mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2023-2-148-156OPHQIGmateltech-515Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYПрименение пленки Al2O3 для стабилизации зарядовых свойств границы раздела SiO2/p-SiApplication of Al2O3 film for stabilization of charge properties of the SiO2/p-Si interfaceКимА. С.KimA. S.

Ким Александра Сергеевна

9 Kosinskaya Str., Moscow 111538;

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Aleksandra S. Kim

aleks6dodds@gmail.comСеркоН. А.SerkoN. A.

Серко Наталья Александровна

9 Kosinskaya Str., Moscow 111538

Natalya A. Serko

tataserko@mail.ruХакуашевП. Е.KhakuashevP. E.

Хакуашев Павел Евгеньевич

9 Kosinskaya Str., Moscow 111538

Pavel E. Khakuashev

pavel_hak@mail.ruКолкийА. Н.KolkyA. N.

Колкий Алексей Николаевич

9 Kosinskaya Str., Moscow 111538

Aleksey N. Kolky

Kolkya@list.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6435-3823ЮрчукС. Ю.YurchukS. Yu.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Сергей Юрьевич Юрчук — канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Sergey Yu. Yurchuk

yurchuk60@mail.ruАО «НПО «Орион»; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияJSC “SPA “Orion”; National University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationАО «НПО «Орион»РоссияJSC “SPA “Orion”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation202310042023262148156Copyright © Ким А.С., Серко Н.А., Хакуашев П.Е., Колкий А.Н., Юрчук С.Ю., 20232023Ким А.С., Серко Н.А., Хакуашев П.Е., Колкий А.Н., Юрчук С.Ю.Kim A.S., Serko N.A., Khakuashev P.E., Kolky A.N., Yurchuk S.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/515

Исследовано влияние пленок оксида алюминия, полученных методом ВЧ-катодного распыления мишени Al2O3 в среде аргона, на зарядовые свойства границы раздела SiO2/p-Si. Проведены измерения высокочастотных C—V-характеристик МДП-структур с однослойными диэлектрическими пленками: SiO2 толщиной 0,10 и 0,36 мкм, Al2O3 толщиной 0,14 мкм и двухслойными композициями на их основе. В качестве исходного материала были выбраны пластины марок КДБ-4,5 и КДБ-5000. Рассчитаны электрофизические параметры пленок, такие как UFB и Qss. Экспериментальные результаты подтвердили, что отрицательный встроенный заряд в пленке Al2O3 способен предотвратить образование инверсионного слоя на поверхности кремния р-типа проводимости, компенсируя положительный встроенный заряд в пленке SiO2 и обогащая поверхность полупроводника основными носителями, и таким образом позволяет стабилизировать зарядовые свойства границы раздела SiO2/p-Si. На примере многоплощадочного p—i—n-фоточувствительного элемента (ФЧЭ) подтверждена применимость пленки Al2O3 в качестве дополнительного диэлектрического покрытия в технологиях изготовления фотодиодов на основе высокоомного кремния p-типа проводимости. Установлено, что пассивация диоксида кремния пленкой Al2O3 на периферии и между элементами ФЧЭ позволяет улучшить вольт-амперные характеристики и сопротивление изоляции Rиз, что ведет к повышению процента выхода годных фотодиодов.

The influence of aluminum oxide films obtained by high-frequency cathode sputtering of an Al2O3 target in argon atmosphere on charging properties of the SiO2/p-Si interface was investigated. High-frequency C-V characteristics for MIS-structure with one-layer dielectric films: SiO2 (0,10 µm and 0,36 µm), Al2O3 (0,14 µm) – and its double-layers compositions were measured. Experiment was carried out with a KDB-4.5 and a KDB-5000 substrates. Some electrophysical parameters of the obtained films such as UFB and Qss were calculated. Based on experimental results it was confirmed that the embedded negative charge of Al2O3 film prevented the formation of the inversive layer on p-Si surface by compensation of the embedded positive charge of SiO2 film and enhancement of semiconductor surface with majority charge carriers and, thus, allowed stabilization of charge properties of the SiO2/p-Si interface. The applicability of Al2O3 film as additional dielectric covering for manufacture technology of photodiodes on high-resistance p-Si was confirmed by applying on a multi-element p-i-n photosensitive element (PE) as an example. It was established that passivation of silicon dioxide on periphery and between the elements of PE by Al2O3 film improved I-V characteristics and insulation resistance, which lead to increased yield rate of photodiodes.

