющая прецизионно стравливать слои гетероструктуры. Представлены результаты исследований по влиянию обработки поверхности в хлорсодержащей плазме на параметры выпрямляющих контактов.

В третьей главе представлен анализ технологии формирования контактных систем для микроприборов на основе эпитаксиальных слоев нитридных полупроводников. Показаны особенности формирования систем омических контактов к нитридам III группы. Рассмотрены способы модификации поверхности для улучшения характеристик омических контактов. Описан выбор систем металлизации для формирования выпрямляющих контактов к эпитаксиальным слоям нитрида галлия.

В четвертой главе описана последовательность технологических операций по формированию диодов Шоттки на основе эпитаксиальных структур нитрида галлия и HEMT транзисторов на гетеропереходе AlGaN/GaN. Используя разработанные технологические операции, изготовлены опытные образцы микроприборов и проведено исследование их основных характеристик.

В заключении представлены основные выводы по работе, приведен перечень опубликованных научных работ.

ГЛАВА 1 СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОПРИБОРОВ

1.1 Основные характеристики и применение нитридов III группы 1.1.1 Свойства нитридов III группы

Прогресс в области разработок полупроводниковых приборов неразрывно связан с успехами в получении и совершенствовании новых материалов. Из известных элементарных полупроводников только три нашли конкретное применение в полупроводниковой электронике: германий, кремний и, особенно в последнее время, углерод в виде алмаза.

Разработка и совершенствование материалов группы AIIIBV позволяют получать исходный материал с заранее заданными электрофизическими свойствами, такими как ширина запрещенной зоны, подвижность и дрейфовая скорость насыщения электронов, постоянная кристаллической решетки, теплопроводность, коэффициент термического расширения и другие.

Значительный выигрыш в удельной плотности мощности можно получить, используя широкозонные полупроводники: алмаз, карбид кремния, а также InN, AlN и GaN - класс полупроводников, называемый нитридами III группы. Работы по использованию нитридных полупроводников ведутся уже более 50 лет. Основное применение их планировалось в высокотемпературной (свыше 300°С) и высоковольтной (до нескольких киловольт) электронике. Однако трудности, связанные с получением монокристаллов и даже монокристаллических слоев этих материалов, до последних лет не позволяли освоить даже мелкосерийное производство таких приборов.

Промышленное использование нитридных полупроводников открывает большие возможности для различных областей электроники, в том числе за счет меньшего потребления энергии, малых габаритов, приводя к увеличению эффективности конечных устройств [1].

Традиционные полупроводники не отвечают современным требованиям по ряду характеристик. В связи с этим большое внимание уделяется поиску новых

материалов для формирования элементной базы. В том числе рассматриваются и материалы на основе нитридов III группы.

Системы материалов на основе нитридных полупроводников обладают высокой стойкостью к термическим, химическим и радиационным нагрузкам. Приемлемая величина теплопроводности снижает проблемы охлаждения рабочей области приборной структуры. Совокупность свойств нитридных полупроводников позволяет создать на их основе СВЧ и мощные транзисторы, работающие в неблагоприятных условиях.

Нитриды III группы, а также системы твердых растворов на их основе являются объектами интенсивного исследования. Нитридные полупроводники изучаются в качестве материалов для создания коротковолновой оптоэлектроники, а также силовой и СВЧ электроники, способной работать при повышенных температурах. Особый интерес вызывает нитрид галлия как прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны Eg = 3,4 эВ, образующий широкий ряд твердых растворов как с алюминием (AlxGa1-xN), так и с индием (InxGa1-xN) [2, 3].

Привлекательность использования GaN для решения задач экстремальной электроники объясняется его параметрами: большая по сравнению с Si, GaAs и SiC ширина запрещенной зоны (таблица 1.1), определяющая большую рабочую температуру полупроводникового прибора, высокие энергия связи и пороговая энергия дефектообразования, определяющие радиационную стойкость, высокая химическая и термическая стойкость.

Однако, при использовании GaN в электронике приходится сталкиваться с рядом технологических проблем:

• в связи с отсутствием коммерчески доступных подложек из монокристаллического GaN, а также в силу относительно плохой ее теплопроводности (1,3 Вт/(см-К) [4]), т.е. выше, чем у арсенида галлия и сравнима с кремнием, но значительно ниже, чем у SiC, алмаза и кубического нитрида бора) необходимо совершенствовать качество материала чужеродных подложек [5];

Таблица 1.1 - Основные параметры GaN в сравнении с другими материалами, используемыми в электронике [6]

Si GaAs 4ИЖ GaN

Ширина запрещенной зоны Е^ эВ 1,12 1,42 3,26 3,39

Дрейфовая скорость насыщения электронов, Уз х10 см/с 1,0 4,0 2,0 2,5

Напряженность поля пробоя Ес, х106 В/см 0,3 0,4 3,0 3,3

Подвижность электронов см /(В•с) 1350 8500 700 2000

Коэффициент теплопроводности, Вт/(смК) 1,5 0,5 4,5 1,3

• совершенствование качества эпитаксиальных слоев GaN в части остаточных примесей [О, Si, Н, N (вакансии)], которые служат донорами. Исследование возможности уменьшения влияния глубоких уровней

E1 (0,264 эВ), E2 (0,58 эВ), E3 (0,665 эВ). Снижение уровня различных дефектов, и в том числе вакансий N

• совершенствование технологических методов формирования микроприборов, в частности меза-структур, травления областей под контактную металлизацию, формирования омических контактов и барьеров Шоттки, методов нанесения маскирующих и защитных диэлектрических пленок.

