表面預處理對InSb鈍化層界面的影響

肖 鈺，史夢然，寧 瑋，段建春

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 前言

InSb材料在紅外探測器研制中有著廣泛的應用。InSb紅外器件一般都制備在(111)In面上，此面上富集大量的In原子，In原子有較活潑的電化學性質，所以對于器件的性能而言，表面鈍化技術很關鍵［1－2］。

一個好的鈍化表面，應該能很好地控制半導體的表面勢，提高半導體表面在不同環境中的穩定性。對InSb紅外器件的研究表明:表面電荷積累將使PN結反向暗電流增大，1/f噪聲增大。為提高器件性能，鈍化后器件的表面電勢應該控制在平帶附近。InSb快表面態使得表面產生復合中心，為降低表面復合速度，鈍化表面的快態密度必須盡可能的小。此外，InSb表面必須有足夠高的勢壘，也就是說鈍化層的禁帶寬度一定比InSb的要寬，把載流子限制在半導體內［3－5］。

對于InSb器件，通常采用CVD制備鈍化層，例如PECVD。然而PECVD生長的SiO2膜和InSb之間存在晶格失配問題，制成的InSb器件通常存在顯著的漏電問題。因此，需要對InSb表面進行預處理，不論采用電化學沉積還是等離子處理，目的都是在InSb襯底表面預先生長一層薄的過渡層。此過渡層作為緩沖層，應當是薄的氧化層或介質層。表面預處理后再淀積起掩蔽和阻擋效果的較厚鈍化層［6－8］。

2 原理

生長過渡層的方法有很多種，以前的研究主要集中在InSb陽極氧化膜上。而本文通過介紹在晶片鈍化前對晶片進行等離子預處理的方法，并通過實驗對比等離子預處理和陽極氧化的處理效果。由于PECVD沉積SiO2膜時，需要向腔室內通入N2O和SiH4，為了方便并且不再引入額外的反應氣體，我們選用N2O或SiH4的等離子體對InSb襯底表面進行等離子預處理［2，9］。

介紹一下等離子體預處理的相關原理。在輝光放電的等離子體中，反應物的激勵方式主要是電子碰撞。電子碰撞的電離過程可以表示為:

式(2)～(5)中電離過程產生的離子團或離子都會與InSb襯底材料發生反應，生成新的物質。其中最先到達襯底表面的離子團會優先和襯底材料反應，并改變界面或表面特性。從上述電離過程可以看出，SiH4電離產物種類比N2O多，因此SiH4與InSb襯底材料的反應產物會較復雜。

3 實驗

實驗采用＜111＞晶向的n型InSb晶片，In面拋光。實驗選用了4片InSb襯底片作為樣品，編號依次為1、2、3、4。在4個樣品上制作MIS(金屬－絕緣－半導體)結構，通過測試InSb MIS結構的C－V特性來評價InSb鈍化體系的電學性能。C－V測試設備采用MDC公司的4192A。

首先對InSb襯底表面進行清洗處理:首先用有機溶劑進行清洗，再用減薄液腐蝕掉表面損傷層，最

式(1)中A代表氣態原子或氣態分子，e為入射粒子的自由電子，經碰撞傳遞能量后速度降低。

SiH4在輝光放電的條件下電離的過程可以表示為:

N2O在輝光放電的條件下電離的過程可以表示為:后用HF水溶液清洗表面，用去離子水沖洗干凈，最終得到4片表面狀態基本一致的實驗片。

其中，樣品1不再做任何處理，保持清洗完后的狀態。

對樣品2進行陽極氧化處理，電流密度1 mA/cm2。

對樣品3進行SiH4等離子處理。即在低溫等離子沉積設備中，只通SiH4，打開射頻，使SiH4解離，與樣品3的 InSb晶片反應。

對樣品4進行N2O等離子處理，即在低溫等離子沉積設備中，只通N2O，打開射頻，使N2O解離，與樣品4的InSb晶片反應。

對樣品3和樣品4等離子預處理的工藝條件如表1所示。

表1 等離子預處理的工藝條件

然后4個樣品再同時用低溫等離子設備沉積SiO2鈍化膜。最后在SiO2膜上蒸上金點，制得MIS結構。PECVD淀積 SiO2膜的工藝條件如表2所示。

表2 PECVD淀積SiO2的工藝條件

4 結果與分析

MIS結構的C－V測試是研究表面和界面性能有效的方法之一，可以分析由鈍化層中的可動離子、鈍化層中靠近半導體一側的固定電荷、界面態等引起的不穩定性。對于n型半導體而言，在絕緣層存在正電荷將會在半導體表面感生負電荷。此時加上合適的負偏壓，就會消除絕緣層的這種影響，半導體的能帶變為平直狀態。當再給n型半導體變為加正向偏壓，即半導體從反型到積累，界面的表面態被電子填充，由帶正電變為電中性，此時半導體能帶恢復平直狀態所需的負偏壓比反型時要小。此時再由加正電壓逐漸變為加負電壓時，C－V曲線就發生滯回現象。鈍化層中存在陷阱態的分布，滯回效應是不可避免的。

