Процессы дефектообразования и деградации параметров в кремниевых биполярных структурах при импульсном лазерном облучении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

од

1 2 Л£К 7

На правах рукописи

СИДОРОВА-БИРЮКОВА АННА АЛЕКСЕЕВНА

ПРОЦЕССЫ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ПАРАМЕТРОВ В КРЕМНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена на кафедре Полупроводниковой электроники и физики полупроводников Московского Государственного института стали и сплавов (технологический университет)

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Е.А.Ладыгин

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

Мордкович Виктор Наумович, доктор физико-математических наук Емельянов Владимир Ильич.

Ведущая организация - АО "Радиофизика'!;

Защита состоится _ _ 199-Жгода на заседании

Специализированного Ученого Совета Д.053.08.06 при Московском Государственном институте стали и сплавов (технологический университет) по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский пр-т, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан «___1997 года.

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д.053.08.06 доктор физико-математических наук, доцент

Гераськин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Анализ структуры и свойств электрически активных дефектов, создаваемых излучением оптических квантовых генераторов в приповерхностных слоях полупроводниковых материалов и структур в режиме без плавления поверхности, представляет интерес как с физической, так и с прикладной точек зрения.

В настоящее время при создании микроэлектронных приборов на основе кремния успешно используется импульсное лазерное излучение наносекундной длительности с интенсивностью, недостаточной для плавления материала (так называемый допороговый режим воздействия). Высокая плотность энергии лазерного излучения и локальность воздействия обеспечивают возможность эффективного избирательного влияния на приповерхностные слои кристалла за счет генерации или отжига электрически активных дефектов [1]. В то же время детальные исследования ионно-легированных слоев кремния после лазерного воздействия свидетельствуют о наличии в них точечных дефектов, индуцированных самим лазерным лучом. Увеличение дефектности кристаллов приводит к изменению рабочих характеристик приборов, изготовленных па их основе. В этой связи для успешного решения прикладных проблем, связанных с использованием лазерных технологий, необходимо понимание физики процессов лазерноиндуцированного дефсктообразования в полупроводниках.

Проблема поиска радиационно-стойких материалов и технологий остается актуальной вследствие постоянно расширяющегося спектра видов излучений, используемых для воздействия на полупроводниковые материалы. При этом использование лазерного излучения является перспективным для моделирования последствий воздействия других видов излучения. В этой связи представляют интерес сведения о характере и величине изменения электрических характеристик приборных структур после воздействия лазерного излучения.

Применение полупроводниковых материалов в качестве активных сред для миниатюрных полупроводниковых лазеров сталкивается с проблемой

многоимпульсного разрушения среды при прохождении большого числа сравнительно слабых световых импульсов. В этой связи актуально изучение динамики накопления индуцированных дефектов с целью прогнозирования и продления срока службы материала среды.

Исследования процессов лазерно-индуцированного дефекгообразования в полупроводниках имеют большое значение для решения фундаментальных проблем физики поверхности твердого тела. В процессе поглощения лазерного импульса в приповерхностной области кристалла толщиной 0.1-1.0 мкм создается интенсивное электронное, тепловое и деформационное возбуждения. Анализ соотношения вкладов этих возбуждений необходим для понимания механизма элементарного акта дефекгообразования, инициированного мощной световой накачкой кристалла.

Наибольшее распространение имеют в настоящее время микроэлектронные приборы, изготовленные на основе кремния, что и обусловило выбор этого материала для проведения исследования. Все использованные в работе образцы представляют собой структуры на основе кристалла кремния, однако, разработанные подходы и модели могут применяться и для других полупроводников с учетом их индивидуальных особенностей.

Целью диссертационной работы является установление причин деградации электрических характеристик кремниевых биполярных структур, индуцировашюй допороговым импульсным лазерным облучением, а также анализ возможных ограничений использования лазерного излучения для различных вариантов лазерной технологической обработки кремниевых материалов и приборных структур.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи.

IV Установить физические закономерности деградации электрофизических свойств приборных структур, в процессе облучения последовательностью лазерных импульсов в режиме без плавления поверхности.

