Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тонкие пленки нитрида алюминия: технология свойства, применение . 9
1.1. Основные свойства пленок нитрида алюминия 9
1.2. Фотоприемные устройства на основе тонких пленок нитрида алюминия и особенности их формирования 13
1.3. Методы получения тонких пленок нитрида алюминия 18
Выводы и постановка задачи 28
Глава 2. Технология получения фоточувствительных структур на основе тонких пленок нитрида алюминия 30
2.1. Конструктивные особенности фотоприемных структур с объемным зарядом на основе пленок нитрида алюминия 30
2.2. Технология формирования контактных слоев 34
2.3. Технология получения пленок нитрида алюминия 45
Глава 3. Исследование свойств пленок нитрида алюминия и фотоприемных структур на их основе 51
3.1. Методы исследования тонких пленок нитрида титана, нитрида алюминия и фотоприемных структур на их основе . 51
3.2. Исследование структурных свойств пленок нитрида алюминия 65
3.3. Исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств фотоприемных структур 82
3.4. Оптимизация технологии нижнего электрода многослойных фотоприемных структур 92
Глава 4. Модельные представления о механизмах фотоэлектрических явлений фотоприемных структур на основе пленок нитрида алюминия 98
Заключение
Список литературы 113
- Фотоприемные устройства на основе тонких пленок нитрида алюминия и особенности их формирования
- Технология формирования контактных слоев
- Технология получения пленок нитрида алюминия
- Исследование структурных свойств пленок нитрида алюминия
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В настоящее время ведутся активные разработки фотоприемных устройств для различных областей спектра электромагнитного излучения. Значительное внимание при этом уделяется приемникам, чувствительным в ультрафиолетовой области спектра, согласно [1], существует множество областей применения приборов для регистрации ультрафиолетового излучения (УФИ):
• медицина — физиотерапия, аутотрансфузия крови, облучение людей солнечным светом;
• сельское хозяйство — парниковая и тепличная агротехнология;
• биотехнология — синтез витаминов D2 и D3;
• обеззараживание воды, воздуха, одежды, инструментов и продуктов питания при длительном хранении и во время эпидемий;
• астронавигация и ультрафиолетовая локация (в дополнение к инфракрасной локации);
• астрономия —получение информации о физических процессах в космических объектах, способных излучать УФИ;
• материаловедение — определение состава веществ и электронной структуры элементов;
• экология — проблема озоновой дыры, обнаружение загрязнений окружающей среды;
• ядерная физика и энергетика — регистрация ядерных частиц с помощью сцинтилляторов;
• дефектоскопия, криминалистика, искусствоведение — люминесцентный анализ благодаря способности ряда веществ люминесцировать под действием УФИ.
В оптоэлектронике основными материалами для реализации подобных структур являются широкозонные нитриды и их твердые растворы, состав которых выбирается в зависимости от требуемого спектрального диапазона.
Ультрафиолетовую область спектра принято делить на три диапазона:
В А-области (320-400 нм) спектра излучение наименьшим образом по-глащается озоновым слоем атмосферы. Оно необходимо человеку для выработки витамина D. Часть 345-400 нм используется к примеру при флюорис-центной подсветке. Излучение же 320-345 нм может вызывать повреждения глаз.
Излучение В-области (280-320 нм) спектра более вредоносно и может привести к раку кожи.
Излучение С-области (200-280 нм) спектра практически полностью поглощается озоновым слоем. Излучение диапазона 200-280 нм активно разрушает клетки и используется, в частности, для стерилизации. Более коротковолновый диапазон поглощается воздухом. Это так называемый «вакуумный ультрафиолет».
Для С-области ультрафиолетового диапазона эффективным предполагается использование тонких пленок нитрида алюминия в качестве рабочих слоев, поскольку ширина запрещенной зоны 6,2 эВ позволяет обеспечить естественную селективность.
Нитрид алюминия (A1N) - прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 6,2 эВ является перспективным материалом для создания солнечнослепых фотоприемных устройств С-области (200-280 нм) ультрафиолетового диапазона. Результатом интенсивных исследований A1N стала разработка фотоприемных устройств планарной конструкции. Попытки создания многослойных фотоприемников (сэндвич-структуры) наталкиваются на ряд проблем, основной из которых является обеспечение сплошности и однородности тонких пленок A1N на неориентирующих подложках. Тем не менее, в последние время акцент исследований смещается в сторону многослойных структур, позволяющих реализовать активные фотоприемники с большим коэффициентом усиления при существенном упрощении их технологии.
