Зондовые и оптические исследования микрои наноструктур на основе арсенида галлия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.382.323

ЗОНДОВЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ Б.И.Селезнев, А.С.Ионов, А.В.Петров, Э.Ю.Козловский, Г.О.Тимофеев

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Boris.Seleznev@novsu.ru

Рассмотрены особенности методов исследования полуизолирующего арсенида галлия, микро- и наноструктур на пластине: примесное поглощение, метод токов утечки при примесной подсветке, метод полевого фототранзистора с управлением по подложке, холловские измерения, эллипсометрия, зондовые измерения структур на пластине. Показана возможность контроля технологического цикла изготовления СВЧ микроэлектронных приборов на арсениде галлия с использованием комплекса зондовых и оптических методов исследования.

Ключевые слова: арсенид галлия, микро- и наноструктура, полуизолятор, зондовые и оптические методы исследований, тестовая структура

The features of research methods of semi-insulating gallium arsenide, micro- and nano-structures on the wafer: impurity absorption, the method of leakage currents at the impurity illumination, the method of a field phototransistor with control on the substrate, Hall measurements, ellipsometry, probe measurements of structures on the wafer, are considered. The possibility of controlling the technological cycle of manufacturing microwave microelectronic devices on the basis of gallium arsenide using a complex probe and optical methods is demonstrated. Keywords: gallium arsenide, micro- and nano-structure, semi-insulant, probe and optical research methods, test structure

Введение

Определяющим фактором в производстве и совершенствовании современной электронной компонентной базы и ее качества являются специальные материалы. Поскольку определение микропримесей на уровне 1 • 10-6 — 1-10-11 требует разработки дорогостоящего оборудования и значительно повышает себестоимость изделий микроэлектроники, целесообразно переходить на функциональный контроль материалов по параметрам тестовых элементов приборов. Это позволит не только контролировать качество материалов, но и осуществлять контроль процесса производства микроэлектронных приборов.

Успешное решение проблем создания высококачественных МЕ8РЕТ и рНЕМТ транзисторов на арсениде галлия в существенной степени определяется наличием объективных критериев пригодности исходного полуизолирующего арсенида галлия, мик-ро- и наноструктур на его основе и разработкой методов оценки их качества [1].

1. Методы оценки качества полуизолирующего арсенида галлия

1.1. Оптическое поглощение

В данной работе проведен анализ содержания примесей в полуизолирующем ваЛБ методами лазерной масс-спектрометрии, ВИМС и оптического поглощения на слитках различных марок.

При корреляции между данными лазерной масс-спектрометрии, ВИМС и оптического поглощения по содержанию хрома в полуизолирующем арсе-ниде галлия практический интерес представляет использование метода примесного оптического поглощения для определения содержания хрома в слитках арсенида галлия. Метод оптического поглощения является одним из наиболее приемлемых для определения концентрации глубоких центров Ыт в полу-изолирующих объемных кристаллах арсенида галлия.

Коэффициент поглощения а может быть записан следующим образом:

а(М0 = СЫт [о0„Е/ + а°р (1 - Е/)] , где С — константа; Ыт — концентрация глубоких

О О л

центров; Сп, о р — сечения фотоионизации для электронов и дырок соответственно; Е^ — функция

Ферми, определяющая заполнение уровней.

На рис.1 изображены спектральные зависимости сечений фотоионизации оП и с0р для акцепторного уровня НЬ1, обусловленного наличием хрома и глубокого донорного уровня ЕЬ2. По данным метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней с подсветкой (X = 1,06 мкм) о„/ оР = 3,3 для центра ЕЬ2 и

„! р

о„ о0р = 0,185 для центра, связанного с хромом [2].

В кристаллах ваЛБ, легированных хромом, оптическое поглощение в области 0,8 — 1,1 эВ обусловлено переходами электронов с глубоких уровней хрома в зону проводимости (Сг2+ ^ Сг3+). Поэтому значения коэффициента поглощения при км = 0,92 эВ можно откалибровать в зависимости от содержания хрома. Полученные нами данные лазерной масс-спектрометрии могут быть использованы для построения калибровочных зависимостей.