2. Провести сравнение изменений, произошедших в составе, концентрации и локализации уровней дефектов структур исследуемых типов, под действием лазерного излучения с различной энергией в импульсе для длин волн 0.532 и 1.064

мкм с использованием метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ).

3. Выявить связь между конструктивными особенностями исследуемых структур и их радиационной стойкостью к лазерному излучению. На примере фотоприемных приборов разработать неразрушающую методику отбраковки потенциально ненадежных экземпляров на основе оценки степени их деградации на ранней стадии.

4. Провести анализ формы обратных вольт-амперных характеристик (ВАХ) облученных структур на основе теории Шокли-Рида-Холла с использованием данных РСГУ. Определить основной источник увеличения тока утечки облученных биполярных структур. Сделать вывод о возможной локализации введенных ловушек носителей заряда на поверхности или в объеме облученной структуры.

5. На основе полученных экспериментальных данных предложить модель дефектообразования в реальных полупроводниковых структурах, объясняющую особенности деградации рабочих характеристик приборов в результате воздействия на них импульсов лазерного излучения с различной плотностью энергии на длине волны 0.532 мкм и 1.064 мкм.

Кинетика радиационных процессов в биполярных структурах во многом определяется конструктивно-технологическими особенностями облучаемых образцов. Поэтому для проведения исследований были выбраны различные варианты кремниевых приборов и структур с р-п переходом: фотодиоды типа ФД-28КП, КФДМ, фототранзисторы типа ФТ-1К, а также тестовые структуры солнечных элементов (СЭ) • на пластинах 76 Биеад2_450. Данные структуры различаются по своим топологическим размерам, по расположению фотоприемного окна относительно легированных областей, а также по концентрации и составу глубоких центров в базовой области структуры.

Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, обладающие научной новизной.

1. Установлен пороговый характер увеличения тока утечки в биполярных кремниевых тестовых структурах трех конструктивно-технологических вариантов при

облучении наносекундными импульсами (тр=20 не) неодимового лазера на длине волны А.=0.532 мкм в диапазоне изменения плотности энергии в импульсе 0.05 Дж/см2<№<0.4 Дж/см2.

2. Экспериментально определены предельные значения числа воздействующих лазерных импульсов Ы"11 при заданной энергии в импульсе ЧУ, при которых облучение не приводит к росту тока утечки до значения, выходящего за рамки норм технических условий для данного вида приборов.

3. Показано, что при облучении структур на основе р+-п перехода импульсами неодимового лазера в допороговом режиме увеличение тока утечки через структуру сопровождается ростом его канальной составляющей, о чем свидетельствует измерение температурных зависимостей ВАХ биполярных структур на различных стадиях деградации.

4. Зарегистрировано возникновение линейных ВАХ тестовых кремниевых СЭ с мелкозалегающим р+-п переходом (г,=0.2-И мкм) в рабочем диапазоне приложенного напряжения при превышении некоторого критического числа импульсов К41 с плотностью энергии '№=0.05 Дж/см2. Проведено сравнение экспериментально полученного значения критического числа импульсов, приводящего к появлению линейной ВАХ, с теоретическими величинами, вычисленными на основе теории многоимпульсного лазерного разрушения (МЛР) полупроводниковых материалов для различных значений энергии образования первичного дефекта. Наилучшее соответствие экспериментального и теоретического значений 1чт1ф получено для значения энергии образования первичных точечных дефектов Еа-0.8^0.95 эВ.

5. Получены данные об изменении концентрации и состава центров с глубокими уровнями в базовой области кремниевых биполярных структур указанных выше типов под действием облучения с Л.]=0.532 мкм в диапазоне изменения плотности энергии в импульсе 0.05 Дж/см2<"ЭД'<0.4 Дж/см2 и Х2= 1.064 мкм в диапазоне изменения плотности энергии в импульсе 0.3 Дж/см2<\¥<0.6 Дж/см2.

6. В рамках модели деградации оптоэлектронных приборов при действии импульса лазерного излучения [2], рассчитаны пространственно-временное распределение плотности введенных дефектов, рельеф упругих напряжений и

температуры кристалла за время действия импульса. Показано, что процесс накопления введенных точечных дефектов локализуется на поверхности кремния или на границе р+-п перехода при облучении на длинах волн 0.532 и 1.064 мкм, соответственно.

