CC BY
59
УДК 621.382.28
В.М. ЛИТВИНЕНКО
Херсонський нащональний техшчний ушверситет
I.M. В1КУЛ1Н
Одеська нацiональна академiя зв'язку iM. О.С. Попова
ВПЛИВ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОВЕРХН1 НА ЗВОРОТН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ НАП1ВПРОВ1ДНИКОВИХ ПРИЛАД1В
У cmammi рoзглянуmi причини i мехамзми впливу поверхн на seopomHi характеристики p - n структур. Зроблено огляд технологiчних Memodie обробки структур напiвпровiдникових приладiв, у тому чист i мemoдiв гетерування, спрямованих на запоб^ання впливу поверхневих eфeкmiв на електричн параметри приладiв. Проанал1зоват мехамзми впливу мemoдiв гетерування на параметри приладiв, запропоновам oпmимальнi режими Их проведення. Приведен eкспeримeнmальнi результати використання мemoдiв гетерування в технологи напiвпрoвiдникoвих приладiв.
Ключoвi слова: поверхня, гетерування, зворотний струм, кремнш, домшки, р - n пeрeхiд.
В.Н. ЛИТВИНЕНКО
Херсонский национальный технический ушверситет
И.М. ВИКУЛИН
Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ НА ОБРАТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
В статье рассмотрены причины и механизмы влияния поверхности на обратные характеристики p-n структур. Сделан обзор технологических методов обработки структур полупроводниковых приборов, в том числе и методов геттерирования, направленных на предотвращение влияния поверхностных эффектов на электрические параметры приборов. Проанализированы механизмы влияния методов геттерирования на параметры приборов, предложены оптимальные режимы их проведения. Приведены экспериментальные результаты использования методов геттерирования в технологии полупроводниковых приборов.
Ключевые слова: поверхность, геттерирование, обратный ток, кремний, примеси, р - n переход.
V.N. LITVINENKO
Kherson National Technical University
I.M. VIKULIN
Odessa National Academy of Telecommunications named after A.S. Popova
INFLUENCE OF SURFACE PROPERTIES ON REVERSE CHARACTERISTICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES
The reasons and mechanisms of the influence of the surface on the inverse characteristics of p-n structures are considered in the article. An overview is given of technological methods for processing structures of semiconductor devices, including gettering methods aimed at preventing the effect of surface effects on the electrical parameters of devices. The mechanisms of influence of gettering methods on the parameters of instruments are analyzed, optimal modes of their implementation are proposed. Experimental results of the use of gettering methods in the technology of semiconductor devices are presented.
Keywords: surface, gettering, reverse current, silicon, impurities, p - n junction.
Постановка проблеми
Яшсть роботи активных нашвпроввдникових структур, до яких вщносяться дюди, транзисторы, штегральш схеми i ш., багато в чому залежать ввд стану !х поверхневого шару в обласп виходу на поверхню р- n переходу. Таш важливi характеристики дiодiв i транзисторiв як величина зворотного струму i пробивна напруга p - n переходу в великш мiрi визначаються обробкою поверхш. Обробка поверхш нашвпровщника е дуже важливою технолопчною операщею в процеа виготовлення нашвпровщникових приладiв i схем. У зв'язку з розвитком мшро- i наноелектрошки вщбуваеться зменшення розмiрiв елеменлв i габарипв приладiв i збiльшуеться ввдношення поверхнi до об'ему i, отже, росте мiра впливу поверхнi.
Поверхня дуже сильно впливае на експлуатацшш характеристики напiвпровiдникових приладiв, стабiльнiсть !х характеристик i, отже, на вщсоток виходу придатних приладiв i !х надiйнiсть при експлуатаци. З плином часу експлуатаци починаеться деградащя характеристик приладiв, тобто вони змшюються, виходять за встановленi стандартом допуски, i прилад виходить з ладу. Змша параметрiв напiвпровiдникових приладiв розпочинаеться з поверхнi i пов'язана з процесами адсорбци-десорбци, дифузи i так далi. Тому в технологи застосовуються спещальш методи поверхневих обробок, спрямоваш на полiпшення i збереження стану поверхнi (пасивацiя поверхнi шаром дiелектрика, герметизацiя приладiв i т. ш.).
Незважаючи на значну шльшсть робiт по впливу стану поверхш структур напiвпровiдникових приладiв на 1х зворотнi характеристики, питання контрольованого управлшня станом поверхнi при виробництвi багатьох видiв напiвпровiдникових приладiв вимагають подальшого розгляду.
Аналiз останнiх дослiджень i публикацiй
1нтенсивний розвиток мiкроелектронiки, чггка тенденцiя до мшатюризаци робочих елеменпв, створення новiтнiх перспективних, конструктивно складних приладiв, а також необхiднiсть наявносп високоефективного промислового виробництва сучасних нашвпроввдникових приладiв i iнтегральних схем продовжують залишати актуальними питання впливу поверхневих ефекпв на параметри i вщсоток виходу придатних приладiв.
Проведено дослвдження поверхневих станiв на меж1 розд^ 81 - 8102 [1]. Для дослщження було використано структуру метал - дiелектрик - напiвпровiдник. Зокрема, дослщжували структуру Мо -8102 - 81. Вiдомо, що юни натрш призводять до ряду ефекпв, серед яких утворення центрiв захоплення для електронiв в SiO2 i iндукування електронних поверхневих станiв на меж1 розд^ Si - 8102. Встановлено [1], що в перехвднш областi дiоксид кремнiю - кремнш мае мiсце нейтралiзацiя заряду рухливих юшв електронним зарядом внаслiдок термоелектронно! польово! емiсii iз зони провщносп кремнш.
