РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
621.315.592
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДАЛЬНОДЕЙСТВУЮЩЕГО ГЕТТЕРИРОВАНИЯ ПРИ ИОННОМ И ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР
© 2004 г. С. В. Оболенский
Нижегородский госуниверситет имени НИ. Лобачевского Поступила в редакцию 28.04.2003 г.
Исследовалось влияние ионно-лучевого и лазерного облучения в условиях проявления так называемого "эффекта дальнодействия" на электрические характеристики ОаАз п + пп-структур, на которых были изготовлены полевые транзисторы с затвором Шоттки, в том числе предварительно обработанные нейтронным излучением. Показано, что сходство процессов геттерирования при воздействии ионно-лучевого и лазерного излучений объясняется аналогичными механизмами генерации упругих волн в полупроводниковой структуре, приводящих к модификации внутренних границ раздела эпи-таксиальных слоев. Показано, что комплексное нейтронное и лазерное облучение структур позволяет создать в канале квазибаллистических полевых транзисторов особую структуру радиационных дефектов, при которой характеристики транзистора улучшаются.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 2, с. 148-152
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Технология геттерирования широко применяется в современной микроэлектронике для улучшения электро-физических характеристик тех или иных приборных слоев. На сегодняшний день выявлено достаточно много физических механизмов геттерирования, но остается спорным вопрос о природе так называемого "эффекта дальнодействия", возникающего при ионно-лучевом генерировании, когда реакция облученных структур обнаруживается на расстояниях, на 1-2 порядка превышающих глубину пробега внедряемых ионов. Существует несколько теорий, объясняющих подобный эффект радиационно-стимулиро-ванной диффузией, влиянием водородных комплексов, распространением упругих волн [1, 2]. Для выяснения причины возникновения эффекта необходимо определить чувствительность полупроводниковых структур к воздействию упругих волн, генерируемых другими источниками, например, при поглощении лазерного излучения в тонких металлических слоях, расположенных на поверхности полупроводника.
Изменение свойств полупроводниковых структур при геттерировании тесно связано с модификацией примесно-дефектной системы образцов [1]. В работе [2] было показано, что ионно-лучевое геттерирование увеличивает радиационную стойкость ваАв полевых транзисторов Шоттки. Решение обратной задачи, т.е. исследование процессов модификации структур, предварительно облученных частицами высоких энергий и содержащих большое количество радиационных дефектов, позволит более детально судить о процессах,
приводящих к дальнодействующему генерированию при ионно-лучевой и лазерной обработке.
Примесно-дефектная система субмикронных образцов, особенно с металлическими контактами нанометрового размера, сильно зависит как от технологии изготовления, так и от формы металлического контакта. В [3] показано, что выделение энергии лазерного излучения может происходить локально, в области, примыкающей к заостренным металлическим объектам. В этом случае энергетический порог модификации примесно-де-фектной структуры может быть определен независимым способом - путем сопоставления с процессами модификации при лазерном облучении.
Работа посвящена сопоставлению влияния ионно-лучевого и лазерного излучений на характеристики структур ваАв полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ), в том числе, предварительно облученных быстрыми нейтронами.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве объектов исследования были выбраны полевые транзисторы с затвором Шоттки двух типов: с длиной канала 0.5 и 0.1 мкм.
Транзисторы с длиной канала 0.5 мкм разделялись на образцы с металлизацией и без металлизации обратной (подложечной) стороны. Толщина металлизации выбиралась из условия полного поглощения лазерного излучения так, что его воздействие приводило лишь к генерации акустической волны. Если металлизация отсутствовала, то лазерное излучение свободно проходило через кристалл поскольку использовался неодимовый лазер с энергией квантов меньше ширины запре-
исследование процессов дальнодеиствующего генерирования
149
23
19
га
15
11
Доза ионов, х 1015 см 2 2.5
5.0
N. п- - . " " " " П" " - -" .......■.............. - /~\1
2 . " - -пГ>-
5
Количество импульсов лазеров
10
Рис. 1. Зависимость напряжения пробоя исток-сток 1 и затвор-сток 2 от количества импульсов лазерного излучения и дозы ионов.
щенной зоны ваАв. В этом случае лазерное излучение достигало контактов на лицевой стороне структуры и поглощалось металлическими контактами транзистора, приводя к разогреву рабочей области прибора.
Транзисторы с длиной канала 0.1 мкм имели специальный У-образный затвор с радиусом закругления острия затвора порядка 10—15 нм [4]. При лазерном облучении таких образцов со стороны подложки за счет дифракции излучения на клинообразном затворе наблюдалась локальное выделение энергии излучения вблизи острия затвора (50-100нм) [4]. С целью повышения чувствительности при экспериментальном определении энергетического порога модификации структуры У-образного транзистора, в том числе с радиационными дефектами, были отобраны образцы нормально закрытых транзисторов, у которых на ВАХ отмечалась область отрицательной дифференциальной проводимости. Причины возникновения подобной области и связанной с ней высокочастотной генерации обсуждались в [5].
