Способ локального контроля удельного сопротивления полупроводников и устройство для его осуществления

)5 601 й 27/ ТЕНИ рамет лов и тся к метрике полук той ее области риалы с помощью в частности, путем стик электрических Изобретение относроводников, а именноторая исследует матлектрических средствсследования характеразрядов,Цель изобретениости измерений удеолупроводников. я - повышение надеж льного сопротивлени достигается тем, что окального контроляия полупроводниложении напряжем полупроводником ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Ленинградский политехнический институт им. М. И, Калинина(56) Обзоры по электронной технике, Серия:Полупроводниковые приборы, Выпуск М 6,(204), М., ЦНИИ "Электроника", 1974, с. 521.Батавин В, В. идр. Измерение паров полупроводниковых материаструктур.М,: Радио и связь, 1985.Авторское свидетельство СССРМ 1185210, кл. 6 01 й 27/62, 1982.Авторское свидетельство СССРМ 151400, кл. Н 01 1 21/66, 1962,54) СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛ ДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУ РОВОДНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Поставленная цель в известном способе л удельного сопротивле ков, основанном на пр ния между исследуемы(57) Использование: в технике, а именно в областях техники, в которых исследуются материалы с помощью электрических средств, в частности, путем исследования характеристик электрических разрядов, Сущность изобретения: между исследуемым полупроводником и зондирующим электродом, который отделен от поверхности исследуемого проводника воздушным зазором, прикладывают напряжение, достаточное для возникновения жирового разряда, измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. Устройство содержит плоский конденсатор со сквозным отверстием в центре его пластин. К нижней обкладке подключен зондирующий электрод, острие которого расположено в отверстии на расстоянии 0,1-1 мм от верхней плоскости верхней обкладки, служащей базовым электродом. Исследуемый полупроводник помещают иа базовый электрод.2 с,п, ф-лы, 1 з,п, ф-лы, 2 ил,и заостренным на конце зондовым электродом, измерении возникающего при этом электрического тока и определении величины удельного сопротивления исследуемого полупроводника по калибровочной кривой, зондовый электрод отделяют от поверхности полупроводника воздушным зазором, величину подводимого напряжения устанавливают достаточной для возникновения искрового разряда в этом зазоре, измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. При этом для полупроводников р-типа полярность напряжения между образцом и эондовым электродом(4) Таким образом, показана возможность построения калибровочной кривой, которая будет зависеть от конструкции измерительной установки (именно она определяет значения параметров г, В, О),Что касается инжекционного тока, то этот параметр должен определяться для каждого полупроводникового материала с учетом типа его проводимости. Если полярность прикладываемого напряжения будет соответствовать типу проводимости полуустанавливают следующим образом: плюс - на эондовом электроде, минус - на образце,Сущность способа такова, При возникновении искрового разряда в зазоре между острием зондирующего электрода и повсрхностью полупроводника образуется плазменный шнур, который можно рассматривать, как идеальный контакт к поверхности любого полупроводника. Идеальность контакта характеризуется тем, что плазма искрового разряда "смачивает" поверхность полупроводника независимо от качества ее обработки, при этом не возникает никаких механических напряжений.Часть напряжения О, приложенного между зондирующим электродом и исследуемым образцом, падает на исследуемом образце (Ообр.). а часть - на сопротивлении плазменного шнура (1 Вш)О = Ообр. + 1 йш, (1) где 1 - ток в цепи разряда; Йш - сопротивление плазменного шнура.Ток, текущий в образце, можно разделить на две компоненты (омическую и инжекционную):1" 1 ом+1 инж. (2)Омическая компонента определяется равновесными носителями заряда в полупроводнике, т.е. его удельным сопротивлением Р:-О.б,./а,(3) где Вр- р/(2 лт) - сопротивление растекания точечного контакта радиуса г (в данном случае в качестве г следует подставить радиус плазменного шнура).Инжекционная компонента тока связана с неравновесными носителями заряда, внедряющимися в полупроводник из плазменного шнура. Эта компонента, в отличие от омической, слабой зависит от р и имеет место даже при р= оо,Приведенные соотношения позволяют связать удельное сопротивление полупроводника с током в цепи искрового разряда:5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 проводника так, как указано в формул",:о бретения: плюс на зондовом электроде тля полупроводника р-типа тбудут об-.". пече ны условия монополярное нмжекции когда в полупроводник будут поступать из плэ тмь только неосновные носит ли Грп -. См и, жекционный ток будет определяться махе велловским врвмепелл релаксации Тм = Е/) /4 л и не будет;ависеть ттт вр мени жизни неравновесных нос" е;,вй заряда Это обеспечивает однозначную си.зь ин жекционного тока с уд:явным сопро.