Новые подходы к полупроводниковой поверхностной пассивации для повышения долговечности устройств

Полупроводниковые устройства лежат в основе практически каждой современной электронной системы, от высокопроизводительных вычислений и телекоммуникаций до генерации возобновляемой энергии и медицинской диагностики. Основным препятствием в поддержании их производительности в течение длительного времени является деградация полупроводниковой поверхности, где дефекты атомного масштаба могут серьезно ухудшить электрические характеристики посредством рекомбинации и утечки заряда. Пассивация поверхности - применение защитного слоя или модификации поверхности для нейтрализации этих состояний дефектов - поэтому стала краеугольным камнем изготовления устройств. Традиционные схемы пассивации, такие как термовыращенный диоксид кремния (SiO2) и химический пар, осаждаемый в плазме, служили промышленности в течение десятилетий, но они сталкиваются с растущими ограничениями по мере сокращения размеров транзисторов и введения новых материалов. В этой статье исследуются несколько новых подходов к пассивации полупроводниковой поверхности, которые обещают обеспечить превосходную стабильность, эффективность и долговечность для устройств следующего поколения.

Понимание поверхностной пассивации в полупроводниках

На макроскопическом уровне полупроводниковый кристалл — кремний, арсенид галлия или соединение, такое как фосфид галлия индия, выглядит однородным. Однако в атомном масштабе поверхность является областью резкого окончания. Периодическая решетка разорвана, оставляя , разрывая связи и неудовлетворенную валентность, которые приводят к электронным состояниям в полосовом промежутке. Эти поверхностные состояния могут захватывать носители заряда (электроны или дырки), уменьшать подвижность несущих и действовать как центры рекомбинации, тем самым увеличивая темный ток в фотодиодах, снижая эффективность в солнечных элементах и вызывая сдвиги порогового напряжения в транзисторах. Плотность этих интерфейсных ловушек _{является критической фигурой заслуги; хорошо пассивированная поверхность проявляет значения D ¹¹ см^—2[[FLT}

Традиционные методы пассивации в первую очередь полагаются на формирование стехиометрического оксидного или нитридного слоя, который связывается с болтающимися связями и обеспечивает химически стабильный интерфейс. Для кремния тепловое окисление в сухом кислороде или паре производит SiO2 с низким D_,, ~ 2×10^{, ^{, —2}, —1}, кремниевый нитрид, осаждаемый PECVD при более низких температурах, предлагает более высокую диэлектрическую постоянную и отличный барьер против влаги и ионов щелочей. Тем не менее, оба имеют недостатки: SiO2 подвержен созданию дефектов при напряжении в высоком поле и его пределах проницаемости масштабирования. Si3N4 может вводить растягивающее напряжение и фиксированный заряд, что приводит к проблемам надежности в транзисторах тонкой пленки. Кроме того, эти методы не легко переносятся на новые полупроводники, такие как дихалкоген

Новые новые подходы

За последнее десятилетие исследователи предложили и продемонстрировали несколько инновационных стратегий пассивации, которые выходят за рамки простых покрытий из оксида или нитрида. Эти методы используют управление атомным масштабом, новые материалы и инженерию химии поверхности для достижения более низкого D_{, лучшей долгосрочной стабильности и совместимости с новыми структурами устройства.}

Атомное осаждение слоя (ALD)

Осаждение атомного слоя представляет собой метод роста тонкопленочного слоя, основанный на последовательных, самоограничивающих реакциях газов-поверхностей. Попеременно импульсы двух газов-предшественников, разделенных этапами очистки, ALD отложений пленок с монослойной точностью и отличной конформностью, даже на структурах с высоким спектром-соотношением. Для поверхностной пассивации ALD-выращенный оксид алюминия (Al2O3) стал золотым стандартом для кремниевых солнечных элементов. Al2O3 не только насыщает кремниевые болтающие связи посредством образования связей Si-O-Al. Al2O3 не только насыщает кремниевые болтающие связи посредством образования связей Si-O-Al.12]-10 см⁻², что эффективно отталкивает носителей меньшинства от поверхности, явление, известное как пассивация эффекта поля. Комбинированные, химические и пассивирующие эффекты поля дают эффективные скорости реком