Предварительно, после химического утоньше-ния до толщины 100 мкм и до разделения на отдельные приборы, полупроводниковые структуры с ПТШ облучались ионами аргона с энергией 90 кэВ, дозой 5 х 1015 см-2 при плотности ионного тока не выше 0.5 мкА см-2, т.е. температура образцов была близка к комнатной. Другая пластина после предварительного нанесения Аи металлизации на обратную (подложечную) сторону и разделения на образцы размером 1 х 1 мм, облучалась импульсным неодимовым лазером с длиной волны 1.06 мкм, длительностью импульса 10 нс, энергией за импульс 30 мДж, диаметром пятна излучения около 1 мм и частотой повторения 1 им-
пульс в минуту. Различалось облучение с лицевой и подложечной стороны. Дополнительно лазером облучались пластины без металлизации подложечной стороны, а также исследовалось влияние лазерного излучения на транзисторы с У-образ-ным затвором, предварительно облученные быстрыми нейтронами со средней энергией 1 МэВ и флюенсом от 1015 до 1016 см-2.
Изменение параметров транзисторов после ионного, нейтронного и лазерного облучения фиксировалось по вольт-амперным характеристикам (ВАХ), снимавшимся на характериографе Л2-56 и вольт-фарадным характеристикам (ВФХ), измерявшимся на измерителе емкости Е7-12.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Ионное и лазерное облучение пластин со стороны подложки.
Изменение параметров транзисторов с длиной канала 0.5 мкм при ионном облучении было аналогично обсуждавшимся в [1, 2]. Характер изменения ВАХ ПТШ при их облучении с обратной стороны, имеющей слой металла для поглощения излучения, качественно совпадал с ионно-облу-ченными (рис. 1, 2). Анализ ВАХ и ВФХ выявил укручение профиля распределения примеси и повышение подвижности в канале транзистора. Отмечено уменьшение напряжений пробоя: затвор-сток - на 10-20%, а исток-сток - на 10-30% (и на 60% в случае лазерного облучения большим числом импульсов). Путем изменения мощности импульсов лазерного облучения выявлен порог проявления эффекта (2-5 мДж/мм2), ниже которого какие-либо изменения отсутствовали при облучении 20 лазерными импульсами.
7
0
Для транзисторов с У-образным затвором после ионного и лазерного облучения (с обратной стороны) изменений не обнаружено.
2. Изменение характеристик теплоизолированных и имеющих теплоотвод транзисторов при лазерном облучении
Исследовалось изменение характеристик образцов транзисторов, имеющих хороший (металлический предметный столик, теплопроводящая паста) и плохой (диэлектрическая прокладка) теплоотвод при их облучении лазером. Скорость деградации образцов оценивалась по числу импульсов лазерного облучения, приводящих к уменьшению тока насыщения и крутизны на 50%. Показано, что при облучении с лицевой стороны скорость деградации теплоизолированных образцов на 10-15% больше, чем у образцов с теплоотводом.
Влияние отвода тепла от лицевой стороны на изменение характеристик прибора при облучении со стороны подложки исследовалось в другом эксперименте. Для улучшения теплоотвода лицевая сторона опускалась в глицерин, а для снижения - оставалась свободной (на воздухе). Образцы с длиной затвора 0.5 мкм, не имеющие подложечной металлизации, при их облучении с обратной стороны деградируют со скоростью в 3-5 раз меньшей, чем теплоизолированные образцы. Изменение характеристик образцов, имеющих подложечную металлизацию, при их облучении с обратной стороны деградируют в пре-
делах точности измерений со скоростью, равной скорости теплоизолированных образцов.
Изменение характеристик образцов с длиной затвора 0.1 мкм, имеющих хороший теплоотвод с лицевой стороны и не имеющих металлизации с обратной стороны, при их облучении со стороны подложки деградируют приблизительно с той же скоростью, что и теплоизолированные образцы.
Для непосредственного измерения температуры канала при лазерном облучении проводилось измерение тока затвора и стока транзистора. В образцах с металлизацией обратной стороны температура канала транзистора в пределах точности эксперимента (25-50%) оставалась комнатной. При облучении с лицевой стороны отмечено кратковременное увеличение температуры канала до значений 310-450°С, что коррелирует с результатами расчета, приведенными в [3]. Отличие в величине разогрева канала для образцов без обратной металлизации при облучении через подложку и с лицевой стороны в пределах погрешности эксперимента не обнаружено.
3. Сопоставление влияния нейтронного
и лазерного облучения пластин без металлизации подложечной стороны
Нейтронное облучение транзисторов приводило к уменьшению тока насыщения и крутизны транзисторов. Изменение параметров транзисторов с длиной канала 0.5 мкм качественно было аналогично изм
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.