Способ определения параметров полупроводниковых материалов

Способ определения параметров полупроводниковых материалов

Реферат

 

Изобретение относится к области контроля параметров полупроводниковых структур после технологических операций. Полупроводник облучают зондируюшим электромагнитным излучением, длина волны которого больше толщины исследуемого слоя полупроводника, измеряют интенсивность интерференционных максимумов I или II порядков отраженного или прошедшего сигнала, одновременно с облучением исследуемую поверхность образца приводят в контакт с двумя гальванически несвязанными областями химически нейтрального по отношению к материалу образца жидкого электролита, прикладывают постоянное напряжение, обедняющее приконтактный слой образца носителями заряда и переменное напряжение, измеряют емкость обедненного слоя, определяют его глубину, 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 транспорт пространственного заряда, рассчитывают зависимости от глубины подвижности удельной проводимости и концентрации носителей заряда в образце, а также локальную проводимость. Для повышения локальности измерений, в качестве электролита используют вещество, электролитическая диссоциация в котором только при оптическом излучении. При этом постоянное обедняющее и переменное напряжения подводят к образовавшейся проводящей области при помощи решетки металлической сетки, размещенной в этом веществе, пропускающей возбуждение и зондирущее излучение и имеющей размер окна не больше размера области электролитической диссоциации. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

