Способ контроля качества невыпрямляющих контактов в полупроводниковых структурах

(9) ( 5)4 С 01 К 31 САНИ О ОБ ЬСТВУ МУ СВИД(71) Киевский оственный универ Бюл. 9 36 А.К. Ба ядена нина г р Ш т а 1. Бо 1, 8, р.29. тво СССР ЧЕСТВА ПОЛУПР чающ ении от металломожкой к тно ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ченко(56) 1. С.А. Апаапгопс аЗаге ТесЬпо 1 оеу, Р 4, 1962. Авторское свидетельсВ 706796, кл. С 01 К 31/26(54)(.7) СПОСОВНЕВЫПРЯМЛЯ 10 ЩИХ КОНТАКТОВ ВВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, вклпропускание тока в направлконтролируемого контакта сили полупроводниковой подлполупроводнику р-типа и вИ направлении для полупроводника и-типаа также измерение пульсирующего тока,о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, сцелью упрощения и расширения функциональных возможностей способа, пропускают постоянный ток и освещаютконтролируемую область контакта состороны полупроводника модулированным светом с длиной волны, выбранной из соотношения 1 Ы1, где1 - коэффициент поглощения светав полупроводнике, а с- расстояниемежду освещаемой областью полупроводника и контролируемой областьюконтакта, и измеряют пульсирующийфототок через контакт, а о низкомкачестве контакта судят по наличиюпульсирующего фототока, увеличивающегося с ростом постоянного токаи совпадающего с ним по направлению,ка прспускатот прямой ток, цагревающий структуру, в виде импульсов различной длительности. ри этом в течение каждого импульса область пространственного заряда в р -и-переходесужается, и падение напряжения наструктуре определяется преимущественно сопротивлециями объема базовой области полупроводника и приконтактцых областей невыпрямляющих контактов, зависящими от температуры.При низком качестве невыпрямляющегоконтакта в приконтактной областиполупроводника может существоватьпотенциальный барьер, обладающийповышенным сопротивлением, особеннопри смещении, соответствующем прямому току через р-и-переход. В этойобласти происходит наибольшее выделение джоулевого тепла, определяемоепомимо сопротивления также длительностью греющего импульса тока. Такимобразом, согласно способу Формируютсерито импульсов прямого тока различной длительности и пропускают ихчерез структуру. При этом измеряютвеличину импульсного тока и термочувствительного параметра - прямогопадения напрякения для каждой длительности импульсов, Затем путемРаСЧЕта ИЛИ С ПОМОЩтЬ 1 О ЭЛЕКтРОННОйсхемы по разницам амплитуд мощности, соответствуюшим импульсам различной длительности, судят о качестве контактных соединений 2,Недостатком способа является сложность проведения измерений и учета факторов, искажающих результат контроля, а именно: зависимости результатов измерений от теплоотвода и тот.пературы окружаюцей среды ввиду цслицейцай связи падения напряжения с температурой; зависимости результатов измерения от параметров базовой области полупроводника, зависящих от температуры, и качества второго цевыпрямляющего контакта, так как прямое падение напряжения на структуре, выбранное как дискриминирующий параметр качества контролируемого контакта, равно сумме всех падений напряжений. 1 1157947Изобретение относится к областиполупроводниковой электроники иможет быть использовано для контроля качества полупроводниковыхструктур в процессе изготовления,а также. посл него,Качество, надежность и эффективность полупроводниковых структур,например фотодиодов, солнечных элементов, силовых диодов, интегральных схем, в значительной степенизависит от сопротивления и линейности вольт-амперной характеристики(БАХ) невыпрямляющего контакта.Приплохом качестве контакта, представ.пяющего собой либо контакт металлПОЛуцт 01 Заттц 51 К, Либо Кацтат ЭПИтакс 11 аПЬЦОГО С.т 051 С ВЫСОКОЛ 1 ИРОванной полупроводниковой падлах: -кой, в прикацтактнай области возможно образование потенциального барьера в виде запорного слоя и облас-ти пространственного заряда (ОПЗ),что ведет к нелинейной ВЛХ и повышению сопротивления. Необходимость25контроля этих явлений связана с требоззаниями быстроцействия современных полупроводниковых приборов,увезшчсция отдаваемой в цат.