У роботах [2, 3] дослвджувалися джерела юннонезалежно1 деградацii параметрiв шаруватих структур дiоксид кремнiю - кремнш. При вивченш сколiв пластин початкового ештаксшного кремнш методом електронноi скануючоi мжроскопи з рентгенiвським мiкроаналiзом з подальшою обробкою хiмiчним виборчим травником Секко (час травлення 1хв) виявленi атоми калiю, як1 утворюють скупчення у виглядi '^рочок". При окисленш пластин епiтаксiйного кремнiю атоми калш, як1 мають малу енерпю активаци, перемiщуються з об'ему дюксиду кремнiю до меж1 роздiлу дюксид кремнш -кремнiй, змiнюючи и зарядовий стан. Iмовiрно можливим джерелом проникнення атомiв лужних металiв в оксид кремнш могло бути навколишне оснащення (кварцовi труби, кварцовi човники i так далi). Однак, результата рентгешвського аналiзу навколишнього оснащення дозволяють зробити висновок про те, що це оснащення не може бути джерелом лужних атомiв в дiоксидi кремнш [3]. Таким чином, на пiдставi проведених дослiджень можна зробити висновок - джерелом лужних металiв в дiоксидi кремнiю е початковий кремнш, а не навколишне оснащення. Причини проникнення атомiв лужних металiв в кремни можуть бути пов'язаш з процесами зростання епiтаксiальноi плiвки i з наявнiстю домiшок в кремшевш пiдкладцi.
Розглянута можливiсть дослвдження поверхнi напiвпровiдникових пластин за допомогою методу растровое' оптично! мшроскопи [4]. Експериментальш вимiри проводилися за допомогою комп'ютера. Для обробки експериментальних результапв авторами розроблена спецiальна програма. За допомогою даного методу автори спостер^али рiзнi види дефектiв на поверхш нашвпровщникових структур, а також були зроблеш припущення про вплив дефекпв на електричнi параметри р - п структур.
Використання легкоплавких свинцево-боросилжатних стекол для створення пасивуючих i iзолюючих шарiв в напiвпровiдниковiй мжроелектрошщ обумовлюе iнтерес до вивчення !х електрофiзичних характеристик. Одним з найважливших параметрiв пасивуючих покриттiв е величина рухливого заряду, який повiльно релаксуе, в !х об'емi. Методом iзотермiчноi релаксацii емностi визначена величина ефективного поверхневого заряду в пасивуючих покриттях на основi свинцево-боросилiкатних стекол [5]. Встановлено, що шдвищення температури формування дослiджених покриттiв веде до збшьшення значень ефективного поверхневого заряду. Показано, що ця залежнiсть обумовлена зб№шенням концентрацii центрiв захоплення носив заряду при щдвищенш змiсту кристалiчноl фази в об'емi скла.
Мета дослщження
Дана робота присвячена аналiзу впливу поверхнi на електричнi характеристики нашвпровщникових приладiв i методам запоб^ання цього впливу.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Стан поверхнi структур нашвпроввдникових приладiв спричиняе на параметри i характеристики приладiв не менш сильний вплив, чим фiзичнi властивостi об'ему нашвпроввдника [6, 7]. Причиною негативних явищ в напiвпровiдникових кристалах з р - п переходами можуть бути не лише рiвнi Тамма i Шоклi, як1 мають мюце навiть на атомарно-чистiй поверхнi нашвпровщника. На реальнiй поверхнi
нашвпровщника освдае багатошарова плiвка вологи i мiститься багато стороншх домiшок, адсорбованих з травников i промивно1 води. Помiтну частину цих домшок складають позитивнi iони лужних металiв. Щд дiею напруги, прикладеноi до переходу, цi iони дрейфують в плiвцi вологи, створюючи юнний струм витоку, величина якого росте зi збiльшенням вологостi. Струм поверхневого витоку часто е основною складовою зворотного струму через p-n переход.
В технологи мiкроелектронiки завжди застосовують захист (пасивацш) поверхнi напiвпровiдникових прилащв i iнтегральних схем. Найкращим для ще1 мети е термiчно вирощений шар SiО2. Проте навiть захищена дiелектричним шаром поверхня не завжди залишаеться стаб№ною. Рiч у тому, що в дiелектрику, особливо в области його меж1 роздiлу з нашвпроввдником, можуть бути розташованi включения домшок i !х комплекси з рiзними структурними дефектами, як1 зазвичай мають електричний заряд. Щд дiею електричних полiв, завжди iснуючих в працюючому приладi, можливе повiльне перемщення цих домiшок i дефектно - домшкових комплексiв, як углиб дiелектрика, так i в область меж1 розд^ з напiвпровiдником. Результат ввдомий: змiна мiри i характеру заповнення електронних станiв меж1 роздiлу i електричних полiв в цiй обласп, дрейф поверхневого потенцiалу i пов'язаних з ним характеристик, виникиения локальних виток1в i пробою дiелектрика.
