Способ получения эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, включающий наращивание на полуизолирующих арсенидогаллиевых подложках методом пиролиза металлоорганических соединений элементов III группы в среде водорода при пониженном давлении в присутствии избытка гидридных или металлоорганических соединений мышьяка буферного слоя полуизолирующего арсенида галлия и последующее наращивание легированных низкоомных слоев, отличающийся тем, что, с целью повышения качества структур за счет улучшения изолирующих свойств буферного слоя и повышения воспроизводимости его параметров, наращивание буферного слоя проводят при давлении 12 30 Торр в среде водородной плазмы высококачественного тлеющего разряда при температуре подложек 530 690^oС.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при получении методом пиролитического синтеза эпитаксиальных структур для изготовления интегральных схем и приборов СВЧ-электроники.
Разработка большей части интегральных схем (ИС) и приборов СВЧ-электроники, например полевых транзисторов на основе многослойных эпитаксиальных структур арсенида галлия, требует использования подложек с хорошими изолирующими свойствами. Чаще всего для этих целей используют полуизолирующие подложки арсенида галлия, изготовленные из монокристаллов, выращенных по Чохральскому из-под слоя защитного флюса. Получение совершенных по структуре и однородных по распределению электрофизических параметров легированных эпитаксиальных слоев, служащих для изготовления активных элементов ИС и СВЧ-приборов, требует предварительного наращивания на монокристаллической подложке буферного слоя. Как правило, этот буферный слой получают в едином цикле эпитаксального наращивания всех слоев структуры. Изолирующие свойства буферного слоя не должны уступать характеристикам монокристаллической подложки и оказывают очень большое влияние на работоспособность и параметры изготавливаемых приборов. Полуизолирующие эпитаксиальные слои арсенида галлия, изготавливаемые методом пиролиза металлоорганических соединений (МОС) галлия в присутствии гидридных или МОС-соединений мышьяка, могут быть получены как с применением легирования примесями с глубокими уровнями для компенсации фона остаточных примесей, так и без применения специального легирования. Методика получения полуизолирующего буферного слоя без применения специального легирования более предпочтительна в связи со следующим. Легирование арсенида галлия примесями с глубокими уровнями (кислород, хром, железо, никель, молибден и другие переходные металлы) приводит к искажению параметра решетки матрицы кристалла. Возможность компенсации остаточного фона мелких примесей ограничена низкой растворимостью примесей с глубокими уровнями. Компенсированные этими примесями слои часто обладают фоточувствительностью, причем генерация носителей глубокими уровнями может наблюдаться при их возбуждении высокими электрическими полями в ряде СВЧ-приборов.
Известен способ получения эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия методом пиролиза триметилгаллия в присутствии арсина, включающий наращивание легированных эпитаксиальных слоев на полуизолирующей арсенидгаллиевой подложке.
С поверхности легированных хромом подложек путем газового травления удаляли поверхностный слой толщиной около 5 мкм, а затем при 730^оС наращивали легированной серой эпитаксиальный слой со скоростью около 650 650 /мин/мин. Переход от подложки к эпитаксиальному слою превышал 0,2 мкм. Изготовленные на основе этих структур малошумящие полевые транзисторы имели средние характеристики даже на частоте 8 ГГц. Результат закономерен, поскольку в изготовленных структурах отсутствовал буферный слой, роль которого в структурах для полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) заключается в физико-химическом экранировании активного слоя (канала) от подложки. Хотя в известном способе и удалили травлением поверхностный слой подложки, серьезный "резервуар" загрязнений, тем не менее сохранилась возможность наследования эпитаксиальным слоем структурных дефектов и диффузии хрома в активный слой. Выращивание эпитаксиально чистого буферного слоя резко уменьшает неконтролируемое загрязнение активного слоя и подвижность носителей заряда в нем увеличивается. Для малошумящих ПТШ особенно важен рост подвижности носителей в области активного слоя, граничащей с буферным слоем, поскольку эти приборы работают при неперекрытой части канала протяженностью около 100 100 . Ток идет фактически в переходном слое между каналом и буферным слоем. Для уменьшения эффекта управления через подложку и снижения проводимости стока необходимо иметь сильнокомпенсированный буферный слой. Но легировать его примесями с глубокими уровнями нельзя, так как диффузия этих примесей в канал приводит к снижению дрейфовой скорости электронов в канале и, как следствие, к уменьшению крутизны. Поэтому буферный слой должен обладать противоречивыми свойствами иметь хорошие изолирующие характеристики и в то же время не служить источником рассеивающих центров для переходной области активного слоя.
