МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 2, с. 153-159
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ = В ПЕРСПЕКТИВНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ =
НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
УДК 621.315.592
ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ХАРАКТЕР ПРОТЕКАНИЯ ТОКА В КВАЗИБАЛЛИСТИЧЕСКОМ ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
© 2004 г. С. В. Оболенский
Нижегородский госуниверситет имени НИ. Лобачевского Поступила в редакцию 28.04.2003 г.
Теоретически и экспериментально исследовался процесс дефектообразования в слое ОаАз трехслойной композиции Аи-Т1-ОаА$ вследствие инжекции атомов золота из первого слоя при облучении быстрыми нейтронами. Особое внимание уделялось таким условиям эксперимента, когда расстояния между областями пространственного заряда кластеров радиационных дефектов были сопоставимы с длиной волны электронов в ОаАз. Показано, что в случае использования композиции Аи-Т-ОаАз в качестве затвора СВЧ квазибаллистического полевого транзистора характеристики последнего после облучения улучшаются.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что эффекты размерного квантования в различных полупроводниковых слоях и, в том числе, каналах полевых транзисторов, существенно улучшают характеристики прибора. В последнее время усилия исследователей сосредоточены на разработке технологии, позволяющей встраивать в канал полевого транзистора квантовые нити или точки, что позволило бы еще больше увеличить крутизну и предельные частоты прибора [1]. Обычно для этого используют эпи-таксиальные структуры с готовыми квантовыми нитями и/или точками, на которых формируют транзистор, что не всегда удобно с технологической точки зрения. С другой стороны, известно [2], что структуры обычных полевых транзисторов (и даже целых интегральных схем) могут быть сформированы посредством ионного легирования. Поэтому весьма привлекательным является получение квантовых точек и нитей с помощью радиационных технологических процессов. При этом размеры такого включения (или расстояния между блокирующими поток носителей включениями) должны быть сопоставимы с длиной волны электронов в полупроводнике, т.е. менее 5-10 нм.
При облучении полупроводниковых материалов нейтронным потоком с энергиями порядка 1 МэВ (например, в ядерном реакторе) образуются кластеры радиационных дефектов, сердцевина которых состоит из конгломерата различных радиационных дефектов. Такая область является непрозрачной для электронов, которые вынуждены обтекать подобное включение, причем расстояние взаимодействия электронов с кластерами радиационных дефектов определяется его областью пространственного заряда. В свою очередь, размер области пространственного заряда зави-
сит не только от суммарного заряда дефектов, но и от концентрации легирующей примеси в полупроводнике [3], которая может варьироваться в широких пределах по желанию технолога. Малые размеры области пространственного заряда (порядка 5-10 нм) достижимы только в сильно легированных полупроводниках, которые обычно применяются для изготовления полевых транзисторов со встроенным каналом. Поскольку модификация свойств готового прибора путем его облучения быстрыми частицами возможна только в случае высокой радиационной стойкости прибора, то в качестве объекта исследования был выбран ваАв полевой транзистор с затвором Шотт-ки (ПТШ), имеющий высокую стабильность параметров при больших (вплоть до 5 х 1015 см-2) флюенсах нейтронного облучения.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
1. Моделирование неоднородности распределения кластеров радиационных
дефектов в канале полевого транзистора
В качестве объектов для исследования были выбраны полевые транзисторы с различной длиной затвора: 0.5 мкм и специальный транзистор с У-образным затвором и длиной канала 0.050.15 мкм (рис. 1), который обсуждался в [4]. Для проявления полезного эффекта было необходимо, чтобы кластеры радиационных дефектов располагались упорядоченно, что плохо согласовалось со случайным характером взаимодействия излучения с твердым телом. Принципиальным условием, позволяющим решить поставленную задачу было наличие многослойной (Аи-^-ваАв) затворной структуры транзистора, у которой слои имели существенно различные свойства
Затвор
100 нм
I_I
n+ GaAs
n GaAs n~ GaAs
n-- GaAs
1019 см
г-з
1018 см-3
1016 см-3
1014 см-3
Рис. 1. Поперечное сечение полевого транзистора с У-образным затвором Шоттки. Кружками обозначены кластеры радиационных дефектов. Размер кружков показывает величину области пространственного заряда кластеров в полупроводниковых слоях с различной степенью легирования. В слое, прилегающем к металлизации затвора, концентрация кластеров радиационных дефектов выше из-за большего, по сравнению с Оа и Лв, сечения взаимодействия нейтронов с атомами золота.
