A good insulator for indium-phosphide (InP) semiconductor having low density of surface state and small hysteresis has been developed by the method of plasma anodization of aluminium deposited on InP. Best results have been obtained from the following experimental conditions: the evaporation rate of aluminium was $5 Å/sec; the thickness of Al was 250Å; the pressure of oxygen was 0.1 Torr; the temperature of substrate during anodization was $180-250^\circ{C}$; the density of anodizing current was 6mA/㎠. The resistivity of the plasma anodized $Al_2O_3$ is about $10^{12}\Omega \cdot cm$. This rather low resistivity of plasma anodized $Al_2O_3$ film is mainly attributed to phosphorus or indium atoms which have been penetrated during the anodization process. The capacitance vs. voltage characteristics of $Al_2O_3/n-InP$ and $Al_2O_3/p-InP$ have shown that the surface Fermi energy was located near conduction band edge at zero bias. The minimum density of surface state was $4\times10^{11}cm^{-2}eV^{-1}$ and its location was 0.42 eV below conduction band.
The accumulation mode InP metal-insulator-semiconductor-field-effect-transistors (MISFETs) have been fabricated using the plasma anodized $Al_2O_3$ as gate insulator. The threshold voltage and the effective channel mobility of this device have been evaluated as 1.2 V and 1250㎠/v·sec at 300K and -0.1V and 2000㎠/v·sec at 80K, respectively.
The variation of the electron concentration and the electron mobility with the dose of implanted sulphur ions has been investigated. The activation rate and the electron mobility of conductive $n^+$ layer were decreased from 70% and 2200㎠/v·sec to 29% and 600㎠/v·sec as the dose of $S^+$ was changed from $2\times 10^{12}cm^{-2}$ to $1\times10^{15}cm^{-2}$. In this experiment the thermal activation has been performed at $700^\circ{C}$ for 15 min in forming gas ambient with phosphorus silicate glass (PSG) encapsulant.
The pulse laser activation of $S^+$ implanted InP has been carried out by Q-switched ruby laser with 20 nsec pulse duration and 6743Å wavelength. The sheet resistance of implanted layer decreased from 10 M Ω/□ to 80 Ω/□ as the energy density of laser increased to 2.0J/㎠. In this case, the activation rate was 230% and the electron mobility was 100㎠/v·sec. The unphysically large activation rate was due to some excess electrons which were generated with the pulse laser irradiation. These excess electrons were easily removed by the heat treatment at $350^\circ{C}$ and completely annealed out at about $600^\circ{C}$.
The prototype self-aligned planar InP MISFETs were fabricated by the pulse laser activation process. The threshold voltage of this device was about OV and the effective mobility was 70㎠/v·sec. Further improvement is expected by adjusting experimental conditions such as energy density of pulse laser, implantation energy and temperature of post-heat-treatment.
The point defects generated by pulse laser irradiation and the deep levels existing after thermal activation of the $S^+$ implanted samples have been measured and characterized by the deep level transient spectroscopy (DLTS). The electron trap A3 located 0.42 eV below conduction band minimum of InP increased after the two processes : the thermal activation process and the pulse laser annealing process. The increase in density of the deep trap A3 with the temperature of heat treatment indicated that the deep trap A3 is attributed to the vacancies of phosphorus. The defects which appear after the pulse laser annealing of InP seem to be generated by the evaporation of phosphorus from the surface of InP wafer.
The electron mobility of InP was evaluated theoretically considering the scattering by polar optical phonon, ionized impurities, space charge region and deformation potential. The theoretical values of electron mobility obtained from this model are in good agreement with the measured values over the temperature range of 77K-300K.
The electron mobility decreased down to 50% of the original value in the thin conductive layer after the pulse laser irradiation when the energy density was 2.0 J/㎠. Comparing the results of Hall effect measurement and the DLTS measurement, the electron trap A3 was found to be associated with compensating acceptors which work as scatterers of electron in thin conductive layer formed on semiinsulating InP wafer.
인디윰포스파이드(InP) 전계효과트랜지스타(Metal-Insulator-Semiconductor-Field- Effect-Transistors, MISFETs)는 초고속 집적회로 및 초고주파용 증폭기의 기본 소자로서 최근에 각광을 받고있다. 이 논문은 이 소자의 제작에 가장 중요한 게이트 절연막 형성공정과 이온 주입층의 활성화공정에 대해서 새로운 공정들을 개발하였고 그 특성들을 조사하였다.