Как было показано, при обеспечении определенных условий удается формировать высоко текстурированные пленки A1N с наноразмерной столбчатой структурой (диаметр кристаллитов 20-50 нм). В этом случае тонкие пленки нитрида алюминия обладают рядом специфических свойств, таких как спонтанная поляризация, пьезоэлектрический отклик. Используя текстурированные, т. е. с определенной ориентацией кристаллитов, пленки как функциональные слои в многослойных фотоприемных структурах, можно ожидать проявление в их характеристиках подобных эффектов. Нитрид алюминия, обладающий структурой вюрцита, кристаллическая решетка которого относится к группе симметрии C6V6, должен проявлять пъезоэффект вдоль полярной оси С, т. е. в направлении 0001 , при величине соответствующей компоненты пьезомодуля ёзз 5 пМ-В"1. В этом смысле особый интерес представляет синтез текстурированных пленок A1N с ориентацией полярной оси С перпендикулярно поверхности подложки.
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная получению и исследованию тонких пленок нитрида алюминия и фотоприемных структур на их основе, является актуальной и представляет интерес как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью работы является разработка низкотемпературной технологии формирования многослойных фотоприемных структур на основе тонких текстурированных пленок нитрида алюминия и исследование их электрических и фотоэлектрических свойств.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Разработка низкотемпературной технологии формирования тонких пленок нитрида алюминия, пригодных для создания активных фотоприемных сэндвич-структур.
2. Исследование влияния материала и технологии нижнего электрода на формирование пленок нитрида алюминия приборного качества для многослойных фотоприемников.
3. Проведение комплексных исследований структурных, электрофизических и фотоэлектрических свойств сэндвич-структур и разработка модели фотостимулированного электронного транспорта в активных фотоприемных структурах
Научная новизна работы
1. Показано, что тонкие пленки нитрид титана выступают в качестве эффективного нижнего электрода, обеспечивающего рост сплошной, тексту-рированной пленки нитрида алюминия и формирующего к ней омический контакт.
2. Обнаружено наличие встроенного поля пьезоэлектрического заряда в механически напряженных пленках нитрида алюминия, величина которого зависит от их толщины.
3. Показана возможность локальной модуляции пьезоотклика в пленках нитрида алюминия за счет приложения напряжения между кантеливером и нижним электродом. Обнаружено, что при воздействии ультрафиолетового излучения с длиной волны 265 нм эффект исчезает и параметры пьезоотклика в модулированной области пленки нитрида алюминия возвращаются к исходному состоянию.
4. Обнаружен эффект фотопамяти в структуре металл/AlN/TiN, обусловленный фотостимулированной миграционной поляризацией, который позволяет изменять величину и форму импульса фототока короткого замыкания в зависимости от времени экспозиции и величины и знака приложенного напряжения смещения.
Практическая значимость работы
1. Разработана низкотемпературная технология формирования тексту-рированных пленок нитрида алюминия на неориентирующем нижнем электроде. 2. Проведено исследование дефектов в пленках нитрида алюминия, приводящих к возникновению сквозных шунтирующих каналов.
3. Разработан диагностический комплекс прямой оценки поверхностной плотности и распределения дефектов на основе методов оптической микроскопии (Патент на изобретение № RU 2304807 С1).
4. Проведен анализ влияния материала нижнего электрода на плотность шунтирующих каналов в пленках нитрида алюминия. Показано, что при использовании в качестве нижнего электрода пленок нитрида титана, сформированных по низкотемпературной технологии, шунтирующие каналы практически отсутствуют.
5. Созданы активные солнечно слепые фотоприемные сэндвич структуры на основе тонких текстурированных пленок нитрида алюминия, на конструкцию и технологию которых подана заявка на изобретение.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Использование в качестве нижнего электрода слоя нитрида титана обеспечивает как рост бездефектной пленки нитрида алюминия, так и формирование невыпрямляющего контакта, позволяя создавать многослойные фотоприемные структуры с пленками нитрида алюминия.
2. Фототок в режиме короткого замыкания и сдвиг вольт-амперных характеристик многослойных структур металл/нитрид алюминия/нитрид титана обусловлены встроенным полем пьезоэлектрического заряда в механически напряженной пленке нитрида алюминия.
