Способ определения электрофизических параметров полупроводников

 

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 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 .lJ( и определение по результатам измерения профиля концентрации примесей, отличающий 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 определяют параметры тока генерации по результатам измерения емкости ва время действия дополнительного импульса напряжения обеднения, а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при воздействии дополнительного импульса напряжения обеднения, при этом амплитуду дополнительного импульса напряжения обеднения Uj определяют из условия , где UT - напряжение включения инверсии , пор - пороговое напряжение полет5/- Йt т-чэ tJсаг эттtJTтлвой генерации, Ur - длительность дополнительного импульса напряжения обедненияjT2 определяют из условия , - аремя измерения емкости Травн время установления равновесного распределения СП неосновных носителей тока в МДП-структуре. vj 00 00 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ёмкость МДП-структуры при определении параметров тока генерации измеряют с задержкой -vl от начала дополнительного импульса напряжения обеднения, равной времени установления равномерного распределения неосновных носителей тока на поверхности полупроволника МДП-структуры.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(5D 6 01 R 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ CBNQETEJlbCTBV иъм рс вн

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ (21) 3412597/18-21 (22) 24.03.82 (46) 30 . 11. 83. Бюл. Р 44 (72) В.И. Смирнов и В. Н.Панасюк (53) 621.382.2 (088 ° 8) (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. 69-73 ° (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 .0 и определение по результатам измерения профиля концентрации примесей, отличающийся 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„„SU„„1057887 А деляют параметры тока генерации по результатам измерения емкости ва время действия дополнительного импульса напряжения обеднения, а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при воздействии дополнительного импульса напряжения обеднения, при этом амплитуду дополнительнаго импульса напряжения обеднения () определяют из условия

Ц с "Zс Опор где Ц вЂ” напряжение включения инверсии, 0a0p - пороговое напряжение поле- Я вой генерации, — длительность дополнитель- фу ного импульса напряжения %УФ обеднения,Тд определяют иэ условия где Ти и - .время измерения емкости, Грдзи — время установления равновесного распределения неосновных носителей тока в МДП-структуре.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся 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.

1057887

Изобретение относится к способам определения электрофизических параметров полупроводников и может быть применено при контроле электрофизических параметров, полупроводниковых пластин, используемых при, производстве полупроводниковых приборов, а также в области физики полупроводников.

Известен способ измерения электрофизических параметров полупроводников, включающий формирование на полупроводниковой пластине косого шлифа и измерение сопротивления растекания точечного контакта на косом ф И

Недостатком способа является разрушение контролируемого объекта.

15

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения электрофизических параметров полупроводников, включающий формирование на поверхности полупроводников МДП-структуры, подачу на нее импульсов напряжения обеднения, измерение емкости МДП-струк- 25 туры, получение зависимостей емкости МДП-структуры от амплитуды импульсов напряжения обеднения и от времени с момента их подачи. По зависимости емкости от напряжения оп- ЗО ределяют профиль концентрации примеси, а по зависимости емкости от времени — параметры тока генерации f?)-, Недостатками способа являются невозможность получения начального участка Эависимости генерационного тока от времени с момента подачи импульса до окончания измерения емкости, низкая точность результа.тов определения профиля концGHTpcl ции примеси, особенно из больших и близких к предельным глубинам.

Начальный участок зависимости генерационного тока несет информацию о параметрах электроактивных дефектов 45 кристаллической структуры полупроводника, однако принципиальные технические трудности не позволяют уменьшить время измерения неравновесной емкости до необходимых значений 5р вследствие ограниченного быстродействия измерителей емкости. Низкая точность определения профиля концентрации примеси обусловлена тем, что во время измерения при больших глубинах, т.е, при высоких напряжениях на МДП-структуре, в области пространственного заряда образуются большие по величине токи полевой (термополевой) генерации, приводящие к быстрому образованию инверсионного слоя к моменту окончания измерения емкости, что приводит к неверному определению профиля, так как нарушает условия применимости выражения, по которому обычно нахо- g5 дится профиль, и, тем самым, все- . го способа в целом.

