Исследование и разработка лазерной технологии модификации электрофизических характеристик системы кремний диоксид кремния

5.2.3. Влияние лазерного облучения на характеристики тестовых
КМОП транзисторов, встроенных в кристаллы КМОП ИС 590 серии
Хотя тестовые элементы для контроля технологического процесса 
изготовления микросхем 590 серии встроены во все виды микросхем серии, в 
качестве тестовых кристаллов были выбраны кристаллы интегральной схемы 
К590КН6. Эта схема имеет менее сложную топологию и, что более важно, 
контактные площадки тестовых МОП транзисторов, встроенных в кристалл 
этой микросхемы, по площади больше, чем у других видов кристаллов серии. 
На рис.5.8. приведена микрофотография фрагмента кристалла микросхемы 
К590КН6 со встроенными тестовыми МОП транзисторами P- и N-типом 

---

122 
проводимости, а на рис.5.9 сами КМОП транзисторы в увеличенном 
масштабе. 
Рис.5.8. Микрофотография фрагмента кристалла микросхемы К590КН6 со встроенными
тестовыми МОП транзисторами P- и N-типом проводимости. 
а) 
б) 
Рис.5.9. Микрофотография тестовых КМОП транзисторов: а) – тестовый МОП транзистор 
P- типа; б) - тестовый МОП транзистор N-типа.
 
Микроструктурирование МОП транзисторов проводилось с лицевой
стороны, так как при облучении с обратной стороны кристалла энергия 
фотонов, поглощаемая тонким верхним слоем кремниевой подложки, 

---

123 
приводила бы только к нагреву подложки и воздействовала бы на 
транзисторную структуру кристалла только передачей тепла с нижней 
поверхности. При облучении фотонами лицевой поверхности кристалла 
наряду с выделением тепла происходит ряд важных электрофизических и 
оптических процессов в слоях на поверхности системы SiO
2
/Si и в тонких 
поверхностных слоях кремния. 
Как видно из рис.5.7 и табл.5.1, на поверхности кремния в месте, где 
сформированы комплементарные МОП транзисторы, имеются области с 
разной концентрацией донорных и акцепторных примесей. Причём в таких 
областях, как области стоков и истоков а так же в ионно-имплантированных 
противоинверсных областях комплементарных пар имеется очень высокая 
концентрация примесей. В этих областях наблюдается рост поглощательной 
способности 
лазерного 
облучения 
по 
сравнению 
с 
классическим 
коэффициентом поглощения кремния, что приводит к дополнительному 
повышению температуры и соответственно более высокой скорости 
дефектообразования в этих областях. В областях с повышенной относительно 
исходной концентрацией примеси в подложке (например, легированная 
акцепторной примесью область, в которой формируется N-канальный МОП 
транзистор) наблюдается при облучении усиленное образование электронно-
дырочных пар, что приводит к росту числа точечных дефектов в 
кристаллической решётке кремния.
Далее, наличие на части поверхности системы SiO
2
/Si слоя алюминия 
приводит практически к полному отражению лазерного излучения с этого 
участка подложки. Коэффициент поглощения слоёв поликремния отличается 
от коэффициента отражения монокристалла кремния. 
Учитывая особенности структуры кристаллов с комплементарной 
парой транзисторов в микросхемах 590 серии, микроструктурирование МОП
транзисторов проводилось с лицевой стороны кристаллов путем
сканирования пучка импульсного иттербиевого волоконного лазера. 