3. Эффект фотопамяти, в структурах металл/AlN/TiN, обусловленый фотостимулированной миграционной поляризацией, приводит к изменению величины и формы импульса фототока короткого замыкания.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и молодежных научных школах:
V Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2006 г; XI Международная конференция Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008), Санкт-Петербург, 2008 г.; Всероссийские конференции «Вакуумная техника и технология-2006», Санкт- Петербург, 2006 г.; «Вакуумная техника и технология-2007», Санкт-Петербург, 2007 г.; 5-ая Всероссийская молодежная конференция по физике полупро водников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2003 г.; Региональная научно-техническая конференция, посвященной Дню Радио, Санкт-Петербург, 2009 г.; Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 2004 -2009 гг.; Региональные молодежные научные школы по твердотельной электронике «Актуальные аспекты нанотехнологии», Санкт-Петербург, 2005 г; «Физика и технология микро- и наносистем», Санкт-Петербург, 2007 г.; «Технология и дизайн микросхем» 2005 г.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, среди которых 3 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 патент на изобретение и 1 положительное решение по заявке на изобретение. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 91 наименование. Работа изложена на 122 страницах, содержит 67 рисунков и 12 таблиц.
Фотоприемные устройства на основе тонких пленок нитрида алюминия и особенности их формирования
На основе тонких пленок можно создавать структуры двух типов: планарного и объемного исполнения. На данный момент разработано значительное количество приборов планарного исполнения. К примеру, созданы планарные фоторезистивные структуры [12] со следующими характеристиками: Спектральный диапазон 180-300 нм Максимум спектральной характеристики чувствительности 235 нм Темновойток 2,3-10"10А Чувствительность 5,2-10"2 А/Вт Все планарные фотоприемники на основе A1N являются по конструкции структурами типа металл - полупроводник - металл (MSM), которые независимо от свойств контакта металл - нитрид алюминия имеют симметричные вольтамперные характеристики, поскольку имеют в конструкции два встречно включенных перехода, а значит не могут работать в генераторном режиме. Использование в таких структурах металлов, формирующих выпрямляющий контакт, продиктовано стремлением увеличить соотношение фототок / темновой ток за счет уменьшения темнового тока сопротивлением обратно-включенного барьера. Для увеличения величины тока в изготавливаемых структурах разработчики [13] идут по пути уменьшения коэффициента формы структур (рис. 1.5, 1.6).
Электродная система планарного фотоприемника [ 13] Планарные конструкции оправданы, когда речь идет об изготовлении дискретных элементов. Они требуют использования высокоомных ориентирующих подложек, что осложняет их интегральное исполнение. На данный момент проводятся исследования, направленные на интеграцию технологии формирования планарных структур с кремниевой технологией [14]. Но большинство разработчиков, несмотря на значительные достижения в области создания планарных структур [15], переходят к использованию многослойных конструкций фотодетекторов [16].
Применение многослойных, так называемых сэндвич-структур не требует изолирующего подслоя, позволяет увеличить коэффициент усиления, формировать структуры с использованием различных материалов для каждого электрода, т. е. приборы с одним, или двумя несимметричными барьерами, а значит реализовывать фотоприемники, способные работать в генераторном режиме.
Поскольку в настоящее время отработаны различные технологии формирования фотоприемников с сэндвич-структурой на основе пленок родственного материала - нитрида галлия, а так же твердых растворов нитрид галлия / нитрид алюминия (AlxGai.xN), большинство работ направлено на увеличение доли нитрида алюминия с целью смещения рабочего диапазона в более коротковолновую область. При этом применяются различные конструктивные решения: детекторы на основе барьера Шоттки [17, 18], p-i-n структуры [19-21], структуры металл — полупроводник — металл [22-24]. Малое число успешных работ с содержанием алюминия х 0,5 связывают со сложностью формирования пленок с высоким содержанием алюминия без сквозных дефектов [6]. Наиболее качественные пленки нитрида алюминия получают на сапфировых подложках, которые, являясь диэлектрическими, не могут выступать в роли электродов. Поэтому при переходе от нитрида галлия к нитриду алюминия по мере увеличения доли алюминия усложняется использование сэндвич-конструкции. Стремясь избежать «закорачивания» электродов вместо более эффективной сэндвич-структуры применяют планарную.
Передовой реализацией объемного фотоприемного устройства является фотодиод Шоттки (рис. 1.7), выполненный на сильнолегированной подложке n-SiC [15]. Нижний электрод сформирован на обратной стороне подложки. В качестве выпрямляющего сформирован верхний платиновый электрод. Электрод является непрозрачным, но имеет несплошную форму для обеспечения засветки. Область засветки дополнительно защищена слоем диоксида кремния. При диаметре верхнего электрода 100 мкм и приложении разности потенциалов 250 В этот фотоприемник имеет отношение светового тока к темновому 1200 крат.
