Процессы дефектообразования и деградации параметров в кремниевых биполярных структурах при импульсном лазерном облучении Сидорова-Бирюкова, Анна Алексеевна

Введение к работе

Актуальность исследования. Анализ структуры и свойств электрически активных дефектов, создаваемых излучением оптических квантовых генераторов в приповерхностных слоях полупроводниковых материалов и структур в режиме без плавления поверхности, представляет интерес как с физической, так и с прикладной точек зрения.

В настоящее время при создании микроэлектронных приборов на основе кремния успешно используется импульсное лазерное излучение наносекундной длительности с интенсивностью, недостаточной для плавления материала (так называемый допороговый режим воздействия). Высокая плотность энергии лазерного излучения и локальность воздействия обеспечивают возможность эффективного избирательного влияния на приповерхностные слои кристалла за счет генерации или отжига электрически активных дефектов [1]. В то же время детальные исследования ионно-легироваїшьіх слоев кремния после лазерного воздействия свидетельствуют о наличии в них точечных дефектов, индуцированных самим лазерным лучом. Увеличение дефектности кристаллов приводит к измепеїппо рабочих характеристик приборов, изготовлешшх па их основе. В этой связи для успешного решения прикладных проблем, связанных с использованием лазерных технологий, необходимо понимание физики процессов лазерноиндуцированного дефектообразования в полупроводниках.

Проблема поиска радиациошю-стойких материалов и технологий остается актуальной вследствие постоянно расширяющегося спектра видов излучений, используемых для воздействия на полупроводниковые материалы. При этом использование лазерного излучения является перспективным для моделирования последствий воздействия других видов излучения. В этой связи представляют интерес сведения о характере и величине изменения электрических характеристик приборных структур после воздействия лазерного излучения.

Применение полупроводниковых материалов в качестве активных сред для миниатюрных полупроводниковых лазеров сталкивается с проблемой

многоимпульсного разрушения среды при прохождении большого числа сравнительно слабых световых импульсов. В этой связи актуально изучение динамики накопления индуцированных дефектов с целью прогнозирования и продления срока службы материала среды.

Исследования процессов лазерно-индуцированного дефектообразования в полупроводниках имеют большое значение для решения фундаменталышгх проблем физики поверхности твердого тела. В процессе поглощения лазерного импульса в приповерхностной области кристалла толщиной 0.1-1.0 мкм создается интенсивное электронное, тепловое и деформационное возбуждения. Анализ соотношения вкладов этих возбуждений необходим для понимания механизма элементарного акта дефектообразования, инициированного мощной световой накачкой кристалла.

Наибольшее распространение имеют в настоящее время микроэлектронные приборы, изготовленные на основе кремния, что и обусловило выбор этого материала для проведения исследования. Все использованные в работе образцы представляют собой структуры на основе кристалла кремния, однако, разработанные подходы и модели могут применяться и для других полупроводников с учетом их индивидуальных особенностей.

Целью диссертационной работы является установление причин деградации электрических характеристик кремниевых биполярных структур, индуцированной допороговым импульсным лазерным облучением, а также анализ возможных ограничений использования лазерного излучения для различных вариантов лазерной технологической обработки кремниевых материалов и приборных структур.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи.

Ї: Установить' физические закономерности деградации электрофизических свойств приборных структур, в процессе облучения последовательностью лазерных импульсов в режиме без плавления поверхности.

2. Провести сравнение изменений, произошедших в составе, концентрации и локализации уровней дефектов структур исследуемых типов, под действием лазерного излучения с различной энергией в импульсе для длин волн 0.532 и 1.064

мкм с использованием метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ).

3. Выявить связь между конструктивными особенностями исследуемых
структур и их радиационной стойкостью к лазерному излучению. На примере
фотоприемных приборов разработать неразрушающую методику отбраковки
потенциально ненадежных экземпляров на основе оценки степени их деградации на
ранней стадии.

1. Провести анализ формы обратных вольт-амперных характеристик (ВАХ) облученных структур на основе теории Шокли-Рида-Холла с использованием данных РСГУ. Определить основной источник увеличения тока утечки облученных биполярных структур. Сделать вывод о возможной локализации введенных ловушек носителей заряда на поверхности или в объеме облученной структуры.

2. На основе полученных экспериментальных данных предложить модель дефектообразования в реальных полупроводниковых структурах, объясняющую особенности деградации рабочих характеристик приборов в результате воздействия на них импульсов лазерного излучения с различной плотностью энергии на длине волны 0.532 мкм и 1.064 мкм.

