Изменение свойств монокристаллов Si и Ge и приборов, изготовленных на их основе, под действием импульсов СВЧ поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ в II 3 И К И

УДК : 535.373.2 На правах рукошеп

АБДУРАХИМОВ ДАВРОН ЕРЖГОВМ

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ Эг п Се и ПРИБОРОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ИХ ОСНОВЕ. ПОД ДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСОВ СВЧ ПОЛЯ

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-ыатеыатическнх наук.

Ы0СКВА-1992

Работа выполнена в Институте общей физики Российской Академии наук

Научные руководители: члек-корреспондент АН Таданкистана,

доктор физико-математических наук, ■ профессор З.Х.ХАКШОВ

кандидат фнзико-штеиатических наук В.П.КАЛИНУШКИН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук ,

профессор , Г.Н.МИХАЙЛОВА

кандидат физико-математических наук , доцент , И.С.СМИРНОВ

Ведущая организация : Московский государственный университет

им. М.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится " А » 1992 г.

у ¿р-г) 7

в гО час. на заседании Специализированного совета К.003.49.02 ИОФ РАН по адресу:

117942 , г.Москва , ул.Вавилова , д.38 .

С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан » £ " е^Т^М 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета К.003.49.02

кандидат Айзико-математических наук /^^-^^Т.Б.ВОЖЧ

' ''' ': $

' ОБЩАЯ »РАНШСШ РАБОТЫ.

Диссертационная работа посвящена эксперкиентальноыу исследования влияния мощных импульсов электромагнитного излучения СВЧ диапазона на примесные'неоднородности э монокристаллах кремния л 'ермакия, а такзе на характеристики селективных фотоприемнкков ИК галучения и интегральных шгкросхем , изготовленных ка основе этих гатаркалов.

Актуальность теш исследования.

В последние годы большой интерес вызывают исследования в об-:асти создания т.к. "бездефектной" технологии полупроводниковых атвриалов, что связано с необходимости попыщения процента выхода одных, и соответственно со снижением себестоимости полупроводни-овых изделий. Одним из таких направлений этих исследований явля-гся разработка различных бесконтактных методов , позволяющих из-энять свойства примесных и структурных дефектов полулроводнико-ж кристаллов непосредственно э процессе или дане после техноло-гаеского цикла, в первую очередь с цзльп подавления ( или улраэ-)ния ) их электрической активности, снижения упругих наряжений и жажений кристаллической решетки , вызываемых этими дефектами, этом направлении , в настоящее время активно ведутся работы, в ютности, по изучению т.н. центров с отрицательной корреляцион-й энергией ( и -центр ) , которые оказались способным к струг,-рной перестройки за счет изменения своего зарядового состояния и очень слабых воздействий ( например, при обычной подсветки ), зко меняя при этом свои свойства С такие , например как энергии низации , рекомбинационныв характеристики и т.д.). К настоящему амени в полупроводниковых кристаллах IV группы и группы А,В5об-ружены ряд типов таких центров /1-3/. Другим иктересккм кетраэ-

—я-

ленив« является т.н. эффекты "допорогового" дефектообразования в кристаллических полупроводниках /4,5/. Эти эффекты связаны с образованием в объеме кристаллов комплексов точечных дефектов типа "вакансия-менузедьный атом" при существенно более слабых воздействий, чем предполагалось ранее /5,6/ , и во многом определяется наличие« исходных примесных и структурных неоднородностей.

Самостоятельный интерес представляет такие исследования стойкости стандартных полупроводниковых приборов к электромагнитным излучениям различного диапазона длин волн , как с точки зрения задач прикладного характера , так и самих физических процессов.

Цель работы.

Целью данной работа являлось : исследование возношшх процессов перестройки (Г-центров и допорогового образования точечных дефектов в исходно-неоднородных кристаллах и ве под действием мощных импульсов электромагнитного излучения СВЧ диапазона и модификации на этой основе свойств этих штериаллов ; исслэдова-ние реакции ка импульсы СВЧ поля полупроводниковых приборов промышленного изготовления.