Позитивний заряд в захиснш плiвцi оксиду кремшю залежно вiд типу проввдносп бази дiода може приводити або до поверхневого пробою p - п переходу (якщо база п- типу) або до утворення шверсних каналiв (на поверхнi бази p - типу), що проводять. Довжина каналу залежить вщ величини зворотно1 напруги, прикладеноi до р- п переходу. Якщо вiдстань мiж р- п переходом i омiчним переходом невелика, то при великш напрузi канал досягае омiчного контакту i шунтуе р - п переход. Це веде до виникнення значних струмiв витоку i, як наслщок, до зниження виходу придатних прилащв.
Для виключення небажаного впливу стану поверхш на електричнi параметри i надiйнiсть напiвпровiдникових приладiв розробленi технолопчш способи обробки напiвпровiдникових структур, використання яких дае можливiсть значно покращати стан !х поверхнi.
£ багато рiзноманiтних способiв покращання якостi поверхш нашвпроввдникових структур. Основними з них являються:
1. Рiдинна очистка поверхш пластин: а) фiзична очистка - видалення адсорбованих поверхнею забруднень шляхом простого розчинення; вiдмивка водою. б) хiмiчна очистка - передбачае руйнування забруднень або поверхевого шару об'екта, який очищаеться, в результатi хiмiчних реакцiй; вiдмивка водою.
2. Суха очистка i травления: термообробка; iонне травлення; газове травлення; плазмохiмiчне травлення; реактивне iонне травлення.
3. Методи гетерування домiшок на поверхнi напiвпровiдникових структур: гетерування розплавами; гетерування стеклами; гетерування високолегованими поверхневими шарами, створеними дифузiею фосфору i бору; гетерування вщпалом в спецiальному середовищ^
Для захисту (пасиваци) поверхиi нашвпровщникових структур вщ впливу навколишнього середовища використовують дiелектричнi плiвки. Для прилащв, як1 виготовляють на основi кремшю зазвичай використовуеться його природний окисел SiО2. Також широко застовують комбшаци покритiв з використанням SiО2, Si3N4 та шарiв боро- i фосфоросилжатних стекол. Для приладiв, як1 виготовляються на основi Ge i GaAs, окрiм розглянутих захисних плiвок використовують ще плiвки оксиду алюмiнiю А1203.
В роботi [8] пропонуеться ефективний спосiб очистки напiвпровiдникових пластин вщ оргаиiчних i механiчних забруднень, домшок. Спосiб передбачае двостадiйну обробку в двох ваннах з рiзними розчинами: в 1-iй ваинi знаходиться розчин, який складаеться iз арчато^' кислоти (Н2SO4) i перекису водню (Н2О2) у вiдношеннi: Н2SO4 : Н2О2 = 1:10 при Т=120±5оС. В другш ваннi знаходиться розчин, який складаеться з водного розчину амiаку (NH4OH), перекису водню (Н2О2) i деюшзовано1 води (Н2О) у ввдношенш: КН40Н:Н202: Н2О = 1:4:20 при температурi 60±5оС. На погляд авторiв, в 1-iй ваинi ввдбуваеться видалення найбiльш грубих оргаиiчних i жирових забруднень, в 2-iй ванн видаляються дiлянки жирових покриттiв, яш не були видаленi в процеи обробки в 1-iй ваннi. Як рахують автори, очистка в кислот (Н2SO4) дае можливiсть видалити адсорбоваш iони металiв i розчинити оксидш плiвки на поверхнi напiвпровiдника, пергидроль розкладаеться з видiлениям кисню: Н2О2 = Н2О +О; атомарний кисень окислюе як оргаиiчнi, так i неоргаиiчнi забруднення. Луг (КН40Н) прискорюе реакцш розкладаиия пергидролю, а також зв'язуе в добре розчинш комплекси сполуки. Даний спосiб, як показали автори, у порiвнянi з базовими методами обробки нашвпроввдникових структур дае можливють покращати як1сть очистки i скоротити тривалiсть процесу очистки поверхш.
Дослщжувався вплив обробки поверхиi кремшевих епiтаксiйних структур перед першим окисленням в рiзних хiмiчних реактивах на зворотш струми дiодiв, виготовлених на !х основi [9]. Дослiджуванi зразки перед окисленням очищалися в наступних компонентах хiмiчноl обробки: 1) (HF:HN03 =1: 19) - обробка впродовж 20 с. 2) СМА - сульфа-малиновий ангiдрид (поверхнево - активна речовина) - обробка впродовж 25 хв. 3) HNO3 - обробка кип'яченням впродовж 50 хв. 4) ПАР -
перекисно-амiачний розчин (H2O2+NH4OH+H2O=1:1:4) - обробка впродовж 7 хв. 5) СМА+HNO3 -обробка впродовж 25хв i 50хв вiдповiдно. 6) СМА + (ОТ:ИК03=1:19) + HNO3 - обробка впродовж 25хв, 20с i 50 хв вщповщно. Час обробки в кожному з дослщжуваних компонентiв пiдбирався експериментально. Окислення дослщжуваних зразк1в проводилося в одному технолопчному процесi по режиму: Т=1045оС; час процесу - 10 хв; середовище - водяна пара. Товщина вирощеного оксиду склала 0,16 мкм. Шсля цього проводилася металiзацiя кремнieвих структур i фотолiтографiя по шару металу з дiаметром вiкна D =1000мкм для отримання структур метал-оксид-напiвпровiдник (МОН-структур). В результатi проведення експерименту були знятi вольт-фараднi характеристики МОН-структур, оброблених приведеними вище хiмiчними реактивами. Яшсть хiмiчних обробок оцiнювали за величиною сумарного поверхневого заряду МОН-структур QSS i щiльностi поверхневих станiв NSS для кожного виду х1м!чно! обробки, як розраховували з використанням побудованих вольт-фарадних характеристик МОН-структур [9]. Найменше значення сумарного поверхневого заряду i щiльностi поверхневих станiв (вщповщно
QSS =2,810-10Кл i NSS =1,410псм-2) отримане при використаннi обробки в ПАР. Також яшсть дослвджуваних хiмiчних обробок оцiнювали по виходу придатних дiодних структур, виготовлених за стандартною планарно - ештаксшною технологieю на кремшевих епiтаксiйних структурах п- типу провщносп з питомим опором 2 Ом-см. i завтовшки 10мкм, очищення яких перед першим термiчним окисленням проводилося з використанням цих хiмiчних компонентiв (табл. 1).