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 повышения 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 указанного 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 неразрушающий 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 реализована из-за отсутствия возможности одновременного изменения толщины исследуемого проводящего слоя и бесконтактного измерения его проводимости. В силу проведения измерений всех трех указанных параметров в одной точке образца повышается достоверность получаемых результатов, причем существует возможность дополнительного контроля этих результатов за счет проведения, в частности, параллельных измерений профиля концентрации носителей заряда известным способом без изменения конструкции измерительной установки. В целом, единство измерений параметров полупроводниковых слоев и повышение точности их определения по площади образца достигаются в предложенном способе за счет выбора частотного диапазона зондирующего излучения 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), обеспечивающей 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 электрическую 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 6 сосудов 4 и 5, разграничивающая два электролита, должна иметь толщину, достаточную для того, чтобы при контакте жидких 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 волн 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, электролитическая 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 инфракрасного диапазона. При этом необходимо выполнение по крайней мере одного из требований: либо образец должен быть частично прозрачным для зондирующего излучения, либо электролит 2. Диапазон излучения выбирают из условия, чтобы длина волны излучения была значительно больше толщины исследуемого проводящего слоя и для прозрачных образцов при прохождении через них зондирующего излучения наблюдалось в выбранном диапазоне хотя бы по одному максимуму и минимуму пропускания. От выполнения этих условий зависит путь подведения к исследуемой поверхности как зондирующего, так и стимулирующего диссоциацию в электролите излучения. Зондирующее излучение направляют к исследуемому участку непрозрачного образца через прозрачный электролит 2, путь излучения для данного случая показан стрелками на фиг.2. Зондирующее излучение от генератора 9 при помощи системы фокусирующих 10 и направляющих 11 устройств подводится через электролит 2 к заданной точке исследуемой поверхности образца. Система фокусировки должна обеспечивать концентрацию зондирующего излучения на исследуемой поверхности в пятно минимальных размеров, определяемых дифракционными соотношениями, при максимальном соблюдении условия параллельности хода лучей через образец. Эта же система обеспечивает отвод части падающей на и отраженной от исследуемого образца мощности зондирующего излучения к детекторам 12 и 13, соответственно. Если в качестве электролита берется вещество, приобретающее свойство проводника при облучении инфракрасным или оптическим излучением, то от дополнительного источника 14 излучение необходимого диапазона направляется к той же точке исследуемого образца. При этом по ходу луча этого излучения в веществе, замещающем электролит 2, образуется проводящий участок, посредством которого электрическое напряжение прикладывается к исследуемому участку образца. Однако в этом случае конструкцию контактной электролитической ячейки необходимо дополнить металлической сеткой 15, нанесенной на поверхность прозрачного окна 8, расстояние между элементами которой выбрано из условия сохранения прозрачности окна для используемых излучений 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.3. 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. 3 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 n-GaAs 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 плоскопараллельную структуру образца _m= где d толщина образца; n коэффициент преломления материала образца; m 1,2,3. Электролит 2 подбирают прозрачным для используемого зондирующего излучения. Тогда для образцов с достаточно тонким эпитаксиальным проводящим слоем (толщина t << _m) связь между коэффициентом пропускания Т излучения измерительной ячейкой и проводимостью 2 эпитаксиального слоя имеет вид L где А коэффициент, определяющий потери излучения в электролите 2 и окне 8 сосуда 4; W 3770 м, волновое сопротивление свободного пространства. С другой стороны L q(x)(x)N(x)dx, где q, N заряд, подвижность и концентрация носителей заряда в эпитаксиальном слое; х_о глубина обедненного носителями заряда слоя. Посредством измерительной ячейки на исследуемый образец подается обедняющее напряжение V_o и для этого напряжения по величине барьерной емкости системы определяют глубину обедненного слоя х_о. Далее подают другое напряжение V_o+ V и определяют новую глубину обедненного слоя х_о+ х, при этом измеряя по величине коэффициента пропускания Т изменение проводимости исследуемого слоя L= q(x_o)(x_o)N(x_o)x= (x_o)x. Откуда определяют удельную проводимость образца при глубине х_о. При фиксированном обедняющем напряжении V_o на образец подают малое синусоидальное напряжение переменной амплитуды V и методом синхронного детектирования измеряют переменный сигнал пропускания зондирующего излучения, по которому определяют соответствующее изменение проводимости L. В приближении обедненного слоя справедливо соотношение L V из которого определяют подвижность носителей заряда на глубине х_о и по известному значению удельной проводимости (х_о) рассчитывают концентрацию носителей заряда N на глубине х_о. Затем увеличивают значение обедняющего напряжения и повторяют указанный цикл измерений и расчетов, получая ,, N 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 электролитической ячейкой переместить относительно направления 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 GaAs диаметра 60 мм и толщиной 600 мкм. Исследовались структуры типа САГИС-М группы Б, слои которой легированы по схеме n⁺ -n^- n-n -) и концентрация легирующей примеси в слоях и их толщины соответственно равны N_n+2 10¹⁹ см^-3, N_n- 10¹⁶ см^-3; N _n 10¹⁸ см^-3; N_n 10¹⁶ см^-3 и t_n-=750 ; t_n+750 ; t_n150 ; t_n = 7000 . Частота зондирующегo 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 ( х) выбирался из условия минимизации погрешности измерений и составлял приблизительно 150 . В качестве электролита использовался 50% раствор 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 ) при фиксированном положении обедненного 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 мм². Применение предлагаемого способа для контроля полупроводниковых структур позволит оценивать выход годных изделий на первых стадиях производства, т.к. существенной чертой способа является широкий спектр контролируемых параметров в едином процессе измерений и отсутствие повреждений исследуемых образцов. Возможность проведения локальных измерений параметров проводящих слоев неразрушающим способом открывает путь контроля влияния структуры исходного материала и последующих технологических процессов на совершенство характеристик производимых изделий и разброс их параметров по площади пластины. Указанные возможности ведут к сокращению материальных затрат и экономии дорогостоящих полупроводниковых материалов при использовании заявляемого способа контроля в процессе производства микроэлектронных приборов.

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, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности одновременного определения дополнительных параметров, облучаемый слой полупроводника приводят с одной стороны в контакт с двумя гальванически не связанными объемами химически нейтрального по отношению к полупроводнику 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. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения локальности измерений, в качестве электролита используют вещество, электролитическая диссоциация в котором происходит под 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4