рузку мощности и КПД потзышения надежностии далгавс-:чцасти,30Известен способ контроля качествацевыпрямляющих контактов, основанныйца исследовании их емкастцых свойств,в частности зависимостей комплекснога сопротивления ат часто 15 ыПри этом, 35измсряют полное сопротивление на низкой частоте, которое включает сопротивление объема полупроводника и сапротивлеци ОбОих кантак 10 в, и ца высокой частоте, когда сопротивление 40состоит лишь из первого слагаемого 1 1.Недостатком способа являются невозможность раздельного исследования контактов ца противоположных 45сторонах палуправодниковок структурыи контроля структур с патецциальцымбарьером, сложность измрений в целом,Наиболее близким по тхпической 50сущности к изобретению является способ контроля качества контактныхсоединений силовых полупроводниковых приборов, заключающийся в том,что черезпалупроводниковую структуру, 55содержащую р-и-переход с невыпрямляющими контактами, а также базовую иприконтактные области полупроводниПрименение такого контроля, предназначенного для силовых структур, ограничено наличием греющих импульсов тока значительной мощнасти,способных разрушать большинство слабо- точных полупроводниковых приборов.Целью изобретения является упрощение и расширение функциональных возможностей способа контроля качеО 30 ства невыпрямляющцх контактов.Поставленная цель достигается тем, что по способу контроля качества невыпрямляющих контактов в полупроводниковых структурах, включающему пропускание тока в направлении от контролируемого контакта с металлом или полупроводниковой подложкой к полупроводнику р -типа и в обратном направлении для полупроводника п-типа, а также измерение пульсирующего тока, пропускают постоянный ток и освещают контролируемую область контакта со стороны полупроводника модулированным светом с длиной волны, выбранной из соотношения 1 д1, где 1 - коэффициент поглощения света в полупроводнике а 3 - расстояние между освещаемой областью полупроводника и контролируемой областью контакта, и измеряют пульсирующий фототок через контакт, а о низком качестве контакта судят по наличию пульсирующего фототока, увеличивающегося с ростом постоянного тока и совпадающего с ним по направлению,фиг. 1 иллюстрирует способ контроля качества невыпрямляющих контактов: Ю - в структуре с р- и - переходом, 6 - в структуре с . 35 барьером Шоттки, 6 - в полупроводниковой подложке.На фиг. 2 представлены наблюда - емые при контроле качества контактов зависимости абсолютного значе ния пульсирующего фототока 3 ф от плотности прямого постоянного (темнового) тока 3: ц - в структуре с освещенным р-и-переходом или барьером Шоттки, 6 - в структуре с неосвещен ным барьером или в полупроводниковой подложке.Для контроля качества невыпрямляющего контакта 1 к полупроводниковой структуре с приконтактной областью 2 50 в контактирующем полупроводнике 3, на пример, я-типа, содержащем область 4 пространственного заряда на границе с полупроводником 5 р-типа или с металлической пленкой 6, через полу проводниковую структуру, снабженную выводами 7 либо вспомогательным прижимным контактом 8, и сопротивление нагрузки 9 пропускают постоянный (темновой) электрический ток от источника ЭДС 10. При этом освещают контролируемую область 2 контакта 1 через полупроводник 3 модулированным светом 11Переменная составляющая напряжения на сопротивлении нагрузки 9, пропорциональная пульсирующему фототоку, контролируется через конденсатор 12 в точке 13, а постоянная составляющая, пропорциональная темновому току- в точке 14.Освещение полупроводниковой структуры слабопоглощаемым модулировачным светом 11 со стороны контактирующего полупроводника 3 ведет при условии Ы 1 к генерации электроннодырочных пар в объеме полупроводника по всей глубине проникновения излучения вплоть до контролируемого контакта. В области 4, а также в области 2 при наличии в ней потенциального барьера может происходить разведение фотогенерированных носителей электрическими полями потенциальных барьеров, что регистрируется как пульсирующий фототок посредством наблюдения в точке 13 падения переменного напряжения на нагрузке 9 независимо от темнового тока через структуру, который пропорционален постоянной составляющей напряжения на нагрузке 9 в точке 14.