Таблиця 1
Метод х!м!чно! обробки Вихвд придатних дюдних структур, %
Обробка в СМА+ (HF:HNO3=1:19) + HNO3 63
Обробка в HNO3 69
Обробка в HNO3 + СМА 65
Обробка в СМА 70
Обробка в (ОТ:НШ3=1:19) 73
Обробка в ПАР 76
Таким чином, оптимальною з точки зору забезпечення мшмально! величини сумарного заряду на поверхш дiодних структур i найбшьшого виходу придатних дiодiв (табл.. 1) являеться обробка в перекисно-амiачному розчиш Найбiльш прийнятною з точки зору екологп i економiки е обробка поверхш дюдних структур в сульфа-малиновому ангiдридi, в якому вiдсутнi шкiдливi для обслуговуючого персоналу складовi, що виключае необхiднiсть використання спецiального устаткування i захисних засобiв. При цьому забезпечуеться досить високий вих1д придатних дiодiв.
В роботi [10] дослвджувався процес впливу вiдпалу в атмосферi аргону на зворотнi характеристики структур випрямно Импульсного дiода Шотгк1. Структури дiодiв Шотки виготовлялися за iзопланарною технолопею. Перед напиленням Мо, що формуе бар'ер Шотки, кремнiевi пластини шддавалися ввдпалу в атмосферi аргону при 750оС впродовж 30 хв. На рис. 1 приведет зворотш гшки ВАХ дiодiв, виготовлених за базовою (стандартною) технолопею, а також при використанш вщпалу в середовищ аргону. Видно, що ввдпал структур дiодiв дае можливiсть iстотно понизити рiвень зворотних струмiв дюд!в. Полiпшення зворотно! гшки ВАХ структур дiода Шоттта, в результатi 1х вiдпалу в середовищ аргону, автори пояснюють збшьшенням висоти бар'еру Шоттк1 i зменшенням щшъносп поверхневих станiв як на меж1 розд^ метал-напiвпровiдник, так i на межi розд^ Si - 8Ю2.
Зменшення щшьносп поверхневих сташв, на погляд авторiв, пов'язане з випаром небажаних домшок (наприклад, домшок металiв Na, K, Fe, №, Cu) з поверхнi дюдних структур в процеа !х вiдпалу в середовищi аргону. Для стабшзацп поверхш дюдних структур необхвдно забезпечити И надшний захист ввд негативно! до навколишнього середовища.
LA
о 10
10
10
10
10
10
10
10
10
о 10
/ [ / •
у 1 i
1
___ - - 1 " * — - »■
■2 ■1
10
10 и,в
Рис. 1. Зворотш гiлки ВАХ дiодiв: 1 - без вщпалу; 2 - пiсля вiдпалу в середовищi аргону при Т= 750оС впродовж 20 хв
В робот [11] дослiджено вплив рiзних методiв TepMi4Horo окислення на 3BopoTHi характеристики кремшевих планарних дiодiв з метою вибору найбшьш оптимального методу. Були дослвджеш HacTynHi методи термiчного окислення:
1. окислення в парах води (гвдротермальне окислення);
2. окислення по циклу сухий - вологий - сухий кисень (комбшований метод);
3. окислення з використанням в якосп джерела пари водного розчину 37% - i' HCl (H2O: HCl = 2: 1).
Рис. 2. Експериментальш С- U - характеристики МОН-структур: 1 - пдротермальне окислення; 2 -окислення з використанням в якосп джерела пари водного розчину HCl; 3 - окислення по циклу С - В - С кисень; 1, 2 i 3 - без ввдпалу; 1', 2' i 3' - шсля ввдпалу в середовищi аргону
Структури дiодiв виготовлялися на кремшевих ештаксшних плiвках за стандартною планарно-епiтаксiйною технологiею. Температура процесу окислення 1050оС. Пiсля проведення окислення пластини ввдпалювали в атмосферi аргону при температyрi процесу окислення. Як1сть отриманих захисних пл1вок оцiнювалася за величиною i стабiльнiстю сумарного заряду в них, а також за
результатами контролю готових дюдних структур по зворотному струму на установщ типу "Зонд" (кригерш придатносп: 1зв < 0,3мкА при изв=35В). Для визначення величини сумарного заряду оксиду i його стабiльнiстi використовувалися вольт-фараднi характеристики (ВФХ), вим!рят на виготовлених МОН-структурах А1-SiO2-Si (рис.2).
