Термическое оксидирование арсенида галлия и фосфида индия в присутствии оксидов - примесей Свиридова, Вера Васильевна

Введение к работе

Полупроводниковые соединения AⁿⁱB^v и среди них, в первую очередь, ароенид галлия представляют исключительный интерес не только как перспективные материалы микроэлектроники, но и как важный класс объектов собственно химии полупроводников, на примере которых возможно дальнейшее развитие представлений химии твердого тела, термодинамики и кинетики сложных гетерогенных процессов. Одним из таких модельных процессов является термическое окисление поверхности полупроводников газообразным кислородом с образованием тонкого оксидного слоя с диэлектрическими и пассивирующими свойствами. Применительно к соединениям A^mB^v процесс термического окисления существенно осложняется наличием двух компонентов в окисляемом объекте, один из которых является летучим. В результате образуются оксидные слои сложного состава, неудовлетворительные по качеству, и к тому же поверхность полупроводника обедняется летучим компонентом, что приводит к катастрофическому ухудшению ее состояния.и свойств границы раздела с оксидным слоем.

Одним из путей, позволяющих управляемым и воспроизводимым способом влиять на процесс термического окисления полупроводников, является введение в систему обоснованно подобранных примесных соединений - активаторов, которые, радикально изменяя кинетику и механизм процесса, способны привести к ускореккому росту оксидных слоев с улучшенными свойствами, что особенно актуально для соединений А^ПІВ^ в силу отмеченных неудовлетворительных диэлектрических характеристик собственных оксидных слоев на этих материалах. Применительно к этим материалам оказалось возможным существенно расширить круг активаторов за счет соединений d-элемектов, использование которых в случае кремния нецелесообразно вследствие образования прочных металлоподобных силицидкых фаз на поверхности.

Актуальность темы. Изучение кинетики и механизма термического окисления GaAs и 1пР под воздействием примесных соединений-активаторов позволяет развить представления кинетики гетерогенных процессов типа "твердое - газ" и "твердое - твердое", выяснить роль "катиона" и "аниона" примеси в формировании оксидных диэлектрических слоев на поверхности полупроводника и открывает пути целенаправленного синтеза сложных многокомпонентных тонкопленочных слоев с широкой вариацией состава, структуры, а следовательно, и свойств. Введение примесных соединений на поверхность полупроводника и в газовую окисляющую среду способно обеспечить быстрый темп роста оксидных диэлектрических пленок при снижении параметров процесса, кинетически затормозить термическую деструкцию поверхности

подложи, усилить хзмическое связывание компонентов в пленках '-'лучлить состояние л свойства границы раздела подупровздник/диз

ванне оксзіднік диэлектрических илисо па ^о-:::^ ;~^s.;:~ " *~-~*v.r. индия; установление кинетики и механизма термооксіїднроЕакия эти полупроводников под воздействием оксидов.

GaAs и InP при введении активаторов в газовую фазу и »_а iiw^^p;; кость подложки. Обнаружен каталитически": механизм ускорения пр какесекип V2O5 на поверхность окисляемых материалов, в то врем как введение этого же оксида в газовую фазу инициирует окислени по транзитному механизму¹⁵. Выявлена роль элементов - кзтионообра эователей примесных соединении в процессе ускоренного термнческог окисления арсекида галлия и цлзс^пдз индия, их влияние на кинетик и механизм процессов.

Теоретическая и практическая ценность. Разработаны новые пр цессы синтеза оксидных диэлектрических слоев на GaAs и InP по воздействием оксидов р- и d-злемектоБ IV, V групп, ПОЗВОЛЯВДН снизить темперзтуру термического окисления и существенно увеличит скорость роста пленок по сравнению с эталонными "беспримесными процессами. Установлена зависимость механизма термооксидировани GaAs и InP в присутствии оксидов не только от условий процесса физико-химической природы примеси, но и от способа ее введения систему (неограниченный или ограниченный источник). Показано, чт введение примесных оксидов в газовую фазу (неограниченный источ кик) обеспечивает ускорение процессов по единому транзитному меха

_„„_л^_{пяС1лтат},_п Т7Г1011ЄСС

; -і- ---—- —"!^w счкяртся ооразованме uq_Kuj ~- _ :_

- 1987. Т. 295, N1. - С. 112 - її5.

рйРННЙ ОКИСЛИТеЛЬ ООеь'иечтюсі uwww . ...

знешнєй границе оксидного слоя. В случае InP определяющим процессом является образование фосфата индия за счет вторичных взаимодействий в оксидной пленке, которое лимитируется взаимной диффузией оксидов в твердой фазе. Катионообразователь примеси обеспечивает ускоренное образование оксидов индия и фосфора по транзитному механизму, влияя тем самым на скорость определяющего процесса.

Предварительное нанесение V2O5 на поверхность GaAs и InP (ограниченный источник) обеспечивает каталитический механизм ускоренного окисления, что можно рассматривать как своеобразный "обращений" вариант гетерогенного катализа, когда не реагенты адсорбиру-зтся на поверхности катализатора, а наоборот, катализатор наносится на реакционную поверхность.

Введение примесных оксидов в систему не только способствует ускорению формирования диэлектрических оксидных слоев на. поверхности GaAs и InP, но и улучшает их свойства по сравнению с "чистым" окислением. Добавление з газовую фазу при окислении GaAs оксидов свинца, сурьмы позволяет увеличить электрическую прочность іленок примерно на порядок по сравнению с эталонным процессом. Для InP удалось сформировать слои с удовлетворительными диэлектрическими свойствами (En».=(2-3)-10⁶ В/см), тогда как термическое окисление InP в аналогичных условиях в отсутствие примесей приводит к збразованию проводящих пленок.

Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ. Основные материалы доложены и обсуждены за XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (г. Тбилиси, 1987 г.); 4 Всесоюзной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников" (г. Москва, 1989 т.), Л Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (г. ївано-Фракковск, 1990 г.), XI Совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле (г. Минск, 1992 г.) и научных пессиях Воронежского госуниверситета (1987-1990 гг.).

Положения, выносимые на защиту-.

1. Новые процессы ускоренного формирования термических оксид-яых слоев на GaAs и InP окислением с участием оксидов р- и d-эле-тіентов IV и V групп (GeOg, SnO, PbO, SD2O3, ВІ2О3, V2O5) в газовой аае и структур GaAs(InP)/Э_Х0_У.

2. Кинетика и механизм процессов окисления GaAs и InP под воздействием оксидов-активаторов в газовой фазе (неограниченный источник примеси) и на поверхности (ограниченный источник). Концепция транзитного механизма ускорения формирования слоев на этих

полупроводниках. Состав и свойства полученных многоксмпонєнтні слоев и их зависимость от способа веєдєкня примеси в систему.

Структура и объем работы. Диссертация изложена ка 2'JD страні цах мзлпшоппсного текста, включая 31 таблицу, 70 рисунков и Брилс

нию собственных оксидных слоев ка полупроводниковых соедтеши 8аАз и InP и воздействию примесей на кинетику и механизм процессе окисления арсенида галлия и фосфида индия, исследованию состава свойств "беспримесных" и легированных оксидных слоев. В четыр* последующих главах приведены результаты собственных исследовакі по термооксидирозанию арсенида галлия и фосфида индия в присутс твии оксидов-примесей. В последней шестой главе дается обсудздені и обобщение результатов и приводятся соответствующие выводы.