Способ определения электрофизических параметров полупроводников

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 3(59 б 01 Н 31/26 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕЛЬСТВ АВТОРСКОМУ СВ с Огс Опор ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИ(56) 1, Батавин В.В. Контроль параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных слоев. М., 1976, с. 18-23.2. Бройниг, Рихтер, Новый импульсный метод измерейия емкостей МОП-структур в зависимости от напряжения и времени.-"Приборы для научных исследований", 1976, Р 3, с. 69-73Ф(54)(57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРЛМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, включающий формирование МДП-структуры, воздействие на МДП-структуру основного импульса напряжения обеднения постоянной амплитуды при изменении его длительности и определение параметров тока генерации, измерение емкости МДП-структуры при воздействии на нее основного импульса напряжения обеднения постоянной длительности при изменении его амплитуды .О и определение по результатам измерения профиля концентрации примесей, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют емкость МДП-структуры при воздействии на нее дополни-, тельного импульса напряжения обеднения постоянной длительности и постоянной амплитуды, следующего непосредственно за основным импульсом напряжения обеднения, и опре,ЯО 1057887 А деляют параметры тока генерациипо результатам измерения емкости вавремя действия дополнительного импульса напряжения обеднения, а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при воздействии дополнительного импульсанапряжения обеднения, при этом амплитуду дополнительнаго импульса напряжения обеднения О определяютиз условия е Ц - напряжение включения инверсии,"вор - пороговое напряжение поле- ОЩвой генерации,- длительность дополнитель- фдного импульса напряжения %УФобеднения,Тд определяютиэ условияив ""равнгде Тиц -,время измерения емкости,Гравн время установления равновесного распределения неосновных носителей тока в МДП-структура.2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что емкость МДП-структуры при определении параметров тока генерации измеряют с задержкой от начала дополнительного импульса напряжения обеднения, равной времени установления равномерного распределения неосновных носителей тока на поверхности полупроводника МДП-структуры.Изобретение относится к способамопределения электрофизических параметров полупроводников и можетбыть применено при контроле электрофизических параметров, полупроводниковых пластин, используемых при,производстве полупроводниковых приборов, а также в области физикиполупроводников,Известен способ измерения электрофизических параметров полупроводников, включающий формирование наполупроводниковой пластине косогошлифа и измерение сопротивления растекания точечного контакта на косомф ИНедостатком способа является разрушение контролируемого объекта. 10 15 Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является способ определения электрофизическихпараметров полупроводников, включающий формирование на поверхности полупроводников МДП-структуры, подачуна нее импульсов напряжения обеднения, измерение емкости МДП-структуры, получение зависимостей емкости МДП-структуры от амплитуды импульсов напряжения обеднения и отвремени с момента их подачи, По зависимости емкости от напряжения оп Оределяют профиль концентрации примеси, а по зависимости емкости отвремени - параметры тока генерации .,Недостатками способа являются невозможность получения начальногоучастка Эависимости генерационноготока от времени с момента подачиимпульса до окончания измеренияемкости, низкая точность результатов определения профиля концентрации примеси, особенно из большихи близких к предельным глубинам.Начальный участок зависимости генерационного тока несет информацию опараметрах электроактивных дефектов 45кристаллической структуры полупроводника, однако принципиальные технические трудности не позволяют уменьшить время измерения неравновеснойемкости до необходимых значений 50вследствие ограниченного быстродействия измерителей емкости. Низкаяточность определения профиля концентрации примеси обусловлена тем,что во время измерения при большихглубинах, т.е, при высоких напряжениях на ИДП-структуре, в областипространственного заряда образуются большие по величине токи полевойтермополевой) генерации, приводящиек быстрому образованию инверсионного слоя к моменту окончания измерения емкости, что приводит к неверному определению профиля, так какнарушает условия применимости выражения, по которому обычно нахо дится профиль, и, тем самым, всего способа в целом.Цель изобретения - повышение точности определения профиля концентрации примесей и параметров тока полевой генерации в полупроводнике. Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу определения электрофизических параметровполупроводников, включающему формирование МДП-структуры, воздейст -вие на МДП-структуру основного импульса напряжения обеднения постоянной амплитуды при изменении егодлительности и определение параметров тока генерации, измерение емкости МДП-структуры при воздействиина нее основного импульса напряжения обеднения постоянной длитель"ности при изменении его амплитуды0 и опрецеление по результатамизмерения профиля концентрации примесей, дополнительно измеряют емкость ИДП-структуры при воздействиина нее дополнительного импульсанапряжения обеднения постояннойдлительности и постоянной амплитуды, следующего непосредственно заосновным импульсом напряжения обеднения, и определяют параметры токагенерации по результатам измеренияемкости во время действия дополнительного импульса напряжения обеднения, а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при воздействии дополнительногоимпульса напряжения соединения,при этом амплитуду дополнительногоимпульса напряжения обеднения Оопределяют из условият 2 поргде О - напряжение включения инверсии;ЕЕпор - пороговое напряжение полевой генерации," - длительность дополнительного импульса напряжениясбеднения Ер определяютиз условияТ Тизм т "равнгдеТм - время измерения емкости;Ерарн- время установления равновесного распределения неосновных носителей токав МДП-структуре.Кроме того, при определении параметров тока генерации емкость МДП-структуры измеряют с задержкой от начала дополнительного импульса напряжения обеднения, равной времени установления равномерного распределения неосновных носителей тока на поверхности полупроводника МДП-структуры.На фиг. 1 изображена временнаядиаграмма подаваемых импульсов напряжения и измерений емкости дляопределения зависимости генерационного тока от времени на фиг, 2временная диаграмма измерений дляопределения профиля концентрациипримесиНа чертежах обозначено: основнойимпульс 1 напряжения обеднения,дополнительный импульс 2 напряжения 10обеднения, уровень 3 порогового напряжения полевой генерации, уровень4 напряжения включения инверсии,временной интервал 5 измерения емкости С, временной интервал б измерения емкости С неравновеснойвольтфарадной характеристики.Определение электрофизическихпараметров полупроводников производится следующим образом.На полупроводниковой пластинеформируют МДП-структуру, на которуюподают последовательно .один за другим основной 1 и дополнительный 2импульсы напряжения обеднения.Ам,литуда основного импульса 1 250, устанавливается необходимой для .образования полевых токов генерации..Амплитуда дополнительного импульса2 0 устанавливается ниже напряжения, необходимого для образования 30полевых токов, т.е. ниже пороговогонапряжения полевой генерации 0 порно выше, чем напряжение, необходимое для образования в равновесныхусловиях инверсионного слоя, - напряжение включения инверсии ОИзмеряют емкость Ск МДП-структурыво время действия дополнительногоимпульса 2 не позднее, чем установится равновесное распределениенеосновных носителей тока, т.е непозднее, чем образуется равновесный инверсный слой. Для снижениявлияния тепловой генерации емкостьСк МДП-структуры измеряют сразу после подачи дополнительного импульса 452, а также снижают температуру контролируемого полупроводника. где С; - емкость ЫДП-структуры врежиме обогащения,8 ц - внутреннее сопротивлениеисточника напряжения,лпостоянная времени заряда МДП-емкости.Величина тока генерации 3 определяется по зависимости измеренной емкости С от длительностиосновного импульса 1 соотношениемдсоеНС,где Е - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуумаЕэ - относительная диэлектрическая проницаемостьполупроводниковзаряд электрона;концентрация. примеси.В случае локальной полевой генерации после снижения напряжения ниже порогового напряжения полевой генерации устанавливается равномерное распределение неосновных носителей по площади инверсионного слоя. Время установления равномерного распределения 1 С определяется процессом самоиндуцированного дрейфа, длительность которогоф 2Ф (3) где Ь - характерный размер металлического электродаМДП-структуры,О - поверхностная подвижностьЬ - неоднородность поверхБностного потенциала,Для повышения точности определения тока генерации измерение емкости С производят после установления равномерного распределения неосновных носителей по площади инверсионного слоя, Время, необходимое для установления неоднородного распределения 1 ъад. опт.может быть оценено по формуле (3) 50 55 б 0 б 5 Пороговое напряжение полевой генерации может быть оценено теоретически или экспериментально, например, по зависимости времени .релаксации от амплитуды импульса глубокого обеднений. Пороговое напряжение Опор примерно соответствует началу уменьшения времени релаксации при увеличении амплитуды импульса, Напряжение включения инверсии также рассчитывают или экспериментально определяют по измерениям равновесной вольт-фарадной характеристики МДП-структуры.Для повышения разрешения начального участка зависимости тока генерации от времени измеряют зависимость емкости С от длительности воздействия основного импульса 1, т;е. от длительности протекания генерационных токов. Поскольку длительность основного импульсаР, не ограничена снизу длительностью измерения емкостиТщ, то она может быть уменьшена. Новое ограничение снизу на длительность основного импульса 1 связано с конкретными условиями измерения и определяется временем образования неравновесной области пространственного заряда То которое, в частности, может быть наличием последовательного сопротивления тела полупроводника МДП-структуры Ч и неидеальностью используемого источника напряжения, т,е.