Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование электрофизических характеристик эпитаксиальных GaAs структур субмикронных полупроводниковых приборов при радиационном воздействии 23
1.1. Дефектообразование и ионизация в полупроводниковых мате риалах и субмикронных полупроводниковых структу рах 25
1.1.1. Источники радиационного излучения 26
1.1.2. Ионизация полупроводников при радиационном воздействии. Функция распределения электронов, ионизированных при радиационном воздействии 27
1.1.3. Особенности метода численного моделирования движения первичных атомов в полупроводниковых структурах 32
1.1.4. КРД в GaAs и Si при облучении быстрыми нейтронами 38
1.1.5. Неоднородности распределения дефектов в кластере 41
1.1.6. Неоднородности распределения СКРД при нейтронном облучении 43
1.2. Процесс стабилизации КРД в GaAs 44
1.2.1. Процесс формирования стабильного КРД 44
1.2.2. Измерения размеров стабильных КРД в GaAs и Si 50
1.2.3. Характеристики области пространственного заряда СКРД в GaAs 52
1.3. Комплексное исследование изменения параметров GaAs полу проводниковых структур и приборов при облучении быстрыми час- 56 тицами и гамма-квантами
1.3.1. Характеристики полупроводников при радиационном облучении (общие положения) 57
1.3.2. Исследуемые образцы 60
1.3.3. Измерительная аппаратура 62
1.3.4. Методики проведения измерений 63
1.3.5. Определение электрофизических характеристик полу проводниковых структур субмикронных ПТШ 64
1.3.6. Радиационные дефекты в полупроводниковых структурах субмикронных ПТШ 69
1.3.7. Токовая спектроскопия глубоких уровней в структуре GaAs ПТШ 71
1.3.8. Исследования характеристик протонированной GaAs структуры 82
Выводы кЛ главе 87
Глава 2. Моделирование движения носителей заряда в субмикронных GaAs полупроводниковых структурах при протонном, гамма и нейтронном воздействии 89
2.1. Использование метода Монте-Карло для анализа транспорта но сителей заряда в GaAs субмикронных структурах при радиацион ном воздействии 91
2.1.1. Алгоритм метода Монте-Карло 91
2.1.2. Апробация модели электронного транспорта в необлу-ченном материале 96
2.1.3. Учет радиационного воздействия 99
2.2. Результаты моделирования транспорта носителей заряда в GaAs субмикронных структурах при радиационном воздействии 108
2.2.1. Точечные дефекты 108
2.2.2. Субкластеры радиационных дефектов 112
2.2.3. Перенос электронов в субмикронных структурах при гамма-облучении 117
2,3. Квазигидродинамическое приближение для моделирования процессов в субмикронных GaAs полупроводниковых приборах при ионизирующем и дефектообразующем действии радиации 121
Выводы ко 2 главе 128
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования радиационных эффектов в GaAs субмикронных полевых транзисторах с затвором Шоттки 130
3.1. Разработка и апробация квазигидродинамической модели для расчета статических и высокочастотных параметров субмикронных транзисторов 131
3.1.1. Квазигидродинамическая модель субмикронного полевого транзистора с затвором Шоттки 131
3.1.2. Апробация квазигидродинамической модели для расчета электронного транспорта в GaAs ПТШ при дефектообразующем радиационном воздействии 139
3.2. Высокочастотные шумы квазибаллистических полевых транзи сторов при нейтронном облучении 146
3.2.1. Конструкция и характеристики квазибаллистического ПТШ 146
3.2.2. Моделирование транспорта электронов в канале транзистора 149
3.2.3. Анализ радиационной стойкости квазибаллистичбеского ПТШ 154
3.3. Отрицательная дифференциальная проводимость и высокочастотная генерация в квазибаллистических полевых транзисторах прирадиационном воздействии 156
3.3.1. Отрицательная дифференциальная проводимость квазибаллистического ПТШ 156
3.3.2. Исследование процессов генерации в баллистическом полевом транзисторе при радиационном воздействии 167
Выводы к 3 главе 171
Глава 4. Неравновесные процессы на границах раздела металл- полупроводник в субмикронных GaAs полевых транзисторах с затвором Шоттки 173
4.1. Эффекты усиления мощности дозы и флюенса радиационного воздействия в субмикронных структурах полевых транзисторов 174
4.1.1. Эффект усиления мощности дозы в случае облучения многослойных структур рентгеновским излучением 174
4.1.2 Эффект усиления флюенса на границе раздела двух сред с различными сечениями взаимодействия с нейтронным излучением 183
4.2. Образование наноразмерных включений в канале квазибалли стического полевого транзистора при радиационном облучении 186
4.2.1. Образцы 189
4.2.2. Моделирование эффекта усиления флюенса и неодно родности распределения КРД в канале транзистора 190
4.2.3. Моделирование характеристик квазибаллистических транзисторов при нейтронном облучении 195
4.2.4. Экспериментальные результаты изменения параметров длиннозатворных ПТШ после облучения 198
4.2.5. Улучшение характеристик баллистического ПТШ с 30 нм затвором при нейтронном облучении 200
4.2.6. Формирование КО при облучении V-ПТШ нейтронами 204
4.3. Нанометровая модификация канала квазибаллистического тран зистора методом электродинамической локализации оптического излучения 211
4.3.1. Описание электродинамического метода локализации оптического излучения 212
4.3.2. Теор етические оцен ки 213
4.3.3. Описание эксперимента 216
4.3.4. Результаты эксперимента 216
Выводы к 4 главе 220
Глава 5. Влияние радиационных технологических процессов на радиа ционную стойкость GaAs субмикронных полевых транзисторов 222
5.1. Влияние технологических процессов изготовления субмикрон ных полевых транзисторов на их отказы при радиационном воздей ствии 224
5.1.1. Выгорание полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) 224
5.1.2. Внезапные отказы 225
5.1.3. Постепенная деградация параметров 227
5.1.4. Пути повышения стабильности параметров субмикронных ПТШ 242
5.2. Влияние ионно-лучевого геттерирования на радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов 245
5.2.1. Сопоставление процессов геттерирования в Si и GaAs структурах 245
5.2.2. Эффект дальнодействия при радиационных воздействиях на полупроводниковые структуры субмикронных GaAs ПТШ 254
5.2.3. Идентичность процессов дальнодействующего геттерирования при ионном и лазерном облучении транзисторных структур 261
5.2.4. Радиационная стойкость GaAs полевых транзисторов с затвором Шоттки после ионно-лучевого геттерирования 264
Выводы к 5 главе 269
Заключение 271
Литература ^76
- Комплексное исследование изменения параметров GaAs полу проводниковых структур и приборов при облучении быстрыми час- 56 тицами и гамма-квантами
- Субкластеры радиационных дефектов
- Конструкция и характеристики квазибаллистического ПТШ
- Моделирование эффекта усиления флюенса и неодно родности распределения КРД в канале транзистора
Введение к работе
Общая характеристика диссертации
Диссертация посвящена ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ, позволяющему решить важнейшую народнохозяйственную задачу определения и обеспечения стойкости перспективной элементной базы сверхвысокочастотных устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе военной техники) при улучшении их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.