Электрофизические параметры нитрида галлия, как широкозонного полупроводника, не превосходят параметры других широкозонных полупроводников: алмаза, карбида кремния, нитрида алюминия и других. Однако структура c гетеропереходом AlxGa1-хN/GaN оказалась самой уникальной из известных гетероструктурных пар, и, как показывают расчеты, по удельной отдаваемой мощности приборы на основе AlxGa1-хN/GaN превосходят кремниевые мощные приборы примерно в 100 раз, приборы на GaAs в 30 раз и даже на SiC в 3 раза! Концентрация свободных носителей заряда в двумерном электронном газе

13 2 7

достигает 3-5-10 см- , дрейфовая скорость насыщения электронов 2,7-107 см/с

Л

(при E=150 кВ/см), подвижность электронов порядка 1800-2500 см /(В-с) при 7=300 К и без принудительного легирования канала. Такие высокие

электрофизические параметры гетероперехода Л1хОа1-хК/ОаК (на порядок лучше, чем в НЕМТ-структуре ЛЮаЛБ/ОаЛБ) достигаются не только за счет большей разницы ширины запрещенной зоны, но и из-за вклада носителей заряда в двумерный электронный газ за счет пьезоэффекта [7].

Таким образом, нитрид галлия обладает целым комплексом необходимых фундаментальных свойств для изготовления на его основе светоизлучающих приборов на зеленую, синюю и ближнюю УФ области спектра, фотоприемников на указанный диапазон и мощных, высокочастотных, высокотемпературных транзисторов.

1.1.2 Эпитаксиальные структуры нитридов III группы

Процесс эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев является важным этапом технологии изготовления приборных структур на ОаМ Эпитаксия - это процесс ориентированного наращивания, в результате которого новая фаза продолжает кристаллическую решётку подложки с образованием переходного эпитаксиального слоя. Этот слой (буфер) способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов [8].

Отсутствие коммерчески доступных объемных подложек нитрида галлия приводит к необходимости выращивания эпитаксиальных слоев ОаЫ на чужеродных подложках. Существует три главных критерия для выбора подложки для эпитаксии нитрида галлия: термическая стабильность, рассогласованность параметров и доступность материала. Процессы эпитаксиального роста проходят при достаточно высоких температурах (выше 1100 °С для процесса осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы (МОСУО)), поэтому первым условием является возможность выдерживать такие температуры. Рассогласованность параметров (постоянной решетки и коэффициента термического расширения) подложки и выращиваемого материала определяют кристаллическое качество эпитаксиальных структур. Последний критерий -доступность подложки по цене и максимальному размеру.

Сапфир

Сапфир, или монокристаллический А12°3, первоначально использовался для эпитаксии нитрида галлия и до настоящего времени остается наиболее распространенной подложкой для выращивания нитридных полупроводников,

несмотря на большое несоответствие ~14 % между постоянными решетки,

10 2

приводящее к высокой концентрации дислокаций (порядка 10 см-). Это в свою очередь приводит к снижению подвижности носителей заряда и времени жизни неосновных носителей заряда, а достаточно низкая теплопроводность приводит к деградации параметров приборов работающих при больших плотностях тока и высокой температуре. Коэффициент термического расширения сапфира выше, чем у GaN, и, таким образом, при охлаждении, в эпитаксиальных слоях возникают двухосные деформации сжатия. Температурная зависимость рассогласования постоянной решетки между сапфиром и GaN приведена на рисунке 1.1 [9].

Для толстых пленок нитрида галлия этот фактор приводит к растрескиванию пленки. Величина коэффициента теплопроводности сапфира на уровне 0,42 Вт/(см К) приводит к худшему отвода тепла, по сравнению с другими Температура, к подложками. Еще одним ограничением

Рисунок Ы - Температурная сапфира является отсутствие

зависимость рассогласования электропроводности подложки,

постоянной решетки А12°з и баМ приводящее к тому, что электрические контакты приборов формируются на лицевой стороне пластины. В этом случае рабочая область приборов уменьшается, и, кроме того, усложняется технология их изготовления. Кроме того, есть данные, свидетельствующие о проникновении кислорода из сапфира в нитрид галлия, что приводит к ухудшению электрических характеристик последнего [10].

