Рожков В. А., Родіонов М. А., Пашин А. В., Гурьянов А. М. Самарський державний університет вул. акад. Павлова, 1, Самара – 443011, Росія Тел.: (8462) 34-54-55; e-mail: rozhkov@ssu.samara.ru

Анотація – Досліджено рекомбінаційні властивості кремнію, пассивированное двошаровими діелектричними плівками з оксиду ітрію та оксиду диспрозия. Встановлено, що після нанесення двошарових плівок з оксидів рідкісноземельних елементів ефективний час життя нерівноважних носіїв заряду, виміряний методом релаксації нестаціонарної фотопровідності, зростає в 2 – 3 рази. Визначено величини швидкості поверхневої рекомбінації на межі розділу кремній – оксид рідкісноземельного елемента. Показана перспективність використання плівок оксидів рідкісноземельних металів для пасивації СВЧ кремнієвих приладів та елементів інтегральних схем.

I. Вступ

У сучасній мікроелектроніці та НВЧ – твердотільної електроніки широке застосування одержали прилади та елементи інтегральних схем (ІС) на основі структур метал – діелектрик – напівпровідник (МДП). Діелектричний шар МДП-приладів і елементів ІС повинен задовольняти високим вимогам, основними з яких є висока електрична міцність, малі струми витоку, стійкість до зовнішніх впливів, а також можливість отримання кордону розділу з напівпровідником, що володіє низькими рекомбінаційних втратами. До перспективних діелектричним матеріалами для створення діелектричного шару МДП-приладів відносяться оксиди рідкоземельних елементів (РЗЕ), які характеризуються високою хімічною і термічною стійкістю, великими значеннями діелектричної проникності, питомого опору і пробивних напруг. Крім того, на основі оксидів РЗЕ можливе виготовлення двошарових діелектричних плівок, застосування яких дозволяє помітно поліпшити електричну стабільність виготовляються приладів. Однак до теперішнього часу залишаються не вивченими рекомбінаційні характеристики кремнію, покритого двошаровою плівкою з оксидів РЗЕ. У зв’язку з цим, метою даної роботи було вивчення ефективного часу життя і швидкості поверхневої рекомбінації нерівноважних носіїв заряду в пластинах кремнію, пассивированное двошаровими діелектричними плівками з оксиду ітрію та оксиду диспрозия.

II. Основна частина

Досліджувані зразки вирізалися з полірованих пластин монокристалічного кремнію марки КЕФ-20 з орієнтацією (100) і мали характерні розміри 10x5x0, 36 мм. Перед виготовленням плівок оксидів РЗЕ частина кремнієвих пластин проходила ультразвукову мийку в ацетоні протягом 10 хвилин, інша частина зразків для зняття природного оксиду піддавалася хімічній обробці шляхом травлення їх у водному розчині плавикової кислоти складу HFibhO (1:10). В деяких випадках після цієї обробки зразки кип’ятилися в перекисно-аміачному розчині (ПАР) наступного складу: ИЬЦОЬШгС ^ НГО (1:1:3). Після кожної обробки зразки багаторазово промивалися в бідістілліро-ванної воді і сушилися на фільтрі. Двошарові металеві плівки наносилися на обидві поверхні кремнієвої пластини методом термічного розпилення рідкоземельного металу у вакуумі при тиску (2-3) -10 ‘5 Тор з молібденової човники на установці типу ВУП-5. На кожну сторону кремнієвої підкладки послідовно напилюють шари ітрію і диспрозия. Отримані плівки РЗЕ окислялись в трубчастої муфельній печі типу СУОЛ-

0. 4.4 на повітрі при температурі 620 ° С протягом 40 хв. В якості омічних контактів використовувалися шари диспрозия і алюмінію, послідовно нанесені на кремнієві зразки через трафарет методом термічного розпилення в вакуумі.

Для вимірювання ефективного часу життя xeff використовувався широко застосовуваний метод релаксації нестаціонарної фотопровідності при освітленні зразка прямокутними імпульсами світла. Джерелом світла служив світлодіод типу АП-106А. Як показали дослідження, весь процес релаксації характеризується єдиним експоненціальним законом з одного постійної часу релаксації і визначається лише генераційно-рекомбіна-ційними процесами, а захопленням нерівноважних носіїв заряду на межі поділу кремній – оксид РЗЕ можна знехтувати. При порівняно малій швидкості поверхневої рекомбінації для ефективного часу життя тонких зразків справедливе співвідношення [1]

де т0– Час життя нерівноважних носіїв заряду в об’ємі напівпровідника, d – товщина напів-

Рис .1. Залежність ефективного часу життя від товщини реальної (1) і пассивированное (2) кремнієвих підкладок.

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

водника, S – швидкість поверхневої рекомбінації. Ця формула дозволяє знайти значення швидкості поверхневої рекомбінації, якщо відомо об’ємне час життя.

Для визначення об’ємного часу життя використовувалася залежність ефективного часу життя нерівноважних носіїв заряду від товщини напівпровідникового зразка. На рис. 1 представлена ​​зазначена залежність, отримана з вимірів Teff, для зразків різної товщини.

Експериментальні значення добре вкладаються на пряму в координатах 1 / xeff від 1 / d. Даний результат свідчить про сталість швидкості поверхневої рекомбінації у зразків різної товщини. Це слід було очікувати, враховуючи однакові умови обробки поверхні в процесі виготовлення зразків. Оцінка об’ємного часу життя, проведена з експериментальних залежностей, дає значення тпро> 200 мкс для всіх досліджених зразків.

Визначення швидкості поверхневої рекомбінації проводилося з вимірів ефективного часу життя. Так як виміряні величини ефективного часу життя не перевищували 38 мкс і виконувалася нерівність 1/ieff »1/io, то у виразі для швидкості поверхневої рекомбінації величиною 1 / то нехтували. У таблиці представлені отримані значення швидкості поверхневої рекомбінації та ефективного часу життя нерівноважних носіїв заряду в кремнієвих зразках, що пройшли різну обробку, до і після нанесення плівок оксидів РЗЕ.

Матеріал

плівки

Вид обробки поверхні кремнію

Teff,

МКС

S,

см / с

Без плівки Без плівки Без плівки У2Оз-Оу2Оз У2Оз-Оу2Оз У2Оз-Оу2Оз

HF:H20 HF:H20 + nAP Ультразв. мийка HF: H20 HF:H20 + nAP Ультразв. мийка

8-10

10-12

10-12

17-20

33-36

25-28

2250-1800

1800-1500

1800-1500

1060-900

540-500

720-640

Наведені результати свідчать про збільшення значень ефективного часу життя нерівноважних носіїв заряду і зменшенні величин швидкості поверхневої рекомбінації при нанесенні плівок оксидів РЗЕ. Причому найбільше зростання xeff досягається для зразків, що пройшли перекисно-аміачну обробку. Порівняння отриманих рекомбінаційних характеристик показує, що швидкість поверхневої рекомбінації в системі Si-Y203-Dy203 на 1-2 порядки менше аналогічного параметра в широко застосовуються в напівпровідниковій електроніці структурах Si-Si02 і Si-Si02-Si3N4.

I. Висновок

Таким чином, проведені дослідження показують високу ефективність і перспективність використання двошарових діелектричних плівок оксидів РЗЕ в якості пасивуючих покриттів кремнієвих напівпровідникових приладів і елементів НВЧ інтегральних схем.

Список літератури

[1] Житнє А. В. Електронні процеси на поверхні напівпровідників. 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»