Актуальность проблемы. Развитие полупроводниковой электроники связано с уменьшением размеров активных областей активных элементов (диодов и транзисторов), которое на сегодняшний день достигло значений 0,1 мкм и менее. Принципиальное изменение физических процессов движения электронов в таких структурах позволило повысить предельные частоты, уменьшить необходимую для переключения энергию, а также снизить длину линий передачи данных в интегральных схемах (ИС).
В последние годы идет исследование взаимодействия различных видов фотонного и корпускулярного излучений с составными частями радиоэлектронной аппаратуры: интегральными схемами и дискретными полупроводниковыми приборами. С одной стороны, важность подобных исследований обусловлена проблемой радиационной стойкости военных и космических систем, а с другой стороны - развитием и все большим применением радиационных технологических процессов, использующихся для изготовления и во время испытаний полупроводниковых устройств. Применение математических моделей позволяет не только экономить время и средства, требуемые для разработки аппаратуры, но часто является единственно возможным средством, позволяющим понять и наглядно представить физические процессы, протекающие в субмикронных структурах полупроводниковых приборов при радиационном воздействии.
Воздействие радиационного излучения приводит к образованию дефектов и ионизации полупроводника. Радиационные дефекты условно можно разделить на точечные (вакансия и атом в междоузлии), комплексы дефектов (например, вакансия - атом примеси) и кластеры радиационных дефектов (КРД), т.е. скопления точечных дефектов и их комплексов, образующиеся при воздействии быстрых нейтронов, космических протонов и более тяжелых частиц. Тенденция уменьшения размеров активных областей субмикронных полупроводниковых приборов имеет физические ограничения, связанные: а) с неравномерностью распределения и конечным числом точечных заряженных центров (ионов примеси, дефектов и т.п.) в приборах; б) размером протяженных областей пространственного заряда (ОПЗ) (р-n переходов, барьеров Шоттки, КРД и т.п.), которые определяются уровнями легирования слоев полупроводника. Последнее наиболее существенно в перспективных приборах с длинами активных областей 0,1 мкм и менее.
В условиях радиационного воздействия уменьшение размеров структур приводит к принципиальным изменениям физики работы приборов, связанных с тем, что: 1) характерные пространственные масштабы изменения электрического поля сопоставимы с длинами релаксации энергии и импульса электронов и длиной свободного пробега электронов; 2) характерные размеры рабочих областей приборов сравнимы с расстоянием между КРД; 3) характерные размеры рабочих областей приборов сопоставимы с размерами КРД; 4) ионизирующее излучение разогревает электронный газ, который не успевает остывать за времена пролета рабочей области приборов; 5) при облучении нейтронами происходит перестройка протонированных изолирующих областей ИС, что сказывается на процессах протекания тока и фоточувствительности; 6) взаимодействие ионизирующих излучений (особенно лазерных) имеет особенности при взаимодействии с манометровыми металлическими объектами; 7) радиационные технологические процессы (например, геттерирование) существенно изменяют электрофизические характеристики полупроводника, что заметным образом сказывается на процессах формирования радиационных де-
фектов б субмикронных приборах; 8) электроны, разогнанные до энергий 0,5...1 эВ большими электрическими полями (~ 100 кВ/см) в субмикронных приборах, могут проникать между субкластерами радиационных дефектов (СКРД) внутри КРД, что принципиально меняет подход к моделированию радиационной стойкости приборов.
Поглощение радиационного излучения в субмикронных структурах вблизи границ раздела материалов имеет свои особенности. Различия в атомных весах, плотности, сечениях взаимодействия с фотонами и быстрыми частицами порождают неравновесные процессы на границах раздела, приводящие как к усилению радиационного воздействия, так и к его ослаблению. Характерные длины проявления подобных эффектов сравнимы с размерами рабочих областей современных приборов (~ 0,05...0,1 мкм), поэтому неоднородности в дефектообразовании и ионизации, разогреве электронного газа и возникновении квантово-размерных структур КРД приводят к качественному изменению процесса протекания тока в активных областях приборов. Несмотря на то, что длины рабочих областей современных приборов сравнимы с длиной бесстол к-новительного пролета электронов и, казалось бы, радиационные дефекты не должны влиять на функционирование приборов, при некоторых значениях на-пряженностей электрических полей это влияние вызывает улучшение характеристик субмикронных приборов.
Иная ситуация возникает на границах раздела полупроводника с металлическим объектом, имеющим нанометровые размеры. Несмотря на то, что процесс взаимодействия радиационного излучения с многослойными композициями носит случайный характер, в нанометровых областях, прилегающих к граням протяженных металлических объектов, кластеры радиационных дефектов за счет эффекта усиления флюенса будут расположены упорядочено, по крайней мере по двум из трех координат. Последнее приводит к существенному изменению транспорта электронов в таких областях. Необходимо учитывать не только процессы, протекающие вблизи двумерных объектов (границ раздела), но и принимать в расчет одномерные объекты: протяженные грани
металлических контактов, цепочки КРД и т.д. Требуется модифицировать математические модели для адекватного описания процессов в субмикронных приборах, проведения оптимизации их конструкции (в том числе и по параметру радиационная стойкость) и обработки результатов экспериментов и испытаний.