Двумерные (2D) материалы

Графен, шестиугольный нитрид бора (h-BN) и дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как MoS2 и WSe2, привлекли огромное внимание своими уникальными электронными, оптическими и механическими свойствами. Их атомарно тонкие, свисающие без связи поверхности, которые поражают объемные полупроводники. При размещении над полупроводниковым каналом или подложкой 2D-материал может действовать как пассивирующий слой , который физически защищает основной материал от адсорбатов окружающей среды, влаги и окисления, а также изменяет поверхностный потенциал. Например, монослой h-BN использовался в качестве пассивационного слоя для кремниевых транзисторов, уменьшая плотность ловушки интерфейса на порядок по сравнению с непассивными устройствами. Аналогичным образом, графен эффективно пассивирует поверхность нитрида галлия высокоэлектронно-мобильных транзисторов (HEMT), подавляя коллапс тока и улучшая радиочастотную производительность. Основной проблемой остается надежный, большой

Органические и неорганические гибридные слои

Сочетание гибкости органических молекул с устойчивостью неорганических оксидов дает пассивирующие слои, которые могут быть адаптированы на молекулярном уровне. Самособранные монослои (SAM) алкилсиланов, фосфоновых кислот или тиолов могут быть привиты на полупроводниковые поверхности для создания плотного, низкоэнергетического интерфейса. Например, октадецилтрихлорсилан (OTS) на оксиде кремния создает гидрофобную пассивацию, которая отталкивает влагу и уменьшает ток утечки. Более продвинутые гибриды интегрируют SAM с тонким оксидом, выращенным ALD, образуя органический / неорганический бислой, который обеспечивает как химическую, так и полевую пассивацию. В перовскитных солнечных элементах органические пассивирующие молекулы (такие как фенэтиламидниофиофен) используются для лечения дефектов на границах зерна и интерфейсах, резко улучшая стабильность устройства и напряжение. Другим перспективным направлением является использование полистиролсульфоната p-типа (PEDOT

Плазменные процедуры

Плазменные поверхностные обработки изменяют химические и структурные свойства полупроводниковой поверхности без нанесения отдельной пленки. Воздействие водорода низкого давления, азота или формирующего газа (N2/H2) плазмы может прекратить связывание атомов водорода или азота, таким образом, уменьшая плотность интерфейса ловушки интерфейса. Например, формование-газовое отжигание (например, 10% H2 в N2) является стандартным шагом в обработке CMOS для пассивации интерфейса Si/SiO2. Однако, продвинутые плазменные обработки идут дальше: индуктивно связанные водородные плазмы могут проникать в узкие каналы и пассивировать глубокие дефекты в кремниевых нанопроводных транзисторах. В материалах III-V, таких как GaAs, показана скорость рекомбинации водорода от примерно 10 ] см/с до менее 10 ] см. Совсем недавно дистанционная или нисходящая плазма была использована для генерации реактивных видов, которые пассивируют поверхности без повреждения ионной бомбардировки, связанного с прямым воздействие

Другие новые методы

Помимо основных категорий, описанных выше, несколько других стратегий пассивации находятся в активном исследовании. Квантово-точечная пассивация включает покрытие полупроводниковой поверхности монослоем коллоидных квантовых точек, уровни энергии которых можно настроить на действие в качестве заряд-поглотителя или экранирующих слоев. Ионное жидкое покрытие использует электрический двойной слой, образованный на границе с ионной жидкостью комнатной температуры для модуляции поверхностного потенциала и подавления рекомбинации. Поверхностная инженерия перовскита включает использование громоздких органических катионов (например, бутиламмоний, фенетиламмоний) для формирования квази-2D пассивирующего наслоения, которое улучшает стабильность гибридных свинцово-галидных перовскитов. Хотя многие из них все еще находятся в стадии исследования, они иллюстрируют продолжающееся стремление к более эффективным, адаптируемым решениям

Сравнительный анализ методов пассивации

Для оценки относительных достоинств этих новых методов полезно рассмотреть несколько ключевых показателей: плотность ловушки интерфейса _,, , прочность поля-эффекта (фиксированный заряд), термическая стабильность , ], , температура процесса и совместимость с интеграцией устройства . В таблице ниже приведены типичные значения для традиционных и новых методов.