Проблемы создания контактных систем к нитриду алюминия связаны также со сложностью его легирования. Известно [8], что легирование твердых растворов AlxGai_xN кремнием затруднено вследствие самокомпенсации примеси, причем при х 0,49 увеличение доли алюминия приводит к значительному росту энергии ионизации примеси и снижает эффективность легирования.
На данный момент единственным успешно реализованным прибором в области оптоэлектроники на базе сэндвич-структуры с пленкой нитрида алюминия в качестве рабочего слоя и легированных контактных слоев A1N является р-і-п-светодиод ультрафиолетового диапазона (рис. 1.8), изготовленный в NTT Basic Research Laboratories [25]. Напряжение питания этого диода составляет 25 В, а мощность излучаения 0,02 мкВт. Рабочая длина волны составляет 210 нм, т.е. практически является минимально возможной для распространения в атмосфере.
Применение сэндвич-структур позволит получать структуры со значительно меньшим сопротивлением за счет геометрических размеров, эффективно использовать всю толщину пленки и создавать структуры с различными материалами электродов. Однако на данный момент их внедрение ограничено рядом проблем.
Внешний вид и кросс- секция экспериментального светодиода NTT Basic Research Laboratories [25] Таковыми являются выбор подложки, материала нижнего электрода и технологии формирования пленки нитрида алюминия, совокупность которых позволила бы сформировать сэндвич-структуру.
Требуется выбрать подложку и нижний подслой — электрод так, чтобы обеспечить максимально возможное качество пленки нитрида алюминия, при этом желательно, чтобы нижний подслой формировал омический контакт к нитриду алюминия. Поскольку засветку структуры предполагается проводить со стороны верхнего электрода, значит, вблизи него будет происходить максимально эффективное поглощение. Соответственно, разрабатывая различные типы структур, имеет смысл варьировать технологию верхнего электрода.
С другой стороны, следует провести анализ методов формирования пленок нитрида алюминия, чтобы выбрать наименее зависящий от материала подложки. Желательно также исключить технологические операции, которые потребовали бы нагрев образцов более 400 С. Это условие необходимо соблюсти для обеспечения возможности интеграции с кремниевой технологией, поскольку общей тенденцией является объединение датчика и схемы его обработки.
Технология формирования контактных слоев
Помимо отработки собственно технологии получения пленок нитрида алюминия для создания фотоприемных структур, необходимо было отработать технологию формирования контактов. В процессе исследования создавались различные тестовые структуры планарного и объемного исполнения. В качестве материала электродов использовались алюминий, никель, хром, платина, ITO, титан и нитрид титана.
Во всех перечисленных процессах нижние электроды наносились на всю площадь подложки. Доступ к нижнему электроду после нанесения пленки нитрида алюминия сохранялся с помощью маскирования части площади перед нанесением A1N, либо восстанавливался травлением окна в нитриде алюминия. Форма верхних электродов определялась используемой маской. Минимальный линейный размер верхних электродов многослойных структур составлял 120 мкм. Увеличение линейного размера за счет неплотного прижима маски составлял до 10 мкм. При создании планарных фотоприемников форма электродов также задавалась используемой маской. Нанесение алюминиевых электродов проводилось методом магнетронного распыления алюминиевой мишени в атмосфере инертного газа на промышленной установке "Оратория-5" (рис. 2.3). Нагрев образцов до 100 С проводился перед напылением на отдельной, частично изолированной позиции в технологической камере, после чего подложкодержатель с образцами переводился на позицию нанесения. Постоянного поддержания температуры не требовалось в связи с очень малым временем напыления (40-60 с). В качестве рабочего газа использовался аргон высокой частоты. Его давление в процессе нанесения составляло 0,8-1 Па. Дросселирование осуществлялось подъемом газоизолирующих вакуумных цилиндров. Мощность разряда составляла 1200-1360 Вт при напряжении разряда 300-340 Вт и токе 4А. Мишень (А1 99.9%) имела форму диска (0 19 см). Площадь зоны распыления составляла 77 см2. Режим нанесения с указанными технологическими параметрами является штатным для данной установки. При данном режиме осаждения толщина пленки задавалась временем нанесения и составляла 70 нм в зоне прямого напыления при формировании верхних электродов и 0,5 мкм при формировании нижнего электрода.
