Исследование p–i–n-диодных структур на высокоомных кремниевых подложках методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ FUNDAMENTAL RESEARCHES

Научная статья УДК 621.382.2/.3

doi:10.24151/1561-5405-2024-29-4-411-419 EDN: GKKWLH

Исследование p-i-n-диодных структур на высокоомных кремниевых подложках методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней

Т. В. Григорьева1, С. А. Голубков2, А. Н. Бойко1

1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

г. Москва, Россия

2

АО «Зеленоградский нанотехнологический центр», г. Москва,

Россия

tanya.gri.02@mail.ru

Аннотация. При проектировании выполненных на высокоомном кремнии p-i-n-диодных структур, чувствительных к посторонним примесям, требуется учитывать особенности технологических сред, в которых они обрабатываются, и их последующее влияние на основные характеристики изделия. Для исследования технологических примесей, которые диффундируют с поверхности в объем p-i-n-диодной структуры во время процесса ее изготовления, применяется метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней, характеризующийся высокой чувствительностью, возможностью определения природы примеси и др. В работе проведено исследование p-i-n-диодных структур, выполненных на подложках высокоомного кремния, методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней. С использованием спектроскопии показано наличие в запрещенной зоне кремния глубоких донорных уровней, обусловленных присутствием серы в теле p-i-n-диода. Установлено, что наличие примесной серы приводит к нежелательному снижению удельного объемного сопротивления подложки и ухудшению характеристик p-i-n-диода. Результаты исследования могут быть использованы при изготовлении p-i-n-диодов и других полупроводниковых структур на высокоомном кремнии, чувствительных к посторонним примесям.

Ключевые слова: p-i-n-диоды, загрязнение серой, высокоомный кремний, релаксационная спектроскопия глубоких уровней, напряжение полного обеднения

© Т. В. Григорьева, С. А. Голубков, А. Н. Бойко, 2024

Для цитирования: Григорьева Т. В., Голубков С. А., Бойко А. Н. Исследование p-i-n-диодных структур на высокоомных кремниевых подложках методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней // Изв. вузов. Электроника. 2024.

Т. 29. № 4. С. 411-419. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-4-411-419. -EDN: GKKWLH.

Original article

Research into p-i-n diode structures on high-resistivity silicon substrates using deep-level transient spectroscopy

T. V. Grigoreva1, S. А. Golubkov2, А. N. Boiko1

National Research University of Electronic Technology, Moscow,

Russia

JSC “Zelenograd Nanotechnology Center ”, Moscow, Russia tanya.gri.02@mail.ru

Abstract. During the design of foreign impurity-sensitive p-i-n diode structures made on high-resistivity silicon it is required to account the features of processing media in which they are treated and their subsequent effect on basic performance of product. The deep-level transient spectroscopy is used to study process impurities diffusing from surface into p-i-n diode structure contents during its manufacturing, this method is characterized by high sensitivity, the possibility to define the nature of impurity etc. In this work, p-i-n diode structures made on high-resistivity silicon substrates were studied by deep-level transient spectroscopy. The results of the spectroscopic study showed the occurrence of deep donor levels in the silicon band gap due to the presence of sulfur in the body of p-i-n diode. It has been established that the occurrence of sulfur impurity leads to an undesirable decrease in the specific volume resistance of the substrate and to p-i-n diode deterioration. The results of the study can be used in the manufacture of p-i-n diodes and other foreign impurity-sensitive semiconductor structures on high-resistivity silicon.

Keywords: p-i-n diodes, sulfur contamination, high-resistivity silicon, deep-level transient spectroscopy, depletion voltage

For citation: Grigoreva T. V., Golubkov S. A., Boiko А. N. Research into p-i-n diode structures on high-resistivity silicon substrates using deep-level transient spectroscopy.

Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 4, pp. 411-419. https://doi.org/10.24151/ 1561-5405-2024-29-4-411-419. - EDN: GKKWLH.

