Способ градуировки резонансного датчика параметров полупроводниковых материалов

СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РЕЗОНАНСНОГО ДАТЧИКА ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в расположении образцов, аттестованных по удельному сопротивлению на измерительное отверстие резонансного датчика, и снятии зависимости выходного сигнала резонансного датчика от электрофизического параметра образцов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при измерении эпитаксиальных слоев на проводящих изотипных подложках, в качестве образцов, аттестованных по удельному сопротивлению, используют полупроводниковые образцы толщиной, не превышающей максимальную толщину измеряемых эпитаксиальных слоев, на тыльную поверхность которых нанесен металлический слой, измеряют толщину полупроводникового образца, а в качестве электрофизического параметра используют произведение удельного сопротивления на толщину полупроводникового образца.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к измерению удельного сопротивления эпитаксиальных слоев (ЭС) на проводящих подложках.
Известен способ градуировки устройства для измерения удельного сопротивления полупроводниковых пластин посредством определения добротности резонансного контура. Согласно этому способу датчик, фиксирующий изменение добротности, калибруют с помощью образцов с известным удельным сопротивлением [1] . Известен также способ градуировки устройства для измерения удельного сопротивления полупроводниковых слоев на низкоомных подложках, представляющего собой мост для измерения полных сопротивлений, в одно из плеч которого включается измеряемая структура [2] . Согласно этому способу устанавливается зависимость между изменением температуры, обеспечивающим восстановление удельного сопротивления и, следовательно, баланса моста и удельным сопротивлением градуировочных образцов, представляющих собой полупроводниковые пластины. Однако этими способами невозможно проградуировать устройства для измерения параметров ЭС на проводящих подложках СВЧ-резонаторным методом.
Наиболее близким техническим решением является способ градуировки измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) для измерения удельного сопротивления полупроводниковых монокристаллических пластин СВЧ-резонаторным методом. Способ заключается в измерении постоянного напряжения на выходе пикового детектора с использованием комплекта стандартных образцов, представляющих собой монокристаллические пластины кремния толщиной более 1 мм и аттестованных по удельному сопротивлению с помощью четырехзондового метода, и построении градуировочной зависимости этого напряжения от удельного сопротивления стандартных образцов. Стандартные образцы должны равномерно перекрывать весь диапазон измерения удельного сопротивления. Кроме того целесообразно применять при градуировке, например, в низкоомной области (до 100 Ом см) металлическую пластину или пластину кремния с < 0,005 Ом см. В процессе градуировки для каждого из стандартных образцов напряжение измеряется в десяти точках в зоне аттестации образца, и в каждой точке измерения проводятся 10 раз. По результатам измерений вычисляется среднее значение напряжения на выходе пикового детектора, которое используется при построении градуировочной зависимости.
Недостатком этого способа является ограниченная точность при градуировке резонансных датчиков параметров ЭС на проводящих изотипных подложках. Дело в том, что измерение удельного сопротивления полупроводников СВЧ-методом основано на регистрации измерения добротности квазистационарного резонатора за счет потерь электрического СВЧ-поля, вносимых полупроводником в кольцевое измерительное отверстие резонатора. Указанные потери зависят от удельного сопротивления полупроводникового материала. Локальность измерительной области по глубине определяется для низкоомных полупроводников ( < 100 Ом см) скин-слоем, который достигает на частоте измерения (f < 1,2 гГц) нескольких сот мкм. (Для высокоомных полупроводников глубина проникновения электрического поля еще больше). Максимальная толщина измеряемых ЭС на проводящих подложках обычно составляет 100 мкм, что существенно меньше глубины скин-слоя для полупроводниковых пластин с таким же удельным сопротивлением. В связи с этим глубина проникновения электрического поля в такие эпитаксиальные структуры отграничена проводящей подложкой ( < 0,01 Ом см), практически не вносящей потерь в резонатор. Вследствие этого точность градуировки по способу-прототипу резонансных датчиков параметров ЭС на проводящих изотипных подложках неудовлетворительна.