Сапфир имеет R-3c пространственную группу и имеет преимущественно ионные связи. Сапфир может быть описан в виде или ромбоэдрической, или гексагональной элементарной ячейки. В ромбоэдрической ячейке объемом

находится 10 атомов, а именно 4 иона А1 и 6 ионов О-, а гексагональная ячейка объемом 254,792 А3 содержит 30 атомов, а именно, 12 ионов А1 и 18 ионов О -. Заметим, что основные поверхности, где растет нитрид галлия, не являются полярными. Гексагональные решетки сапфира вдоль направлений [001], [1-100], [11-20] представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Структура гексагонального кристалла А1203 вдоль осей

а - [0001]; б - [1-100]; с - [11-20]

В настоящее время твердые монокристаллы сапфира выращивают несколькими методами, и почти все монокристаллы имеют высокое качество.

3 2

Концентрация дефектов составляет порядка 10 см- . До настоящего времени, в литературе отсутствует описание перехода дефектов из сапфира в нитрид галлия. В таблице 1.2 представлены свойства сапфира [11].

Таблица 1.2 - Основные физико-механические свойства сапфира

Свойство Величина

Постоянная решетки, нм а=0,4765, с=1,2982

Температура плавления, °С 2030

Изменения постоянной решетки а/ао=0,83, с/с0=0,892

(293 - 1300К)

Коэффициент теплопроводности, Вт/(смК) 0,42

Относительная диэлектрическая проницаемость 8,6 1 с-оси 10,55 1 a-оси

Ширина запрещенной зоны, эВ 8,1 - 8,6

Карбид кремния

Подложки на основе карбида кремния ^С) обладают рядом преимуществ над сапфиром при эпитаксии нитридных слоев. Рассогласование постоянных решетки составляет 4%. SiC имеет достаточно высокую теплопроводность (порядка 4,50 Вт/(см К)), при этом легированный карбид кремния обладает достаточной электропроводностью. Вследствие этого, при формировании контактов может использоваться обратная сторона подложки, что приводит к упрощению технологии изготовления приборных структур.

Существуют полярные подложки карбида кремния С-полярности, так называемые С-подложки, и подложки Si-полярности, т.е. Si-подложки. В первом случае, атомы углерода выходят на поверхность подложки, в то время как в Si-подложках на поверхности расположены атомы кремния.

В настоящее время подложки кремниевой полярности являются более предпочтительными, поскольку позволяют получать слои нитрида галлия более высокого качества. Основным ограничением SiC подложек является их высокая стоимость. Высококачественные 4-х дюймовые подложки стоят примерно 3000 $, в то время как пластины большего диаметра в настоящее время не доступны. Карбид кремния существует в более чем 250 политипах, которые характеризуются чередованием различных плотно упакованных двухатомных плоскостей [12]. Основным элементом всех политипов является тетраэдр с ковалентными связями, сформированный из атомов углерода и центральным атомом кремния, и наоборот, тетраэдр, состоящий из атомов кремния с центральным атомом углерода, как показано на рисунке 1.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Желаннов Андрей Валерьевич, 2018 год

Источник света

света /Ъ

Пьезоэлектрический привод

мтерферомет ' Мирау

Образец

Рисунок 2.5 - Схема интерферометра Talysurf CCl Lite

При регистрации детектором разность фаз базового и исследующего лучей зависит от расстояния между поверхностью образца и контрольной поверхностью. Возникает интерференционная картина из чередующихся светлых и темных полос, которая увеличивается оптикой микроскопа и проецируется на CCD детектор. Статическая интерференционная картина отображает разность расстояний между контрольной поверхностью и образцом. Использование белого, немонохроматического источника света, повышает вертикальное разрешение, так как длина когерентности данного источника очень мала, и наилучший контраст интерференционной картины будет достигаться только при очень хорошем совпадении длин путей, пройденных исследующим и опорным лучами. (Для монохроматического источника существует несколько расстояний, при которых достигается максимальный контраст интерференционной картины, что создает неоднозначность в определении расстояния и уменьшает вертикальное разрешение прибора).

Сдвиг линзы по вертикали (делается шагами с помощью пьезодвигателя), меняет длину пути исследующего луча, в то время как опорный луч будет проходить все тот же постоянный путь. Это приведет к возникновению серий движущихся интерференционных полос. Достижение максимального контраста

интерференционной картины (максимальной яркости, регистрируемой пикселями CCD матрицы) означает точную фокусировку лучей на поверхности образца и совпадение величин плеч интерферометра, что позволяет определять высоту и создавать трёхмерную карту поверхности образца. При этом необходимо определять все положения линзы, при которых яркость каждой точки CCD матрицы максимальна. Таким образом, каждый пиксель CCD матрицы является независимым интерферометром, что позволяет создавать достаточно точные карты поверхности исследуемого образца [146].

Оптический профилометр Talysurf CCl Lite представлен на рисунке 2.6 и используется для анализа рельефа поверхности полупроводника.

Рисунок 2.6 - Профилометр Talysurf CCI Lite

В частности, определяется толщина металлизации и глубина травления, как показано на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Оценка глубины травления нитрида галлия с помощью оптического

профилометра

2.2 Экспериментальные исследования процесса микропрофилирования нитрида галлия в хлорсодержащей среде

Рассмотренные в первой главе вопросы технологии микропрофилирования нитрида галлия привели к необходимости использования плазменных методов травления с применением источника индуктивно-связанной плазмы как способа получения плотной плазмы с высокой однородностью и управляемостью. При этом целесообразно использование хлорсодержащей среды для получения максимальных скоростей травления [147].

Для получения режимов травления нитрида галлия проведены экспериментальные исследования процесса микропрофилирования в хлорсодержащей среде. Травление образцов осуществлялось методом реактивно-ионного травления на установке Бе^есИ Б1-500 (рисунок 2.8), оснащенной источником индуктивно-связанной плазмы.

Отработка травления

заключалась в выборе режимов, обеспечивающих получение

достаточно высоких скоростей травления (до 1000 нм/мин) для удаления полупроводника на глубину до 10 мкм и небольших скоростей (порядка 100 нм/мин) для травления тонких (до 100 нм) слоев гетероструктур. В обоих случаях Рисунок 2.8 - Внешний вид установки необходимо сохранение гладкой

травления Бет^Ь Б1-500 морфологии поверхности. В качестве

тестовых образцов использовались структуры с нелегированным слоем нитрида галлия толщиной ~ 2,0 мкм, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений на сапфировой подложке диаметром 2 дюйма.

При выборе маскирующих покрытий необходимо, чтобы они обладали химической стойкостью к агрессивной газовой среде плазмы, имели высокую адгезию к подложке, и легко удалялись после травления без изменения морфологии поверхности полупроводника [148].

В наших экспериментах использовалась комбинированная маска, состоящая из никеля (N1) толщиной 0,25 мкм с подслоем двуокиси кремния (БЮ2) толщиной 0,3 мкм. Последовательность технологических операций по формированию маски представлено на рисунке 2.9. Формирование маски начинается с плазмохимического осаждения пленки БЮ2. Пленки диоксида кремния

-5

выращиваются с использованием моносилана с расходом 155 см /мин и кислорода

-5

с расходом 8,2 см /мин при мощности источника индуктивно-связанной плазмы 150 Вт, высокочастотной мощности 5 Вт, давлении в камере 5 Па и температуре 250 °С. Пленки никеля напылялись магнетронным способом с нагревом подложки до 250 °С.

После этого с помощью оптической фотолитографии формируется маска из фоторезиста (в данном случае ФП25), представляющая из себя чередование открытых и закрытых участков поверхности. Для сохранения анизотропного профиля, удаление слоев никеля и диоксида кремния проводится методами сухого травления, а именно: ионное травление для никеля и плазмохимическое травление для БЮ2. После травления слоев 8Ю2/№ проводится удаление фоторезиста в диметилформамиде.

В ходе экспериментов по травлению нитрида галлия устанавливались зависимости скорости травления от параметров плазменного процесса, в том числе: мощность источника индуктивно-связанной плазмы, высокочастотная мощность, давление в реакторе, расход газовой смеси.

Фоторезист ФИЬ

5102

ПоЕЗложка

а!

Фоторезист 1

5Ю2

Побложка

Фоторезист ФИ^

БЮг

к I

ПоОлажка

Подложка

Рисунок 2.9 - Формирование маски 8Ю2/№ для травления нитрида галлия: а - нанесение фоторезиста; б - создание маски из фоторезиста; в - ионное травление никеля; г - плазмохимическое травление диоксида кремния и удаление

фоторезиста

2.2.1 Влияние мощности источника индуктивно-связанной плазмы на

параметры травления

На рисунках 2.10 и 2.11 показано изменение скорости травления нитрида галлия при увеличении мощности источника индуктивно-связанной плазмы. 1СР мощность в плазменном процессе в основном регулирует плотность плазмы. Поскольку плотность плазмы при повышении 1СР мощности увеличивается, на подложку будет поступать больше реакционноспособных частиц, увеличивающих химический аспект травления. При этом происходит увеличение скорости травления. Как видно из рисунков, скорость травления нитрида галлия возрастает с ~ 15 нм/мин до ~545 нм/мин при увеличении 1СР мощности с 25 до 600 Вт при значении ВЧ-мощности 60 Вт.

я 800

700

Я

сз 600

О 500

£

и 400

ч

м

^ 300

н

л

н о 200

о

О

§ 100

и

0

ВСЬ/СЬ/Аг 20/60/10 см3/мин, Давление 1,2 Па

• ВЧ-мошность 80Вт ▲ ВЧ-мошность 60Вт

♦ ВЧ-мошность 40Вт ■ ВЧ-мошность 20Вт / / —♦

* /

К

25 50 100 200 300 400 500 600 700

1СР мощность. Вт

Рисунок 2.10 - Зависимость скорости травления от 1СР мощности нитрида

галлия при ВЧ-мощности 20-80Вт

В тоже время, как видно из рисунка 2.10, при небольших значения ВЧ-мощности (до значений порядка 60 Вт) наблюдается насыщение скорости травления при достижении значения 1СР мощности 600 Вт. Насыщение скорости травления в этом случае может быть вызвано либо насыщением реакционноспособных частиц на поверхности, либо десорбцией реактивных веществ на поверхности до возникновения реакций. При увеличении ВЧ мощности такого эффекта не наблюдается, что может быть связано с возрастанием влияния физического распыления полупроводника (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - Зависимость скорости травления нитрида галлия от 1СР мощности при ВЧ-мощности 100-250Вт

2.2.2 Влияние высокочастотной мощности на параметры травления

Высокочастотная мощность системы повышает энергию электронов и, следовательно, увеличивает вероятность ионизации. В результате скорость травления увеличивается с увеличением ВЧ-мощности (рисунок 2.12 и 2.13).

