Влияние особенностей PECVD процессов осаждения SiNx на электрические параметры структур SiNx/AlGaN/GaN

Исследовано влияние процессов плазмохимического осаждения (PECVD) пленок SiN_x 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 SiN_x/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 SiN_x/АlGaN/GaN. Экспериментально показано, как технологические особенности процессов PECVD осаждения и подготовки поверхности могут влиять на электрические параметры формируемых гетероструктур.

1. Chevtchenko 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/10.1063/1.2740324

2. Liu 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/10.1063/1.3567927

3. Jayanta 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/1721.1/111325

4. Osipov 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.2018.2865106

5. Новак 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/10.24151/1561-5405-2017-22-2-138-146

6. Dergez 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.2014.11.392

7. Dinara 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/10.1063/1.4919098

8. Сейдман 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.

9. Enisherlova 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/S106373972008003X

10. Берлин Е.В., Григорьев В.Ю., Сейдман Л.А. Индуктивные источники высокоплотной плазмы и их технологические применения. М.: Техносфера, 2018, 462 с.

11. 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.49.056505

12. Kuiwei 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/electronics7120416

13. Romero 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.2008.915568

14. Meunier 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-01376016

15. Pletschen 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.2014.937

16. Антонова 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/6484

17. Fu 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/s00339-018-1702-6

18. Liu 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.2017.2669100

19. Liu 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.8b04694

20. Enisherlova 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/S1027451011070093

21. Антонов 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/5699

22. Yoder 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.201001143

23. Eller 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/10.1116/1.4807904

24. Gustafson B. Resonant tunneling in laterally confined quantum structures. Lund University (Sweeden), 2001, 106 p. https://lup.lub.lu.se/record/41579

25. Dong 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