Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

IMPROVEMENT OF ELECTROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF ARSENIDE GALLIUM LAYERS OF THE RESISTORS OF INTEGRATED SCHEMES BY ION-RADIATION MODIFICATION

Rodionov I.V. 1 Perinskiy V.V. 1 Perinskaya I.V. 1 Kuts L.E. 1
1 Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Исследовано влияние облучения ионами гелия с ускоряющим напряжением 30–150 кВ и дозой 1,2–1,4 мкКл/см2 для формирования областей изоляции и повторного внедрения ионов гелия с ускоряющим напряжением 30–150 кВ и дозой 6–12 мкКл/см2 для получения электрически изолированных резисторов ИС СВЧ на арсениде галлия. Экспериментально получены зависимости сопротивления эпитаксиального арсенида галлия от ускоряющего напряжения ионов гелия, подтверждающие модель Линхарда – Шарфа – Шиотта для внедрения легких ионов, режимы ионно-лучевого (Не+) модифицирования арсенида галлия для создания локальных изолирующих областей резисторов. Установленный режим ионно-лучевого модифицирования положен в основу технологии изготовления электрически изолированных резисторов с повышенной термостабильностью и необходимым пробивным напряжением локальных изолирующих слоев эпитаксиального арсенида галлия, что расширяет возможности при проектировании микросхем.
Radiation influence by helium ions with acceleration voltage of 30–150 kV and a dose 1,2–1,4 mkKl/cm2 for formation of areas of insulation and repeated implementation of ions of helium with acceleration voltage of 30–150 kV and a dose 6–12 mkKl/cm2 for receiving electrically the very high frequencies integrated circuits isolated resistors on gallium arsenide is probed. The dependences of the resistance of epitaxial gallium arsenide on the accelerating voltage of helium ions, confirming the Linhard-Scharf-Schiot model for the introduction of light ions, the modes of ion-beam (He+) modification of gallium arsenide to create local isolating regions of resistors are obtained experimentally.The set mode of ion-ray modifying is the basis for manufacturing techniques electrically of isolated resistors with the increased heat stability and necessary puncture voltage of local insulation layers of epitaxial arsenide of gallium that expands opportunities in case of design of chips.
ion-ray modifying
electrically isolated resistor
heat stability
puncture voltage

Важнейшим материалом микрокомпонентов монолитно-интегральных схем СВЧ является эпитаксиальный арсенид галлия (GaAs) с заданными электрофизическими характеристиками, одним из способов контролируемого создания которых является ионно-лучевое модифицирование (ИЛМ) [1, 2].

ИЛМ предъявляет многочисленные требования к параметрам эпитаксиального GaAs, непосредственно влияющим на электрофизические характеристики и морфологию полученных структур, на выполнение операций литографии и травления. К таким требованиям относятся: обработка поверхности пластин (не хуже 14 класса); поверхностная плотность точечных дефектов и дислокаций (менее 102 см-2); поверхностная плотность органических загрязнений (менее 10-9 г/см2).

Особое место в характеристике эпитаксиального GaAs занимают параметры, определяемые примесным составом кристалла: удельное сопротивление (ρ), разброс ρ по площади пластины, стабильность ρ при термической и радиационной обработке, коэффициенты диффузии основных и фоновых примесей, степень перекомпенсации материала. Значения этих параметров зависят от методов изготовления GaAs. Исходный низкоомный GaAs с мелкими, частично компенсированными примесями может быть переведен в полуизолирующее состояние различными способами (рис. 1). Во-первых, возможна непосредственная компенсация мелких доноров путем введения глубоких акцепторных центров с концентрацией NАА > NД – NА(NАА,NД,NА соответственно концентрации глубокого акцептора, мелкого донора).

При этом образуется материал с дырочной проводимостью. Во-вторых, возможна дальнейшая перекомпенсация глубокого акцептора глубоким донорным уровнем NДД в соотношении

rod01.wmf

Особенность этого случая заключается не только в формировании высокоомного материала с электронной проводимостью, но и в большей температурной стабильности ρ, так как уровень Ферми Ef локализуется в энергетическом интервале ЕАА < Ef < ЕДД.