Анализ формы полос поглощения исследуемых образцов ваЛБ, легированных хромом, показывает возможность выделения полосы поглощения, связанной с хромом. Таким образом, из экспериментальных данных по оптическому поглощению образцов ваЛБ различных марок с помощью калибровочных зависимостей а = /(ЫСг), приведенных на рис.2, может

быть количественно определена концентрация хрома в исследуемых образцах.

Концентрация хрома, см 1

Рис.2. Калибровочная зависимость коэффициента оптического поглощения

1.2. Метод измерения токов утечки

Одним из методов анализа свойств полуизоли-рующего GaAs является измерение токов утечки. Метод был предложен в работе [3], он отличается простотой и наглядностью результатов, причем является неразрушающим. Наиболее простой является одно-зондовая конфигурация этого метода.

Отличительной особенностью метода, используемого в настоящей работе, является применение примесной подсветки на двух длинах волн, обеспечивающей фотоионизацию и фотонейтрализацию глубоких примесных центров как хрома, так и EL2. В качестве источника фотовозбуждения глубоких центров использовался специально изготовленный лазерный модуль с рабочими длинами волн 1,06 мкм и 1,3 мкм. Длины волн соответствуют максимумам спектральных зависимостей сечений поглощения (рис.1). Применение примесной подсветки позволяет осуществить сравнительный анализ содержания глубоких примесей по длине слитков различных марок, оценить радиальную «микронеоднородность» пластин, выработать критерии к исходному по-луизолирующему арсениду галлия как материалу для прямой ионной имплантации и подложке для создания эпитаксиальных и гетероэпитаксиальных структур.

2. Метод оценки качества границы раздела

канал — полуизолирующая подложка

Граница между n-каналом и полуизолирующей подложкой оказывает существенное влияние на функциональные характеристики полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ). Ионизированные глубокие уровни играют важную роль в формировании объемного заряда со стороны подложки. Различного рода внешние воздействия на транзистор, которые могут изменить величину и структуру объемного заряда на границе, приводят к изменению толщины активного слоя ПТШ и, соответственно, к модуляции проводимости канала [2]. Модуляция проводимости канала является вредным эффектом, приводящим к ухудшению функциональных характеристик транзистора.

Оценка качества границы раздела канал — подложка и параметров глубоких энергетических уровней может быть проведена с учетом чувствительности структур ПТШ к освещению и управлению по подложке — методом полевого фототранзистора с управлением по подложке (ПФТ УП) [3]. Уменьшение тока стока ПТШ с ионно-легированными слоями при примесной подсветке на длине волны 1,3 мкм («отрицательный» фотоэффект) связывается с эмиссией дырок с уровня Сг3+.

В данной работе исследовались ПТШ на арсе-нид-галлиевых эпитаксиальных структурах. Приборы на пластине освещались модулированным излучением с помощью специально разработанного лазерного модуля из области примесного поглощения с длинами волн 1,06 мкм (1,17 эВ) и 1,3 мкм (0,95 эВ). Исследования проводились при значении тока стока 5 мА, длительности и периода импульсов 5 и 10 мс соответственно. При освещении наблюдался «положительный» фотоэффект (увеличение тока стока на 0,3-0,7 мА) для обеих длин волн (рис.3), что свидетельствует о наличии процессов фотоионизации глубоких центров и переходов электронов в зону проводимости. Из анализа спектральных зависимостей сечений поглощения (рис.1 и рис.3) следует, что на длине волны 1,3 мкм проявляется переход Сг2+ — Сг3+, а на длине волны 1,06 мкм происходит фотоионизация центров ЕЬ2. Данные результаты свидетельствуют о четырехуровневой схеме компенсации, представленной на рис.1. Характер релаксационных кривых фотоответа можно объяснить различной скоростью генерации носителей заряда и процессов перезарядки глубоких центров.

Рис.3. Величины фотоответа при освещении ПТШ лазерами с различными длинами волн: 1 — 1,06 мкм; 2 — 1,3 мкм

Тип фотоответа, его величина и характер релаксации для структур ПТШ могут быть использованы для оценки качества исходного полуизолирующе-го ваЛБ, выработки критериев его отбора в производстве и прогнозирования параметров СВЧ микроприборов.

