Способ измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образце

(и)934320 ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(5)М. Кл. с присоелиненнем заявки МС 01 й 21/59 3 оеударстееииый комитет СССР(23)приоритет ио делан изфбретеиий и открытий(3) УДК 621,382, ,002(088,8) Дата опубликования описания 0, 0682(72) Авторы изобретения З,С.Грибников, В.А.Романов и С,И,Козловский Институт полупроводников АН Украинской. ССР(51 т) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОДНОМЕРНОГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИНЕСКОМПЕНСИРОВАННОЙ ПРИМЕСИВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ОБРАЗЦЕ Изобретение относится к производству и применению полупроводниковых материалов и может быть использовано для экспресс-измерений распределения локальной концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковых об- разцах, преимущественно с одномерно неоднородным легированием в заводских и лабораторных условиях.Известен способ измерения распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниках. путем измерения поворота плоскости поляризации излучения от источника монохроматического линейно поляризо ванного света, прошедщего через по 15 мещенный в магнитное поле полупроводниковый образец. Поворот плоскости поляризации определяется концентрацией нескомпенсироваччых примесей, нап 2 о ряженностью магнитного поля, линейным размером образца в направлении пучка света, а также другими параметрами, Сканирование обоазца относительно пучка ИК-излучения позволяет получить распределение концентрации нескомпенсированной примеси Эе;х) на самопишущем потенциометре11.Однако недостаточно высокая чувст вительность дачного способа существенно ограничивает диапазон измеряемых значений 3 е с нижней стороны.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения одномерного распреде ления концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образ це путем сканирования вдоль образца пучком ИК-излучения и измерения интенсивности прошедшего сквозь обра" зец излучения 2 .Физическая сущность этого способа заключается в том, что в нем ис - пользуется метод поглощения ИК-излучения, учитывающий как поглощение ИК- излучения решеткой кристалла, так и поглощение излучения свободными носителями тока, концентрация которых93 равна концентрации нескомпенсированной легирующей примеси, В связи стем, что .поглощение решеткой само посебе достаточно сильно, заметный контраст, обусловленный поглощением насвободных носителях тока на фоне поглощения решеткой, выявляется, лишьпри концентрациях нескомпенсированнойлегирующей примеси, превышающих101 см-.Достоинством известного способаявляется простота и экспресность метода получения информации о распределении флуктуаций концентрации нескомпенсированной примеси в образце ивысокая разрешающая способность, достигающая 30 мкм и определяемая размером сканирующего пучка ИК-излучения.Однако недостаточно высокая чувствительность известного способа непозволяет выявлять и измерять флуктуации в распределении концентрациинескомпенсированной легирующей примеси и саму концентрацию, если еевеличина не превышает 1 Осм , цтосущественно ограничивает его использование для исследования образцовслабо легированных полупроводниковыхматериалов, представляющих большойинтерес для полупроводниковой техники. Кроме того, известный способсовершенно неприемлем для выявления флуктуаций нескомпенсированной примеси в полупроводниках с собственнойпроводимостью, поскольку в этом случае поглощение на свободных носителях будет совершенно однородным повсему образцу.Цель изобретения - повышение чувствительности способа.Поставленная цель достигается темчто в способе, включающем сканирование вдоль образца пучком ИК-излучения и измерение интенсивности про, шедшего сквозь образец излучения,ок исследуемому образцу прикладывают импульсы электрического напряжения, приводящего к дрейфовому распределению неравновесных носителей заряде в образце, и измеряют изменение интенсивности прошедшего ИК-излучения,Измерения проводят в условиях инжекции неравновесных носителей заряда. р(х) = 2 М(х),где 2 - сложная функция подвижностей 35электронов и дырок, временижизни неравновесных носителей, концентрации равновесныхнеосновных носителей,а такжеплотности протекающего тока и 40оасстояния до точки в образце,в которой распределение носителей из диффузионного ста.новится дрейфовым, При использовании инжекции появляется возможность усиления искомого распределения концентрацииЯЯ(х), посколькуфункция Е возрастает по мере ростатока и при достаточно большом токеможет во .много раз превышатьединицу.(2) 1 Наличие дрейфового распределения неравновесных носителей заряда устанавливают по признаку совпадения нормированных распределений кон 11320 4центрации неравновесных носителейпри двух величинах тока, протекающего через образец, отличающихся вполтора-два раза.физическая сущность предлагаемогоспособа заключается в использованииранее неизвестной закономерности, аименно возникающего при определенных условиях подобия между одномер О ным (например, в направлении х)распределением концентрации нескомпенсированной примеси Ж (х) в полупроводниковом образце (для определенности, с электронной проводи мостью) и распределением концентрации неравновесных носителей, являющегося следствием протекания черезнего тока в направлении х. Неравновесные носители могут быть собствен ными либо иниектированными через контактили светом. Величина протекающего токадолжна быть такой, чтобы связанное с нимлокальное электрическое поле было значи тельно больше встроенного концентра ционного поля, связанного с неоднородным распределением нескомпенсированной примеси Ж (х), т.