Тъ"- ь = Ск ц+ ИЦлибо экспериментально определенопутем измерения при неизменной амплитуде и длительности основногоимпульса 1 зависимости емкости Схот длительности времени задержкиизмерения емкости 1 ад,отсчитанногоот начала дополнительного импульса 2до начала измерения емкости С 1При этом амплитуду дополнительного импульса 2 оставляют неизменной,искомое время(,з ц соответствует 10тому моменту времени на этой занксимости, когда величина емкостиперестает изменяться от(.д при условии, что оно остается существенно меньше полного времени темновойрелаксации. Теоретическая оценка поформуле (3) для кремния МДП-структуры н виде круга диаметром 1 мм инеоднородности поверхностного потенциала 0,1 В составляет около 10 С.Э.Повышение точности определенияпрофиля кон ентрации примеси достигается путем измерения и последующего учета токов полевой генерации,образующихся во времени измеренияемкости неравновесной вольт-фарадной характеристики. Поскольку дляучета этих токов необходимо знатьтолько изменение велкчины зарядаобразованного ими иннерсконного слояза время измерения неравновеснойпроисходящее при изменениинапряжения глубокого обеднения, тооптимальным вариантом способа приопределении профкля концентрации является измерение е лкости С но нремя действия основного импульса 1н зависимое -к От амплитуды ОснОВного импул:са (11 , т.е, получениенеравновесной вольт-фарадной характеристики С 10,)измерение заниси- д 0мости емкости Ск во время действиядополн:тлльно:.о импульса 2 от амплитуды основ ого импульса 1 С(О,)Длительность основного импульса 1устанавливают малой по сравнению свременем релаксации, по достаточнойдля кзл:ерония одного значения емкости, 11 рк"ем оптимальной будет длительность, определяемая окончаниемизмерения емкости но время действияосновного импульса 1. Учет токов 50полевой генерации можно проводитьдвумя путями. Можно корректироватьопределяемую величину концентрациипримеси по соотношениям, получаемымиз рассмотрения математической модели МДП-структуры в режиме глубокогообеднения с учетом наличия инверсконного слоя1 ВС 1 ) Г"ВО,М 60 Ч:где С(О) - измеренная неравновесная вольт-фарадная характеристик а,4;, (О,) - зависимость заряда инвер-сконного слоя, образованного во время измерениянеравновесной емкости,от амплитуды напряженияглубокого обеднения,По измеренной завксимости С(О)определяют30 (О) ЕЕ МЗС 1)Сд 112где И - концентрация, определяемая,по классической формулеобратного квадрата (б) изучастка неравновесной С-Охарактеристики при (1-(1Можно учитывать иначе, считаянедостоверным тот участок профиля,определяемого по классической формуле обратного квадратана котором член, определяющий методическую погрешность определения профиля, пренышает допустимую величину, т,е, тот участок неравновесной С.(1 характеристики недостоверен (и соответствующий ему участок проФиля), на котором член., ( С,1,12 д(1 лбольше допустимой величины. Так, если этот член больше 0,1, то методическая погрешность будет более +10%Бремя релаксации при данном напряжении, определенное по измеренной уже зависимости, составляет 28 с. Измеряют зависимость емкости С к от длительности основного импульса( Для этого сначала подают импульс, имеющий Р, = Ос, т,е, просто прямоугольный импульс амплитуды О Через время 10с после подачи переднего фронта импульса начинают измерять первое значение емкости С,Время измерения емкости составляет 10 с, Длительность дополнительного импульса "2 установлена постоянной-6 следующую пару импульсов " -- 10 с. Через 10с после подачи переднего фронта дополнительного импульса начинают измерять второе значение емкости С. Далее измерения повторяются, при каждой следующей подаче имн;ульсов 1 и 2 увеличивают длительность основного импульса на 10 с. Измерения заканчкваются после получения ста замеров емкости, Зависимость тока от времени рассчитывают по формуле (2) . Получечные токи охватывают начальный)0,5 бО соответствует участку напряжений04 = 47 - 100 В. Рассчитывают поформуле (6) или для повышения точности по .(4) и 5) концентрацию приучасток зависимости тока генерацииот времени (от 10 до 104 с) болеекороткий, чем время измерения емкости. Для измерения зависимостиполучаемых временных Функций токаот напряженности поля аналогичныеизмерения повторяют при других значениях амплитуды первой степениимпульса.Измеряемый образец и последовательность операций аналогичны при Оведенным, однако, с целью повышения достоверности измерения токагенерации вместо Фиксированного малого времени задержки измерения1 дА = 10 с) между подачей переднего Фронта второй ступени импульса и началом Измерения емкости С,длительность задержки измеренияустанавливают больше, чем времяустановления однородного распределения неосновных носителей в ин 20версионном слоеВремя установленияоценивают по формуле (3), что дает10 с, Для уверенного обеспеченияустановления равномерного распределения задают 14 п, = 10 с, что все.2 25равно много меньше времени релаксации 28 с) .