Оптические поляризационные измерения электрических потенциалов в элементах интегральных схем с пикосекундным временным разрешением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

7 ~ Н ч %

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ МЗИКО-ТЕХНМ^СКШ ИНСТИТУТ

Нэ правах рукописи СИМАКОВИЧ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВА!

ОПТИЧЕСКИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ С ПИКОСЕКУНДНЫМ ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ

01.04.04 - физическая электроника.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НэучннЛ руководитель: доктор физико-математических наук А.А.Фомичов

Москва - 1992

- г -

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного знамени физико - техническом институте

Научный руководитель: доктор физико - математических наук Фомичэв Алексей Алексеевич

Сфщиальнш оппонента:

доктор физика - математических наук

Махвиладзе Тариэль Михайлович кандидат физико - математических наук Долгов Михаил Владимирович Ведущая организация: институт "Ощей физики академии наук

(ИиФАН) г.Москва

Зыдите состоится "Л() " (/¿/^ОйЫ 1992 года в часов

на заседании специализированного соььта К 063.91.и! в Московском физико - техническом институте по адресу: I<31700, г.Долгопрудный, Московской области. Институтский нер.,9, МФТИ, аудитория - 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико - технического института.

Автореферат разослан " 19Э2 года.

Учэний секретарь

специализированного совета Н.Д.Коновалов

• ВВЕДЕНИЕ

■ . 'л «

• - - ; § В.1. Общая характеристика работы.

„J^ü-^i\ Диссертация песвшаена разработке методов оптических поляризационных измерений статических и динамических электрических потенциалов в элементах быстродействующих интегральных схем' (ИС) на основе СаАз. Приведен расчет схемы установки на Сазе гтикосекундноЯ лазерной системы "Арго", для измерений пикосекундшх потенциалов в реальных элементах ИС. В диссертации приведет! основные расчетные и экспериментальное результаты по неразрушаядей оптической диагностике пикосекундных электрических импульсов. Подробно изложены физические механизмы лежащие в основе методов оптических поляризационных измерений.

Актуальность темы диссертационной работы Развитие полупроводниковых интегральных схем и отдельных элементов на основе GaAs определяется требованиями к созданию компактного электронного оборудования, работающего на сверхвысоких частотах в диапазоне десятков и сотен гигагерц. В настоящее время промышленностью выпускаются отдельные МОП (металл - окисел - полупроводник) и ВДП (металл - диэлектрик -полупроводник) транзисторы с граничной частотой превышающей НО Ггц (I], резонансные тунелышэ диоды с частотой генерации 56 Ггц [2] и интегральные МОП транзисторы с частотами до 200 Ггц. Специально приготовленные структуры для генерации сверхкоротких электрических импульсов имеют времена переключения 1-10 пс, такие же времена характерны для современных высокоскоростных фотодиодов. До последнего времени измерение динамических

характеристик и изучение физических процессов в таких приборах проводилось с помощью высокочастотных стетоскопических осиилпографов, имеющих ограничение по верхним частотам до 2Ь 1РЦ. ПоЕшшешш чзстог!шх возмоиюстей стробоскопических осциллографов ограничено неизбежным наличием 'физического контакта с исследуемым прибором и, следовательно, привнесенными паразитными илдуктивносгями и емкостями, которые образуют фильтр нижних частот для входных uenofl осциллографа. В некоторых случаях удалось найти еыход из положения путем включения тестируемых элементов г кольцо и измерю ниеч интегральных динамических характеристик, но при этом терялась информация о частотных свойствах отдельного элемента. В последнее время разрабатываются методы бесконтактного неразрушзющего контроля сверхбыстрых процессов в электронных приборах, основанные, в основном, на оптических измерениях. Эти метода практически не имеют ограничений по измерению параметров высокочастотных электрических имнульссв и могут быть применены для изучения как физических процессов я элементах полупроводниковых схем, так и свойств электронных материалов. Време1мыо ограничения определяются' длительностью световых импульсов и физическим механизмом, положенным в основу методики измерений. Длительность световых импульсов современных промышленных лазерных систем составляет еденнцы пикосекунд, а временные задержки, вызванные конечным временем отклика параметров тестового светового импульса нэ возмущение среда, в ряде случаев, на порядок меньше. Таким образом, оптические измерения в настоящее время являются единственным методом определения реальных параметров динамических

электрических импульсов отдельных элементом ИС.

