金属化后退火MOCVD-的理解在对待III-V半导体

摘要

tio2的电特性₂研究了金属有机化学气相沉积法在III-V半导体(如p型InP和GaAs)上生长的薄膜。(NH₄）₂S处理后，由于天然氧化物的还原，MOS电容器的电特性得到改善。金属化后退火可使多晶TiO的缺陷和晶界钝化，从而进一步改善其电学特性₂电影。金属化后退火TiO₂(NH₄）₂S处理的InP MOS，漏电流密度可达和一个/厘米²在分别MV /厘米。介电常数和有效氧化物电荷为46和C /厘米²,分别。界面态密度为厘米⁻²电动汽车⁻¹从价带边缘的能量为0.67 eV。金属化后退火TiO₂(NH₄）₂S处理的GaAs MOS，漏电流密度可达和在分别MV /厘米。介电常数和有效氧化物电荷为66和C /厘米²,分别。界面态密度为厘米⁻²电动汽车⁻¹从价带边缘的能量为0.7 eV。

1.介绍

由于其与Si相比具有较高的电子迁移率和直接能带隙，III-V化合物半导体(如InP和GaAs)高速器件受到了广泛关注。通常，金属-半导体场效应晶体管(MESFET)由于缺乏高质量的氧化物而成为III-V型主要高速器件之一。MESFET的主要缺点是肖特基触点在零点几伏正偏置下的栅电流较大，严重限制了最大漏极电流，噪声裕度较低，电路设计的灵活性较差。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［1), TiO₂［2]，［3.], HfAlO [4),而高频振荡器₂［5]，目前正就第三至第五种基质进行探讨。高- - - - - -k对于介质，单位面积相同的栅极电容可以使用更厚的栅极材料来实现，从而减少隧穿漏电流。各种高k材料,TiO₂产生了很大的兴趣，因为它提供了一个大的介电常数(k值4 - 86)[6]，期望MOSFET有更高的跨电导[7］．

高介电常数多晶采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)制备薄膜[8],溶胶-凝胶法[9和溅射[10］．金属-由于其工艺简单，质量较高，故采用该方法。通常，MOCVD-的漏电电流在III-V是高从高接口状态［11，12]和多晶晶界[13，14］．根据以前的研究[13，14),高从III-V表面的天然氧化物中去除治疗。还可以钝化III-V表面悬空键，防止其氧化。

金属化后低温退火(PMA)是一种有效的降低氧化物电荷密度的工艺在/硅金属氧化物半导体(MOS)技术[15，16］．PMA过程的机理是铝与羟基之间的反应薄膜表面导致氢原子离子扩散通过氧化物和钝化氧化物陷阱[15- - - - - -17］．根据我们之前的研究[18]， PMA用于降低缺陷和晶界的漏电流在硅上生长的薄膜。两种处理方法在高浓度下也表现出相同的作用k/ III-V。在本研究中，我们试图回顾电学特性的改善/输入和/GaAs的组合PMA处理(PMA-/ S-InP(砷化镓))。

2.实验

掺锌p型(100)InP和GaAs的载流子浓度和作为基材。这些底物在溶剂中脱脂，然后在溶液中进行化学蚀刻(H₂所以₄: H₂O₂: H₂O = 5:1: 1)冲洗3分钟，然后用去离子水冲洗。清洗后，基材立即浸入50°C溶液40分钟后用氮气吹干。后处理后，基质在220°C的氮气气氛中热处理10分钟，以解吸过量的弱键合硫，并准备进行MOCVD-增长。

多晶采用水平冷壁MOCVD系统在基片上生长薄膜。Tetraisopropoxytitanium (Ti)作为钛前驱体，置于24℃。氮气为载气，流量为10 sccm。一氧化二氮气体作为氧化剂，流速为100 sccm。钼作为抗氧化敏感剂。在生长过程中反应器压力保持在5torr。生长温度保持在400°C 5 min。沉积过程中的化学反应步骤在MOCVD系统的衬底上的方法如下。

在PMA过程中，铝(Al)在基体上沉积薄膜作为盖层。然后分别在300℃、350℃和400℃的氮气环境下退火10 min。最后，用蚀刻液(H_3.阿宝₄: HNO₃: CH_3.羧基:H₂O = 73: 4: 3.5: 19.5)。

采用金属-氧化物-半导体(MOS)结构对其电特性进行了研究。在III-V背面蒸发In-Zn合金(In 90%和Zn 10%)进行欧姆接触，然后在氮气气氛下400℃热退火3分钟。通过电流-电压特性确定了欧姆接触。然后，艾尔被蒸发了薄膜的顶部为接触面积．用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜的厚度电影。采用HP4145B半导体参数分析仪进行电流-电压分析鉴定。一种高频(1 MHz) HP4280A电容电压仪表用于从积累区到反演区进行特征扫描。直流偏置扫频1/30 V/sec。的是来自Terman方法的曲线[19，可以提供良好的评价[20.)的高于误差为10% [21，22］．