Никелевые и хромовые верхние электроды формировались на комплексе "КОНТ" методом магнетронного распыления на постоянном токе металлической мишени в среде аргона. При этом давление аргона составляло 0,8 Па, падение напряжения в разряде 380 В и ток 2 А.
Известно, что наиболее существенное влияние на структуру металлических пленок, наносимых методами ионно-плазменного осаждения, оказывают температура подложки и потенциал мишени, определяющий скорость распыления.
Поэтому были опробованы несколько режимов получения платиновых пленок (табл. 2.1) и произведен выбор оптимального режима нанесения. Удельное сопротивление полученных пленок платины, измеренное четырехзондовым методом, составляло 0,14 мкОм-м.
Нанесение нитрида титана проводилось методом магнетронного распыления Ті мишени в азотосодержащей среде. При формировании верхних электродов, либо электродов планарной структуры, их форма задавалась с помощью масок, закрепленных на подложкодержателе поверх подложки с пленкой A1N. При формировании нижнего электрода пленка нитрида титана наносилась на всю площадь подложки.
Нанесение выполнялась на технологическом комплексе "КОНТ" методом магнетронного распыления титановой мишени в азотосодержащей среде. Для этого на отдельную позицию устанавливалась магнетронная система с титановой мишенью. Поскольку нитрид титана является проводящим материалом и его возникновение на поверхности мишени не приводит к зарядке поверхности, был выбран метод реактивного магнетронного нанесения на постоянном токе, как более производительный по сравнению с высокочастотными методами. При горении разряда в атмосфере реактивного газа давление в камере зависит от мощности разряда. Это связано с поглощением реактивного газа в процессе роста пленки. При достаточно большой мощности разряда падение давления может приводить к гашению разряда. Это, в свою очередь, приведет к росту давления и возобновлению горения разряда [55]. Таким образом, возникают пульсации. Поэтому для обеспечения стабильности горения разряд, как правило, зажигается в смеси реактивного и инертного газа.
Вольтамперная характеристика разряда в смеси газов может иметь различный характер в зависимости от соотношений коэффициентов ионно-электронной эмиссии чистого материала ум и его соединения с реактивным газом ус (рис. 2.5) [56]. В случае нанесения нитрида титана распылением титановой мишени в азотосодержащей среде, коэффициенты ионно-электронной эмиссии близки и ВАХ разряда имеет монотонный вид. Это упрощает выбор технологического оборудования, т.к. позволяет применять как источники, стабилизированные по напряжению, так и по току, но, в тоже время, усложняет оптимизацию процесса, поскольку ВАХ разряда не отражает степени покрытия мишени. Пленку нитрида титана предлагается использовать в качестве нижнего электрода, поэтому критерием применимости выступает сопротивление пленок. Другим критерием является качество пленки нитрида алюминия, формируемой на нитриде титана. При распылении титановой мишени в газовой смеси с парциальным давлением (расходом) азота получаемые пленки нитрида титана характеризуются разным содержанием азота (рис.2.6, а) и, как следствие, разным значением удельного сопротивления (рис.2.6, б) Зависимость сопротивления от содержания азота имеет немонотонный характер (рис. 2.6, б). При увеличении концентрации азота в пленке титана сопротивление растет за счет увеличения количества центров рассеяния и образования l N.
При дальнейшем увеличении концентрации азота в пленке значение сопротивления снова растет за счет уменьшения подвижности из-за дополнительного рассеяния на дефектах [57]. Как отмечено в [58], удельное сопротивление нитрида титана меньше удельного сопротивления даже объемного титана (47 мкОм-см [59]) и может достигать 14 мкОм-см в безкислородных пленках TiN [60]. Оптимизация процесса нанесения пленок TiN проводилась по данным исследований электрофизических свойств этих пленок и контакта нитрид титана — нитрид алюминия. При этом стремились достигнуть минимального значения удельного сопротивления, соответствующего однофазному составу стехиометрической пленки нитрида титана (рис. 2.6). Кроме того, проводилась оценка степени линейности вольт-амперных характеристик тестовых планарных структур и выход годных тестовых сэндвич- структур.
С целью унификации используемых газовых смесей для осаждения пленок нитридов титана и алюминия использовалась газовая смесь 70 % Аг + 30% N2. Распыление титановой мишени в газовой смеси Аг - N2 характеризуется двумя конкурирующими процессами: азотированием мишени и очисткой ее поверхности при распылении. При малых токах разряда преобладает процесс азотирования мишени, что приводит к увеличению концентрации азота в осаждаемой пленке. При увеличении тока возрастает скорость очистки поверхности мишени и концентрация азота в осаждаемых пленках уменьшается. Поэтому содержание азота в пленке варьировалось за счет изменения степени азотирования мишени путем регулировки тока разряда при давлении газовой смеси 1 Па. При изменении тока разряда от 2 до 5 А было установлено, что минимальное удельное сопротивление пленок TiN, равное 40 мкОм см, соответствует току разряда 4 А (рис. 2.7).
