Способ создания структуры диэлектрик-полупроводник кадмий-ртуть-теллурид

Способ создания структуры диэлектрик-полупроводник кадмий-ртуть-теллурид

Реферат

 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии создания многоэлементных МДП-приборов на полупроводнике кадмий-ртуть-теллурид. Сущность: способ включает формирование на поверхности полупроводниковой подложки анодного окисла и последующее нанесение в вакуумной камере слоя сульфида цинка. При этом слой сульфида цинка наносят циклично при температуре подложки 10-60°С, давлении паров диэтилцинка и сероводорода в вакуумной камере не менее 5 мм рт.ст. и выдержке не менее 0,1 с. Технический результат: повышение стабильности характеристик структуры.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии создания многоэлементных МДП-приборов на полупроводнике кадмий-ртуть-теллурид (КРТ).

Создание многоэлементных МДП-приборов на КРТ во многом определяется качеством границы раздела полупроводник - диэлектрик, а именно минимальной плотностью поверхностных состояний (N_ss), которая должна быть не более 1.10¹¹ см^-2 эВ^-1, минимальным встроенным зарядом (Ufb) в пределах ±2В, наибольшим временем релаксации неравновесной емкости (_p) более 10 мс.

Известен способ создания структур диэлектрик-КРТ, предусматривающий анодное окисление полупроводниковой подложки [1]. Этим методом получаются высококачественные структуры КРТ-диэлектрик, но использовать в интегральной микроэлектронике такую структуру проблематично, так как диэлектрик на основе собственных оксидов химически активен и не сохраняет своих свойств при проведении технологических операций, особенно фотолитографических.

В работе [2] предложено укреплять диэлектрическую оксидную пленку слоем сульфида цинка, причем для устранения деградации структуры использовалось формирование анодной окисной пленки (АОП) в специально подобранном сульфидном электролите, что стабилизирует обе границы раздела: КРТ-АОП и АОП-ZnS, обеспечивая при этом качественные параметры МДП-структур. Однако воспроизводимость параметров структур по данному способу крайне низка из-за высокой чувствительности процесса к составу электролита.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ создания структур полупроводник КРТ-диэлектрик [3], где предложено использовать напыление в вакуумной камере второго диэлектрика, например ZnS, поверх любой анодной окисной пленки. Толщина ZnS должна быть достаточной величины, чтобы обеспечить защиту АОП в процессе фотолитографии.

Однако до настоящего времени указанным способом не получено стабильной во времени МДП-структуры с качественными электрофизическими параметрами. Причиной этого, по мнению авторов является то, что использование традиционных вакуумных методов нанесения сульфида цинка на АОП не позволяет получить пленку с точной стехиометрией [4], а следовательно, термодинамически стабильную границу раздела АОП-ZnS. В свою очередь, данная нестабильность ведет к деградации электрофизических параметров структуры во времени.

Цель изобретения - улучшение деградационных свойств структуры КРТ-АОП-ZnS. Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования структуры диэлектрик-полупроводник кадмий-ртуть-теллурид, включающем формирование на поверхности полупроводниковой подложки анодного окисла и последующее нанесение на анодный окисел в вакуумной камере слоя сульфида цинка, сульфид цинка наносят при температуре подложки 10 - 60°С путем поочередного напуска в вакуумную камеру паров диэтилцинка и сероводорода до давления не менее 5 мм рт.ст. с выдержкой не менее 0,1 с и повторением цикла до получения слоя сульфида цинка заданной толщины.

Схема синтеза ZnS следующая:

где R=-CH₂-CH₃.

Рост ZnS происходит при поочередном напуске и откачке паров реагентов за счет реакции поверхностных функциональных групп с внешним реагентом с образованием соответствующих реакционноспособных функциональных групп.

По мнению авторов, причина отсутствия деградации электрофизических характеристик структур КРТ-АОП-ZnS, полученных с применением указанного способа нанесения ZnS, заключается в том, что в процессе синтеза ZnS создается вещество упорядоченной структуры, определяемой свойствами и расположением функциональных групп поверхности. Таким образом отсутствуют свободные связи и отклонения в стехиометрии и т.д., являющиеся характерными для методов напыления ZnS, что, по мнению авторов, и приводит к термодинамической нестабильности получаемых известным методом структур.