(плотность и атомный вес). Тяжелые, по сравнению с ва и Лв, атомы Ли получали меньшую энергию от налетающих нейтронов и при инжекции в соседний слой производили нарушения в значительно меньшем объеме, создавая тем самым более плотный кластер радиационных дефектов с высокой концентрацией дефектов. За счет значительно большего сечения взаимодействия нейтронов с Ли по сравнению с ва и Лв, на границе раздела металл-полупроводник концентрация кластеров радиационных дефектов была значительно выше, чем в объеме ваЛв. В случае использования транзистора с У-образным затвором размеры металлической полоски на поверхности полупроводника (радиус закругления острия затвора) по одной из координат были сопоставимы с размерами области пространственного заряда кластеров радиационных дефектов. В этом случае возникала ситуация, когда плотные радиационные кластеры, образованные атомами золота, создавали в ОаЛв упорядоченную, одномерную цепочку кластеров радиационных дефектов вдоль ребра затвора. Области пространственного заряда 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 одномерной цепочки кластеры радиационных дефектов, содержащей прозрачные для электронов области (отверстия) между кластерами. В транзисторах с длиной канала 0.5 мкм кластеры радиационных дефектов расположены
в канале случайно, поэтому образование одномерных образований между ними затруднено.
Наибольший положительный эффект в этом случае будет достигаться именно в структурах полевых транзисторов с коротким каналом, когда движения электронов под затвором происходит баллистически, т.е. бесстолкновительно. В этом случае точечные дефекты, неизбежно возникающие при радиационном облучении полупроводника, слабо влияют на движение электронов. Дополнительное преимущество дает наличие сильно легированных областей полупроводника прилегающих к истоку и стоку (см. рис. 1), которые обычно используются для уменьшения контактного сопротивления металлизации истока и стока и слабо изменяют свое сопротивление при радиационном облучении. Последнее объясняется меньшим размером области пространственного заряда кластеров (рис. 1). Сопротивление слабо легированного буферного слоя, наоборот, существенно 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). С целью анализа влияния атомного веса прилегающего к GaAs слоя на дефектообразование в GaAs исследовалось распределение дефектов в композициях Au-GaAs, Al-GaAs и Ge-GaAs, а также рассматривалась свободная поверхность полупроводника (воздух-GaAs). На рис. 2 приведены зависимости распределения дефектов в поверхно-
25
50
Глубина, нм
75
100
Рис. 2. Эффект усиления (ослабления) флюенса на границе раздела различных сред с арсенидом галлия.
0
стном слое ваАв. Для более легкого, чем ваАв, слоя А1 наблюдается уменьшение концентрации дефектов на границе раздела металл-полупроводник, а для практически равного ваАв по плотности и атомному номеру ве неоднородности на границе малы. На свободной поверхности зарегистрировано уменьшение концентрации дефектов в слое порядка 50 нм, которое связано с вылетом быстрых атомов ва и Ав в воздух. Отношение концентрации дефектов на границе раздела в композициях А1-ваАв и Аи-ваАв около 5.
Для расчетов формы кластеров радиационных дефектов в композиции Аи-Т1-ваАв 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 Т1, ва и Ав, которые получали более значительные энергии (до 600 кэВ). Толщина слоя Т варьировалась в пределах от 10 до 60 нм, что приводило к поглощению золота только в титане или его проникновению в приповерхностный слой ваАв. Кластеры радиационных дефектов, создаваемые Аи в ваАв, располагались на расстоянии не более 70 нм от границы раздела Т1-ваАв, а атомы Т1, ва и Ав проникали на 150-300 нм, т.е. выбрасывались из области канала транзистора на периферию.
На рис. 3 приведено рассчитанное методом Монте-Карло распределение кластеров радиационных дефектов в структуре Аи-Т1-ваАв. Неоднородности в распределении кластеров радиационных дефектов, а также в их внутренней струк-
туре (рис. 3) обуславливали наличие прозрачных для электронов областей, размеры которых (и их количество) зависели от флюенса нейтронного воздействия. При расчетах учитывалось, что часть кластеров радиационных дефектов (образованная высокоэнергичными первичными атомами) распадалась на отдельные субкластеры, по своей внутренней структуре схожие с кластерами радиационных дефектов, образованными низкоэнер-гетичными первичными атомами. Характерные размеры областей пространственного заряда кластеров радиационных дефектов (или субкластеров кластеров радиационных дефектов) имели диаметр порядка 10-50 нм, расстояние между кластерами радиационных дефектов в зависимости от концентрации легирующей примеси и флюенса нейтронного излучения колебалось от 2 до 20 нм. Разброс размеров отверстий при фиксированном значении параметров достигал 6-8 раз.
2. Моделирование характеристик квазиб
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.