WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Влияние плазменной обработки поверхности карбида кремния на характеристики полевых транзисторов со скрытым p-n-затвором © П.А. Иванов, О.И. Коньков, В.Н. Пантелеев, Т.П. Самсонова Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 апреля 1997 г. Принята к печати 16 апреля 1997 г.) Для SiC полевых транзисторов со скрытым p-n-затвором показана возможность стабилизации зарядового состояния поверхности канала, выступающей в таких транзисторах в роли дополнительного ”плавающего” затвора, путем ее обработки в водородной плазме при комнатной температуре. Продемонстрировано, что необходимость такой стабилизации особенно актуальна для транзисторов с относительно низкой концентрацией доноров в канале (высоковольтных), в которых поверхностный заряд может сильно модулироваться напряжением стока из-за влияния короткоканальных эффектов.

1. Введение доноров в канале транзистора. Стабилизация поверхностного заряда особенно актуальна для транзисторов Известно, что поверхностные свойства полупроводнис низкой концентрацией доноров в канале (высоковольтков оказывают сильное влияние на работу многих элекных). Поскольку в таких транзисторах отношение длины тронных приборов на их основе. Поэтому в приборной канала к толщине обычно меньше, чем в транзисторах технологии применяют специальные приемы, направленс высокой концентрацией доноров (низковольтных), в ные на модификацию поверхности с целью получения тех первых могут сильнее проявляться короткоканальные или иных поверхностных свойств. Что касается карбида эффекты, способные влиять на поверхностный заряд.

кремния, то для развития приборов на его основе в настоящее время актуальна задача надежной пассивации (или стабилизации) поверхности SiC в местах выхода на нее активных областей приборов (в особенности, высоковольтных).

В SiC полевых транзисторах со скрытым p-n-затвоРис. 1. Схематический вертикальный разрез полевого транзиром, изготовленных разными группами в мире [1], какихстора со скрытым p-n-переходом в качестве затвора. Показан либо специальных мер по стабилизации поверхности поверхностный заряд, выступающий в роли дополнительного канала, как правило, не предпринималось. В то же плавающего затвора.

время следует иметь в виду, что в таких транзисторах канал отсекается областью пространственного заряда (ОПЗ) p-n-затвора на поверхности (рис. 1), зарядовое В наших предыдущих исследованиях было показано, состояние которой может в принципе изменяться. Это что поверхностные свойства кристаллического карбида означает, что поверхность выступает в роли дополникремния могут быть существенно модифицированы обтельного ”плавающего” затвора, так что необходимо работкой в газоразрядной плазме водорода и гелия. В предпринимать меры для стабилизации поверхностного частности, такая обработка приводила к образованию заряда. В идеале плотность этого заряда должна быть липриповерхностных высокоомных слоев за счет генерации бо много меньше, либо, напротив, много больше поверхэлектрически активных точечных дефектов с высокой ностной плотности доноров в канале, Na (N— объемная плотностью [3]. В настоящей работе продемонстрироваплотность доноров, a — толщина канала). В первом но, как на характеристики высоковольтных транзисторов случае на поверхности обеспечиваются условия ”плоссо скрытым p-n-затвором влияют: 1) реактивное ионное ких зон” (так что приповерхностной ОПЗ просто нет), травление канала в газоразрядной плазме SF6 и 2) поа во втором случае толщина приповерхностной ОПЗ следующая обработка поверхности в плазме водорода.

оказывается стабилизированной большим поверхностным зарядом (пиннинг уровня Ферми на поверхности).

Надо отметить, что в нескольких работах, посвященных 2. Объект и процедура исследований SiC-транзисторам со скрытым p-n-затвором, поверхность канала защищалась термическим окислом (глав- Транзисторы изготавливались на основе 6H-SiCэпитаксиальных структур p+ (подложка)-n0-n+, выным образом с целью защиты транзисторов от влияния окружающей среды). Однако для стабилизации поверх- ращенных методом химического осаждения из газоностного заряда окисление, по-видимому, пока нельзя вой фазы. Технология изготовления дискретных мезасчитать эффективным методом, поскольку интегральная изолированных транзисторов включала в себя стандартплотность состояний на интерфейсе SiO2–SiC (порядка ные процедуры формирования омических контактов к 1012 cm-2 [2]) сравнима с поверхностной плотностью истоку, стоку и затвору на основе никеля и селективного Влияние плазменной обработки поверхности карбида кремния на характеристики... Рис. 2. Типичные выходные вольт-амперные характеристики транзисторов, измеренные после травления канала в SF6 (a, b) и после последующей обработки в водородной плазме (c, d). Цифры у кривых — VGS, В.

реактивно-ионного травления SiC в плазме SF6. Концен- 3. Экспериментальные результаты трация доноров в канале составляла 31016 cm-3 (отмеи их обсуждение тим, что для низковольтных транзисторов эту величину выбирают приблизительно на порядок большей), длина Типичные выходные характеристики изготовленных канала — 5 мкм.

