CC BY
49
4
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.315.592; 621.315.51.6; 621.3.049.77.14
ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ YLP-ЛАЗЕРА НА ВОЛЬТ-ФАРАДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ КРЕМНИЙ-ДВУОКИСЬ КРЕМНИЯ
Р.А. Халецкий, Фам Куанг Тунг
Приводятся результаты эксперимента, связанного с облучением термически окисленной кремниевой пластины импульсным волоконным YLP-лазером с длиной волны 1,06 мкм с различной плотностью мощности излучения. Показано, что при плотности мощности лазерного излучения ниже плотности мощности, необходимой для расплавления кремния, в окисле появляются структурные дефекты, которые приводят к увеличению отрицательного заряда в объеме диэлектрика и увеличению проводимости SiO2 при определенных значениях напряжения смещения на затворе.
Ключевые слова: структурный дефект, лазерное облучение, вольт-фарадная характеристика, система Si-SiO2.
Введение
Лазерная обработка различных материалов электронной техники является интересным и перспективным научно-технологическим направлением, что обусловлено возможностью разнообразно изменять свойства материалов благодаря широкому диапазону изменения энергетических и временных режимов лазерного облучения. Кремний как один из основных полупроводниковых материалов современной микроэлектроники представляет особый интерес для изучения влияния лазерного излучения на свойства структур на его основе. К настоящему времени имеется большое количество работ, посвященных воздействию различных видов лазера на кремний [1, 2]. Однако не сообщается об исследованиях, связанных с воздействием лазерного излучения на структуру Si-SiO2, имеющем огромное значение в кремниевой планарной технологии.
В настоящей работе рассматривается взаимодействие лазерного излучения с термически окисленной пластиной монокристаллического кремния. Целью работы являлось исследование влияния лазерного излучения на электрофизические свойства системы кремний-окисел.
Условия эксперимента
В качестве подложки экспериментальной структуры использовалась кремниевая пластина КЭФ-4,5 с кристаллографической ориентацией (100), на поверхности которой была термически выращена пленка двуокиси кремния толщиной 100 нм. С обратной стороны кремниевой пластины окисел стравливался для создания омического контакта к полупроводнику.
Часть поверхности окисленной пластины подвергалась сканированию волоконным YLP-лазером с длиной волны 1,06 мкм. Частота следования лазерных импульсов составляла 200 Гц. На рис. 1 упрощенно показана схема сканирования лазерным пучком поверхности образца. Из рисунка видно, что распределение плотности мощности излучения по площади обрабатываемой поверхности не является постоянной величиной вследствие расфокусировки лазерного пучка при его отклонении от оси оптической системы. При этом очевидно, что плотность мощности достигает максимального значения Pmax в области облучения, нормаль к которой совпадает с осью пучка, и минимального значения Pmin на периферийных участках облучения.
В результате эффекта расфокусировки различные участки облученной области были подвергнуты воздействию лазера с различной плотностью мощности и, следовательно, с различным характером структурных нарушений. Зоны, подвергнутые облучению с плотностью мощности, соответствующей энергии, необходимой для расплавления кремния, наблюдались невооруженным глазом в виде сильно разработанных («вспаханных») участков поверхности. На периферийных участках облученной области видимых структурных нарушений не наблюдалось.
Линия фокуса
Поверхность образца
Pm
Pm
Рис. 1. Упрощенная схема эксперимента
После лазерного облучения производились измерения высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ) необлученных участков поверхности экспериментальной структуры и участков, подвергнутых воздействию лазера с мощностью Ртах и Рш;п. В качестве материала затвора на поверхности пленки двуокиси кремния использовался InGa. Для определения исходной плотности фиксированного заряда в окисле Qf, который появляется непосредственно после термического окисления кремния, был произведен расчет теоретической ВФХ идеальной МОП-структуры с параметрами, соответствующими параметрам экспериментальной структуры. Исходный фиксированный заряд рассчитывался по сдвигу АиМо ВФХ реальной структуры относительно расчетно-теоретической ВФХ с помощью формулы
Qf = СоАимо,
где Со - удельная емкость окисла; АиМо - сдвиг по оси напряжений на уровне емкости, соответствующем такому энергетическому состоянию поверхности кремния, при котором происходит пересечение уровня Ферми с серединой запрещенной зоны кремниевой подложки. Исходная плотность фиксированного заряда в окисле образца составила около +140 нКл/см2. Под фиксированным зарядом понимается заряд, величина которого не зависит от значения поверхностного потенциала кремниевой подложки. Природа фиксированного заряда связывается с наличием структурных дефектов в пленке БЮ2 [3].
