mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-2-107-118mateltech-439Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSВлияние особенностей PECVD процессов осаждения SiNx на электрические параметры структур SiNx/AlGaN/GaNInfluence of PECVD features of SiNx deposition processes on electrical parameters of SiNx/AlGaN/GaN structuresЕнишерловаК. Л.ЕnisherlovaK. L.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Енишерлова Кира Львовна — доктор техн. наук, начальник лаборатории

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187

Kira L. Еnisherlova — Dr. Sci. (Eng.), Head of Laboratory

enisherlova@pulsarnpp.ruСейдманЛ. А.SeidmanL. A.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Сейдман Лев Александрович — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187

Lev A. Seidman — Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher

seid1@yandex.ruТемперЭ. М.TemperE. T.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Темпер Элла Моисеевна — старший научный сотрудник

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187

Ella M. Temper — Senior Researcher

enisherlova@pulsarnpp.ruКонцевойЮ. А.KontsevoyYu. A.

Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187

Концевой Юлий Абрамович — доктор техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187

Yuliy A. Kontsevoy — Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Professor

kontsevoy@pulsarnpp.ruАО «НПП «Пульсар»РоссияJSC “S&PE “Pulsar”Russian Federation202130082021242107118Copyright © Енишерлова К.Л., Сейдман Л.А., Темпер Э.М., Концевой Ю.А., 20212021Енишерлова К.Л., Сейдман Л.А., Темпер Э.М., Концевой Ю.А.Еnisherlova K.L., Seidman L.A., Temper E.T., Kontsevoy Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/439

Исследовано влияние процессов плазмохимического осаждения (PECVD) пленок SiNx на электрические параметры структуры диэлектрик/АlGaN/GaN. Дан анализ влияния состава формируемых пленок, воздействия дополнительной обработки поверхности гетероструктур в плазме азота перед осаждением диэлектрика, а также влияния подачи ВЧ-смещения при такой обработке на особенности С—V- и I—V-характеристик структур SiNx/АlGaN/GaN. Установлено, что для пленок с соотношением концентраций азота и кремния 60 и 40 %, а также с повышенным содержанием кислорода характерно уменьшение фиксированного положительного заряда в этих структурах, однако, на I—V-характеристиках структур наблюдается появление пульсаций тока. Выявлено как режимы процесса плазмохимии влияют на такие параметры осцилляций, как период, амплитуда, длина участка I—V-характеристики, на котором наблюдаются осцилляции. Предложено возможное объяснение причин появления характерных пульсаций. Установлено, что дополнительное воздействие азотной плазмы на поверхность гетероструктуры до напуска в камеру моносилана приводит к изменению величины и знака фиксированного заряда, а также к уменьшению концентрации свободных носителей в канале двумерного газа гетероструктур SiNx/АlGaN/GaN. Экспериментально показано, как технологические особенности процессов PECVD осаждения и подготовки поверхности могут влиять на электрические параметры формируемых гетероструктур.

In this work, we studied the influence of the processes of plasma-chemical deposition of SiNx films on the electrical parameters of the dielectric/AlGaN/GaN structure. The effect of the composition of the formed films, the effect of additional surface treatment of heterostructures in nitrogen plasma prior to dielectric deposition, as well as the effect of the RF bias supply during this treatment on the C-V and I-V characteristics of the SiNx/AlGaN/GaN structures were analyzed. It was found that for films with a ratio of nitrogen and silicon concentrations of 60 % and 40 %, as well as with an increased oxygen content, a decrease in the value of a fixed positive charge in these structures is characteristic, but the appearance of current pulsations is observed on the I-V characteristics of the structures. It was revealed how the modes of the plasma chemistry process affect such parameters of oscillations as the period, amplitude, length of the section of the I-V characteristic, where oscillations are observed. A possible explanation of the reasons for the appearance of characteristic pulsations is proposed. It has been established that the additional action of nitrogen plasma on the surface of the heterostructure before the monosilane is introduced into the chamber leads to a change in the magnitude and sign of the fixed charge and to a decrease in the concentration of free carriers in the channel of a two-dimensional gas of SiNx/AlGaN/GaN heterostructures. It is shown experimentally how the technological features of the deposition and surface preparation processes can affect the electrical parameters of the formed heterostructures.

