В настоящее время радиоэлектронная аппаратура (РЭА) используется во всех сферах человеческой деятельности, начиная от простейших бытовых устройств и заканчивая сложнейшими аэрокосмическими комплексами. Важнейшими компонентами РЭА являются полупроводниковые дискретные приборы и. интегральные микросхемы, основным рабочим элементом которых служит неоднородная полупроводниковая структура, формируемая путем создания в приповерхностном слое монокристаллической (наиболее часто кремниевой) пластины областей с различным типом и величиной электропроводимости (плапарная технология),.
В последние десятилетия накоплены значительные экспериментальные данные по радиационному материаловедению полупроводников и получили развитие теория и практика физических процессов, протекающих в кремнивых неоднородных приборных структурах при воздействии различных видов радиации в условиях эксплуатации и испытаний. С другой стороны, на многих предприятиях электронной промышленности для регулирования и улучшения ряда электрических параметров кремниевых приборов, интегральных микросхем и исходных монокристаллических подложек начато успешное технологическое использование радиационно-термическнх обработок (РТО), состоящих из последовательных операций облучения высокоэнергетичньши частицами и термического отжига.
Эффективность использования РТО обусловлена возможностью контролируемого введения термостабильных радиационных центров (РЦ) в активные области микроэлектрон н ых структур, которые действуют в полупроводнике подобно донорам., акцепторам и глубоким рекомбинационным центрам химической природы. При достаточно высоких концентра. циях РЦ вза имодействие свободных, носителей заряда с ними может определять электрофизические характеристики активных областей структур, а следовательно, электрические пара метры приооров и микросхем.
Важное преимущество и перспективность РТО для решения многие практических задач в конце цикла изготовления структур заключается в том, что она является низкотемпературной (введение РЦ обусловлено «холодным» массопереносом при смешении атомов из узлов кристаллической решетки на операции облучения, а диапазон температур операции отжига не превышает 350:500 °С) и не приводит к размытию диффузионных и имплантационных профилей основных легирующих примесей и нарушению контактной металлизации. Данная особенность РТО с учетом вариации различных режимов дает возможность получения структур с принципиально новым сочетанием электрофизических и электрических параметров на базе обычной маршрутной технологии, что крайне важно в современных экономических условиях.
Актуальность работы. Постоянное расширение и усложнение спектра задач, решаемых с использованием современной радиоэлектронной аппаратуры, требует значительного улучшения большинства электрических параметров и характеристик используемых полупроводниковых приборов. Наиболее очевидна проблема улучшения комплекса статических и динамических параметров выпускаемых биполярных диодов и транзисторов, потенциал которых казалось бы уже полностью исчерпан. В связи с этим, актуальной представляется материаловедческая задача исследования особенностей и установления основных закономерностей кинетики накопления, перестройки и отжига РЦ в различных активных областях кремниевых диодных и транзисторных стуктур при изменении в широком диапазоне режимов и условий проведения операций облучения и отжига. Решение этой задачи при одновременном контроле электрофизических параметров п реобла дающи х. РЦ и электрических параметров орт полярных диодных и транзисторных структур, по нашему мнению, позволит осуществить физически обоснованный выбор оптимальных режимов РТО, способных значительно улучшить комплекс электрических параметров и повысить радиационную стойкость структур.
Цель диссертационной работы — на основе экспериментального исследования кинетики накопления, перестройки и отжига РЦ б активных областях биполярных структур при облучении быстрыми электронами и термическом отжиге, выбрать физически обоснованные режимы и условия проведения операций РТО и оценить эффективность их интеграции с традиционной технологией для получения качественно новых биполярных диодных и транзисторных структур со значительно улучшенным комплексом основных электрических параметров.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие зада ч и :
1. Установить закономерности образования., перестройки и отжига глубоких РЦ в активных, областях биполярных структур в процессе проведения операций облучения быстрыми электронами и термического отжига.
2. Выявить особенности энергетического спектра и характеристик РЦ, образующихся при «глубоком» облучении и облучении с повышенной плотностью потока быстрых электронов.