Введение. Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений, в частности p-i-n-диоды, широко используются в прикладной технике, научных исследованиях, физике высоких энергий [1, 2]. Протяженная низколегированная i-область в приборной структуре является функциональной особенностью p-i-n-диодов. В то же время наличие низколегированной области приводит к тому, что p-i-n-структуры крайне чувствительны к различного рода примесям. Поэтому при разработке p-i-n-диодов необходимо уделять особое внимание влиянию нежелательных примесей, в том числе технологических загрязнений.

Негативное влияние посторонних примесей на характеристики полупроводниковых p-i-n-диодов исследовалось многими авторами. Например, в работе [3] продемонстрировано влияние углерода на электрические характеристики p-i-n-диодов: показано существование в объеме монокристаллического кремния дефектов упаковки и углерод-кислородных комплексов Ci-Oi, приводящих к ухудшению электрических характеристик. Установлено, что с увеличением концентрации углерода повышается обратный ток утечки, уменьшается время обратного восстановления, возрастает значение падения напряжения. В работе [4] показано, что углеродные примеси влияют на электродинамические характеристики p-i-n-диодных структур, облученных гелием. Обнаружено увеличение концентрации дырочных ловушек в структуре, которое объясняется авторами образованием комплексов Ci-Oi из углеродных загрязнений во время облучения гелием. Нежелательной донорной примесью, оказывающей влияние на характеристики полупроводниковых структур, является также сера [5, 6] - быстродиффундирующая примесь, создающая в кремнии глубокие уровни на 0,18 и 0,37 эВ ниже зоны проводимости [7].

Цель настоящей работы - исследование влияния технологически внесенных примесей на параметры экспериментальных p-i-n-диодных структур для совершенствования технологических процессов создания полупроводниковых приборов.

Подготовка экспериментальных образцов. Схема экспериментальной p-i-n-диод-ной структуры представлена на рис. 1. В данной структуре p- и n-области сильнолегированные, что необходимо для создания омических контактов. При подаче на p-n-переход напряжения обратного смещения в области обеднения (i-области) в структуре формируется область пространственного заряда с пониженной концентрацией свободных носителей (см. рис. 1) [8]. Малая концентрация свободных носителей заряда в подложке определяет значительную глубину проникновения поля, до второго (нижнего) электрода, позволяя достигать полного обеднения подложки.

Рис. 1. Схема p-i-n-диодной структуры в разрезе Fig. 1. The scheme of the p-i-n diode structure in the section

Экспериментальные p-i-n-диодные структуры изготавливали на высокоомном кремнии n-типа, полученном методом бестигельной зонной плавки. Использовали пластины толщиной 320 мкм с удельным объемным сопротивлением более 5 кОм/см. Технологический маршрут изготовления образцов включает ряд высокотемпературных операций: отжиг структур после ионной имплантации BF2+ и P; термическое окисление кремния; вжигание алюминиевых контактов. Высокотемпературные процессы, в свою очередь, способствуют проникновению в кремний быстродиффундирующих примесей, что может повлиять на проводимость кремния вплоть до инверсии ее типа. Поэтому важной особенностью эксперимента является то, что на определенных этапах пластины

из экспериментальной партии обрабатывали в разных растворах: три пластины - в растворе Каро (смесь перекиси водорода H2O2 и серной кислоты H2SO4), а три другие пластины дополнительно обрабатывали в перекисно-аммиачном растворе (ПАР) после обработки в растворе Каро. Такое разделение экспериментальных образцов необходимо для определения потенциальных источников технологически внесенных примесей.