Практическая ценность работы.

1. Разработана программа для компьютерного расчета тока утечки через р-п переход, обусловленного наличием в области пространственного заряда (ОПЗ) ловушек носителей заряда. Программа позволяет учитывать положение ловушки относительно границы перехода, энергетический уровень в запрещенной зоне, концентрацию ловушек.

2. Предложен способ оценки качества изготовленных партий приборов и прогнозирования срока их службы путем разбраковки партии изделий по разбросу предельного числа импульсов лазерного излучения М"11, не приводящему к увеличению тока утечки за пределы норм технических условий.

3. Создана программа для компьютерного расчета распределения концентрации дефектов, введенных лазерным излучением в приповерхностный слой кремниевой неоднородной структуры, в направлении нормали к поверхности. Компьютерное моделирование позволяет определить плотность энергии лазерного импульса, приводящую к образованию кластеров первичных дефектов, а также наиболее вероятное положение области образования кластеров, что может найти применение при создании методик лазерного геттерирования полупроводниковых приборных структур.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Возрастание тока утечки фотоприемных приборов исследуемых типов при увеличении числа импульсов и плотности энергии в импульсе действующего лазерного излучения носит пороговый характер и связано с модификацией состава, концентрации и локализации электрически активных дефектов в приповерхностном слое структуры.

2. При некоторых предельных значениях числа воздействующих импульсов Ш:УАО лазера М*4", определенных в эксперименте, облучение с плотностью энергии

импульса 0.4 Дж/см2 и Х=0.532 мкм не приводит к ухудшению электрических параметров исследуемых типов приборов до уровня, недопустимого нормами технических условий.

3. Скорость возрастания тока утечки диодной структуры зависит от температуры облучения. Оцененная по температурной зависимости эффективная энергия активации роста тока утечки Ед составляет 0.48+52 эВ.

4. При увеличении плотности энергии импульса ЭД^ до 0.6 Дж/см2 (Я.-1.064 мкм) РСГУ-спектр диодов, облученных со стороны р"-области, принимает форму "протяженной линии", характерной доя кремниевых структур, содержащих кластеры точечных дефектов или дислокации. Возникновение "протяженной линии" совпадает с резким увеличением тока утечки через переход (до 10"5 А/см2 при смещении 4В для КФДМ).

5. Ток утечки, обусловленный увеличением концентрации центров с глубокими уровнями при лазерном облучении всех исследованных тшхов структур и рассчитанный в рамках генерационно-рекомбинационного механизма Шокли-Рида-Холла, составляет 0.1+0.5% и 1+8% от реально наблюдаемых величин для облучения с А.=0.532 мкм и Х=1.064 мкм, соответственно. Полученные оценки позволяют предположить, что значительную роль в формировании тока утечки облученных структур играют индуцированные каналы непосредственного переноса носителей заряда через переход.

6. Температурные зависимости ВАХ фотоприемных структур с разной степенью деградации свидетельствуют о постепенном возрастании доли канального тока в суммарном токе утечки при увеличении степени деградации структуры. В случае возникновения линейной ВАХ сопротивление шунтирующего канала составляет по порядку величины 105 Ом.

7. Значения пороговой энергии в импульсе Wp, приводящей к началу образования кластеров первичных дефектов, полученные в численном эксперименте в рамках модели деградации оптоэлектронных приборов [2] для различных рельефов коэффициента поглощения, удовлетворительно согласуются с результатами эксперимента.

8. Проведенное сравнение расчетного критического числа импульсов второй гармоники Ш:УАС лазера, необходимого для реализации процесса накопления первичных дефектов в рамках теории МЛР, с экспериментальным позволяет оценить величину эффективной энергии образования первичного дефекта Еа при лазерном возбуждении, составившую 0.8+0.95 эВ.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах:

1. Научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1994г.)

2. V Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (Звенигород, 1994г.)

3. Научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва,1995г.)

4. Научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1996г.)