3. Изучить динамику изменения электрических параметров и характеристик диодных и транзисторных структур при различных режимах и условиях операций РТО и установить их взаимосвязь с характеристиками преобладающих в активных областях РЦ.
4. Разработать физически обоснованные рекомендации по оптимизации режимов проведения операций радиацио нно-термической обработки для. обеспечения максимального быстродействия диодных и транзисторных структур при улучшении всего комплекса электрических параметров и повышения радиа. ционной стойкости.
5. Провести отбор, наладку и усовершенствование необходимой аппаратуры для проведения измерений элекрофизических параметров РЦ и основных электрических параметров и характеристик исследуемых структур.
Работа проводилась в лабораториях кафедры Полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС в соответствии Координационным планом научно-исследовательских работ Академии Наук, Вузов и электронной промышленности по проблеме «Радиационная физика и радиационная технология полупроводников» «планом хоздоговорных работ МИСиС и работ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ. .
I !ау ч паи новизна результатов работы состоит в следующем:
— установлено, что при потоках быстрых (6 МэВ) электронов Ф < 1016 см 2 скорости образования РЦ с участием основной легирующей примеси пл и с. участием остаточных примесей т|0 в активных областях кремниевых структур, изготовленных по эпитаксиально-плаиарной технологии на «'кислородных» пластинах кремния (выращенных по методу Чохральс. кого), можно связать соотношением, учитывающим уровень легирования Ид конкретной области структуры: Пл / т) о = к-(Кл/Ыо), где к = 50 ±10, М0 ~ (1 ~ 2)-10!8 см" 3;
— установлено, что когда накопленная концентрация РЦ достигает 30-И0% от концентрации легирующей примеси (обычно при Ф > 10!6см «) снижается скорость образования РЦ типа вакансия-легирующая примесь, а РЦ с участием основных остаточных примесей — возрастает. Отмечено при этом появление нового типа РЦ с уровнем Ее — 0.50 эВ (возможная природа У-У-О или УуО);
— из результатов исследования кинетики термического отжига РЦ в активных областях кремния пи р-типа диодных и транзисторных структур показано, что уменьшение эффективной концентрации РЦ на операции отжига и, соответственно, восстановление электрофизических параметров активных областей структур с ростом уровня исходного легирования происходит при более низких температурах, что создает физические предпосылки для управления комплексом электрических параметров биполярных структур путем выбора оптимальных режимов операций облучения и отжигаэксперименталыю установлено, что облучение диодных р±п структур быстрыми электронами при повышенной плотности потока (<р0 = 2-Ю1″ «см 2-с 1 обеспечивает нагрев пластин со структурами до температур 300 320 °С и приводит к росту скорости образования сложных РЦ Ес — 0.36, Ес- 0.50, Еу + 0,38, Е- + 0,48 эВ с. участием дивакансий, остаточного кислорода, углерода и др. обладающих высокой термостабильностью, большими и симметричными значениями сечений захвата носителей заряда (электронов и дырок), и обеспечивающих высокий теми рекомбинационных процессов.
Пра ктич е с к, а я поле з н ост ь работы:
1) на основе полученных результатов исследования кинетики накопления РЦ в областях кремния п-типа исследуемых структур, разработана методика определения содержания кислорода в кремнии по соотношению концентраций А-1−1 Е-центров, рассчитанных из спектров РСГУ.
2) Выявленные особенности кинетики накопления РЦ в базовой области кремния п~типа исследуемых диодных рт-п структур яри повышенной плотности потока быстрых электронов были использованы при оптимизации режимов радиационно-термической обработки в целях значительного улучшения, комплекса статических и динамических параметров диодных структур, повышения их радиационной стойкости, сокращения длительности операции облучения и исключения операции термического отжига.