3. Диагностика гетероструктур (А1, 1п)ОаЛ«/ОаЛ«

3.1. Методика холловских измерений

При исследовании эффекта Холла методом Ван-дер-Пау в тонких полупроводниковых слоях возникают трудности с установкой зондов на торцы пластины с исследуемыми слоями. В связи с этим данный метод был модифицирован так, чтобы было возможно планарное размещение контактов.

Для исключения ошибок, связанных с медленно меняющимися во времени помехами и несимметричностью размещения зондов, измерения проводились при различных полярностях тока и магнитного поля в зазоре, затем усреднялись. Точечные омические контакты формировались из оловянной фольги методом вжигания искровым разрядом. При выполнении этих условий ошибка в измерениях поверхностной концентрации „5 не превышает 10-15%.

3.2. Методика эллипсометрических измерений

Эллипсометрия основана главным образом на анализе отраженного света. При этом производится сравнение поляризации падающего и отраженного световых потоков. Данный оптический метод используется для исследования физико-химических свойств материала (состава композиционных соединений, плотности инородных нановключений, структурного совершенства материала, качества границ раздела), морфологии поверхности, измерения толщин многослойных структур и характеризации оптических свойств тонких пленок [3].

Состояние эллиптической поляризации отраженного света можно однозначно определить двумя эллипсометрическими параметрами у и Д, характеризующими форму и ориентацию эллипса в плоскости. Первый эллипсометрический параметр у определяется соотношением

(Еротр /Е,отр ) = Яр

(Ерпад /Е5пад ) Я,,

где Ерпад , Е,пад — проекции электрического вектора

падающей световой волны на плоскость падения (р) и на плоскость, перпендикулярную плоскости падения (,) соответственно; Еротр, Е,отр — те же величины

для отраженной волны; Яр и Яя — модули комплексных коэффициентов отражения Яр и Я5 для ри ^-компонентов.

Второй эллипсометрический параметр А = о - о = о - о , где о , о — фазы р-

ротр <тотр р 5 ’ ^ ротр ’ <тотр ^

и 5-компонент отраженной волны.

Предполагается, что падающий луч является линейно-поляризованным, т.е. фазы р- и 5-компонентов для падающего луча совпадают.

Решая основное уравнение эллипсометрии

Яр

Я,

V Я, У

для оптической системы (например, диэлектрическая пленка — подложка) строят номограммы А-у. Их

используют в тех случаях, когда значение „1 (показатель преломления диэлектрика) неизвестно. Определив экспериментально Аэкс и уэкс, можно по номограммам А - у найти „1 и толщину слоя.

В данной работе использовалась одночастотная двухпараметровая эллипсометрия на длине волны 632,8 нм на базе промышленного эллипсометра ЛЭМ-2М.

3.3. Методика селективного травления гетероструктур ОаАз/АЮаАз/ОаАз

В качестве объекта исследования и экспериментальной отработки методик измерения и травления использовались системы с эпитаксиальными слоями п+-ОаАБ/п-АЮаАБ/1-АЮаАБ/ьОаАБ. Для оценки толщин отдельных слоев необходимо осуществлять послойное стравливание. При этом необходимо использовать травители, имеющие селективный характер своего действия по отношению к ваАБ и АЮаАБ.

В результате апробации комплексной диагностики с использованием селективного травления, холловских и эллипсометрических измерений на образцах с эпитаксиальной структурой типа п+-ваАБ/п-АЮаАБ/ьАЮаАБ/ьОаАБ были получены следующие результаты.

Концентрация носителей заряда в двумерном электронном газе (ДЭГ) (0,6-1,3)-101 см-2 при Т = 300 К для различных образцов.

Подвижность носителей заряда в ДЭГ (51005800) см2/(В-с) при Т = 300 К и (41000-49000) см2/(В-с) при Т = 77 К для различных образцов.

Типовой график травления представлен на рис.4. Для расшифровки экспериментальных данных эллипсометрических измерений структур А^ва^АБ на ваАБ использовались расчеты, приведенные в работе [4], и атлас номограмм для определения толщины и показателя преломления диэлектрических пленок на поверхности ваАБ. Следует отметить, что наличие естественного окисла несколько видоизменяет теоретическую номограмму, приведенную в работе [4], в сторону уменьшения Д на (5.. .6)°.