3.结果与讨论

的SEM截面/S-InP如图所示1(一)厚度薄膜是59纳米。SEM图显示界面层的存在。由图中插图所示的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像可知1(一)，界面层为2.5 nm。它来自于相互扩散如图所示，通过SIMS深度剖面检测InP2(一个)．的SEM截面/S-GaAs如图所示1 (b)厚度薄膜为62纳米。SEM照片也显示了界面层。机理是一样的/S-InP，并通过如图所示的SIMS深度剖面进行检查3(一个)．这表明低温生长过程是降低超薄界面层的必要条件电影。原子层沉积(ALD)可能是候选方法。

In的x射线光电子能谱(XPS)核心能级谱InP的没有和有处理方法如图所示4(一)和4 (b),分别。他没有治疗，强者在在444.7 eV处的XPS峰可归因于In-P键[23]， 443.7 eV处的峰来自In-O键[24］．为输入在444.9 eV处出现一个新的强峰[25]和443.9 eV的小卫星峰分别来自In-S和In-O。较强的In- s键表明在空悬垂键中被s钝化。较弱的In- o峰表明在空悬垂键后天然氧化物被显著还原治疗。它表明,处理不能完全去除III-V半导体上的天然氧化物。这需要进一步的调查。

为了双重检查的功能钝化后，GaAs和S-GaAs的光致发光(PL)光谱如图插图所示5．低发光强度的砷化镓处理后表面复合速度高[26，27］．与此同时，砷化镓的发光强度大大提高治疗。它表明钝化是降低表面复合速度的有效途径[28］．它支持,处理可去除天然氧化物，防止III-V表面氧化。

tio2的漏电流密度₂在有或无InP衬底上沉积的薄膜处理方法如图所示6．给出了PMA-的漏电流密度/S-InP在PMA温度为300、350和400℃下处理。的漏电流密度/InP为0.1和如图所示，在±1 MV/cm处6(a).高漏电流主要来自多晶晶界缺陷的高密度电影(11，12，高界面状态为/InP界面由于InP原生氧化物[13，14］．为/S-InP如图6(b)，漏电流密度为4.56 × 10⁻⁶和0.16 /厘米²±1 MV/cm。泄漏电流主要来自和晶界电影。后治疗,高质量可以在重建的InP表面沉积膜[14］．在正偏压下，漏电流由减小减小而大大提高．然而，负偏压下的漏电流只有一个量级的改善来自晶界。

如图所示，PMA处理可以进一步提高漏电流密度6(c) -6(e). PMA-的最低漏电流密度可以达到和在350°C的PMA处理下，在±1 MV/cm，如图所示6(d). PMA处理后，界面层厚度没有变化，从SIMS深度剖面中检测，如图所示2(一个)和2 (b)．因此，漏电流的提高不是由于PMA后界面层厚度的增加。数字2 (b)表明H原子均匀分布于整个TiO中₂PMA处理后，由于H快速扩散而形成的膜。它会沿晶界扩散并使晶界钝化。在300°C的PMA处理下，漏电流密度为和如图所示，在±1 MV/cm处6(c).与图相比，漏电流略有增大6(d)可能是由于PMA温度较低，无法为H原子提供足够的能量进行钝化。PMA温度为400℃，如图所示6(e)，漏电流高于300°C和350°C。结果表明，较高的PMA温度会破坏H钝化特征。

为在有或没有砷化镓衬底上处理后，漏电流密度如图所示7．同时也显示了PMA-的漏电流密度/S-GaAs在PMA温度为300、350和400℃下处理。的漏电流密度/砷化镓没有治疗是和如图所示，在±1 MV/cm处7(a)/S-GaAs如图所示7(b)，漏电流密度为和±1 MV/cm。如图所示，PMA处理可以进一步提高漏电流密度7(c) -7(e)泄漏电流密度为和在300°C的PMA处理下，在±1 MV/cm下，如图所示7(c). PMA-的最低漏电流密度/ S-GaAs可以达到和在350°C的PMA处理下，在±1 MV/cm，如图所示7(d).当PMA温度为400℃时，泄漏电流为和如图所示，在±1 MV/cm处3.(e)，高于300和350°C。其机制与前一段提到的InP类似。

的的特点/输入,/ S-InP和PMA -/S-InP如图所示8．的的特点/InP显示如图所示的平坦曲线8(a).这是由于InP表面天然氧化物的存在导致界面态密度高，导致表面费米能级在带隙中间附近被钉住[29］．数字8(b)显示了的特点/ S-InP。由于改善了界面质量，积累区电容较高。高负偏压下的电容衰减是由缺陷和晶界引起的高漏电流引起的电影。锋利的曲线PMA -如图所示，经过300、350和400°C的PMA处理后，可以获得/S-InP8(c) -8分别(e)。图中也给出了理想的C-V曲线，作为参考。这是由于忽略了有效氧化物电荷和界面态，而忽略了功函数的差异考虑了金属(Al)和半导体(InP)。优化后的PMA温度为350℃，如图所示8(d)，其中拉伸现象和平带电压偏移最小。研究了PMA-的介电常数和有效氧化物电荷/S-InP薄膜作为PMA温度的函数如图所示9(一个)和9 (b),分别。由于界面和薄膜质量的改善，介电常数随PMA温度的升高而增大。但当PMA温度高于350℃时，该值降低。PMA温度升高会使H键断裂，失去钝化作用[30.，31，导致漏电流增大，如图所示6．介电常数和有效氧化物电荷可达46和PMA温度为350°C。的厚度薄膜是59纳米。界面层很薄，对介电常数的提取影响不大。

此外,磁滞回线作为PMA温度的函数如图所示10．的磁滞回线的如图所示，不经PMA处理的S-InP为逆时针方向10 ()，这是由于氧化物捕获电荷的高密度[18，20.在/S-InP膜，无需H钝化。的PMA-的迟滞回路/S-InP薄膜在300和350°C时顺时针方向如图所示10 (b)和10 (c)．移动离子负责顺时针的迟滞回路是由于膜质量改善导致的氧化物困住电荷的减少。的如图所示，在400℃时，磁滞回线变回逆时针方向10 (d)．由于H键断裂，因此在较高的PMA温度下失去钝化功能，它主要由氧化物捕获电荷控制[30.，31］．之和氧化物的捕获密度和移动离子密度可以由平带电压的差异得到的高频测量的迟滞回线[20.］．公式如下: 在哪里为氧化物电容，为接触面积,问为电子电荷的大小。在测量时，偏差先从累积区扫描到反演区(正向扫描)，再返回到累积区(反向扫描)。定义为V_神奇动物在正向扫描和反向扫描之间。因此，氧化物捕获电荷的极性是负的，而移动离子电荷的极性是正的。的PMA -/S-InP作为PMA温度的函数如图所示11．最低的是PMA温度为350°C。

的的特点/砷化镓,/ S-GaAs和PMA -/S-GaAs如图所示12．的的特点/砷化镓在负偏压下出现拉伸现象，如图所示12(a).它是从高处来的这是因为砷化镓表面存在天然氧化物。在较高的负偏压下击穿是由于较高的漏电流导致晶界多晶结构。数字12(b)显示了的特点/ S-GaAs。由于界面质量的改善，积累区电容高，而高负偏压下电容衰减则是由于高漏电流造成的。锋利的曲线PMA -如图所示，经过300、350和400°C的PMA处理后，可以获得/S-GaAs12(c),12(d)12分别(e)。图中也给出了理想的C-V曲线，作为参考。功函数差考虑了金属(Al)和半导体(GaAs)。优化后的PMA温度为350℃，如图所示12(d)，其中拉伸现象和平带电压偏移最小。研究了PMA-的介电常数和有效氧化物电荷/S-GaAs薄膜与PMA温度的关系如图所示(13日)和13 (b),分别。介电常数和有效氧化物电荷可达66和PMA温度为350°C。

此外,磁滞回线作为PMA温度的函数如图所示14．的磁滞回线的如图所示，不经PMA处理的S-GaAs是逆时针方向的(14日)．的PMA-的迟滞回路/S-GaAs薄膜在300和350°C时顺时针方向，如图所示14 (b)和14(c)的如图所示，在400℃时，磁滞回线变回逆时针方向14(d),这些行为类似于InP。的PMA -/S-GaAs作为PMA温度的函数如图所示15．最低的是PMA温度为350°C。

的的/ S-InP和PMA -/S-InP在不同PMA温度下的变化如图所示16．最低的是从价带边缘的能量为0.67 eV。的的/ S-GaAs和PMA -图中显示了不同PMA温度下的S-GaAs17．最低的是从价带边缘的能量为0.7 eV。两个样品的PMA温度固定在350℃。

表格1显示了PMA(350°C)的电特性的比较/输入和PMA(350°C)/砷化镓。从这个表中我们可以清楚地看出，GaAs的电学特性优于InP。它将来自于这个事实由于蒸汽压较高，排气比As严重。它对InP MOS结构的界面质量和膜质量有轻微的影响。PMA和(NH₄）₂S处理显著提高了III-V MOS结构的电学性能，较低的生长温度制备的介质膜具有液相沉积和ALD等优点。

4.结论

在III-V半导体上生长的薄膜治疗了。与处理，界面质量/III-V已大为改善。PMA处理进一步改善了电性能。GaAs MOS的电学特性优于InP，这是由于GaAs MOS本身具有较高的电学特性蒸汽压。界面层之间存在着相互扩散和基质。对于III-V型MOS结构，采用较低的生长温度制备介电膜更有好处。

承认

作者要感谢台湾国家科学委员会的支持。98 - 2221 e110 - 073 my3。

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