亚太经合组织 主动和被动电子元件 1563 - 5031 0882 - 7516 Hindawi出版公司 148705年 10.1155 / 2012/148705 148705年 研究文章 的理解Postmetallization退火金属- TiO 2 在 ( NH 4 ) 2 年代 对待III-V半导体 李 Ming-Kwei 日元 Chih-Feng 李 Kuan-Wei 电子工程系 钟元基督教大学 李涌城32023 台湾 cycu.edu.tw 2012年 13 12 2012年 2012年 09年 10 2012年 14 11 2012年 2012年 版权©2012 Ming-Kwei李和Chih-Feng日元。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

TiO的电特性2电影发展III-V半导体(例如,p型InP和砷化镓)有机化学气相沉积进行了研究。(NH4)2治疗,MOS电容器的电特性是改善由于本机氧化物的还原。电特性可以进一步提高postmetallization退火,使原子氢离子使钝化缺陷和多晶TiO的晶界2电影。对于postmetallization退火TiO2(NH4)2治疗可使金属氧化物半导体,泄漏电流密度可以达到 2。7 × 10 − 7 和 2。3 × 10 − 7 一个/厘米2在 ± 1 分别MV /厘米。介电常数和有效的氧化是46和指控 1.96 × 10 12 C /厘米2,分别。界面状态密度 7.13 × 10 11 厘米−2电动汽车−10.67电动汽车的能量从价带的边缘。对于postmetallization退火TiO2(NH4)2砷化镓治疗金属氧化物半导体,泄漏电流密度可以达到 9.7 × 10 − 8 和 1。4 × 10 − 7 在 ± 1 分别MV /厘米。介电常数和有效的氧化费用66 1.86 × 10 12 C /厘米2,分别。界面状态密度 5.96 × 10 11 厘米−2电动汽车−10.7电动汽车的能量从价带的边缘。

 1。介绍

由于其高电子迁移率和直接能量带隙与Si相比,很多注意力都集中在III-V化合物半导体(例如,输入和砷化镓)高速设备。通常,金属半导体场效应晶体管(MESFET) III-V主要高速设备之一是由于缺乏高质量的氧化。MESFET的主要缺点是肖特基接触的高栅电流零点几伏的正偏压下,这严重限制了最大消耗电流,降低噪声容限和电路设计的灵活性。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可以缓解这些问题。许多高收入 k电介质,如 艾尔 2 O 3 ( 1),TiO2( 2), 遗传算法 2 O 3 ( 3],HfAlO [ 4),而高频振荡器2( 5),目前正在探索III-V基质。高- - - - - - k电介质,同样的单位面积上的栅极电容可以实现使用更厚的门的材料和结果在隧道泄漏电流。各种高 k材料,TiO2产生了更多的兴趣,因为它提供了一个大的介电常数( k值4 - 86)[ 6和更高的场效应晶体管跨导料 7]。

高介电常数多晶 TiO 2 电影是由有机化学汽相淀积(金属) 8],溶胶-凝胶法[ 9),和溅射 10]。金属- TiO 2 在这项研究中,因为它使用简单的过程和更高的质量。通常,全年的泄漏电流 TiO 2 III-V高的界面状态 ( D 它 ) ( 11, 12)和多晶晶界( 13, 14]。从以往的研究 13, 14),高 D 它 从本地III-V表面氧化物可以删除 ( NH 4 ) 2 年代 治疗。它还可以使钝化表面悬空的债券III-V表面,防止氧化。

低温postmetallization退火(PMA)是一种有效减少氧化物电荷密度和过程 D 它 在 SiO 2 / Si金属氧化物半导体(MOS)技术( 15, 16]。PMA的机理过程从铝接触之间的反应和羟基的存在 SiO 2 电影表面导致原子氢离子扩散通过氧化和钝化氧化陷阱( 15- - - - - - 17]。从我们之前的研究 18),PMA是用来减少缺陷的漏电流和多晶的晶界 TiO 2 电影生长在硅。两个治疗高上也显示相同的函数 k/ III-V。在这项研究中,我们试图检查电特性的改善 TiO 2 /输入和 TiO 2 /砷化镓的组合 ( NH 4 ) 2 年代 和PMA治疗(PMA - TiO 2 / S-InP(砷化镓))。