Несколько завышенное значение сопротивления по сравнению с [60], по-видимому, связано с наличием кислорода в пленке. Однако этот результат -і s 70- s. s v 9 \ S- 60 - \ f s S / 4. / z \. / Ф \. / 50 N. / Ф 4 / s Nw y X v / g 40 - - CO s . 30 - с о о g 20 z л с S ft 10 - 0 I I I I I 2 3 4 5 Ток разряда, A Рис. 2.7. Зависимость удельного сопротивления пленки от тока разряда при распылении титановой мишени совпадает с данными [57, 58], полученными с использованием типового вакуумного оборудования. Приведенный выше режим соответствовал максимальному выходу годных фотоприемных структур, что связано с высоким структурным качеством пленок нитрида алюминия.
Технология получения пленок нитрида алюминия
Как следует из литературы, для получения пленок A1N при ограничении нагрева подложки до 400С, а также обеспечения ростовой текстуры оптимальными являются методы магнетронного распыления алюминиевой мишени в азотосодержащей среде.
На технологическом комплексе "КОНТ" (рис. 2.8, а) был реализован метод выращивания с помощью высокочастотного магнетронного распыления алюминиевой мишени в азотосодержащей среде [61]. Параметры процесса указаны в табл. 2.3. Схематическое изображение комплекса приведено на рис. 2.9. В рабочем объеме технологической камеры цилиндрической формы (рис. 2.8, б) установлен вращающийся барабан -подложкодержатель с восемью съемными секциями для закрепления подложек. Вращение барабана со скоростью 8 об/мин обеспечивалось двигателем, расположенным снаружи камеры, и передавалось с помощью зубчатой системы на вал, введенный через специальный вход в рабочий объем. Соответственно, для обеспечения качества пленок, совмещения процесса с кремниевой технологией и избежания натекания атмосферы температура подложек устанавливалась 300 С. Нагреватель представлял из себя нихромовую спираль в стальном корпусе и располагался внутри вращающегося барабана — подложкодержателя. Откачка рабочего объема ( 10" Па) осуществлялась с помощью турбомолекулярного насоса (рис. 2.8, в). Для уменьшения расхода газовой смеси в процессе напыления использовалось дросселирование потока откачиваемых газов с помощью частичного закрытия высоковакуумного затвора. Газовая смесь Аг + N2 создавалась непосредственно перед напуском в камеру смешением Аг и N2, подававшихся из отдельных баллонов. Контроль напуска азота и аргона с помощью механических игольчатых натекателей позволял варьировать соотношение газов в смеси. Давление газовой смеси (1 Па) и соотношение АгЛЧг (7/3) задавалось исходя из анализа литературных данных и отдельных
Подложки поликор, ситалл, кварцевое стекло, кремний (КДБ-10) экспериментов с целью обеспечения наибольшей скорости роста при избежании пересыщения пленки алюминием. Контроль давления газовой смеси осуществлялся с помощью термопарной вакуумной лампы ПМТ-4М и термопарного блока вакуумметра ВИТ-3.
На боковой поверхности рабочей камеры имелось шесть позиций для установки магнетронних систем. На одной из них был установлен магнетрон с водоохлаждаемой А1 (99,999%) мишенью (72 х 184 мм) и сбалансированной магнитной системой. Питание магнетрона осуществлялось генератором ГТЭВ-1000 через согласующее устройство на частоте 13,56 МГц. Зона эффективного распыления, обеспечиваемая магнитной системой, имеет форму овала высотой 160 мм и площадью 80 см . Зажигание разряда осуществлялось при избыточном давлении аргона, затем на малой мощности проводилась тренировка мишени на закрытую заслонку.
