eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.205.4.136.138
Предложена технология кремниевых диодов – генераторов шума со стабильной дислокационной структурой в зоне p-n-перехода, которая достигается посредством управления распределением неконтролируемых примесей путем оплавления лазерным пучком локальных зон с тыльной стороны пластин кремния.
Предложена технология кремниевых диодов – генераторов шума со стабильной дислокационной структурой в зоне p-n-перехода, которая достигается посредством управления распределением неконтролируемых примесей путем оплавления лазерным пучком локальных зон с тыльной стороны пластин кремния.
Теги: dislocations impurities solid-state structure technology of silicon noise diodes дислокации примеси твердотельная структура технология диодов – генераторов шума
Технология кремниевых диодов – генераторов шума
В. Буслюк
Предложена и опробована технология кремниевых диодов – генераторов шума (ДГШ) со стабильной дислокационной структурой. Сущность данной технологии состоит в том, что стабильная дислокационная структура в зоне p-n-перехода достигается посредством эффективного управления распределением неконтролируемых примесей путем проведения процесса оплавления локальных зон с тыльной стороны пластин кремния (111) или (001) с помощью лазерного пучка. Процесс оплавления проводили в среде азота для получения включений Si3N4, способствующих усилению генерации дислокаций и, как следствие, дополнительному расширению дислокационного следа на рабочей поверхности пластины.
Стабильность получаемой дислокационной структуры, а также наличие в местах дислокаций примесных и вторичных атомов металлов в исследуемой конструкции ДГШ ND 103L подтверждены методом вторично-ионной масс-спектроскопии.
Введение
В последние годы наметилось расширение использования генераторов шума в качестве средства защиты информации. Одним из наиболее простых электронных компонентов для их реализации служат диоды – генераторы шума, или шумовые диоды, принцип действия которых основан на генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводнике вблизи p-n-перехода, в результате чего при протекании тока создается сигнал шума определенного спектра [1]. Материалом для изготовления ДГШ может служить наиболее удобный в технологическом отношении монокристаллический кремний.
Для эффективной работы ДГШ требуется легирование кремния примесями, создающими глубокие уровни в запрещенной зоне [2]. Общим недостатком известных технических решений является перераспределение примесей в процессе работы ДГШ по всему объему кремния под действием механических напряжений, вследствие чего желаемое распределение примесей вблизи p-n-перехода является невоспроизводимым, а выход годных приборов – низким. Стабильная дефектная структура в активной области прибора может быть создана пучком лазера [3]. Под действием лазерного пучка возникают зоны оплавления, которые при сканировании пучка быстро охлаждаются и кристаллизуются в неравновесных условиях. За счет этого создаются области повышенных механических напряжений, которые при последующей термообработке релаксируют с одновременным повышением концентрации привносимых включений и дефектов.
Одной из задач настоящей работы является стабилизация дислокационной структуры в кремниевых пластинах ориентации (111) и (001), что оказывает положительное влияние на воспроизводимость параметров ДГШ и их температурную и временну´ю стабильность.
Методика исследования
Исследование микроструктуры и особенностей топологии ДГШ проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) при помощи аппарата S‑4800 (Hitachi, Япония), а также методом вторично-ионной масс-спектроскопии (SIMS) на времяпролетном масс-спектрометре TOF.SIMS 5 (IONTOF, Германия).
Контроль электрофизических параметров кристаллов осуществляли с использованием зондовой станции Cascade (США), а также на специализированном измерителе параметров шумовых диодов АКИД (ОАО «Планар», Республика Беларусь).
Результаты и обсуждение
На рис. 1 изображена структура ДГШ, в табл. 1 приведены параметры структуры.
Создание заданной дефектности в кремниевой пластине обеспечивается лазерным пучком, направленным с обратной стороны пластины, под действием которого формируются параллельные зоны оплавления с определенной шириной и шагом.
В кремниевой пластине ориентации (111) с полированной рабочей поверхностью и толщиной, обеспечивающей необходимую прочность, на нерабочей стороне лазером формировали параллельные зоны оплавления с определенной шириной (10–100) мкм и шагом лазерного луча, в 1,5–5 раз бóльшим его диаметра; при этом зоны оплавления ориентированы, по крайней мере, в одном из возможных кристаллографических направлений типа <112>.
Зоны оплавления содержали включения Si3N4. Включения нитрида кремния, образованного при взаимодействии расплавленного кремния с азотом, по сравнению с диоксидом кремния являются более эффективными центрами зарождения дислокаций. Это обусловлено тем, что использование высоких температур при изготовлении приборов в сочетании с неспособностью Si3N4 к полиморфным превращениям приводит к возникновению более высоких механических напряжений на границе раздела Si–Si3N4, чем на границе Si–SiО2 [4].