Цель изобретения — повышение точности определения профиля концентрации примесей и параметров тока полевой генерации в полупроводнике.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения электрофизических параметров полупроводников, включающему формирование МДП-структуры, воздейст— вие 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

0 и опрецеление по результатам измерения профиля концентрации примесей, дополнительно измеряют емкость МДП-структуры при воздействии на нее дополнительного импульса напряжения обеднения постоянной длительности и постоянной амплитуды, следующего непосредственно за основным импульсом напряжения обеднения, и определяют параметры тока генерации по результатам измерения емкости во время действия дополнительного импульса напряжения обеднения, а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при воздействии дополнительного импульса напряжения соединения, при этом амплитуду дополнительного импульса напряжения обеднения V2 определяют из условия т "2 запор где V< — напряжение включения инверсии;

0 по — пороговое напряжение полевой генерации, "2 — длительность дополнительного импульса напряжения сбеднения 1р определяют из условия

<т р

Ризм 2 "РаВН 7

I где Г„ А« — время измерения емкости; раь- время установления равновесного распределения неосновных носителей тока в 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.

1057887

На фиг. 1 изображена временная диаграмма подаваемых импульсов напряжения и измерений емкости для определения зависимости генерационного тока от времени на фиг, 2 временная диаграмма измерений для определения профиля концентрации примеси °

На чертежах обозначено: основной импульс 1 напряжения-обеднения, дополнительный импульс 2 напряжения 10 обеднения, уровень 3 порогового напряжения полевой генерации, уровень 4 напряжения включения инверсии, временной интервал 5 измерения емкости С„, временной интервал б измерения емкости С неравновесной вольтфарадной характеристики.

Определение электрофизических параметров полупроводников производится следующим образом.

На полупроводниковой пластине формируют МДП-структуру, на которую подают последовательно .один за другим основной 1 и дополнительный 2 ижтульсы напряжения обеднения.

Ам итуда основного импульса 1 25

0» устанавливается необходимой для . образования полевых токов генерации. .Амплитуда дополнительного импульса

2 Uq устанавливается ниже напряжения, необходимого для образования 30 палевых токов, т.е. ниже порогового напряжения полевой генерации Од р,. но выше, чем напряжение, необходимое для образования в равновесных условиях инверсионного слоя, — на- 35 пряжение включения инверсии U

Измеряют емкость Сц ИДП-структуры во время действия дополнительного импульса 2 не позднее, чем установится равновесное распределение неосновных носителей тока, т.е не позднее, чем образуется равновесный инверсный слой. Для снижения влияния тепловой генерации емкость

С»» МДП-структуры измеряют сразу пос ле подачи дополнительного импульса 45

2, а также снижают температуру контролируемого полупроводника. где С; — емкость ЫДП-структуры в режиме обогащения, Rq — внутреннее сопротивление источника напряжения, и постоянная времени заряда ИДП-емкости.

Величина тока генерации 3 определяется по зависимости измеренной емкости С1» от длительности » основного импульса 1 соотношением

J С, 3=- — c q ис; > (Й где Š— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума

Еэ — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводников

< — заряд электрона, И вЂ” 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 распределенияt q определяется процессом самоиндуцированного дрейфа, длительность которого 2

Д *,,„Ф (3) где L — характерный размер металлического электрода

МДП-структуры, (0 — поверхностная подвижность, Ьщ- — неоднородность поверхБ ностного 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 Sag „, > может быть оценено по формуле (3) 50

55 б0 б5

Пороговое напряжение полевой генерации может быть оценено теоретически или экспериментально, например, по зависимости времени .релаксации от амплитуды импульса глубокого обеднения. 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 импульса 1 » не ограничена снизу длительностью измерения емкостиТ,» щ, 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

Т которое, в частности, может быть наличием последовательного сопротивления тела полупроводника МДП-структуры V и неидеальностью используемого источника напряжения, т.е. т».т,"- =С„ й„+Ю, либо э ксперимен таль но определено

11утем измерения при неизменной амплитуде и длительности оснонногo импУл>,са 1 зависимости емкости сх от длительности времени задержки измерения емкости -„<д, отсчитанного от начала дополнительного импульса 2 до начала измерения емкости Ci, .