На рис. 1 представлена также схема получения полуизолирующего GaAs с инверсным расположением глубоких, уровней (акцепторный уровень расположен выше энергии ионизации донора), соответствующим энергетическим параметрам примесей кислорода и хрома – глубоких примесей, наиболее часто применяемых при изготовлении полуизолирующего GaAs. С хромом связывают глубокий акцепторный уровень ЕАА + 0,69 эВ, либо ЕАА + 0,79 эВ, кислороду приписывается донорный уровень ЕДД – 0,75 эВ. Оптимальным является соотношение

rod02.wmf rod03.wmf

Для рассмотренной схемы с определенными допусками можно считать, что концентрация электронов, поставляемых в зону проводимости с глубокого донорного уровня, равна

rod04.wmf

rod05.wmf

rod06.wmf

где Кп – степень перекомпенсации.

Так как ρ~(Δn)-1, для получения максимального удельного сопротивления необходимо увеличивать энергию ионизации доноров и уменьшать некомпенсированную долю примесей. При этом всегда выполняется соотношение n + p > 2ni и, вообще, ρ собственного полупроводника является теоретическим пределом ρ компенсированного полупроводника. Повышение ρ за счет снижения подвижности электронов (μ), как правило, нежелательно. Воспроизводимость параметров при раздельном легировании донорными и акцепторными примесями практически невозможна из-за неточной дозировки лигатуры, различной сегрегации и – перераспределения примесей, но может быть достигнута при легировании соединениями стехиометрического состава с компонентами, проявляющими донорную и акцепторную электрическую активность с большими энергиями ионизации.

Отличительная особенность ионного легирования - возможность легирования объекта любыми (без ограничений) элементами, в том числе не имеющих растворимость в материале данного объекта. Именно это обстоятельство и способствовало широкому применению принципов ионной модификации структуры с целью управления химическими, физическими и механическими свойствами.

rodion1.tif

Рис. 1. Схема перевода n GaAs в полуизолирующий n-GaAs: прямое (а), инверсное (б): - – нейтральная примесь, – • ионизированный акцептор, º – ионизированный донор

С целью изменения физико-механических свойств твердых тел используют облучение одного объекта несколькими типами ионов в различных их сочетаниях и последовательности в зависимости от целей ионной модификации. Так, для изменения физических свойств полупроводников используют последовательное облучение ионами инертного газа и соответствующих легирующих ионов [3, 4]. При этом выбор ионов инертного газа обусловлен необходимостью увеличить только количество радиационных дефектов при условии нейтральности самого иона к изменению физического свойства облучаемого полупроводника и отсутствия его химического взаимодействия, как с атомами полупроводника, так и с легирующими атомами. То есть основной недостаток в аналогичных способах облучения это то, что сами ионы инертного газа не используются для модификации свойств полупроводников. Также недостатками используемых способов ионного легирования являются: необходимость большого времени облучения для достижения заданных доз облучения при номинальных потоках ионов; высокие температуры (> 0,5Тплав) облучения или послерадиационного отжига, необходимые для формирования заданных по размеру и плотности дискретных выделений вторичной фазы; большая дисперсия выделений по размерам из-за флуктуационного механизма их одновременного зарождения и роста; невозможность обеспечить условия формирования строго заданного наномикронного размера и высокой объемной плотности выделений; трудности получения некогерентных (с резкой межфазной границей) выделений нанометрического размера в кристаллической решетке облучаемого объекта [5].

Наиболее удобными с практической точки зрения реализации предлагаемого способа являются атомы гелия (Не+). Источники ионов Не+ обладают высоким уровнем потока частиц, что позволяет эффективно за короткие времена достигать требуемых высоких (1–10 ат. %) концентраций атомов гелия в облучаемом объеме объекта. Более того, ионы Не+ обладают большим проективным пробегом, что обеспечивает его внедрение в облучаемый объект на большие глубины.

Известно [6], что гелиевые поры в твердых телах могут зарождаться и расти даже при комнатной температуре облучения. При этом они формируют ансамбль пор с высокой (> 1017 см-3 ) плотностью и размерами в интервале 1–2 нм. При определенных условиях облучения они формируют в облучаемой матрице материала упорядоченную сверхрешетку нанопор, что обеспечивает их максимально возможную объемную плотность при минимальных размерах. В работах В.Ф. Реутова и С.Н. Дмитриева [5, 7] экспериментально было показано, что атомы гелия стимулируют перераспределение легирующих элементов в решетке материала, инициируют образование выделений, способствуют синтезу фаз, например нитрида бора, а их скопления в виде гелиевых пор эффективно геттерируют легирующие элементы.