В диссертации решена задача разработки датода , позволяющего в процессе технологического цикла изменять свойства монокристаллов и ве путем воздействия импульсного СВЧ излучения наносе-

кундной и микросекундной длительности с плотностьв мощности от

3 2 5,2

/V ю Вт/см до-7-10 Вт/см ка примесные неоднородности, содержащиеся в кристаллах. Предлоаены механизмы явлений, лезащий в ос-коов этого метода.

Прахткческая ценность раСои.

Показана возможность подавления флуктуация пирзиы запрещенной

зоны и частичного снятия упругих напряжений з полосах роста з

кристаллах промышленного , выраженного методом Чохральского к

различных, созданных на его основе с поысдьй диффузии р-п-перэхс-

дов, посредством облучения импульсами СБЧ поля наносекундой длк-

4

телькостк с налряаекностьп электрического поля >„ 10 В/с« . Это позволяет получать после соответствующей обработки СБЧ мзятульсами более однородный ( с точки зрения наличия полос роста ) материал, причем эта обработка возможна и после проведения ряда технологических операций . Это монет быть использовано ка предприятиях' электронной промышленности , использующих з производства кремний, ьыращенньй методом Чохрэльского.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально обнаружен эффект долговременного ( б течении сотен и более часов ) увеличения концентрации носителей тока в примесных скоплениях в кристаллах в результате облучения

импульсами СВЧ поля наносекундой и микросекундкой длительности с

о

плотностью модности в импульсе >, 5-10 Вт/см .

2. Экспериментально обнаружен эффект частичного снятия уру-гих напряжений и подавления флуктуаци? сгрик« запрещенной зону в полосах роста в кристалла?'. 31 под ооздаГ.ств-'.еи СВЧ импульсоз каносекундной^ длительности с плотностью могкости в импульсе >„3-10* Бт/с

3. Предложены теоретические механизмы указанных гьсге эффектен, основанные на перестройке метастабильккх центров и допсрсгсгс« образовании точечных дефектоз под действием импульсного СБЧ л с ля.

Апробация работы и публикации. Работа выполнена в Институте обцей физики РАН . Материаллы, вклсченные в диссертацию докладывались на семинарах отделов физики плазмы и колебаний КОЗ РАН , на Всесоюзной конференции по применению сильноточных электронных ускорителей - Свердловск, 1S63 г._ на Всесовзкой научно-технической конференции по средствам и сис^мам с 05П - МоскЕа, ВБИА им. Еукозского, 199Q г., на III Всесоюзной сколе по взаимодействиям электромагнитных волн с полупроводниками и шлупроводкикоао-джзлвктрическкми структура:-.« - Саратов, 1991 г., на V Меяотраслевом семинаре по проблемам создания полупроводниковых приборов, ИС и РЗА на их основе, стойких к BES - Петрозаводск, 1891 г., и з достаточно полной мерз отраге-ны в 6 печатных работах.

Сбьем к структура диссертации. Диссертация состоит из введения , четырех глав , заключения и списка цитируемой литературы . Работа изложена на 134 страницах, включая 24 рисунка и список литературы из 121 наименований.

СОДЕРНАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ЕО ББЗУИИЕ обоснованы выбор теш диссертационной работы и ее актуальность, сформулирована цель работы, кратко излозено содержание диссертации, приведены основные результаты и выводы работы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена обзору литературных данных, необходимых для обсуждения полученных в работе экспериментальных результатов. Подробно рассматривается литературные данные по различна классификациям крупкомасзтабкьк примесных и структурных дефекто: С такие как, например, примесные преципитаты , свирл-дефекты, де фекты упаковки, "слабые" примесные скопления , примесные страты