транзисторов показаны на рис. 2 (измерения проводиПосле измерений характеристик транзисторов лись при комнатной температуре, с помощью характе(измерялись выходные вольт-амперные характеристики риографа Л2-56).

и вольт-фарадные характеристики управляющего Характеристики, измеренные до обработки в водороде, p-n-перехода) образцы подвергались обработке в имели ряд особенностей, отличающих их от низковольтводородной плазме с целью модификации поверхностных ных транзисторов. Во-первых, отсутствовало отчетливое свойств канала. Параметры этого процесса были насыщение тока стока в зависимости от напряжения следующими: давление водорода в реакционной камере стока (рис. 2, a). При этом вид кривых зависел от заданс разрядом на постоянном токе — 2 10-3 мм рт.ст.;

ных параметров измерений, в частности от амплитуды ускоряющее напряжение между анодом и катодом — и длительности развертки напряжения стока. Так, при 600 В (мощность разряда не превышала 1 Вт / см2);

увеличении амплитуды напряжения дифференциальный температура комнатная; время обработки — 1 ч. наклон характеристик на начальном участке заметно После этой процедуры вновь проводились измерения уменьшался, что приводило к еще менее выраженному характеристик транзисторов для сравнения их с их насыщению. Во-вторых, вблизи порога открывания характеристиками, измеренными до обработки в зависимости тока стока от напряжения стока оказались водороде. суперлинейными (рис. 2, b), т. е. канал из запертого Кроме того, для сравнительного анализа измене- состояния открывался напряжением стока (в низковольтний поверхностных свойств SiC исследовались вольт- ных 6H-SiC-транзисторах подпороговый ток стока не фарадные характеристики контрольных поверхностно- зависел от напряжения стока [4]).

барьерных структур Au–SiC (с использованием пленок Как мы считаем, причина такого поведения — влияние 6H-SiC n-типа проводимости, выращенных сублимаци- потенциала стока на поверхностный заряд, обусловленонной эпитаксией), которые формировались на каждом ное эффектом короткого канала (см. Приложение): увекристалле до плазменных воздействий, затем после тра- личение потенциала стока индуцирует на поверхности вления в SF6 и, наконец, после последующей обработки положительный заряд (за счет выбросов электронов с в плазме водорода. уровней поверхностных состояний), частично экранируФизика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1406 П.А. Иванов, О.И. Коньков, В.Н. Пантелеев, Т.П. Самсонова поверхности как ”плавающего” затвора) и улучшению характеристик транзисторов.

Дополнительные свидетельства в пользу предлагаемого механизма стабилизации поверхности дали измерения вольт-фарадных характеристик контрольных структур Au–SiC, а также вольт-фарадных характеристик управляющего p-n-перехода. Как свидетельствуют C-V-измерения барьеров Шоттки, травление SiC в SF6 приводит лишь к некоторому снижению высоты Au-барьера, а последующая обработка в водородной плазме приводит к образованию вблизи поверхности высокоомного слоя толщиной около 0.1 мкм (рис. 3).

С другой стороны, показательными оказались результаты измерений вольт-фарадных характеристик управляющего p-n-перехода. После обработки в водороде емкость перехода при нулевом смещении значительно увеличилась, однако подача напряжения смещения возвращает ее к значениям, измеренным до обработки (рис. 4). На первый взгляд этот результат оказался довольно неожиданным, но все-таки объяснимым. Дело в том, что в силу конструктивных особенностей изготовленных транзисторов воздействию плазмы подвергается не только поверхность канала, но и p-материал Рис. 3. Вольт-фарадные характеристики контрольных за пределами меза-структуры (рис. 5). Как показано Au-6H-SiC-структур: 1 — до плазменных воздействий, в наших предыдущих исследованиях [5], при обработке 2 — после травления поверхности в SF6, 3 — после обработки p-материала в водородной плазме возможно изменение поверхности в водородной плазме.

типа проводимости в тонком слое вблизи поверхности, что, по-видимому, и происходит. Как следствие, емкость управляющего p-n-перехода увеличивается, с одной стоющий действие затвора, что и приводит к наблюдаемой роны, за счет увеличения его площади, а с другой — суперлинейности характеристик вблизи порога.

за счет большей (по сравнению с n0) концентрации Последующая обработка в водородной плазме привела к кардинальному изменению выходных вольт-амперных характеристик транзисторов. Во-первых, улучшилось насыщение тока стока в зависимости от напряжения стока (рис. 2, c; кроме того, вид кривых уже практически не зависел от амплитуды и длительности развертки). Вовторых, характеристики вблизи порога открывания стали сублинейными с тенденцией к насыщению (рис. 2, d).

В-третьих, напряжение отсечки канала увеличилось.