(Примечание: данные репрезентативны; точные значения зависят от субстрата, условий процесса и метода измерения.])

Тепловой SiO2 (кремний) — D_it ~ 2×10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹, фиксированный заряд ~ 1×10¹¹ cm^{—2^{, отличная термостойкость, высокотемпературный процесс (800—1000 °C).}}

PECVD Si3N4 (кремний) — D_it ~ 5×10¹¹ cm⁻²eV⁻¹, высокий фиксированный заряд (положительный) ~ 1×10¹² cm^{—2^{, хороший барьер, умеренная температура (300—400 °C).}}

ALD Al2O3 (кремний) – D_it ~ 2×10¹¹ cm⁻²eV⁻¹, высокий отрицательный фиксированный заряд ~ 10¹²-1013 cm−2, отличная пассивация (S_eff <1 см/s), низкотемпературный процесс (100–300 °C).

h-BN (кремний или GaN) — D_он может быть уменьшен на порядок (например, с 10¹² до 10¹¹), незначительный фиксированный заряд, атомарно тонкий, ограниченная термостабильность процесса переноса.

Органические ЗРК (различные поверхности) – D_it снижение скромных (~2×), отличный влагозащитный барьер, низкая стоимость, ограниченная температурная толерантность (<150 °C).

Водородная плазма (кремний) — D_{, уменьшение до 5×, возможны повреждения процесса, простая интеграция, комнатная температура или низкая температура.}

Для мощных устройств GaN, где пассивация поля-эффекта имеет решающее значение, часто используется комбинация ALD Al2O3 и диэлектрического захватного слоя. Для гибкой органической электроники предпочтительны низкотемпературные плазменные обработки или SAM, чтобы избежать повреждения органического полупроводника. В продвинутой логике CMOS мультимодальная пассивация с использованием лайнеров Si3N4, оксидов ALD и этапов отжига уже стандартна в процессах металлических шлюзов с высоким κ.

Преимущества новых методов пассивации

Новые методы пассивации предлагают несколько конкретных преимуществ по сравнению с традиционными подходами:

Улучшенная стабильность: Оксиды ALD и слои h-BN обеспечивают герметичные уплотнения, которые сопротивляются влаге, кислороду и ионным загрязнителям. Устройства, пассивированные с Al2O3, показали сохранение производительности после тысяч часов в условиях сырого тепла, явное улучшение по сравнению с непассивными или SiO2-пассивными аналогами.

Улучшенный срок службы устройства: Благодаря резкому снижению скорости рекомбинации поверхности, ALD и гибридная пассивация продлевают срок службы миноритарных носителей в солнечных элементах с микросекунд до миллисекунд, непосредственно переводя на более длительный срок службы до снижения эффективности.В силовых транзисторах более низкий D_он подавляет неустойчивость смещения-температуры и отрицательную-биас-температурную нестабильность (NBTI), обеспечивая надежную работу в течение многих лет.

Более высокая эффективность:] Для фотоэлектрических клеток комбинация пассивации химических и полевых эффектов может повысить напряжение открытой цепи на десятки милливольт и повысить эффективность преобразования на 1-2 абсолютных процентных пункта. В светоизлучающих диодах снижение утечки поверхности приводит к более высокой внешней квантовой эффективности.

Гибкость и новые форм-факторы: Органически-неорганические гибридные слои и SAM могут быть применены к гибким подложкам, что позволяет обрабатывать тонкопленочные транзисторы и датчики. 2D-материалы с их механической гибкостью идеально подходят для конформной электроники без растрескивания или деламинирования.

Интеграция процессов: Обработка ALD и плазмы уже являются основными в полупроводниковых фабах. Низкий тепловой бюджет ALD (ниже 200 °C) позволяет проводить пассивацию после металлических соединений, снижая тепловое напряжение. Обработка плазмы может выполняться в существующих траншейных или CVD-камерах без дополнительного оборудования.

Проблемы и ограничения

Несмотря на обещание, остаются некоторые препятствия, прежде чем эти новые методы станут повсеместными:

Стоимость и пропускная способность: ALD, хотя и точный, является медленным процессом по сравнению с CVD или PVD. Для производства солнечных панелей большой площади время цикла может быть узким местом. Исследования пространственной ALD и пакетной обработки направлены на смягчение этого.