Рис. 3. С-С - характеристики МОН-структур: 1', 2', 3' - шсле ввдпалу в середовищi аргону; 1", 2 ",
3" - шсля термопольовоТ обробки
Стабiльнiсть заряду в оксид! ощнювали, здшснивши термопольову обробку дослщжуваних МОН-структур (Т=1050oС, изм=30В, t=1час) i оцшивши величину зрушення ВФХ в пор!внянш з початковою (рис.3). Пор!вняльш параметри кожного з дослвджуваних методiв окисления, одержанi шсля проведения експериментальних партш, наведенi в табл.. 2 i 3.
Вщпад кремшевих структур в середовищi аргону, який проводиться тсдя завершення процесу окислення, призводить до зрушення вольт-фарадних характеристик МОН-структур управо (рис.2). Це сввдчить про зменшення сумарного позитивного заряду на меж1 роздшу Si - 8Ю2. Причому найбiльше зрушення ВФХ спостертаеться для МОН-структур, виготовлених з використанням гидротермального окислення, що можна пояснити за допомогою моделi аутодифузп натрiю i шших швидкодифундуючих домшок з оксиду при високотемпературних термообробках. Зпдно ше! моделi ефективнiсть видалення швидкодифундуючих домшок шдяхом дифузп з оксиду в газову фазу в процеа високотемпературних обробок в шертному середовищi залежить вщ концентраци силанольних ОН-груп, наявних в оксид!. У пл!вш двоокису кремнiю, отриманого за допомогою пдротермального окислення, концентрацiя ОН-груп найбшьш висока в пор!внянш з пл!вками, отриманими шшими дослiджуваиими методами, що i забезпечуе найбiльш глибоке очищення оксиду ввд домшок.
Термопольова обробка МОН-структур викликае зрушення ВФХ вл!во (рис.3), що вказуе на зб!льшення сумарного позитивного заряду в окиснш пл!вш. Найменший дрейф заряду в гидротермальному оксид! тсдя термопольово! обробки (рис.3) автори пояснюють кращим очищенням оксиду в1д швидкодифундуючих домшок в процеа високотемпературного вщпалу в середовищ! аргону [ 11].
Таким чином, оптимальним можна рахувати метод пдротермадьного окислення з подальшим вщпадом в середовищ! аргону, що дозволяе отримувати окисш пл!вки з низькими значеннями сумарного заряду ! хорошою його стабшьшстю, що забезпечуе значне тдвищення вщсотка виходу придатних дюдних структур за рахунок зменшення р!вня !х зворотних струм!в (табл. 2, 3).
В робот! [12] дослщжувався вплив охоронних к1лець ! поверхневого заряду на меж! розд!лу 8ь SiO2 на значення пробивно! напруги р-п переходу затворно! обласп транзистора. Охоронш к1льця формувадися дифуз!ею бору з подадьшою розгонкою домшки. Наявшсть поверхневого заряду призводить до збшьшення концентраци домшки в приповерхневому шар!, через що ширина збвднено! обласп поблизу поверхш в!др!зняеться в!д ширини ОПЗ в об'ем! ештаксшного шару. Напружешсть поля зб!льшуеться з! зб!льшенням концентраци домшки в приповерхневому шар!. Автор показав, що за рахунок використання охоронних шлець можна суттево понизити значення напруженосп на поверхш нашвпровщника. Це дае можливють значно тдвищити напругу пробою р-п переходу затворно! обласп транзистора.
Таблиця 2
Залежшсть "зарядових" характеристик оксиду ввд методу
Метод окислення Номер експерименталь-но! партй' Q SS-10-1U, Кл ^•ти,см-2
Пдротермальне окислення 1 2,80 1,75
2 2.25 1,41
3 3,20 2,00
Окислення по циклу 4 6,20 3,88
С-В-С кисень 5 5,10 3,19
6 5,55 3,47
Окислення з використанням в 7 3,21 2.01
якоси джерела пари водяного 8 3,20 2,00
розчину НС1 9 2,79 1,74
Примггка: Qss i N55 - сумарний заряд i щiльнiсть поверхневих сташв на меж1 роздiлу Si - 8Ю2 ; N5, = О,«^, де q- заряд електрона ; S - площа металевого контакту структури А1-8Ю2-81.
Таблиця 3
Метод окислення Вихвд придатних дюдних структур, %
Пдротермальне окислення 75
Окислення по циклу С-В-С кисень 68
Окислення з використанням в якосп джерела пари водяного розчину НС1 63
З метою полшшення стану поверхнi структур дiодiв Шоттк1 i зменшення рiвня 1х зворотних струмiв було запропоновано використовувати гетерування за допомогою проведения дифузи бору в робочу сторону структур тсля формування захисного шару 8Ю2 [13]. Структури дiода були виготовлеш за iзопланарною технологieю. На рис. 4 приведений скорочений технолопчний маршрут виготовлення дiодних структур з використанням дифузи бору, яка проявляе гетеруючу властивiсть. На кремнieву ештаксшну пл1вку 1 п-типу провiдностi завтовшки 3мкм i питомим опором 0,6 Ом-см, осаджену на п + -шдкладку 2, пiсля стандартно! хiмiчноl обробки посл1довно наносять шари нiтрiду 3 i двооксиду кремнш 4 (рис.4). Методами фотолиографи формують меза-структури.
