Диссертация (1144206), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Эти факторы41делают формирование омических контактов к структурам AlGaN/GaNсущественно более сложным, чем для привычного GaN n-типа.Внемногочисленныхработахбылопредложеноиспользоватьсочетание лишь слоев Ti/Al для формирования омических контактов кAlGaN/GaN [95 – 97]. Большинство же авторов используют многослойныеметаллические конструкции Ti/Al/X/Au (X=Ni, Ti, Ta, Mo, Ir, Nb, Pt, ...),следуя схеме, предложенной Mohammad с соавторами для n-GaN [98].Подробный обзор вариантов многослойных металлических конструкций длягетероструктурAlGaN/GaNпредставленвобзоре[58].Удельныесопротивления омических контактов при вплавлении при типичныхтемпературах 800-900°C составляют 10-5-10-6 Ω·cm2 [58].В литературе описаны различные способы уменьшения сопротивленияомических контактов к структурам AlGaN/GaN.
Например, в эпитаксиальнойструктуре в областях стока и истока транзистора MBE методом селективно(через маску SiO2) выращивались высоколегированные области GaN(selective area regrowth – SAG технология), на которые впоследствиинапыляется металлический контакт [99, 100]. Ряд авторов использовалидополнительное легирование кремнием с помощью ионной имплантацииперед напылением контактов [101]. Автор - Mohammad использовал кремнийнепосредственно в составе металлических слоев контакта [102].
Такжесообщалось об использовании тонкого слоя (~30 Å) SiNx осажденногометодомPECVDнепосредственнонаструктуруAlGaN/GaNпереднапылением и вплавлением контактов, где нитрид кремния (SiNx)способствовал образованию азотных донорных вакансий на поверхностиAlGaN [102]. Авторами [103-107] сообщалось об уменьшении сопротивленияомических контактов на структурах AlGaN/GaN за счет плазменноговытравливания углубления (рецесса) в области стока и истока на глубинысопоставимые с глубиной залегания 2DEG канала перед напылением ипоследующим вплавлением металлов контакта. Но такое плазменное42травление на глубины 100-200 Å трудно воспроизводимо и контролируемо.Далее, более детально, будет рассмотрен пример формирования рецессаплазменным травлением.Интерескразработкепроцессовпрецизионноготравленияэпитаксиальных слоев на небольшие глубины (100-200 Å) связан снеобходимостью улучшения эксплуатационных характеристик полевыхтранзисторов на основе III-нитридов [104, 107].
Такие процессы требовалинизкогоуровняповреждений,вносимыхплазмой,атакжевоспроизводимости глубин травления. Например, технологии вытравлениярецесса в Cl-содержащих средах перед формированием омических контактовна структурах типа AlGaN/GaN с целью уменьшения сопротивленияконтактов получили широкое распространение в нитридной HEMTтехнологии[104,A1].Технологияформированиярецессатребуетпрецизионного вытравливания на глубину, как правило, близкую к глубинезалегания двумерного газа или, другими словами, каналу полевоготранзистора (рис. 17).Рисунок17: Глубина залегания рецесса Омического контакта близка к границедвумерного газа в AlGaN/GaN HEMT структуреКак, например, в работе (А1) травление рецесса перед напылениемметаллизации Омических контактов осуществлялось в TCP-RIE в средеCCl4/Ar.Контролируемоеивоспроизводимоетравлениеслоев43GaN/AlGaN/AlN/GaN HEMT структуры на заданные глубины (~20-25нм)было затруднено различием скоростей травления эпитаксиальных слоев сразным содержанием Al (рис.
18):4000Al0.25Ga0.75NAl0.4Ga0.6NGaN3500Etch Depth [A]300025002000150010005000050100150200250300350400Etching Time [second]Рисунок 18: Зависимость глубины от времени травления при различныхконцентрациях алюминияРазница в скорости травления слоев с различным содержаниемалюминия (рис. 19), по-видимому, связана с тем, что газовая среда CCl4/Ar,используемая в процессе травления, не способна удалять оксид алюминия.Кроме того, учитывая те факты, что химическая связь Al-N составляет 11,5eV/atom против 8,9 eV/atom для Ga-N [108] и соединения AlClx менее летучичем GaClx [108], можно заключить, что это является причиной селективноготравления. Последнее создает трудности воспроизводимого формированиярецесса на глубины порядка 100-200 Å.