Решению этих вопросов, а именно моделированию доминирующих радиационных эффектов в арсенидгаллиевых субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторах с затвором Шоттки (ПТШ) при радиационном облучении, разработке расчетно-экспериментальных методов прогнозирования стойкости субмикронных полупроводниковых приборов, разработке методов повышения стойкости перспективной GaAs элементной базы с целью обеспечения заданных уровней - посвящены исследования, проводившиеся с 1990 по 2002 год, итогом которых и является данная диссертация.
Состояние исследований по проблеме. Для анализа движения носителей заряда в полупроводниковом материале и моделирования поглощения радиационного излучения в многослойных композициях разработан целый ряд математических моделей, в том числе, основанных на методе частиц (с использованием математической процедуры Монте-Карло). Но до сих пор при расчетах радиационной стойкости субмикронных полупроводниковых приборов использовались, в основном, упрощенные методы моделирования, основанные на замене исследуемого прибора эквивалентной схемой. Эта методика оправдана для приборов, имеющих микронные топологические нормы, и не позволяет учесть выше перечисленные физические эффекты, связанные с субмикронными размерами областей.
Для анализа процессов в субмикронных приборах требуется применение физико-топологического моделирования (сочетания квазигидродинамического приближения и метода частиц на основе процедуры Монте-Карло). Наиболее важным преимуществом в подобном сочетании методов является возможность комплексного анализа процессов ионизации, дефектообразования и электронного транспорта в многослойных нанометровых структурах. Благодаря ис-
пользованию физико-топологических моделей полупроводниковых приборов, которые в том или ином приближении моделируют реальное движение электронов в активной области прибора, за счет изменения условий протекания электронов удается моделировать перечисленные выше процессы, получая реальную картину взаимодействия электронов с изменяющимися во времени на-нометровыми структурами КРД. Применительно к субмикронным приборам такая работа ранее не проводилась.
Отсутствие единого подхода к моделированию комплексного радиационного воздействия на субмикронные полупроводниковые приборы и отличие в экспериментальных данных по радиационной стойкости для отечественных и зарубежных субмикронных приборов обуславливает необходимость разработки законченной системы расчетно-экспериментальных методов моделирования. Двумерное и трехмерное нестационарное моделирование движения носителей заряда при воздействии квантов и быстрых частиц, а также расчет распределения тепла в полупроводниковых структурах позволяет в динамике изучать процессы перераспределения концентрации и энергии носителей заряда, электрического поля и обусловленных ими электрических токов. Последнее весьма важно при обработке результатов экспериментов, когда за измеренными зависимостями токов и напряжений от времени скрываются комплексные процессы взаимодействия электронного газа с кристаллической решеткой и радиационным излучением.
Предлагаемый для анализа действия радиации на приборы теоретический подход должен позволять: 1) проводить расчет пространственной структуры КРД и их распределения в пространстве как в однородном материале, так и в многослойных композициях; 2) моделировать бесстолкновительное движение электронов и прерывающие это движение процессы столкновений с радиационными дефектами, рассчитывать функции распределения электронов по энергии и заполнение энергетических долин; 3) использовать результаты аналитических расчетов и экспериментальные данные в качестве начальных и
граничных условий; 4) проводить расчет статических и динамических параметров полупроводниковых приборов и радиотехнических схем в целом.
Экспериментальные исследования упомянутых выше процессов, требуют применения комплексного подхода к анализу параметров материала, многослойных структур и приборов. Желательно в рамках одного анализируемого объекта проводить комплекс измерений, позволяющих определить максимальное число параметров как материала, так и прибора. Ранее подобный подход не использовался ввиду других пространственных масштабов (характерных длин) протекаемых процессов. Относительно большие размеры исследуемых приборов позволяли обходиться несколькими объектами, удобными для тех или иных измерений.
Цель диссертации - разработка методов и средств расчетно-экспериментального моделирования физических процессов в субмикронных арсенидгаллиевых полупроводниковых приборах с учетом размерных и радиационных эффектов, что позволит решить важную народнохозяйственную задачу определения и обеспечения стойкости перспективной сверхвысокочастотной элементной базы устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе и военной техники) при улучшении технико-экономических показателей за счет существенного сокращения затрат на стадии разработки, испытаний и совершенствования их эксплуатационных характеристик.
Поставленная цель достигнута путем решения следующих теоретических и экспериментальных задач:
проведение расчетов размеров и формы КРД, экспериментальные измерения характеристик радиационных дефектов (положения глубоких уровней), возникающих в структурах нанометровых рабочих областей квазибаллистических полевых транзисторов;
разработка алгоритма расчета и проведение расчета электрофизических характеристик GaAs с радиационными повреждениями (с учетом точечных дефектов и распределения СКРД внутри КРД);
измерение электрофизических характеристик субмикронных GaAs структур до и после дефектообразугощего радиационного воздействия;
разработка, реализация и экспериментальная апробация алгоритма расчета электрофизических характеристик субмикронных GaAs структур с радиационными дефектами при ионизирующем воздействии излучения;
- теоретическое и экспериментальное сопоставление статических вольт-
амперных (ВАХ) и вольт-фарадных (ВФХ) характеристик, а также динамиче
ских характеристик (коэффициенты усиления и шума, выходная мощность и
нелинейные искажения) полевых транзисторов с микронными, субмикронны
ми и нанометровыми рабочими областями и слоями при различных уровнях
радиационного воздействия;
экспериментальное и теоретическое исследование процессов при радиационном облучении структур квазибаллистических полевых транзисторов (с длиной канала 0,05...0,1 мкм), функционирующих в режиме междолинной генерации;
измерение импульсных токов субмикронных полевых транзисторов, а также фотодетекторов со специальным протонированным фоточувствительным слоем в момент воздействия импульса гамма-квантов наносекундной длительности;
разработка и реализация алгоритма расчета поглощения радиационного излучения в приборных структурах с нанометровыми рабочими слоями в условиях проявления эффектов усиления мощности дозы гамма-излучения и флю-енса нейтронного излучения;
экспериментальное и теоретическое обоснование возможности улучшения характеристик квазибаллистического полевого транзистора с затвором Шоттки (с длиной канала 0,05,,.0,1 мкм) при нейтронном облучении;
разработка и реализация алгоритма расчета статических и высокочастотных характеристик субмикронных полупроводниковых приборов при воздействии радиационного излучения с использованием нестационарной квазигидродинамической модели;
- экспериментальное исследование влияния процессов ионно-лучевого гетте-рирования на улучшение радиационной стойкости субмикронных полевых транзисторов.
