Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводниках

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, включающий формирование контакта к полупроводнику, воздействие на структуру возбуждающим высокочастотным электрическим сигналом и постоянным напряжением смещения и измерение возникающего сигнала отклика, по параметрам которого судят о профиле концентрации примеси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и разрешающей способности измерения профиля, обеспечения возможности исследования высокоомных полупроводников и упрощения, в качестве возбуждающего сигнала используют амплитудно-модулированный высокочастотный гармонический сигнал тока через образец и измеряют амплитуду сигнала отклика в виде демодулированного напряжения на образце.

Изобретение относится к неразрушающим методам изучения физико-химических свойств материалов и может найти применение в лабораторной и производственной практике при исследовании и контроле свойств полупроводниковых материалов, в особенности тонкослойных структур, выращенных эпитаксией, диффузией, ионным внедрением.
Цель изобретения повышение точности и разрешающей способности измерения профиля, обеспечение возможности исследования высокоомных полупроводников и упрощение.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего изобретение; на фиг. 2 показана зависимость низкочастотного напряжения U от величины постоянного смещения U, подаваемого на образец. На фиг.3 показана зависимость концентрации примеси N от глубины Х.
В устройство (фиг.1) входят задатчик 1 постоянного напряжения, потенциостат 2, электрод 3 сравнения, вспомогательный электрод 4, генератор 5 высокочастотного напряжения, генератор 6 низкочастотного напряжения, балластная емкость 7, низкочастотный микровольтметр 8, RC-цепочка 9, самописец 10.
П р и м е р. Изучаемый полупроводниковый образец 11 помещают в качестве исследуемого электрода в электрохимическую ячейку с раствором электролита. На образце в контакте с электролитом формируют барьер Шоттки (с помощью внешнего напряжения или самопроизвольно). Внешнее постоянное напряжение подают на ячейку с помощью стандартной схемы потенциостатирования, в которую входят задатчик 1 постоянного напряжения, потенциостат 2, электрод 3 сравнения и вспомогательный электрод 4 в электрохимической ячейке. При этом необходимо обеспечивать развязку схемы потенциостатирования от цепей переменного тока. Воздействующий высокочастотный амплитудно-модулированный (ВЧ АМ) сигнал тока формируют с помощью генератора высокочастотного напряжения (ГВЧ) 5 и генератора 6 низкочастотного напряжения (ГНЧ). Токозадающим элементом является балластная емкость C 7. Величину C выбирают из условия C < < C, где С емкость барьера Шоттки, обычно C 50-150 пФ. Амплитуду переменного тока регулируют установкой напряжения на выходе ГВЧ. Задаваемый воздействующий токовый сигнал подают на исследуемый полупроводниковый образец с помощью вспомогательного электрода 4. Низкочастотный демодулированный сигнал отклика, пропорциональный измеряемой концентрации, регистрируют селективным низкочастотным микровольтметром 8. На входе микровольтметра стоит RC-цепочка 10, играющая роль фильтра низкой частоты для предотвращения паразитной демодуляции воздействующего сигнала на нелинейном входе микровольтметра. Для регистрации глубины Х, на которой определяется искомое значение концентрации N, измеряют емкость барьера Шоттки. Напряжение обратного смещения и, следовательно, глубину Х, на которой измеряется концентрация, автоматически изменяют в заданном диапазоне с помощью задатчика постоянного напряжения, а кривую профиля концентрации N(Х) регистрируют с помощью самописца 10, предварительно проградуировав координаты в соответствующих единицах концентрации легирующей примеси.
Исследуемые полупроводниковые электроды из монокристаллических пластинок SrТiO₃ получают восстановлением в токе водорода при 900^оС. Перед измерением поверхность электродов травят в концентрированной серной кислоте при 180-185^оС. Все измерения проводят при комнатной температуре. Электрод помещают в ячейку, заполненную раствором едкого кали (КОН), в атмосфере инертного газа. На ячейку с полупроводниковым электродом и вспомогательным платиновым электродом накладывают гармонический переменный сигнал тока с амплитудой 3 мА, несущей частотой = 0,2 МГц и частотой модуляции 2 кГц и измеряют отклик напряжения U на частоте 2 кГц. На фиг.2 величина U отложена по оси ординат как функция постоянного смещения U. Постоянство U указывает на то, что N не зависит от Х. Концентрацию примеси в образце рассчитывают по формуле
N (1) где B постоянная;
B (I_o²/(2 S²e ²));
несущая частота;
диэлектрическая постоянная исследуемого образца;
e заряд электрона;
S площадь контакта;
I_o амплитуда воздействующего тока.
При 332 и S 0,3 см² величина N2,7 10¹⁶ см^-3.
Другой образец полупроводника отжигают в водороде таким образом, что создают неравномерное распределение легирующей примеси (кислородных вакансий). Подготовка поверхности образца и процедура измерений аналогичны вышеуказанным. При различных значениях постоянного смещения U измеряют U и емкость С барьера Шоттки. По формуле (1) вычисляют концентрацию для каждого заданного значения U, а по формуле
X для тех же значений U вычисляют величину Х. Зависимость N(Х) изображена на фиг.3 в виде сплошной кривой. Для подтверждения достоверности и демонстрации преимуществ данного способа на фиг.3 приведен профиль (кружочки), полученный с помощью самого распространенного из аналогов вольтфарадного способа. Видно, что случайная погрешность измерений в аналоге достигает заметной величины (10% ), тогда как в предлагаемом способе она составляет менее 1%
Изобретение относится к неразрушающим методам исследования физико химических свойств материалов, в частности полупроводников. Цель изобретения повышение точности и разрешающей способности измерения профиля, обеспечение возможности исследования высокоомных полупроводников и упрощение способа. Согласно изобретению на контакт полупроводника с металлом или электролитом налагают амплитудно модулированный высокочастотный гармонический сигнал тока, постоянное напряжение смещения и измеряют амплитуду демодулированного низкочастотного сигнала напряжения, которая обратно пропорциональна величине концентрации в образце. Благодаря большой разнесенности низкочастотного и высокочастотного сигналов задача выделения слабого низкочастотного сигнала нелинейного отклика, несущего информацию о концентрации, значительно облегчается. 3 ил.