表面預(yù)處理對(duì)InSb鈍化層界面的影響

肖 鈺，史夢(mèng)然，寧 瑋，段建春

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 前言

InSb材料在紅外探測(cè)器研制中有著廣泛的應(yīng)用。InSb紅外器件一般都制備在(111)In面上，此面上富集大量的In原子，In原子有較活潑的電化學(xué)性質(zhì)，所以對(duì)于器件的性能而言，表面鈍化技術(shù)很關(guān)鍵［1－2］。

一個(gè)好的鈍化表面，應(yīng)該能很好地控制半導(dǎo)體的表面勢(shì)，提高半導(dǎo)體表面在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性。對(duì)InSb紅外器件的研究表明:表面電荷積累將使PN結(jié)反向暗電流增大，1/f噪聲增大。為提高器件性能，鈍化后器件的表面電勢(shì)應(yīng)該控制在平帶附近。InSb快表面態(tài)使得表面產(chǎn)生復(fù)合中心，為降低表面復(fù)合速度，鈍化表面的快態(tài)密度必須盡可能的小。此外，InSb表面必須有足夠高的勢(shì)壘，也就是說(shuō)鈍化層的禁帶寬度一定比InSb的要寬，把載流子限制在半導(dǎo)體內(nèi)［3－5］。

對(duì)于InSb器件，通常采用CVD制備鈍化層，例如PECVD。然而PECVD生長(zhǎng)的SiO2膜和InSb之間存在晶格失配問(wèn)題，制成的InSb器件通常存在顯著的漏電問(wèn)題。因此，需要對(duì)InSb表面進(jìn)行預(yù)處理，不論采用電化學(xué)沉積還是等離子處理，目的都是在InSb襯底表面預(yù)先生長(zhǎng)一層薄的過(guò)渡層。此過(guò)渡層作為緩沖層，應(yīng)當(dāng)是薄的氧化層或介質(zhì)層。表面預(yù)處理后再淀積起掩蔽和阻擋效果的較厚鈍化層［6－8］。

2 原理

生長(zhǎng)過(guò)渡層的方法有很多種，以前的研究主要集中在InSb陽(yáng)極氧化膜上。而本文通過(guò)介紹在晶片鈍化前對(duì)晶片進(jìn)行等離子預(yù)處理的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比等離子預(yù)處理和陽(yáng)極氧化的處理效果。由于PECVD沉積SiO2膜時(shí)，需要向腔室內(nèi)通入N2O和SiH4，為了方便并且不再引入額外的反應(yīng)氣體，我們選用N2O或SiH4的等離子體對(duì)InSb襯底表面進(jìn)行等離子預(yù)處理［2，9］。

介紹一下等離子體預(yù)處理的相關(guān)原理。在輝光放電的等離子體中，反應(yīng)物的激勵(lì)方式主要是電子碰撞。電子碰撞的電離過(guò)程可以表示為:

式(2)～(5)中電離過(guò)程產(chǎn)生的離子團(tuán)或離子都會(huì)與InSb襯底材料發(fā)生反應(yīng)，生成新的物質(zhì)。其中最先到達(dá)襯底表面的離子團(tuán)會(huì)優(yōu)先和襯底材料反應(yīng)，并改變界面或表面特性。從上述電離過(guò)程可以看出，SiH4電離產(chǎn)物種類比N2O多，因此SiH4與InSb襯底材料的反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)較復(fù)雜。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用＜111＞晶向的n型InSb晶片，In面拋光。實(shí)驗(yàn)選用了4片InSb襯底片作為樣品，編號(hào)依次為1、2、3、4。在4個(gè)樣品上制作MIS(金屬－絕緣－半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)試InSb MIS結(jié)構(gòu)的C－V特性來(lái)評(píng)價(jià)InSb鈍化體系的電學(xué)性能。C－V測(cè)試設(shè)備采用MDC公司的4192A。

首先對(duì)InSb襯底表面進(jìn)行清洗處理:首先用有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，再用減薄液腐蝕掉表面損傷層，最