Измерение вольт-фарадных характеристик образцов. Для определения напряжения полного обеднения и измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ) p-i-n-диодных структур собран измерительный стенд, включающий в себя измеритель иммитанса Е7-30, источник питания и специализированную оснастку для подключения к полупроводниковым структурам зондовым способом. Схема стенда представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема стенда для измерения ВФХ p-i-n-диодных структур Fig. 2. Scheme of a stand for measuring the volt-farad characteristics of p-i-n diode structures

Полученные на стенде ВФХ перестраивали в координатных осях зависимости величины 1/С2 от напряжения U (рис. 3). Напряжение полного обеднения определяли по участку выхода графика на насыщение, тангенс угла наклона графика до участка насыщения характеризует удельное сопротивление подложки.

Кривые на рис. 3, полученные для образцов, обработанных с использованием разных растворов, отчетливо демонстрируют, что ВФХ при обработке в растворе ПАР имеет линейный вид до участка насыщения, меньшее напряжение полного обеднения и меньший разброс параметров от образца к образцу. Полученные при использовании ПАР характеристики проектируемых p-i-n-диодов можно оценить как соответствующие искомым характеристикам. В то время как при использовании раствора Каро возрастает напряжение полного обеднения, ход кривых ВФХ до области насыщения имеет

Рис. 3. ВФХ p—i—n-диодных структур Fig. 3. Volt-farad characteristics of p—i—n diode structures

нелинейный вид и увеличивается разброс параметров у разных образцов. Исходя из этих данных сделано предположение о том, что нежелательное изменение характеристик образцов, обработанных в растворе Каро, произошло вследствие легирования пластин серой, содержащейся в этом растворе.

Исследования методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней. Для исследования паразитных примесей выбран метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ; Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS). Метод дает возможность определения пространственного распределения примесей, обладает высокой чувствительностью и разрешающей способностью, позволяет обнаруживать глубокие примесные уровни с разрешением по энергии около 0,03 эВ [9]. Метод зарекомендовал себя при исследовании влияния примесей на параметры полупроводников и полупроводниковых приборных структур [4, 6, 10, 11]. Аппаратно измерения методом РСГУ проводят следующим образом: образец в вакуумной камере охлаждают до температуры жидкого азота, а затем постепенно нагревают. При определенных температурах активируются глубокие уровни, которые вносят вклад в емкость обратносмещенного р—n-перехода (происходит релаксация емкости). Схема измерений методом РСГУ представлена на рис. 4.

Исследования влияния посторонних примесей методом РСГУ проводили в диапазоне температур 77—300 К на пяти экспериментальных p—i—n-диодных структурах, обработанных в растворе Каро, с активной площадью 1 см (рис. 5). Результаты исследований энергетических характеристик экспериментальных р—i—n-диодных структур представлены в табл. 1 и 2.

Анализ полученных данных по генерационным центрам позволяет сделать вывод, что изменение энергетических состояний определяется влиянием примесной серы, которая может находиться в двух состояниях — S и S2 [12, 13]. Сера, имея энергию активации 0,18 и 0,37 эВ, действует как центр глубокого донорства в кремнии [14]. Полученные данные коррелируют с аналогичными исследованиями кремниевых образцов, легированных серой [6].

Вакуумная камера

Компьютер

Шина

интерфейса

Регулятор

температуры

с программой

Блок

ооработки

сигнала

Быстрый

измеритель

емкомсти

Образец

Подложка

контроля температуры

Рис. 4. Схема проведения измерений методом РСГУ Fig. 4. The scheme of measurements by the DLTS method

С истема

охранных

колец

Раоочая

ооласть

Контактные

площадки

см

Рис. 5. Изображение экспериментального образца, полученное в оптическом микроскопе Fig. 5. An image of an experimental sample obtained in an optical microscope

Таблица 1

Результаты исследования примесных уровней методом РСГУ

Table 1

Results of the study of impurity levels by deep-level transient spectroscopy

Номер Энергия уровня Сечение захвата, см2 Природа

генерационного генерационного генерационного

центра центра Ec, эВ центра

А 0,16 4,010-16 S2

D2a 0,255 1,010-16 S2

Аь 0,271 1,4 10-17 S

D3 0,55 3,3-10-15 S

Таблица 2

Результаты определения концентрации глубоких уровней методом РСГУ

Table 2

Results of test for deep levels concentration by deep-level transient spectroscopy