Такое изменение вольт-амперных характеристик транзисторов мы объясняем генерацией вблизи поверхности электрически активных (донорных) точечных дефектов с высокой плотностью. По нашим оценкам, объемная плотность генерированных дефектов находится на уровне 1018-1019 см-3, а толщина области генерации — порядка одной десятой микрометра [3]. В результате уровень Ферми в приповерхностном слое закрепляется на глубоких дефектах, так что между этим слоем и объемом канала возникает антизапорный барьер, в котором полностью обедненная область отсутствует. Этим обстоятельством объясняется увеличение напряжения отсечки канала в результате обработки. С другой стороны, поскольку поверхностная плотность генерированных дефектов превышает 1013-1014 см-2 (что на 1–2 порядка выше по сравнению с поверхностной плотностью доноРис. 4. Вольт-фарадные характеристики p-n-затвора: 1 —до ров в канале, Na = 1012 см-2), это приводит к пиннинобработки в водородной плазме (после травления канала гу уровня Ферми на поверхности (т. е. к стабильности в SF6), 2 — после обработки в водородной плазме.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияние плазменной обработки поверхности карбида кремния на характеристики... концентрации доноров в канале, Lmin будет существенно большим, чем для низковольтного. В частности, в нашем случае (при легировании 3 1016 см-3) расчетная величина Lmin — около 9 мкм, в то время как L = 5мкм.

Рис. 5. См. пояснения в тексте.

Список литературы [1] П.А. Иванов, В.Е. Челноков. ФТП, 29, 1921 (1995).

доноров на краях p-n-перехода. При подаче же напряже[2] П.А. Иванов, В.Н. Пантелеев, Т.П. Самсонова, В.Е. Челнония смещения ОПЗ p-n-перехода перекрывает на краях ков. ФТП, 29, 271 (1995).

тонкий n+-слой, эта область ”выключется” из измере[3] А.О. Константинов, Н.С. Константинова, О.И. Коньков, ний, и емкость снова определяется только параметрами Е.И. Теруков, П.А. Иванов. ФТП, 28, 342 (1994).

p-n-перехода в пределах меза-структуры.

[4] P.A. Ivanov, N.S. Savkina, V.N. Panteleev, T.P. Samsonova, Таким образом, обработка поверхности канала тран- A.A. Maltsev. Transactions of the 3-rd International HiTEC зисторов в водородной плазме приводит к существен- (Albuquerque, NM, 1996) p. P-213.

[5] A.O. Konstantinov, P.A. Ivanov, O.I. Konkov, E.I. Terukov. In:

ному улучшению их характеристик, во всяком случае, Silicon Carbide and Related Materials, ed. by M.G. Spencer, при комнатной температуре. Конечно, для того, чтобы R.P. Devaty, J.A. Edmond, M. Asif Khan, R. Karlan, M. Rahman сделать окончательный вывод об эффективности дан(Inst. Phys. Conf. Ser. No 137; Inst. Phys. Publishing, Bristol ного метода, необходимо дополнительно исследовать and Philadelphia, 1993) p. 275.

термическую стабильность дефектов, поскольку одна из [6] J.R. Brews, W. Fitchner, E.H. Nicolian, S.M. Sze. IEEE Electron.

основных областей применения карбида кремния — это Dev. Lett., EDL-1, 2 (1980).

высокотемпературные приборы.

Редактор В.В. Чалдышев Авторы выражают благодарность А. Константинову, Н. Норделу, С. Карлсону и К. Харрису из СтокгольмThe effect of SiC surface treatment in a ского индустриального центра микроэлектроники за hydrogen plasma on the performance of предоставленные для данной работы эпитаксиальные buried-gate field-effect transistors SiC-структуры.

P.A. Ivanov, O.I. Kon’kov, V.N. Panteleev, T.P. Samsonova Приложение A.F.Ioffe Physicotechnical Institute, Влияние короткоканальных эффектов на подпорогоRussian Academy of Sciences, вую проводимость хорошо изучено для кремниевых тран194021 St.-Petersburg, Russia зисторов с изолированным затвором и объясняется тем, что на распределение потенциала в коротком канале

Abstract

For SiC buried-gate junction field-effect transistors, a действует, помимо напряжения смещения затвора, наtreatment of the channel surface in hydrogen plasma was shown to пряжение смещения стока. Для кремниевых инверсных be an effective method to stabilize the surface charge, which can МДП транзисторов выработан эмпирический критерий act in such transistors as an additional ”floating” gate. It has been для минимальной длины канала, Lmin [мкм], при которой demonstrated that the surface stabilization is particularly effective начинают проявляться короткоканальные эффекты [6]:

in transistors with a low donor density in the channel (high voltage 1/ones) where the surface charge can be controlled by drain voltage Lmin = 0.4 rjd(ws + wd)2, due to the short-channel effects.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.