Установлено, что пленки ZnS, полученные предлагаемым способом, толщиной более 50Å обладают достаточными пассивационными свойствами.

Для протекания процесса синтеза ZnS по вышеприведенной схеме необходимо выполнение следующих условий:

1. Количество напускаемых паров реагентов должно быть достаточно для замещения всех функциональных групп поверхности. Это имеет место при давлении паров не менее 5 мм рт.ст.

2. Температура подложки должна быть более 10°С, чтобы обеспечить необходимое давление паров реагентов (5 мм рт.ст.), связанное с их конденсацией на подложке. Увеличение температуры до более 60°С недопустимо из-за деградации самой структуры КРТ-АОП.

3. Выдержка паров реагентов в камере реактора должна быть достаточно длительной, с тем чтобы успевала завершиться поверхностная реакция. Как показали эксперименты, при выдержке менее 0,1 с наблюдается уменьшение постоянной роста, что свидетельствует об отклонении механизма роста от идеального. Как следствие, ухудшаются электрофизические характеристики МДП-структур КРТ-АОП-ZnS.

Пример 1.

Образцы CdxHg_1-х Te (х=0,22) в количестве 5 шт. анодировались при режиме: 0,1 N КОН в метаноле, i=0,5 - 0,7 мА·см^-2, до толщины анодного окисла 1000Å.

Затем на анодный окисел наносился слой ZnS толщиной 250Å путем поочередного напуска и откачки в/из камеру реактора с образцами диэтилцинка и сероводорода до давления 10 мм рт.ст., выдержки 1,0 сек и повторения цикла до получения слоя заданной толщины при температуре 5°С, 10°С, 40°С, 60°C, 70°C. Затем образцы проходили маршрут изготовления ПЗИ-линеек. Далее по стандартной методике исследовались электрофизические параметры МДП-структур сразу после изготовления и через t=96 часов (4 суток).

Результаты измерений сведены в табл.1.

Таблица 1 T,°C  0,ч96,чN _ss/UfbN_ss/Ufb 5(8-10)×10 ¹¹/5-6(8-10)×10 ¹¹/175-810 (2-3)×10¹¹/1,5-2,5 (2-4)×10¹¹/1,5-3,0 40(2-3)×10 ¹¹/1,5-2,0(2-3)×10 ¹¹/1,5-2,060 (2-4)×10¹¹/1,0-3,0 (2-4)×10¹¹/1,0-3,0 70(8×10 ¹¹-2×10¹²)/2,5-6 8.10¹¹-2.10¹²/5-7

Анализ табл.1 показывает, что в интервале температур получения ZnS 10 - 60°C электрофизические параметры МДП-структур стабильны во времени. При температуре подложки менее 5°С и более 60°С параметры хуже и нестабильны во времени.

Пример 2.

Образцы готовились и исследовались аналогично примеру 1. Слой ZnS синтезировался при Т=30°С. Варьировалось давление напуска паров реагентов от 3 до 20 мм рт.ст.

Результаты измерений сведены в табл.2.

Таблица 2 Р, мм рт.ст.  0,ч96,чN _ss/UfbN_ss/Ufb 3(2-4)×10 ¹¹/1,0-2,58×10 ¹¹-2×10¹²/3-7 5(2-4)×10¹¹/1,0-1,5 (3-4)×10¹¹/1,5-2,0 10(2-4)×10 ¹¹/1,0-2,0(3-5)×10 ⁴/2,0-2,520 (1,5-2,0)×10¹¹/1,5-2,0 (1,5-2,0)10¹¹/1,5-2,0

Анализ табл.2 показывает, что при давлении напуска реагентов менее 5 мм рт.ст. электрофизические параметры МДП-структур нестабильны во времени. Увеличение давления напуска до 20 мм рт.ст. не сказывается на параметрах МДП-структур. Дальнейшее увеличение давления напуска нецелесообразно ввиду увеличения необходимого времени откачки.

Пример 3.

Подготовка и исследование образцов аналогичны примерам 1 и 2. Варьировалось время выдержки паров реагентов в вакуумной камере от 0,05 до 5 с.

Результаты измерений сведены в табл.3.

