Спосіб пасивації поверхні монокристалічного кремнію

Спосіб пасивації поверхні монокристалічного кремнію, що включає вилучення природного оксиду кремнію з його поверхні, нанесення оксидної плівки та активацію межі її розподілу з кремнієм, який відрізняється тим, що природний оксид кре 3 25457 них - технологія хімічного осадження у високочастотному розряді [Plasma enhanced chemical vapour deposition, РЕ CVD], [2]. Для пасивації поверхні високовольтних транзисторів використовували напівізолюючий полікристалічний кремній (semiinsolating polycrystalline silicon, SIPOS) - шари SiО2 або SiN, що містили Si наночастинки. При нанесенні їх CVD методом значення S досягало »200см/с [3]. В [4] спостерігали зв'язок між інтенсивністю зона-зонної фотолюмінесценції (ФЛ) у c-Si при кімнатній температурі та щільністю ГЄС на границі c-Si/SiО2, сформованою за технологією CVD. Для зменшення NГЕС до »1010см -2еВ-1 структури відпалювали у водні. Метод CVD забезпечує подолання термостресів високотемпературних методів вирощування оксидів, але поступається їм за можливостями зниження значення S та відтворюваністю результатів. Цей метод використовують скоріш для захисту поверхні у загальному сенсі. Існують проблеми і щодо технологічності процесів, їх одностадійності, чистоти, відсутності отруйних речовин, коштовного обладнання та інш. Відмітимо, що зацікавленість новими способами пасивації поверхні - постійна, про що свідчить велика кількість патентів, наприклад США (див. [5-10]). Існує багато спроб CVD технології вдосконалення способу пасивації c-Si поверхні. Один з них було обрано за прототип [5]. В способі-прототипі після очищення c-Si пластини на її поверхню РЕ CVD методом осаджують SiOx шар товщиною 10-50нм при температурі 250°С та щільності ВЧ потужності в 0.02Вт . см -2, потім покривають шаром SiN або випаровують тонкий шар Аl і піддають структуру фотовідпалу у формінг-газі при температурі 300-350°С протягом 20хв. Він дозволив знизити щільність ГЕС до значень (1-4) . 1010см -2еВ-1, досягти великих значень ефективного часу життя носіїв заряду в декілька мілісекунд, одержати низькі швидкості рекомбінації. До недоліків прототипу слід віднести: - загальні недоліки CVD методу, щодо використання отруйних речовин, коштовного обладнання, труднощів контролю багатьма параметрами процесу, забрудненість домішками та інш.; - використання недостатньо низьких температур (250-350)°С для збереження великих об'ємних часів життя носіїв заряду; - потреба у видпалі після нанесення плівок, що робить процес двостадійним з багатьма операціями. В основу корисної моделі покладено задачу вдосконалення способу пасивації c-Si поверхні щодо його технологічності, а саме одностадійності процесу, його низькотемпературності (кімнатна температура), вакуумної чистоти при відсутності отруйних речовин, підвищення гнучкості керування технологічними параметрами без використання коштовного обладнання при досягненні ефективності пасивації c-Si поверхні. Задача, що поставлена, досягається тим, що після видалення природного оксиду кремнію травленням в 25-50% HF розчині протягом 3-10 хвилин формування оксидної плівки та активацію межі розподілу оксид/c-Si проводять одностадійно шля 4 хом нанесення Аl2О3 плівки, що містить Si HK, методом імпульсного лазерного осадження (ІЛО) із зворотного потоку частинок ерозійного факелу на с-Si підкладку, яку розташовують в площині мішені на відстані 5-10мм від осі факелу, використовують мішень з кремнію, що містить алюміній та золото в кількості 2-4% по площині поверхні, в вакуумній камері при тиску аргону 10-15Па та діють на мішень імпульсами IAГ:Nd3+ лазера з довжиною хвилі 1.06мкм, густиною енергії в імпульсі 2025Дж/см 2, тривалістю імпульсу 8-12нс та частотою їх повторення 20-30Гц. Запропонований спосіб забезпечує, в порівнянні з прототипом, одностадійне формування оксидної Аl2О3 плівки, що містить Si нанокристали (нанокристалічний кремній nc-Si), легованої золотом, та активацію межі розподілу оксид/c-Si; досягнення щільності ГЕС»1010см -2еВ-1, зменшення швидкості поверхневої рекомбінації в 1.5-2 рази, відповідно підвищення ефективного часу життя носіїв заряду, спостереження крайової фотолюмінесценції c-Si при кімнатній температурі; вакуумну чистоту процесу при відсутності отруйних речовин, більш низьку температуру процесу (20°С замість 350°С), поширення можливостей керування процесом шляхом вибору режиму опромінення мішені і тиску робочого газу, відсутність коштовного обладнання. Ефекти покращення технологічності способу без погіршення ефективності пасивації c-Si поверхні зумовлені, перш за все, використанням