式(1)中A代表氣態(tài)原子或氣態(tài)分子，e為入射粒子的自由電子，經(jīng)碰撞傳遞能量后速度降低。

SiH4在輝光放電的條件下電離的過(guò)程可以表示為:

N2O在輝光放電的條件下電離的過(guò)程可以表示為:后用HF水溶液清洗表面，用去離子水沖洗干凈，最終得到4片表面狀態(tài)基本一致的實(shí)驗(yàn)片。

其中，樣品1不再做任何處理，保持清洗完后的狀態(tài)。

對(duì)樣品2進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，電流密度1 mA/cm2。

對(duì)樣品3進(jìn)行SiH4等離子處理。即在低溫等離子沉積設(shè)備中，只通SiH4，打開(kāi)射頻，使SiH4解離，與樣品3的 InSb晶片反應(yīng)。

對(duì)樣品4進(jìn)行N2O等離子處理，即在低溫等離子沉積設(shè)備中，只通N2O，打開(kāi)射頻，使N2O解離，與樣品4的InSb晶片反應(yīng)。

對(duì)樣品3和樣品4等離子預(yù)處理的工藝條件如表1所示。

表1 等離子預(yù)處理的工藝條件

然后4個(gè)樣品再同時(shí)用低溫等離子設(shè)備沉積SiO2鈍化膜。最后在SiO2膜上蒸上金點(diǎn)，制得MIS結(jié)構(gòu)。PECVD淀積 SiO2膜的工藝條件如表2所示。

表2 PECVD淀積SiO2的工藝條件

4 結(jié)果與分析

MIS結(jié)構(gòu)的C－V測(cè)試是研究表面和界面性能有效的方法之一，可以分析由鈍化層中的可動(dòng)離子、鈍化層中靠近半導(dǎo)體一側(cè)的固定電荷、界面態(tài)等引起的不穩(wěn)定性。對(duì)于n型半導(dǎo)體而言，在絕緣層存在正電荷將會(huì)在半導(dǎo)體表面感生負(fù)電荷。此時(shí)加上合適的負(fù)偏壓，就會(huì)消除絕緣層的這種影響，半導(dǎo)體的能帶變?yōu)槠街睜顟B(tài)。當(dāng)再給n型半導(dǎo)體變?yōu)榧诱蚱珘?，即半?dǎo)體從反型到積累，界面的表面態(tài)被電子填充，由帶正電變?yōu)殡娭行?，此時(shí)半導(dǎo)體能帶恢復(fù)平直狀態(tài)所需的負(fù)偏壓比反型時(shí)要小。此時(shí)再由加正電壓逐漸變?yōu)榧迂?fù)電壓時(shí)，C－V曲線就發(fā)生滯回現(xiàn)象。鈍化層中存在陷阱態(tài)的分布，滯回效應(yīng)是不可避免的。

從圖1中(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，C －V測(cè)量時(shí)所加的掃描電壓均從負(fù)到正，再由正到負(fù)，掃描幅度－35 V到+35 V，其C－V曲線均不重合，均有ΔVFB的滯后。由于加了負(fù)偏壓，半導(dǎo)體能帶成平直狀態(tài)，說(shuō)明4個(gè)樣品的鈍化層中均存在正電荷，界面陷阱均為受主型。

當(dāng)正極(柵極)加負(fù)偏壓時(shí)，InSb表面出現(xiàn)耗盡，電容就會(huì)下降，，如果進(jìn)一步提高負(fù)偏壓就會(huì)引起強(qiáng)反型，造成最小電容值的出現(xiàn)，這時(shí)耗盡層寬度不再變化，最小電容在偏壓恒定時(shí)保持一定。

圖1 4個(gè)樣品的高頻C－V特性曲線

對(duì)于樣品1，從圖1(a)中可以看出，平帶電壓V=－19 V，滯回寬度ΔVFB=6 V，平帶電壓較大，這表明沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的InSb表面懸掛鍵較多，表面固定電荷多。此外，樣品1的C－V測(cè)試曲線中，滯回寬度明顯，主要是因?yàn)楫?dāng)二氧化硅直接淀積在InSb表面上時(shí)，InSb中的載流子就會(huì)直接被SiO2中的陷阱俘獲。