Научная новизна и значимость диссертации:
Впервые проведено моделирование процессов переноса носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах с учетом детальной структуры КРД.
Впервые получены функция распределения по энергии, времена релаксации энергии и импульса электронов в n-GaAs субмикронных структурах при дефектообразующем радиационном воздействии в сильных и слабых электрических полях.
Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние радиационных дефектов на кинетику разогрева электронного газа в субмикронных GaAs структурах.
Обосновано использование приближения времён релаксации, для моделирования процессов переноса носителей заряда в субмикронных приборных структурах при радиационном воздействии.
Предложена новая модель для анализа процессов разогрева электронного газа при воздействии ионизирующего излучения, которая позволила рассчитать радиационную стойкость субмикронных ПТШ (с длиной канала до 0,1 мкм), в том числе высокочастотные характеристики (коэффициенты усиления и шума) в момент воздействия импульсного гамма-облучения.
Проведены экспериментальные исследования радиационной стойкости субмикронных квазибаллистических ПТШ с V-образным затвором и длиной канала 0,05.,.0,1 мкм.
Экспериментально исследованы процессы дальнодействующего геттериро-вания в структурах GaAs субмикронных полевых транзисторов с затвором Шоттки и подтверждено их влияние на улучшение радиационной стойкости прибора.
17 8. При облучении ПТШ ИК излучением теоретически и экспериментально исследованы процессы локального выделения энергии излучения в областях с размерами меньше длины волны излучения, прилегающих к V-образному затвору полевого транзистора с длиной канала 0,05...0,1 мкм.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов:
На основе сопоставления теории и эксперимента определены области применимости моделей, основанных на методе Монте-Карло, квазигидродинамическом и локально-полевом приближениях.
Разработан пакет прикладных программ, который применялся для:
расчета электрофизических характеристик n-GaAs с радиационными дефектами (с учетом детальной структуры КРД);
моделирования процессов разогрева электронного газа в n-GaAs с радиационными дефектами в сильных электрических полях;
моделирования разогрева электронного газа в n-GaAs при воздействии ионизирующего излучения в многослойных приборных структурах;
расчета статических и динамических характеристик субмикронных полупроводниковых приборов (полевых транзисторов) при радиационном облучении.
Пакет прикладных программ введен в промышленную эксплуатацию (НИИИС) и используется для оценки радиационной стойкости дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем (НПП «Салют», ВНИИТФ). С его помощью оптимизирована конструкция нескольких типов полевых транзисторов и ИС (НПП «Салют», НИИИС).
Разработана методика и экспериментальная установка для комплексного анализа характеристик квазибаллистических ПТШ при радиационном облучении.
Проведена серия испытаний субмикронных полевых транзисторов с затвором Шоттки производства НПП «Салют», которая продемонстрировала теоретически предсказанную высокую радиационную стойкость приборов. Рассчитанные с помощью разработанной модели характеристики субмикронных ПТШ при радиационном воздействии хорошо совпадают с результатами изме-
рений. Использование результатов расчетов позволило уменьшить время и средства для экспериментального макетирования и испытаний при разработке радиационно-стойких субмикронных транзисторов интегральных схем на их основе (НИИИС).
Проведено моделирование процессов движения электронов в ПТШ, подвергнутых ионно-лучевому генерированию, и объяснены особенности процессов модификации характеристик структуры ПТШ, позволившие повысить его радиационную стойкость. Положительный эффект подобной технологии подтвержден патентом РФ.
Исследованы процессы локального поглощения энергии ИК излучения в областях, прилегающих к V-образному затвору ПТШ. Результаты исследования использованы для наноразмерной модификации структуры прибора, улучшившей его высокочастотные характеристики и радиационную стойкость. Экспериментально исследовано влияние нейтронного излучения на электрофизические характеристики протонированного GaAs, показана слабая зависимость фоточувствительности подобных структур при нейтронном облучении, изготовлена ИС фотодетектора с высокой радиационной стойкостью.
Результаты диссертации вошли в 12 научно-технических отчетов ННГУ и НИИИС.
Результаты диссертации использованы в ННГУ при подготовке учебных курсов «Твердотельная электроника» и «Методы моделирования полупроводниковых приборов», а также были использованы при подготовке лабораторного практикума по курсам «Твердотельная электроника» и «Физика полупроводниковых приборов. Результаты диссертации и пакет прикладных программ использованы в курсе дистанционного обучения «Твердотельная электроника», реализуемого через Интернет.
Публикации и апуобания результатов.