 2。实验

锌掺杂p型(100)输入和砷化镓与载体的浓度 5 × 10 16 和 6 × 10 16 厘米 - - - - - - 3 被用作基质。这些底物在溶剂脱脂,其次是化学蚀刻在一个解决方案(H2所以4:H2O2:H2O = 5: 1: 1) 3分钟,然后在去离子水冲洗。清洗后,底物被立即浸入 ( NH 4 ) 2 年代 解决方案为40分钟50°C,然后用氮气呆板乏味。后 ( NH 4 ) 2 年代 治疗,基板在220°C热处理在氮气氛中10分钟以使解除吸附多余的弱保税硫和金属——做好准备 TiO 2 增长。

多晶 TiO 2 薄膜是由水平冷的墙种植在基质金属系统。Tetraisopropoxytitanium (Ti ( 我- - - - - - OC 3 H 7 ) 4 )是用作钛前体和保持在24°C。氮气作为载气及其流量是10 sccm。一氧化二氮气体 ( N 2 O ) 用作氧化剂,其流量是100 sccm。钼是用作oxidation-resist感受器。反应堆的压力保持在5托在增长。生长温度保持在400°C为5分钟。沉积过程中化学反应步骤 TiO 2 在金属衬底上系统如下。

PMA过程中,铝(Al)上沉积 TiO 2 电影作为保护层。然后,这些电影在氮气退火环境温度为10分钟,300年350年,和400°C。最后,艾尔是蚀刻蚀刻溶液(H3阿宝4:HNO3:CH3羧基:H2O = 73: 4: 3.5: 19.5)。

金属氧化物半导体(MOS)结构被用来检查电特性。In-Zn合金和锌(90%和10%)被蒸发III-V背面欧姆接触,然后热退火在400°C在氮气氛中3分钟。证实了欧姆接触的电流电压特性。然后,艾尔蒸发 TiO 2 电影的前接触的面积 7.07 × 10 - - - - - - 4 厘米 2 。扫描电子显微镜(SEM)被用来检查的厚度 TiO 2 电影。一个HP4145B semiconductor-parameter分析仪是用于电流电压 ( 我 - - - - - - V ) 鉴定。高频率(1 MHz) HP4280A capacitance-voltage ( C - - - - - - V ) 计是用于 C - - - - - - V 从积累地区反演区域特征扫描。直流偏压被1/30 V /秒。的 D 它 是来自 C - - - - - - V 特曼曲线法( 19),它可以提供一个良好的评价( 20.)的 D 它 高于 10 10 厘米 - - - - - - 2 电动汽车 - - - - - - 1 有10%的误差( 21, 22]。

 3所示。结果与讨论

的扫描电镜截面 TiO 2 / S-InP如图 1(一)的厚度 TiO 2 电影是59 nm。SEM照片显示,有一个界面层。图像的高分辨率透射电子micros-copy (HRTEM)插图所示图 1(一),界面层是2.5海里。这是之间的相互扩散 TiO 2 并输入检查模拟人生深度剖面如图 2(一个)。的扫描电镜截面 TiO 2 / S-GaAs如图 1 (b)的厚度 TiO 2 电影是62海里。SEM照片也显示了一个界面层。的机制是一样的 TiO 2 西姆斯/ S-InP和检查的深度剖面如图 3(一个)。这表明,低温生长过程对降低界面层超薄至关重要 TiO 2 电影。原子层沉积(ALD)可能的候选人。

(一)SEM和HRTEM TiO的图像2/ S-InP和(b) SEM TiO的横截面2/ S-GaAs衬底。

西姆斯(a) TiO深度资料2/ S-InP和(b) PMA (350°C) TiO 2 / S-InP。

西姆斯(a) TiO深度资料2/ S-GaAs和(b) PMA (350°C) TiO 2 / S-GaAs。

x射线光电子能谱(XPS)核心级的光谱 3 d 5 / 2 没有和的输入 ( NH 4 ) 2 年代 治疗数据所示 4(一)和 4 (b),分别。他没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗,强 3 d 5 / 2 XPS峰值为444.7 eV可以归因于在p键( 23)和峰值为443.7 eV是o键( 24]。为输入 ( NH 4 ) 2 年代 治疗,一个新的强有力的峰值为444.9 eV ( 25)和一个小卫星峰在443.9 eV来自s o,分别。强s键显示,在空悬空键是由美国弱得多的钝化o峰值表明本机氧化物后显著降低 ( NH 4 ) 2 年代 治疗。它表明, ( NH 4 ) 2 年代 治疗不能完全删除本地III-V半导体氧化物。它需要进一步调查。

XPS谱的 3 d 5 / 2 核心级(a)可没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗和(b)输入 ( NH 4 ) 2 年代 治疗。