3) Полученные закономерности кинетики накопления и отжига РЦ в базовых и коллекторных областях кремния пи р-типа исследуемых транзисторных структур в зависимости от уровня легирования, потока облучения, условий отжига позволили осуществить физически обоснованный выбор режимов технологических операций облучения быстрыми электронами и отжига для целей улучшения комплекса статических и динамических параметров биполярных ¦транзисторов. повышения их радиационной стойкости, восстановления параметрического брака в производстве.
Рекомендации по оптимизации радиационно-термической обработки для улучшения комплекса электрических параметров диодных и транзисторных структур апробированы и используются в технологических маршрутах изготовления импульсных диодов и маломощных высокочастотных транзисторов в ГосНИИ «Сапфир'», Александровском заводе полупроводниковых приборов, опытном заводе НИИ «Молекулярной электроники» .
Ос, но в н ьте результаты и и ол о же н и я, ни мое и м ы е на з, а щиту:
1) Результаты исследования закономерностей кинетики накопления и отжига радиационных центров, образующихся в активных областях пи р-типа диодных и транзисторных кремниевых эпитаксиально-планарных структур в зависимости от уровня легирования, потока и плотности потока быстрых (6 МэВ) электронов и условий отжига.
2) Методика определения содержания кислорода в областях кремния п-типа по соотношению концентраций Аи Е-центров, рассчитанных из спектров релаксационной спектроскопии глубоких уровней.
3) Результаты использования радиационно-термической обработки при «глубоком» облучении быстрыми электронами с повышенной плотностью потока для получения диодных структур с качественно новым, удовлетворяющим современным требованиям разработчиков РЭА сочетанием электрических параметров и повышенной стойкостью к статической и импульсной рад, нации.
4) Результаты использования разработанных режимов «глубокого» облучения и термического отжига для получения биполярных транзисторных структур с принципиально новым сочетанием электрических параметров и характеристик, повышенной радиационной стойкостью.
Диссертационная работа выполнена в. лабораториях кафедры ППЭ и ФПП МГИСиС в 1994;1999 гг. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю — профессору, доктору технических наук Е. А. Ладыгину за постоянное внимание к данной работе, профессору И.Н.Г'орюнову и старшему-научному сотруднику, А .М.Мус алитину — за помощь в проведении экспериментов.
Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях и научно-технических отчетах:
I. Ладыгин Е. А., Лагов П. Б, Осипов Г .А. Повышение быстродействия диодных матриц при обработке быстрыми электронами. /V Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА. 1996. Вып. 1 — 3, С. 101 -105.
2, Ладыгин Е. А., Лагов П. Б., Осипов Г. А, Улучшение усилительных, импульсных и температурных характеристик кремниевых маломощных транзисторов при обработке быстрыми электронами и отжиге. /У Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА. 1996. Вып.
1- 3, С. 95- 100,.
3. Лагов П. Б., Ладыгин Е, А. Повышение радиационной стойкости кремниевых биполярных п-р-п и р-п-р транзисторов к импульсному и статическому излучению при радиационно-термической обработке. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА. 1998. Вып. 1 — 2″.
С, 114−117.
4. Лагов П. Б, Ладыгин Е. А. Преимущества высокотемпературного технологического облучения диодных матричных структур, применяемых, в бортовой аппаратуре. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА, 1998. Вып. 1 — 2, С. 118 — 120,.
5. Лагов П. Б., Ладыгин Е. А. Кинетика накопления глубоких радиационных центров в неоднородных кремниевых структурах. // Известия вузов. Материалы электронной техники. 1999. № 1, С. 53 — 55.
6. Лагов П. Б. Использование быстрых электронов для улучшения комплекса электрических параметров биполярных кремнивых структур. // Тезисы докладов н,-т. конференции «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергий». — М: ВИМИ. 1999, С. 64 — 66.
— 166 фхгзичсских закономерностей и механизмов повреждения полупроводниковых приборов и микросхем при воздействии излучений СВВФ. // Отчет о научно-исследовательской работе. Шифр темы «Юпитер-1». — М.: МГИСиС (ТУ), 1996 г. — 160 с.