Основные результаты, представленные в диссертации отражены более чем в 100 научных публикациях, в том числе в 34 статьях, 12 научно-технических отчетах, 2 патентах РФ, 37 трудах и 43 тезисах докладов международных и
российских конференций: на Международной конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» (Пенза, 1992г.); на Международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, 4-8 сентября 1997 г.); на Международной научной конференции «Системные проблемы теории надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 16-21 сентября 1997 г.); на Международных научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, ноябрь 1993, 1994 и 1997 г.); на VIII межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1998 г.); на XI Международной зимней школе по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, 2-6 марта 1999 г.); на Международных конференциях «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами» (Москва, МГУ, 1998, 1999,2000, 2001,2002); на международных совещаниях «Разработка радиационно-стойких полупроводниковых систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа» (Н.Новгород, ННГУ, 2000, 2001, 2002); на Российских конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (1998, 1999, 2000, 2001, 2002); на Научной конференции «Структура и свойства твердых тел», (физфак ННГУ Н.Новгород, сентябрь 1999 г., октябрь 2000г.); на Ш, IV, V Нижегородских сессиях молодых ученых (Н.Новгород, апрель 1998, 1999 г.2000г); на Ежегодных конференциях по радиофизике (Н.Новгород, ННГУ 1992-2001 г.). На семинарах кафедры электроники ННГУ, МИФИ, ИФМ РАН, НИФТИ, ГНПП «САЛЮТ», НИИИС, ВНИИТФ.
На зашиту выносятся:
1. Основанный на процедуре Монте-Карло и квазигидродинамическом приближении метод анализа движения носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах при радиационном воздействии, особенностями которого является введение дополнительных механизмов рассеяния на радиационных дефектах и учет энергетического распределения ионизованных носителей заряда. Показано, что при использовании полученных в диссертации за-
висимостей времен релаксации энергии и импульса от флгоенса радиационного воздействия отличие результатов расчета в квазигидродинамическом приближении и методом Монте-Карло составляет менее 20 %.
Результаты исследований комплексного гамма-нейтрошюго воздействия на субмикронные полупроводниковые структуры, показывающие, что при ионизации полупроводникового материала происходит разогрев электронного газа, изменение заселенности долин и уменьшение дрейфовой скорости носителей заряда. Воздействие ионизирующего излучения на структуры с радиационными дефектами приводит к увеличению дрейфовой скорости носителей заряда, первоначальное уменьшение которой было вызвано рассеянием на СКРД.
Экспериментальные данные и теоретический анализ поглощения ИК излучения в структурах транзисторов, которые показали, что вблизи заостренного металлического затвора происходит локальное выделение энергии излучения в нанометровых объемах, существенно меньших длины волны.
Результаты анализа радиационной стойкости GaAs квазибаллистического полевого транзистора с затвором Шоттки и длиной канала 0,05...0,1 мкм.
Данные об эффекте дальнодействующего ионно-лучевого генерирования в структурах ПТШ, проявляющегося на внутренних границах раздела и приводящего к модификации электрофизических свойств эпитаксиальных слоев GaAs как в вертикальном, так и в латеральном направлении, а также повышающего радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов.
Материалы экспериментов по измерению электрофизических свойств про-тонированного GaAs при нейтронном воздействии, которые показывают, что за счет перестройки примесно-дефектной структуры фоточувствительность полупроводникового слоя слабо меняется при наборе нейтронного флюенса до значений порядка 1014см*2,
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 292 страницы, включая 275 страниц основного текста, 142
21 рисунка, 12 таблиц и список цитируемой литературы из 159 наименований (17 страниц).
В первой главе диссертации исследованы электрофизические характеристики эпитаксиальных GaAs структур субмикронных полупроводниковых приборов при радиационном воздействии. Рассмотрены процессы дефектооб-разования и ионизации в полупроводниках. С помощью метода Монте-Карло изучены процессы образования и стабилизации кластера радиационных дефектов при нейтронном облучении GaAs. Предложен комплексный подход к измерению характеристик полупроводниковых структур, предназначенных для изготовления субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторов.
Во второй главе диссертации проведено моделирование движения носителей заряда в субмикронных GaAs полупроводниковых структурах при протонном, гамма- и нейтронном облучении. Изучены процессы междолинных переходов, эффект убегания, разогрев электронного газа и процессы рассеяния в субмикронных полупроводниковых структурах с радиационными дефектами и при воздействии гамма-излучения. Обосновано применение квазигидродинамического приближения для анализа процессов в субмикронньгх и квазибаллистических полупроводниковых приборах при радиационном воздействии.
В третьей главе диссертации теоретически и экспериментально изучены процессы в субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторах с затвором Шоттки при радиационном воздействии. На основе экспериментальных данных проведена апробация предложенной во второй главе квазигидродинамической модели. Исследованы сверхвысокочастотные шумы и отрицательная дифференциальная проводимость квазибаллистического полевого транзистора при радиационном воздействии.
В четвертой главе диссертации рассмотрены неравновесные процессы на границах раздела металл-полупроводник в GaAs субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторах. Исследованы эффекты усиления мощности дозы и флюенса радиационного воздействия. Показано, что возникновение на-нометровых образований радиационных дефектов в канале квазибаллистиче-
22 ского полевого транзистора может, в некоторых случаях, приводить к улучшению характеристик транзистора. Продемонстрировано, что локализация лазерного излучения на остриях металлических электродов, например, затвора позволяет проводить модификацию канала полевого транзистора в объемах существенно меньше длины волны лазерного излучения.
В пятой главе диссертации изучено влияние радиационных технологических процессов, в частности дальнодействующего ионно-лучевого геттериро-вания на сверхвысокочастотные характеристики и радиационную стойкость субмикронных и квазибаплистических полевых транзисторов с затвором Шоттки.
Комплексное исследование изменения параметров GaAs полу проводниковых структур и приборов при облучении быстрыми час- 56 тицами и гамма-квантами
На сегодняшний день накоплен большой материал по исследованию процессов приводящих к изменению основных параметров полупроводниковых материалов, в том числе Si и GaAs при радиационном воздействии. Вместе с тем, в связи с уменьшением размеров полупроводниковых структур до субмикронных, важно провести анализ изменения параметров именно в тех многослойных полупроводниковых структурах, которые непосредственно используются в приборах.