Величина и направление фототока для случая слабопоглощаемого света зависят от собирания генерированных светом носителей заряда, т.е. от ширины областей пространственного заряда 4 и 2 соответствующего барьера. При увеличении напряжения источника 10 возрастает темновой ток, который при указанном выше направлении является прямым для барьера в область 4 пространственного заряда. Это сопровождается практически полным сокращением размеров этой области и высоты потенциального барьера в ней, Вместе с тем при наличии потенциального барьера у невыпрямляющего контакта 1 увеличиваются высота и ширина барьера в приконтактной области 2, в которой происходит собирание и разведение электрическим полем фотоносителей.Этосвязано с тем, что контролируемый контакт 1 плохого качества оказывается в этом случае обратно смещенным, иэ-за противоположного направ 1157947ления внутренних электрических полей барьеров в областях 4 и 2. Поэтому и фототок, обусловленный полем барьера в области 2, протекает в направлении, совпадающем с темновым током,5 а фототок, связанный с областью пространственного заряда 4, течет встречно ему, Наличие фототока, рожденного областью 2 в описанных условиях, однозначно указывает на существование приконтактной ОПЗ повышенного сопротивления из-эа обеднения ее носителями электрического тока, т.е. на плохое качество контакта 1, и не зависит от особенностей остальной части контролируемой структуры. В качественном невыпрямляющем контакте такой барьер в области 2 отсутствует, и фототок в описанных условиях не возникает. Увеличение прямого темнового тока 1 через барьер в области 4 (фиг. 1,с, Г) и качественный невыпрямляющий контакт приводят только к спаду наблюдаемого фототока 3,(фиг.2 сплошная линия) вследствие сужения области пространственного заряда 4 и сокращения числа собираемых фото- носителей. В аналогичной структуре с некачественным контактом вслед30 эа спадом фототока наблюдается рост его абсолютного значения (Фиг.2,бпунктирная линия), сопровождаемый изменением направления фототока, т,е, сменой знака пульсирующего напряжения на сопротивлении нагруз 35 ки. В случае когда некачественный контакт образован на структуре, не содержащей барьер (цапример, исходная полупроводниковая подложка) (фиг. 1,В), либо освещен только конт 40 ролируемый контакт, в зависимости Эф(1) наблюдается только возрастающий участок (фиг. 2,6- пунктирная линия), тогда как при качественном невыпрямляющем контакте Фототок не наблюдается (сплошная линия). Вспомогательный контакт может быть установлен в любой точке полупроводника, в том числе и планарно с контролируемым контактом. Для однотипных структур контроль качества можно выполнять при выбранном фиксированном значении тока 3 .Для контроля однородности качества по площади невыпрямляющего контакта, например, в подложках для интегральных схем, солнечных элементов или силовых диодов через контролируемую структуру пропускают темцовой ток указанного направления от источника ЭДС и сканируют сфокусированным световым лучом контролируемую площадь невыпрямляющего контакта. При этом наблюдают наличие пульсирующего фототока, совпадающего понаправлению с темцовым током. Воднородных по площади полупроводниковых структурах можно регистрировать зависимость 7,(1), вид которой зависит в этом случае толькоот особенностей цевыпрямляющегоконтакта в данной точке.