Thermal annealing ambiance effect on phosphorus passivation and reactivation mechanisms in silicon-based Schottky diodes hydrogenated by MW-ECR plasma

• Published in: Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics
• Date: 2021
• Main Authors: Belfennache, D., Madi, D., Yekhlef, R., Toukal, L., Maouche, N., Akhtar, M.S., Zahra, S.
• Format: Article
• Language: English
• Published: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2021
• Subjects: Semiconductor physics
• Online Access: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/216300
• Journal Title: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Cite this: Thermal annealing ambiance effect on phosphorus passivation and reactivation mechanisms in silicon-based Schottky diodes hydrogenated by MW-ECR plasma / D. Belfennache, D. Madi, R. Yekhlef, L. Toukal, N. Maouche, M.S. Akhtar, S. Zahra // Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. — 2021. — Т. 24, № 4. — С. 378-389. — Бібліогр.: 51 назв. — англ.

The main objective of this work is to investigate the effect of thermal annealing in a forming gas atmosphere on the mechanism of deactivation and reactivation of phosphorus in silicon-based Schottky diodes. Firstly, the microwave plasma power, initial phosphorus concentration in the samples, and hydrogen flux were fixed as 650 W, 10¹⁵ cm⁻³, and 30 sccm, respectively, to investigate the behavior of different working parameters of diodes, specifically the duration and temperature of hydrogenation. Secondly, a few samples hydrogenated at 400 °C for 1 h were annealed under the forming gas (10% H₂ + 90% N₂) within the temperature range from 100 to 700 °C for 1 h. The profiles of active phosphorus concentration were monitored by evaluating the change in concentration of phosphorus after hydrogenation or thermal annealing in a forming gas environment through capacitance-voltage measurements. The obtained results depict the temperature and duration of hydrogenation, which ultimately reveal the complex behavior of phosphorus and hydrogen in silicon. However, the phosphorus passivation rate is homogeneous over all the depths measured at 400 °C. The thermal annealing in a forming gas indicates the increase in passivation rate of phosphorus as a function of annealing temperature, till the passivation rate attains saturation in the sample annealed at 400 °C. At higher temperatures, a decrease in the concentration of phosphorous-hydrogen complexes is observed due to the dissociation of these complexes and reactivation of phosphorus under thermal effect. Основною метою даної роботи є дослідження впливу термічного відпалу при утворенні газової атмосфери на механізми дезактивації та реактивації фосфору в діодах Шотткі на основі кремнію. По-перше, потужність мікрохвильової плазми, початкова концентрація фосфору у зразках та потік водню були зафіксовані відповідно до 650 Вт, 10¹⁵ см⁻³ та 30 куб. см для дослідження поведінки різних робочих параметрів діодів, зокрема тривалості та температури гідрогенізації. По-друге, декілька зразків, гідрогенізованих при 400 °C протягом 1 години, відпалювалися в атмосфері формуючого газу (10% H₂ + 90% N₂) у діапазоні температур від 100 до 700 °C протягом 1 години. Профілі концентрації активного фосфору контролювали шляхом оцінки зміни концентрації фосфору після гідрогенізації або термічного відпалу в середовищі формуючого газу шляхом вольт-ємнісних вимірювань. У результаті отримано значення температури та тривалості гідрогенізації, що в кінцевому підсумку продемонстрували складну поведінку фосфору та водню в кремнії. Однак швидкість пасивації фосфору є однорідною на всіх глибинах, виміряних при 400 °C. Термічний відпал у формуючому газі свідчить про збільшення швидкості пасивації фосфору як функцію температури відпалу, поки швидкість пасивування не досягне насичення у зразку, відпаленому при 400 °C. При більш високих температурах спостерігається зменшення концентрації фосфорно-водневих комплексів через дисоціацію цих комплексів та реактивацію фосфору під дією теплового впливу.