Общая толщина верхнего слоя п+ -ваАБ вместе с переходной областью п-ваАБ (до интерфейса с АЮаАБ) составляет по данным послойного анодного травления 120 нм, толщина слоя п+ -ваА — 80 нм. Переход между верхним ваАБ и АЮаА происходит при поверхностной концентрации п = (0,6-0,7)-1012 см 2. Окончание травления АЮаАБ фиксируется довольно точным выходом на кривую окисел — ваАБ и прекращением циклирова-ния при дальнейшем травлении.

Сравнение с теоретической номограммой дает стехиометрию Alj.Gai_.As — х = 0,25 и толщину слоя

AlGaAs — 40 нм. Концентрация легирующей примеси в слое AlGaAs составляет величину n ~ 1,6-1017 см-3.

Рис.4. График травления гетероструктуры ОаАз/АЮаАз/ОаДз; 1-5 — итерации травления, на которых измерялись электрофизические параметры

Проведенные исследования указывают на возможность использования описанной комплексной диагностики для контроля параметров многослойных гетероэпитаксиальных структур.

4. Зондовые исследования микро- и наноструктур GaAs на пластине

Исследованы возможности зондового контроля в технологическом процессе изготовления СВЧ микроэлектронных приборов на GaAs. Исследования проводились при помощи законченного комплекса современного оборудования, включающего зондовую станцию Cascade Microtech Summit 12000, измеритель параметров полупроводниковых приборов Agilent B1500, анализатор цепей Agilent N5230.

Для проведения зондовых исследований статических параметров в ходе технологического процесса изготовления ИМС на пластине была разработана тестовая ячейка, представленная на рис.5. Кристалл тестовой ячейки формировался на пластине одновременно с кристаллами ИМС.

Структуры для контроля параметров ПТШ

Структуры для контроля удельного контактного сопротивления сплава методом ИМ

Структура для контроля сопротивления изоляции

Структура для контроля слоевого сопротивления

Рис.5. Кристалл тестовой ячейки

Зондовые исследования проводились на следующих этапах технологического процесса изготовления транзисторных структур (рис.6):

— после создания изоляции методом протонной

бомбардировки (энергии и дозы: Н+100 кэВ/100 мкКл ,

см

Н+50 кэВ/50

мкКл

2

см

);

— после процесса плазмохимического осаждения пленки 8іО2 (Т = 270°С) на стадии формирования субмикронного затвора;

— после формирования верхнего уровня металлизации (А1) на полностью сформированной структуре.

В ходе работы исследовались такие статические параметры, как сопротивление изоляции Я, слоевое сопротивление Я^, удельное контактное сопротивление сплава р*.

вого механизма проводимости снижается [5]. Разброс значений слоевого сопротивления в ходе технологического процесса изготовления практически не наблюдается, среднее значение Rsh = 93 Ом/а Удельное контактное сопротивление сплава не изменяется и остается на уровне 2-10-6 Ом-см2, что свидетельствует о качестве сформированного омического контакта к арсениду галлия, стабильности используемой системы металлизации (Au/Ge-Mo-Au-Mo) и эффективности применения Mo в качестве диффузионного барьера в системе Au-Mo-Al.

Зондовые исследования СВЧ параметров проводились на транзисторах, сформированных на пластине в одном технологическом цикле с тестовой ячейкой. Для проведения измерений использовались СВЧ зонды серии Infinity структуры GSG «Земля» — «Сигнал» — «Земля» (рис.7), под которые была разработана топология тестовых транзисторов.

Рис.6. Сформированная структура полевого транзистора с барьером Шоттки

Наблюдается разброс значений сопротивления изоляции и характер распределения по площади пластины, связанный наиболее вероятно с неоднородностью процесса ионного легирования. Отмечено увеличение сопротивления изоляции после процесса плазмохимического осаждения 8Ю2 (Т = 270°С) с 11,3 МОм до 81,4 МОм. Предположительно это связано с отжигом радиационных дефектов, зонный механизм проводимости становится основным, а роль прыжко-

Рис.7. Пластина с опущенными СВЧ Infinity GSG зондами

В ходе исследований удалось измерить комплекс S-параметров тестовых полевых транзисторов непосредственно на пластине. Интересующим параметром в данной работе является коэффициент усиления по мощности, определяемый параметром S21 , среднее значение которого по пластине 13,5 дБ на частоте 5 ГГц (рис.8). Данный метод может быть использован для разбраковки СВЧ микроэлектронных структур на пластине.

