表面预处理对InSb钝化层界面的影响

肖 钰，史梦然，宁 玮，段建春

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 前言

InSb材料在红外探测器研制中有着广泛的应用。InSb红外器件一般都制备在(111)In面上，此面上富集大量的In原子，In原子有较活泼的电化学性质，所以对于器件的性能而言，表面钝化技术很关键［1－2］。

一个好的钝化表面，应该能很好地控制半导体的表面势，提高半导体表面在不同环境中的稳定性。对InSb红外器件的研究表明:表面电荷积累将使PN结反向暗电流增大，1/f噪声增大。为提高器件性能，钝化后器件的表面电势应该控制在平带附近。InSb快表面态使得表面产生复合中心，为降低表面复合速度，钝化表面的快态密度必须尽可能的小。此外，InSb表面必须有足够高的势垒，也就是说钝化层的禁带宽度一定比InSb的要宽，把载流子限制在半导体内［3－5］。

对于InSb器件，通常采用CVD制备钝化层，例如PECVD。然而PECVD生长的SiO2膜和InSb之间存在晶格失配问题，制成的InSb器件通常存在显著的漏电问题。因此，需要对InSb表面进行预处理，不论采用电化学沉积还是等离子处理，目的都是在InSb衬底表面预先生长一层薄的过渡层。此过渡层作为缓冲层，应当是薄的氧化层或介质层。表面预处理后再淀积起掩蔽和阻挡效果的较厚钝化层［6－8］。

2 原理

生长过渡层的方法有很多种，以前的研究主要集中在InSb阳极氧化膜上。而本文通过介绍在晶片钝化前对晶片进行等离子预处理的方法，并通过实验对比等离子预处理和阳极氧化的处理效果。由于PECVD沉积SiO2膜时，需要向腔室内通入N2O和SiH4，为了方便并且不再引入额外的反应气体，我们选用N2O或SiH4的等离子体对InSb衬底表面进行等离子预处理［2，9］。

介绍一下等离子体预处理的相关原理。在辉光放电的等离子体中，反应物的激励方式主要是电子碰撞。电子碰撞的电离过程可以表示为:

式(2)～(5)中电离过程产生的离子团或离子都会与InSb衬底材料发生反应，生成新的物质。其中最先到达衬底表面的离子团会优先和衬底材料反应，并改变界面或表面特性。从上述电离过程可以看出，SiH4电离产物种类比N2O多，因此SiH4与InSb衬底材料的反应产物会较复杂。

3 实验

实验采用＜111＞晶向的n型InSb晶片，In面抛光。实验选用了4片InSb衬底片作为样品，编号依次为1、2、3、4。在4个样品上制作MIS(金属－绝缘－半导体)结构，通过测试InSb MIS结构的C－V特性来评价InSb钝化体系的电学性能。C－V测试设备采用MDC公司的4192A。

首先对InSb衬底表面进行清洗处理:首先用有机溶剂进行清洗，再用减薄液腐蚀掉表面损伤层，最

式(1)中A代表气态原子或气态分子，e为入射粒子的自由电子，经碰撞传递能量后速度降低。

SiH4在辉光放电的条件下电离的过程可以表示为:

N2O在辉光放电的条件下电离的过程可以表示为:后用HF水溶液清洗表面，用去离子水冲洗干净，最终得到4片表面状态基本一致的实验片。

其中，样品1不再做任何处理，保持清洗完后的状态。

对样品2进行阳极氧化处理，电流密度1 mA/cm2。

对样品3进行SiH4等离子处理。即在低温等离子沉积设备中，只通SiH4，打开射频，使SiH4解离，与样品3的 InSb晶片反应。

对样品4进行N2O等离子处理，即在低温等离子沉积设备中，只通N2O，打开射频，使N2O解离，与样品4的InSb晶片反应。

对样品3和样品4等离子预处理的工艺条件如表1所示。

表1 等离子预处理的工艺条件

然后4个样品再同时用低温等离子设备沉积SiO2钝化膜。最后在SiO2膜上蒸上金点，制得MIS结构。PECVD淀积 SiO2膜的工艺条件如表2所示。

表2 PECVD淀积SiO2的工艺条件

4 结果与分析

MIS结构的C－V测试是研究表面和界面性能有效的方法之一，可以分析由钝化层中的可动离子、钝化层中靠近半导体一侧的固定电荷、界面态等引起的不稳定性。对于n型半导体而言，在绝缘层存在正电荷将会在半导体表面感生负电荷。此时加上合适的负偏压，就会消除绝缘层的这种影响，半导体的能带变为平直状态。当再给n型半导体变为加正向偏压，即半导体从反型到积累，界面的表面态被电子填充，由带正电变为电中性，此时半导体能带恢复平直状态所需的负偏压比反型时要小。此时再由加正电压逐渐变为加负电压时，C－V曲线就发生滞回现象。钝化层中存在陷阱态的分布，滞回效应是不可避免的。