методу ІЛО в його зворотній модифікації замість CVD, оксиду алюмінію замість оксиду кремнію, легуванням золотом, а також режимом формування плівки Аl2О 3, що містить Si нанокристали (НК). Спосіб реалізується наступним чином на установці, схема якої наведена на Фіг.1. Проводиться підготовка c-Si мішені та c-Si підкладки, вилучення травленням в 25-50% HF розчині протягом 3-10 хвилин природного оксиду, інших забруднень. Мішень складають з c-Si, додають Аl та Аu, площина поверхні яких задається. Мішень (5) та c-Si підкладку (6) розташовують в одній площині. Задають відстань підкладки в 5-10мм від осі факелу (4), тиск у вакуумній камері (3) знижують до залишкового (10-2Па), камера промивається інертним газом - аргоном (2, 7), встановлюється його заданий тиск. Промінь IAГ:Nd3+ лазера (1), що працює в режимі модульованої добротності, з довжиною хвилі 1.06мкм, заданою щільністю енергії в імпульсі 20-25Дж/см 2, тривалістю імпульсу 8-12нс та частотою їх повторення 20-30Гц сканує мішень. Під дією променя лазера виникає факел, в якому присутні частинки Si, атоми Аl, Аu. Атоми Аl та Si окислюються. Частинки охолоджуються та конденсуються на c-Si підкладку в Si нанокристали в Аl2О3 матриці з малим прошарком SiOx. Розміри Si HK становлять від 1-3 до 10-20нм. Пасивація поверхні c-Si пояснюється модифікацією її Si наночастинками. Вони осаджуються на активні центри поверхні c-Si, створені дефектами, що є центрами поверхневої рекомбінації носіїв заряду, і тим самим їх нейтралізують. Каталітична активність наночастинок збільшується зі зменшенням їх розмірів. Нанесені плівки - двофазні систе 5 25457 ми, що містять квантово-розмірні Si HK в матриці Аl2О 3. Тому досліджувані системи плівка/c-Si є гетеростуктурами широкозонний низькорозмірний кремній nc-Si/c-Si. Додаткові вимірювання в плівках фотолюмінесценції в видимій області спектра при кімнатній температурі підтвердили наявність просторового обмеження носіїв в Si HK. Атоми золота з великим значенням електронної спорідненості насичують обірвані зв'язки кремнію. Стабільність Аl2О 3 плівок значно більша, ніж SiOx плівок. Сказане і обумовлює пасивацію c-Si поверхні. Ефективність способу, що заявляється, визначалась контролем спектрів електронних станів границі nc-Si/c-Si, спектрів крайової ФЛ c-Si при кімнатній температурі, вимірюванням ефективних часів рекомбінації носіїв заряду та швидкості поверхневої рекомбінації [11-14]. Спектри електронних станів границі визначали вимірюванням температурної залежності конденсаторної (поверхневої) фотоерс [11]. Для цього монтували структури nc-Si/c-Si з притиснутою до плівки слюдою, на протилежний бік слюди наносили прозорий провідний шар SnO2. Метод дозволяв визначити температурні залежності граничного потенціалу c-Si, щільність ГЕС на інтерфейсі nc-Si/c-Si (що дорівнювала 1010см -2єВ-1), температурні залежності концентрації пасток нерівноважних носіїв заряду на цій границі та у nc-Si плівці. Щільність ГЕС в непасивованих запропонованим способом c-Si пластинах була >1012см -2єВ-1. Спектри крайової ФЛ вимірювали в діапазоні енергій 0.9-1.3еВ. Збудження ФЛ здійснювали випромінюванням аргонового лазера ЛГН-402 з довжиною хвилі 514.5нм та потужністю ~100мВт. Використовували монохроматор МДР-23, спектральна ширина щілини складала ~40Ǻ. Фотоприймачем слугував о холоджуваний германієвий фото діод ФД-315. Сигнал з фотодіода подавався на селективний підсилювач і реєструвався методом синхронного детектування [12]. На Фіг.2 наведено спектри крайової ФЛ c-Si пластин, що пасивовані запропонованим способом. Без пасивації вони не спостерігаються. Ефективні часи рекомбінації носіїв заряду t визначалися за кінетикою теплового випромінювання в області 5-12мкм при збудженні імпульсами світла з області поглинання c-Si тривалістю t>t, де t - час життя носіїв заряду [13, 14]. Зразки знаходились при температурі відмінній (вищій) від температури оточуючого середовища. На Фіг.3 наведено криві кінетики теплового випромінення c-Si пластин, що пасивовані запропонованим способом, їх значення дорівнювали 9-27мкс, що в 1.5 рази більше, ніж в непасивованих c-Si зразках. Встановлено, що ефективність пасивації визначається типом модифікації метода ІЛО. Найбільші щільності ГЕС (NГEС>1012см-2еВ-1) і пасток на інтерфейсі nc-Si/c-Si спостерігались в c-Si без плівок і в структура х nc-Si/c-Si, в яких плівки були осаджені з прямого високоенергетичного потоку частинок ерозійного факела. При осадженні плівок зі зворотного низькоенергетичного потоку частинок факела щільність центрів рекомбінації знижувалась. Виявлено, що зменшення дози опромінення c-Si мішені (