Недостатками существующих резисторов ИС СВЧ на GaAs являются низкая термическая стабильность изготавливаемых резистивных слоев и недостаточное пробивное напряжение локальных изолирующих областей.

Цель работы заключалась в экспериментальной оптимизации режимов облучения ионами гелия, определении ускоряющего напряжения и дозы для формирования локальных областей изоляции и получения электрически изолированных резисторов в составе ИС СВЧ.

Материалы и методы исследования

Образцы представляли собой эпитаксиальные структуры арсенида галлия с толщиной эпитаксиального слоя 0,3÷0,4 мкм и концентрацией электронов 2·1016см-3. Контактные площадки изготавливались методом вакуумного напыления алюминия толщиной 0,3 мкм с последующей фотолитографией по стандартной методике. Изолирующие области между контактными площадками создавались внедрением ионов гелия (Не+) на установке ионного легирования типа «Везувий» в диапазоне ускоряющего напряжения Uуск = 30–150 кВ и доз Ф = 1,2–1,4 мкКл/см2.

Результаты исследования и их обсуждение

Области резисторов выделялись формированием окон в фоторезистивной маске из ФП-383 толщиной 1 мкм и затем повторно внедрялись ионы гелия (Не+) с ускоряющим напряжением Uуск = 30–150 кВ и дозой Ф = 1,2–1,4 мкКл/см2 (рис. 2).

В результате получены резисторы с сопротивлением R = 320 Ом-380 Ом электрически изолированные от других резисторов в плоскости эпитаксиальной структуры слоем с удельным сопротивлением 106 Ом·см (рис. 3).

Экспериментально полученные зависимости сопротивления эпитаксиального арсенида галлия от ускоряющего напряжения ионов гелия приведены на рис. 4 и подтверждают модель Линхарда – Шарфа – Шиотта (ЛШШ) для внедрения легких ионов (для них электронное торможение является преобладающим процессом, если Uуск в пределах 300 кВ).

rodion2a.tif а  rodion2b.tif б

Рис. 2. Эпитаксиальная структура арсенида галлия после формирования окон в фоторезистивной маске (а) и повторного внедрения ионов гелия (б), образующих собственно резисторы: 1 – полуизолирующая подложка; 2 – эпитаксиальный слой арсенида галлия; 3 – контактные площадки; 4 – области изоляции после внедрения ионов гелия; 5 – фоторезистивная маска; 6 – резистор, образованный после повторного внедрения ионов гелия

rodion3.tif

Рис. 3. Зависимость электрического сопротивления эпитаксиального слоя арсенида галлия от дозы внедренных ионов гелия с ускоряющим напряжением: Δ – Uуск = 30 кВ; • – Uуск = 150 кВ

rodion4.tif

Рис. 4. Зависимость сопротивления от ускоряющего напряжения ионов гелия: o – область изоляции (Ф = 1,2 мкКл/см2); Δ – собственно сопротивление (Ф = 6 мкКл/см2)

Зная характер распределения вводимых облучением дефектов [1, 4], а также зависимость толщины нарушенного слоя от дозы ионов гелия (рис. 5), определены условия, при которых в ограниченной по горизонтали области эпитаксиальной структуры арсенида галлия образуется слой с высокой плотностью радиационных дефектов.

Экспериментально полученные режимы ИЛМ арсенида галлия ионами гелия для создания локальных изолирующих областей резисторов

Режимы внедрения ионов гелия

Величина электрического сопротивления*

для создания изолирующих областей

для получения резисторов

Ф, мкКл/см2

Uуск, кВ

Ф, мкКл/см2

Uуск, кВ

R, Ом

1,2

30

2

30

5,5·105

1,2

30

4

30

9·103

1,2

30

6

30

360

1,2

30

8

30

320

1,2

30

3

150

8·105

1,2

30

6

150

1·104

1,2

30

9

150

400

1,2

30

12

150

380

1,2

30

15

150

50

Примечание. *среднее значение номинала сопротивления; усреднение проведено для каждого режима по группе из 50 резисторов; разброс номинала по каждой группе не превышает ± 3 %.