Основные результаты изложены в 5 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание диссертации изложено на 129 страницах машинописного текста, иллюстрировано 43 рисунками. Список литературы включает 113 наименование работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая полезность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа опубликованных отечественных и зарубежных работ изложены современные представления о процессах лазерно-индуцированного дефектообразования в полупроводниковых материалах под действием лазерного излучения с энергией ниже порога плавления поверхности. Показано, что состав и электрические свойства дефектов, введенных в

полупроводниковый материал лазерным излучением, зависят от энергии и длины волны излучения, а также от исходной степени деструкции, кристалло1рафической ориентации, температуры образца. Обсуждаются характеристики введенных дефектов, а именно: положение энергетических уровней в запрещенной зоне, пространственная локализация, температура отжига. Показано, что в допороговом режиме реализуется равномерная передача энергии лазерной волны твердому телу и первичные лазерно-индуцированные дефекты имеют точечную структуру. Рассматриваются различные механизмы формирования дефектных центров в полупроводниковых материалах. По имеющимся литературным данным при лазерном воздействии эффективная энергия образования первичных дефектов в Се и ОаАэ (аналогичные результаты для на настоящее время отсутствуют) более чем на порядок меньше энергии образования дефектов в указанных материалах при термофлуюуационных процессах (1 - 2.5 эВ). Делается вывод о том, что столь значительное снижение энергии дефектообразования свидетельствует о существенной роли электронного возбуждения.

Во второй части первой главы рассматривается влияние радиационных дефектов на электрические характеристики кремниевых биполярных структур. Рассмотрено влияние введенных дефектов на обратную и прямую ветви ВАХ, шумовые характеристики, удельное сопротивление облученных образцов. Показано, что значительные изменения, которые претерпевают ВАХ облученных переходов, позволяют получить информацию об индуцированных в различных слоях образцов дефектах. Температурные зависимости ВАХ позволяют судить о наличии или отсутствии протяженных дефектов в ОПЗ перехода. Форма ВАХ несет информацию об энергии уровня дефекта, его пространственной локализации, а величина производной тока утечки по ширине ОПЗ - о профиле распределения дефектов, дающих вклад в ток утечки.

Во второй главе изложены критерии выбора экспериментальных образцов, описание использованной аппаратуры и методики исследования полупроводниковых структур, содержащих дефекты. Для регистрации изменений, индуцированных лазерным воздействием, использовались релаксационная спектроскопия глубоких

уровней (РСГУ), измерения прямых и обратных вольт-амперных характеристик р-п переходов.

В качестве исследуемых образцов были выбраны приборы и структуры на основе кремниевых р+-п переходов: солнечные элементы с двумя типами профиля легарования; фотодиоды КФДМ, ФД-28КП; фототранзисторы ФТ-1К. Активные слои структур легированы фосфором =1014 - 1015см"3) и бором (Ма =1018 - 1019 см 3) с глубиной залегания перехода 1-4 мкм от поверхности. Для исследования лазерного воздействия на реальные приборные структуры использовался экспериментальный комплекс, состоящий из двух функциональных частей:

1) установка лазерного облучения;

2) системы контроля параметров полупроводниковых структур.

В основе экспериментальной установки лазерного воздействия использовался лазер на алюмо-иттриевом гранате с приместью ионов Ш+ (АИГ:Ш), работающий в режиме модуляции добротности. На выходе установки обеспечивалась смесь излучений с Х=1.064 мкм и Я=0.532 мкм, которые могли разделяться дихроичным зеркалом и независимо направляться на исследуемый образец. В результате была обеспечена возможность воздействия на полупроводниковые структуры лазерным излучением на длине волны Я= 1.064 мкм с энергией в импульсе до 0.8 Дж/см2 и Х=0.532 мкм - с энергией до 0.4 Дж/см2 в импульсе.

Контроль состояния облучаемого образца осуществлялся при помощи измерителя вольт-амперных характеристик (ВАХ) в режиме реального времени с дискретностью Ю'10 А/см2. Для детального исследования изменений, индуцированных лазерным воздействием, использовалась установка для измерения РСГУ спектров 01.8-82, измеритель емкости ИЕ-95.

Выполнен сравнительный анализ традиционных и современных схем получения и методик обработки РСГУ-спекгров, приведен алгоритм разработанной программы для компьютерного расчета энергетических уровней и сечений захвата рекомбинационных центров по данным РСГУ-спектров.