InP 반도체위에 증착된 알루미늄을 프라즈마 양극산화시킴으로써 계면준위밀도가 적고, 작은 히스테리시스를 갖는 절연막을 개발하였다. 이때의 실험조건은 다음과 같다. 즉 알루미늄의 증착속도 및 두께는 각각 5Å/sec 및 250Å이고 산소의 압력은 0.1Torr, 기판의 온도는 $180^\circ{C}＼sim 250^\circ{C}$ 그리고 양극산화전류는 6mA/㎠이다. 프라즈마 양극산화로 만들어진 $A\ell_2O_3$의 비저항은 약 $10^{12}\Omega＼cdot cm$로서 비교적 작은데 이것은 InP 기판중의 In이나 P 원자가 $A\ell_2O_3$ 절연막속에 섞여 있기 때문이다. $A\ell_2O_3$ 절연막속에 섞여있는 In이나 P의 양은 절연막사이에 걸리는 전압이 포화된 뒤부터 측정한 산화시간이 길어지면 길어질수록 많아지고 따라서 비저항의 크기가 작아진다. 적절한 산화시간은 산화막 사이의 전압이 포화된 뒤 2-3분 정도 더하는 것이다. n형 InP나 P형 InP에 만들은 MIS 다이오드의 용량-전압 특성으로부터 바이어스를 안 걸은 상태에서 표면의 훼르미에너지는 콘닥션 밴드쪽으로 치우쳐져있고 최소 계면 준위 밀도가 콘닥션 밴드 끝에서 0.42eV 떨어져서 $4\times10^{11}cm^{-2}eV^{-1}$의 크기를 가진 계면준위의 분포를 보여주고 있다. 이 막을 게이트 절연막으로 사용하여 축적형 InP MISFETs를 제작하였다. 이때 궐기전압과 전자의 이동도는 상온에서 1.2V와 1250㎠/V ·sec이고 80K에서 -0.1V와 2000㎠/V·sec이다.
이온 주입층의 활성화 방법으로서 열에 의한 활성화 특성을 연구하였다. 황($S^+$) 이온을 InP표면에 주입한뒤 PSG막을 보호막으로 사용하여 $700^\circ{C}$에서 15분 동안 열처리를 함으로써 주입된 황이온들의 활성화가 이루어졌다. 이때 활성화율과 전도층의 전자이동도는 황이온들의 주입량이 커짐에 따라 점점 작아져서 $2\times10^{12}cm^{-2}$ 일 때에 70%와 3000㎠/V·sec였던 것이 $1\times10^{15}cm^{-2}$ 일 때에는 29%와 600㎠/V·sec였다.
열에 의한 활성화 방법을 대신한 새로운 방법으로 펄스 레이져 활성화법이 제안되었다. Q 스위치 방식에 의해 만들어진 20 nsec의 펄스폭을 가진 루비레이져를 사용하여 황이온이 주입된 InP를 활성화시키었다. 2.0 J/㎠의 에너지 밀도를 가진 펄스 레이져를 사용하여 만든 전도층의 활성화율은 $1\times10^{15} cm^{-2}$의 주입량에서 230%이고 전자의 이동도는 100㎠/V·sec 로서 이렇게 커다란 활성화율은 펄스 레이져 조사에 의해 생성된 과잉의 전자에 의한 것이다. 이 과잉 전자들은 $350^\circ{C}$에서의 열처리에 의해 거의 없어지고 $600^\circ{C}$에서의 열처리에 의해서 완전히 없어진다. 이러한 펄스레이져 활성화 방법을 사용하여 셀프어라인 (selfalign)된 프레나형 InP MISFETs의 시작품을 만들었다. 제작된 소자의 궐기전압은 거의 0 V이고 전자의 이동도는 70㎠/V·sec로 이렇게 작은 전자의 이동도는 펄스레이져의 에너지밀도, 혹은 황이온들의 주입에너지의 조절 및 활성화후의 적절한 열처리에 의해서 많이 개선되리라 생각한다.
InP에서와 같이 제작 공정 중에 결정의 결함이 생기기 쉬운 반도체에서는 결함에 대한 연구 및 제어가 무척 중요하다. 따라서 펄스레이져 조사에 의하여 생성되는 결함을 DLTS방법을 사용하여 조사하였다. 0.2J/㎠의 펄스레이져의 조사에 의하여 콘닥션밴드 끝에서 0.42eV 떨어진 곳에 위치하는 깊은 준위(Deep Level, A3 level)의 농도가 현저히 증가하였고 이 준위는 $450^\circ{C}$에서 1.5시간 열처리를 한 InP에서도 현저히 증가하였다. 따라서 펄스레이져 조사에 의하여 InP내에서 생기는 결함은 P의 증발에 원인이 있다고 생각되어진다. 한편 InP결정내에서의 전자이동도에 관한 간단한 모델이 극성을 가진 광학적격자진동에 의한 전자의 산란, 이온화된 불순물에 의한 전자의 산란, 변형전위에 의한 전자의 산란, 공간전하 영역에 의한 전자의 산란등을 고려하여 제안되어 77K~300K의 온도 범위에서 측정치와 잘 일치하였다. DLTS의 측정 결과와 레이져조사된 전도층에서 Hall 이동도의 온도 의존성에 대한 위 모델에 의한 해석의 결과로부터 전자트랩인 A3 레벨이 InP내의 전자산란에 큰 영향을 끼침을 알아내었다.
