ПАССИВАЦИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ СВЧ ДВУХСЛОЙНЫМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ ИЗ ОКСИДА ИТТРИЯ И ОКСИДА ДИСПРОЗИЯ

May 21, 2012 by admin Комментировать »

Рожков В. А., Родионов М. А., Пашин А. В., Гурьянов А. М. Самарский государственный университет ул. акад. Павлова, 1, Самара – 443011, Россия Тел.: (8462)34-54-55; e-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Аннотация – Исследованы рекомбинационные свойства кремния, пассивированного двухслойными диэлектрическими пленками из оксида иттрия и оксида диспрозия. Установлено, что после нанесения двухслойных пленок из оксидов редкоземельных элементов эффективное время жизни неравновесных носителей заряда, измеренное методом релаксации нестационарной фотопроводимости, возрастает в 2 – 3 раза. Определены величины скорости поверхностной рекомбинации на границе раздела кремний – оксид редкоземельного элемента. Показана перспективность использования пленок оксидов редкоземельных металлов для пассивации СВЧ кремниевых приборов и элементов интегральных схем.

I.  Введение

В современной микроэлектронике и СВЧ – твердотельной электронике широкое применение получили приборы и элементы интегральных схем (ИС) на основе структур металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). Диэлектрический слой МДП-приборов и элементов ИС должен удовлетворять высоким требованиям, основными из которых являются высокая электрическая прочность, малые токи утечки, устойчивость к внешним воздействиям, а также возможность получения границы раздела с полупроводником, обладающей низкими рекомбинационными потерями. К перспективным диэлектрическим материалам для создания диэлектрического слоя МДП- приборов относятся оксиды редкоземельных элементов (РЗЭ), которые характеризуются высокой химической и термической стойкостью, большими значениями диэлектрической проницаемости, удельного сопротивления и пробивных напряжений. Кроме того, на основе оксидов РЗЭ возможно изготовление двухслойных диэлектрических пленок, применение которых позволяет заметно улучшить электрическую стабильность изготавливаемых приборов. Однако до настоящего времени остаются не изученными рекомбинационные характеристики кремния, покрытого двухслойной пленкой из оксидов РЗЭ. В связи с этим, целью данной работы являлось изучение эффективного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда в пластинах кремния, пассивированных двухслойными диэлектрическими пленками из оксида иттрия и оксида диспрозия.

II.  Основная часть

Исследуемые образцы вырезались из полированных пластин монокристаллического кремния марки КЭФ-20 с ориентацией (100) и имели характерные размеры 10x5x0,36 мм. Перед изготовлением пленок оксидов РЗЭ часть кремниевых пластин проходила ультразвуковую мойку в ацетоне в течение 10 минут, другая часть образцов для снятия естественного окисла подвергалась химической обработке путем травления их в водном растворе плавиковой кислоты состава HFibhO (1:10). В некоторых случаях после этой обработки образцы кипятились в перекисно- аммиачном растворе (ПАР) следующего состава: ЫЬЦОЬШгС^НгО (1:1:3). После каждой обработки образцы многократно промывались в бидистиллиро- ванной воде и сушились на фильтре. Двухслойные металлические пленки наносились на обе поверхности кремниевой пластины методом термического распыления редкоземельного металла в вакууме при давлении (2-3)-10′5 Тор из молибденовой лодочки на установке типа ВУП-5. На каждую сторону кремниевой подложки последовательно напылялись слои иттрия и диспрозия. Полученные пленки РЗЭ окислялись в трубчатой муфельной печи типа СУОЛ-

0.         4.4 на воздухе при температуре 620 °С в течение 40 мин. В качестве омических контактов использовались слои диспрозия и алюминия, последовательно нанесенные на кремниевые образцы через трафарет методом термического распыления в вакууме.

Для измерения эффективного времени жизни xeff использовался широко применяемый метод релаксации нестационарной фотопроводимости при освещении образца прямоугольными импульсами света. Источником света служил светодиод типа АП-106А. Как показали исследования, весь процесс релаксации характеризуется единственным экспоненциальным законом с одной постоянной времени релаксации и определяется лишь генерационно-рекомбина- ционными процессами, а захватом неравновесных носителей заряда на границе раздела кремний – оксид РЗЭ можно пренебречь. При сравнительно малой скорости поверхностной рекомбинации для эффективного времени жизни тонких образцов справедливо соотношение [1]

где т0– время жизни неравновесных носителей заряда в объеме полупроводника, d – толщина полупро-

Рис .1. Зависимость эффективного времени жизни от толщин реальной (1) и пассивированной (2) кремниевых подложек.

Fig. 1. Dependence of the effective lifetime on the thicknesses of the real (1) and passivated (2) silicon wafers

водника, S – скорость поверхностной рекомбинации. Эта формула позволяет найти значение скорости поверхностной рекомбинации, если известно объемное время жизни.

Для определения объемного времени жизни использовалась зависимость эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда от толщины полупроводникового образца. На рис. 1 представлена указанная зависимость, полученная из измерений Teff, для образцов разной толщины.