Для полупроводника - контролируемой эпитаксиальной структуры:Сл 100 пф,( 10, и источника ЗОимпульсов Р-- 10 Я. подаваемые им;пульсы могут иметь длительностьосновного импульса 1 в диапазонеот 10 с и более. Таким образом, по, вышается разрешение начального участ-З 5ка зависимости генерационного токапо сравнению с прототипом от значенияиц10 С до С = 108 с.4П р и м е р 1. Измерение зависимости тока полевой генерации от 40времени. Исследуемый полупроводник - однородно легированная кремниевая пластина Р -типа концентрация бора 5 ф 10 смНа поверхности пластины плазмохимическим45осаждеиием образуют слой диэлектрика - двуокиси кремния, толщиной0,2 мкм с электрической прочностьювыше 100 В,На поверхность диэлектрика методом вакуумного напыления наносятслой алюминия и затем проводят понему фотолитографию для получениязатворов круглой формы диаметром1 мм,Оценивают величину порогового55напряжения полевой генерации. Дляэтого измеряют зависимость временитемповой релаксации от амплитудыимпульса глубокого обеднения. Максимальное время релаксации составляет 30 С. Пороговое напряжениеполевой генерации ориентировочносоставляет 50 В. Определяют напряжение включения инверсии и емкостьдиэлектрика. для этого измеряют б 5 равновесную вольт-фарадную характеристику. Напряжение включения соответствует тому напряжению в области обеднения и инверсии, при котором дальнейшее обеднение не приводит к уменьшению емкости. Напряжение включения инверсии составляет 20 В, емкость диэлектрика - 150 пф. Устанавливают параметры импульсов напряжения обедненияАмплитуду основного импульса 1 устанавливают больше вероятной величины порогового напряженияО,= 60 В), Амплитуду второй ступени устанавливают несколько меньше величины порогового напряжения и существенно больше, чем напряжение включения инверсии, что позволяет измерять возможно больший заряд инверсного слоя 02 = 40 В.Измерение профиля концентрации примеси в эпитаксиальном слое И. -типа, расположенном над скрытым слоем Ьф-типа проводимости, Исследуемый образец - тонкая эпитаксиальная кремниевая структура с скрытым слоем. Операции Формирования МДП-структуры такие же, как и в примере 1. Аналогично примеру 1 проводится определение емкости диэлектрика (С, = 150 пф, порогового напряжения полевой генерацииОпор= 50 В), напряжения включения инверсии (От =20 В) и времени релаксации 1 с). Устанавливают параметры импульсов 1 и 2: Т, =104 с; Т=1,5 104 с;0 = 30 В. Время измерения емкости составляет 10 с. Подают серию пар импульсов 1 и 2. Последующая пара отличается от предыдущей только амплитудой . основного импульса 1, которую при первой подаче задают равной нулю, а затем с каждым новым импульсом увеличивают на 1 В. Измерение емкости проводят при каждой подаче импульсов дважды: во время действия основного импульса 1 измеряют емкость С и через 10 с после подачи дополнительного импульса 2 измеряют емкость С. Измерения заканчивают при достижении О 1 значения 100 В, По зависимости СкО находят недостоверный участок измеренной неравновесной вольт-фарадной характеристики СО,). Полагают, что методическая погрешность не должна превышать +50, Это условие меси, используя участок неравновесной вольт-Фарадной характеристики1057887 ИИПИ Заказ 9580/48 Тираж 710 Подп лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проек сн 4 С (О,) в диапазоне О, = 0+47 В, Входящее в выражение (7 значение М определяют также по формуле (б) из С (О,1 при О,: О = ЗО В, оно составляет 8 10 см , Если бы использовался для расчета профиля участок С(О) в диапазоне О, ) 47 В, то этот расчет дал бы ложное увеличение концентрации примеси при увеличении глубины, что было бы воспринято за реальный профиль концентрации в эпитаксиальном слое над высоколегированным скрытым слоем того же типа проводимости.По сравнению с базовым известным способом контроля параметров полупроводников на основе измерения зависимости емкости МцП-структуры от времени и напряжения предлагаемый способ позволяет расширить временной диапазон контролируемой зависимости тока генерации от времени и, тем самым, повысить точность определения параметров полу- ю проводника, особенно при сильн хэлектрических полях. Предлагаемыйспособ позволяет повысить точностьизмерения профиля концентрации примеси, особенно на больших и предельных для метода неравновесныхвольт-фарадных характеристик глубинах, что важно при контроле неоднородных по толщине полупроводниковых слоев. Применение предлагае мого способа позволяет реализоватьнеразрушающий контроль толщины зоны постоянной концентрации в тонких эпитаксиальных структурах й - П-типа. Введение подобной операции контроля в технологическиймаршрут изготовления интегральныхсхем позволяет проводить отбраковку заведомо негодных эпитаксиальных структур на ранних этапах изготовления инеграьны схем и темсамым сократить затраты на производство и повысить процент выходагодных БИС,