гетероструктурапассивирующее покрытиеметод осаждения PECVDС—V-характеристикаНЕМТI—V-характеристикапьезозаряд2DEGheterostructurepassivating coatingPECVD deposition methodC-V characteristicHEMT transistorI-V characteristicpiezo charge2DEGReferencesChevtchenko S.A., Reshchikov M.A., Fan Q., Ni X., Moon Y.T., Baski A.A., Morkoç H. Study of SiNx and SiO2 passivation of GaN surfaces. J. Appl. Phys., 2007; 101(11): 113709. https://doi.org/10.1063/1.2740324Chevtchenko S.A., Reshchikov M.A., Fan Q., Ni X., Moon Y.T., Baski A.A., Morkoç H. Study of SiNx and SiO2 passivation of GaN surfaces. J. Appl. Phys., 2007; 101(11): 113709. https://doi.org/10.1063/1.2740324Liu Z.H., Ng G.I., Zhou H., Arulkumaran S., Maung Y.K.T. Reduced surface leakage current and trapping effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors on silicon with SiN/Al2O3 passivation. Appl. Phys. Lett., 2011; 98(11): 113506. https://doi.org/10.1063/1.3567927Liu Z.H., Ng G.I., Zhou H., Arulkumaran S., Maung Y.K.T. Reduced surface leakage current and trapping effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors on silicon with SiN/Al2O3 passivation. Appl. Phys. Lett., 2011; 98(11): 113506. https://doi.org/10.1063/1.3567927Jayanta Joglekar S. Surface and mechanical stress effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Thesis: Ph.D. Massachusetts Institute of Technology, 2017, 161 p. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/111325Jayanta Joglekar S. Surface and mechanical stress effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Thesis: Ph.D. Massachusetts Institute of Technology, 2017, 161 p. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/111325Osipov K.Y., Ostermay I., Brunner F., Würfl J., Tränkle G. Effect of external mechanical stress on DC performance and reliability of integrated E/D GaN HEMTs. IEEE Trans. Semicond. Manuf., 2018; 31(4): 419—425. https://doi.org/10.1109/TSM.2018.2865106Osipov K.Y., Ostermay I., Brunner F., Würfl J., Tränkle G. Effect of external mechanical stress on DC performance and reliability of integrated E/D GaN HEMTs. IEEE Trans. Semicond. Manuf., 2018; 31(4): 419—425. https://doi.org/10.1109/TSM.2018.2865106Новак А.В., Новак В.Р., Дедкова А.А., Гусев Е.Э. Зависимость механических напряжений в плёнках нитрида кремния от режимов плазмохимического осаждения. Известия вузов. Электроника, 2017; 22(2): 138—146. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-2-138-146Novak A.V., Novak V.R., Dedkova A.A., Gusev E.E. Dependence of mechanical stress in silicon nitride films on conditions of plasma-enhanced chemical vapor deposition. Proc. of universities. Electronics, 2017; 22(2): 138—146. (In Russ.). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2017-22-2-138-146Dergez D., Bittner A., Schalko J., Schmid U., Low-stress and long-term stable a-SiNx: H films deposited by ICP-PECVD. Procedia Engineering, 2014; 87: 100—103. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.11.392Dergez D., Bittner A., Schalko J., Schmid U., Low-stress and long-term stable a-SiNx: H films deposited by ICP-PECVD. Procedia Engineering, 2014; 87: 100—103. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.11.392Dinara S.M., Jana S.K., Ghosh S., Mukhopadhyay P., Kumar R., Chakraborty A., Biswas D., Bhattacharya S. Enhancement of two dimensional electron gas concentrations due to Si3N4 passivation on Al0.3Ga0.7N/GaN heterostructure: strain and interface capacitance analysis. AIP Advances, 2015; 5(4): 047136—047136-11. https://doi.org/10.1063/1.4919098Dinara S.M., Jana S.K., Ghosh S., Mukhopadhyay P., Kumar R., Chakraborty A., Biswas D., Bhattacharya S. Enhancement of two dimensional electron gas concentrations due to Si3N4 passivation on Al0.3Ga0.7N/GaN heterostructure: strain and interface capacitance analysis. AIP Advances, 2015; 5(4): 047136—047136-11. https://doi.org/10.1063/1.4919098Сейдман Л.А., Концевой Ю.А., Енишерлова К.Л., Миннебаев С.В. Пленки SiNx, полученные методом PECVD, в качестве пассивации AlGaN/GaN HEMT. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 2020; (3(258)): 22—33.Seidman L.A., Enisherlova K.L., Koncevoy U.A., Minnebaev S.V., Jilnicov I.A. SiNx films obtained by the PECVD metod as passivation of AlGaN/GaN HEMT. Electronic engineering. Series 2. Semiconductor devices, 2020; (3 (258)): 22—33. (In Russ.). http://j.pulsarnpp.ru/images/journal/issues/2020/3_258/Seidman_str22.pdfEnisherlova K.L., Temper E.M., Kolkovsky Y.V., Medvedev B.K., Kapilin S.A. The ALD films of Al2O3, SiNx, and SiON as passivation coatings in AlGaN/GaN HEMT. Russ. Microelectron., 2020; 49(8): 603—611. https://doi.org/10.1134/S106373972008003XEnisherlova K.L., Temper E.M., Kolkovsky Y.V., Medvedev B.K., Kapilin S.A. The ALD films of Al2O3, SiNx, and SiON as passivation coatings in AlGaN/GaN HEMT. Russ. Microelectron., 2020; 49(8): 603—611. https://doi.org/10.1134/S106373972008003XБерлин Е.В., Григорьев В.Ю., Сейдман Л.А. Индуктивные источники высокоплотной плазмы и их технологические применения. М.: Техносфера, 2018, 462 с.Berlin E.V., Grigoriev V.Yu., Seidman L.A. Induktivnye istochniki vysokoplotnoi plazmy i ikh tekhnologicheskie primeneniya [Inductive sources of high-density plasma and their technological applications]. Moscow: Tekhnosfera, 2018, 462 p. (In Russ.)Gweon G.H., Lim J.H., Hong S.P.,Yeom G.Y. Effect of DC bias voltage on the characteristics of low temperature silicon—nitride films deposited by internal linear antenna inductively coupled plasma source. Jpn. J. Appl. Phys., 2010; 49(5R): 056505. https://doi.org/10.1143/JJAP.49.056505Gweon G.H., Lim J.H., Hong S.P.,Yeom G.Y. Effect of DC bias voltage on the characteristics of low temperature silicon—nitride films deposited by internal linear antenna inductively coupled plasma source. Jpn. J. Appl. Phys., 2010; 49(5R): 056505. https://doi.org/10.1143/JJAP.49.056505Kuiwei Geng , Ditao Chen, Quanbin Zhou, Hong Wang. AlGaN/GaN MIS-HEMT with PECVD SiNx, SiON, SiO2 as gate dielectric and passivation layer. Electronics, 2018; 7(12): 416. https://doi.org/10.3390/electronics7120416Kuiwei Geng , Ditao Chen, Quanbin Zhou, Hong Wang. AlGaN/GaN MIS-HEMT with PECVD SiNx, SiON, SiO2 as gate dielectric and passivation layer. Electronics, 2018; 7(12): 416. https://doi.org/10.3390/electronics7120416Romero M.F., Jimenez A., Miguel-Sánchez J., Braña A.F., González-Posada F., Cuerdo R., Calle F., Muñoz E. Effects of N2 plasma pretreatment on the SiN passivation of AlGaN/GaN HEMT. IEEE Electron Device Lett., 2008; 29(3): 209—211. https://doi.org/10.1109/LED.2008.915568Romero M.F., Jimenez