ив те. нием полупроводника. При другой полярности напряжения величина инжекци онного тока зависела бы от такото трудно измеримого параметра, как время жизп:л ь. равновесных носителей заряда 1,При контроле удельноо сопротивления полупроводников и-типа полярность напря. жения между образцом и зондовым элек родом меняют на обратную, минус устанавливают на зондовом электроде, а плюс - на образце. Именно таким образом будут соблюдены условия монополярной инжекции и обеспечена однозначная связь инжекционного тока с удельным сопротив. лением полупроводника.Кроме того, для обеспеченияесент,зк. тного нераэрушзющего котттроля удерьтт сопротивления полупрово.:н,:в и, вцик,. изложенному способу пр.длагвется устрой ство, обеспечиваю це;.прз ие ю чутп,; ь слабого тока, не приводящие: термичет кои эрозии поверхности исследуемо, о пол, и,". водникаЗа прототип устройства был выбран электроискровой дефектоскоп, Устроиство это содержит маломощный источник высо кого напряжения и два электрода, один из которых предназначен для сканирования исследуемого изоляционного покрытия, а другой - для контактировэния с металличе ской основой изделия. Как следует из огисания рефектоскопа. он неприменим для количественных измерений, в том числе и для измерения удельного сопротивления полупроводников,В данном изобретении предлагается устройство, использующее искру для проведения измерений удельного сопротивления в различных точках полупроводникового образца. При этом достигается цель обеспече ния неразрушающего контроля С этой целью к выходу источника высокого напряжения подключен плоский конденсатор со сквозным отверстием посередине веГхпяя обкладка которого служит баэп, цтт а"родом, а ни князя об ладка по,т ч- еи пп диру ю вц;м у 3 л т и Г ) (;1последовательно соединенные высокоомный резистор и средство регистрации импульсного тока; острие зондирующего электрода расположено в отверстии конденсатора на расстоянии порядка 0,1 мм от верхней плоскости базового электрода.Конструкция устройства показана на фиг. 1, на фиг, 2 - график зависимости от амплитуды импульсов тока.К выходу источника высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением 1 подключен плоский конденсатор 2 со сгвозным отверстием посередине, металлические обкладки которого 2-1 и 2-2 разделен слоем диэлектрика 2-3. Верхняя обкладка 2-1 этого конденсатора является одновременно базовым электродом. Нижняя обкладка 2-2 через средство регистрации импульсного тока 3 и высокоомный резистор 4 подключена к зондирующему электроду 5, Зондирующий электрод расположен в отверстии плоского конденсатора, при этом расстояние от острия электрода до рабочей поверхности базового электрода, на которую кладут исследуемый образец 7, составляет величину порядка 0,1 мм. Конденсатор б, показанный на рис. 1 пунктиром, представляет собой межэлектродную емкость резистора 4, которая, как будет видно из дальнейшего, играет важную роль в работе устройства.Работает устройство следующим образом,Конденсатор 2 выступает в роли накопительного конденсатора; при включении источника напряжения 1 он начинает заряжаться, высокое внутреннее сопротивление источника напряжения обеспечивает относительную медленность этого процесса. Одновременно растет и потенциал зондирующего электрода 5 по отношению к образцу 7, поскольку зондирующий электрод гальванически связан с обкладкой 2 - 2 накопительного конденсатора, а образец, лежащий на другой его обкладке (2-1), имеет с ней гальванический и емкостный контакт. Когда потенциал на зондирующем электроде достигает определенного (пробойного) значения, в воздушном зазоре между острием зондирующего электрода и поверхностью образца образуется плазменный шнур (искра), который замыкает цепь. В цепи образец-накопительная емкость-зонд возникает ток. Величина этого тока достаточна для поддержания режима искрового разряда, т.к. все большие сопротивления в разрядной цепи зашунтированы соответствующими емкостями (предполагается, что сопротивление устройства для регистрации тока пренебрежимо мало): 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 контактне сопротивление образец-базовый электрод шунтируется контактной емкостью, резистор 4 шунтируется его межэлектродной емкостью б, Наименьшая иэ этих емкостей (б) через время порядка 10 нсек полностью заряжается и прерывает искровой разряд. Дальнейшая разрядка накопительного конденсатора 2 происходит неискровым способом за счет остаточной ионной проводимости воздуха, Ток разряда при этом ничтожно мал (менее 1 мкА), Т, О, в цепи зондирующего электрода оказывается сформирован импульс тока, амплитуда которого определяется сопротивлением плазменного шнура, Йа и сопротивлением растекания исследуемого полупроводника Вр. После прекращения разряда конденсатор 2 снова начинанет заряжаться и потенциал зонда вновь начинает повышаться относительно потенциала образца, Когда разность потенциалов между образцом 7 и зондом 5 вновь достигнет пробойного значения, снова возникает микроискра, и весь процесс повторяется сначала.Изобретение осуществляется следующим образом.Было изготовлено устройство, схема которого показана на рис. 1.Источник высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением был изготовлен на основе стабилизированного выпрямителя ВС,в высокое внутреннее сопротивление обеспечивалось двумя резисторами по 750 МОм, которые подключались последовательно с выходом прибора.Накопительный конденсатор 2 был выполнен из листа фольгированного с обеих сторон гетинакса толщиной 1 мм, Он имел форму круга О 50 мм с отверстием О 4 мм в центре.