Описана методика оценки тока утечки, обусловленного глубокими уровнями, обратно смещенного кремниевого р-п перехода как функции приложенного смещения

Vr, положения и свойств ловушек, а именно, энергетического уровня Et, сечения захвата а, расстояния от ловушки до перехода Zo- Рассмотрен способ решения обратной задачи определения пространственного положения ловушки носителей заряда с известным энергетическим уровнем по форме обратной вольт-амперной характеристики, удобная для компьютерного расчета распределения ловушек в базовой области структуры.

Третья глава содержит результаты экспериментов по воздействию импульсов Nd: YAG лазера с длиной волны А.=0.532 мкм на кремниевые биполярные структуры, в которых варьировались как интенсивность излучения (0<W<0.4 Дж/см2), так и число импульсов воздействия.

Рассмотрена кинетика изменения электрических характеристик фотодиодов КФДМ, фототрапзисторов ФТ-1К и стругаур солнечных элементов, подвергшихся воздействию. Для случая облучения на длине волны 0.532 мкм и трех конструктивных типов образцов (КФДМ, ФТ-1К, СЭ) экспериментально определено число импульсов N"1" для различных величин плотности энергии в импульсе W, приводящее к увеличению тока утечки за пределы норм технических условий.

На основе измерений вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик облученных структур проведено сравнение радиационной стойкости р+-п переходов с различными профилями заряженных центров. Показано, что облучение образцов импульсами с интенсивностью выше некоторого критического значения N41 приводит к значительному увеличению канальной составляющей тока утечки фотоприемных структур; для структур солнечных элементов низкого качества (в пределах норм технических условий) наблюдалась полная потеря работоспособности: переход оказывался шунтирован с эффективной величиной шунта порядка 100 кОм. Экспериментально полученные условия возникновения линейных обратных вольт-амперных характеристик диодных структур (N4" и W) сопоставлены со значениями, рассчитанными в рамках теории многоимпульсного лазерного разрушения материалов, оценена эффективная энергия образования первичного дефекта: Ed=0.8-s-0.95 эВ.

Эксперимекгалыю получены зависимости тока утечки фотодиодов КФДМ от времени облучения для различных значений частоты повторения лазерных импульсов, а также для ряда значений температуры облучения. Оценена эффективная энергия активации процесса увеличения тока утечки: ЕА-0.48^0.52 эВ.

В эксперименте по релаксации фотопроводимости после выключения лазера зарегистрировано увеличение времени жизни носителей заряда структур после облучения.

В четвертой главе представлены результаты исследования РСГУ-спектров дефектов, введенных в результате облучения фотодиодов, фототранзисторов и солнечных элементов однократными импульсами с энергией до 0.4 Дж/см2 в импульсе на длине волны 0.532 мкм и W до 0.6 Дж/см2 на длине волны 1.064 мкм.

Получены релаксационные спектры основных и неосновных носителей заряда после облучения р+-п переходов как со стороны сильно-легированной р-области (фотодиоды и солнечные элементы), так и со сторопы базовой области (фототранзисторы) на двух длинах волн. Для каждого типа образцов измерялся "опорный" РСГУ-спектр после облучения образцов электронами с энергией 6 МэВ и дозой ЗхЮ14 см'2. Определены уровни энергии, соответствующие введенным глубоким центрам, их суммарная концентрация и, в ряде случаев, сечение захвата носителей заряда па центры. После облучения образца КФДМ на длине волны 1.064 мкм зарегистрирована форма РСГУ-спектра, характерная для так называемой "протяженной линии", которая возникает при наличии в кремнии повышенной плотности дислокаций (примерно 106 см"2 и более). Продемонстрировано влияние исходной концентрации глубоких центров на концентрацию и состав центров, введенных в ходе воздействия лазерного излучения.

Исследована связь между трансформацией обратной ветви ВАХ и видом РСГУ-спектров при облучении диодов КФДМ на длине волны 1.064 мкм и транзисторов ФТ-1К на длине волны 0.532 мкм. Показано наличие корреляции между возникновением "протяженной линии" при увеличении доли поглощенной в объеме образца энергии и резким ростом тока утечки через структуру.

В рамках механизма Шокли-Рида-Холла рассчитана энергия активации тока утечки через р+-п переход, обусловленного наличием генерационно-рекомбинационных центров с глубокими уровнями, как функции энергетического уровня центра Е, и расстояния от центра до границы перехода 7$. Сравнение реальной обратной ВАХ диода с расчетным семейством ВАХ для различных Е[ и го показало, что: во-первых, при облучении переходов со стороны р+ области на дайне волны 1.064 мкм глубокий центр, соответствующий "протяженной линии", локализован вблизи границы перехода; и, во-вторых, при облучении переходов со стороны базы на длине волны 0.532 мкм основной источник тока утечки перехода не может находиться на границе перехода или в объеме базовой области. Таким образом, максимум концентрации дефекта, в наибольшей степени влияющего на ток утечки через переход, локализуется глубже в объеме при облучении на длине волны 1.064 мкм, и ближе к поверхности при воздействии излучения на частоте второй гармоники.

В пятой главе рассмотрены модели повреждения полупроводниковых материалов и структур при воздействии импульсного лазерного излучения в режиме без плавления поверхности.

Обсуждаются возможные механизмы деградации перехода. Оценена плотность дислокаций, которые должны пересекать область пространственного заряда р-п перехода, чтобы обеспечить наблюдавшийся ток утечки через переход: Кдасл=104см"2.

Приведены основные положения теории многоимпульсного лазерного разрушения полупроводниковых материалов, обсуждается физический смысл механизма формирования дефектно-деформационной неустойчивости.

Рассмотрена модель образования протяженных несовершенств кристаллической решетки в результате накопления точечных дефектов. Модель учитывает лазерный нагрев, лазерно-индуцированную деформацию кристалла и возбуждение электронно-дырочной плазмы и аналогична [2].

Приведены общие теоретические положения, использованные при численном моделировании: волновое уравнение для деформации среды £,=сНуи (1), и уравнение для эволюции концентрации первичных точечных дефектов N4 (2) вида:

* ^М лч

дс2 ' &2 Р ' &2 р '&2 Р ш

с граничным условием:

где С1 - продольная скорость звука в среде, 0С - акустический потенциал деформации, К - модуль всестороннего сжатия, [5 - коэффициент термического расширения, р -плотность среды.

= - — •»,+ О, - (2)

где - коэффициент диффузии дефекта, ^ -эффективное время рекомбинации, -скорость генерации дефектов за счет внешнего воздействия, 9а = бцп(с!) К а3 -потенциал деформации дефекта, К - объемный модуль упругости, а - параметр решетки, з;р(с1)=1 для междоузлия и б§п(с1)= -1 для вакансии, и, и - вектор смещения. Область определения при решении системы уравнений (1) и (2) составляет 8 мкм по глубине кристалла и 40 не, в течение которых энергия воздействующего импульса заметно отлична от нуля. Пространственно-временная область определения составляет массив из 50x40000 точек. Предложен алгоритм решения, предусматривающий определение на каждом шаге по времени методом прогонки распределения температуры и плотности электронно-дырочной плазмы во всех точках по глубине рассматриваемой области, решение волнового уравнения для деформации кристалла по явной схеме, наконец, определение концентрации введенных дефектов и переход на следующий шаг по времени.

Результаты вычислений представляются в форме трехмерных изображений характеристик среды (концентрации введенных дефектов, деформации, температуры), построенных в виде зависимостей от времени я координаты г, направленной вглубь образца. На рисунках приведены расчетные пространственно-временные зависимости концентрации лазерно-индуцированных пар вакансия-междоузлие для рельефов поглощения, соответствующих облучению р+-п перехода на длине волны 0.532 мкм (а) и 1.064 мкм (б). Профили коэффициента оптического поглощения показаны на врезках. Концентрация первичных дефектов резко возрастает примерно через 15 не

после начала импульса, что свидетельствует о развитии неустойчивости распределения дефектов и слиянии их в кластер у поверхности (Х=0.532 мкм) или на границе перехода (Х= 1.064 мкм). В первом случае слияние первичных дефектов происходит к поверхности образца, тогда как при облучении на длине волны за краем собственного поглощения стоком для введенных дефектов оказывается граница перехода в глубине структуры.