---

124 
Облучение кристаллов происходило в режиме сходящихся лучей, 
который обеспечивал диаметр пучка на поверхности кристалла 60 мкм. 
Другие характеристики лазерного пучка: длина волны 1,06 мкм, 
длительность импульса 100 нс, энергия в импульсе 1 мДж, частота 
следования импульсов 99 кГц. Координаты лазерного пятна на поверхности 
кристалла регулировались компьтерной программой с точностью около 2 
мкм, 
сканирование 
осуществлялось 
при 
помощи 
двух 
зеркал 
гальванометрического сканатора. 
Ранее при проведении исследований по лазерному сканированию 
системы SiO
2
/Si (см. главу 3) была определена пороговая плотность энергии, 
равная 1,8 Дж/см
2
, с которой начинается процесс микроструктурирования 
системы. Однако при облучении лазером МОП транзисторов мы имеем дело 
не с однородной поверхностью, как в случае системы SiO
2
/Si, а с 
неоднородной, как было показано ранее, поверхностью N- и P-канальных 
тестовых МОП транзисторов (смотри также рис.5.9 а, б). Поэтому 
потребовались дополнительные исследования по уточнению режимов 
мощности облучения и параметров сканирования пучка лазера. Изменения 
плотности энергии производили в пределах от 1,8 Дж/см
2
, когда только 
начинает проявляться влияние микроструктурирования, до 3,9 Дж/см
2
, 
плотности энергии, при которой происходит разрушение алюминиевых 
площадок. Варьирование плотности энергии в указанных пределах 
проводилось при шаге сканирования 1000 лин/мм и при двух скоростях 
сканирования 100 и 1000 мм/с. В результате этих исследований к ранее 
перечисленным параметрам облучения ИИВЛ добавились следующие: 
плотность энергии 2,4 Дж/см
2
, шаг сканирования 1000 лин/мм, скорость 
сканирования луча лазера 100 мм/с. 
Сканирование тестовых МОП транзисторов проводилось в двух 
режимах № 1 и № 2. Цифры, которые характеризуют № режима расположены 
в прямоугольниках на поверхности тестовых МОП транзисторов (рис. 5.9). 

---

125 
Стрелки указывают направление перемещения лазерного луча. Как следует 
из обозначений, в режиме 1 направление сканирования пучка происходит 
вдоль длины канала, и по ширине область сканирования перекрывает ширину 
канала МОП транзисторов. Длина области сканирования полностью 
перекрывает область тестовых МОП транзисторов. При облучении в режиме 
2 площадь облучения полностью перекрывает всю площадь тестового 
транзистора, и направление сканирования лазерного пучка перпендикулярно 
длины канала. 
В настоящей работе исследовались передаточные статические 
характеристики тестовых МОП транзисторов на установке для измерения
ВАХ МОП транзисторов, принципиальная электрическая схема которой 
приведена на рис. 5.10. 
Рис.5.10. Схема для исследования ВАХ МОП-транзисторов
Передаточные статические характеристики тестовых МОП транзисторов 
исследовались до облучения и после облучения. На каждом кристалле с 
годной по параметрам микросхемой типа К590КН6 облучались оба тестовых 
МОП транзистора в одном из двух режимов. 
На рис.5.11 приведены передаточные статические характеристики 
I
с
=f(U
зи
) N- и P- канальных транзисторов до и после лазерного 
микроструктурирования. Видно, что после воздействия лазера статические 

---

126 
ВАХ транзисторов изменяются по-разному в зависимости от режима 
облучения.
а) 
б) 
Рис.5.11. Передаточные статические характеристики I
с
=f(U
зи
) N- и P-канальных МОП 
транзисторов до и после облучения ИИВЛ в разных режимах. 

---

127 
Облучение в режиме 1 вызывает слабое уменьшение порогового 
напряжения как у P – канальных так и у N – канальных транзисторов. С 
другой стороны, облучение лазером в режиме 2 вызывает сильное 
увеличение порогового напряжения транзисторов (около одного Вольта). 
Следует отметить, что у P – канальных МОП транзисторов наблюдается 
большее изменение ВАХ чем у N – канальных МОП транзисторов. 
Разные результаты, полученные после облучения, объясняются разным 
влиянием положительного заряда, который обычно создается в окисле и на 
границе раздела SiO
2
/Si в результате лазерного облучения ИИВЛ. Для P – 
канальных МОП транзисторов слой положительного заряда препятствует 
образованию 
P–канала, 
соответственно 
пороговое 
напряжение 
увеличивается. 
При сравнении передаточных характеристик N-канальных и P-
канальных тестовых МОП транзисторов видно, при переходе от облучения в 
режиме 1 к режиму 2 пороговое напряжение у Р-канального транзистора 
возрастает в два раза, в то время как у N-канального на 80 %. Следовательно 
уменьшая плотность энергии облучения при микроструктурировании P-
канального можно получить величину его порогового напряжения равным 
пороговому напряжению N-канального транзистора. Таким образом, 
варьируя режимы облучения МОП транзисторов можно получить 
комплементарную пару транзисторов с одинаковыми по величине и 
противоположными по знаку параметрами входных характеристик. 
Из кривых передаточных статических характеристик I
с
=f(U
зи
) были
вычислены значения крутизны. При этом вычислении значения крутизны 
выбор значения приращения напряжения