为了仔细检查的功能 ( NH 4 ) 2 年代 钝化,光致发光(PL)光谱的砷化镓和S-GaAs图的插图所示 5。砷化镓的PL强度较低 ( NH 4 ) 2 年代 治疗显示了一个高表面复合速度( 26, 27]。砷化镓的PL强度大大提高 ( NH 4 ) 2 年代 治疗。它表明, ( NH 4 ) 2 年代 钝化是一个有效的方法来减少表面复合速度( 28]。它支持, ( NH 4 ) 2 年代 治疗可以删除本地氧化物和防止III-V表面氧化。

PL光谱的砷化镓 ( NH 4 ) 2 年代 治疗。

TiO的漏电流密度2薄膜沉积在InP衬底有或没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗方法如图所示 6。它还显示了PMA的漏电流密度- TiO 2 / S-InP治疗PMA温度300,350和400°C。的漏电流密度 TiO 2 /输入0.1 0.57 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米,如图 6(一个)。高泄漏电流主要是高密度的缺陷多晶的晶界 TiO 2 电影( 11, 12)和高界面状态 TiO 2 /输入接口由于氧化可使本机 13, 14]。为 TiO 2 / S-InP如图 6(b),泄漏电流密度是4.56×10−6和0.16 /厘米2分别在±1 MV /厘米。主要从泄漏电流 D 它 和晶界的 TiO 2 电影。后 ( NH 4 ) 2 年代 治疗,高质量 TiO 2 电影可以重建可使表面上沉积 14]。正偏压下的泄漏电流大大增加减少 D 它 。然而,只有一个订单改善负偏压下的泄漏电流是晶界。

TiO的漏电流密度2/ InP有或没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗和PMA-TiO2/ S-InP PMA的温度不同。

泄漏电流密度可以进一步提高了PMA治疗如图 6(c) - 6(e), PMA的漏电流密度最低 TiO 2 / S-InP 可以达到 2。7 × 10 - - - - - - 7 和 2。3 × 10 - - - - - - 7 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米PMA 350°C,如图 6(d)。PMA过程后,不改变界面层的厚度和检查从模拟人生深度剖面如图 2(一个)和 2 (b)。因此,泄漏电流的提高不是来自PMA后界面层厚度的增加。图 2 (b)表明,H原子均匀分布在整个TiO2电影由于H PMA治疗后迅速扩散。它将分散在晶界和钝化。在300°C的PMA治疗,泄漏电流密度 6.58 × 10 - - - - - - 7 和 1。2 × 10 - - - - - - 6 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米,如图 6(c),轻微的泄漏电流增加而图 6(d)可以从PMA温度越低,不能提供足够的能量为钝化H原子。PMA的温度为400°C,如图 6(e),泄漏电流高于300和350°C。它是更高的PMA温度会破坏H钝化和检查 C - - - - - - V 特征。

为 TiO 2 在砷化镓衬底上 ( NH 4 ) 2 年代 治疗,漏电电流密度图所示 7。它还展示了泄漏电流密度的PMA - TiO 2 / S-GaAs治疗PMA温度300,350和400°C。的漏电流密度 TiO 2 /砷化镓没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗是 5 × 10 - - - - - - 2 和 5.9 × 10 - - - - - - 1 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米,如图 7(a) TiO 2 / S-GaAs如图 7(b),泄漏电流密度 2。1 × 10 - - - - - - 6 和 6 × 10 - - - - - - 3 一个 / 厘米 2 分别在±1 MV /厘米。泄漏电流密度可以进一步提高了PMA治疗如图 7(c) - 7(e),泄漏电流密度 4.5 × 10 - - - - - - 7 和 4.9 × 10 - - - - - - 7 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米PMA 300°C,如图 7(c), PMA的漏电流密度最低 TiO 2 / S-GaAs可以达到 9.7 × 10 - - - - - - 8 和 1。4 × 10 - - - - - - 7 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米PMA 350°C,如图 7(d), PMA温度为400°C,泄漏电流 9.5 × 10 - - - - - - 7 和 6 × 10 - - - - - - 6 一个 / 厘米 2 在±1 MV /厘米,如图 3(e),高于300年和350°C。的机制类似于InP前款所。

TiO的漏电流密度2/砷化镓有或没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗和没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗和PMA-TiO2在不同的PMA温度/ S -砷化镓。