對(duì)于樣品2，從圖1(b)中可以看出，平帶電壓V=－14 V，滯回寬度ΔVFB=8 V，這表明陽(yáng)極氧化在降低固定電荷方面效果明顯。但是滯回寬度比樣品1的略大，不能很好地控制界面陷阱。此外，高頻特性曲線在達(dá)水平時(shí)，即出現(xiàn)最小電容值后，又出現(xiàn)了C－V曲線向上翹曲。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明此時(shí)的高頻曲線在強(qiáng)反型區(qū)逐漸變差，表明InSb表面出現(xiàn)少子注入現(xiàn)象，使得InSb表面空間電容又有升高的趨勢(shì)。這主要是由于陽(yáng)極氧化的氧化產(chǎn)物成分很復(fù)雜，界面可能出現(xiàn)了某些電荷效應(yīng)，導(dǎo)致陽(yáng)極氧化的氧化膜中存在一定數(shù)量Sb+離子造成的。由于Sb+有較大的原子半徑，移動(dòng)速度慢，當(dāng)陷阱中俘獲的載流子充放電已經(jīng)可以跟上偏壓的變化時(shí)，以Sb+為中心的陷阱才剛剛開(kāi)始對(duì)載流子進(jìn)行俘獲和發(fā)射［10－12］。

對(duì)于樣品3，從圖1(c)中可以看出，平帶電壓V=－30 V，滯回寬度ΔVFB=2 V，雖然滯回寬度小，但是平帶電壓太大。用SiH4的等離子體預(yù)處理InSb表面，可以顯著地控制界面陷阱，卻在鈍化層中引入了更多的固定電荷。這主要是由于該工藝條件下，引入了電激活狀態(tài)的H。當(dāng)H到達(dá)InSb表面時(shí)，會(huì)與表面懸掛鍵結(jié)合。當(dāng)?shù)蜏氐矸eSiO2時(shí)，電激活的H又與SiO2發(fā)生反應(yīng)，在InSb表面形成了一層富Si薄介質(zhì)膜。富Si層明顯阻礙了SiO2層中Si－OH和Si－H形成的陷阱中心對(duì)InSb表面載流子的俘獲，但是SiH4的含硅的等離子體與InSb襯底易形成富Si層卻使后續(xù)淀積的SiO2膜中的固定電荷不可控。

對(duì)于樣品4，從圖1(d)中可以看出，平帶電壓V=－11 V，滯回寬度ΔVFB=4 V，平帶電壓和滯回寬度都變小，說(shuō)明N2O的等離子預(yù)處理對(duì)抑制界面陷阱和固定電荷效果都很顯著。這主要是由于N2O的等離子預(yù)處理InSb表面時(shí)，在InSb表面形成的富O或是富N的薄氧化層，使得氧化層中的正電荷減少了，并且N元素還填充了氧化層中的陷阱態(tài)，使得載流子的俘獲變少。

通過(guò)對(duì)上述不同表面預(yù)處理得到的鈍化膜體系界面電學(xué)特性的分析，可以發(fā)現(xiàn)，用N2O的等離子體預(yù)處理InSb表面得到的鈍化體系有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

表面預(yù)處理對(duì)InSb鈍化層體系的電學(xué)性能有明顯的影響。不同的表面預(yù)處理方法作用效果不一樣。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)InSb晶片陽(yáng)極氧化表面預(yù)處理，可以明顯降低氧化層固定電荷，但是對(duì)于界面陷阱抑制作用不明顯，反而增大了界面陷阱。SiH4等離子預(yù)處理明顯降低了界面陷阱，但氧化層固定電荷明顯增加。N2O等離子預(yù)處理在控制界面陷阱和氧化層固定電荷兩方面效果明顯，對(duì)InSb鈍化層體系的電學(xué)性能改善最明顯。

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