Целью изобретения является повышение точности при измерении ЭС на проводящих изотипных подложках.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе градуировки резонансного датчика параметров полупроводниковых материалов, заключающемся в расположении образцов, аттестованных по удельному сопротивлению, на измерительное отверстие резонансного датчика и снятии зависимости выходного сигнала резонансного датчика от электрофизического параметра образцов, в качестве образцов, аттестованных по удельному сопротивлению, используют полупроводниковые образцы толщиной, не превышающей максимальную толщину измеряемых эпитаксиальных слоев, на тыльную поверхность которых нанесен металлический слой, измеряют толщину полупроводникового образца, а в качестве электрофизического параметра используют произведение удельного сопротивления на толщину полупроводникового образца.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что при градуировке в качестве образцов, аттестованных по удельному сопротивлению, используют полупроводниковые образцы толщиной, не превышающей максимальную толщину измеряемых эпитаксиальных слоев, т. е. существенно меньше по сравнению с образцами, используемыми в прототипе, а на тыльную поверхность градуировочных образцов нанесен металлический слой. Кроме того измеряют толщину полупроводникового образца и при построении градуировочной зависимости в качестве электрофизического параметра используют произведение удельного сопротивления на толщину полупроводникового образца, а не просто удельное сопротивление, как в прототипе.
В связи с тем, что при измерении СВЧ-методом параметров ЭС на проводящих изотопных подложках локальность измерительной области по глубине ограничена проводящей подложкой и определяется толщиной ЭС, в качестве градуировочных образцов используют полупроводниковые образцы толщиной, не превышающей максимальную толщину ЭС. Роль проводящей подложки выполняет металлический слой, нанесенный на тыльную сторону градуировочных образцов. Под тыльной поверхностью образца подразумевается поверхность, противоположная той, которая соприкасается с измерительным резонатором. Толщина металлического слоя выбрана из следующих соображений. Металлический слой должен как можно лучше моделировать проводящую подложку как с точки зрения вносимых в резонатор потерь, так и с точки зрения конфигурации силовых линий электрического поля в измеряемом полупроводниковом слое. Толщина проводящей подожки обычно превышает глубину скин-слоя в ней в 2-3 раза. Поэтому толщина металлического слоя выбрана не менее, чем в 2 раза превышающей глубину скин-слоя в металле. При этом потери, вносимые в резонатор как проводящей подложкой, так и металлическим слоем, пренебрежимо малы по сравнению с потерями, вносимыми измряемым полупроводниковым слоем. Правильность выбора толщины металлического слоя подтверждена экспериментально. Измеряемый сигнал перестает зависеть от толщины металлического слоя, начиная с толщины, равной двум скин-слоям.
Поскольку глубина проникновения электрического СВЧ-поля в эпитаксиальную структуру (градуировочный образец) ограничена проводящей подложкой (металлическим слоем), использование удельного сопротивления в качестве электрофизического параметра возможно только при равенстве толщин градуировочного образца и ЭС.
В связи с этим при градуировке резонансного датчика параметров ЭС различной толщины возникает потребность строить большое семейство градуировочных кривых, для каждой из которых необходимо изготовить комплект градуировочных образцов фиксированной толщины. Однако с большой степенью точности указанное семейство градуировочных кривых можно заменить на зависимость измеряемого сигнала от произведения удельного сопротивления полупроводникового образца на его толщину d. Основанием к такой замене служит то, что линии тока замыкаются на металлический слой (на проводящую подложку в случае эпитаксиальной структуры), в результате чего электрическое поле в градуировочном образце (эпитаксиальном слое) локализовано под торцом индуктивного стержня, расположенным внутри измерительного отверстия, и является почти однородным. При этом потери, вносимые в резонатор, имеют омический характер и в основном определяются продольным сопротивлением полупроводникового образца (эпитаксиального слоя), которое пропорционально произведению < d. Вследствие этого в качестве электрофизического параметра при построении градуировочной зависимости используется произведение удельного сопротивления на толщину полупроводникового образца.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность градуировки резонансных датчиков, и следовательно, точность при измерении эпитаксиальных слоев на проводящих изотипных подложках.