Процессы стабилизации радиационных дефектов зависят от концентрации легирующей примеси и дефектов в структуре, наличия механических напряжений на границах слоев, электрического поля (как встроенного, так и внешнего), температуры образца и многих других факторов. В силу большого многообразия процессов, возникающих при стабилизации, они исследованы не столь подробно, как возникновение каскада столкновений в однородном материале. Поэтому для детального исследования были проведены эксперименты, результаты которых обсуждаются ниже в этом параграфе.
Поскольку структура влияет на релаксацию радиационных дефектов в полупроводниковых приборах, то наиболее информативными становятся те методы измерений, в которых сам полупроводниковый прибор может быть использован для измерения характеристик структуры. Так, например, для выявления глубоких энергетических уровней радиационных дефектов в запрещенной зоне используют нестационарную емкостную и токовую спектроскопию. В случае субмикронных полевых транзисторов выгоднее использовать токовую, а не емкостную спектроскопию, т.к. последняя требует значительной емкости перехода для проведения точных измерений, в то время как емкость затвора транзисторов стараются делать минимальной. Целью настоящего параграфа является описание комплексного подхода к анализу характеристик субмикронных полупроводниковых структур при радиационном воздействии. 57 1.3.1. Характеристики полупроводников при радиационном облучении (общие положения)
Комплексы радиационных дефектов, как и КРД, ЯВЛЯЮТСЯ эффективными центрами рассеяния и захвата носителей заряда. В результате этого уменьшается концентрация и подвижность электронов и дырок. При практических расчетах удобно использовать универсальную формулу для аппроксимации изменения концентрации носителей заряда в полупроводниковом материале при облучении нейтронами [3]
Для описания деградации концентрации и подвижности носителей в эпи-таксиальных пленках n-GaAs в результате нейтронного облучения ( ЕП =1 МэВ) в [35] приведены соотношения где No - исходная концентрация примесных атомов.
Проведенные в диссертации экспериментальные измерения деградации концентрации и подвижности в субмикронных GaAs структурах показали, что в диапазоне флюенсов нейтронного воздействия от 1015 до 5-1015н/см2 эти выражения описывают эксперимент с точностью 10.,,30%.
При введении уровней радиационных дефектов в запрещенную зону увеличивается вероятность непрямой рекомбинации, описывающаяся через коэффициент радиационного изменения времени жизни К г [3]
При облучении нейтронами выражения для К г, пригодные для использования при энергии нейтронов большей, 10 кэВ имеют вид [3]
Арсенид галлия отличает от кремния малое время жизни носителей заряда. При этом значительный вклад в результирующее время жизни вносят процессы излучательной и Оже-рекомбинации, проявляющиеся при повышенной концентрации неравновесных носителей [24]. С учетом указанных эффектов значение времени жизни неравновесных носителей может быть оценено с помощью следующего соотношения [3] где го - исходное время жизни; тт - время жизни, определяемое процессами излучательной рекомбинации; їх - время жизни, связанное с Оже-рекомбинацией; щ, Дгс - соответственно, равновесная и неравновесная концентрация носителей.
При анализе изменения характеристик полупроводниковых приборов обычно ограничивались выше перечисленными параметрами полупроводника (в комплексе с данными о накоплении заряда в диэлектрических слоях для МДП приборов [36-38]). Действительно, для анализа приборов с размерами рабочей области более 0,7.,.1 мкм для GaAs и 0,5...0,7 мкм для кремния этих данных достаточно, поскольку зависимость времени релаксации энергии от дозы радиационного воздействия слабая, а эффекты, связанные со всплеском скорости и баллистическим движением в таких приборах, проявляются незначительно. Развитие микроэлектроники и переход к приборам с размерами рабочей области порядка 100 нм и менее (что меньше длины релаксации энергии и сравнимо с длиной релаксации импульса электронов) требует детального рассмотрения процессов баллистического движения в условиях радиационного воздействия. Сложность поставленной задачи состоит в необходимости выявления эффектов, связанных с баллистическим движением, на фоне выше перечисленных процессов изменения концентрации, подвижности и прочих характеристик полупроводниковой структуры. Особое внимание в этом случае необходимо обратить на экспериментальные образцы. Их правильный выбор может существенно помочь при решении задачи.
Выбор исследуемых образцов должен быть произведен таким образом, чтобы: перечисленные выше процессы разделялись, т.е. в одних типах образцов проявлялись эффекты, связанные с изменением концентрации и подвижности носителей заряда, а в других превалировали баллистические эффекты;
Субкластеры радиационных дефектов
Размеры области пространственного заряда КРД определяются уровнем легирования полупроводникового материала, поэтому, как и в предыдущем пункте, исходная концентрация легирующей примеси предполагалась равной 1015 и 1017см"3, что соответствует уровням легирования канала и буферного слоя субмикронных ПТШ. Предполагалось, что ОПЗ имеет сферическую форму, эффективный радиус которой зависит от энергии электронов. Параметры радиационных дефектов (концентрация, характерные размеры) задавались в соответствии с данными, приведенными в параграфе 2.1.
На рис, 2 Л1 представлены зависимости подвижности от флюенса нейтронов для различной исходной концентрации легирующей примеси в GaAs [43, 74]. Сопоставление результатов аналитических оценок с расчетами методом Монте-Карло и экспериментальными данными позволяет заключить, что аналитический подход к задаче приводит к правильным результатам только в случае малых исходных концентраций легирующей примеси. На рис. 2.12 приведены зависимости максимального относительного изменения подвижности от флюенса нейтронов в случае присутствия в GaAs СКРД и точечных дефектов и только СКРД для различной исходной концентрации легирующей примеси. Преобладающее влияние на подвижность точечных дефектов в случае малой концентрации легирующей примеси сменяется превалирующим влиянием кластеров радиационных дефектов.
На рис. 2.13 приведены зависимости подвижности и скорости в GaAs и Si от напряженности электрического поля для различных концентраций легирующей примеси при нейтронном облучении. Зависимость подвижности от флюенса нейтронного воздействия хорошо описывает характеристики материала до напряженностей поля 2...3 кВ/см. В этом диапазоне напряженно-стей в силу небольшой энергии электронов, доминирует рассеяние на радиационных дефектах.