8. Исследование физических основ электронно-ионных процессов при создании приборов микрои оптоэлектроники и физики деградации структур при лучсиглх лсздсйстпиях./.' Отчет о научно-исследовательской работе. Шифр темы 3 035 042. — М.: МГИСиС (ТУ). 1999 г. — 150 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
На оснований проведенных исследований сделаны следующие выводы, I) В результате исследования кинетики накопления глубоких РЦ в активных областях кремниевых биполярных структур из спектров РСГУ выявлена качественно общая закономерность — на операции облучения исследуемых структур при концентрациях легирующей примеси NA > 5−10'6 см" «независимо от ее типа (фосфор или бор) по скорости образования преобладают центры типа «^^^"^"^ &bdquo-ртт,^/, /ллг> {г.т> i’V.V.P'k п^рт та, а ю16 /-т'» 3.
BuKab-Cjriji—ys-Ci irliJ у upnJiCi, r> 1 J> т \—u/. 1 lykL J. N дч J-Ц/ viVi преимущественно образуются центры с участием точечных дефектов и остаточных примесей — кислорода и углерода (V-V), (V-O), (V-V-OV (С-У-О).
2) В результате экспериментальных исследований кинетики накопления РЦ в кремниевых структурах в зависимости от потока быстрых электронов (Ф = 10'4 -г 10″ см2) установлено, что скорость образования ряда наблюдаемых РЦ до (Ix i'- 10* см практически постоянна. При дальнеихи. е1*1 наооре потока скорость образования РЦ типа вакансия — легирующая примесь начинает плавно снижаться. Эта закономерность проявляется тогда, когда накопленная концентрация РЦ «/¦•ivtl, V, f. :-J-? Л С 0/ ,» гт. Т, Л1ТТГЛТТГППР1ГТТТ1 Л. iTITIl Т~Т — 1ТЧЛТ1 ПГТТ1*АЛТТ 1 I >-~Г'Т 1 О ^ ^ АЛ ~ jl ±-хх cie Г —rv /о ОхV WI ?- i^ i 1? j' 11 i I|!! i i [J > i v /, i м i i — j •? Ii i 11. i lpxi: lv -'i возрастает скорость образования РЦ с участием основных остаточных примесей (кислорода и углерода) и появляется новый РЦ с уровнем Ес — 0,50 эВ (возможная природа V-V-O или VvO). Обоснована количественная оценка методики ''глубокого'' облучения для областей кремния различной степени легирования,.
3, На основе результатов исследования кинетики термического отжига РЦ в базовых и коллекторных областях кремния пи р-типа диодных и транзисторных структур показано, что уменьшение эффективной концентрации центров в ходе операции отжига и, соответственно, восстановление электрофизических параметров кремния в соответствующих областях полупроводниковьтх структур с ростом уровня исходного легирования происходит при более низких температурах.
4. В ходе исследования кинетики накопления и отжига РЦ в базовых областях.
— г ^.
— Л, А Л ТТТТ О гл «Т'Т-Т ТТ Г5 Л ГТ/» ч Л ТТ { ГУ ТЛ. О П 'ШТЛТ 7Л7 ТТ ГГЛ Л ПТХ /" Ч Т> ТТТТ Г ТЛГ Тч" «У7 /» Ч Л >Г АТЖ ГТ Л ТТ Т. Т<- Т Т ГТ/~Ч тт.
ХЧ^С.^ЛХХХХХУ! Х1 I ХХ111. Х ]г/ ХА х у ХЧ X V % ¦! XX-X СХ^Ч^Х^Ц-ХХАХХ^ХЛ. АхЧ/ЛГА. примесью золота, установлен значительный разброс концентрации электрически активного золота. Показано, что энергетический спектр образующихся при облучении РЦ в структурах с золотом и без золота практически идентичен. Отмечен рост концентрации электрически активного золота после облучения быстрыми электронами.