Известен способ полученияэпитаксиальных структур га основе арсенида галлия методом пиролиза металлоорганических соединений галлия в присутствии арсина при пониженном давлении, включающий наращивание на полуизолирующих арсенидогаллиевых подложках, помещенных непосредственно в зоне ВЧ-разряда, нелегированного слоя и последующее наращивание легированных донорными примесями слоев при пониженной за счет плазменной активации температуре наращивания.
Полученные в этом способе нелегированные эпитаксиальные слои характеризовались низким качеством и высокой концентрацией носителей (3 10¹⁷ см^-3) с относительно низкой подвижностью (34200 см²/в с). Такие слои не обладают изолирующими свойствами и не могут быть использованы в качестве буферных при изготовлении СВЧ-приборов, в частности ПТШ на изолирующих подложках.
Наиболее близким техническим решением является способ получения эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия методом пиролиза металлоорганических соединений (МОС) элементов III группы в среде водорода при пониженном давлении в присутствии избытка гидридных или МОС-соединений мышьяка, включающий наращивание на полуизолирующих арсенидогаллиевых подложках буферного слоя полуизолирующего арсенида галлия и последующее наращивание легированных низкоомных слоев.
Эпитаксиальное наращивание проведено при давлении 75 Торр и температуре 600^оС. Недостатком известного способа является низкая воспроизводимость параметров буферных слоев. Их изолирующие свойства во многом определяются свойствами материала подложки, типом ее легирования, видом обработки. Наличие даже незначительного донорного фона в реакторе наращивания приводит к появлению заменой проводимости в нелегированных слоях из-за их малой степени компенсации. Изолирующие свойства нелегированных буферных слоев, полученных в известном способе, значительно уступают характеристикам компенсированных примесями с глубокими уровнями буферных слоев. Об этом можно судить даже по более низкой величине пробивного напряжения. Распространенным дефектом в структурах, полученных по известному способу, является проводящая прослойка в области металлургической границы раздела подложка буферный слой. Появление такой проводящей прослойки связывают обычной с наличием загрязнений на поверхности подложек либо с раскомпенсацией поверхности полуизолирующей подложки в процессе отжига и начальной стадии роста за счет диффузионной разгонки компенсирующих примесей.
Целью изобретения является повышение качества структур за счет улучшения изолирующих свойств буферного слоя и повышения воспроизводимости его параметров.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия методом пиролиза металлоорганических соединений (МОС) элементов III группы в среде водорода при пониженном давлении в присутствии избытка гидридных или МОС-соединений мышьяка, включающем наращивание на полуизолирующих арсенидогаллиевых подложках буферного слоя полуизолирующего арсенида галлия и последующее наращивание легированных низкоомных слоев, наращивание буферного слоя проводят при давлении 12-30 Торр в среде водородной плазмы высокочастотного тлеющего разряда при температуре подложек 530-690^оС.
Способ реализован с использованием промышленной установки "Экран" УЭ.ППУ 226-01. Реактор установки выполнен в виде вертикальной кварцевой трубы диаметром 190 мм, снабженной верхним и нижним фланцами из нержавеющей стали, позволяющими осуществлять герметизацию кварцевой трубы резиновыми прокладками обжимом трубы снаружи по ее окружности.