的 C - - - - - - V 的特点 TiO 2 /输入, TiO 2 / S-InP和PMA - TiO 2 / S-InP如图 8。的 C - - - - - - V 的特点 TiO 2 /输入显示平面曲线如图 8(a)。它是高密度的界面状态由于本机可使表面氧化物的存在,导致附近的表面费米能级将中间的带隙 29日]。图 8(b)显示了 C - - - - - - V 的特点 TiO 2 / S-InP。电容积累地区高质量改进的界面。更高的负偏压的电容衰减是由于高漏电流,这来自于缺陷和多晶的晶界 TiO 2 电影。锋利的 C - - - - - - V 曲线PMA - TiO 2 / S-InP PMA治疗后可获得300,350和400°C如图 8(c) - 8分别(e)。理想的C-V曲线也显示在图作为参考。它来源于忽视有效氧化费用和接口的状态,但功函数的区别 ( Φ 女士 = - - - - - - 1 。 5 1 V ) 金属(铝)和半导体(输入)考虑。优化PMA温度为350°C,如图 8(d),伸出现象,平带电压转变最小化。介电常数和有效氧化PMA -的指控 TiO 2 / S-InP电影PMA温度数据所示的函数 9(一个)和 9 (b),分别。PMA的介电常数随温度的改进界面和电影的品质。但在PMA温度降低值高超过350°C。PMA温度越高将H债券和失去钝化功能( 30., 31日),导致漏电流的增加,如图 6。介电常数和有效的氧化可以达到46和指控 1.96 × 10 12 C / 厘米 2 在350°C的PMA温度。的厚度 TiO 2 电影是59 nm。界面层很薄,提取过程中有轻微影响介电常数。

C - - - - - - V TiO的特点2/ InP有或没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗和PMA-TiO2/ S-InP PMA的温度不同。

(一)介电常数和(b)有效氧化TiO的指控2/ S-InP和PMA-TiO2/ S-InP PMA的温度不同。

此外, C - - - - - - V 磁滞回路PMA温度的函数图所示 10。的 C - - - - - - V 磁滞回线的 TiO 2 / S-InP没有PMA治疗是逆时针,如图 10 ()氧化,这是高密度的困费用( 18, 20.在 TiO 2 / S-InP没有H钝化膜。的 C - - - - - - V 磁滞回路的PMA - TiO 2 顺时针/ S-InP电影在300和350°C如图 10 (b)和 10 (c)。负责移动离子 C - - - - - - V 顺时针方向磁滞回线由于减少氧化困指控从电影质量改进。的 C - - - - - - V 磁滞回线变化回到逆时针在400°C,如图 10 (d)。它是由氧化困指控由于打破H债券的损失,因此钝化温度更高的PMA函数( 30., 31日]。之和 ( N 不 ) 密度和移动离子密度的氧化可以来自平带电压的差异 ( Δ V 神奇动物 ) 的 C - - - - - - V 磁滞回路测量高频( 20.]。公式如下: (1) N 不 = - - - - - - Δ V 神奇动物 C 牛 一个 问 , 在哪里 C 牛 氧化物电容, 一个 的接触面积 ( 7.07 × 10 - - - - - - 4 厘米 - - - - - - 2 ) , 问是一个电子电荷的大小。在 C - - - - - - V 测量偏差扫描第一次从积累地区反演区域(向前扫描),然后回到积累地区(向后扫描)。 Δ V 神奇动物 被定义为V的区别神奇动物向前扫描和向后扫描。因此,氧化的极性电荷是负的,移动离子的电荷是正的。的 N 不 PMA - TiO 2 / S-InP PMA温度的函数图所示 11。最低的 N 不 是 7.18 × 10 10 C / 厘米 2 在350°C的PMA温度。

C - - - - - - V (一)TiO的磁滞回路2/ S-InP, (b) PMA 300°C, (C) PMA 350°C,和(d) PMA 400°C。

TiO的氧化物陷阱密度和移动离子密度2/ S-InP MOS结构作为PMA温度的函数。

的 C - - - - - - V 的特点 TiO 2 /砷化镓, TiO 2 / S-GaAs和PMA - TiO 2 / S-GaAs如图 12。的 C - - - - - - V 的特点 TiO 2 /砷化镓显示负偏压下伸出的现象,如图 12(一个)。它是高的 D 它 由于本机在砷化镓表面氧化物的存在。分解在更高的负偏压来自更高的泄漏电流造成的晶界 TiO 2 多晶结构。图 12(b)显示了 C - - - - - - V 的特点 TiO 2 / S-GaAs。电容积累地区高由于界面改进质量和更高的负偏压的电容衰减是由于高漏电流。锋利的 C - - - - - - V 曲线PMA - TiO 2 / S-GaAs PMA治疗后可获得300,350和400°C如图 12(c), 12(d) 12分别(e)。理想的C-V曲线也显示在图作为参考。功函数的区别 ( Φ 女士 = - - - - - - 1 。 31日 V ) 金属(铝)和半导体(砷化镓)考虑。优化PMA温度为350°C,如图 12(d),伸出现象,平带电压转变最小化。介电常数和有效氧化PMA -的指控 TiO 2 / S-GaAs电影PMA温度数据所示的函数 (13日)和 13 (b),分别。介电常数和有效氧化费用可以达到66 1.86 × 10 12 C / 厘米 2 在350°C的PMA温度。

