Маска для ионного легирования арсенида галлия

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАСКА ДЛЯ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(72) Авторы Телеш Евгений Владимирович Достанко Анатолий Павлович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники(57) Маска для ионного легирования арсенида галлия, включающая защитный, электропроводящий и задающий конфигурацию легированных областей слои, отличающаяся тем, что защитный и электропроводящий слои выполнены в виде одного слоя из трехокиси индия толщиной 0,05-0,1 мкм. 5321 1 Маска для ионного легирования арсенида галлия, включающая защитный диэлектрический слой и слой, задающий конфигурацию легированных областей, позволяет проводить ионную имплантацию в горячую подложку 1. Недостатком такой маски является искривление траекторий внедряемых ионов за счет накопления в диэлектрическом слое положительного электрического заряда. Это приводит к размытию границ легированных областей. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является маска для ионного легирования арсенида галлия, включающая защитный электропроводящий и задающий конфигурацию легирующих областей слои 2. Защитный слой выполнен из диэлектрической пленки, на поверхности которой расположен электропроводящий слой из тонкой металлической пленки. Наличие последней позволяет осуществить снятие электрического заряда с защитной диэлектрической пленки путем заземления электропроводящего слоя в процессе ионной имплантации. Конфигурация легированных областей задается слоем диэлектрика или фоторезиста с вскрытыми в слоях окнами. Недостатками данной маски являются сложность конструкции из-за наличия трех слоев, а также низкая надежность изза существенного различия температурных коэффициентов линейного расширения диэлектрика и металла, полупроводника и диэлектрика, что может вызвать растрескивание слоев маски в процессе нагрева при ионном легировании. В основу изобретения положена задача создания маски для ионного легирования арсенида галлия, которая имела бы более простую конструкцию и обладала бы повышенной надежностью. Поставленная задача решена за счет использования в конструкции маски пленки из трехокиси индия. Существо изобретения заключается в том, что в известной конструкции маски для ионного легирования арсенида галлия, включающей защитный, электропроводящий и задающий конфигурацию легированных областей слои, защитный и электропроводящий слои выполнены в виде одного слоя из трехокиси индия толщиной 0,05-0,1 мкм. Использование трехокиси индия (2 О 3) в качестве материала слоя обусловлено следующим. Трехокись индия обладает низким удельным сопротивлением порядка 10-3-10-4 Омсм. Следовательно, в слое из данного материала будет отсутствовать электрический заряд при проведении ионного легирования, если к слою присоединить заземление. Поэтому нет необходимости применять дополнительный металлический электропроводящий слой. Так как 2 О 3 обладает в широком диапазоне температур температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) 7,210-6 град-1, который является близким к ТКЛР арсенида галлия (6,010-6 град-1), то это предотвратит растрескивание и отслаивание слоя в процессе нагрева при ионной имплантации, что повышает надежность маски. Трехокись индия обладает также высокой механической прочностью и твердостью(твердость по минералогической шкале составляет 7,0 условных единиц), пленки из этого материала обладают хорошей адгезией к арсениду галлия. Следовательно, слой из 2 О 3,будет обладать устойчивостью против механических воздействий (истирание, царапание и т.п.) и, как следствие, повышенной надежностью. Преимуществом трехокиси индия перед другими электропроводящими окислами является относительно низкая стоимость по сравнению с 2, , 2, 2, 23, высокая температура плавления (2000 С) по сравнению с С 2 (Тпл 427 С), близость температурного коэффициента линейного расширения к ТКЛР арсенида галлия по сравнению с 34 (ТКЛР е 3 О 4(9,3-18,8)10-6 град-1. Некоторые проводящие окислы, например 2, 2, , , содержат металлы, которые в процессе нагрева могут неконтролируемо легировать приповерхностную область арсенида галлия. Индий является изовалентной примесью, поэтому изменения в уровне легирования приповерхностной области арсенида галлия будут отсутствовать. Известно техническое решение 3, в котором пленка 2 О 3 О 2 используется в качестве контакта с барьером Шоттки. В этом случае она не выполняет роль защитного слоя, т.е. через нее не проводится имплантация ионов. Известно также применение пленок трехокиси индия в качестве защитных и электропроводящих слоев в конструкции невы 2 5321 1 прямляющего контакта для арсенида галлия 4. В этом случае пленка 2 О 3 расположена сверху слоев сплава золото-германий и золота. Здесь также не проводится имплантация ионов через пленку трехокиси индия, кроме того, защитный слой из 2 О 3 не расположен на поверхности полупроводника. Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что заявляемая конструкция маски для ионного легирования арсенида галлия отличается тем, что защитный слой выполнен из материала, который обеспечивает как защитные, так и электропроводящие параметры. Это позволяет упростить конструкцию маски за счет исключения электропроводящего металлического слоя и повысить ее надежность, т.е. достичь поставленной цели. Выбор толщины слоя 2 О 3 в пределах 0,05-0,1 мкм объясняется следующим. При толщине меньше 0,05 мкм ухудшаются защитные свойства слоя, что может привести к испарению мышьяка из объема арсенида галлия. При толщине слоя более 0,1 мкм необходимы слишком большие энергии легирующих ионов, чтобы пройти защитный слой и внедриться в полупроводник. Слой, задающий конфигурацию легированных областей, может выполняться из фоторезиста, диэлектрика и металла. Толщина его определяется энергией ионов, родом ионов,а также видом материала из которого выполнен данный слой. Изложенная сущность изобретения поясняется фигурами. На фиг. 1 изображена конструкция маски, на фиг. 2 показан внешний вид поверхности маски, взятой за прототип,после проведения испытаний на термоустойчивость, на фиг. 3 показан внешний вид поверхности предлагаемой маски после проведения испытаний на термоустойчивость. Маска состоит из слоя трехокиси индия 2, выполняющего роль как защитного, так и электропроводящего слоя, и из слоя 3, задающего конфигурацию легированных областей, который может быть изготовлен из фоторезиста, металла, диэлектрика и т.п Упрощение конструкции маски достигается за счет исключения дополнительного электропроводящего слоя. Повышенная надежность маски обеспечивается, во-первых, за счет уменьшения количества слоев в ее конструкции, а во-вторых, благодаря высокой адгезии слоя трехокиси индия ки устойчивости 2 О 3 к механическим воздействиям. Маска для ионного легирования арсенида галлия функционирует следующим образом. Ионы легирующей примеси бомбардируют подложку из арсенида галлия 1 с расположенной на поверхности последней маской. Ионы задерживаются в толстом слое 3, который задает конфигурацию легированных областей. В то же время ионы попадают на слой 2 из трехокиси индия, проходят сквозь него и внедряются в подложку из арсенида галлия 1. В процессе ионной имплантации к слою 2 подсоединяется заземление, что обеспечивает эффективное снятие положительного заряда и, соответственно, получение резких границ легированных областей. Кроме того, наличие защитного слоя 2 позволяет осуществлять внедрение ионов при температурах до 400-500 С, что будет способствовать формированию профиля залегания примеси, близкому к Гауссову, без диффузионных хвостов, а также высокой степени активации примеси. Предлагаемая маска для ионного легирования арсенида галлия была реализована следующим образом. Пример 1. Подложки из арсенида галлия АГП-2 (100), легированные хромом, обезжиривались в изопропиловом спирте, освежались в аммиачно-перекисном травителе, промывались деионизованной водой, высушивались на центрифуге. В вакуумной установке методом реактивного ионно-лучевого распыления мишени из индия на поверхность подложки из арсенида галлия нанесли защитный электропроводящий слой из пленки 2 О 3 толщиной 0,1 мкм. Удельное поверхностное сопротивление слоя составляло около 70 Ом/ .Затем провели испытания полученной структуры на надежность, которые включали исследования адгезии и термоустойчивости. Адгезию слоя окиси индия к арсениду галлия определяли методом нормального отрыва. Она составила величину порядка 18,5 МПа. Для оценки термоустойчивости была применена методика, основанная на термоциклических ис 3 5321 1 пытаниях изделий в лучевой печи, снабженной фокусирующим рефлектором и источником излучения в виде кварцевой галогенной лампы мощностью 1000 Вт. Средняя удельная мощность источника излучения составляла около 40 Вт/см 2. Термоустойчивость структуры определялась количеством циклов нагревание-охлаждение. Продолжительность одного цикла составляла 90 с, из них 30 с - нагревание и 60 с - охлаждение. Через каждые 15 мин испытаний образец помещался в поле оптического микроскопа с увеличением в 200 раз. Фиксировались изменения, видимые на поверхности защитного электропроводящего слоя трещины, отслоения, вздутия, шелушения и т.п Количество циклов,вызывающие указанные изменения, использовали как характеристику термоустойчивости. Данная структура выдержала около 1500 циклов. Затем создавался слой, задающий конфигурацию легированных областей. Он представлял собой пленку фоторезиста ФП-383 толщиной 1,2 мкм, в которой имелись окна размером 55 мм 2, через которые осуществлялось ионное внедрение ионов кремния на установке Везувий-9. Энергия ионов составляла 250 кэВ, доза - 51012 см-2, температура подложки - 100 С. В процессе имплантации слой 2 О 3 заземлялся. После проведения легирования фоторезист удаляли в кипящем диметилформамиде, а трехокись индия - в соляной кислоте. Затем на поверхности подложки формировали пленку нитрида кремния толщиной 0,3 мкм и проводили термообработку в вакууме при 820 С в течение 30 мин. После удаления пленки нитрида кремния проводили измерение электрохимических параметров легированного слоя с использованием измерителя электрофизических параметров полупроводниковых имплантированных слоев ИПП-ИС-1. Глубина залегания ионов кремния составила около 0,12 мкм, максимальная концентрация электронов 2,71017 см 3. Степень активации примеси составила около 34 ,подвижность - 3800 см 2/Всм. Пример 2. На подложки из арсенида галлия АГП-2 (100), прошедшие химическую очистку аналогично примеру 1, нанесли слой 2 О 3 толщиной 0,05 мкм путем ионно-лучевого распыления порошковой мишени из трехокиси индия. На часть подложек были последовательно нанесены ионно-лучевым распылением слои двуокиси кремния и никеля толщиной 0,05 и 0,03 мкм соответственно, т.е. сформировали защитный и электропроводящий слои в соответствии с прототипом. Удельное поверхностное сопротивление слоя трехокиси индия составило 125 Ом/ ,а никеля - 15 Ом/ .Температура подложек в процессе нанесения вышеуказанных слоев составляла 150 С. Затем полученные структуры прошли испытания на адгезию и термоустойчивость. Адгезия слоя 2 О 3 ксоставила 21 МПа, слоя 2 к- 7,5 МПа, никеля к 2 - 10,5 МПа. Термоустойчивость структуры 23/ составила 2200 циклов. Структура /2/ выдержала всего лишь 750 циклов. На фиг. 2 и 3 представлен внешний вид поверхности обеих структур после проведения испытаний на термоустойчивость. После создания на поверхности защитного и электропроводящего слоя формировался слой, задающий конфигурацию легированных областей, представляющий собой пленку из двуокиси кремния толщиной 0,5 мкм, в которой также имелись окна размером 55 мм 2. Ионную имплантацию осуществляли на установке Везувий-9 при следующих режимах энергия ионов - 120 кэВ, доза - 11013 см-2, температура подложки - 400 С. После удаления защитного и задающего конфигурацию легированных областей слоев, соответственно в соляной кислоте и р-травителе, формировали покрытие из нитрида алюминия толщиной 0,3 мкм. Постимплантационный отжиг проводился в атмосфере форминг-газа при 850 С в течение 30 мин. После стравливания пленки 1 осуществлялось измерение электрофизических параметров ионнолегированных слоев. Глубина залегания примеси составила 0,24 мкм, максимальная концентрация электронов была на глубине 0,10 мкм и составила 91017 см-3, подвижность была около 4000 см 2/Всм, степень активации примеси 50 . Пример 3. Подложки из арсенида галлия типа - с толщиной активного слоя 0,8 мкм и концентрацией 41016 см-3 прошли химобработку аналогично примеру 1. Затем путем реактивного 4 5321 1 ионно-лучевого распыления индиевой мишени нанесли пленку 2 О 3 толщиной 0,07 мкм. Температура подложки составляла 150 С, удельное поверхностное сопротивление - 85 Ом/. Слой, задающий конфигурацию легированных областей, формировали из пленки никеля толщиной 0,6 мкм. Размеры окон составляли 11 мм 2. Часть полученных структур подвергли испытаниям на термоустойчивость. Структуры выдержали 1900-2000 циклов. Затем провели имплантацию ионов углерода в подложку, находящуюся при температуре 200 С. Энергия ионов составляла 200 кэВ, доза 11013 см-2. После удаления слоев трехокиси индия и никеля поверхность арсенида галлия покрывалась слоем 3 4 толщиной 0,3 мкм. Постимплантационный отжиг проводили в атмосфере азота при температуре 900 С в течении 25 мин. После отжига пленка нитрида кремния удалялась в плазме 4. Потом осуществлялась химическая очистка, освежение поверхностив аммиачноперекисном травителе, формирование омических контактов к полученному рпереходу. В качестве контакта к р-области использовался сплав -, а к-- . Вжигание контактов осуществляли при 620 С в течение 5 мин в атмосфере азота. Измерение вольтамперных характеристик полученных диодов показало, что последние имеют малые токи утечки 15 мкА при обратном напряжении 40 В. Пробой наблюдался при обратном напряжении 45 В, причем нарастание обратного тока происходит очень быстро. Это свидетельствует о резких боковых границах перехода, т.е. при ионной имплантации через слой 2 О 3 не происходит размытия границ ионнолегированных областей. Приведенные примеры реализациии предложенной маски для ионного легирования арсенида галлия иллюстрируют высокие параметры трехокиси в качестве материала защитного и электропроводящего слоя. Использование данного изобретения позволяет упростить конструкцию маски и повысить ее надежность. Применение такой маски при легировании арсенида галлия позволяет осуществить имплантацию ионов в горячую подложку, избежать размытия границ легированных областей, осуществить управление процессом ионного легирования путем приложения электрического потенциала к защитной пленке. Источники информации 1.2330142. 2.2406302. 3., 1985. - . 21. -18. - . 778. 4.1764466. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.