Газораспределительная система (ГРС) установки "Экран" имеет 7 независимых газовых линий:3 линии для подачи газовых смесей из баллонного шкафа, 3 линии подачи МОС из термостатируемых питателей (барботажного и испарительного типа) и 1 линию для подачи разбавляющего потока водорода. Вся ГРС во время процесса наращивания находится при пониженном давлении, поэтому для поддержания избыточного давления в испарителях использованы специальные подпорные дроссели на линиях подачи МОС. Газовую смесь подают в реакционный поток через центральный ввод в верхней части реактора. Подложкодержателем служит графитовая усеченная пирамида. Пирамида закреплена на вращающейся подставке с вводом вращения через скользящее уплотнение в нижнем фланце реактора. Газовый поток подают к поверхности пирамиды через локальный ввод в виде трубки из нержавеющей стали или из кварца, расположенный выше верхнего торца пирамиды. Выход из реактора расположен в нижнем фланце, поэтому основное направление движения потока газа сверху вниз вдоль образующей пирамиды. Отвод газа из реактора осуществляется откачкой форвакуумным насосом производительностью 8 л/с. Для исключения загрязнения насоса продуктами реакций и создания препятствия для диффузии масла из насоса в реакционный объем используется система ловушек между реактором и насосом. Две ловушки азотоохлаждаемые и одна сорбционная.
Водородную плазму тлеющего разряда в зоне расположения подложек создают с помощью ВЧ-индуктора, расположенного снаружи кварцевой трубы реактора. Выходная мощность генератора, потребляемая индуктором, составляет 8-10 кВт. Удельная мощность высокочастотного излучения, падающего на пирамиду-подложкодержатель и генерирующего тлеющей разряд в водороде (в области расположения подложек), оценивается в 1-3 Вт/см². Точных методов расчета удельной мощности в такой системе нет, поэтому целесообразно привести и геометрические характеристики используемой авторами установки. Высота пирамиды-подложкодержателя 220 мм, максимальный размер (диаметр) верхнего торца пирамиды 120 мм, нижнего торца 150 мм. Боковая поверхность пирамиды, как сумма площадей ее 8 граней, составляет 924 см². Наружный диаметр кварцевой трубы реактора 190 мм. Высота катушки индуктора-излучателя 150 мм, средний диаметр 220 мм. Диаметр медной трубки, из которой навит индуктор 12 мм. Число витков катушки индуктора 11.
Генератор имеет номинальную частоту 440 10% кГц (радиодиапазон). При случайных изменениях частоты при неполадках в работе генератора до ее подстройки на номинальную частоту 440 10% кГц установлено, что в диапазоне частот 380-470 кГц водородная плазма тлеющего разряда обеспечивает надежное достижение поставленной цели во всем диапазоне условий, описанных в формуле изобретения.
В качестве газа-носителя используют водород, очищенный диффузией через палладиевый фильтр с точкой росы около (-70)^оС. Источником мышьяка служила 10%-ная смесь арсина с водородом. Источниками МОС элемента III группы служили триметилгаллий (ТМГ) или его эфират (ЭТМГ), триметилалюминий (ТМА), триметилтриэтилиндий (ТМИ и ТЭИ) или их смесь. Получение эпитаксиальных структур различного назначения осуществлено на подложках различных марок. Использовали полуизолирующие подложки арсенида галлия, компенсированные хромом и кислородом, легированные хромом и индием, только индием и нелегированные намеренно, марок АГЧП-1,2,3,4,6,7 производства ОХМС Гиредмета и аналогичные марки других производителей.