A., Miguel-Sánchez J., Braña A.F., González-Posada F., Cuerdo R., Calle F., Muñoz E. Effects of N2 plasma pretreatment on the SiN passivation of AlGaN/GaN HEMT. IEEE Electron Device Lett., 2008; 29(3): 209—211. https://doi.org/10.1109/LED.2008.915568Meunier R. Optimization of the elaboration of insulating layers for the gate structures and the passivation of MIS-HEMT transistors on GaN: Dr. Diss. Université Paul Sabatier-Toulouse III, 2016, 154 p. https://hal.laas.fr/tel-01376016Meunier R. Optimization of the elaboration of insulating layers for the gate structures and the passivation of MIS-HEMT transistors on GaN: Dr. Diss. Université Paul Sabatier-Toulouse III, 2016, 154 p. https://hal.laas.fr/tel-01376016Pletschen W., Kirste L., Cimalla V., Müller S., Himmerlich M., Krischok S., Ambacher O. Changes of electronic properties of AlGaN/GaN HEMTs by surface treatment. MRS Online Proceedings Library (OPL), 2014, 1736. https://doi.org/10.1557/opl.2014.937Pletschen W., Kirste L., Cimalla V., Müller S., Himmerlich M., Krischok S., Ambacher O. Changes of electronic properties of AlGaN/GaN HEMTs by surface treatment. MRS Online Proceedings Library (OPL), 2014, 1736. https://doi.org/10.1557/opl.2014.937Антонова И.В., Поляков В.И., Руковишников А.И., Мансуров В.Г., Журавлев К.С., Глубокие уровни и электронный транспорт в гетероструктурах AlGaN/GaN. Физика и техника полупроводников, 2008; 42(1): 53—59. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/6484Antonova I.V., Mansurov V.G., Zhuravlev K.S., Polyakov V.I., Rukavishnikov A.I. Deep levels and electron transport in AlGaN/GaN heterostructures. Semiconductors, 2008; 42(1): 52—58. https://doi.org/10.1007/s11453-008-1007-zFu C., Lin Z., Cui P., Lv Y., Zhou Y., Dai G., Luan C., Liu H., Cheng A. The influence of the PCF scattering on the electrical properties of the AlGaN/AlN/GaN HEMTs after the Si3N4 surface passivation. Appl. Phys. A, 2018; 124(4): 1—10. https://doi.org/10.1007/s00339-018-1702-6Fu C., Lin Z., Cui P., Lv Y., Zhou Y., Dai G., Luan C., Liu H., Cheng A. The influence of the PCF scattering on the electrical properties of the AlGaN/AlN/GaN HEMTs after the Si3N4 surface passivation. Appl. Phys. A, 2018; 124(4): 1—10. https://doi.org/10.1007/s00339-018-1702-6Liu S.C., Huang C.K., Chang C.H., Lin Y.C., Chen B.Y., Tsai S.P., Majlis B.Y., Dee C.F., Chang E.Y., Effective passivation with high-density positive fixed charges for GaN MIS-HEMTs. IEEE J. Electron Devices Society, 2017; 5(3): 170—174. https://doi.org/10.1109/JEDS.2017.2669100Liu S.C., Huang C.K., Chang C.H., Lin Y.C., Chen B.Y., Tsai S.P., Majlis B.Y., Dee C.F., Chang E.Y., Effective passivation with high-density positive fixed charges for GaN MIS-HEMTs. IEEE J. Electron Devices Society, 2017; 5(3): 170—174. https://doi.org/10.1109/JEDS.2017.2669100Liu X., Wang X., Zhang Y., Wei K., Zheng Y., Kang X., Jiang H., Li J., Wang W., Wu X., Wang X. Insight into the near-conduction band states at the crystallized interface between GaN and SiNx grown by low-pressure chemical vapor deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018; 10(25): 21721—21729. https://doi.org/10.1021/acsami.8b04694Liu X., Wang X., Zhang Y., Wei K., Zheng Y., Kang X., Jiang H., Li J., Wang W., Wu X., Wang X. Insight into the near-conduction band states at the crystallized interface between GaN and SiNx grown by low-pressure chemical vapor deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018; 10(25): 21721—21729. https://doi.org/10.1021/acsami.8b04694Enisherlova K.L., Kulikauskas V.S., Zatekin V.V., Rusak T.F., Gladysheva N.B., Razgulyaev I.I. AlGaN/GaN heterostructure study using Rutherford backscattering spectrometry. J. Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2011; 5(4): 626—635. https://doi.org/10.1134/S1027451011070093Enisherlova K.L., Kulikauskas V.S., Zatekin V.V., Rusak T.F., Gladysheva N.B., Razgulyaev I.I. AlGaN/GaN heterostructure study using Rutherford backscattering spectrometry. J. Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2011; 5(4): 626—635. https://doi.org/10.1134/S1027451011070093Антонов А.В., Гавриленко В.И., Демидов Е.В., Звонков Б.Н., Ускова Е.А. Осцилляции тока при латеральном транспорте в гетероструктурах GaAs/InGaAs с квантовыми ямами. Физика и техника полупроводников, 2005; 39(1): 53—58. http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/5699Antonov A.V., Gavrilenko V.I., Demidov E.V., Zvonkov B.N., Uskova E.A. Current oscillations under lateral transport in GaAs / InGaAs quantum well heterostructures. Fizika i tekhnika poluprovodnikov, 2005; 39(1): 53—58. (In Russ.). http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/5699Yoder P.D., Sridharan S., Graham S., Shen S.C., Ryou J.H., Dupuis R.D. Traveling dipole domains in AlGaN/GaN heterostructures and the direct generation of millimeter-wave oscillations. Phys. Status Solidi C, 2011; 8(7–8): 2285—2287. https://doi.org/10.1002/pssc.201001143Yoder P.D., Sridharan S., Graham S., Shen S.C., Ryou J.H., Dupuis R.D. Traveling dipole domains in AlGaN/GaN heterostructures and the direct generation of millimeter-wave oscillations. Phys. Status Solidi C, 2011; 8(7–8): 2285—2287. https://doi.org/10.1002/pssc.201001143Eller B.S., Yang J., Nemanich R.J., Electronic surface and dielectric interface states on GaN and AlGaN. J. Vacuum Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2013; 31(5): 050807. https://doi.org/10.1116/1.4807904Eller B.S., Yang J., Nemanich R.J., Electronic surface and dielectric interface states on GaN and AlGaN. J. Vacuum Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2013; 31(5): 050807. https://doi.org/10.1116/1.4807904Gustafson B. Resonant tunneling in laterally confined quantum structures. Lund University (Sweeden), 2001, 106 p. https://lup.lub.lu.se/record/41579Gustafson B. Resonant tunneling in laterally confined quantum structures. Lund University (Sweeden), 2001, 106 p. https://lup.lub.lu.se/record/41579Dong Z., Hao R., Zhang Z., Cai C., Zhang B., Cheng Z. Impact of N-plasma treatment on the Current collapse of ALGAN/GAN HEMTs. In: 12th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). Guilin (China): IEEE, 2014, pp. 1—3. https://doi.org/10.1109/ICSICT.2014.7021380Dong Z., Hao R., Zhang Z., Cai C., Zhang B., Cheng Z. Impact of N-plasma treatment on the Current collapse of ALGAN/GAN HEMTs. In: 12th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT). Guilin (China): IEEE, 2014, pp. 1—3. https://doi.org/10.1109/ICSICT.2014.7021380

The authors declare that there are no conflicts of interest present.