Целью диссертационной раОоти является:

I Создание экспериментальной установки для пикосекундпых поляризационных измерений электрических параметров тестовых импульсов в отдельных элементах ИС на осноьи иаЛз и Б:.

2. Разработка методов оптических поляризационных измерений динамических потенциалов в элементах ИС на основе. линейного электрюопт!1'юского эффекта Поккальса с огличесним возОувдншен нрооною электрического импульса непосредственно в ИС.

3. Исследование механизмов нанеденной оптической ц электрической гаротрониии ь многодолшшых полупроводниках, и разработка методов намерений электрических потенциалсв е элементах ИС на 1« основе.

4. Разработка способа измерения поверхностных потенциалов методом электролитической диа."т-ст/ки.

Научная новизна полученных ^ьультитов заключается ь следующем:

Разработана методика оптических поляризационных намерений динамических потенциалов с пикоеекундным временным рнзрешпчирм, основанная нэ линейном электроог.тическол _ чЭДенте Ноккельса. Установлено, что изменение поляризации пробного импульса ь активной зоне яри'орн обусловлено кок продольным, таи и поперечный г«ффжтом Поккьл;.са.

Рпервые ас-каз£|!0, чго исло^ьэокании 1 оомотрик Т1.чтироы.чта со встречным расположением Ь'^Оувдаещего и проОчого а/по'.их ¡м. уль-ов |.:''?ом«трия ) иозволиот псьнгить

чувствительность установки и обеспечить реким сканирования "чипа" без перестройки оптической системы.

Впервые предложена методика измерения дрейфового поля в активной зоне элементов интегральных схем, основанная на анизотропии электропроводности, вызванной эфроктом теплых электронов в многодолинных полупроводниках.

Впервые предложен метод электрооптической диагностики статических и динамических полой обусловленных состоянием поверхности полупроводниковой подложки."

Создана экспериментальная установка по оптическим поляризационным измерениям статических и динамических потенциалов в ИС на основа GaAs с внешним и внутренним возбуждением тестового электрического импульса.

Экспериментально исследована зависимость поворота плоскости поляризации пробного светового импульса в активной зоне элиминта ИС от величшш дрейфового поля, состоящ!я поверхности и интенсивности оптического возбуждения электронной плазмы.

Впервые оптическими методами измерены переходные процессы в различных элементах ИС с временным разрешением iie менее БО пс и амплитудной чувствительностью не менее 30 мВ.

Практическое значение диссертационной работы г'азвитие методик по бесконтактному измерению динамических параметров интегральных приборов позволяет получать достоверную информацию о форме, временной задержке, и амплитуде тестовых электрических шпульсов проходящих через конкретный элемент интегральной схемы. Измерение сверхбыстрых потенциалов позволяет

тестового излучения на входе оптического детектора. Для расчета двулучепреломляк.ишх оптических систем установки использовался формализм. матриц Джонса, предстовлятий соОоП мощный матричный метод, в котором состояние поляризации задается двухкомпонентным вектором, а каждой оптический элемент описывается матрицей 2x2. Общая матрица полной системы получается перемножением всех таких матриц, а состояние поляризящш распространяющегося света вычисляется как произведении Виктора, определявшего поляриза:цш входного пучка, на общую матрицу. В расчете оптической поляризационной системы были учтены нарушения поляризации, вызванные отражением тестового излучения от оитческих поверхностей.

В 5 1.3 изложини основный результаты анализа амплитудной чувствительности установки*. В расчете параметров детектора тестового излучения учтены лазерные, дробоьие и джонсоновские и унт, измерены их спектры и амплитуда. На сновании численного расчета и окспериминталышх измерений получены значения нагрузочных сопротивлений для фотодетекторов, поэволящие получить оптимальное соотношение сигнал-шум. Выражение для определения нагрузочного сопротивления

2

^СИГ 1СИГ

(1)

2Й I В К,, 4- 4кТВ

где Рснг - мощность сигнала, - мощность шума, Хсиг ток сигнала, I - средний ток ни фотодиоде, g - постоянная дробового шума, Б - полоса приемника.