е. распределение неравновесных носителей р(х)должно быть дрейфовым. В этом случае З 0 .между локальными концентрациямир(х) и ДЕ (х) существует связь В связи с тем, что функция 2 медленно изменяется с координатой х, из формулы1) вытекает соотношение(3) гдеЬЭЮх) - локальная амплитуда отклонения концентрациинескомпенсированной при.меси от ее усредненнойвеличины,р(х) - усредненная на длиненескольких периодов неоднородности величинаконцентрации нескомпенсированной примеси,р(х) = рх) + др(х) (4) 35 где Ьр(х) - локальная амплитуда отклонения концентрации неравновесных носителейот ее усредненного значения,р(х) - усредненная на длиненескольких периодов неоднородности величина концентрации неравновесныхносителей.В формуле (2) величина 3 е (х) яв- ЗОляется паспортным параметром полупроводникового материала, которыйможет быть также легко определенс помощью стандартного двух- иличетырехзондового метода измеренияудельного сопротивления и величиныподвижности носителей.Кроме значения величиныа(х) длянахождения распределения концентрации нескомпенсированной примеси40необходимо провести измерение распределения неравновесных носителей Г(х)по длине образца в условиях протекания тока и выполнения требованиядрейфового распределения, На практике в выполнении этого требования легко убедиться, проводя измерения распределения р(х) при двух отличающихся в полтора-два раза значениях тока.Распределение носителей действительно дрейфовое, если полученные длядвух значений тока нормированныераспределения р(х) совпадают,Наиболее чувствительным методомизмерения распределения концентрации,55неравновесных носителей р(х) является метод поглощения на неравновесныхносителях, изменение концентрациикоторых обусловлено проходящим через 20 6образец током. При использованииимпульсного питания образца и синхронного с импульсами напряжения детектирования прошедшего через образец излучения оказывается возможнымвыявление и измерение малых изменений концентрации неравновесных носителей и связанных с ними соотношением (1) пространственных изменений концентрации нескомпенсированных примесей.На чертеже представлена блок-схема установки, реализующей предлагаемый способ.Установка состоит иэ источникаИК-излучения ( глобара 1), плоского зеркала 2, двух сферических зеркал3 и 4, полупроводникового образца5 и механизма 6 его перемещенияоптической щели 7, приемника 8 иэлу"чения,генератора 9, прямоугольных импульсов напряжения, усилителя 10сигнала с приемника излучения, синхронного детектора 11, самопишущего потенциометра 12 и модулятора 13 излучения.Установка работает следующим образом.Пучок света от глобара 1 фокусируют зеркалами 2 и 3 на поверхность исследуемого полупроводникового образца 5, перемещаемого вдоль направления х механизмом 6, Излучение, вышедшее из образца, ограничивается щелью 7 с размерами 0,05 х 1,5 мм изеркалом 4 фокусируется на охлаждаемый жидким азотом приемник 8 излучения на основе легированного золотом германия. Сигнал с приемника 8 излучения усиливают резонансным усилителем 1 О со входным строб-каскадом который открывается синхронно с импульсами напряжения, поступающими от генератора 9 на контакты образца 5Сигнал с усилителя 10 поступает насинхронный детектор 11 и далее на самопишущий потенциометр 12, на котором и регистрируется распределение изменения поглощения Ь(х) ИК-излучения на неравновесных носителяхпри перемещении образца вдоль направления х. При работе в качестве опорного сигнала для синхронного детекто ра 11 используют первую гармонику импульсного напряжения на контактах образца 5, Параметры импульсов от генератора 9: амплитуда 0- 120 В, длительность 200 мкс, частота повтооения 25 Гц.9343 формула изобретения 25 16 Л 7 Тираж 887 Подписно ВНИИПИ 3 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектна 12.ной в среднем 210 см, проводят на фоне концентрации собственных но- сителей, равной 6 10"ф см ,Результаты испытаний подтверждают перспективность использования пред.лагаемого способа. для экспресс-измерений распределения концентрации , нескомпенсированной примеси в одномерно неоднородных полупроводниковых материалах, когда амплитуда локально О го изменения концентрации доноров или1 ф й -3 акцепторов составляет 1 О -1 О см или более того на фоне средней концен трации доноров или акцепторов такого же порядка или выше, 15Зарегистрированная при испытаниях чувствительность предлагаемого способа в отличие от известного принципиально не ограничена и может быть увеличена при использовании более совершенной измерительной аппаратуры. 1. Способ измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образце путем сканирования вдоль образца пучком ИК-излучения и измерения интенсивности прошедщего Ф 20 10сквозь образец излучения, о т л ичающий с я тем, что, с цельюповышения чувствительности, к исследуемому образцу прикладывают импульсыэлектрического напряжения, приводящего к дрейфовому распределению неравновесных носителей заряда в образце,и измеряют изменение интенсивностипрошедшего ИК-излучения. 2, Способ поп,1, о т л и ч аю щ и й с я теМ, что, измеренияпроводят в условиях инжекцни неравновесных носителей заряда.3. Способ по пп.1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что.наличиедрейфового распределения неравновесных носителей заряда устанавливают попризнаку совпадения нормированныхраспределений концентрации неравновесных носителей при двух величинахтока, протекающего через образец,отличающихся в полтора-два раза.Источники информации,лринятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРМ 368526, кл. С 01 й 21/00,2. 5 пегвап В., В 1 ас 1 З,Г. Сканирующий лазерный инфракрасный микроскоп. Арр 11 ед Орй 1 сз, 1970,ч.9,Й.4,р.802-809 (прототип).