Ч |,^Т/Г, ТТОТ1Т1Л/ТОТ.ТТД ЛТ ТТГ ЛГГТД Т. Т/~ЧТЗ Л ОТТ"-у ТТТП ЛЛТТТ/ЛТТТТО, А ПА Д ХТТ. ту 1Л '. Г* Д/фТ пл. ХЧЧ. XX Ч^ ЛГХ-'ЛХК^ XX X «О-' Х.-ОХД.Ч-' у ч. X ЧХХХ^УХ-Ь и^хш II V Ч' Х. у ХЧХХХХ'. (/*, ХХ^</-Л1ХЛ.Х>Х.Л. АЛ Ъ 1 у IV 1 | р быстрыми электронами при повышенной плотности потока обеспечивает нагрев гхл ал^тпт ¦ /. г-т'птп^т-пэштт ил ' ^ О Г 'С гт) т ул : — I, л т.-, л т^ I г. л п (.» тг,.
1. хаН — ¦ ^ ¡-у у у рл -1-/у > 1 х у у ^ V V/ - уь 11р? А.оОД.1гА 1 л у ос.-ш чЬЫаЮ скорости образования сложных РЦ Ее •- 0,36, Еу + 0.38. Е- - 0,50, Еу + 0.48 эВ с участием дивакансий, остаточного кислорода, углерода и др. По сравнению с РЦ с участием легирующих примесей указанные центры обладают более высокой термостабильностью, бо’лыпими и симметричными значениями сечений захвата носителей заряда (электронов и дырок) и обеспечивают более высокий темп пекомбинапии за счет более глубокого энергетического положения в заплетенной.
X" .1.' А .А ' зоне.
6, Разработана методика определения содержания кислорода в областях кремнии п-типа по соотношению концентраций Аи Е-центров, рассчитанных из спектров РСГУ.
7. Выявленные физические закономерности кинетики накопления и отжига РТД позволили сделать вывод, что при проведении РТО биполярные диодные и тпаттзистооньте стпчлступы ттелесообпазнее подкрпгать ''глубокому" обличению, — X «» «» ХГ J ' ./ X 1 ' X ~ ' ! А J J J.
Введение
в маршрутную технологию диодных структур типа 2Д906 РТО в оптимально выбранных режимах («'глубокое» облучение быстрыми 6 МэВ г—Vа ЛГ 7-г-г>" — у— ТГ-П.1ГГ ТТ -«-ч Т Т ТТ Г> Т I Е» ТТ (•" «ТТТТ Г» ~ Т ТТ Л ПФТТ ТТ ГТ /¦" ЧГП/—V ТГ ГЧ ~~. ] ' Л1,) г Г О. 1 1 Г" «, Т — ^ электронами и^Ж иившшсадОи и-ш111и!хп иилиг. и — ->* IV 1. Ш, у,» — ^?". 1 ,.
Тобд = 310 ± 10 «'С) позволило получить следующие положительные результаты:
— улучшить импульс но-частотные параметры 1! Т и 1Ир в 300 4 400 раз и снизить в 2 3.
21 п п тх-«7 '•г отзт!.-» П-. г/легГ'Гг тл л ^ пгг* ггм т т> т" Л ^ г нп ггт. т •-> г. ттп { А Л- 7 «) Ч люи 1.-1.-'V АС^Ш^рШ) рг>1 .ОО шМи. и ¿-Л,!» ! 4.114 о Ч-'11 е. V — - «1-е».'.
I >~ ТЛ Г' ПТТТТТГ 11 /•ЧТТТТТ'ПТТТТ Л ТХ рк П Оу АТТ >~ л П 1О * О/Л Л 14 /1 Г^тт ¦ЭХК^.-Л.ХЛ.у 1 и-Ц,*! рич, 1−1111 jilL 1 ГУ Слийоип 1 О 1 ж «V» 111 Ц".
— снизить значения параметров и,., и и Г 5: не 25 ч- 40 °/о (в «овжимах изменений по ТУ), резко улучшить теплофизические. условия эксплуатации диодов в частотных схемах и уменьшить в 8 10 раз значения рассеиваемой мощности- -улучшить .электропрочность диодных структур, повысить пробивные напряжения на 40 50%, снизить значения барьерной емкости диодных структур в 8 10 раз- -повысить стойкость диодных структуру к статической (в 1,5 -г 2 раза) и импульсной (в 5−4-6 раз) радиации,.