Берут подложки GaAs толщиной 400 мкм и диаметром 40 мм, ориентированные по плоскости (100) с отклонением 3^о к (110), марки АГПЧ-6. Помещают их на графитовую пирамиду в два яруса. Реактор герметизируют и продувают потоком азота 180 л/ч в течение 5. Включают поток азота. Закрывают систему байпасной продувки реактора. Включают откачную систему и откачивают реактор до давления 10^-2 Торр. Подают в реактор поток водорода 60 л/ч. Продувают в течение 5. Включают систему автоматической регулировки давления в реакторе и задают давление 40 2 Торр. Включают высокочастотный нагрев реактора. По достижении в реакторе температуры 773 3 К подают поток 20 л/ч газовой смеси AsH₃ 10% Н₂ 90% По достижении в реакторе температуры 863 3 К системой автоматического регулирования давления задают давление 20 1 Торр. В реакторе загорается ВЧ-плазменный разряд. Через питатель с ЭТМТ, термостатированный при 278 0,5 К, продувают поток водорода 9 л/ч на сброс в течение 3. Переключают поток газовой смеси ЭТМГ + Н₂ со сброса в реактор. Через 10 переключают поток газовой смеси ЭТМГ + Н₂ из реактора на сброс. Системой автоматического регулирования давления задают давление 60 3 Торр. Включают на сброс поток легирующей смеси 0,004 об. SiH₄ в аргоне 2 л/ч. Через 1 мин переключают поток ЭТМГ + Н₂ и поток легирующей смеси в реактор. Через 6 мин заканчивают выращивание n-слоя. Переключают поток газовой смеси ЭТМГ + Н₂ на сброс и выключают поток легирующей смеси. Выключают ВЧ-нагрев. Через 3' выключают поток Н₂ через питатель ЭТМГ. По достижении в реакторе температуры 773 3 К выключают поток арсина. По достижении в реакторе температуры 573 3 К отключают систему автоматического регулирования давления. Отключают поток Н₂ через реактор. Реактор откачивают до давления 10^-2 Торр. Отключают систему откачки реактора. Включают подачу в реактор потока азота 180 л/ч накачивают реактор до давления 1 атм. Включают систему байпасной продувки реактора. По достижении в реакторе температуры 330 3 К реактор разгерметизируют. Эпитаксиальные структуры извлекают из реактора. Полученные sn^-n структуры, где s полуизолирующая подложка, n^- полуизолирующий буферный эпитаксиальный слой, n активный слой, исследуют на предмет выявления качества буферного слоя и структуры в целом. C-V характеристику исследуют с помощью профилометра с ртутным зондом. Зафиксирован резкий концентрационный переход в области n^-n-перехода. Протяженность его менее 20 нм. Концентрация носителей в n^- слое менее 1 10¹⁴ см^-3. С части изготовленных структур (6 шт) удаляют n-слой и измеряют пробивное напряжение V проб полуизолирующего буферного слоя с помощью характериографа TR-4807-1 (произв. Венгрия). Для указанных шести структур получены величины V_проб 370.330.345.315.390 и 375 В.
Исследовано распределение примесей по толщине sn^- n-структур с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии. Содержание хрома в n^- -слое составляет менее 1 10¹⁵ см^-3. На границе раздела n^-n нет обогащения по хрому, как это присуще структурам, полученным при легировании буферного слоя хромом из карбонила хрома в процессе наращивания. В прилегающей к буферному n^- -слою области n-слоя содержание хрома менее 1 10¹⁵ см^-3. Таким образом, полученный буферный слой обладает хорошими изолирующими свойствами, близкими к свойствам AlGaAs-буфера (V_проб 400 В). Буферный n^- слой не служит источником примесей с глубокими уровнями, дающих центры рассеяния при диффузии их в активный n-слой. Исходя из C-V характеристики sn^-n-структур, ни в одной из структур нет проводящей прослойки в области границы раздела. На основе полученных sn^-n-структур изготовлены полевые транзисторы с барьером Шоттки, вольт-амперные характеристики которых имеют большую крутизну, чем у приборов, изготовленных на стандартных структурах.
Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при получении методом пиролитического синтеза эпитаксиальных структур для изготовления интегральных схем и приборов СВЧ - электроники. На полуизолирующих подложках наращивают буферный полуизолирующий слой арсенида галлия, а затем наращивают легированные низкоомные слои. Наращивание проводят в среде водорода в присутствии арсина или металлоорганических соединений мышьяка. Процесс наращивания высококачественного буферного слоя осуществляется при давлении 12 - 30 Торр в среде водородной плазмы высокочастотного тлеющего разряда. Температура подложек в процессе изготовления структур 530 - 690°С. Найденные экспериментальным путем условия наращивания полуизолирующего слоя арсенида галлия обеспечивают высокие изолирующие свойства этого слоя и полностью исключают возможность образования проводящей прослойки в области границы буферный слой - подложка.