На основе анализа результатов выполненных экспериментов, а также численного моделирования, качественно интерпретированы

- пороговый характер деградации барьерных структур при увеличении интенсивности и числа импульсов воздействия;

- появление линейной В АХ на структуре солнечных элементов с мелко-залегающим переходом при воздействии большого числа импульсов с энергией 0.05 Дж/см2 в импульсе;

- различия в составе дефектов при облучении различных областей приборных структур.

Кроме того, отмечен сходный состав дефектов при облучении одинаковых областей приборных структур на длинах волн 1.064 мкм и 0.532 мкм.

Проведен расчет величины энергии в импульсе при которой возможно образование протяженных дефектов в течение длительности одиночного импульса для двух рельефов поглощения излучения (транзисторы под действием излучения на длине волны 0.532 мкм и диоды под действием излучения на длине волны 1.064 мкм). Полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями W единичного импульса, приводящими к выходу параметров приборов за рамки норм ТУ: при облучении ФТ-1К на длине волны 0.532 мкм "№р=0.2 Дж/см2 и при облучении КФДМ на длине волны 1.064 мкм \Ур=0.б Дж/см2.

А)

Б)

Пространственно-временное распределение концентрации пар вакансия-междоузлие при поглощении лазерного импульса на длине волны 0.532 мкм (А) и 1.064 мкм (Б) кремниевой структурой с р-п переходом на глубине 3 мкм. Видно резкое нарастание концентрации дефектов, приводящее к образованию кластера у поверхности в первом случае и в области границы перехода во втором случае.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

1. При обработке кремниевых биполярных структур наносекундными импульсами ЛИ в широком диапазоне энергий происходит деградация электрических свойств перехода (возрастание тока утечки, снижение емкости перехода) при увеличении как числа воздействующих импульсов N. так и энергии в импульсе Наличие разброса числа импульсов лазерного излучения №р, приводящего к увеличению тока утечки до некоторого фиксированного значения (в рамках норм технических условий) может быть использовано для неразрушающего контроля качества изготовленных партий приборов и прогнозирования срока их службы.

2. При увеличении степени деградации образцов время релаксации фотопроводимости после выключения импульса увеличивалось, что может быть обусловлено образованием медленных состояний на границе раздела 81-81023. Скорость деградации структур всех исследованных типов возрастает также с

ростом температуры образца при облучении. Полученная оценка энергии активации роста тока утечки при облучении ЕА составляет 0.48-0.52 эВ

4. Расчет зависимостей критического числа импульсов И41 от энергии в импульсе Ер проводился в рамках теории многоимпульсного лазерного разрушения полупроводниковых материалов. Применение указанной теории для интерпретации линейной ВАХ мелко залегающего перехода СЭ позволило оценить величину эффективной энергии образования первичного дефекта Ed~0.8-r0.95 эВ.

5. Зарегистрировано индуцированное лазерным излучением в кремниевых р+-п переходах изменение концентрации глубоких центров со следующими уровнями энергии: Ес-0.18 эВ, Ес-0.28 эВ, Ес-0.35 эВ, Ес-0.53 эВ, Еу+0.22 эВ, Еу+0.34 эВ (Х=0.532 мкм) и Ес-0.18 эВ, Ес-0.53 эВ, Еу+0.16 эВ, Еу+0.34 эВ, Еу+0.42 эВ (Х=1.064 мкм).

6. Измеренные после лазерного воздействия релаксационные спектры глубоких уровней (РСГУ-спектры) кремниевого р-п перехода, имеют ряд существенных отличий по сравнению со спектрами переходов, облученных быстрыми электронами (6 МэВ), что свидетельствует о принципиально различном характере образования дефектов в этих двух случаях. В этой связи имитация последствий радиационного

воздействия пучка частиц при помощи импульсного лазерного излучения в рассмотренном диапазоне энергии (до 0.4 Дж/см2 в импульсе) представляется возможной только на уровне электрических характеристик.