инверсионный слойпассивацияграница раздела SiO2/p-Siдиэлектрическая пленка Al2O3inversion layerpassivationSiO2/p-Si interfacedielectric film Al2O3ReferencesКурносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. М.: Высшая школа; 1979. 368 с.Kurnosov A.I., Yudin V.V. Tekhnologiya proizvodstva poluprovodnikovykh priborov i integral`nykh mikroskhem [Production technology for semiconductor devices]. Moscow: Vysshaya shkola, 1979. 368 p. (In Russ.)Патент (СССР) № 1072666А1. Манжа Н.М, Кокин В.Н., Чистяков Ю.Д., Патюков С.И. Способ изготовления полупроводниковых приборов с пристеночным p-n-переходами. Заявл.: 02.12.1981; опубл. 27.03.1996. URL: https://patents.google.com/patent/SU1072666A1/ruPatent 1072666 (SSSR). Sposob izgotovleniya poluprovodnikovykh priborov s pristenochnym p-n-perekhodami [A method of manufacturing semiconducting devices with near-wall p-n-transitions]. N.M. Manzha, V.N. Kokin, Yu.D. Chistyakov, Patyukov S.I., 1996.Патент (РФ) № 174468U1, МПК H01L 31/028. Будтолаев А.К., Либерова Г.В. Многоплощадочный кремниевый p-i-n-фоточувствительный элемент. Заявл. 02.11.2016; опубл.: 16.10.2017. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU174468U1_20171016; https://www.elibrary.ru/krtsvhPatent 174468 (RF). Mnogoploshchadochnyi kremnievyi p-i-n-fotochuvstvitel`nyi element [A multi-element silicon p-i-n-photosensitive element]. A.K. Budtolaev, G.V. Liberova, 2017.Патент (РФ) № 181785U1, МПК H01L 31/028. Либерова Г.В., Хакуашев П.Е. Многоплощадочный кремниевый p-i-n-фотодиод. Заявл.: 19.02.2018; опубл.: 26.07.2018. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU181785U1_20180726; https://www.elibrary.ru/jiwnlePatent 181785 (RF). Mnogoploshchadochnyi kremnievyi p-i-n-fotodiod [A multi-element silicon p-i-n-photodiode]. G.V. Liberova, P.E. Khakuashev, 2018.Robertson J. High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors. Reports on Progress in Physics. 2005; 69(2): 327—396. https://doi.org/10.1088/0034-4885/69/2/R02Robertson J. High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors. Reports on Progress in Physics, vol. 69, pp. 327–396. (DOI: 10.1088/0034-4885/69/2/R02)Aarik J., Mändar H., Kirm M., Pung L. Optical characterization of HfO2 thin films grown by atomic layer deposition. Thin Solid Films. 2004; 466(1-2): 41—47. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.01.110AArik J., Manar H., Kirm M., Pung L. Optical characterization of HfO2 thin films grown by atomic layer deposition. Thin Solid Films, 2004, vol. 466, pp. 41–47.Зырянова А.С., Телеш Е.В. Исследование электрофизических параметров тонкопленочных структур HfO2/Si, полученных реактивным ионно-лучевым распылением. Материалы IX Междунар. науч. конф. «Материалы и структуры современной электроники». Минск, 14–16 октября, 2020. Белорус. гос. ун-т. Минск: БГУ; 2020. С. 51—55. URL: https://www.elibrary.ru/xjrffbZyryanova A.S., Telesh E.V. Investigation of the electrophysical parameters of HfO2/Si thin films structures obtained by reactive ion beam sputtering. = IX International conference. Minsk, 2020, pp. 51–55. (In Russ.)Hino S., Nakayama M., Takashi K., Funakubo H., Tokumitsu E. Characterization of hafnium oxide thin films by source gas pulse introduced metalorganic chemical vapor deposition using amino-family Hf precursors. Japanese Journal of Applied Physics. 