т.д.) в бездислокационкых кристаллах кремния, вырацеккых по катоду Чохральского ( параграф 1.1 ). Анализируется данные литературы по исследования У "-центров в Чохральсксм кремнии и приведена теоретическая модель перестройки таких центров на призера комплекса "кислород-вакансия"( параграф 1.2 ). Детально обсугдается различные механизм допорогового образования точечных дефектов з кристаллических полупроводниках под действием низхоэнергетической радиации ( параграф 1.3 ) . На основе анализа литературных данных сформулированы задачи исследований.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ описаны экспериментальные методы исследования полупроводниковых пластин применявшиеся в работе . Подробно рас-мотрен метод малоуглового рассеяния свата Ж диапазона - как метода регистрации слабых примесных скоплений з объеме полупроводниковых пластин . Приведены вычисления зависимостей интенсивности рассеянного света примесными неоднородностяш от угла рассеяния ( т.к. диаграмма рассеяния ) з приближении Рзлея-Ганса . Описана экспериментальная установка этого метода ( параграф 2.1 ) . Рассматривается принцип действия универсального лазерного сканирующего микроскопа ( параграф 2.2 ) , основанного на использовании сфокусированного лазерного излучения, длина волны которого близка к длиноволковому край собственного поглошекия исследуемого полупроводникового кристалла . Подробно рассмотрены ргжмн работы всех функциональных узлов данной установки , которая использовалась в работе для визуализации полос роста в объеме образцов 31 . Описано измерение объемного Бремени еизни фотовозЗуэденных носителей тока методом СВЧ-релаксометрии в пластинах кремния ( параграф 2.3 ). Приводятся основные параметры источников импульсного электромагнитного поля миллиметрового и сантиметрового длин волн

с наносекундкыми и микрссекукднымл длительностями , а такие опи-оаж условия проведения экспериментов по облучению и измерений 1:сследуе.\с-г< кристаллов ( параграф 2.4 ).

3 ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлен экспериментальные результаты ис-слодоьаккя влияния импульсного СБЧ поля каносекукдной и иикросе-кундной длительности на параметры слабых примесных скоплений в бездислокационных кристаллах , выращенных методом Чохральского и легированных фосфором :Р) и бором (51 :В), в чистых и легиро-сакых фосфором кристаллах 31 , выращенных методом бестигельной зснной плавки (б.о.п.Э! и б.з.п.ВкР) и в чистых кристаллах Се ( параграф 3.1 ) . !.!атод рассеяния света показал , что при облучении СВЧ зя,пульсами изменения в свойствах примесных скоплений каблюдаится во всех типах исследуемых кристаллов , проявляющихся в суцествекнои изменении диаграш рассеяния, что объясняется из-ггзкекиеи сормы , размеров и "оптической плотности" исходных дефектов. Б^ло выявлено , что изменения косят долговременный ( несколько недель и более ) характер. Установлено дозовая зависимость этого явления . Обнаружено , что наблюдаемые изменения в слабых привесных скоплениях косят порогозый характер и определено пороговое значение напряженности электрического псля 1 кВ/сы ) СБЧ еолны, низе которого эффект пропадал. По температурным зависимостям интенсивности рассеянного света оценены значения энергии тепловой актизацж центров образующих примесные скопления в облученных кристаллах. Было обкаругено , что эти изменения релаксируют к ксходноыу состоянию и время релаксации определится типом прово-водкмости материала . Приведены такге результаты экспериментов по слиянии СЗЧ иштульсоз какосекукдксй длительности на полосы роста в кристаллах Б!:? к з псдлозках р-Б1 с локальный легированием до-

норной примесью , исследованных с пемоцьэ лазерного сканирующего микроскопа С параграф 3.2 ). Эти эксперименты показали , что при облучении СЕЧ импульсами кристаллов з полосах роста частично снимаются упругие напряжения и флуктуации ширины запрещенной зоны. Установлено , что эти изменения тага® имеют пороговый характер и не наблюдаются при полях нижа <■»10 кВ/см . Методом СЗЧ-релаксомвт-рии были выявлены заметные изменения и во времени жизни фотовоз-буэденных носителей тока в кристаллах и йе при их облучении СБЧ импульсами наносекундной длительности (параграф 3.3). Предло-еэны механизмы указанных еьее эффектов , основанные на перестройка 0 -центров и допорогоЕсм образовании точечных дефектов в кристаллах под действие» импульсоз СЗЧ поля ( параграф 3.4 ). Показано, что свойства примесных скоплений в 31:Р и кислородных облаков в б.з.п.Б! определяются и"-центрами типа т.н. двойных термодоноров или ксьшлекссв "кислород-вакансия" , а изменения в полосах роста связаны с образованием точечных дефектов типа "вакаксия-межузельный атом".