В качестве зондирующего электрода использовалась швейная игла,Сопротивление резистора 4 составляло 150 МОм, его межэлектродная емкость (плюс емкость монтажа) составляла 2 пф (измерено с помощью автоматичесокого моста Е 7 - 8),Измерение амплитуды импульсного тока осуществлялось путем включения в разрядную цепь резистора сопротивлением 51 Ом и регистрации падающего на нем напряжения с помощью осциллографа С - 65 (на фиг, 1 устройство для регистрации импульсного тока имеет позицию 3).На описанном устройстве была подвергнута контролю серия полупроводниковых пластин из ии р-(е. Пластины имели площадь2 см и толщину1 мм. Рабо- г чие поверхности всех пластин были подготовлены ддентичным способом (мелкаяшлифовка с последующимтравлением в освежающем травителе. На выпрямителе ВС устанавливалось напряжение 2 кВ, При атом длительность импульсов тока составляла от 7 до 20 нсек (в зависимости от удельного сопротивления образцов) при частоте повторения несколько десятков герц. На фиг. 2 показана зависимость амплитуды импульсов тока в цепи разряда от величины удельного сопротивления для серии образцов из и. Удельное сопротивление каждого образца было предварительно измерено по стандартной 4-х зондовой методике (доверительныв интервалы на фиг, 2). На этом же рисунке сплошной линией показаны результаты расчета по формуле(4) при следующих значениях подгоночных параметров: радиус плазменного шнура г"17 мкм; сопротивление плазменного шнура йшОм; пробойное напряжение 0-31 В инжекционный токинж,92 мА. Как видно из рисунка, формула (4) хорошо описывает экспериментальные результаты. Это говорит о том,что рассмотренная физическая модель, в которой пробивное напряжение и инжекционный ток не зависят от удельного сопротивления полупроводника, адекватно описывает протекание электрического тока в образце при искровом разряде. Проведенные исследования показали, что данная методика работает более надежно, чем однозондовый метод с прижимным зондом. Достигнута хорошая воспроизводимость результатов и высокая точность измерений удельного сопротивления по сравнению с прототипом. Радиус плазменного шнура в условиях описанного эксперимента составлял 17 мкм, следовательно, заявляемый метод обеспечивает высокую локальность на уровне возможностей прототипа.Заявляемые способы и устройство обеспечивают неразрушающий контроль удельного сопротивления полупроводниковых материалов, Это достигается тем, что энер гия, выделяемая иск)ой в кристалле, составлет О- Вш фф 2 10 Дж, что соответствует плотности энергии на поверхности полупроводника Я-1500 эрг/см . Такое0 2йгвоздействие, ввиду своей малости, никаких существенных нарушений поверхности исследуемых образцов не вызывало, что подтверждалось исследованием поверхности образцов с помощью оптического микроскопа до и после электроискровых измерений, Столь малая энергия искры обеспечивалась как величиной зазора между зондом и образцом ( 0,2 мм), так и55 средство регистрации импульсного тока иострие зондирующего электрода расположено в отверстии конденсатора на расстоянии 0,1-1,0 мм от верхней плоскости базового электрода. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 малой длительностью искрового импульса тока (т ф 10 нсек), определяющейся величиной емкости 6 (межэлектродная емкость резистора 4). Нераэрушающий характер измерений позволяет испольэовать заявляемый способ и устройство для контроля удельного сопротивления тонких полупроводниковых пленок (прижимной зонд разрушает тонкие пленки).Формула изобретения 1. Способ локального контроля удельного сопротивления полупроводников, основанный на приложении напряжения между исследуемым полупроводником и заостренным на конце зондовым электродом, измерении возникающего при этом электрического тока и определении величины удельного сопротивления исследуемого полупроводника по калибровочной кривой, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности измерений, зондовый электрод отделяют от поверхности полупроводника воздушным зазором, полярность напряжения между образцом и зондовым электродом устанавливают "плюс" на зондовом электроде для полупроводников р-типа, величину подводимого напряжения задают достаточной для возникновения искрового разряда в зазоре между зондовым электродом и поверхностью полупроводника, измеряют амплитуду импульса тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника.2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что для полупроводников и-типа полярность на зондовом электроде устанавливают "минус".3. Устройство для локального контроля удельного сопротивления полупроводников, включающее источник высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением, зондирующий электрод, базовый электрод и средство регистрации импульсного тока в цепи зондирующего электрода, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения неразрушающего контроля, к выходу источника высокого напряжения подключен плоский конденсатор сосквозным отверстием в центре его пластин,верхняя обкладка которого служит базовым электродом, а нижняя подключена к зондирующему электроду через последовательно соединенные высокоомный резистор и1822972 2./ 2 Фиг 500 Составитель И, РумянцеваТехред М, Моргентал Редактор Т Шагов Подписноениям и открытиям при ГКНТ СССая наб., 4/5 дарственного 113035, комбинат "П Гагарина 10 т, г. Ужго аказ 2178 В Н 0111 Ио 3