Рис. 4. Кремнieва ештаксшна структура пiсля осадження шар1в штриду кремнiю
i двоокису кремнiю
Окислення меза - структур проводилося при температурi 1050оС. Товщина захисного шару двоокису кремнш 5 склала 0,7 мкм. Потiм проводиться дифузiя бору в робочу сторону пластини методом вадкрито! труби з джерела В2О3 при температурi 950оС упродовж 30 хв в сумiшi аргону (100л/г) i сухого кисню (4л/г). При цьому на поверхнi захисного шару двоокису кремнш утворюеться плiвка боросилжатного скла 6 (рис.5).
Рис. 5. Кремшева меза-структура шсля проведення гетерируючоТ дифузи бору
Видалення нiтриду кремнiю 3 з контактних вжон проводиться в киплячш ортофоcфорнiй кислотi. Пiсля хiмiчноi обробки на робочу сторону пластин методом вакуумного термiчного випару осаджують шар шкелю 7, завтовшки 0,3 мкм i проводять методами фотолиографи формування випрямляючих контактiв дiаметром 60 мкм. Пластини з сформованими дюдними структурами штфуються з боку шдкладки, проводиться формування омiчного контакту шляхом послвдовного нанесення на зворотну сторону пластин шарiв титану 8, нiкелю 9 (методом вакуумного термiчного випару) i золота 10 (методом гальванiчного осадження) (рис.6).
Використання розроблено! технологи дало можливють пiдвищити вихвд придатних дюдних структур по зворотному струму (в середньому на 8%). Позитивну дш дифузи бору автори [13] пояснюють таким чином. В процесi проведення дифузи бору на поверхнi захисно! плiвки 8102 формуеться шар боросилжатного скла, який проявляе гетеруючу дш по ввдношенню до домiшкових забруднень, як зазвичай потрапляють у вирощуваний при термiчному окисленнi шар 8102 iз стiнок кварцево! труби i окислювального середовища. За рахунок гетерируючо! ди шару боросилiкатного скла в процеа дифузи здiйснюеться глибоке очищення захисного оксиду i меж1 розд^ Si - 8102 в1д стороншх домiшок, що дозволяе значно зменшити зворотнi струми дiодних структур ^ отже, пiдвищити вих1д придатних дiодiв.
1
+
П
Рис. 6. Дшдна структура пiсля формування омiчного контакту на зворотнiй сторонi пластини
Авторами роботи [14] дослвджувався вплив процесу гетерування кремнiевих пластин на властивосп двоокису кремнiю, отриманого шляхом термiчного окислення, i на межу роздшу 81 - 8102. Гетеруючий шар створювався шляхом обробки неробочо1 сторони кремшево1 пластини безперервним лазерним випромiнюванням з щiльнiстю потужностi Ем0 = 5,5 105 Вт/см2, кроком i швидк1стю сканування Н = 250 мкм i V = 60 см/с ввдповщно. Дiелектричнi пл1вки отримували в результат термiчного окислення кремн1ю в середовищi сухого кисню. Про полiпшення властивостей дiелектричних пл1вок, вирощених на пластинах, на яких проводилось гетерування, сввдчать результати електронно-мiкроскопiчних дослiджень на просвгг пл1вок завтовшки 20 нм, яш вказують на однорiднiсть !х структури. Про вплив гетерування судили за результатами контролю параметрiв тестових МОН-конденсаторiв з розвиненим рельефом, зокрема струму витоку при напрузi на затворi и = 5 В i пробивно1 напруги. Тестовий конденсатор вважався придатним, якщо величина струму витоку для нього складала менше 10-10 А. Збiльшення виходу придатних конденсаторiв з 55 до 80 % i величини пробивное' напруги з 10.. .17 В до 13...20 В, тобто у 1,3 рази говорить про перевагу пластин, що пройшли лазерне гетерування. З використанням таких пластин були виготовлеш МОН СБ1С. Проведенi авторами
дослвдження показали, що лазерна обробка неробочо! сторони кремшевих пластин перед терм!чним окисленням при температур!, що перевищуе температуру подальших тривалих високотемпературних процеав, дозволяе в 2 рази понизити щшьшсть заряду, в 1,8 разу - щшьшсть поверхневих сташв на меж1 розд1лу кремнш - двоокис кремшю, а також надшшсть роботи МОН СБ1С. Вирощен на таких пластинах пл1вки двоокису кремшю мали полшшену структуру, бшьш високу стаб!льшсть заряду 1 високояк!сну межу розд1лу.
Серед метод1в гетерування швидкодифундуючих домшок особливе мюце займають низькотемпературн! методи. Бшьшють вшомих технолопчних прийом1в гетерування небажаних домшок здшснюються з використанням високотемпературного в!дпалу (Т > 800оС). Проте, високотемпературний вшпал небажаний для багатьох тишв нашвпроввдникових прилад1в, оск1льки призводить до деградаци !х характеристик. Прикладами таких прилад1в можуть служити варикапи !з зворотним гращентом концентрацп домшки в баз! 1 НВЧ - дюди. У зв'язку з цим виникла необх!дшсть проведения досл!джень по розробщ низькотемпературних метод1в гетерування небажаних домшок без використання високотемпературного в!дпалу. Одним з таких напрям1в е використання пл1вок халькоген!дних стекол для низькотемпературного гетерування [15, 16]. Як показали дослщження, аморфш пл1вки халькоген1дних стекол володшть гетеруючою д1ею по в1дношенню до р1зного роду небажаних дом1шок на поверхш структур нап1впров1дникових прилад1в.