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ излояены экспериментальные результаты исследования реакции селективных фотоприемнихоз ИК излучения, изготовленных на основе и СаАз , на импульсы СЗЧ поля ( параграф 4.1 ). При облучении фотодиодов СБЧ импульсами были регистрированы отклики , которые обусловлены возникновением т.н. термоздс на р-п-переходе приборов за счет разогрева носителей тока СВЧ полем. Показано , что форма отклика и ее зависимости от значения нагрузочного сопротивления и от типа полупроводникового материала хорошо согласуется с кинетикой терысэдс на р-п-переходе . Приведена зависимость велечины термоздс от значения СЕЧ мощности для фотодиода на основе 31. Установлено , что для данного типа фотодиодов

прздлолагаэььй линейный характер этой зависимости наругается и

таает место насыщение . Предсталены тахзе результаты исследования

воздействия импульсного СЕЧ излучения на интегральные микросхемы,

изготовленные по шикарной технологи* на основе (параграф 4.2).

Установлено , что под действием импульсного СЗЧ поля с плотностью -2 2

энергии п импульсе-^ 10 ¿¿уем происходит катастрофический отказ интегральных микросхем , связанный с возникновением тепловых пробоев, исходной причиной которых являются антенные эффекты на под-еодящзе* контактах з С5Ч поле .

В ЗАКБЗЧЕКМ диссертации обобщены основные результаты к еыбо-ды работы, которые состоят в следующем :

1. Сбнарунэн эффект долговременного ( на протязенки сотен часов к более ) изменения концентрации носителей тока в слабых примесных скоплениях и времени визни неравновесных носителей тока в монокристаллах Б1 и Се под воздействием импульсного СБЧ излу-чан;:я какосекундной и микросекундкой длительности с напряжен-костью электрического поля >, 1 кВ/сы .

2. Обнаружен эффект частичного снятия упругих напряйею'ГЙ и подавления флуктуацкй сирины запрещенной зоны в полосах роста с кристаллах 31, выращектк методом Чохральского, к в полупровод-кнковых структурах при их облучении импульсами СЕЧ поля наносе-кундной дл/.телькости с напряженность» электретэского поля выпэ ^ 20 кВ/см .

3. Предложены механизм указанных выге эффектов : изменения под дейстпз:ем иилульсов СБЧ шля з слабых примесных скоплениях и времени 2з;з:-пс неравновесных носителей тока связываются с перестройкой ычтаетаЗйлькцх центров, а изменения о полосах роста с до-г.срогопеы ссг-;.зо5а:-ппг тс*:;-чкьк дефгктоз типа ''вашгекя-кегузель-к-Л -.тс:.?".

4. Показано, что в состав "цилиндрических" и "сферических" дефектов а , выращенном по методу Чсхральсхого и легированного фосфором , и кислородных облаков в , выращенном методе» бэсти-гельной зонной плавки , входят центры с отрицательной корреляционной энергией типа двойных теродонороз или комплексов "кислород -вакансия".

5. Экспериментально установлено , что реакция на импульсы СБЧ поля стандартных фотоприешетков Ш излучения , изготовленные на основе и (ЗаДв, основана на явление разогрева носителей тока, и как следствие, возникновение терлоэде на р-п-перехода фотодиодов. Обнаружено, что для фотодиода на основе 51 предполагаемый линейный характер зависимости селечины термоэде от плотности мощности

СВЧ излучения нарушается и имеет место насыщение . Определен уро-

-2 2

вень плотности энергии СВЧ излучения 10 Дх/см ) , при котором происходит катастрофический отказ кремниевых интегральных микросхем , связанный с возникновением тепловых пробоев. • ПУБЛИКАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТА,« ДИХЕРТАЩЗДКНОЙ РАБОТУ.