7. Значительное расхождение экспериментальной величины тока утечки через переход после облучения 1э и значения, рассчитанного в рамках механизма Шокли-Рида-Холла 1( (1ДЭ -0.00i-0.005 для ¡1=0.532 мкм и УЬ =0.01+0.08 для Х= 1.064 мкм), свидетельствует о том, что помимо генерационно-рекомбинациошюй активности дефектных центров в формирование электрических характеристик деградировавшего перехода существенный вклад вносят другие механизмы. В частности, предположение о существовании каналов переноса носителей заряда дает оценку плотности каналов 104 см"2.

8. Сравнительный анализ локализации ГУ при облучении диодных структур на длинах волн 1.064 мкм и 0.532 мкм позволяет предположить, что максимум концентрации дефектов, введенных облучением на частоте основной гармоники располагается на границе р-п перехода, а не на поверхности, как в случае облучения па частоте второй гармоники.

9. Компьютерный расчет пространственного и временного распределения концентрации тадуцировшзиых дефектов при лазерном воздействии показал, что процесс дефектообразования может локализоваться как на поверхности (при ^=0.532 мкм), так и в объеме образца на границах слоев (при ?»=1.064 мкм). Полученные значения энергии лазерного воздействия, соответствующие началу развития дефектно-деформационной неустойчивости для различных рельефов коэффициента поглощения, согласуются с результатами реального эксперимента.

10. Анализ полученных на исследованных образцах экспериментальных и теоретических данных показал, что при воздействии излучения Ш:УАО лазера на кремниевые биполярные структуры возможны следующие процессы дефектообразования:

- образование или увеличение концентрации "затравочных" точечных дефектов в приповерхностном слое (с!«10 мкм) приборной структуры;

- образование протяженных дефектов при воздействии большого числа импульсов с энергией W<Wp в результате накопления точечных дефектов от импульса к импульсу.

- образование протяженных дефектов за время воздействия одиночного импульса с энергией W>WP по механизму развития деформационно-дефектной неустойчивости;

- образование медленных состояний на границе раздела Si/Si02.

При этом основными механизмами увеличения тока утечки через переход могут являться:

- введение генерационно-рекомбинационных центров в активную область перехода;

- стимулированное образование микроплазм через область пространственного заряда перехода;

- прорастание дислокаций через переход, обеспечивающее прямой перенос носителей заряда по зарядовой трубке;

- инверсия типа проводимости в приповерхностном слое, обусловленная повышенным содержанием дефектов в этой области.

Цитированная литература

1. Ладыгин Е.А., Паничкин А.В., Горюнов Н.Н., Мурагаев В.Н., Галеев А.П. Основы радиационной технологии микроэлектроники. Под ред. Ладыгина Е.А.//М.: МИСиС, 1994.

2. Emel'yanov V.I. Generation-Diflusion-Deformational Instabilities // Laser Physics. 1992. V.2. No4. P.390-466.

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях: 1. Ладыгин Е.А., Мыльников М.Р., Сидорова-Бирюкова А.А., Деградация фоточувствительных: полупроводниковых структур под действием импульсного лазерного излучения // Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 1995.

2. Ладыгин Е.А., Горюнов H.H., Сидорова-Бирюкова A.A., Дефектообразование в кремниевых фотодиодах под действием импульсного лазерного облучения. // Петербургский журнал микроэлектроники, 1995г. №2. С.57-60.

3. Ладыгин Е.А., Сидорова-Бирюкова A.A., Исследование механизмов дефектообразования в полупроводниковых структурах при импульсном лазерном воздействии // Материалы докладов научно-технического семинара "Шумовые и цеградашюнные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1996.

4. Ladygin Е.А., Goiyunov N.N., Sidorova-Biryukova A.A. Electric properties of laser-induced defects in a silicon p-n junction // Bull.. Russ. Acad. Sei. Phys. Suppl. Phys. Vibr, 1996. V.60,№4. P.61-65.

5. Ладыгин E.A., Горюнов H.H, Сидорова-Бирюкова A.A., Лукашев Н.В. Электрические свойства дефектов, образованных в кремниевом р-п переходе под действием лазерного излучения. // Материалы докладов научно-технического земинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", -М: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 1997.