На рис. 2 схематически показано поперечное сечение кремниевой пластины с разметкой зон движения дислокаций, помеченных точками.
Процесс выполнялся на установке лазерного геттерирования ЭМ‑227, которая позволяет регулировать размер лазерного пятна в широких пределах. Установлено, что оплавление поверхности кремния, необходимое для генерации дислокаций при минимальной скорости сканирования, наблюдается при диаметре пятна ~100 мкм. Процесс оплавления проводили в среде азота. Мощность лазерного луча составила от 80 до 120 Вт, скорость сканирования – от 0,3 до 1,2 м / с.
Последующий технологический процесс управления дислокациями включает высокотемпературный отжиг, одной из целей которого является образование кремниевых вакансий и межузельных атомов, термодиффузию примесей фосфора с одновременным технологически вносимым межузельным легированием фоновыми примесями (железо, медь, кальций). При этом вследствие наличия полей упругих напряжений, а также образования кислородных преципитатов происходят локализация технологических примесей в местах сосредоточения дефектов и стабилизация дефектно-примесного ансамбля. На рис. 3 представлена сетка дислокаций, сформированная примесями кальция при различных его концентрациях в местах расположения дефектов.
На основании экспериментальных исследований на ДГШ со структурой ND 103L установлено, что необходимая степень равномерности плотности генерируемых дефектов достигается при соблюдении условия a = (1,5–5,0) d. Дополнительным фактором, способствующим генерации дислокаций, является некоторая неоднородность края зоны оплавления, обусловленная как пульсацией лазерного луча, так и процессами конвекции расплавленного кремния.
Таким образом, предложенная технология позволяет добиться стабилизации дислокационной структуры в приборе, и проведенные исследования показали возможность устойчивого управления дефектностью высоколегированных кремниевых структур ДГШ.
ЛИТЕРАТУРА
Буслюк В. В., Оджаев В. Б., Панфиленко А. К., Петлицкий А. Н., Просолович В. С., Филипеня В. А., Янковский Ю. Н. Электрофизические параметры диодов генераторов широкополосного шума // Микроэлектроника. 2020. Т. 49. № 4. С. 314–320.
Баранов В. В. Изделия силовой электроники, датчики, биомедицинские технологии // Докл. БГУИР. 2019. № 3 (121). С. 70–75.
Патент Республики Беларусь № 668 от 03.01.95. Способ лазерного геттерирования примесей в полупроводниковых пластинах / Э. К. Лашицкий, В. А. Зеленин, В. А. Пилипенко, В. И. Кульгачев, С. Б. Ластовский.
Кислый П. С. Кремния нитрид // Химическая энциклопедия. Т. 2. М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 519.
В. Буслюк
Предложена и опробована технология кремниевых диодов – генераторов шума (ДГШ) со стабильной дислокационной структурой. Сущность данной технологии состоит в том, что стабильная дислокационная структура в зоне p-n-перехода достигается посредством эффективного управления распределением неконтролируемых примесей путем проведения процесса оплавления локальных зон с тыльной стороны пластин кремния (111) или (001) с помощью лазерного пучка. Процесс оплавления проводили в среде азота для получения включений Si3N4, способствующих усилению генерации дислокаций и, как следствие, дополнительному расширению дислокационного следа на рабочей поверхности пластины.
Стабильность получаемой дислокационной структуры, а также наличие в местах дислокаций примесных и вторичных атомов металлов в исследуемой конструкции ДГШ ND 103L подтверждены методом вторично-ионной масс-спектроскопии.
Введение
В последние годы наметилось расширение использования генераторов шума в качестве средства защиты информации. Одним из наиболее простых электронных компонентов для их реализации служат диоды – генераторы шума, или шумовые диоды, принцип действия которых основан на генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводнике вблизи p-n-перехода, в результате чего при протекании тока создается сигнал шума определенного спектра [1]. Материалом для изготовления ДГШ может служить наиболее удобный в технологическом отношении монокристаллический кремний.
Для эффективной работы ДГШ требуется легирование кремния примесями, создающими глубокие уровни в запрещенной зоне [2]. Общим недостатком известных технических решений является перераспределение примесей в процессе работы ДГШ по всему объему кремния под действием механических напряжений, вследствие чего желаемое распределение примесей вблизи p-n-перехода является невоспроизводимым, а выход годных приборов – низким. Стабильная дефектная структура в активной области прибора может быть создана пучком лазера [3]. Под действием лазерного пучка возникают зоны оплавления, которые при сканировании пучка быстро охлаждаются и кристаллизуются в неравновесных условиях. За счет этого создаются области повышенных механических напряжений, которые при последующей термообработке релаксируют с одновременным повышением концентрации привносимых включений и дефектов.
