Способ определения параметров полупроводниковых материалов

/бб напряжение, измср ого слоя, опрсделяю его снимают зависряда и псрсмснно кость обсднсннубину, после ют ем его гл глость ощнос элск мой ромагнитного излучев нсобедненном с исследуемой части огло ния,коситслобразц и заряда сл от величи по этой нного напряи вычисляют сни висим ПОДВ 5 ЖНОСТ обедненного н ы по глощ значения числяют ацию операции обедняюще е подвсрразца, либопробой обл го зарядглубины и и кон образце, а ля повыш ачестве эл лектролити только ЭТОМ ПОСТО напряжения проводящей металл ичес веществе,зондирущееокна не боллитичсской Комитет Российской Федераци по патентам и товарным знакаоВторскому свидетельству(56) Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов, М.:Рысшая школа, 1987, с,239. АП 5 Ьпде Т.,3 еуеиоп,),5 ., РесзаК,М, "Аррсабо о 1еесгос 5 еп 51 са 5 пе 5 О 5 аког зеп 51 соп 5 цс 5 огс 5 агас 1 ег 1 заОп," 3, Еес 1 гос 5 егп, Зос 1980,у.127, М 1, р.р.222-225. Виноградов Е.АГолованов В.ИИрисова Н.А., ЛатышевА.Б, Тепловая регистрация электромагнитного поля тонкими проводящими пленками,Радиотехника и электроника, 1983, т.28,Х 3, с.548-553.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к области контроля параметров полупроводниковых структур послс технологических операций. Полупроводник облучают зондирующим электромагнитным излучением, длина волны которого больше толщины исследуемого слоя полупроводника, измеряют интенсивность иктсрфсренционных максимумов 1 или 11 порядков отраженного или прошедшего сигнала, одновременно с облучением исследуемую поверхность образца приводят в контакт с двумя гальвакичсски несвязанными областями химически нейтрального по отношению к матсриалу Образца жидкого электролита, прикладывают постояннос капряжснис, обедняющее иконтактный слой образца носителями ь носителей заряда на границеслоя, а по изменению величиаемой мощности излучения вслое при двух близлежащих глубины обедненного слоя выельную проводимость и кокценосителей заряда, повторяя эти при более высоких значениях го напряжения, пока обеднению ется весь проводящий слой обне наступит электрический асти транспорт пространственнорассчитывают зависимости от движности удельной проводимоцентрации носителей заряда в также локальную проводимость, ения локальности измерений, в ектролита используют вещество, ческая диссоциация в которомоптическом излучении. При нное обедкяющес и переменноеподводят к образовавшейсяобласти при помощи решетки ой сетки, размещенной в этом пропускающей возбуждение иизлучение и имеюдгс 55 размер ьшс размера области электродиссоц 55 ации, 1 3. п, ф лы, 45 10 15 20 25 30 40 45 50 Изобретение относится к способам измерения параметров полупроводниковых материалов, обеспечивающим одновременное определение профилей удельной проводимости, концентрации и подвижности носителей заряда в образце, и может быть использовано как при входном контроле полупроводниковых пластин, так и при выходном контроле полупроводниковых структур после технологических операций создания легированных слоев.С целью проведения неразрушающих измерений дополнительных параметров, а именно профилей удельной проводимости, подвижности и концентрации носителей заряда в образце, способ измерений локальных параметров полупроводниковых материалов, включающий зондирование электромагнитным излучением с длиной волны, значительно превышающей толщину проводящего слоя исследуемого участка образца, измерение мощности отраженного или прошедшего излучения и расчет по величине поглощенного излучения локальной проводимости образца, предлагается дополнить следующими операциями: одновременно с облучением исследуемую поверхность образца приводят в электрический контакт с двумя гальванически несвязанными областями химически нейтрального по отношению к материалу образца жидкого электролита, к одной из которых, прикладывают постоянное электрическое напряжение, обедняющее приконтактный слой образца носителями заряда, и переменное напряжение, измеряют емкость обедненного слоя и определяют глубину его залегания, после чего снимают зависимость мощности электромагнитного излучения, поглощаемой в необедненном носителями заряда слое исследуемой части образца, от величины переменного напряжения и по этой зависимости вычисляют подвижность носителей заряда на границе обедненного слоя. а по изменению величины поглощаемой мощности излучения в проводящем слое при двух близлежащих значениях глубины обедненного слоя вычисляют удельную проводимость и концентрацию носителей заряда, повторяя эти операции при более высоких значениях обедняющего