В диапазоне полей 3...12 кВ/см влияние рассеяния на радиационных дефектах уменьшается, а при напряженностях поля более 15 кВ/см в легированных материалах основным фактором, определяющим скорость электронов, является фононное и междолинное рассеяние, В нелегированных материалах рассеяние на радиационных дефектах сказывается до полей порядка 30 кВ/см.
Увеличение частоты рассеяния электронов ввиду появления рассеяния на радиационных дефектах является причиной уменьшения времени свободного пробега. Поскольку при больших энергиях частота рассеяния на оптических фононах в Х-долине выше, чем на радиационных дефектах, то время релаксации импульса гр при облучении уменьшается в области энергий электронов меньшей 0,4 эВ и практически не изменяется при W 0,5 эВ для обеих концентраций легирующей примеси (рис. 2.14).
Для сравнения на рис, 2.13 приведены аналитически оцененные зависимости подвижности от напряженности электрического поля и времени релаксации импульса от энергии для электронов в кремнии. Зависимости времен релаксации в Si существенно отличаются от аналогичных зависимостей в GaAs. Это объясняется тем, что GaAs является пьезоэлектрическим кристаллом, а рассеяние на пьезоэлектрическом потенциале, в отличие от деформационного, уменьшается с ростом энергии электронов. Поэтому в GaAs время релаксации импульса вблизи энергии оптических фононов слабо зависит от энергии. При радиационном облучении рассеяние как на деформационном, так и на пьезоэлектрическом потенциале, практически не изменяется, так как объем разрушенной кристаллической решетки значительно меньше, чем не разрушенной (флюенсы малы для аморфизации материала).
Как и в случае рассеяния на точечных дефектах, рассеяние на СКРД приводит к уменьшению времени релаксации импульса, подвижности и ско рости электронов при энергиях электронов менее 0,4 эВ (рис. 2.13, 2.14). Благодаря рандомизирующему характеру рассеяния на СКРД отраженные назад электроны тормозятся электрическим полем. Этот процесс до некоторой степени аналогичен сбросу энергии при генерации оптического фонона, что компенсирует влияние точечных дефектов и обуславливает слабую чувствительность времени релаксации энергии к флюенсу нейтронного облучения [44].
Хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента обусловлено использованием в качестве исходных данных результатов измерений концентрации точечных радиационных дефектов и СКРД по комплексной методике предложенной в первой главе диссертации.
Наиболее сильно изменения времен релаксации проявятся на эффекте убегания, который обусловлен уменьшением рассеяния энергии электронов с ее ростом в диапазоне до 0,3 эВ (т.е. увеличением времени релаксации энергии в этом диапазоне - см. рис. 2.14). В результате этого эффекта даже при малых электрических полях, порядка 2...4 кВ/см, энергия электронов начинает расти до тех пор, пока не начнется междолинное рассеяние. В результате эффекта убегания насыщение дрейфовой скорости электронов наступает не при скоростях, соответствующих энергии междолинного перехода, а на порядок меньше. Убегание - эффект стохастический, зависящий как от напряженности и времени действия электрического поля, так и от степени рассеяния носителей заряда рассеивающими центрами, т.е. от концентрации радиационных дефектов. На рис. 2.15 приведены зависимости средней энергии электронов от продолжительности действия электрического поля в необлу-ченном и облученном нейтронами GaAs. Существенное увеличение времени убегания сказывается на увеличении в 1,5 раза напряженности электрического поля, соответствующей максимуму скорости электронов в облученном материале (рис 2.13) [42].
Отметим, что сеточные методы, применяемые для решения дифференциальных уравнений, часто весьма капризны к виду функций, аппроксимирующих параметры модели. Предложенные аппроксимации (2.33 и 2.34) позволяют проводить расчеты в широком диапазоне параметров ц, vswE0
Конструкция и характеристики квазибаллистического
В отличие от транзисторов, рассмотренных в параграфе 3.1, при воздействии радиации на квазибаллистические транзисторы, имеющие длину канала 50...200 нм, процессы в приборе развиваются иначе. Проводимость сильнолегированных приконтактных областей истока и стока слабо зависит от радиационного воздействия, В то же время, область канала транзистора располагается в слое со значительно меньшим уровнем легирования, но в силу его малой длины электроны пролетают его в квазибаллистическом режиме, т.е. сопротивление канала определяется не степенью его легирования, а эффектом всплеска скорости и, соответственно, временами релаксации энергии и импульса электронов. Ниже в этом параграфе рассмотрено влияние нейтронного воздействия на усилительные и шумовые свойства квазибаллистических транзисторов, а в следующем параграфе исследованы процессы генерации в транзисторах при радиационном воздействии.
Известно, что конструктивным параметром, определяющим высокочастотные характеристики полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ) является длина затвора, а также его сечение, которое определяет сопротивление металлизации [39]. Для уменьшения сопротивления частот используют затворы с Т-образным сечением [89]. Имеющиеся в настоящее время литографические установки не позволяют надежно получать разрешение выше 0,1 мкм. В [90] было предложено, используя оптическую фотолитографию формировать, канал ПТШ в виде V-образной канавки, что при длине металлизации затвора 2 мкм приближает характеристики прибора к ПТШ с субмикронным затвором.
В диссертации рассмотрены транзисторы (рис. 3.8), для изготовления которых предложенная в [90] методика была реализована с применением электронной литографии [41], как это описано в Ї главе диссертации.
Измерения низкочастотных характеристик транзистора проводились на характериографе Л2-56, а высокочастотных - с помощью панорамных измерителей Р2-67, Р2-65, Р2-69 (на частотах 12, 37 и 60 ГГц соответственно). Измерения динамических характеристик ПТШ проводились с помощью прецизионных зондовых головок для неразрушающего контроля коэффициентов усиления и шума непосредственно на кристаллах. Из имевшегося набора транзисторов с различной шириной затвора были выбраны оптимальные приборы для каждого из частотных диапазонов: 200 мкм (входная емкость затвор-исток Сзи=0,15 пФ) - для 12 ГГц, 100 - мкм (Сзи-0,08 пФ) - для 37 ГГц, 50 мкм (Сш=0,05 пФ) - для 60 ГГц.