Экспериментальные значения хорошо укладываются на прямую в координатах 1/xeff от 1/d. Данный результат свидетельствует о постоянстве скорости поверхностной рекомбинации у образцов разной толщины. Это следовало ожидать, учитывая одинаковые условия обработки поверхности в процессе изготовления образцов. Оценка объемного времени жизни, проведенная из экспериментальных зависимостей, дает значения то>200 мкс для всех исследованных образцов.

Определение скорости поверхностной рекомбинации проводилось из измерений эффективного времени жизни. Так как измеренные величины эффективного времени жизни не превышали 38 мкс и выполнялось неравенство 1/ieff»1/io, то в выражении для скорости поверхностной рекомбинации величиной 1 /то пренебрегали. В таблице представлены полученные значения скорости поверхностной рекомбинации и эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда в кремниевых образцах, прошедших различную обработку, до и после нанесения пленок оксидов РЗЭ.

Материал

пленки

Вид обработки поверхности кремния

Teff,

МКС

S,

см/с

Без пленки Без пленки Без пленки У2Оз-Оу2Оз У2Оз-Оу2Оз У2Оз-Оу2Оз

HF:H20 HF:H20+nAP Ультразв. мойка HF:H20 HF:H20+nAP Ультразв. мойка

8-10

10-12

10-12

17-20

33-36

25-28

2250-1800

1800-1500

1800-1500

1060-900

540-500

720-640

Приведенные результаты свидетельствуют об увеличении значений эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда и уменьшении величин скорости поверхностной рекомбинации при нанесении пленок оксидов РЗЭ. Причем наибольшее возрастание xeff достигается для образцов, прошедших перекисно-аммиачную обработку. Сравнение полученных рекомбинационных характеристик показывает, что скорость поверхностной рекомбинации в системе Si-Y203-Dy203 на 1-2 порядка меньше аналогичного параметра в широко применяемых в полупроводниковой электронике структурах Si-Si02 и Si- Si02-Si3N4.

I.    Заключение

Таким образом, проведенные исследования показывают высокую эффективность и перспективность использования двухслойных диэлектрических пленок оксидов РЗЭ в качестве пассивирующих покрытий кремниевых полупроводниковых приборов и элементов СВЧ интегральных схем.

II.                                Список литературы

[1]     Ржаное А. В. Электронные процессы на поверхности полупроводников. М.: Наука, 1971. 480 с.

PASSIVATION OF THE SILICON SEMCODUCTOR DEVICES AND MICROWAVE FREQUENCY ATTACHMENTS WITH THE DOUBLE LAYER DIELECTRIC FILMS FROM YTTRIUM OXIDE AND DYSPROSIUM OXIDE

Rozhkov V. A., Rodionov M. A.,

Pashin A. V., Guryanov A. M.

Samara State University 1 Acad. Pavlov St., Samara, 443011, Russia Phone: (8462) 345455 E-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Abstract – Recombination properties of silicon passivated with double layer dielectric films from yttrium oxide and dysprosium oxide have been investigated. The values of effective lifetime and surface recombination velocity of the nonequilibrium charge carriers on interface of rare-earth elements/silicon- oxide have been defined.

I. Introduction

In modern electronics and microwave frequency (solid state electronics) the devices and elements of integral circuits (IC) on the basis of structures: metal-dielectric-semiconductor (MIS) are frequently used. Rare-earth oxides (REO) which are characterized with high chemical and thermal constancy, large values of dielectric constant and unit/area resistance belong to perspective dielectric materials for creation of the dielectric layer of MIS- devices. However, up to the present moment, recombination characteristics of silicon covered with double layer REO films still remain unstudied. In this connection the purpose of this work was study of effective lifetime and surface recombination velocity of nonequilibrium charge carriers in the silicon plates passivated with double layer dielectric films from yttrium oxide and dysprosium oxide.

II. Main part

For measure of effective lifetime teg we used the relaxation method of nonequilibrium photoconductivity by lighting the sample with the rectangular light impulse. By comparatively small velocity of the surface recombination for effective lifetime of thin samples is the correlation (1), where rn -bulk lifetime of nonequilibrium charge carriers of a semiconductor, d – thickness of a semiconductor, S – surface recombination velocity. This formula let find the value of the surface recombination velocity, if bulk life is known.

For definition of bulk lifetime dependence of effective lifetime of nonequilibrium charge carriers on the thickness of the semiconductor sample (Fig. 1) had been used. Bulk lifetime is stated to take the values rn>200 /£ for research samples.

Calculation of surface recombination velocity was carried out using the measures of effective lifetime. So, measured values of effective lifetime did not exceed 38 /jS and the inequality 1/xeff»1/x0 was observed, then value 1/x0 was disregarded into expression for surface recombination velocity. In the table the received values of surface recombination velocity and effective lifetime of the nonequilibrium charge carriers in silicon samples underwent to various treatment before and after covering REO films have been demonstrated.

Comparison of received recombination characteristics shows that surface recombination velocity in system Si-Y203-Dy203 is 1 – 2 orders less than an analogous parameter in structures Si-Si02 and Si-Si02-Si3N4

III. Conclusion

The carried out investigations show high efficiency and perspective of use of double layer dielectric films of REO as passivating covers of silicon semiconductors devices and elements of microwaves integral circuits.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты