Очистка элементов интегральных схем в потоке водорода с последующим экспонированием ультрафиолетовым излучением

В работе исследована возможность улучшения параметров омических контактов на основе Ge/Cu к n-i-GaAs с помощью модификации поверхности GaAs в потоке атомарного водорода, а также посредством воздействия ультрафиолетовым излучением, генерируемым KrCl эксилампой, на гидрогенизированную поверхность. Показано, что обработка предварительно гидрогенизированной поверхности n-i-GaAs ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ = 222 нм и плотностью мощности излучения P = 12 мВт·см^-2, выполняемая в вакууме перед осаждением металлизации омических контактов Ge/Cu, позволяет уменьшить приведённое контактное сопротивление в 3 раза.

Методика эксперимента

В экспериментах использовались ионно-легированные пластины n-i-GaAs с концентрацией электронов в слое толщиной d = 120 нм равной n = 2 ^. 10¹⁷ см^-3, которые проходили предварительную очистку поверхности от собственных окислов мышьяка и галлия в водном растворе H₂SO₄ (1:10) в течение t = 3 минут с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. После этого на поверхности пластины формировалась двухслойная резистивная маска, в которой вскрывались окна в месте будущих омических контактов. Затем пластина делилась на образцы типа I, II, III и IV. Образцы всех типов для удаления собственных окислов мышьяка и галлия обрабатывались в водном растворе H₂SO₄(1:10) в течение t = 3 минут с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке азота. После чего образцы всех трёх типов загружались в вакуумную камеру и подвергались вакуумной сушке в процессе откачки до остаточного давления p = 10^-6 торр в течение t = 60 мин. Образцы групп III и IV проходили обработку в потоке атомарного водорода в течение t = 30 с при комнатной температуре, после этого образцы групп II и IV дополнительно подвергались воздействию ультрафиолетового излучения, генерируемого KrCl эксилампой с длиной волны λ = 222 нм и плотностью мощности W = 12 мВт·см^-2в течение t = 8 секунд при давлении остаточной атмосферы в вакуумной камере равном p = 10^-6 торр. Затем на все образцы методом термического испарения производилось осаждение металлизации омического контакта на основе тонких пленок Ge и Cu общей толщиной 200 нм. Образцы извлекались из вакуумной камеры, и после удаления резистивной маски, формировалась топология контактов. Затем с целью формирования омических контактов образцы подвергались быстрой термической обработке при температуре T = 420 ^оС в течение t = 60 секунд.

Величины приведенного контактного сопротивления омических контактов ρ_c измерялись методом линии передач на 10 тестах, а затем усреднялись. Погрешность измерения величины ρ_c не превышала 30 %.

Обсуждение результатов

На рис. 1 представлены закономерности изменения приведенного контактного сопротивления Ge/Cu омических контактов к n-i-GaAs, сформированных к негидрогенизированной (образцы типа I и II) и гидрогенизированной (образцы типа III и IV) поверхности пластин GaAs, которые после процессов гидрогенизации не подвергались (группы I и III) и подвергались обработке ультрафиолетовым излучением в вакууме (группы II и IV).

Рис 1. Закономерности изменения приведенного контактного сопротивления Ge/Cu омических контактов к n-i-GaAs, сформированных к негидрогенизированной (образцы типа I и II) и гидрогенизированной (образцы типа III и IV) поверхности пластин GaAs, которые после процессов гидрогенизации не подвергались (группы I и III) и подвергались обработке ультрафиолетовым излучением в вакууме (группы II и IV).

Известно [5], что атомы водорода, попадая из газовой фазы на поверхность полупроводника, могут либо адсорбироваться на ней, либо отразиться обратно в вакуум. Вероятность процесса адсорбции характеризуется коэффициентом прилипания, величина которого для АВ обычно значительно больше, чем для молекулярного водорода и зависит от химического состава и электронной структуры поверхности, температуры образца, степени заполнения поверхности адсорбированными атомами и много другого. Адсорбированный атом в процессе диффузионного блуждания по поверхности может столкнуться с другим таким же атомом или с атомом, поступившим на поверхность из газовой фазы, и образовать молекулу водорода (рекомбинация по механизму Ленгмюра – Хиншелвуда или механизму Ридила – Или, соответственно). При образовании молекулы выделяется энергия приблизительно равная энергии диссоциации молекулы (4.5 эВ), которая может быть распределена по различным степеням свободы, как молекулы (возбуждение колебательных состояний молекулы), так и твердого тела, посредством образования фононов или возбуждения электронной подсистемы. Передача хотя бы части этой энергии твердому телу стабилизирует молекулу, и в дальнейшем она с высокой вероятностью десорбирует в вакуум. Поглощение энергии рекомбинации твердым телом приводит к возникновению ряда интересных явлений, как на поверхности полупроводника, так и в приповерхностных его слоях. С другой стороны адсорбированный атом водорода, обладая высокой химической активностью, может перейти в хемосорбированное состояние, образовав химическую связь с поверхностными атомами.. При этом данные хемосорбированные атомы являются чужеродными поверхности и для эффективной очистки должны быть удалены. Поэтому при воздействии на гидрогенизированную поверхность GaAs ультрафиолетового излучения с энергией кванта большей, чем энергия связи -H атомов, должна наблюдаться эффективная фотодесорбция хемосорбированных слоев. В результате такой обработки с поверхности полупроводника, по-видимому, удаляется тонкий слой хемосорбированных атомов водорода, что и способствует более однородному взаимодействию металлической пленки омического контакта с GaAs в процессе термообработки и, как следствие, уменьшению величины ρ_c для образцов группы III, по сравнению с образцами группы II.

Заключение

В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что применение дополнительной вакуумной ультрафиолетовой обработки предварительно гидрогенизированной поверхности GaAs перед осаждением металлизации омических контактов на основе композиции Ge/Cu приводит к уменьшению величины приведенного контактного сопротивления на 50%. Предложенные методы могут быть использованы в типовых технологических маршрутах изготовления полупроводниковых приборов и GaAs монолитных интегральных схем, в том числе в едином вакуумном цикле с последующими операциями осаждения тонких диэлектрических или металлических плёнок.

Литература

1. Горбань А. Н., Корнич В. Г., Пинчук В. П., Титов А. Н. // Взаимодействие атомных частиц с твёрдым телом. Харьков. 1976. С.166.

2. Белый В. И., Белослудов В. Р. / Свойства поверхности соединений A^IIIB^V и физико-химические процессы на границе раздела A^IIIB^V – металл // Современные проблемы физхимии поверхности полупроводников. Новосибирск. 1988. С. 43 – 90.

3. Lu Z., Schmidt M. T., Chen D., Osgood R. M., Holber W. M., Podlesnik D. V., Forster J. / GaAs-Oxide removal Using an Electron Cyclotron Resonance Hydrogen Plasma // Appl. Phys. Lett. – 1991. – Vol. 58. –No. 11. – P. 1143 – 1145.

4. Friedel P., Gourrier S. / Interactions Between H₂ and N₂ Plasmas and a GaAs (100) Surface: Chemical and Electronic Properties // Appl. Phys. Lett. – 1983. – Vol. 42. – No. 6. – P. 509 – 511.

5. Lu Z., Schmidt M. T., Chen D., Osgood R. M., Holber W. M., Podlesnik D. V. / GaAs Surface Oxidation and Deoxidation Using Electron Cyclotron Resonance Oxygen and Hydrogen Plasmas // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1991. – Vol. 9. – No. 3. – P. 1040 – 1044.