rodion5.tif

Рис. 5. Зависимость толщины нарушенного слоя от дозы ионов гелия: Δ – Uуск = 150 кВ; • – Uуск = 30 кВ

rodion6a.tif а  rodion6b.tif б

Рис. 6. а – зависимость пробивного напряжения (Vпр) изолирующего слоя от дозы (Ф) ионов гелия: o – Uуск = 30 кВ, ток утечки Iут = 10 мкА, без дополнительной термообработки; Δ– Uуск = 30 кВ, ток утечки Iут = 10 мкА, термообработка +300 °С; б – зависимость пробивного напряжения (Vпр) резисторов от температуры отжига (время отжига 60 мин): Δ – Uуск = 30 кВ, Ф = 8 мкКл/см2; • – Uуск = 30 кВ, Ф = 12 мкКл/см2; o – Uуск = 150 кВ, Ф = 8 мкКл/см2; □ – Uуск = 150 кВ, Ф = 12 мкКл/см2

Методом измерения вольт-фарадных характеристик и емкостной переходной спектроскопии имплантированных ионами гелия слоев GaAs найдены четыре ловушки электронов с энергией активации 0,79; 0,65; 0,32; 0,27 эВ, причем два наиболее глубоких центра доминируют при высоких дозах облучения 8–12 мкКл /см2.

Результаты экспериментов по влиянию дозы ионов и температурной обработки на параметры изолирующих областей резисторов представлены на рис. 6.

rodion7a.tif а rodion7b.tif б

Рис. 7. а – зависимость пробивного напряжения (Vпр) изолирующего слоя от дозы: Δ – ионов гелия (Не+); Uуск = 30 кВ; ток утечки Iут = 10 мкА; □ – ионов гелия (Не+); Uуск = 150 кВ; ток утечки Iут = 10 мкА; б – зависимость пробивного напряжения (Vпр) резисторов, изготовленных: Δ – облучением ионами гелия; Uуск = 30 кВ; Ф = 12 мкКл/см2 от температуры отжига (время отжига 60 мин); □ – облучением ионами гелия; Uуск = 150 кВ; Ф = 12 мкКл/см2 от температуры отжига (время отжига 60 мин)

Заметное возрастание пробивного напряжения областей арсенида галлия, подвергнутого имплантации ионов гелия, наблюдается при дозе ионов выше 0,4 мкКл/см2. В интервале 0,2–0,8 мкКл/см2 происходит монотонное увеличение Vпр от исходного значения до 300 В (в зависимости от исходных параметров эпитаксиального слоя). В области Ф ≥ 1,2–1,4 мкКл/см2 наклон дозовой зависимости уменьшается, зависимость стремится к насыщению с абсолютным значением сопротивления изолирующих областей 5×105–106 Ом (рис. 3, б).

Как следует из данных рис. 6, б, параметры полученных имплантацией ионов гелия изолирующих слоев термостабильны до температуры ~500 °С и практически не изменяются после часового отжига. При температуре 300 °С термообработка значительно увеличивает пробивное напряжение изолирующих областей арсенида галлия. Уместно предположить, что низкотемпературный отжиг приводит к распаду нестабильных радиационных нарушений, отжигу и миграции быстро диффундирующих дефектов на стоки.

Зависимость сопротивления и пробивного напряжения от дозы ионов гелия (рис. 7) позволяет предположить отжиг некоторых центров в запрещенной зоне арсенида галлия либо их комплексообразование.

Таким образом, исследовано влияние облучения ионами гелия с ускоряющим напряжением 30–150 кВ и дозой 1,2–1,4 мкКл/см2 для формирования областей локальной изоляции и повторного внедрения ионов гелия с ускоряющим напряжением 30–150 кВ и дозой 6–12 мкКл/см2 для получения электрически изолированных резисторов.

Заключение

Установленные режимы ионно-лучевого модифицирования положены в основу технологии изготовления электрически изолированных резисторов микросхем на арсениде галлия с высокой термостабильностью (до 500 °С) и высоким пробивным напряжением (до 450 В) изолирующих слоев арсенида галлия, что расширяет возможности при проектировании микросхем.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания образовательным организациям высшего образования, подведомственным Минобрнауки РФ (проект № 11.1943.2017/ПЧ).