3 Стабилизация поверхностного заряда и защита поверхности

Свойства поверхности p-n перехода определяют как стабильность характеристик, так и срок службы полупроводниковых приборов. Любая технология изготовления полупроводниковых приборов и ИС содержит операции многократной очистки поверхности полупроводника перед проведением операции окисления , легирования, эпитаксии, металлизации и др. В последнее время в технологии кремниевых приборов широкое применение нашли методы газового геттерирования в HCl – содержащей среде на операциях окисления и высокотемпературных процессах диффузии и перераспределения примесей после ионной имплантации.

В процессе окисления наряду с кислородом в реактор поступает газообразный хлористый водород до 3% по объёму окислителя. HCl взаимодействует с БДП, создавая летучие хлориды металлов, которые выносятся газовым потоком. Таким образом, очищается приповерхностный слой кремния и уменьшается плотность быстрых состояний.

Наряду с окислением идёт газовое травление кремния с генерацией вакансий в объём. Повышенная концентрация вакансий подавляет образование дефектов упаковки, индуцируемых окислением (ДУИО), природа которых связана с избыточными межузельными атомами кремния. Окаймляющие ДУИО дислокации вносят дополнительные поверхностные уровни и являются центрами преципитации инородных атомов. Кроме того, при окислении в хлорсодержащей среде плотность быстрых состояний на границе SiO₂ – Si по сравнению с обычным окислением уменьшается на порядок. Это явление объясняется тем, что во время высокотемпературного окисления HCl создаёт большое число H⁺ и OH^– – групп, которые заполняют оборванные связи кремния. Благодаря присутствию высокой концентрации хлора в окисле на границе SiO₂ – Si нейтрализуется влияние подвижных ионов натрия, что обеспечивает долговременную стабильность свойств поверхности.

Для сохранения работоспособности полупроводниковых приборов необходимо пассивировать их поверхность. Эта операция необходима для того, чтобы защитить поверхность от нежелательных посторонних загрязнений и влаги. Множество выпускаемых в настоящее время приборов пассивируются хорошо известными способами, такими как термическое окисление и покрытие плёнкой нитрида кремния, либо слоем фосфорносиликатного стекла. Термически выращенные плёнки SiO₂ не нашли применения в дискретных высоковольтных приборах из-за высокой плотности заряда и дрейфовых явлений. Для этих приборов более подходящими оказались силикатные стёкла и кремний - органические полимеры. Широкое применение нашло свинцово-алюмоборосиликатное и алюмосиликатное стёкла, которые можно наносить методом электрофореза (перенос коллоидной суспензии заряженных положительно частиц стекла в электрическом поле). Другой способ образования покрытия – это нанесение на поверхность эмульсии стекла в органическом связующем веществе. Покрытие делается тонким и однородным, а связка удаляется путём дегазации при сравнительно низких температурах. Затем осуществляется оплавление стекляной плёнки.

В последнее время в качестве пассиватора для планарных p-n переходов используют полуизолирующий поликристаллический кремний (сипос). Он представляет собой плёнку поликристаллического кремния, легированного кислородом и азотом. Эту плёнку можно получить пиролизом из смеси SiH₄ – N₂O – N_2. Благодаря легированию её проводимость очень мала. Обычно плёнки сипос покрываются плёнками нитрида кремния, действующего как барьер для подвижных ионов натрия и влаги. Для защиты плёнки Si₃N₄ от электрического пробоя на неё наносят плёнку пиролитического окисла кремния.

Другой перспективный способ пассивации поверхности заключается в использовании плёнок гидрированного аморфного кремния Si : H. Проводимость плёнок Si : H настолько мала, что токи утечки при обратном смещении практически отсутствуют даже при повышенных температурах . Благодаря гидратации поверхности кристалла плотность поверхностных состояний на границе с кремнием становится на два порядка меньше, чем при термическом окислении.

Тщательная пассивация поверхности и герметизация кристаллов в корпус в инертной среде обеспечивают долговременную стабильность обратных токов и напряжения пробоя.