Предлагаемый способ прошел эксперимецтальную проверку в проблемной лаборатории физики и техники полупроводников Киевского государственного университета. Проводился контроль качества невыпрямляющего контакта из электрохимически осажденного никеля на шлифованную поверхность кремниевой пластины р-тира площадью 0,5 см, толщиной 300 мкм с удельным сопротивлением 4 Ом см, на которой напылением пленки титана толщиоцой около 100 А были созданы структуры Фотодиодов с барьером Нотткидиаметром 200 мкм. Структуры освещались модулированным с частотой 1 кГц и сфокусированным в пятно диаметром30 мкм излучением лазераЛГмощностью 6 мВт или светодиода ЗЛ 107 Б с длинами волн 1,15 и - 0,9 мкм, коэффициент поглощения которого в кремнии10 см , При этом между металлической пленкой барьера либо вспомогательным прижимным контактом к полупроводнику и контролируемым контактом пропускался темновой ток от источника ЭДС в направлении от контролируемого контакта к пленке барьера Шоттки или к вспомогательному контакту,Результаты контроля, зарегистри-. рованные вольтметром переменного напряжения или двухкоординатным самописцем, представлены на фиг. 2. Соответствующие зависимости для фототока наблюдались и по осциллограмме переменного фотосигнала, причем по ее виду (при ассимметричной Форме сигнала, определяемой характером модуляции света) фиксировался момент смены направления фототока, который совпадает с минчмумом на кривой (фиг. 2 ю).Однородность качества невыпрямляющего контакта определялась посредством регистрации пульсирующего фототока при пропускании фиксированного темнового тока и сканирования лучом света всей площади пластины. В случае освещения барьера Шоттки возникновение контролируемого фото- тока наблюдалось в некачественных структурах при величине темнового тока порядка 0,05 мА и выше, т.е. при плотности тока через барьер Ъ 0,16, А/см (фиг, 2,ф), Если освещение контролируемого контакта производилось вне барьера Шоттки либо темновой ток пропускался через неосвещенный вспомогательный прижимной контакт то из-за отсутствия спадающего участка фототока рост фототока наблюдался при темновом токе через структуру менее 0,01 мА (фиг. 26). Как в первом, так и во втором случаях средняя плотность тока через контролируемый контакт, требуемая для обнаружения некачественных областей, составляла не более 1010А/см.В сравнении с известным способом контроля, использующим нагрев. структуры импульсами прямого тока, плотность тока через контролируемый контакт в предлагаемом способе, необходимая для контроля его качества, снижена более чем в 10 раз, что позволило простыми средствами оперативно контролировать качество невыпрямляющего контакта большой площади, не опасаясь нарушения характеристик или разрушения слабо- точных полупроводниковых приборов. Предлагаемый способ контроля качества невыпрямляющих контактов колупроводниковым структурам позволяетупростить средства и методикуконтроля, исключающие необходимостьформирования специальных греющихимпульсов тока различной длитель 0 ности, многократного измерения токови падений напряжения, а также сложной обработки результатов измерения)повысить достоверность процессаконтроля за счет того, что контроли 15 руется качество выбранной локальнойобласти контакта, а не усредненноезначение по всей площади, и наличиенаблюдаемого фототока определяетсятолько состоянием контролируемого20 контакта, а не зависит от остальныхобластей структуры.Кроме того, способ позволяет контролировать качество как слаботочных,так и сильноточных структур,качест 25 во невыпрямляющего контакта к полупроводниковым подложкам и эпитаксиальным пленкам на промежуточныхстадиях производства и однородностькачества по площади контакта,30 Способ позволяет экономить средства на проведение контроля из-завозможности его автоматизации и натехнологические операции с дефектными структурами из-за отбора ихна начальных стадиях производства,что ведет к повышению процента выхода годных приборов, Кроме того3способ позволяет экономить дорогостоящий полупроводниковый материал40 за счет локализации дефектных участков подложки и возвращения ее дляпоследующего производства.1157947 70 едакто техина Техред С.Мигунов оррект говая Заказ 6646 4 Тираж 747 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РаПодписноеета СССР рытии нская наб. Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4