Установлено, что уровень оптического сигнала на входе детектора определяется интенсивностью тестового излучения, коэффициентом отражения возвращающего зеркала и углом поворота зеркала относительно оси тестового излучения.

Необходимое, для получения высокой чувствительности измерительной системы сужение полосц приемника, обеспечивалось модуляцией зондаруицего излучония с последующа! детектированием разностного сигнала фотодиода синхронным детекторjm (look - in -ampliiaer "ВЮТНАЫ").

В §4 обсуздаются результаты расчета элементов и систем устаноьки, приводятся основные параметры.

_§2-ЬтороП_г^йвй приводится описание методики электрооптической пикосекундной диыностики электрических потенциалов на электродах элементов ИС выполненных на CaAs. Приводятся экспериментальные результаты измерений тестовых электрических импульсов с внешним и внутрьшшм возбуждением.

В § 2.1 даются основные представления о о злектрооптических свойствах кристаллов группы цинковой обманки, в частности СаАв. Рассматривается принцип действия амплитудного модулятора на основе линейного электрооптического эффекта Поккельса.

В § 2.2 представленц методика и результаты численного анализа конфигурации электрического поля в подконтактной области интегрального элемента, основанные на решении уравнения Пуассона. При численном решении задачи было сделано уггрощавдее предположение о равномерном распределении заряда на поверхности электрода в непосредственной близости от края активной зоны прибора.

Решение задачи о распределении поля, позволило 'определить, что нарушение поляризации тестового светового импульса при внутриэонной диагностике потенциалов, обусловлено продольным и поперечным эффектами Поккельса, и получить численное решение задачи о зависимости степени деполяризации светового импульса от положения пятна в активной зоне.

В § 2.3 дается анализ методам диагностики, отличавдихся взаимным расположением тестового • светового импульса и полупроводгиковой подложки. Показано, что геометрия со встречным направле!шем зондирующего и тестового излучений, ортогональных к подложке, обеспечивает максимальную амплитудную чувствительность и временное разрешение, а также возможность режима сканирования.

В §2.4 представлены основные результаты электрооптическйх измерений динамических потенциалов в интегральных элементах:

а) млкрополосковая линия с шириной активной зоны 15 мкм и контактами Шотгки на обоих электродах,

б) интегральный диод с шириной активной зоны 10 мкм

в) интегральный транзистор с шириной зоны 7,5 мкм.

г) интегральные фотодиоды со встречно-штыревой конфигурацией, с шириной активной области 3 мкм и различной толщиной активного слоя (от 0.1 мкм до 0.45 мкм).

Измерения проводились при различных величинах тянущего поля (от 0 до 8 В). Кроме динамических измерений потенциалов с внутренним возбуждением тестовых импульсов, представлены результаты измерений с возбуждением тестовых структур внешним генератором при различных значениях величины тянущего поля.

В конце главы обсуждаются результаты теоретических оценок и

экспоримсшталыгах измерений, подтверждается адекватность выбранной модели.

В_ПШЬчй_главв ..рассмотрены теоретическая модель и результаты экспериментальных поляризационных измерений в активных зонах интегральных элементов. Рассмотрены физические механизмы, влиягчдае на деполяризации тестового излучения в активной зоне прибора.

В § 3.1 приведены соотношения опмсывчюдне процессы генерации тестовых электрических импульсов зондирующим излучением. Показано, что длительность тестовых импульсов определяется, в основном, процессами релаксации неосновных носителей при высоких уропнях оптического излучения. Темп генерации носителей определяется квантовым выходом, интенсивностью зондирующего излучения и козффициентом поглощения. Длительность переднего фронтп электрического импульса практически не зависит от процессов поглощения излучения и полностью повторяет форму фронта светового импульса. Доминирующим механизмом рекомбинации, определяющим длительность заднего фронта, является механизм мекзошюй Оке-рекомбинации. Выражение для темпа рекомбинации: г = Ап + Вп2 + Спэ (2)

где ЛзГ/ч^ - коэффициент линейной рекомбинации Шоклк - Рида, - время жизни определяэмое рекомбинацией через примеси, В -козгЗфщиент межзонной излучательной рекомбинации, С - коэффициент мекзошюй Оже - рекомбинации. При высоких уровнях оптического возбукдешя последние две трети заднего фронта тестового электрического импульса определяются последним членом в 2.

В § 3.2 Дано рассмотрение физических механизмов

деполяризации тестового излучения, вызнанных состоянием поверхности полупроводниковой подложки. Известно, что при освещении поверхности активной зоны возбуждающим излучонием, вблизи поверхности подлокки образуйся электрические поля обусловленные амОилолнрноЯ д»1Фузией и поворхност!шм потенциалом. Электрооптическое тестирование поверхности в точке оптического возбуждения позволяет определить величину и знан поверхностного потенциала и учесть ого влияние на электрооитнческие измерения

Др;й'1ЬЬОГО ПОЛЯ.

В О Й.З рассмотрены механизмы (шзиваицио анизотропию электропроводности ь многодолишюй модоли. Показано, что анизотропия злект[»пр>овод|1ости определяется анизотропией эффективных масс и эффектом перэзаселения долин. Эллнпсоидальность поверхности постоянной энергии и эффект перезаселения долин приводят к неколлин^арности Виктора поля и

вектора тока, что следует из выражения для тока: >

где о0 - изотропная проводимость, - изменение

концентрации электронов ь р долине, Э^Е*) фиктор анизотропии электропроводности, Е напряженность поля.

Несовпадение векторов поля и тока приводит к повороту плоскости поляризации отраженного света на угол раышй углу между I и Е (угол Сисаки - ШиОуи). Анализ поляризации отраженного енота позволяет определять величину поля ь активной зоне прибора.

Ь конце главы даются краткие выводы. Приводится сравнение

расчетных и акснсриментадышх данных.

приводятся тексты счетных программ.

Материалы диссертации опубликованы в следующих изданиях:

1. Г.И.ОншдукоБ, В.В.Симанович, А.А.Сомичов. Оптическая диагностика электрических потенциалов интегральных структур на основе GaAn, Сб."Импульсные лазеры и их применения" JJ.; МФТИ, i'.'Bii, с - 123-127.

2. Г.И.Онщукоь, В.В.Симяьоьич, А.АЛсмичев. Оптическая диагностика гглкосокундних электрических импульсов в элементах КС, Сб. "Лазерная техника и оптоэлектронина", М., I&'jO с - 14Ь - Ма.

3 Г.И.ОшщукоЕ, В.В.Симанович, А.АЛомичев, В.Шульгин, оптическая диагностики переходных электронных процессов в 11С на основе оаАз, Сб " Оптические и электронные сродства обработки информации", М., 15ФТИ. 19£Ю, с - 106-107.

4 Г.И.Ошщуков, Ь.В.Ситнович, А.А.'1<;Шчев, С.В.Шул!.гин. Никоеекупднии оптические методы измерения динамических характеристик элементов МО на основе са/<Е, 12 Всесоюзная нчучно-тгхшческая конференция но неразрушащему конт; Свердловск, I9S0, с - 107-108.

6 ¡'.1Л.0иищуков, В.В.Сшгцноьич, А.АЛомичев. Пккосекуиная оптическая диагностика полуггро воднике них материалов и элементов интегральных схем, 14 Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Санкт-Петербург, 1WO, с - 104-lüb.

6 V.V.Simanovioh, 0.1. Oiiso/uikov ,Л .Л. Рига iahe v. Optical diagnoütiof! or eemiooncisotora ¡naiirlrUs and divtiein, 7 International conference, Oennany, 19y 1 , p -

7 V.V.Siiik'inovloh, A.A.iomlohav. Ojt.iool polarisation iechninue for the measurment oi surface potent.lala in A^B^ temioonouotd' struoturee, SPIK's Symroeiuni <m Miorol 1 trgraj.hy, USA, 1992.

Tl'.p.IOO 'зКЗ.