8. Ввведение в маршрутную технологию транзисторных п-р-п (2Т312. КТ315. ВР422) и р-п-р (2Т313. КТ361, ВР423) структур РТО в оптимально выбранном режиме {оолучение: Ф — 2−10 см, отжиг: х — з50 С, 60 мин) позволило получить следующие положительные результаты:
— улучшить импульсные параметры тй в 50 4- 100 раз и снизить в 2 4 3 раза их.
О ^ ?Г^Ч^ТЧ! /-^'Т1 ПП/-. 'Т^ТГ-Г-.Т Т Т". «ТТ^ТТЧ^АТТО (/СО. 1С1 1.
1ъ о г: г. ¡-уинл. ¡-уи 1 у — >¦'.' долх у х у '—ч.'ч, — — < i ,./ ^—) уел о в и й э к с плу, а та ц и и;
— получить, более оптимальное сочетание частотных и усилительных параметров: т — 400 4- 450 МГц, Ь-2!Г. = 60 4 80;
— ослабить в 2 4- 3 раза зависимость коэффициента передачи от уровня инжекции и температуры в рабочем диапазоне токов коллектора и температур;
— улучшить электропрочность транзисторных структур, повысить пробивные напряжения эмиттерного и коллекторного переходов на 20 4- 30%;
— повысить стойкость транзисторных структур к статической и импульсной радиации в 3 4- 4 раза при одновременном уменьшении различий в стойкости п-р-п и р-п-р структур.
Таким образом, использование выявленных физических закономерностей при ''глубоком" облучении кремниевых биполярных структур в ходе.
Л Г" Д Т/ТТ.ГТТПГ'Т/АТ'ГТ! гЛ I П Т> т-|тх СТ ОТГЛ О ГТу-Ч'ЛтТ -, л Г" Т'>, 1 Л ТТ, А Т7Т.: >. ! «I 3 ТГ'. Д 1 Т «> П П ГТ Т. Т V.
ЛЛр^ИХАНАХ.'^ХЧи! ^ АА^ АХО-•^-'ХАСААХ ЕА,>А, А А ~—' АЗ Л Л-У. ii. .1 X I I А^Х,.,',.^ (.Л Ах XX, А ^ САХА Г, А А ААХАХ-Т. п-р-п и р-п-р этштаксиальяо-планаряых структур позволило получить приборы с принципиально новым сочетанием электрических параметров и характеристик.
Работа проводилась в лабораториях кафедрьт Полупроводниковой электроники и физики полупроводник (c)в МИСиС. в соответствии Координационным планом научно-исследовательских работ Академии Наук, Вузов и электронной промышленности по проблеме «Радиационная физика и радиационная технология полупроводников5', планом хоздоговорных работ МИСиС и работ по Единому заказ-наряду Минобразования РФ, Основные результаты работы доложены на: VI межотраслевой научно-технической конференции «Воздействие ионизирующих излучений на РЭА, ее элементы и материалы. Методы испытаний и исследований» (г. Лыткарино, НИИП, 4−6 июня 1996 г.).
Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремшш-96'' (г. Москва, МГИСиС, 19 -22 ноября 1996 г.).
— Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-98» (г. Лыткарино, НИИП, 2−4 июня 1998 г.).
— Первой Российской летней школе молодых ученых и специалистов по материаловедению и физико-химическим основам технологий монокристаллического кремния «Кремниевая школа — 98» (г, Москва, г. Черноголовка, 2−7 ионя 1998 г.).
Научно-технической конференции «Материалы и изделия из них иод воздействием различных видов энергий» (г, Москва, ВИМИ, 21 — 22 апреля 1999 г.).
— Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-99» (г. Лыткарино, НИИП, 1 — 3 июня 1999 г.).
— ежегодных научных конференциях МГИСиС 1995 — 1999 гг.
