Радиационно-термические процессы в кремниевых биполярных структурах и их влияние на электрофизические параметры

• Автор: Лагов, Петр Борисович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
В данной диссертационной работе проведено исследование кинетики накопления и отжига радиационных центров с глубокими энергетическими уровнями, образующихся в активных областях кремниевых биполярных диодных и транзисторных структур на операциях технологической радиационно-термической обработки с использованием быстрых (6 МэВ) электронов. Выявлены особенности энергетического спектра радиационных центров при "глубоком” облучении и облучения при повышенной плотности потока быстрых электронов. На различных этапах операций облучения и термического отжига исследуемых структур проведена количественная оценка основных электрофизических параметров радиационных центров: энергетического вложения в запрещенной зоне, концентрации, скорости образования, сечений захвата носителей заряда. Показана возможность локализации термостабильных радиационных центров с высокими рекомбинационными характеристиками в базовой области транзисторных структур вблизи коллекторного перехода, в коллекторном переходе и теле коллектора путем выбора оптимальных режимов радиационно-термической обработки. Разработана методика определения содержания кислорода в кремнии п-типа по соотношению концентраций А- и Е- центров в облученных структурах.
Выявленные физические закономерности кинетики накопления и отжига радиационных центров использованы при оптимизации режимов радиационнотермической обработки для получения диодных и транзисторных структур с принципиально новым сочетанием электрических параметров, обладающих повышенной стабильностью к изменениям температуры, уровню инжекции и статической и импульсной радиации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений с общим объемом 175 страниц, включая 42 рисунка, 20 таблиц и список использованной литературы из 70 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУРАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ТЕРМИЧЕСКОГО ОТЖИГА
1.1. Объемные радиационные эффекты в монокристаллическом кремнии при облучении быстрыми электронами

1.1.1. Первичные физические процессы

1.1.2. Механизм образования, физическая природа и энергетический спектр “глубоких” радиационных центров
1.1.3. Термостабильность и кинетика отжига радиационных центров
1.1.4. Влияние радиационных центров на электрофизические характеристики
1.1.5. Влияние технологических факторов на параметры радиационных центров в полупроводниковых структурах
1.1.6. Особенности накопления радиационных центров в области пространственного заряда р-п перехода
1.2. Поверхностные радиационные эффекты
1.3. Изменение характеристик биполярных кремниевых структур при облучении быстрыми
электронами
1.3.1. Диодные структуры
1.3.2. Транзисторные структуры
1.3.3. Емкостные свойства р-п перехода
1,4. Выводы и постановка задач исследований
ГЛАВА II. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ СТРУКТУР И ИХ
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА
2.1. Обоснование выбора типов биполярных кремниевых структур, их конструктивно-технологические особенности и
характеристики
2.2. Методики и оборудование радиационной обработки быстрыми электронами и термического отжига
2.3. Методики и аппаратура измерения вольт-фарадных характеристик и релаксационной спектроскопии глубоких центров в полупроводниковых структурах,................... 6:
2.3.1. Методика релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ).............................................. .6:
2.3.2, Измеритель релаксации емкости
2.4. Аппаратура и методика измерения волът-амперыых характеристик диодных и транзисторных структур
2.5. Методики и аппаратура измерения импульсных параметров биполярных структур,
2.5.1. Методики и аппаратура измерения времени восстановления обратного сопротивления диодных структур
2.5.2. Методика и аппаратура измерения времени рассасывания
транзисторных структур
2,7. Установка для исследования инжекционной и температурной зависимостей коэффициента передачи тока базы транзисторных структур

ГЛАВА III. КИНЕТИКА НАКОПЛЕНИЯ И ОТЖИГА РАДИАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ (РЦ) В АКТИВНЫХ ОБЛАСТЯХ КРЕМНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ СТРУКТУР РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВАРИАНТОВ
3.1. Кинетика накопления РЦ в базовых и коллекторных областях кремния п-типа диодных и транзисторных структур
3.2. Кинетика накопления РЦ в базовых и коллекторных областях кремния р-типа транзисторных структур
3.3. Кинетика отжига РЦ в активных областях кремния п- и р-типа кремния диодных и транзисторных структур
3.4. Кинетика накопления и отжига РЦ в базовой области кремния

п-типа диодных р -и структур, изготовленных с диффузиеї
.102.
рекомоинационнои примеси золота
3.5. Особенности энергетического спектра РЦ при облучении диодных р+-п структур быстрыми электронами с высокой плотностью потока
3.6. Методика определения содержания кислорода в п-областях кремния исследуемых структур по соотношению концентраций А-
и Е-центров

переходов. Обнаружено, что скорость образования РЦ в базе структур монотонно уменьшается по мере приближения к границе р'-и перехода. Глубина, с которой начинается уменьшение концентрации А- я Е-центров, зависит от величины приложенного в процессе облучения внешнего напряжения, но не превышает соответствующего расчетного значения ширины ОПЗ. Уменьшение концентрации РЦ с участием вакансий в ОПЗ диодных структур [32 -35] связывают с возможным уменьшением концентрации более подвижных вакансий вследствие их дрейфа из ОПЗ и изменением констант скоростей аннигиляции и комилексообразования с участием вакансий за счет изменения их зарядового состояния в электрическом поле. Однако, доминирующая роль дрейфа, положительно заряженных вакансий ставится под сомнение, так как при этом расчетное значение коэффициента их диффузии должно быть ~ 10"' см"/с (реальные значения составляют ЕО'^-КГЧтуг/с [36]).
В ОПЗ кремниевых структур п+-р типа, наоборот, наблюдался рост!- и К-цеятров. что, вероятно, связано с усилением темпа генерации положительно заряженных вакансий у поверхности и перераспределением их полем ОПЗ вглубь кристалла. Физическими причинами генерации облучением избыточных вакансий на поверхности могут быть уменьшение пороговой энергии смещения атома на поверхности и (или) участие поверхности в разделении пар Френкеля, например, в результате преимущественного захвата мвжузельных атомов [33].
Таким образом, влияние электрического поля в ОПЗ р-п перехода приводит к достаточно резкому профилю РЦ в кремниевых структурах у поверхности и вблизи р-п перехода, однако точных модельных представлений, свидетельствующих о роли того или иного механизма в образовании таких профилей не сущестует. Тем не менее указанные профили РЦ имеют место и их необходимо учитывать при анализе радиационных изменений электрических характеристик биполярных структур, особенно в широком диапазоне токов инжекции.