Номер образца Концентрация генерационных центров, см 3

А Aa Аь А

1 8,0-109 - 1,5-1010 1,51010

2 7,0109 6,2108 9,0109 9,0109

3 7,5109 - 1,1510й 9,51010

4 8,6-109 1,45109 4,71010 4,9-1010

5 6,7-109 - 2,0-1011 1,610й

Коэффициент диффузии серы в кремнии достаточно высокий и составляет 3,410-8 м/с при 1100 °C. Это может привести к тому, что при определенных условиях сера будет диффундировать в объем подложки на значительную глубину, представляя собой быстродиффундирующую примесь [15]. В процессе нежелательного распределения примеси по объему значима неравновесная ускоренная диффузия, происходящая в имплантированном кремнии при термообработках [16]. Это явление объясняется взаимодействием примесей с собственными междоузельными атомами кремния и вакансиями, формируемыми в большой концентрации при имплантации. Так как концентрация донорной примеси в исходной подложке мала и составляет порядка 1011-1012 см-3, небольшие концентрации серы, предельная растворимость которой в кремнии состав-

15 з

ляет около 210 см [7, 17], могут значительно изменять удельное сопротивление подложки [15].

Заключение. Проведенные исследования с применением метода РСГУ показали, что использование в технологии создания p-i-n-диодов раствора Каро может приводить к нежелательному легированию образцов донорной примесью серы и значительному ухудшению характеристик приборных структур. Из-за примесной серы в запрещенной зоне кремния образуются дополнительные энергетические уровни. Это, в свою очередь, приводит к увеличению напряжения полного обеднения p-i-n-диодов и является нежелательным эффектом.

Результаты работы могут быть использованы в полупроводниковой электронике, в частности при создании структур на основе высокоомного кремния, а также при исследовании полупроводниковых структур методом РСГУ.

Материалы статьи доложены на 7-й Научно-практической конференции «Интеллектуальные системы и микросистемная техника - 2023» (31 января - 06 февраля 2023 г., Кабардино-Балкарская Республика, пос. Эльбрус).

Литература

1. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике / Ю. К. Акимов, О. В. Игнатьев, А. И. Калинин, В. Ф. Кушнирук; под ред. Ю. К. Акимова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 344 с.

2. Соминский М. С. Полупроводники. Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1967. 440 с.

3. Effects of carbon impurity in monocrystalline silicon on electrical properties and the mechanism analysis of PIN rectifier diodes / X. Sun, H. Guo, Y. Zhang et al. // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 22868-22875. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3055279

4. Impact of carbon impurities in silicon PIN diodes on electrical dynamic characteristics / T. Sugiyama, M. Yamazaki, F. Niwa et al. // R&D Review of Toyota CRDL. 2012. Vol. 43. Iss. 1. P. 61-68.

5. Carlson R. O., Hall R. N., PellE. M. Sulfur in silicon // J. Phys. Chem. Solids. 1959. Vol. 8. P. 81-83. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90279-3

6. Detection of sulfur-related defects in sulfur diffused n- and ^-type Si by DLTS / K. Gwozdz, V. Kolkovsky, J. Weber et al. // Phys. Status Solidi A. 2019. Vol. 216. Iss. 17. Art. No. 1900303. https://doi.org/10.1002/pssa.201900303

7. О растворимости серы в кремнии / В. Б. Шуман, А. А. Махова, Ю. А. Астров и др. // ФТП. 2012. Т. 46. № 8. С. 993-994. EDN: RCQUCR.

8. Review of photodetectors characterization methods / Z. Bielecki, K. Achtenberg, M. Kopytko et al. // Bull. Polish Acad. Sci. Tech. Sci. 2022. Vol. 70. No. 2. Art. No. e140534. https://doi.org/10.24425/ bpasts.2022.140534

9. Чопра К. Л., Дас С. Р. Тонкопленочные солнечные элементы / сокр. пер. с англ. И. П. Гавриловой; под ред. М. М. Колтуна. М.: Мир, 1986. 440 с.