從圖1中(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，C －V測量時所加的掃描電壓均從負到正，再由正到負，掃描幅度－35 V到+35 V，其C－V曲線均不重合，均有ΔVFB的滯后。由于加了負偏壓，半導體能帶成平直狀態，說明4個樣品的鈍化層中均存在正電荷，界面陷阱均為受主型。

當正極(柵極)加負偏壓時，InSb表面出現耗盡，電容就會下降，，如果進一步提高負偏壓就會引起強反型，造成最小電容值的出現，這時耗盡層寬度不再變化，最小電容在偏壓恒定時保持一定。

圖1 4個樣品的高頻C－V特性曲線

對于樣品1，從圖1(a)中可以看出，平帶電壓V=－19 V，滯回寬度ΔVFB=6 V，平帶電壓較大，這表明沒有經過預處理的InSb表面懸掛鍵較多，表面固定電荷多。此外，樣品1的C－V測試曲線中，滯回寬度明顯，主要是因為當二氧化硅直接淀積在InSb表面上時，InSb中的載流子就會直接被SiO2中的陷阱俘獲。

對于樣品2，從圖1(b)中可以看出，平帶電壓V=－14 V，滯回寬度ΔVFB=8 V，這表明陽極氧化在降低固定電荷方面效果明顯。但是滯回寬度比樣品1的略大，不能很好地控制界面陷阱。此外，高頻特性曲線在達水平時，即出現最小電容值后，又出現了C－V曲線向上翹曲。這個現象說明此時的高頻曲線在強反型區逐漸變差，表明InSb表面出現少子注入現象，使得InSb表面空間電容又有升高的趨勢。這主要是由于陽極氧化的氧化產物成分很復雜，界面可能出現了某些電荷效應，導致陽極氧化的氧化膜中存在一定數量Sb+離子造成的。由于Sb+有較大的原子半徑，移動速度慢，當陷阱中俘獲的載流子充放電已經可以跟上偏壓的變化時，以Sb+為中心的陷阱才剛剛開始對載流子進行俘獲和發射［10－12］。

對于樣品3，從圖1(c)中可以看出，平帶電壓V=－30 V，滯回寬度ΔVFB=2 V，雖然滯回寬度小，但是平帶電壓太大。用SiH4的等離子體預處理InSb表面，可以顯著地控制界面陷阱，卻在鈍化層中引入了更多的固定電荷。這主要是由于該工藝條件下，引入了電激活狀態的H。當H到達InSb表面時，會與表面懸掛鍵結合。當低溫淀積SiO2時，電激活的H又與SiO2發生反應，在InSb表面形成了一層富Si薄介質膜。富Si層明顯阻礙了SiO2層中Si－OH和Si－H形成的陷阱中心對InSb表面載流子的俘獲，但是SiH4的含硅的等離子體與InSb襯底易形成富Si層卻使后續淀積的SiO2膜中的固定電荷不可控。

對于樣品4，從圖1(d)中可以看出，平帶電壓V=－11 V，滯回寬度ΔVFB=4 V，平帶電壓和滯回寬度都變小，說明N2O的等離子預處理對抑制界面陷阱和固定電荷效果都很顯著。這主要是由于N2O的等離子預處理InSb表面時，在InSb表面形成的富O或是富N的薄氧化層，使得氧化層中的正電荷減少了，并且N元素還填充了氧化層中的陷阱態，使得載流子的俘獲變少。

通過對上述不同表面預處理得到的鈍化膜體系界面電學特性的分析，可以發現，用N2O的等離子體預處理InSb表面得到的鈍化體系有明顯優勢。

5 結論

表面預處理對InSb鈍化層體系的電學性能有明顯的影響。不同的表面預處理方法作用效果不一樣。從實驗結果可以看出，對InSb晶片陽極氧化表面預處理，可以明顯降低氧化層固定電荷，但是對于界面陷阱抑制作用不明顯，反而增大了界面陷阱。SiH4等離子預處理明顯降低了界面陷阱，但氧化層固定電荷明顯增加。N2O等離子預處理在控制界面陷阱和氧化層固定電荷兩方面效果明顯，對InSb鈍化層體系的電學性能改善最明顯。

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