Таблица 3    096_р,сN _ss/UfbN_ss/Ufb 0,05 (2-3)×10¹¹/1,5-2,5 (2-4)×10¹²/2,5-6 0,10(2-3)×10¹¹ /1,5-2,0(2-3)×10¹¹ /2,0-2,50,5 (2-3)×10¹¹/2,0-2,5 (2-3)×10¹¹/2,0-2,5 1,0(1,5-3)×10¹¹ /1,5-2,0(1,5-3)×10 ¹¹/1,5-3,0

Анализ табл.3 показывает, что при выдержке паров реагентов в камере установки менее 0,1 с слой ZnS не обеспечивает своих пассивационных свойств. Увеличение времени выдержки до 5 с не влияет на электрофизические свойства МДП-структур, однако это технологически нецелесообразно, так как увеличивается время процесса синтеза ZnS.

Пример 4 (сравнительный эксперимент).

Подготовка и исследование образцов аналогичны примеру 1. Слой ZnS наносился термическим напылением в вакууме на холодную подложку. Толщина слоя 250, 500, 1000, 2000, 4000Å .

Результаты измерений сведены в табл.4.

Таблица 4 d, Å  0,ч96,чN _ss/UfbN_ss/Ufb 250 (3-8)×10¹¹/2÷4 (2-6)×10¹²/5-7 500(3-9)×10¹¹ /2÷3(2-4)×10¹² /5-71000 (3-5)×10¹¹/2÷3 (2-5)×10¹²/5-7 2000(3-5)×10¹¹ /2÷4(2-3)×10¹² /5-84000 (3-6)×10¹¹/2÷5 (2-3)×10¹²/5-6

Анализ табл.4 показывает, что МДП-структуры, изготовленные с применением термически напыленного ZnS, деградируют во времени. Были проведены аналогичные эксперименты для материалов Cd _xHg_1-хTe (х=0,2-0,3) и режимов анодирования в различных электролитах 5 г/л CdSO₄ в этиленгликоле и воде при соотношении 9:1, i=0,7-0,9 ма/см², а также 0,1 N КОН в этиленгликоле и воде при соотношении 9:1, i=0,7÷0,9 ма/см². Параметры МДП-структур аналогичны вышеприведенным.

Анализ таблиц 1 - 4 показывает, что отсутствие деградации во времени параметров структур, полученных по предлагаемому способу, позволяет получить МДП-структуры со встроенным зарядом (Ufb), меньшим в 2-3 раза с 5-6B до 0,5-2,0В), плотностью поверхностных состояний (N_ss), меньшей в 10 раз (с 2-5×10 ¹² до 1-5×10¹¹), и временем релаксации неравновесной емкости (_р), большим в 10³ раз (с 20 мкс до 10-20 мс) по сравнению с соответствующими параметрами МДП-структур, получаемых по известному способу.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет достаточно воспроизводимо и, главное, с качественными электрофизическими параметрами, стабильными во времени, получать МДП-структуры на Cd_xHg_1-хTe c х=0,2-0,3. С использованием данного способа изготовлены многоэлементные (n 8) МДП-ПЗИ-линейки с чувствительностью менее 10^-6 Вт/см².

Источники информации

1. Патент США № 3977018, 1976.

2. Nemirovshy, L. Burstein, I. Kidren. I nterface of p-type Hg_1-хCd_xTe pussivated withe native sul fides. 2. Appl. Phys. 51(1), 1, № 7, 1985, p.366.

3. Берченко Н.Н., Евстигнеев А.И., Ерохов В.Ю., Матвеенко А.В. Свойства поверхности узкозонных полупроводников и методы ее защиты. Зарубежная электрика, № 3, 1981 (прототип).

4. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. Изд-во "Наука", Ленинградское отд., 1976.

Формула изобретения

Способ создания структуры диэлектрик-полупроводник кадмий-ртуть-теллурид, включающий формирование на поверхности полупроводниковой подложки анодного окисла и последующее нанесение в вакуумной камере слоя сульфида цинка, отличающийся тем, что, с целью повышениях стабильности характеристик структуры, слой сульфида цинка наносят циклично при температуре подложки 10-60°С, давлении паров диэтилцинка и сероводорода в вакуумной камере не менее 5 мм рт.ст и выдержке не менее 0,1 с.