В результат! виконаних авторами [15] комплексних досл!джень встановлено, що застосування гетерування за допомогою аморфно! пл!вки скла Ое288Ь128е60 перед в!дпалом пл!вки алюмшш дае можлив!сть значно п!двищити вшсоток виходу придатних варикапних структур. В якосп початкового матер!алу для виготовлення варикап!в використовувалися легован! фосфором кремшев! еп!такс!йн! шари з питомим опором 1,2 Ом-см ! завтовшки 5,5мкм, вирощен! на низькоомних п!дкладках п-типу. Структури варикап!в виготовлялися за планарно-ештаксшною технолог!ею. Р - п перехш створювався дифуз!ею бору. Гетерування здшснювалося таким чином. На робочу сторону кремшевих пластин методом терм!чного випару у вакуум! осаджувалася аморфна пл!вка скла завтовшки 0,4-0,5 мкм при температур! п!дкладки 27оС, проводився вшпал структур при 300оС, у процес якого рухлив! !они лужних метал!в "поглинаються" пл!вкою скла. П!сля цього пл!вка скла видалялася з поверхш пластин в травнику. Окр!м аморфно! пл!вки скла Ge28Sb12Se6o ефективними для гетерування домшок виявилися також пл!вки халькоген!дних стекол GeззAs12Se55 ! As50Se50. Ефективн!сть гетерування оц!нювалася по результатам контролю готових варикапних структур по зворотному струму (критерш придатност!: 1зв < 0,3 мкА при изв = 30 В). У табл. 4 приведен! результата контролю варикапних структур по зворотному струму. Видно, що гетерування пл!вкою скла дае можливють п!двищити вих!д придатних варикапних структур. Варикапн структури, виготовлеиi з використанням гетерування шпвками халькогенгдних стекол, мали р!вт зворотних струм!в в 3-10 раз!в иижчi у поршнянт iз структурами, при виготовлеиi яких гетерування не застосовувалося.
Таблиця4
Вплив гетерування плвками халькогенщних стекол р1зних склад1в на зворотш струми варикапних структур
Склад пл!вок, як! використовувались для гетерування Вих!д придатних варикапних структур, %
ОеззАБ128е55 71,5
Се28^Ь12^е60 70,3
А85о8е5о 68,6
Примпка. На варикапних структурах, виготовлених без застосування гетерування, вихщ придатних склав
66,5 %.
На рис. 7 показам зворотн г!лки ВАХ варикапних структур, виготовлених на частинах одиiе! пластини: з використанням гетерування пл!вкою скла Оезз^128е55 (крива 1) i без гетерування (крива 2). Видно, що використання гетерування дае можливктъ значно зменшити рiвень зворотних струм!в варикапу.
Було проведено опробування використання пл!вок халькогеи!диих стекол для щдвищення иад!йност! планарних i меза-планарних д!од!в [Х<5]. Плаиариi дюди виготовлялись на легованих фосфором кремшевих еттаксшних шарах товщиною 6 мкм ! питомим опором 0,3 Ом-см за стандартною планарно-еттаксшною технолог!ею. Для захисту р-п переходу використовувалась пл!вка двоокису кремн!ю тощиною 0,8 мкм, одержана методом терм!чного окислення. Для виготовлення меза-дюдв використовувалися легован! фосфором кремшев! еттаксшт шари п - типу пров!дност! з питомим опором 30 Ом-см ! завтовшки 6,5 мкм. Застосовувалася стандартна меза-плаиарно-епiтакс!Йиа технологи. Меза-структури захишали пл!вкою SiO2 товщиною 0,6-0,7 мкм, яку одержували високочастотним плазмовим розпиленням. Перед розд!лом пластин з! сформованими дюдними структурами на кристали поверх захисно! пл!вки ^!02 наносилась методом лазерного випару аморфна пл!вка скла товщиною 0,5-0,7 мкм. Температура п!дкладки при иапилеиi була 27оС. За допомогою фотол!тограф!! в захисному шар! скла розкривалися в!кна для приеднання виведень до кристалу. Для полтшення адгез!! пл!вки халькогейдного скла до шару SiO2 ! проявлення нею гетеруючих властивостей псля розкриття в!кон проводився в!дпал дюдних структур при температур! 290оС. П!сля цього плаиариi д!оди складали в склят, а меза-д!оди в металокерамчм
корпуси. Дюди випробовувалися в камер1 вологи при температур1 40оС i вщноснш вологосп 98% впродовж 480 г. Псля випробувань проводився контроль дiодiв по зворотному струму (критерш придатносп: ^ < 0,02 мкА при ü^ = 12В для планарних i < 0,10 мкА при ü^ = 40В для меза-дiодiв).
1,А
«Г*_._,_.
ю° W Ю*U,в
Рис. 7. Зворотш плки ВАХ варикапних структур: вигоговленоТ ¡з застосуванням гетерування птвкою халькогенщного скла (крива 1) i без застосування гетерування (крива 2)
В результат! проведеного контролю планарних i меза-планарних дiодiв по р1вню зворотного струму тсля випробувань на вологостiйкiсть выявилось, що дiоди додатково захищенi ишвкою халькогейдного скла мають вихiд придатних на 6-8% вищий у пор1вняш з приладами, захишеними тшьки ишвкою SiO2. Випробування дiодiв на надштсть (витримка ид електричним навантаженням впродовж 500 год.) показали зниження на 4-6 % юлькосгей деградуючих в процеа випробувань приладв за рахунок використання додаткового захисту р - n переходу плiвкою халькогенщного скла.
Висновки
Таким чином, проведений огляд i аналiз впливу поверхнi на зворотш характеристики p - n структур i застосовуваним методам запобиання цього впливу свщчить про необхiднiстъ використання додаткових технологiчних способiв обробки поверхнi нашвпровщникових структур, в тому числi i метода гетерування, у виробницта нашвпровщникових приладв i штегральних схем. Застосування методв покращання стану поверхнi структур нашвпровщникових приладiв в сершному виробницта дае можливiсть iстотно полтшити функцюнальш характеристики нашвпровщникових приладв i штегральних схем i пщвищити !х надшшсть
Список використаноТ лiтератури
1. Золочевский Ю.Б., Романов В.П., Соколов А.Ю. Исследование нейтрализации заряда подвижных ионов в области межфазовой границы диоксид кремния - кремний структуры Мо - SiO2 - Si // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - № 6-4. - С. 651-656;
2. Кулинич О.А. Изучение макродефектов в кремнии современными методами исследований / О.А. Кулинич, М.А. Глауберман // 2-я УНКФП: укр. научн. конфер. по физ.полупров., 2004 г.: тезисы докл. - Черновцы, 2004. - С. 390.
3. Смынтына В.А. Влияние дефектов исходного кремния на процессы дефектообразования в диоксидах кремния / В.А. Смынтына, О.А. Кулинич, М.А. Глауберман и др. // СВЧ - техника и микроволновые технологии: 16-я Международная Крымская микроволновая конференция, 2006 г.: труды конфер. - Севастополь, 2006. - С. 608 - 609.
4. Григорьян В., Горюнов Н., Маняхин Ф. Исследование качества полупроводниковых структур методом фотоответного изображения. -Технология электронной промышленности. - №1, 2005. -С. 72-75.
5. Парчинский П.Б. Исследование медленнорелаксирующего заряда в пассивирующих покрытиях на основе свинцово-боросиликатных стекол методом изотермической релаксации емкости / П.Б. Парчинский, С.И. Власов, А.А. Насиров // Письма в ЖТФ, 2001, том 27, вып. 18. - С. 65-70.
6. Горшков А.П. Физика поверхности полупроводников: Учебное пособие / А.П. Горшков, С.В. Тихов. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2013. - 101с.
7. Ахмаева А.Р. Исследование взаимосвязи конструкции и технологии изготовления полупроводниковых приборов с пробивным напряжением / А.Р. Ахмаева // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - № 1 (28), 2013. - С. 26-31.
8. Шангереева Б.А. Способ очистки поверхности кремниевых пластин для изготовления мощных транзисторов / Б.А. Шангереева, А.И. Муртазалиев, Ю.П. Шангереев // Международный научный журнал «Инновационная наука». - №11, 2015. - С. 133-135.
9. Литвиненко В.Н. Исследование влияния химической обработки поверхности кремниевых диодных структур на их обратные токи / В.Н. Литвиненко, Г.Г. Дощенко, А.В. Короленко // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании'2011». - Выпуск 4. Том 9. - Одесса: Черноморье, 2011. - С. 9-11.
10. Литвиненко В.Н. Повышение надежности диодов Шоттки / В.Н. Литвиненко // Вестник ХНТУ. -№ 3 (29), г. Херсон, 2007. - С. 313-315.
11. Литвиненко В.Н. Оптимизация технологии получения защитного окисла для кремниевых р-n структур / В.Н. Литвиненко, А.Д. Кучерук, Н.В. Богач, А.В. Салатенко // Вестник ХГТУ № 1(3), г. Херсон, 1998. - С. 83- 85.
12. Шахмаева А.Р. Конструктивно-технологические методы улучшения параметров полупроводниковых приборов / А.Р. Шахмаева, П.Р. Захарова // Вестник СГТУ, 2012. - №1(63), Выпуск 1. - с. 36-40.
13. Литвиненко В.Н. Оптимизация технологии изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки/ В.Н. Литвиненко, А.В. Короленко, Самойлов Н.А., Журба А.М. // Вестник ХНТУ № 3 (32), г. Херсон, 2007 р.- С.94-96.
14. Пилипенко В.А. Влияние лазерного геттерирования кремниевых пластин на свойства границы раздела Si - SiO2 / В.А. Пилипенко, Д.В. Вечер, В.В. Понарядов, В.А. Горушко, В. С. Сякерский, Т.В. Петлицкая // Вестник БГУ. Сер.1.- №1, 2008. - С. 23-25.
15. Литвиненко В.М. Вплив технолопчних факторiв на зворотш струми кремшевих дiодiв / В.М. Литвиненко, М.В. Богач. - Херсон: вид-во ПП Вишемирський В.С., 2017.-156с. Монографiя. ISBN 978-617-7273-51-5.
16. Литвиненко В.Н. Улучшение обратных характеристик кремниевых диодов при использовании пленок халькогенидных стекол / В.Н. Литвиненко, Н.И. Довгошей, М.М. Дизенгоф, Н.Я. Золотун// Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания. - Вып. 2(134), 1989. - С. 68-70.