1. Д.Е.Абдурахимов, Ф.И.Вахидов, В.Л.Верещагин, В.П.Калинупкин, М.Г.Плоппа, М.Д.Райзер . Изменение свойств полупроводниковых материалов в результате воздействия СБЧ-имлульссв каносе-кундной и микросекундной длительности . - Микроэлектроника , 1991 , т.20 , вып.1 , с.21-25 .

2. Д.Е.Абдурахимов, П.Н.Бочикагвили, В.Л.Еерещагин, А.Л.Обухов, В.П.Калинупкин, М.Г.Плоппа, М.Д.Райзер, Э.И.Рау. Воздействие электромагнитных СВЧ-иыпульсов на структуру примесных кеод-нородностей в кристаллах кремния л характеристики полупроводниковых элементез. - Цикрозлектрсника, 1952, т.21, вып.1, с.82-53 .

-103. Д.Е.Абдурахимов, В.Л.Верещагин, В.П.Калинушкин, В.А.Никитин, М.Г.Плоппг,, М.Д.Райзер. Влияния импульсных СВЧ полей на время низки носителей тока в кремнии . - Краткие сообщения по физике ЁИАН , 1891 , зьи.8 , с.27-29 .

4. Д.Е.Абдурахимов, П.Н.Бочикаггвили, В.Л.Верещагин, А.Л.Обухов, В.П.Калинушкин, М.Г.Плоппа, М.Д.Райзер, З.И.Рау . Изменение микроструктуры полупроводниковых материалов под воздействием электромагнитных полей СВЧ диапазона . - Тез. докл. V Межотраслевого семинара по "Проблемам создания полупроводниковых приборов , ИС и РЭА на их основе , стойких к BBS" . Петрозаводск, 9-14 сентября 1991 г., Москва , 1891 , ч.1 , с.18-20.

5. Д.Е.Абдурахимов , В.Л.Верещагин , В.А.Ильчишин , М.Д.Райзер, Й.Х.Хакимов . Ограничение термоэдс на р-п-переходе при разогреве носителей тока СВЧ полем . - Письма в ВТй , 1991 , т.17 , вып.2 , с.77-82 .

8. Д.Е.Абдурахимов , В.Л.Верещагин , В.А.Ильчишин , М.Д.Райзер, Ф.Х.Хакиыов. Реакция фотодиодов на электромагнитные поля СВЧ диапазона. - Тез. докл. V Межотраслевого семинара по "Проблемам создания полупроводниковых приборов,- ИС и РЭА на их основе, стойких к BBS". Петрозаводск, 8-14 сентября 1891 г., Москва , 1891 , ч.1 , с.74-75 .

Цктирушая литератур.

1. Н.Бургуан, И.Ланко . Точечные дефекты в полупроводниках. - М.: Мир , 1885 , ч.1 , 385 о.

2. В.Д.Ткачоа, В.П.Цгрковзкч и др. - ®П, 1884, т.18, в.З, с.528.

3. Н.Т.Еаграов, А.Л.ЛоОодов и др. - ШТ, 1838, r.SO, а.7, е.2073.

4. В.С.Вавилов , А.Е.Киз , О.Р.Нкяшеэ . &охшшвмч образования и миграции дефэхтов а шлуяроводршгах,- М.: Наука, 1831, 2S3 с.

5. {¿.Й.Нлингор, Ч.В.Дудак и др.- Ш, 1885, Т.М7, mJ3, ©JS23-€58. в. B.C.Вавилов, Н.П.Коколидзв, Л.С.Сшрноэ. Действия излучшшй на

хголупроводшпш. - а.: Наука , £538 , 182 с.