C - - - - - - V TiO的特点2/砷化镓有或没有 ( NH 4 ) 2 年代 治疗和PMA-TiO2/ S-GaAs PMA的温度不同。

(一)介电常数和(b)有效氧化TiO的指控2/ S-GaAs和PMA-TiO2/ S-GaAs PMA的温度不同。

此外, C - - - - - - V 磁滞回路PMA温度的函数图所示 14。的 C - - - - - - V 磁滞回线的 TiO 2 / S-GaAs没有PMA治疗是逆时针,如图 (14日)。的 C - - - - - - V 磁滞回路的PMA - TiO 2 顺时针/ S-GaAs电影在300和350°C如图 14 (b)和 14(c)的 C - - - - - - V 磁滞回线变化回到逆时针在400°C,如图 14(d),这些 C - - - - - - V 行为类似于他。的 N 不 PMA - TiO 2 / S-GaAs PMA温度的函数图所示 15。最低的 N 不 是 5.7 × 10 10 C / 厘米 2 在350°C的PMA温度。

C - - - - - - V (一)TiO的磁滞回路2/ S-GaAs, (b) PMA 300°C, (C) PMA 350°C,和(d) PMA 400°C。

TiO的氧化物陷阱密度和移动离子密度2/ S-GaAs MOS结构作为PMA温度的函数。

的 D 它 的 TiO 2 / S-InP和PMA - TiO 2 / S-InP PMA不同温度如图 16。最低的 D 它 是 7.13 × 10 11 厘米 - - - - - - 2 电动汽车 - - - - - - 1 0.67电动汽车的能量从价带的边缘。的 D 它 的 TiO 2 / S-GaAs和PMA - TiO 2 / S-GaAs PMA不同温度如图 17。最低的 D 它 是 5.96 × 10 11 厘米 - - - - - - 2 电动汽车 - - - - - - 1 0.7电动汽车的能量从价带的边缘。两个样品的PMA温度为350°C。

TiO的界面状态密度2/ S-InP和PMA-TiO2/ S-InP PMA的温度不同。

TiO的界面状态密度2/ S-GaAs和PMA-TiO2/ S-GaAs PMA的温度不同。

表 1显示了电特性的比较PMA (350°C) TiO 2 /输入和PMA (350°C) TiO 2 /砷化镓。形成这个表我们可以清楚地认识到砷化镓的电特性优于输入。从这一事实 P 除气比这更严重的是由于更高的蒸汽压。它稍微降低了界面和电影InP MOS结构的质量。PMA和(NH4)2年代治疗高度提高III-V MOS结构的电气性能,温度和介电电影由低增长可以给更多的福利,如液相沉积和退化。

电特性的PMA tio (350°C)2/输入和PMA tio (350°C)2/砷化镓。

MOS结构 介电常数 泄漏电流在1 MV /厘米 界面态密度 Δ V 神奇动物 的磁滞回线
tio PMA (350°C)2/ S-InP 44 2.7×10−7和2.3×10−7一个/厘米2 7.13×1011厘米−2电动汽车−1 17号
tio PMA (350°C)2/ S-GaAs 66年 9.7×10−8和1.4×10−7 5.96×1011厘米−2电动汽车−1 9号
4所示。结论

TiO 2 电影发展III-V半导体 ( NH 4 ) 2 年代 治疗了。与 ( NH 4 ) 2 年代 治疗,界面的质量 TiO 2 / III-V得到了极大改善。PMA待遇进一步提高了电特性。砷化镓金属氧化物半导体的电特性优于输入,这是天生的性格的更高 P 蒸汽压。有一个从inter-diffusion之间界面层 TiO 2 和基质。介电薄膜由低增长温度III-V MOS结构可以给更多的好处。

 承认

作者要感谢美国国家科学委员会,台湾,号合同下的支持。98 - 2221 e110 - 073 my3。

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