2003; 42:(Pt 1, 9B): 6015—6018. https://doi.org/10.1143/JJAP.42.6015Hino S., Nakayama M., Takashi K., Funakubo H., Tokumitsu E. Characterization of hafnium oxide thin films by source gas pulse introduced metalorganic chemical vapor deposition using amino-family Hf precursors. Japanese Journal of Applied Physics, 2003, vol. 42, no. 9, pp. 6015–6018.Wu X., Landheer D., Graham M.J., Chen H.-W., Huang T.-Y., Chao T.-S. Structure and thermal stability of MOCVD ZrO2 films on Si (100). Journal of Crystal Growth. 2003; 250(3-4): 479—485. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)00827-3Wu X., Landheer D., Graham M.J., Chen H.-W., Huang T.-Y., Chao T.-S. Structure and thermal stability of MOCVD ZrO2 films on Si (100). Journal of Crystal Growth, 2003, vol. 250, pp. 479–485. (DOI: 10.1016/S0022-0248(03)00827-3)Исмаилов Т.А., Саркаров Т.Э., Шахмаева А.Р., Шангереева Б.А. Технология получения защитной пленки оксида алюминия для полупроводниковых приборов и интегральных схем. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008; (1): 50—56.Ismailov T.A., Sarkarov T.E., Shahmaeva A.R. Shangereeva B.A. Technology of get defensive film of alumina for semiconductor instruments and integral schemes. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii Rossii. Radioelektronika = Journal of the Russian Universities. Radioelectronics, 2008, no. 1, pp. 50–56. (In Russ.)Романов Н.М., Мокрушина С.А. Влияние гамма-облучения на МДП-структуры с тонким оксидом Al2O3. Перспективные материалы. 2018; (2): 17—24. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2018-2-17-22Романов Н.М., Мокрушина С.А. Влияние гамма-облучения на МДП-структуры с тонким оксидом Al2O3. Перспективные материалы, 2018, № 2. С. 17–24. (DOI: 10.30791/1028-978X-2018-2-17-22)Gorshkov D.V., Sidorov G.Yu., Sabinina I.V., Sidorov Yu.G., Marin D.V., Yakushev M.V. The effect of the growth temperature on the passivating properties of the Al2O3 films formed by atomic layer deposition on the CdHgTe surface. Technical Physics Letters. 2020; 46(8): 741—744. https://doi.org/10.1134/S1063785020080064Gorshkov D. V., Sidorov G. Yu., Sabinina I. V., Sidorov Yu. G., Marin D. V., Yakushev M. V. The effect of the growth temperature on the passivating properties of the Al2O3 films formed by atomic layer deposition on the CdHgTe surface. Technical Physics Letters, 2020, vol. 46. pp. 741–744. (DOI: 10.1134/S1063785020080064)Arnold S.M., Cole B.E. Ion beam sputter deposition of low loss Al2O3 films for integrated optics. Thin Solid Films. 1988; 165(1): 1—9. https://doi.org/10.1016/0040-6090(88)90673-6Arnold S.M., Cole B.E. Ion beam sputter deposition of low loss Al2O3 films for integrated optics. Thin Solid Films, 1988, vol. 165. pp. 1–9. (DOI: 10.1016/0040-6090(88)90673-6)Singh M.P., Shivashankar S.A. Low-pressure MOCVD of Al2O3 films using aluminium acetylacetonate as precursor: nucleation and growth. Surface and Coatings Technology. 2002; 161(2-3): 135—143. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00470-XSingh M.P., Shivashankar S.A. Low-pressure MOCVD of Al2O3 films using aluminium acetylacetonate as precursor: nucleation and growth. Surface and Coatings Technology, 2002, vol. 161, pp. 135–143. (DOI: 10.1016/S0257-8972(02)00470-X)Martin I., Vetter M., Orpella A., Puigdollers J., Voz C., Marsal L.F., Pallares J., Alcubilla R. Characterization and application of a-SiCx:H films for the passivation of the c-Si surface. Thin Solid Films. 2002; 403–404: 476—479. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)01648-0Martin I., Vetter M., Orpella A., Puigdollers J., Voz C., Marsal L.F., Pallares J., Alcubilla R. Characterization and application of a-SiCx:H films for the passivation of the c-Si surface. Thin Solid Films, 2002, vol. 403–404, pp. 476–479. (DOI: 10.1016/S0040-6090(01)01648-0)Arslambekov V.A., Kazarinova I.D., Gorbunova K.M. Oxidation of silicon. Russian Chemical Reviews. 1972; 41(1): 36—46. https://doi.org/10.1070/RC1972v041n01ABEH002027Arslambekov V.A., Kazarinova I.D, Gorbunova K.M. Oxidation of Silicon. Russian Chemical Reviews, 1972, vol. 41, no. 1, pp. 36–46. (DOI: 10.1070/RC1972v041n01ABEH002027)Борисова Т.М., Кастро Р.А. Исследование диэлектрических свойств тонких пленок оксида алюминия, выращенных методом молекулярного наслаивания. Труды МФТИ. 2013; 5(1(17)): 21—25.Borisova T.M., Kastro R.A. A study of dielectric properties of thin aluminium oxide layers grown by atomic layer deposition. Trudy MFTI = Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology, 2013, no. 1, pp. 21–25. (In Russ.)Shamala K.S., Murthy L.C.S., Narasimha Rao K. Studies on optical and dielectric properties of Al2O3 thin films prepared by electron beam evaporation and spray pyrolysis method. Materials Science and Engineering B. 2004; 106(3): 269—274. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2003.09.036Shamala K.S., Murthy L.C.S., Narasimha Rao K. Studies on optical and dielectric properties of Al2O3 thin films prepared by electron beam evaporation and spray pyrolysis method. Materials Science and Engineering: B, 2004, vol. 106, pp. 269–274. (DOI: 10.1016/j.mseb.2003.09.036)Зи С. Физика полупроводниковых приборов; пер. с англ. В 2-х кн. М.: Мир; 1984. Кн. 1. 456 с.Sze S.M. Fizika poluprovodnikovykh priborov [Physics of Semiconductor Devices]. Moscow: Mir, 1984. 456 p. (In Russ.)Равдель А.А., Пономарева А.М. Краткий справочник физико-химических величин. СПб.: СпецЛит; 1998. 232 с.Ravdel` A.A., Ponomareva A.M. Kratkii spravochnik fiziko-khimicheskikh velichin. [Short guide of physical-chemical quantities]. Saint-Petersburg: Special`naya literatura, 1998. 232 p. (In Russ.)Бродский А.М., Гуревич Ю.Я., Плесков Ю.В., Ротенберг З.А. Современная фотоэлектрохимия: Фотоэмиссионные явления. М.: Наука; 1974. 167 с.Brodskii A.M., Gurevich Yu.Ya., Pleskov Yu.V., Rotenberg Z.A. Sovremennaya fotoelektrokhimiya. Fotoemissionnye yavleniya. [Modern photoelectrochemistry. Photoemission]. Moscow: Nauka, 1974. 167 p. (In Russ.)Бараночников М.Л. Приемники и детекторы излучений. Справочник. М.: ДМК Пресс; 2012. 640 с.Baranochnikov M.L. Priemniki I detektory izluchenii. Spravochnik. [Receivers and radiation detectors. Directory]. Moscow: DMK press, 2012. 640 p. (In Russ.)Патент (РФ) № 205303 U1, МПК H01L 31/028. Ким А.С., Колкий А.Н. Многоплощадочный кремниевый p-i-n-фотодиод с двухслойной диэлектрической пленкой. Заявл.: 10.03.2021; опубл.:08.07.2021. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU205303U1_20210708Patent 205303 (RF). Mnogoploshchadochnyi kremnievyi p-i-n-fotodiod s dvukhsloinoi dielektricheskoi plenkoi [A multi-element silicon p-i-n-photodiode with double-layer dielectric film]. A.S. Kim., A.N. Kolky.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.