Ранее схожие результаты былиполучены авторами в работе [108] при травлении слоев AlGaN и GaN вхимии Cl2/Ar. Газ BCl3 (см. параграф 3.6) позволяет эффективно удалятьоксиды металлов. По этой причине на основе трихлорида бора можно создать44и оптимизировать не селективный между слоями с различным содержаниемалюминия процесс травления рецесса в эпитаксиальных слоях AlGaN/GaN.10 mTorr; 220 ICP; 40 CCP; 87 Vbias12Etch Rate [A/s]108642020406080100Al concentration [%]Рисунок 19: Зависимость скорости травления от концентрации алюминия вэпитаксиальных слоях AlGaNВцелом,большинствоописанныхспособовуменьшениясопротивления омических контактов сильно усложняют технологическиймаршрут, требуя, например, проведения дополнительных литографическихопераций (удаление и нанесение фоторезистивных масок для травления инапыления).Необходимоподчеркнуть,чтоплазменныепредобработкинепосредственно перед напылением металлов для формирования омическогоконтакта являются технологически предпочтительными из-за своей простоты(не требуют переделки фотолитографических масок) и эффективности.Применение таких методов для формирования омического контакта книтриду галлия приводят к образованию низкого потенциального барьера награнице металл−полупроводник или же к созданию высоколегированного45приповерхностного слоя полупроводника [58-59].
В случае со сплавнымиомическими контактами к нитридным гетероструктурам AlGaN/GaN,высоколегированная область создается за счет обеднения приповерхностногослоя полупроводника атомами азота, создавая, таким образом, азотныевакансии [67, 70, 71, 76, 73, 74, 77]. Плазменная предобработка поверхностиполупроводникасоздаетмодифицированнуюдефектнуюобласть,выступающей в качестве высоколегированной [73].Необходимо добавить, что бомбардировка ионами из плазмыприводит к ослаблению и разрыву химических связей Ga-N.
Энергия,выделяемая при формировании молекулы N2 в экзотермическом процессе:N+N → N2 составляет 8.8 eV. Молекула Ga2 формируется в эндотермическомпроцессе: Ga+Ga → Ga2 с поглощением 3.9 eV. Таким образом, атомы галлияимеют очень низкую вероятность покинуть поверхность GaN в результатеионной бомбардировки [98], по сравнению с атомами азота.
Более того,газообразный азот (N2) является очень стабильной молекулой с высокимпорогомдиссоциации(9.8 eV),поэтомувероятностьвозвращенияраспыленного азота на поверхность очень низка по сравнению с Ga. По этойпричине на поверхности образуются множественные азотные вакансии, чтоприводит к образованию обогащенной галлием поверхности [109], чтовпоследствии, приводит к лучшей проводимости контактов после напыленияметаллизации[110–112].Такимобразом,происходитуменьшениеповерхностного потенциального барьера, которое приводит к лучшемупротеканию тока между металлом контакта (Ti и тд.) и полупроводником помеханизму термополевой электронной эмиссии [58, 59].В недавней работе [113] для формирования низкоомного контакта кAlGaN/GaN структуре применялась плазменная обработка верхнего cap-слояGaN с помощью индуктивного разряда (Inductively Coupled Plasma или ICPрежим) в газе BCl3.
В данном режиме скорость травления GaN слоя быларавной нулю на временах обработки образца. Авторы [113] также показали,46что низкое контактное сопротивление было достигнуто в результатеудаления поверхностного окисла GaxOy и образования вакансионныхдефектов в поверхностном слое GaN в результате плазменной обработки.Однако, детали технологического режима обработки в газовом разряде всреде BCl3 и процессов, протекающих на поверхности слоя GaN, при такойобработке, остались неясными.2.8.3 Плазма газового разряда в среде BCl3Так как газовые смеси с добавлением BCl3 активно используются вплазменных технологиях и травлении, в частности, то необходимо затронутьосновные аспекты химии плазмы и процессов в газовом разряде в среде BCl3.Низкотемпературная плазма состоит из заряженных (электроны иионы) и нейтральных частиц (атомы и молекулы).
Взаимодействиеэлектронов и нейтралей можно разделить на упругие и неупругие [130, 131].В следующих подпараграфах будут рассмотрены несколько важныхвидов неупругих столкновений: диссоциация, формирование положительныхи отрицательных ионов, а также рекомбинация заряженных частиц.2.8.3.1ДиссоциацияДиссоциация – это один из важнейших процессов в плазме, которыйприводит к образованию активных радикалов, которые, в свою очередь,используютсявплазменныхтехнологическихпроцессах.Вобщем,индуцированная плазмой диссоциация – это результат двух стадийногопроцесса: прямое возбуждение электронным ударом электронных илиэлектрон-вибрационных состояний молекулы с последующим разрывоммолекулярных связей и формированием химически активных радикалов. Вслучае газа BCl3, образование радикалов может быть представленоследующимиреакциями,происходящимиврезультатенеупругоговзаимодействия [A2].47Диссоциация:, (4.61 eV)(3.8)(5.65 eV)(3.9)(3.39 eV)(3.10)(2.5 eV)(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)Основные радикалы в BCl3 плазме - Дихлорборан (BCl2) и Clобразуются в реакции (3.12) из-за высокой вероятности и низкого порогадиссоциации по сравнению с реакцией (3.13) [174-175]В случае же чистого Cl2 возможна единственная реакция диссоциации:(3.15)Реакции 3.12-3.15 образуют атомарный хлор, который являетсяосновным реагентом при сухом тралении соединений типа AIIIBV.