Результаты и обсуждение
На рис. 2 показаны типичные ВФХ, измеренные на необлученных участках поверхности образца и участках, подвергнутых воздействию лазера с минимальной плотностью мощности. На участках, облученных с максимальной плотностью мощности, ВФХ не регистрируются из-за отсутствия диэлектрической пленки БЮ2, которая разрушалась при расплавлении кремния в момент воздействия лазерного импульса. Из рисунка видно, что в результате воздействия лазерного излучения с плотностью мощно-
сти (рис. 1) происходит изменение ВФХ, что свидетельствует об изменении заряда в окисле экспериментальной структуры. Параллельный сдвиг ВФХ по оси напряжений связан с изменением плотности фиксированного заряда в окисле Ы^р
Рис. 2. Типичные вольт-фарадные характеристики для облученных с минимальной плотностью мощности Pmin и необлученных участков образца
Сдвиг ВФХ происходит без изменения наклона графика в диапазоне напряжений, соответствующем переходу МОП-структуры из режима инверсии (нижнее плато) в режим обогащения (верхнее плато). Этот факт свидетельствует о том, что на границе раздела Si-SiO2 не происходит генерации электрически активных поверхностных дефектов, характерных для воздействия ионизирующих излучений [4].
Сдвиг ВФХ вправо, вызванный лазерным воздействием, соответствует уменьшению исходного положительного заряда в окисле на величину 150 нКл/см2. При этом изменение заряда может быть вызвано как уменьшением исходных структурных дефектов, обусловливающих этот заряд, так и появлением новых дефектов, способных заряжаться отрицательно. Из представленного на рис. 2 графика видно, что на облученных участках при напряжениях U>+1,5 В и U<-1,5 В наблюдаются резкие флуктуации емкости. Такое поведение характеристики объясняется появлением утечки в пленке SiO2. Увеличение проводимости связано с появлением новых структурных дефектов, обусловливающих увеличение отрицательного заряда в пленке.
Возможным механизмом протекания тока через диэлектрическую пленку окисла является «прыжковый» механизм [5], при котором дефекты, индуцированные лазером, играют роль ловушек, способных обмениваться носителями заряда между собой. Вследствие такого обмена под действием электрического поля носители, инжектированные в диэлектрик из кремниевой подложки, перемещаются в направлении верхнего электрода.
Заключение
Показано, что при воздействии импульсного волоконного УЬР-лазера в окисле индуцируются дефекты, которые приводят к существенному изменению плотности фиксированного заряда отрицательной полярности. Этот эффект сопровождается появлением при определенных условиях проводимости диэлектрической пленки окисла. При этом механизм протекания тока через БЮг имеет выраженный активационный ха-
рактер. Для выяснения структуры дефектов, индуцированных лазером, и их локализации в окисле требуется проведение дополнительных структурных исследований.
Литература
1. Metev S.M., Veiko V.P. Laser assisted microtechnology. - Springer-Verlag, Heidelberg, 1994 (first edition), 1998 (second edition). - P. 295-329.
2. Magaya J., Sklyarov A., Mikaylichenko K., Yakovlev V. Silicon dioxide thin film removal using high-power nanosecond lasers // Applied Surface Science. - 2003. - V. 207. - P. 306-313.
3. Барабан А.П., Булавинов В.В., Коноров П.П. Электроника слоев SiO2 на кремнии. -Л.: ЛГУ, 1988. - 304 с.
4. Гуртов В.А. Радиационные процессы в структурах металл-диэлектрик-полупроводник: Учебное пособие. - Петрозаводск, 1988. - 96 с.
5. Сорокин Л.М., Григорьев Л.В., Калмыков А.Е., Соколов В.И. Исследование структурных свойств и токового транспорта в нанокомпозите, сформированном на поверхности кремния посредством окисления пористого кремния // ФТТ. - 2005. -Т. 47. - Вып. 7. - С. 1316-1322.
Халецкий Роман Александрович
Фам Куанг Тунг
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
УДК 621.383.51
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА СВИНЦА ДЛЯ ОБЛАСТИ СПЕКТРА 2-5 МКМ
Н.Э. Тропина
В работе представлены результаты исследования фотоэлектрических характеристик впервые полученных и разработанных в ОАО НИИ «Гириконд» многоэлементных фотогальванических приемников на основе поликристаллических пленок РЪ8е и твердых растворов на его основе. Рассмотрена возможность использования таких приемников с узкополосными клиновыми интерференционными фильтрами в качестве фоточувствительного элемента в спектрально-аналитической аппаратуре нового поколения. Приведен расчет оптимального размера чувствительного элемента многоэлементного приемника для восстановления без искажений спектра анализируемого излучения.
Ключевые слова: селенид свинца, многоэлементный приемник, спектральный анализ, клиновый интерференционный фильтр.
Введение
Обнаружение и измерение параметров инфракрасного излучения имеют большое практическое значение в различных областях - в военной сфере, системах пожарной безопасности, системах контроля над технологическими операциями, в прикладных и научных исследованиях, медицине, строительстве и других сферах. Поэтому работы, направленные на совершенствование и разработку новых приемников с непрерывно расширяющимися оптическими и электрическими характеристиками, продолжаются и в настоящее время.