Рисунок 2.12 - Зависимость скорости травления нитрида галлия от ВЧ мощности

ВЧ-мощность, Вт

Рисунок 2.13 - Зависимость скорости травления нитрида галлия от ВЧ-мощности

На рисунках 2.12 и 2.13 представлена зависимость скорости травления нитрида галлия от ВЧ-мощности, где показано, что скорости травления монотонно возрастают при повышении ВЧ-мощности. Скорость травления

увеличивается за счет увеличения вклада физической компоненты травления в сочетании с сильной компонентой химического травления. Увеличение скорости травления можно объяснить улучшенным распылением продуктов травления, а также более эффективным разрушением связей в полупроводнике при увеличении энергии ионов.

2.2.3 Влияние давления в камере на параметры травления

Давление в камере влияет на основные процессы, которые ответственны за плазменное травление. Средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, так что потенциал оболочки увеличивает энергию ионов, бомбардирующих образец. Скорость травления увеличивается с увеличением ионной бомбардировки и поэтому более низкое давление может способствовать травлению.

Увеличение давления в камере приводит к уменьшению длины свободного пробега ионов и увеличению вероятности столкновения электронов и ионов, поэтому плотность плазмы уменьшается (рисунок 2.14).

и 1000

н

3 900

и 800

Й 700

« 400

н зоо ►а

О 200

о

о юо

нн

U о

0,6 1,2 2,4

Давление, Па

Рисунок 2.14 - Зависимость скорости травления нитрида галлия от давления в

камере

Скорость травления нитрида галлия монотонно уменьшается при увеличении давления в камере с 0,6 Па до 2,4 Па, из-за уменьшения радикалов С12 в плазме, или уменьшения потока ионов, приходящего на поверхность подложки.

2.2.4 Влияние расхода газовой смеси на параметры травления

Сильное влияние на скорость травления оказывает правильный выбор реактивного газа или смеси газов. Однако подбор оптимальной газовой среды определяется не только производительностью процесса, но и достижением высокой селективности травления. Скорость травления быстро увеличивается с ростом скорости подачи или расхода газа (рисунок 2.15).

Она достигает максимума, а затем уменьшается при дальнейшем увеличении расхода газа. Малая скорость травления при малых расходах газа определяется недостаточным числом образующихся в разряде химически активных частиц из-за недостатка исходного вещества. Падение скорости при больших потоках можно объяснить тем, что активные частицы плазмы не успевают взаимодействовать с обрабатываемым материалом.

1 200

И СЗ

О «

н м

п и

сЗ

И 400 Л

н

о о

1 000

800

600

200

¡2 и

1СР мощность 600 Вт, ВЧ-мощность 100 Вт, А Давление 1,2 Па \

\

< -----

\ _

/ • Расход ВС1з при СЬ/Аг 60/10 см'Лшл ♦ Расход Аг при ВГОСЬ 20/60 ей™ ■ Расход СЬ при ВСЬ/Аг 20/10 см3/мии

/ /

\ ! !

О 10 20 40 60 80

Расход газов, см3 мим

Рисунок 2.15 - Зависимость скорости травления нитрида галлия от расхода

компонентов газовой смеси

В ходе проведения экспериментов контроль глубины и профиля травления, а также морфологии поверхности осуществлялся с помощью оптической

профилометрии, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии (рисунки 2.16-2.18)

На рисунке 2.9 представлен пример измерения глубины травления на профилометре Talysurf CCI. Режим травления: мощность источника индуктивно-связанной плазмы 600 Вт, ВЧ-мощность 100 Вт, давление 1,2 Па, расход газов (BCb/Cb/Ar) 20/60/10 см3/мин.

010203040 -5060 -70 -80 -90 - 20 40 $0 M um -18 -1.6 -12 -0 8 -06 -02 -0 0 0 4 0 8 12 ПЯ 3 27S 25 22$ I.S 07$ 05 02$

< NU : 06- Г~|

9 Е

os -os -15 -3 Proie« 1/ 262 ХАха ■ 0 563 mm

00$ 01 01$ 02 02$ 0Э 0)$ 04 04$ 0$ 0$$ 06 OOS 07 07$ 08 0*$ 09mm Макс, глубина 2,08 мкм Средняя глубина 2,07 мкм

Рисунок 2.16 - Результаты измерений глубины травления профилометром.

Анализ профиля травления и морфологии поверхности (рисунок 2.10, 2.11) показал, что угол наклона боковых стенок при указанном выше режиме составлял величину порядка 70°, а величина среднеквадратичной шероховатости области травления составляет порядка 4 нм.

Рисунок 2.17 - Результаты измерений глубины травления с использованием

атомно-силового микроскопа

Рисунок 2.18 - Изображение участка травления, полученного с помощью сканирующего электронного микроскопа

В рамках исследования процессов травления была оценена скорость и селективность травления маски (8Ю2/№) по отношению к нитриду галлия (рисунок 2.19) в диапазоне изменения ВЧ-мощности от 20 до 250 Вт.

В результате определено, что такая маска обладает достаточной стойкостью к травлению и надежно предохраняет поверхность ОаЫ от длительного плазмохимического травления в среде ВС13/С12/Аг и позволяет формировать структуры с гладкой поверхностью при травлении на глубину до 10 мкм.

1200 1000

ж =

Я

и Ч Я я а, н

л -

о о а.

о а и

600 400

ВСЬ/СЬ/Аг 20/60/10 см3/мин, 1СР мощность 600 Вт, Давление 1, 2 Па ^^

■ с^ ♦ 8Ю2'М

— — 1—

20 40 60 80 100 120 150 200 250 ВЧ-мощность, Вт

а)

50

н к 45

о п 40

И

СЗ & СЗ И 35

о <0

ьС - 3 25

с К 20

СО Г'Ь,

а И

н

И 10

Ч

и

и 0

ВСЬ/СЬ/Аг 20/60/10 см3/мин, 1СР мощность 600 Вт, Давление 1, 2 Па

20 40 60 80 100 120 150 200 250 ВЧ-мощность, Вт

б)

Рисунок 2.19 - Зависимость скорости и селективности травления от ВЧ-мощности: а - скорость травления нитрида галлия и маски 8Ю2/№; б -

селективность травления ОаК относительно 8Ю2/№

2.3 Процессы селективного травления GaN/AlGaN при создании приборных

структур

Рассмотренные выше режимы травления не обеспечивают селективности травления между нитридом галлия и твердым раствором АЮаМ Разработка такого рода процесса необходима при использовании гетероструктур с защитными сильнолегированными слоями при формировании областей под барьерную металлизацию [149]. Селективность травление GaN/AЮaN гетероструктур, как правило, может достигаться путем введения кислорода в газовую смесь С12/Аг. Как только слой AlGaN подвергается воздействию, кислород, содержащийся в плазме, реагирует с алюминием с образованием оксидного барьера на поверхности. Это предотвращает дальнейшее травление и также защищает поверхность от ионной бомбардировки [150].

Для реализации такого рода процесса использовались структуры с чередованием слоев GaN(80 нмyAl0,25Gao,75N(80 нм)/GaN(2,2 мкм). Контроль скорости травления осуществлялся по сигналу с интерферометра, входящего в состав установки травления, как показано на рисунке 2.20.

100 200 300 400

Время травления, с

Рисунок 2.20 - Пример графика травления, полученного с интерферометра

С помощью графика на рисунке 2.20 проведены вычисления скорости и селективности травления GaN и Al0,25Gao,75N.

Травление образцов проводилось в среде Q2/Ar с добавкой различного количества кислорода (от 0 до 10 см /мин) при мощности источника индуктивно-связанной плазмы 75, 100 и 200 Вт и ВЧ-мощности 10, 30, 60 и 90 Вт. Давление в

"5

камере составляет 1,2 Па при расходе О^г 60/10 см /мин. На рисунках 2.21 и

2.22 представлены зависимости скорости и селективности травления от расхода кислорода. Для формирования рельефа поверхности изготавливалась комбинированная маска, состоящая из никеля толщиной 0,25 мкм с подслоем двуокиси кремния толщиной 0,3 мкм.

Как видно из графиков, добавление кислорода в газовую смесь снижает скорость травления АЮаМ Это связано с окислением слоя АЮаЫ при взаимодействии с кислородом и образованием стойкого к травлению соединения. При этом зависимость селективности травления от расхода кислорода имеет максимум при расходе 5 см /мин и составляет величину около 30:1.

Дальнейшее увеличение расхода кислорода приводит к снижению селективности из-за падения скорости травления нитрида галлия. При этом на величину селективности оказывает влияние и величина высокочастотной мощности. Поскольку ВЧ-мощность определяет физический механизм травления, то понятно, что при определенном ее значении будет стравливаться и соединение

АЬОз.

а)

з г

25

: 20

и

В*

3

Э-«

Ч,'

е- 8

<-> о

§.<

О ЬЙ

и

14 12 10 8 ! 6 ! 4 2 0

0 2.5 5

Расход 02, см3/мин

10

ВЧ-мошность

♦10Вт -»60Вт

\ ■»30Вт -»-90Вт

\

\

0 2,5 5 10

Расход 02. см3/мин

б)

ВЧ-мощность о 10Вт -*ч50Вт -»30Вт -'»Вт

в)

Рисунок 2.21 - Зависимость параметров травления ОаК и А^д^а^К от расхода кислорода: а - скорость травления GaN; б - скорость травления А^д^а^К селективность травления GaN/Al0д5Ga0;75N

Таким образом, имеет место максимум на зависимости селективности травления от ВЧ-мощности, как показано на рисунке 2.23

160

г а 140

О

к 120

5

^00

и

я св -?80

& 1

£ =60

а

о 40

о

2 и 20

1СР мощность *75Вт

* 100Вт -»-200Вт

<

3 5

Ж 2

^

м г

5 >

е-г

о о

и <

30

25

20

1СР мощность *75Вт *100Вт -»-200Вт

0 2,5 5 10

Расход О-., см3/мин

2.5

10

а)

Расход 02, см3/мин б)

ей

О

х у

ч

X Л

Э1 -2

н о

Ж <•

В и

Ч о

О

30 25 20 15 10 5

1СР мощность #75Вт ±100Вт ♦ЮОВт

2.5

10

Расход см3/мин в)

Рисунок 2.22 - Зависимость параметров травления GaN и Al0,25Gao,75N от расхода кислорода: а - скорость травления GaN; б - скорость травления Al0,25Gao,75N; селективность травления GaN/Al0,25Ga0,75N

Рисунок 2.23 - Зависимость селективности травления GaN/ Al0,25Gao,75N от высокочастотной мощности при разном расходе кислорода

Также исследовалось влияние мощности источника индуктивно-связанной плазмы на скорость и селективность травления ОаЫ и АЮаЫ (рисунок 2.24).

Н 0 см3/мин ф 5 см3/мин

Расход

кислорода ^ 2,5 см3/мин 10 см3/мин

зо-----

75 100 200

1СР мощность. Вт

Рисунок 2.24 - Зависимость селективности травления ОаЫ/ А10д5Оао/75К от 1СР

мощности при разном расходе кислорода

Остальные параметры режима травления оставались постоянными: ВЧ-

"5

мощность 30 Вт, расход С12/Аг 60/10 см /мин, давление в камере 1,2 Па. Значение 1СР мощности при этом менялось от 75 до 200 Вт при разном расходе кислорода (0 и 5 см /мин). Как видно из графиков, зависимость скорости и селективности травления имеет максимум при значении 1СР мощности 100 Вт. Меньшие значения мощности не обеспечивают необходимых скоростей травления из-за достаточно низкой плотности плазмы. При значении мощности больше 100 Вт происходит рост скорости АЮаЫ в связи с более плотной плазмой и, соответственно, снижение селективности.

Таким образом, в рамках эксперимента получены режимы селективного травления нитрида галлия относительно твердого раствора А10,25Оа0;75М Рассмотрено влияние основных параметров режима травления на скорости травления нитридных полупроводников.

2.4 Исследование влияния режимов обработки поверхности структур на

параметры барьерной металлизации

В течение последних десятилетий большинство исследований сухого травления были направлены на формирование меза-структуры в оптоэлектронных приборах, с упором на достижение высокой скорости травления. В этом процессе глубина травления относительно велика, и повреждения, вызванные травлением, особенно в GaN ^типа, не имеют решающего значения. В тоже время, при разработке СВЧ и силовых приборов, ужесточаются требования к внесению повреждений, с целью уменьшения поверхностных токов утечки.

Как следует из обзора литературы, наиболее важными параметрами режима травления, влияющими на образование повреждений, являются мощность источника индуктивно-связанной плазмы и ВЧ-мощность. Эти параметры определяют плотность плазмы (ICP мощность) и физическое распыление (ВЧ-мощность).

В качестве критериев оценки были выбраны значения высоты барьера Шоттки и коэффициента неидеальности, которые, на наш взгляд, могут отражать качество барьерной металлизации. В качестве исходного материала была выбрана структура, представленная на рисунке 2.25.

Рисунок 2.25 - Исходная структура для оценки влияния режимов травления

На данных структурах, перед формированием барьерного контакта проводилось травление поверхности для определения влияния вносимых повреждений на параметры контакта Шоттки. В качестве барьерной металлизации

использовалась система Ni/Au (0,07/0,3 мкм), формируемая с помощью взрывной фотолитографии. Травление проводилось при следующих режимах: соотношение

"5

газовых потоков BQ3/Cl2/Ar, равное 20/60/10 см /мин, давление в камере 1,2 Па, при изменении ICP мощности от 50 Вт до 400 Вт и ВЧ-мощности от 20 до 80 Вт. Вскрытие окон проводилось до слоя n--GaN.

Качество барьеров Шоттки оценивалась по величине высоты барьера (q9b) и коэффициента неидеальности (n), определяемых из вольтамперных характеристик. Зависимость высоты барьера и коэффициента неидеальности от параметров травления представлены на рисунке 2.26 и в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Влияние травления на параметры барьера Шоттки

ICP мощность, Вт (Рвч=20 Вт) Без обработки 400 300 200 100 50

q9b, эВ 0,68 0,62 0,64 0,75 0,87 0,82

n 2,0 1,5 1,5 1,1 1,0 1,2

ВЧ-мощность, Вт (Picp=100 Вт) Без обработки 75 60 45 20

q9b, эВ 0,68 0,84 0,81 0,87 0,87

n 2,63 0,96 0,98 1,79 1,15

m

m 0,8 в"

S 0,6 о.

я Л . ю 0,4

0,2 0

\ s -

'Л

\

X

■ Высота барьера

щ Коэффициент

неидеальности

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

обработки

ВЧ-мощность, Вт

о и

■е-■в-К

с s г» а н в О S

S

а) б)

Рисунок 2.26 - Зависимости параметров барьера Шоттки от режимов травления: а - мощности источника индуктивно-связанной плазмы; б - ВЧ-

мощности

Выбор диапазона изменения режимов травления обусловлен тем, в указанном диапазоне достигаются минимальные скорости травления нитрида галлия, и существует возможность прецизионной обработки полупроводника.

При этом в выбранном диапазоне изменения параметров травления наблюдаются следующие закономерности. Для обоих параметров, существуют значения, при котором коэффициент неидеальности близок к единице, что свидетельствует о качественном контакте металл-полупроводник. При этом дальнейшее ужесточение режима травления приводит к резкому ухудшению характеристик. Можно предположить, что при этом происходит внесение достаточного количества повреждений, приводящее к деградации характеристик микроприборов.

2.5 Выводы по главе 2

В разделе 2.1 представлены результаты экспериментальных исследований процесса микропрофилирования эпитаксиальных слоев на основе нитрида галлия. При использовании плазмы на основе индуцированного ВЧ-разряда и хлорсодержащей смеси С12/ВС13/Аг проведено исследование зависимости скорости травления нитрида галлия от параметров плазменного процесса. В частности, рассмотрено влияния мощности источника индуктивно-связанной плазмы, высокочастотной мощности, давления в камере и расхода отдельных компонентов газовой смеси на скорость травления и морфологию поверхности.

Раздел 2.2 посвящен разработке технологии селективного травления нитрида галлия относительно твердого раствора А10.25Оао.75М Для получения селективности травления необходимо введение в газовую смесь добавки, ограничивающей скорость травления АЮаЫ. В наших экспериментах использовался кислород. Также показаны зависимости скорости и селективности травления от параметров плазменного процесса (мощности источника индуктивно-связной плазмы, высокочастотной мощности, расхода кислорода). В результате получен режим с селективностью травления ОаЫ/АЮаК порядка 30:1.

В разделе 2.3 проведен анализ влияния режимов обработки структур в плазме С12/ВС13/Аг на параметры барьерной металлизации. Показано, что обработка эпитаксиальной структуры перед формированием барьера Шоттки может изменять его характеристики, а именно высоту барьера и коэффициент

неидеальности. Рассмотрено влияние на данные параметры мощности источника индуктивно-связанной плазмы и высокочастотной мощности, определяющих процессы внесения дефектов на поверхности. В результате проведенной работы получены режимы, при которых высота барьера и коэффициент неидеальности близки к теоретическим значениям.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ СИСТЕМ К НИТРИДНЫМ

ПОЛУПРОВОДНИКАМ

3.1 Контроль сопротивления омических контактов

При разработке микроприборов на нитридных полупроводниках требуется формирование качественных омических контактов с низким удельным контактным сопротивлением в широких температурных и временных интервалах. Стабильная работа приборов в значительной степени определяется надежностью омических контактов [151].

Разработка корректных процедур измерения удельного контактного сопротивления омических контактов играет важную роль в технологии полупроводниковых приборов. Обычно для определения величины рс зондовыми методами проводятся измерения полного сопротивления Rtot между планарно расположенными контактными площадками, которое зависит как от сопротивления контакта, так и от сопротивления полупроводника. Поэтому одной из основных задач при расчете контактного сопротивления омических контактов является определение вклада, вносимого полупроводниковым материалом в величину Rtot, который существенно зависит от выбранной конфигурации контактных площадок и определяется процессами растекания тока между ними. Учет процессов растекания в общем случае достаточно сложен и большинство методик определения рс основано на упрощении конфигурации системы, в которой проводятся измерения [152].

Один из самых распространенных методов измерения контактного сопротивления, учитывающий токи растекания является метод длинной линии (Transmission Line Method - TLM) [153].

В зависимости от геометрии контактных площадок различают линейную (LTLM) и радиальную (CTLM) модификации этого метода. Наиболее удобны модификации TLM, использующие радиальную геометрию контактных площадок [154, 155], так как при этом исключается необходимость дополнительного профилирования структур с целью

устранения нежелательных эффектов, связанных с протеканием тока на краях контактных площадок [155].

В круговых контактах (рисунок 3.1) ток течет радиально.

Рисунок 3.1 - Схематическое изображение контактной площадки с радиальной

геометрией контактов

Предполагая, что контакты являются электрически длинными, т. е. (ёс - 2г2) >> и г1 >> Ьь можно определить общее сопротивление:

=

2п

1