Однако,из-за более низкого порога реакции 3.15 по сравнению с реакцией 3.12,образование атомарного хлора более эффективно в плазме Cl2 по сравнениюс BCl3. По этой причине, газовые смеси на основе Cl2 предпочтительнее дляпроцессов глубокого травления III-нитридов [176-177]. Как будет показанодалее добавление BCl3 в газовую смесь необходимо для удаление оксидныхпленок и уменьшения селективности между различными композициямислоев AlGaN и GaN, а также для улучшения селективности по отношению кфоторезистивным маскам.482.8.3.2ИонизацияОсновным механизмом формирования положительных ионов внизкотемпературной плазме является процесс ионизации нейтральныхчастиц электронным ударом. Ионизация в газе BCl3 осуществляетсянеупругимвзаимодействиемэлектронасосновныминейтральнымичастицами BCl3, BCl2 и атомарным хлором – Cl с последующимобразованием положительных ионов:,(11.64 eV)(3.16)(12.3 eV)(3.17)(10.1 eV)(3.18)(13.1 eV)(3.19)Согласно экспериментальным данным, BCl2+является основнымположительным ионом в плазме BCl3 [174, 175].
Механизмы диссоциативнойионизации BCl3 (реакция 3.17 и ионизация прямым электронным удароммолекулы BCl2 – реакция 3.18) ответственны за образование ионов BCl2+ввиду большой концентрации частиц BCl2 и BCl3 и сравнительно низкого+порога ионизации для получения молекулярного иона BCl2 (реакция 3.18).2.8.3.3Образование отрицательных ионовХлорсодержащие галогены (Cl, Cl2) и их соединения (BCl3, SiCl4 иCCl4) имеют сродство к электрону равное 0.3-3 eV и по этой причинеприлипание электронов является важным процессом, ответственным заобразование отрицательных ионов и уменьшение концентрации электронов вплазменном объеме.Образование отрицательных ионов за счет взаимодействия молекулBCl3 с низкоэнергетичными электронами протекает по следующим реакциям:49(3.20)(3.21)В работках [166, 167] было показано, что отрицательные ионы в BCl3плазме в основном образуются в результате диссоциативного прилипанияэлектронов происходящего по реакции 3.20 [174, 175].
Энергия диссоциации-отрицательного иона BCl3 очень мала (~1 – 1.5 eV [175]) по сравнению смолекулами кислорода (3.6 eV) или CO2 (3.85 eV). Таким образом, плазмаBCl3 является очень электроотрицательной средой, которая содержитбольшое,посравнениюсконцентрациейэлектронов,количествоотрицательных ионов. В работе [178] экспериментально показано, что вплазме BCl3, основным отрицательным ионом являетсяCl-и егоконцентрация примерно в пять раз меньше концентрации электронов (рис.20).Рисунок 20: Плотность отрицательных ионов Cl- и электронов как функция вложенноймощности при потоке BCl3 равном 10 sccm и давлении 20mTorr. [A2]50Интересен тот факт, что увеличение процентного содержания газаBCl3 в смеси BCl3/Cl2 при фиксированной мощности, давлении и потоке газаприводит к четырехкратному уменьшению количества отрицательных ионовбез изменения концентрации электронов (рис.
21).Рисунок 21: Плотность отрицательных ионов Cl- и электронов как функцияотношения потоков BCl3/Cl2. [A2]2.8.3.4РекомбинацияБаланс заряженных частиц в плазме обеспечивается, в том числе, засчет рекомбинации электронов и ионов, которая происходит на стенках и вплазменном объеме. В молекулярных газах объемная рекомбинация восновном происходит за счет диссоциации молекулярных ионов [179]. Вслучае BCl3 плазмы процесс диссоциации происходит по следующейреакции:(3.22)Так как, BCl3 плазма является сильно электроотрицательной, торекомбинация положительных и отрицательных ионов является одним изосновных механизмов нейтрализации объемного заряда [166, 167]:(3.23)51(3.24)Энергия, выделяющаяся в реакциях 3.22-3.24, расходуется навозбуждение образованных нейтралей с последующим снятием возбужденияза счет столкновений с другими нейтралами.Присреднихдавленияхсуществуетэффективныйпроцессрекомбинации по средствам тройных столкновений с передачей выделеннойэнергии третьему телу (нейтральной молекуле или атому).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