Одной из задач настоящей работы является стабилизация дислокационной структуры в кремниевых пластинах ориентации (111) и (001), что оказывает положительное влияние на воспроизводимость параметров ДГШ и их температурную и временну´ю стабильность.
Методика исследования
Исследование микроструктуры и особенностей топологии ДГШ проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) при помощи аппарата S‑4800 (Hitachi, Япония), а также методом вторично-ионной масс-спектроскопии (SIMS) на времяпролетном масс-спектрометре TOF.SIMS 5 (IONTOF, Германия).
Контроль электрофизических параметров кристаллов осуществляли с использованием зондовой станции Cascade (США), а также на специализированном измерителе параметров шумовых диодов АКИД (ОАО «Планар», Республика Беларусь).
Результаты и обсуждение
На рис. 1 изображена структура ДГШ, в табл. 1 приведены параметры структуры.
Создание заданной дефектности в кремниевой пластине обеспечивается лазерным пучком, направленным с обратной стороны пластины, под действием которого формируются параллельные зоны оплавления с определенной шириной и шагом.
В кремниевой пластине ориентации (111) с полированной рабочей поверхностью и толщиной, обеспечивающей необходимую прочность, на нерабочей стороне лазером формировали параллельные зоны оплавления с определенной шириной (10–100) мкм и шагом лазерного луча, в 1,5–5 раз бóльшим его диаметра; при этом зоны оплавления ориентированы, по крайней мере, в одном из возможных кристаллографических направлений типа <112>.
Зоны оплавления содержали включения Si3N4. Включения нитрида кремния, образованного при взаимодействии расплавленного кремния с азотом, по сравнению с диоксидом кремния являются более эффективными центрами зарождения дислокаций. Это обусловлено тем, что использование высоких температур при изготовлении приборов в сочетании с неспособностью Si3N4 к полиморфным превращениям приводит к возникновению более высоких механических напряжений на границе раздела Si–Si3N4, чем на границе Si–SiО2 [4].
На рис. 2 схематически показано поперечное сечение кремниевой пластины с разметкой зон движения дислокаций, помеченных точками.
Процесс выполнялся на установке лазерного геттерирования ЭМ‑227, которая позволяет регулировать размер лазерного пятна в широких пределах. Установлено, что оплавление поверхности кремния, необходимое для генерации дислокаций при минимальной скорости сканирования, наблюдается при диаметре пятна ~100 мкм. Процесс оплавления проводили в среде азота. Мощность лазерного луча составила от 80 до 120 Вт, скорость сканирования – от 0,3 до 1,2 м / с.
Последующий технологический процесс управления дислокациями включает высокотемпературный отжиг, одной из целей которого является образование кремниевых вакансий и межузельных атомов, термодиффузию примесей фосфора с одновременным технологически вносимым межузельным легированием фоновыми примесями (железо, медь, кальций). При этом вследствие наличия полей упругих напряжений, а также образования кислородных преципитатов происходят локализация технологических примесей в местах сосредоточения дефектов и стабилизация дефектно-примесного ансамбля. На рис. 3 представлена сетка дислокаций, сформированная примесями кальция при различных его концентрациях в местах расположения дефектов.
На основании экспериментальных исследований на ДГШ со структурой ND 103L установлено, что необходимая степень равномерности плотности генерируемых дефектов достигается при соблюдении условия a = (1,5–5,0) d. Дополнительным фактором, способствующим генерации дислокаций, является некоторая неоднородность края зоны оплавления, обусловленная как пульсацией лазерного луча, так и процессами конвекции расплавленного кремния.
Таким образом, предложенная технология позволяет добиться стабилизации дислокационной структуры в приборе, и проведенные исследования показали возможность устойчивого управления дефектностью высоколегированных кремниевых структур ДГШ.
ЛИТЕРАТУРА
Буслюк В. В., Оджаев В. Б., Панфиленко А. К., Петлицкий А. Н., Просолович В. С., Филипеня В. А., Янковский Ю. Н. Электрофизические параметры диодов генераторов широкополосного шума // Микроэлектроника. 2020. Т. 49. № 4. С. 314–320.
Баранов В. В. Изделия силовой электроники, датчики, биомедицинские технологии // Докл. БГУИР. 2019. № 3 (121). С. 70–75.
Патент Республики Беларусь № 668 от 03.01.95. Способ лазерного геттерирования примесей в полупроводниковых пластинах / Э. К. Лашицкий, В. А. Зеленин, В. А. Пилипенко, В. И. Кульгачев, С. Б. Ластовский.
Кислый П. С. Кремния нитрид // Химическая энциклопедия. Т. 2. М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 519.
Отзывы читателей