从图1中(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，C －V测量时所加的扫描电压均从负到正，再由正到负，扫描幅度－35 V到+35 V，其C－V曲线均不重合，均有ΔVFB的滞后。由于加了负偏压，半导体能带成平直状态，说明4个样品的钝化层中均存在正电荷，界面陷阱均为受主型。

当正极(栅极)加负偏压时，InSb表面出现耗尽，电容就会下降，，如果进一步提高负偏压就会引起强反型，造成最小电容值的出现，这时耗尽层宽度不再变化，最小电容在偏压恒定时保持一定。

图1 4个样品的高频C－V特性曲线

对于样品1，从图1(a)中可以看出，平带电压V=－19 V，滞回宽度ΔVFB=6 V，平带电压较大，这表明没有经过预处理的InSb表面悬挂键较多，表面固定电荷多。此外，样品1的C－V测试曲线中，滞回宽度明显，主要是因为当二氧化硅直接淀积在InSb表面上时，InSb中的载流子就会直接被SiO2中的陷阱俘获。

对于样品2，从图1(b)中可以看出，平带电压V=－14 V，滞回宽度ΔVFB=8 V，这表明阳极氧化在降低固定电荷方面效果明显。但是滞回宽度比样品1的略大，不能很好地控制界面陷阱。此外，高频特性曲线在达水平时，即出现最小电容值后，又出现了C－V曲线向上翘曲。这个现象说明此时的高频曲线在强反型区逐渐变差，表明InSb表面出现少子注入现象，使得InSb表面空间电容又有升高的趋势。这主要是由于阳极氧化的氧化产物成分很复杂，界面可能出现了某些电荷效应，导致阳极氧化的氧化膜中存在一定数量Sb+离子造成的。由于Sb+有较大的原子半径，移动速度慢，当陷阱中俘获的载流子充放电已经可以跟上偏压的变化时，以Sb+为中心的陷阱才刚刚开始对载流子进行俘获和发射［10－12］。

对于样品3，从图1(c)中可以看出，平带电压V=－30 V，滞回宽度ΔVFB=2 V，虽然滞回宽度小，但是平带电压太大。用SiH4的等离子体预处理InSb表面，可以显著地控制界面陷阱，却在钝化层中引入了更多的固定电荷。这主要是由于该工艺条件下，引入了电激活状态的H。当H到达InSb表面时，会与表面悬挂键结合。当低温淀积SiO2时，电激活的H又与SiO2发生反应，在InSb表面形成了一层富Si薄介质膜。富Si层明显阻碍了SiO2层中Si－OH和Si－H形成的陷阱中心对InSb表面载流子的俘获，但是SiH4的含硅的等离子体与InSb衬底易形成富Si层却使后续淀积的SiO2膜中的固定电荷不可控。

对于样品4，从图1(d)中可以看出，平带电压V=－11 V，滞回宽度ΔVFB=4 V，平带电压和滞回宽度都变小，说明N2O的等离子预处理对抑制界面陷阱和固定电荷效果都很显著。这主要是由于N2O的等离子预处理InSb表面时，在InSb表面形成的富O或是富N的薄氧化层，使得氧化层中的正电荷减少了，并且N元素还填充了氧化层中的陷阱态，使得载流子的俘获变少。

通过对上述不同表面预处理得到的钝化膜体系界面电学特性的分析，可以发现，用N2O的等离子体预处理InSb表面得到的钝化体系有明显优势。

5 结论

表面预处理对InSb钝化层体系的电学性能有明显的影响。不同的表面预处理方法作用效果不一样。从实验结果可以看出，对InSb晶片阳极氧化表面预处理，可以明显降低氧化层固定电荷，但是对于界面陷阱抑制作用不明显，反而增大了界面陷阱。SiH4等离子预处理明显降低了界面陷阱，但氧化层固定电荷明显增加。N2O等离子预处理在控制界面陷阱和氧化层固定电荷两方面效果明显，对InSb钝化层体系的电学性能改善最明显。

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