>Ch1: Start 1 00.000 MHz —

ї] 1 do.oolooqo Mhz 15.014 dB

2 И.ООООШО Ghz 15.1 57 dB

—З--------------------2.0000Ш0 Gh-Ы^~бв\

4 4.000000 Ghz 1 3.640 dB

> 5І 10.533512 fahz I 8.5223 dB

Stop 19.5000 GHz

Рис.8. Полученная зависимость коэффициента S21 от частоты на Agilent N5230

Таким образом, комплекс зондовых и оптических методов исследований полузолирующего арсенида галлия, микро- и наноструктур на пластине дают возможность производить контроль технологического цикла изготовления СВЧ микроэлектронных приборов на арсениде галлия.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, проект 2.1.2/11324.

1. Козловский Э.Ю., Селезнев Б.И., Дмитриев В.А., Штейн-гарт А.П. Малошумящие СВЧ полевые транзисторы на арсениде галлия для систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011. №1,2. С.80-85.

2. Seleznev Boris I. Nondestructive techniques for investigation semi-insulating gallium arsenide as initial material for direct implantation // Third Testing and Computer Simulation in Science and Engineering. St. Petersburg, Russia, June 7-11. 1999. Vol.4064. P.308-315.

3. Швец В.А., Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Михайлов Н.Н. Эллипсометрия — прецизионный метод контроля тонкопленочных структур с субнанометровым разрешением // Российские нанотехнологии. 2009. Т.4. №3-4. С.91-102.

4. Порус Г.Б., Лымарь Г.Ф., Резвый Р.Р., Варыч К.О. Эллипсометрия гетероэпитаксиальных структур в системе GaAs-Ga^xAlxAs // Электронная техника. Сер.2. 1989. Вып.6. С.27-33.

5. Комаров Ф.Ф., Мильчанин О.В., Миронов А.М., Купчи-шин А.И. Формирование изолирующих и геттерирующих слоев в полупроводниках с использованием имплантации протонов средних энергий // Физическая инженерия поверхности. 2008. Т.6. №3-4. C.142-150.

Bibliography (Translitirated)

1. Kozlovskijj Eh.Ju., Seleznev B.I., Dmitriev V.A., Shtejjngart A.P. Maloshumjashhie SVCh polevye tranzistory na arsenide gallija dlja sistem svjazi // Sistemy i sredstva svjazi, televidenija i radioveshhanija. 2011. №1,2.

S.80-85.

2. Seleznev Boris I. Nondestructive techniques for investigation semi-insulating gallium arsenide as initial material for direct implantation // Third Testing and Computer Simulation in Science and Engineering. St. Petersburg, Russia, June 7-11. 1999. Vol.4064. P.308-315.

3. Shvec V.A., Spesivcev E.V., Rykhlickijj S.V., Mikhajjlov N.N. Ehllipsometrija — precizionnyjj metod kontrolja ton-koplenochnykh struktur s subnanometrovym razresheniem // Rossijjskie nanotekhnologii. 2009. T.4. №3-4. S.91-102.

4. Porus G.B., Lymar' G.F., Rezvyjj R.R., Varych K.O. Ehl-lipsometrija geteroehpitaksial'nykh struktur v sisteme GaAs-Ga1-xAlxAs // Ehlektronnaja tekhnika. Ser.2. 1989. Vyp.6. S.27-33.

5. Komarov F.F., Mil'chanin O.V., Mironov A.M., Kupchishin A.I. Formirovanie izolirujushhikh i getterirujushhikh sloev v polupro-vodnikakh s ispol'zovaniem implantacii protonov srednikh eh-nergijj // Fizicheskaja inzhenerija poverkhnosti. 2008. T.6. №3-4. C.142-150.