Следует отметить, что специального анода, или же вытягивающей сетки не применялось. В роли анода выступали барабан - подложкодержатель, камера и заслонка. После 5 минут тренировки устанавливалась рабочая мощность разряда и открывалась заслонка. Управление заслонкой осуществлялось вручную. Так как требовалось, по возможности, увеличить скорость роста пленок, мощность разряда устанавливалась равной 500 Вт. Это максимальная допустимая мошность, при которой сохраняется стабильность в работе генератора и горения разряда. Это составляло 3,77
Так как расстояние мишень-подложка составляло 4-5 см, а давление Р=4,25 Па определяло длину свободного пробега 1 см (отношение D/1 10) и термализации потока не происходило. Поэтому мощности 6,25 Вт/ см было вполне достаточно для роста текстурированной пленки, что позднее было подтверждено анализом структуры пленок. Осаждение пленки проходило в течение пяти циклов (t=13 ч 50 мин). Каждый цикл включал в себя следующие этапы: - Откачку; - Нагрев; — Напуск газовой смеси; — Тренировку мишени; - Осаждение пленки; — Остывание в (AJ-N2) газовой смеси.
Поскольку нанесение проводилось на переменном токе, поэтому на азотированной диэлектрической поверхности алюминиевой мишени накопление заряда не происходило. В связи с этим перед каждым нанесением проводилась «тренировка» мишени с целью полного азотирования ее поверхности. Это позволяло уменьшить дефицит по азоту в наносимой пленке нитрида алюминия. Необходимость регулярного предварительного азотирования мишени обусловлена очисткой мишени после каждой операции напуска атмосферы в камеру.
Во время цикла нанесения идет вращение барабана -подложкодержателя. Образец находится в зоне нанесения 12,5% времени цикла. Остальное время он находится вне области плазмы в атмосфере аргон — азотной смеси. За это время происходило дополнительное азотирование пленки. При скорости роста, соответствующей выбранному режиму, за однократное прохождение области плазмы происходил рост пленки на толщину 1-2 монослоя. Таким образом, при нанесении проводилось доазотирование каждого монослоя.
При изготовлении ряда планарных структур проводилось ионно-плазменное профилирование пленок нитрида алюминия с использованием оригинального комплекса, оснащенного системой текущего микроколорометрического контроля [62-64]. В результате исследований, приведенных во второй главе, были: 1. выбрана конструкция фотоприемника и варианты материалов для его создания; отработаны технологии формирования контактных слоев на основе платины, алюминия, нитрида титана ; определено, что для получения качественных пленок нитрида титана методом магнетронного распыления титановой мишени в азотосодержащей среде в используемом технологическом комплексе при давлении реактивной газовой смеси 1 Па и температуре 300 С требуется поддерживать ток разряда 4 А; отработана технология формирования пленки нитрида алюминия; реализованы фотоприемники типа «сэндвич» на основе тонких пленок нитрида алюминия.
Исследование структурных свойств пленок нитрида алюминия
Структурные свойства пленок A1N первоначально исследовались с помощью метода рентгеновской дифрактометрии и метода дифракции быстрых электронов. Рентгеновские дифрактограммы снимались на установке типа ДРОН (Rigaku) с использованием Cu-Ка излучения (А,=0,154178 нм).
Можно предположить, что пленка A1N на поликоровой подложке тоже имеет пик (10 1 1), но его обнаружение не возможно по причине сильного рефлекса от подложки вблизи 38 . Рентгенограммы для пленок A1N на кремниевой подложке не приведены, так как выглядят аналогично рентгенограммам A1N на кварцевом стекле. Анализ рентгенограмм позволяет говорить о том, что пленки A1N сильно текстурированны по направлению 0001 вне зависимости от материала подложки. Наличие текстуры по направлению 0001 говорит о том, что полярная ось С гексагонального A1N перпендикулярна поверхности подложки. Наиболее вероятно, что полученные пленки обладают столбчатой структурой и столбы кристаллитов A1N ориентированы перпендикулярно плоскости подложки.
Дополнительные исследования, проведенные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на электронном микроскопе JEM-7А, подтвердили полученные результаты. На рис. 3.11 представлено электронно-микроскопическое изображение пленки, полученной методом ВЧ MP со сбалансированным магнетроном. 200 і A1N (0 0 0 2) подложках Рис.3.11. Микроскопические изображения полученной пленки A1N. На представленном изображении наблюдается зеренная структура с размером зерен 10-50 нм. Между зернами четко заметны дислокационные границы. По-видимому , они образуются на стадии островкового роста пленки и прорастают к поверхности параллельно оси роста, формируя столбчатую структуру.