Качество интерфейса с экзотическими материалами: Свисающая без связи природа 2D-материалов представляет собой обоюдоострый меч: без нативного оксида сложно достичь химической связи с пассивирующим слоем, что приводит к слабой адгезии и потенциальному расслаиванию при тепловом цикле.

Долгосрочная надежность гибридов: Органические молекулы могут подвергаться фотоокислению или термической десорбции, особенно при воздействии УФ. Долговечность SAM и проводящих полимеров в высокотемпературных или высоковлажных средах требует дальнейшей проверки.

Плазменный ущерб:] Даже удаленная плазма может вводить дефекты с помощью энергичных УФ-фотонов или радикалов.Тщательная оптимизация мощности, давления и состава газа необходима для достижения пассивации без создания новых ловушек.

Метрология и характеристика: По мере того, как пассивирующие слои становятся атомарно тонкими, обычные емкостно-вольтажные или глубокоуровневые переходные спектроскопии (DLTS) становятся сложными. Необходимы передовые методы, такие как сканирующая туннельная микроскопия (STM), микроскопия силы зонда Кельвина (KPFM) и переходный распад фотовольтажа, которые обычно не доступны в производственных фабах.

Будущие перспективы

Ландшафт полупроводниковой поверхностной пассивации смещается от нескольких доминирующих материалов к разнообразному набору методов, адаптированных к конкретным требованиям устройства. В ближайшей перспективе (5-10 лет) ожидается, что ALD станет стандартом для фронтальной пассивации в передовых узлах CMOS, дополняя существующие диэлектрики с высоким КМОП. Для полупроводников III-V, используемых в фотонике и высокоскоростной электронике, комбинация ALD Al2O3 и обработки водородной плазмы может стать отраслевым стандартом. В фотоэлектрике двусторонние ячейки и гетеропереходные архитектуры будут все больше полагаться на ALD и органические пассивирующие слои для достижения эффективности более 26% для кремния и 30% для тандемных ячеек.

В долгосрочной перспективе интеграция 2D-материалов в качестве ультратонких пассивирующих слоев может обеспечить беспрецедентные уровни масштабируемости и гибкости. Мы можем увидеть гетероструктуры ван дер Ваальса, где монослой h-BN действует одновременно как пассивирующий слой и туннельный барьер для полевых устройств. В области квантовых вычислений поверхностное пассивирование сверхпроводящих схем и полупроводниковых квантовых точек имеет решающее значение для когерентного времени, где уже исследуются ALD и процедуры плазмы in situ. Сближение пассивирующей науки с машинным обучением для оптимизации процессов ускорит открытие оптимальных комбинаций материалов и параметров осаждения.

В конечном счете, цель состоит не только в том, чтобы продлить срок службы устройства, но и в том, чтобы позволить совершенно новым архитектурам устройств, таким как трехмерные интегральные схемы, нейроморфные чипы и гибкая биоэлектроника, которые требуют поверхностей с атомной точностью и необычайной стабильностью. Новые подходы к пассивации, рассмотренные здесь, не являются окончательными решениями; скорее, они представляют собой захватывающий рубеж области, которая должна продолжать развиваться вместе с постоянно сокращающимся и диверсифицированным ландшафтом полупроводниковой технологии.

Заключение

Пассивация поверхности остается критическим фактором для высокопроизводительных, долговечных полупроводниковых устройств. В то время как традиционная пассивация SiO2 и Si3N4 хорошо служила в течение десятилетий, требования современной электроники - меньшие размеры, более высокая плотность мощности, гибкие подложки и новые материальные платформы - требуют более сложных подходов. Осаждение атомного слоя, двумерные материалы, органические-неорганические гибриды и передовые плазменные обработки предлагают различные преимущества в сокращении интерфейсных ловушек, обеспечении защиты окружающей среды и повышении эффективности и срока службы устройств. Продолжая совершенствовать эти методы и интегрировать их в коммерческие производственные потоки, полупроводниковая промышленность может поставлять устройства, которые не только быстрее и более энергоэффективны, но и более надежны в течение десятилетий работы.