Кинетика радиационных процессов в биполярных структурах во многом определяется конструктивно-технологическими особенностями облучаемых образцов. Поэтому для проведения исследований были выбраны различные варианты кремниевых приборов и структур с р-n переходом: фотодиоды типа ФД-28КП, КФДМ, фототранзисторы типа ФТ-1К, а также тестовые структуры солнечных элементов (СЭ) на пластинах 76 Биеад2_450. Данные структуры различаются по своим топологическим размерам, по расположению фотоприемного окна относительно легированных областей, а также по концентрации и составу глубоких центров в базовой области структуры.

Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, обладающие научной новизной.

1. Установлен пороговый характер увеличения тока утечки в биполярных кремниевых тестовых структурах трех конструктивно-технологических вариантов при

облучении наносекундными импульсами (т_р=20 не) неодимового лазера на длине волны Я.=0.532 мкм в диапазоне изменения плотности энергии в импульсе 0.05 Дж/см²<\<0.4 Дж/см².

2. Экспериментально определены предельные значения числа воздействующих лазерных импульсов N* при заданной энергии в импульсе W, при которых облучение не приводит к росту тока утечки до значения, выходящего за рамки норм технических условий для данного вида приборов.

3. Показано, что при облучении структур на основе р⁺-п перехода импульсами неодимового лазера в допороговом режиме увеличение тока утечки через структуру сопровождается ростом его канальной составляющей, о чем свидетельствует измерение температурных зависимостей ВАХ биполярных структур на различных стадиях деградации.

4. Зарегистрировано возникновение линейных ВАХ тестовых кремниевых СЭ с мелкозалегающим р⁺-п переходом (zj=0.2-^1 мкм) в рабочем диапазоне приложенного напряжения при превышении некоторого критического числа импульсов N⁴¹ с плотностью энергии W=0.05 Дж/см². Проведено сравнение экспериментально полученного значения критического числа импульсов, приводящего к появлению линейной ВАХ, с теоретическими величинами, вычисленными на основе теории многоимпульсного лазерного разрушения (МЛР) полупроводниковых материалов для различных значений энергии образования первичного дефекта. Наилучшее соответствие экспериментального и теоретического значений N⁴¹ получено для значения энергии образования первичных точечных дефектов E_d=0.8-r0.95 эВ.

5. Получены данные об изменении концентрации и состава центров с глубокими уровнями в базовой области кремниевых биполярных структур указанных выше типов под действием облучения с Л.]=0.532 мкм в диапазоне изменения плотности энергии в импульсе 0.05 fl»/cM²2 и Х₂=1.064 мкм в диапазоне изменения плотности энергии в импульсе 0.3 Дж/см²<\У<0.6 Дж/см².

6. В рамках модели деградации оптоэлектронных приборов при действии
импульса лазерного излучения [2], рассчитаны пространственно-временное
распределение плотности введенных дефектов, рельеф упругих напряжений и

температуры кристалла за время действия импульса. Показано, что процесс накопления введенных точечных дефектов локализуется на поверхности кремния или на границе р⁺-п перехода при облучении на длинах волн 0.532 и 1.064 мкм, соответственно.

Практическая ценность работы.

1. Разработана программа для компьютерного расчета тока утечки через р-п переход, обусловленного наличием в области пространственного заряда (ОПЗ) ловушек носителей заряда. Программа позволяет учитывать положение ловушки относительно граішцьі перехода, энергетический уровень в запрещенной зоне, концентрацию ловушек.

2. Предложен способ оценки качества изготовленных партий приборов и прогнозирования срока их службы путем разбраковки партии изделий по разбросу предельного числа импульсов лазерного излучения N"¹¹, не приводящему к увеличению тока утечки за пределы норм технических условий.

3. Создана программа для компьютерного расчета распределения концентрации дефектов, введенных лазерным излучением в приповерхностный слой кремниевой неоднородной структуры, в направлении нормали к поверхности. Компьютерное моделирование позволяет определить плотность энергии лазерного импульса, приводящую к образованию кластеров первичных дефектов, а также наиболее вероятное положение области образования кластеров, что может найти применение при создании методик лазерного геттерирования полупроводниковых приборных структур.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

4. Возрастание тока утечки фотоприемных приборов исследуемых типов при увеличении числа импульсов и плотности энергии в импульсе действующего лазерного излучения носит пороговый характер и связано с модификацией состава, концентрации и локализации электрически активных дефектов в приповерхностном слое структуры.

