Исследование зарядовых свойств пленок оксида алюминия

К настоящему времени пленки оксида алюминия Al₂O₃ нашли широкое применение в производстве различных полупроводниковых приборов, например в качестве пассивирующего покрытия для солнечных элементов. В данной работе рассматривается специфическое применение пленок Al₂O₃ в качестве покрытия, наносимого на фоточувствительную поверхность фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС), освещаемых с обратной стороны подложки. В данном случае используется характерное свойство пленок Al₂O₃ – большой по величине отрицательный встроенный заряд, индуцирующий приповерхностное электрическое поле требуемой величины и направленности, необходимое для обеспечения высокой квантовой эффективности приборов. Цель данного исследования заключается в разработке технологии осаждения пленок оксида алюминия с максимальным по модулю встроенным фиксированным отрицательным зарядом и низкой плотностью поверхностных состояний на границе раздела Al₂O₃–Si.

Введение

ФПЗС c освещением с обратной стороны подложки (backside-illuminated CCDs, или BI CCDs) обладают существенными преимуществами перед ФПЗС традиционной конструкции, освещаемыми с лицевой стороны, Основное преимущество BI CCD заключается в отсутствии поглощения света в поликремниевых электродах. В настоящее время BI CCD освоены в серийном производстве рядом зарубежных компаний, причем их доля в общем выпуске ФПЗС постоянно растет. В то же время, постоянно продолжается разработка технологических способов «сенсибилизации» BI CCD за счет управления приповерхностным потенциальным профилем.

Сенсибилизация обратной стороны ФПЗС

На поверхности кремниевой подложки при контакте с атмосферным воздухом образуется слой естественного оксида, имеющий положительный встроенный заряд [1]. За счет этого в приповерхностной области обратной стороны утоненного n–канального ФПЗС формируется паразитная потенциальная яма для сигнальных носителей заряда, что снижает величину квантовой эффективности, в особенности в коротковолновой области спектра. Существует несколько известных способов решения данной проблемы:

• создание высоколегированного p⁺–слоя в приповерхностной области ионной имплантацией бора с постимплантационным отжигом (лазерным или термическим) [2];
• непосредственная зарядка поверхности [1];
• создание очень тонкого p⁺–слоя с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (так называемое «дельта-легирование» приповерхностной области);
• осаждение пленок с отрицательным встроенным зарядом.

Первые три способа широко представлены в отечественной и зарубежной литературе, однако у каждого из них есть свои ограничения и недостатки.

Перспективность способа, основанного на применения пленок с отрицательным встроенным зарядом, нанесенных методом атомно-слоевого осаждения (ALD), объясняется следующим:

• относительно невысокая стоимость оборудования для атомно-слоевого осаждения пленок,
• низкие температуры осаждения пленок (менее 200ºС при использовании атомно-слоевого осаждения, стимулированного плазмой);
• отсутствие жестких требований к рельефу поверхности, на которую проводится осаждение пленок;
• возможность достижения низких и стабильных значений темнового тока.

Среди материалов, которые могут иметь отрицательный встроенный заряд, в литературе упоминаются сапфир Al₂O₃, фторид алюминия AlF₃, оксинитрид алюминия AlON, диоксид циркония ZnO₂ (при определенных условиях формирования пленок), флюорит CaF₂[3]. Наиболее предпочтительным представляется использование пленок оксида алюминия из-за их широкого применения в кремниевой технологии, простоты метода нанесения, наличия обширных литературных данных.

В рамках данного исследования предпочтение отдается методам термического и плазменного атомно-слоевого нанесения Al₂O₃ вследствие стабильности и воспроизводимости технологических и электрофизических параметров получаемых пленок.

Общие принципы процесса ALD Al₂O₃ хорошо изучены. В качестве основных прекурсоров в реакции наиболее часто используются ТМА (триметилалюминий) в качестве источника алюминия, а в качестве окислителя используется вода в случае термостимулированного атомно-слоевого осаждения (thermal ALD), или же O₂ или O₃ для плазменно-стимулированного атомно-слоевого осаждения (plasma assisted ALD) [4].

В рамках данного исследования проведен исследовались электрофизические характеристики (встроенный заряд и плотность поверхностных состояний) пленок оксида алюминия, полученных методами thermal и plasma assisted ALD.

Описание тестовых образцов

Основные характеристики исходных кремниевых пластин: p-тип, легирование бором, номинальное удельное сопротивление 12 Ом·см, ориентация (100), диаметр 100 мм, получены из слитков кремния, выращенных по Чохральскому (CZ- Si).

Пленки Al₂O₃ на образцах № 5, № 7 наносились по технологии Plasma- Assisted ALD; № 3 и № 4 – Thermal ALD. Параметры слоев определялись в исходном состоянии, а также и после отжига в течение 30 минут в атмосфере сухого азота при температуре 350℃. Полевые электроды МДП-структур формировались вакуумным напылением (evaporation) алюминия через теневую маску (без фотолитографии).

Электрофизические параметры полученных пленок определялись путем измерения высокочастотных вольт-фарадных характеристик с использованием измерительного комплекса CSM/Win 4200CV3 IV производства компании MDC (Швейцария).

Толщина слоя Al₂O₃ измерялась оптически с помощью спектрального эллипсометра и для всех образцов составляла 15 нм, показатель преломления пленок – 1,63.

Величина гистерезиса C-V характеристик определялась при комнатной температуре при изменении напряжения смещения в обоих направлениях.

Результаты измерений C—V характеристик

В качестве примера на рисунке 1 приведены нормированные вольт-фарадные характеристики, полученные для образца № 7 до и после отжига в среде азота.