напряжения, пока обеднению не подвергнется весь проводящий слой образца, либо не наступит электрический пробой области пространственного заряда, рассчитывают зависимости от глубины подвижности, удельной проводимости и концентрации носителей заряда в образце,С целью повыщения точности локальных измерений в качестве электролита используют вещество, электролитическая диссоциация в котором имеет место только при облучении инфракрасным или оптическим излучением, и оно подвергается воздействию укаэанного излучения в ограниченной области, прилежащей к исследуемому участку образца, при этом постоянное обедняющее и переменное напряжения подводят к образовавшейся проводящей области при помощи решетки металлических контактов, размещенной в этом веществе, прозрачной для возбуждающего и зондирующего излучений и имеющей максимальный шаг, не превышающий линейных размеров области электролитической диссоциации.Предлагаемый способ обеспечивает не- разрушающий контроль одновременно трех важнейших параметров полупроводниковых структур: удельной проводимости, концентрации и подвижности носителей заряда по глубине образца для локальных его областей, и комплексность такого подхода является преимуществом этого способа измерений по сравнению с существующими в настоящее время. Составная часть способа, заключающаяся в определении профиля подвижности носителей заряда путем измерения коэффициента зависимости изменения проводимости необедненного носителями заряда слоя от величины модулирующего ее переменного напряжения, приложенного к исследуемой поверхности образца, ранее в неразрушающем варианте не могла быть реализованаиэ-за отсутствия воэможности одновременного изменения толщины исследуемого проводящего слоя и бесконтактного измерения его проводимости, В силу проведенияизмерений всех трех указанных параметров в одной точке образца повышается достоверность получаемых результатов, причемсуществует возможность дополнительного контроля этих результатов за счет проведения, в частности, параллельных измерений профиля концентрации носителей зарядаизвестным способом без изменения конструкции измерительной установки. В целом, единство измерений параметров полупроводниковых слоев и повышение точности ихопределения по площади образца достигаются в предложенном способе за счет выбора частотного диапазона зондирующегоизлучения и средств локализации его на исследуемом участке образца при одновременном подборе конструкции электролитической контактной ячейки, обеспечивающей подвод обедняющих напряжений к этому участку,Конструкция электролитической контактной ячейки (ее сечение), обеспечиваю 18359675 10 15 20 25 30 35 40 45 50 щей реализацию предлагаемого способа измерений, представлена на фиг.1, Структурная схема измерений в случае непрозрачного для зондирующего излучения исследуемого образца представлена на фиг,2, Для образца, прозрачного как на длинах волн зондирующего, так и приводящего к диссоциации электролита, излучений аналогичная схема приведена на фиг.3.Исследуемая поверхность образца 1 находится в контакте с электролитом 2, а электролит 3 имеет контакт с образцом в области, гальванически связанной с исследуемым участком, Электролиты 2 и 3 помещены в сосуды 4 и 5, которые обеспечивают электрическу:. изоляцию двух объемов электролита и стенки которых изготовлены из несмачиваемого электролитами материала. Для случая. когда в качестве исследуемого образца 1 взята структура, выращенная на круглой подложке, целесообразно для электролитов использовать сосуды, выполненные в виде цилиндра для электролита 2 и в виде концентрического относительно цилиндра кольца для электролита 3, Общая стенка б сосудов 4 и 5, разграничивающая два электролита, должна иметь толщину, достаточную для того, чтобы при контактежидких электролитов с поверхностью образца между двумя областями электролитов не образовывалась гальваническая связь, В оба сосуда 4 и 5 введены контакты 7, обеспечивающие подачу на электролиты напряжения. Основание цилиндрического сосуда 4 частично выполнено в виде окна 8, прозрачного как на длинах волн зондирующего излучения, так и на длинах вблн излучения, стимулирующего диссоциацию электролита. В качестве электролитов 2 и 3 можно использовать раствор соляной кислоты или поваренной соли. С целью повышения точности локальных измерений за счет уменьшения размеров области приложения обедняющего постоянного и переменного напряжений в качестве электролита 2 целесообразно использовать вещество, электрол итическая диссоциация в котором наступает при оптическом облучении, например, лейкоцианиды трифенилметановых красителей. Проводящий канал к исследуемому участку образца создается при облучении вещества в ограниченной области, размеры которой определяются размерами сечения возбуждающего луча, временем жизни неравновесных ионов и их подвижностью в исходном веществе,Предлагаемый способ состоит в следующем: к исследуемому участку образца подводят зондирующее излучение миллиметрового, субмиллиметрового или ходимо дополнить металлической сеткой 15, нанесенной на поверхность прозрачногоокна 8, расстояние между элементами которой выбрано из условия сохранения прозрачности окна для используемыхизлучений и обеспечения подвода электрических сигналов от контактов 7 к образуемому в электролите 2 проводящему участку. В случае исследования частично прозрачного для зондирующего излучения образца оно может подводиться к исследуемому участку либо указанным выше способом, либо с обратной стороны образца, как представлено на фиг,З. При этом, если электролит 2 непрозрачен, то анализируется только отраженный сигнал при помощи детектора 13, а для прозрачного электролита можно анализировать прошедший через исследуемый участок образца сигнал при помощи дополнительного детектора 16, Излучение от источника 14 к области электролита 2 также может подводиться через образец в случае его прозрачности для этого излучения. На фиг,З приведена также схема подведения к исследуемому участку образца обедняющего напряжения и синусоидального электрического сигнала. Она состоит из генератора напряжения 17, величину напряжения на выходе которого можно менять дискретно или пилообразно, генератора синусоидального сигнала 18 и измерителя емкости 19. Измерения локальных профилей удельной проводимости, концентрации и подвижности носителей заряда в двухслойной полупроводниковой структуре - эпитаксиальный слой и-баАз на подложке полуизолирующего арсенида галлия проводят следующим образом, От источника миллиметрового излучения 9 к исследуемому участку образца подают модулированный сигнал, причем длина волны излучения подобрана так, чтобы выполнялось условие максимального прохождения через плоско- параллельную структуру образцаР где б - толщина образца;и - коэффициент преломления материала образца;П 3 = 1,2,3. Электролит 2 подбирают прозрачным для используемого зондирующего излучения, Тогда для образцов с достаточно тонким эпитаксиальным проводящим слоем (толщина с Ап) связь между коэффициентом пропускания Т излучения измерительной ячейкой и проводимостью 2 эпитаксиального слоя имеет вид где А- коэффициент, определяющий потери излучения в электролите 2 и окне 8 сосуда 4; ЧЧ = 3770 м, волновое сопротивлениесвободного пространства, С другой стороныс.хо где ц, р., М - заряд, подвижность и концентрация носителей заряда в эпитаксиальном слое;хо - глубина обедненного носителями заряда слоя,Посредством измерительной ячейки на исследуемый образец подается обедняющее напряжение Ч, и для этого напряжения по величине барьерной емкости системы определяют глубину обедненного слоя х 0. Далее подают другое напряжение Ч,+ Л Ч и определяют новую глубину обедненного слоя х 0+ Лх, при этом измеряя по величине коэффициента пропускания Т изменение проводимости исследуемого слоя Ь = с (х 0)р (х,) М (х,) Л х =и (х,) Ьх . Откуда определяют удельную проводимость п образца при глубине х, При фиксированном обедняющем напряжении Ч, на образец подают малое синусоидальное напряжение переменной амплитуды д Ч и методом синхронного детектирования измеряют переменный сигнал пропускания зондирующего излучения. по которому определяют соответствующее изменение проводимости д(. В приближении обедненного слоя справедливо соотношениер(х )ВЕ = - БЧо из которого определяют подвижность носителей заряда на глубине х, и по известному значению удельной проводимости гг(х,) рассчитывают концентрацию носителей заряда М на глубине х . Затем увеличивают значение обедняющего напряжения и повторяют указанный цикл измерений и расчетов, получая 0 и, й для другого значения глубины, Повторяя эти процедуры, пока обеднению не подвергнется весь проводящий слой образца, либо не наступит электрический пробой области пространственного заряда, снимают профили удельной проводимости, подвижности и концентрации носителей заряда в фиксированной точке образца. Для получения аналогичных характеристик образца в другой точке необходимо его вместе с измерительной злектролитической ячейкой переместить относительно направления40 45 50 55 падения зондирующего излучения на необходимое расстояние,Пример выполнения измерений, По приведенной выше схеме были проведены измерения профилей удельной проводимости, подвижности и концентрации носителей заряда в центре эпитаксиальных структур, выращенных на полуизолирующих подложках ОаАз диаметра 60 мм и толщиной 600 мкм, Исследовались структуры типа САГИС-М группы Б, слои которой легированы по схеме и -п - Л и-и д-) и концентрация легирующей примеси в слоях и их толщины соответственно равны М+ = =2 10 см,й=10 см;й Ь=10 8 см; йд=10 см и 1 о= 750 А; 1 П =750 А;о ото =150 А; тд= 7000 А. Частота зондирующего излучения находилась вблизи 105 ГГц и регистрировалось изменениемощности отраженного излучения в зависимости от прикладываемого к электролитической ячейке постоянного и переменного напряжений. Шаг по глубине полупроводниковой структуры (Л х) выбирался из условия минимизации погрешности измеренийои составлял приблизительно 150 А. В качестве электролита использовался 50 ораствор соляной кислоты, Результаты измерений приведены на фиг.4, зависимость концентрации носителей заряда от глубины получена расчетным путем по результатам измерений подвижности (обозначены - о) и проводимости (обозначены - Ь) при фиксированном положении обедненно- Формула изобретения 1, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий облучение слоя полупроводника электромагнитным зондирующим излучением, длина волны которого превышает толщину слоя полупроводника, измерение интенсивности интерференционных максимумов первого или второго порядков отраженного или прошедшего через полупроводник излучения, определение мощности отраженного, прошедшего и поглощенного излучения, расчет локальной проводимости полупроводника, ощличающийся тем, что, с целью обеспечения воэможности одновременного определения дополнительных параметров, облучаемый слой полупроводника приводят с одной стороны е контакт с двумя гальванически не связанными обьемами химически нейтрального по отношению к полупро 5 10 15 20 25 30 35 го слоя. При использовании в качестве электролита, прилежащего к исследуемому участку полупроводниковой структуры, 50% раствора лейкоцианида трифенилметанового красителя в полярном растворителе был опробован способ измерений с возбуждением области электролитической диссоциации инфракрасным излучением длиной волны 1,3 мкм, Результаты измерений той же структуры САГИС-М были аналогичны приведенным на фиг,4 при этом участок структуры, на котором велись измерения, определялся диаметром возбужденной области и имел площадь 2 мм,гПрименение предлагаемого способа для контроля полупроводниковых структур позволит оценивать выход годных изделий на первых стадиях производства, т,к. существен.ной чертой способа является широкий спектр контролируемых параметров в едином процессе измерений и отсутствие повреждений исследуемых образцов, Возможность проведения локальных измерений параметров проводящих слоев нераэрушающим способом открывает путь контроля влияния структуры исходного материала и последующих технологических процессов на совершенство характеристик производимых изделий и разброс их пара метров по площади пластины, Укаэанные возможности ведут к сокращению материальных затрат и экономии дорогостоящих полупроводниковых материалов при использовании заявляемого способа контроля в процессе производства микроэлектронных приборов,воднику электролита, между одним из которых и полупроводником прикладывают постоянное обедняющее напряжение, измеряют емкость ОПЗ, определяют исходя из нее толщину ОПЗ, одновременно прикладывают к полупроводнику и электролиту переменное напряжение, измеряют мощность излучения поглощенного в необедненном слое полупроводника, последовательно изменяют значения подаваемого постоянного напряжения до напряжения пробоя ОПЗ, а также амплитуду переменного напряжения и снимают зависимости мощности поглощенного излучения от толщины ОПЗ и амплитуды переменного напряжения, по которым дополнительно определяют соответственно профиль удельной проводимости, а также профили подвижности и концентрации носителей заряда, 18359672. Способ по п,1, отличающийся тем, что, с целью повышения локальности измерений, в качестве электролита используют вещество, электролитическая диссоциация в котором происходит под 5 действием оптического излучения, а прикладываемые напряжения подают к облучаемой области электролита при помощи металлической сетки, площадь окна которой соизмерима с площадью светового пятна излучения, вызывающего диссоциацию,18 ЗЮ 67 Составитель А.ДьяченкТехред М,Моргентал Рецакт орректор В,Пет Тираж ИПО "Поиск" Роспатента035, Москва, М(-35, Раушская на одписное Про еодственно-иэдательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина