Автореферат (Плазменные процессы в технологии HEMT транзисторов на основе III-нитридов)

На правах рукописиАндрианов Николай АлександровичПЛАЗМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ HEMTТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ III-НИТРИДОВ01.04.04 – физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 2018Работа выполнена на кафедре физики плазмы Института физики нанотехнологий ителекоммуникаций Федерального Государственного Автономного ОбразовательногоУчрежденияВысшегоОбразования“Санкт-ПетербургскийПолитехническийУниверситет Петра Великого” (ФГАОУ ВО «СПбПУ») и АО «Светлана-Рост», г.

СанктПетербург, Россия.Научный руководитель:Доктор физико-математических наук,профессорСмирнов Александр СергеевичОфициальные оппоненты:Астров Юрий Александрович, доктор физикоматематическихнаук,ведущийнаучныйсотрудникФедеральногогосударственногобюджетногоучреждениенаукиФизико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРоссийской академии наукТимофеев Николай Александрович, докторфизико-математическихнаук,профессоркафедры оптики Федерального государственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшего образования Санкт-ПетербургскийГосударственный Университет «СПбГУ»Ведущая организация – ОАО «Авангард»Защита состоится “ 13 ” декабря 2018 г.

в 14 час. 00мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.229.01 при ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д. 29, учебный корпус 4, ауд. 305. С диссертацией можноознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО “Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого”Автореферат разослан “” ноября 2018 г.Ученый секретарь диссертационного советаДоктор технических наук, профессорКоротков Александр Станиславович2Общая характеристика работыАктуальность исследованияШирокозонные полупроводниковые материалы, такие как нитрид галлия (GaN)и другие нитриды металлов третьей группы (III-нитриды) являютсяперспективными базовыми материалами для нового поколения электронныхприборов.

За прошедшую четверть века с момента появления первого полевоготранзистора на кристалле GaN [1] большое развитие получили исследования иразработки в области силовой и СВЧ электроники на основе III-нитридов.Компонентная база на основе III-нитридов уже сейчас превосходит по своимхарактеристикам аналоги на основе кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) икарбида кремния (SiC) [2]. Это обусловлено целым рядом уникальныхфизических свойств III-нитридов, таких как: высокая механическая прочность,термическая стабильность, высокая теплопроводность, химическая инертность,высокие напряжения пробоя и другие электрические свойства, связанные сбольшой шириной запрещенной зоны. Эти преимущества III-нитридов открылитакже новые возможности в оптоэлектронике, которые привели к появлениюсветоизлучающих приборов, работающих в диапазоне от зеленой доультрафиолетовой области спектра [3]. Экстраординарные свойства IIIнитридов, и, в частности, свойства GaN, сделали этот материал ключевым длясоздания мощных, малошумящих и высокочастотных полупроводниковыхприборов [4].

Пьезоэлектрическая и спонтанная поляризация, возникающая вGaN, приводит к образованию двумерного электронного газа (2DEG) высокойконцентрации на гетерогранице AlGaN/GaN [5]. В результате полевыетранзисторы с высокой подвижностью носителей в канале (HEMTs) на основеAlGaN/GaN оказываются способными обеспечивать существенно большиеплотности тока чем другие HEMT на основе III-V материалов [2, 4].Постростовая технология создания HEMT транзистора на основе AlGaN/GaNтребует, в силу химической инертности материалов, использования плазменныхметодов травления и обработки поверхности для формирования топологииприбора и улучшения существующих характеристик транзистора [6].Плазменное травление широко применяется в технологических маршрутахHEMT транзисторов на основе III-нитридов для формирования приборнойтопологии [7].

Следуют подчеркнуть, что существуют также и плазменныеметоды обработки поверхности, которые в отличие от традиционного травления(удаление материала), призваны модифицировать поверхностный химическийсостав полупроводниковых структур для улучшения эксплуатационныххарактеристик HEMT транзисторов. Энергии ионов, бомбардирующихструктуру, в процессе плазменных обработок играют ключевую роль впроцессах модификации поверхности с целью получения нужногоповерхностного химического состава. Контроль энергии ионов при плазменныхобработках необходим также для минимизации поверхностных поврежденийGaN приборной структуры, что важно для достижения высокихэксплуатационных характеристик HEMT транзисторов.3Диагностические методы контроля спектра энергии ионов, бомбардирующихприборную структуру, такие как энергоанализаторы [8], оказываются крайневажны для оптимизации плазменных технологических процессов для HEMTтранзисторов на основе III-нитридов.Постановка задачи и цели работыЦелью работы явилось исследование и оптимизация плазменных процессовобработки поверхности HEMT структур на основе III-нитридов, а такжеразработка и создание планарного энергоанализатора для in-situ диагностикиплазменных технологических режимов с целью их последующей оптимизации.В соответствии с обозначенными целями работы были сформулированыследующие задачи:1.

Исследовать механизм влияния обработки поверхности верхнего GaN capслоя HEMT AlGaN/GaN структуры в BCl3 плазме на формированиеомических контактов к структурам HEMT транзисторов на основе IIIнитридов.2. Изучить механизм воздействия плазмы газового разряда в среде SF6 наповерхностные свойства и пробивные напряжения HEMT структур наоснове III-нитридов.3. Исследовать воздействие N2 плазмы на DC характеристики HEMTтранзистора на основе III-нитридов.4. Разработать и создать с использованием методов микроэлектроникипланарный энергоанализатор, способный работать непосредственно вплазменныхреакторахбезиспользованиядополнительнойдифференциальной откачки. Проверить работоспособность такогоэнергоанализатора.Научная новизна и практическая значимость работы1.Впервые экспериментально продемонстрировано, что плазменнаяобработка GaN cap-слоя HEMT структуры на основе AlGaN/GaN в среде BCl3 вICP-режиме приводит к образованию полимерной пленки типа BxCly наповерхности cap-слоя.

Возникновение полимерной пленки BxCly связано с тем,что при обработке cap-слоя GaN в ICP-режиме энергия ионов, бомбардирующихповерхность недостаточна для устранения BxCly пленки и эффективногоудаления поверхностного оксида в виде летучих соединений типа BOCl.Полимерная пленка BxCly приводит к росту удельного контактногосопротивления по сравнению с необработанной в ICP-режиме частьюполупроводниковой структуры.2.Впервые показано, что обработка GaN cap-слоя в BCl3 плазме сиспользованием ICP-RIE режима позволяет заметно снизить сопротивлениеомических контактов к AlGaN/GaN HEMT структурам. Это связано с тем, чтосуществует оптимальная величина напряжения автосмещения на подложке,равная 40 V, которая позволяет препятствовать образованию полимера BxCly иэффективно удалять оксидную плену GaxOy, и в тоже время обеспечивает4существенное снижение поверхностного потенциального барьера длятранспорта электронов.3.Экспериментально продемонстрирована ключевая роль напряжениясмещения на подложке или, другими словами, средней энергии ионов,бомбардирующих поверхность верхнего GaN cap–слоя структуры при обработкев BCl3 плазме в ICP-RIE режиме, в удалении поверхностной оксидной пленки иуменьшению поверхностного барьера за счет образования донорных вакансийазота, что в итоге приводит к уменьшению сопротивления омических контактов.4.Показано, что при оптимальном напряжении смещения на подложке приобработке поверхности cap-слоя GaN в ICP-RIE режиме в среде BCl3 непроисходит образование полимерной пленки BxCly.

Это связано с тем, что приплазменной обработке с напряжением автосмещения на подложке больше либоравным 40 V происходит эффективное удаление полимера BxCly за счет ионнойбомбардировки.5.Экспериментально установлен режим плазмохимической обработки вемкостном газовом разряде в среде SF6 поверхности верхнего cap-слоя GaNHEMT-структур на основе AlGaN/GaN, который приводит к существенномуувеличению напряжения поверхностного пробоя AlGaN/GaN HEMT структур.Увеличение напряжения поверхностного пробоя HEMT структур может бытьсвязано с уменьшением плотности поверхностных состояний за счет замещенияповерхностной оксидной пленки GaxOy на пленку типа GaFx.6.Впервые экспериментально показано, что плазменная обработкаповерхности GaN в емкостном газовом разряде в среде SF6 приводит кобразованию смешанной поверхностной полярности или даже инверсииповерхностной полярности GaN.

Это может быть вызвано изменениемповерхностного химического состава за счет встраивания фтора вприповерхностные слои GaN.7.Экспериментальное исследование воздействия N2 плазмы на DCхарактеристики HEMT транзистора на основе III-нитридов показало, чтоплазменная обработка на частоте возбуждения разряда 100 kHz приводит ксущественному падению тока насыщения транзисторов, что связано созначительным падением подвижности носителей в канале полевого транзистораза счет образования кулоновских рассеивающих центров на поверхности.8.Разработан и создан с использованием методов микроэлектроникипланарный энергоанализатор способный работать непосредственно вплазменных реакторах без использования дополнительной дифференциальнойоткачки.

А также проведена проверка работоспособности такого планарногоэнергоанализатора.9.Разработанные технологические плазменные процессы обработкиповерхности успешно апробированы и внедрены в реальные технологическиемаршруты создания HEMT транзисторов на основе III-нитридов.5Объекты и методы исследованияОсновным объектом исследований являлась приборная структура AlGaN/GaNHEMT полевого транзистора, выращенная методом молекулярно-пучковойэпитаксии на SiC подложке.

Плазменные обработки GaN поверхности HEMTструктур производились в средах BCl3, SF6 и N2 на универсальной плазменнойустановке с использованием как ICP, так и ICP-RIE режимов, а также в рядеслучаев в условиях RIE емкостного разряда (CCP). Для определения спектраэнергии ионов в емкостном газовом разряде в среде N2 применялся стандартныйэнергоанализатор, работающий в камере с дифференциальной откачкой. Дляконтроля хода плазменных процессов использовалось также измерениеоптических спектров излучения плазмы. Измерения электрическиххарактеристик структур (сопротивления омических контактов, напряженийпробоя на тестовых контактах Шоттки, токов насыщения транзисторныхструктур) проводилось на зондовой электрической станции.

Поверхностныйхимический состав образцов GaN HEMT структур до и после плазменныхобработок определялся методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии(XPS).Научные положения, выносимые на защитуНа защиту выносятся следующие положения:1.Плазменная обработка поверхности cap-слоя GaN HEMT структуры врежиме ICP в среде BCl3 приводит к образованию на поверхности полимернойдиэлектрической пленки типа BxCly. Возникновение полимерной пленки BxClyсвязано с тем, что при обработке cap-слоя GaN в ICP-режиме энергия ионов,бомбардирующих поверхность недостаточна для устранения BxCly пленки иэффективного удаления поверхностного оксида в виде летучих соединений типаBOCl.

Присутствие пленки BxCly на поверхности cap-слоя является причинойвозрастания сопротивления омических контактов к HEMT структурам на основеAlGaN/GaN.2. Существует оптимальная величина энергии ионов, бомбардирующихповерхность GaN cap-слоя HEMT структуры в режиме ICP-RIE обработки вBCl3 плазме, которая препятствует образованию полимера BxCly, позволяетэффективно удалять поверхностную оксидную пленку GaxOy, и в тоже время неприводит к полному стравливанию cap-слоя, толщина которого составляет 20 Å.Такая обработкаобеспечивает существенное снижение поверхностногопотенциального барьера для транспорта электронов и дает возможностьполучить низкое сопротивление омических контактов.3.