Предлагаемый способ градуировки резонансного датчика параметров полупроводниковых материалов осуществляют следующим образом.
ИВК АМЦ 07140 ("Метрика-201"), предназначенный для измерения удельного сопротивления монокристаллического кремния в виде пластин толщиной свыше 0,5 мм, градуируется с целью повышения точности при измерении низкоосных ( 80 Ом см) эпитаксиальных кремниевых слоев n-типа на проводящих изотопных подложках с < 0,01 Ом см. Градуировка и измерение проводятся на частоте f = 1,19 гГц. В качестве градуировочных образцов используются кремневые пластины n-типа толщиной d = 90 10 мкм. Пластины предварительно аттестуют по удельному сопротивлению четырехзондовым методом. В качестве зоны аттестации выбирается круг диаметром 10 мм, центр которого совпадает с геометрическим центром пластины. Диапазон значений удельного сопротивления кремниевых пластин составляет 0,5-80 Ом см. На тыльную поверхность образцов напылен Al толщиной 5-6 мкм. (Толщина скин-слоя в Al при f = 1,19 гГц составляет 2,5 мкм).
Если толщина напыленного Al превышает глубину скин-слоя менее, чем в 2 раза, т. е. составляет, например, 3-4 мкм, то конфигурация электрического поля в измеряемой области полупроводника будет заметно отличаться от реальной ситуации при измерении эпитаксиальных слоев на проводящих подложках Это скажется при градуировке на измеряемой величине напряжения на выходе пикового детектора и послужит дополнительным источником систематической погрешности метода измерения удельного сопротивления ЭС. В качестве металлического слоя может быть использован также Mo, Cu и другие металлы.
Комплект градуировочных образцов в количестве 30 штук равномерно перекрывает диапазон произведений d = (25-8000) Ом. см. мкм. При градуировке ИВК используется также монокристаллическая кремниевая пластина КДБ-0,005 ( = 0,005 Ом см) толщиной 0,5 мм. В процессе градуировки для каждого из образцов измеряется постоянное напряжение U _d на выходе пикового детектора в десяти точках в зоне аттестации образца. В каждой точке измерения проводятся десять раз. По результатам измерений вычисляется среднее значение напряжения U _d. Соответствующие им значения произведения d градуировочных образцов вводятся в ЭВМ "Искра-226" в процессе начального диалога. После снятия градуировочной кривой проводится сглаживание полученной зависимости в соответствии с методикой построения сглаженной зависимости.
Использование предлагаемого способа градуировки резонансного датчика параметров полупроводниковых материалов обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую точность при измерении эпитаксиальных слоев на проводящих изотивных подложках. Это, в свою очередь, позволит проводить эффективный входной контроль рабочих эпитаксиальных структур по удельному сопротивлению и повысить процент выхода годных приборов, изготавливаемых на основе этих структур. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 265986, кл. G 01 N 22/00, 1962.
2. Патент ФРГ N 1214792, кл. G 01 N 22/00, опубл. 1966.
3. Методика локального измерения удельного электрического сопротивления СВЧ-методом на ИВК АМЦ 07410 "Метрика-201", Сибирский физико-технический институт - ГИРЕДМЕТ, 1987, с. 5-10.
Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к измерению удельного сопротивления эпитаксиальных слоев. Целью изобретения является повышение точности при измерении эпитаксиальных слоев на проводящих изотипных подложках. В способе градуировки, включающем измерение напряжения на выходе резонансного датчика для монокристаллических полупроводниковых образцов, аттестованных по удельному сопротивлению, построение экспериментальной зависимости напряжения на выходе резонансного датчика от электрофизического параметра этих образцов и сглаживание полученной зависимости, используют монокристаллические полупроводниковые образцы толщиной, не превышающей максимальную толщину эпитаксиальных слоев, на тыльную поверхность которых нанесен металлический слой толщиной, не менее чем в 2 раза превышающей глубину скин-слоя в металле на частоте измерения, а в качестве электрофизического параметра при построении экспериментальной зависимости используют произведение удельного сопротивления на толщину монокристаллического полупроводникового образца.