На микродифракционной картине (вставка рис. 3.11) заметна текстура коалесценции, образующаяся при наличии азимутальной ориентации зерен. Ось текстуры направлена вдоль 0001 . В табл.3.1. представлены межплоскостные расстояния, измеренные по микродифракционной картине, которые сравниваются с табличными значениями для нитрида алюминия. Анализ структур по толщине проводился с помощью растровой ионно-электронной и растровой электронной микроскопии поперечного сечения пленок, сформированного ионным пучком. На основе сделанных снимков (рис. 3.12-3.14.) можно утверждать, что пленки нитрида алюминия, выращенные на TiN-Si и TiN-поликор, имеют одинаковую толщину -0,8 мкм. На сделанных снимках можно наблюдать, что TiN и A1N повторяют профиль подложки.
С помощью Оже-спектроскопии, совмещенной с ионно-лучевым травлением, было изучено распределение элементов по толщине образца.
Наибольший интерес представляет профиль распределения кислорода (рис. 3.15). Важно, что кислород неравномерно распределен по толщине пленки нитрида алюминия. Наибольшая концентрация кислорода наблюдается вблизи границы нитрид алюминия — нитрид титана. Причиной этого может быть как неравномерный захват пленкой кислорода во время роста, так и последующая диффузия кислорода на интерфейс.
Поскольку отжиг при 500 С в течение 30 минут не сказался на распределении кислорода, можно полагать, что оно определяется изменением содержания кислорода в газовой смеси в процессе роста, а так же сорбцией кислорода в период между нанесением пленки нитрида алюминия и нитрида титана. Во время горения разряда идет интенсивная сорбция кислорода поверхностями стенок и оснастки камеры, частично компенсирующее естественное натекание по уплотнениям, парциальное давление кислорода снижается. При выключении разряда происходит обратный процесс, парциальное давление кислорода увеличивается. На начальном этапе формирования слоя нитрида алюминия идет более интенсивное обогащение пленки кислородом.
Профиль поверхности пленки нитрида алюминия на кремнии имеет характерный вид, приводимый в литературе [83]. Сравнивая профили поверхностей пленок на разных подложках можно отметить, что обе пленки имеют текстурированную структуру, наиболее вероятно, что, как и в ранее исследованных пленках [84], это столбчатые кристаллиты, прорастающие на всю толщину пленки. Характерный размер кристаллитов составляет 10-150 нм. Однако наблюдается значительное различие в профилях. В отличие от практически ровной поверхности пленки A1N на TiN-Si, где наблюдаются лишь межкристаллитные границы и редкие, отдельные неровности, поверхность пленки A1N, выращенной на TiN-поликор, имеет сильно развитый рельеф с неровностями, ярко выраженными на фоне границ кристаллитов. Существуют локальные образования групп кристаллитов (по 3-4 кристаллита) и значительные, протяженные впадины и возвышенности.
Поскольку пленки A1N осаждались на обе подложки в едином технологическом цикле, наиболее вероятно, что подобное различие обусловлено различием поверхностей подложек.
Для исследования влияния подложки была проведена съемка профиля поверхности поликора (рис. 3.18). На снятом профиле видно: поверхность поликора очень развита, на ней присутствуют протяженные впадины, являющиеся микроцарапинами после полировки и локальные возвышенности.
Для оценки пленок на предмет наличия сквозных дефектов, т. е. каналов проводимости, и определения их природы проводилась диагностика с помощью атомно-силовой микроскопии в режиме сопротивления растекания.
Анализ сопротивления растекания пленок показал, что пленки нитрида алюминия, выращенные на подслое нитрида титана, имеют значительно меньшее число сквозных дефектов, чем выращенные в том же цикле на металлическом электроде (рис. 3.19, 3.20). Плотность сквозных дефектов пленки нитрида алюминия на алюминии минимум в 15 раз выше плотности сквозных дефектов пленки, выращенной на нитриде титана. Причем детальный анализ показал, что сквозные дефекты пленки, имеют различную приро ДУ Так, судя по характеру распределения шунтов группы (рис. 3.21), соответствующим одной впадине на пленке, геометрическим размерам области впадины (рис. 3.23), дефект пленки нитрида алюминия, выращенной на нитриде титана, возник за счет наличия в данном месте в процессе роста пленки частицы пыли.
Пленка же нитрида алюминия, выращенная на металле, имеет как подобные дефекты, так и дефекты второго вида. Дефекты второго вида встречаются чаще и, судя по совокупности данных о топологии и проводимости, представляют собой неплотные смыкания кристаллитов (рис. 3.23). Это соответствует литературным данным [6] о росте значительно напряженных пленок нитрида алюминия на неориентирующей подложке с возникновением большого количества сквозных дефектов.