10. Литвинов В. Г., Гудзев В. В., Милованова О. А., Рыбин Н. Б. Релаксационная спектроскопия полупроводниковых микро- и наноструктур // Вестник Рязанского гос. радиотехн. ун-та. 2009. № 30. С. 62-70. EDN: KXTWMD.

11. DLTS study of defects in HgCdTe heterostructure photodiode / K. Majkowycz, K. Murawski, T. Manyk et al. // J. Electron. Mater. 2023. Vol. 52. P. 7074-7080. https://doi.org/10.1007/s11664-023-10653-x

12. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1998. 743 с.

13. Rosier L. L., Sah C. T. Thermal emission and capture of electrons at sulfur centers in silicon // Solid-State Electronics. 1971. Vol. 14. Iss. 1. P. 41-54. https://doi.org/10.1016/0038-1101(71)90047-5

14. Deep level analysis of radiation-induced defects in Si crystals and solar cells / M. Yamaguchi, A. Khan,

S. J. Taylor et al. // J. Appl. Phys. 1999. Vol. 86. Iss. 1. P. 217-223. https://doi.org/10.1063/L370698

15. Перераспределение глубоких примесей селена и серы в кремнии при легировании поверхности фосфором / Ю. А. Астров, В. А. Козлов, А. Н. Лодыгин и др. // ФТП. 2009. Т. 43. № 6. С. 739-744. EDN: RCPYCJ.

16. Мильчанин О. В., Комаров Ф. Ф., Плебанович В. И., Комаров А. Ф. Совместная с ионами BF2+ имплантация углерода при создании ^-n-переходов в кремнии // Взаимодействие излучений с твердым телом: материалы 7-й Междунар. конф. (Минск, 26-28 сент. 2007). Минск: Изд. центр БГУ, 2007. С. 208-210. EDN: LMVNKM.

17. Актуальные проблемы материаловедения: сб. обзоров / пер. с англ. под ред. Е. И. Гиваргизова, М. М. Колтуна. Вып. 1. М.: Мир, 1982. 271 с.

Статья поступила в редакцию 26.12.2023 г.; одобрена после рецензирования 10.01.2024 г.;

принята к публикации 1 4.06.2024 г.

Информация об авторах

Григорьева Татьяна Валерьевна - студентка Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), tanya.gri .02@mail .ru

Голубков Сергей Александрович - ведущий инженер-технолог АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), golubkov@zntc.ru

Бойко Антон Николаевич - кандидат технических наук, доцент Института нано-и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), anton.bojko@mail.ru

References

1. Akimov Yu. K. (auth., ed.), Ignat’yev O. V., Kalinin A. I., Kushniruk V. F. Semiconductor detectors in experimental physics. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 344 p. (In Russian).

2. Sominskiy M. S. Semiconductors. Leningrad, Nauka. Leningr. otd-niye, 1967. 440 p. (In Russian).

3. Sun X., Guo H., Zhang Y., Li X., Cao Z. Effects of carbon impurity in monocrystalline silicon on electrical properties and the mechanism analysis of PIN rectifier diodes. IEEE Access, 2021, vol. 9, pp. 22868-22875. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3055279

4. Sugiyama T., Yamazaki M., Niwa F., Kameyama S., Misumi T., Kanata T., Nishiwaki K., Ishiko M. Impact of carbon impurities in silicon PIN diodes on electrical dynamic characteristics. R&D Review of Toyota CRDL, 2012, vol. 43, iss. 1, pp. 61-68.