5. При некоторых предельных значениях числа воздействующих импульсов Nd:YAG лазера Ы^, определенных в эксперименте, облучение с плотностью энергии

импульса W< 0.4 Дж/см² и Х=0.532 мкм не приводит к ухудшению электрических параметров исследуемых типов приборов до уровня, недопустимого нормами технических условий.

3. Скорость возрастания тока утечки диодной структуры зависит от
температуры облучения. Оцененная по температурной зависимости эффективная
энергия активации роста тока утечки Ед составляет 0.48+52 эВ.

4. При увеличении плотности энергии импульса W до 0.6 Дж/см² (Х=1.064 мкм) РСГУ-спектр диодов, облученных со стороны р⁺-области, принимает форму "протяженной линии", характерной для кремниевых структур, содержащих кластеры точечных дефектов или дислокации. Возникновение "протяженной линии" совпадает с резким увеличением тока утечки через переход (до 10"⁵ А/см² при смещении 4В для КФДМ).

5. Ток утечки, обусловленный увеличением концентрации центров с глубокими уровнями при лазерном облучении всех исследованных типов структур и рассчитанный в рамках генерационно-рекомбинационного механизма Шокли-Рида-Холла, составляет 0.1+0.5% и 1+8% от реально наблюдаемых величин для облучения с Л.=0.532 мкм и Х= 1.064 мкм, соответственно. Полученные оценки позволяют предположить, что значительную роль в формировании тока утечки облученных структур играют шідуцированньїе каналы непосредственного переноса носителей заряда через переход.

6. Температурные зависимости ВАХ фотоприемных структур с разной степенью деградации свидетельствуют о постепенном возрастании доли канального тока в суммарном токе утечки при увеличении степени деградации структуры. В случае возникновения линейной ВАХ сопротивление шунтирующего канала составляет по порядку величины 10⁵ Ом.

7. Значения пороговой энергии в импульсе W_p, приводящей к началу образования кластеров первичных дефектов, полученные в численном эксперименте в рамках модели деградации оптоэлектронных приборов [2] для различных рельефов коэффициента поглощения, удовлетворительно согласуются с результатами эксперимента.

8. Проведенное сравнение расчетного критического числа импульсов второй гармоники Nd:YAG лазера, необходимого для реализации процесса накопления первичных дефектов в рамках теории МЛР, с экспериментальным позволяет оценить величшгу эффективной энергии образования первичного дефекта EАпробация работы и публикации Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах:

1. Научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1994г.)

2. V Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (Звенигород, 1994г.)

3. Научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва,1995г.)

4. Научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1996г.)

Основные результаты изложены в 5 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание диссертации изложено на 129 страницах машинописного текста, иллюстрировано 43 рисунками. Список литературы включает 113 наименование работ.

Похожие диссертации на Процессы дефектообразования и деградации параметров в кремниевых биполярных структурах при импульсном лазерном облучении

Радиационное повреждение и модифицирование структуры и свойств оксидных диэлектриков при воздействии больших доз облученияАбдулкадырова, Изида Хамедовна

Особенности динамики нагрева и моделирования процесса наносекундного импульсного лазерного облучения полупроводников в режимах развитого плавленияЭм, Александр Семенович

Исследование влияния рентгеновского облучения на релаксационные и переключательные процессы в перовскитоподобных сегнетоэлектрикахТиллес Ванда Феликсовна

Влияние процессов дефектообразования в кислородсодержащем германии на электрические свойства лавинных фотодиодовГромова, Наталья Юрьевна

Процессы дефектообразования в кремнии и фосфиде галлия, легированных редкоземельными элементами и изовалентными примесямиВабищевич, Сергей Ананьевич

Процессы синтеза и дефектообразования в тройных полупроводниках для нелинейной оптики ИК-диапазонаВоеводина Ольга Викторовна

Сопряженное действие радиации и внешних факторов на деградацию фотоэнергетических параметров фотопреобразователейКабулов, Ибрагим Акрем оглы

Структура, параметры и физико-химическая природа центров с глубокими уровнями в соединениях A2B6Хамидов Марасилав Магомедович

Оптические свойства и параметры зонной структуры соединений некоторых редкоземельных элементовГигинеишвили, Акакий Власович

Влияние объемных неоднородностей на параметры полупроводниковых структурБогатов, Николай Маркович