Вольт-амперная характеристика прибора имеет традиционный вид. Ток насыщения транзистора около 7 мА (при ширине затвора 50 мкм). Крутизна более 400 мСм/мм [41]. Экспериментальные зависимости макси 148мального коэффициента усиления, минимального коэффициент шума и соответствующего ему оптимального коэффициента усиления от частоты приведены на рис. 3.9.
Расчеты, проведенные в приближении времен релаксации [41], показывают, что время пролета носителей под затвором около 0,1 пс (баллистический пролет), а время переключения транзистора из открытого состояния в закрытое менее 1 пс. Эти данные позволяют надеяться на увеличение предельной частоты усиления по мощности в 2...3 раза при снижении паразитной входной емкости.
Усредненная по 15 образцам зависимость высокочастотных характеристик ПТШ от частоты: максимальный коэффициент усиления по мощности - Д; оптимальный коэффициент усиления - D; минимальный коэффициент шума - о. Сплошные линии- расчет [41]
Наибольшее влияние на движение носителей заряда под затвором оказывает эффект всплеска скорости (overshoot). Максимальная скорость носителей в канале - 8-Ю7 см/с, что согласуется с данными [1,39]. Благодаря наличию V-канавки эффект обратного всплеска скорости (undershoot) ниже, чем в традиционном транзисторе с той же длиной затвора, что является дополнительным фактором улучшающим работу прибора. Последнее объясняется иным распределением электрического поля в зазоре затвор
Моделирование эффекта усиления флюенса и неодно родности распределения КРД в канале транзистора
Для проявления полезного эффекта было необходимо, чтобы КРД располагались упорядочение), что плохо согласовывалось со случайным характером взаимодействия излучения с твердым телом. Принципиальным условием, позволяющим решить поставленную задачу, было наличие многослойной композиции (Aui-GaAs), у которой слои имели существенно различные свойства (плотность и атомный вес). Тяжелые, по сравнению с Ga и As, атомы Аи получали меньшую энергию от налетающих нейтронов и при инжекции в полупроводниковый слой производили нарушения в значительно меньшем объеме, создавая тем самым более плотный КРД с высокой концентрацией дефектов. За счет значительно большего сечения взаимодействия нейтронов с Аи, по сравнению с Ga и As (см. параграф 4.1), на границе раздела металл-полупроводник концентрация КРД была значительно выше, чем в объеме GaAs. Поскольку размеры металлической полоски на поверхности полупроводника (радиус закругления острия V-образного затвора) по одной из координат были сопоставимы с размерами ОПЗ КРД, то возникала ситуация, когда плотные радиационные кластеры, образованные атомами золота, создавали в GaAs цепочку КРД. ОПЗ кластеров автоматически имели размер, определяемый уровнем легирования слоя полупроводника, прилегающего к металлу. Таким образом, в структурах ПТШ при их облучении нейтронным потоком может наблюдаться процесс образования цепочки КРД, содержащей прозрачные для электронов отверстия, сформированные ОПЗ соседних кластеров.
Наибольший положительный эффект достигался в коротких структурах ПТ, когда движение электронов под затвором происходило бесстол но-вительно. В этом случае точечные дефекты, которые неизбежно возникали при радиационном облучении полупроводника, слабо влияли на движение электронов (см. главу 2) [99]. Дополнительное преимущество давало наличие сильно легированных областей полупроводника слева и справа от затвора, которые изготавливались для уменьшения контактного сопротивления металлизации истока и стока и слабо изменяли свое сопротивление при радиационном облучении из-за меньшего размера ОПЗ кластеров (рис. 4.18). Сопротивление слабо легированного буферного слоя, наоборот, возрастало, что уменьшало паразитный ток через буферный слой.
Для моделирования каскадов столкновений использовалась модель Кинчина-Пиза, а также усложненная модель полного каскада столкновений (аналогичная известной программе TRIM). Для расчетов формы КРД в композиции Aui-GaAs и Ali-GaAs учитывался реальный энергетический спектр нейтронов (спектр деления) с энергией от 0,1 до 5 МэВ. При таких условиях первичные атомы золота получали энергию от 10 до 150 кэВ. Также в расчет принимались атомы Ті, Ga и As, которые получали более значительные энергии (до 600 кэВ). Толщина слоя Ті варьировалась в пределах от 10 до 60 нм, что приводило к поглощению золота только в титане или его проникновению в приповерхностный слой GaAs, т.е. путем подбора толщины слоя реализовывалосъ управление эффектом усиления флюенса в GaAs. КРД, создаваемые Аи в GaAs, располагались на расстоянии не более 70 нм от границы раздела Ti-GaAs, а атомы Ті, Ga и As проникали на
Поскольку ядра кластеров располагались на границе раздела канал-буферный слой, то форма ОПЗ кластеров была неравномерной и увеличивалась со стороны слаболегированного буферного слоя, принимая грушевидную форму, так что ОПЗ соседних кластеров объединялись (рис. 4.20). Это способствовало образованию потенциального барьера с нижней стороны проводящих ток отверстий.
На рис. 4.21 приведено рассчитанное методом Монте-Карло распределение КРД в структуре Aui-GaAs. Неоднородности в распределении КРД, а также в их внутренней структуре (рис. 4.21) обуславливали наличие прозрачных для электронов областей, размеры которых (и их количество) зависели от флюенса нейтронного воздействия. При расчетах учитывалось, что часть КРД (образованная высокоэнергичными первичными атомами) распадалась на отдельные субкластеры, по своей внутренней структуре схожие с КРД, образованными низкоэнергетичными первичными атомами. Характерные размеры областей пространственного заряда КРД (или субкластеров КРД), а также расстояний между КРД в зависимости от концен