5. Carlson R. O., Hall R. N., Pell E. M. Sulfur in silicon. J. Phys. Chem. Solids, 1959, vol. 8, pp. 81-83. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90279-3

6. Gwozdz K., Kolkovsky V., Weber J., Yakovleva A. A., Astrov Yu. A. Detection of sulfur-related defects in sulfur diffused n- and p-type Si by DLTS. Phys. Status Solidi A, 2019, vol. 216, iss. 17, art. no. 1900303. https://doi.org/10.1002/pssa.201900303

7. Shuman V. B., Makhova A. A., Astrov Yu. A., Ivanov A. M., Lodygin A. N. Solubility of sulfur in silicon. Semiconductors, 2012, vol. 46, iss. 8, pp. 969-970. https://doi.org/10.1134/S1063782612080209

8. Bielecki Z., Achtenberg K., Kopytko M., Mikolajczyk J., Wojtas J., Rogalski A. Review of photodetectors characterization methods. Bull. Polish Acad. Sci. Tech. Sci., 2022, vol. 70, no. 2, art. no. e140534. https://doi.org/10.24425/bpasts.2022.140534

9. Chopra K. L., Das S. R. Thin film solar cells. New York, Springer, 1983. xvi, 607 p. https://doi.org/ 10.1007/978-1-4899-0418-8

10. Litvinov V. G., Gudzev V. V., Milovanova O. A., Rybin N. B. Transient spectroscopy of semiconductor micro- and nanostructures. Vestnik Ryazanskogo gos. radiotekhn. un-ta = Vestnik of Ryazan State Radio Engineering University, 2009, no. 30, pp. 62-70. (In Russian). EDN: KXTWMD.

11. Majkowycz K., Murawski K., Manyk T., Kopytko M., Martyniuk P. DLTS study of defects in HgCdTe heterostructure photodiode. J. Electron. Mater., 2023, vol. 52, pp. 7074-7080. https://doi.org/10.1007/s11664-023-10653-x

12. Akhmetov N. S. General and inorganic chemistry. 3rd ed., rev. and upd. Moscow, Vyssh. shk., 1998. 743 p. (In Russian).

13. Rosier L. L., Sah C. T. Thermal emission and capture of electrons at sulfur centers in silicon. Solid-State Electronics, 1971, vol. 14, iss. 1, pp. 41-54. https://doi.org/10.1016/0038-1101(71)90047-5

14. Yamaguchi M., Khan A., Taylor S. J., Ando K., Yamaguchi T., Matsuda S., Aburaya T. Deep level analysis of radiation-induced defects in Si crystals and solar cells. J. Appl. Phys., 1999, vol. 86, iss. 1, pp. 217-223. https://doi.org/10.1063/L370698

15. Astrov Yu. A., Kozlov V. A., Lodygin A. N., Portsel L. M., Shuman V. B., Gurevich E. L., Hergenroder R. Redistribution of deep selenium and sulfur impurities in silicon upon surface doping with phosphorus. Semiconductors, 2009, vol. 43, iss. 6, pp. 710-715. https://doi.org/10.1134/S1063782609060049

16. Mil’chanin O. V., Komarov F. F., Plebanovich V. I., Komarov A. F. Joint implantation of carbon with BF2+ ions in the creation of p+-n junctions in silicon. Vzaimodeystviye izlucheniy s tverdym telom, proceedings of 7th International conf. (Minsk, Sep. 26-28, 2007). Minsk, BSU Publ. Center, 2007, pp. 208-210. (In Russian). EDN: LMVNKM.

17. Kaldis E., ed. Current topics in materials science, collection of reviews. Vol. 4. Amsterdam, Elsevier North-Holland, 1980. 596 p.

The article was submitted 26.12.2023; approved after reviewing 10.01.2024;

accepted for publication 14.06.2024.

Information about the authors

Tatyana V. Grigoreva - Student of the National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), tanya.gri.02@mail.ru Sergey A. Golubkov - Leading Process Engineer of JSC “Zelenograd Nanotechnology Center” (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya prwy, 6), golubkov@zntc.ru

Anton N. Boiko - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof, of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), anton.bojko@mail.ru