При этом амплитуду дополнительного импульса 2 оставляют неизменной, искомое время).»л ц соответствует 10 тому моменту времени на этой занксимости, когда величина емкости перестает изменяться от). <„д при условии, что оно остается сущестненно меньше полного времени темновой релаксации. Теоретическая оценка по формуле <3) для кремния МДП-структуры н виде круга диаметром 1 мм и неоднородности поверхностного потенциала 0,1 В составляет около 10 C. эПонышение то «ности определения профиля концентрации примеси достигается путем измерения и последующего учета токов полевой генерации, образу щихся во времени измерения емкости неравновесной вольT-ôàðàäной характеристики. Поскольку для учета этих токов необходимо знать только изменение велкчины заряда образона«ного ими иннерсконного слоя за время измерения неравновесной емкОсти,, прОисхОдящее при изменении напряжения глубокого обеднения, то оптимальным вариантом способа при

Опреде>-ении I-.рофкля концентрации является измерение е лкости С но нре- З5 мя действия основного импульса 1 н 3 ани симО o - и От амплитуды О сн Он ного и пул:са <)1, т.е. получение неравновесной вольт-фарадной характеристики C 10,) > измерение заниси- «10 мости емкости Ск во время действия ,oIIoJi EIi.: T< ль1ioI о импульса 2 от амплитуг11 основ ого импульса 1 С (01)

Длительность основного импульса 1 устанавливаюI малой по сравнению с временем рела1<сации, по достаточной для из :oooí>ië одного значения емкости. Пр;">ем оптимальной будет длительность, определяемая окончанием измерения емкости но время действия основного импульса 1. Учет токов 50 полевой генерации можно проводить двумя путями. Можно корректировать определяемую величину концентрации примеси по соотношениям, получаемым из рассмотрения математической моде- 55 ли МДП-структуры в режиме глубокого обеднения с учетом наличия инверсконного слоя где C(u„) — измеренная неравновесная вольт-фарадная характеристик а, Q, (U,) — зависимость заряда инвер- сконного слоя, образованного во время измерения неравновесной емкости, от амплитуды напряжения глубокого обеднения.

По измеренной завксимости C>;(U,,) оп 1>еделяют

gQÄ (О„) ЕОEg) ) <), <)01<(4 ") с„д4„2 где л) - концентрация, определяемая . по классической формуле обратного квадрата (б) из участка неравновесной C-0 характеристики при lJ- О>

Можно учитывать иначе, считая недостоверным тот участок профиля, определяемого по классической формуле обратного квадрата на котором член, определяющий методическую погрешность определения профиля, пренышает допустимую величину, т.е. тот участок неравновесной<-" характеристики недостоверен (и соответствующий ему участок профиля), на котором член

2 dU< больше 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 2В с.

Измеряют зависимость емкости С к от длительности основного импульса )>1

Для этого сначала подают импульс, име1ощий Р, = 0с, т.е, просто прямоугольный импульс амплитуды U

Через время 10 с после подачи переднего фронта импульса начинают измерять первое значение емкости С, °

Время измерения емкости составляет

10 "c. Длительность дополнительного импульса "g установлена постоянной

-2 к составляет 10 с. Затем подают

-6 следующую пару импульсов " 1 — — 10 с.

Через 10 с после подачи переднего фронта дополнительного импульса начинают измерять второе значение емкости С . Далее измерения повторяются, при каждой следующей подаче импульсов 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

105 7887! ЕоЕе и g dC .(0 ) ь 0Ä5 бО соответствует участку напряжений

U4 = 47 - 100 В. Рассчитывают по формуле (6) или для повышения точности по .(4) и(5} концентрацию при6S участок зависимости тока генерации от времени (от 10 до 104с) более короткий, чем время измерения емкости. Для измерения зависимости получаемых временных функций тока от напряженности поля аналогичные измерения повторяют при других значениях амплитуды первой степени импульса.

Измеряемый образец и последовательность операций аналогичны при- 10 веденным, однако, с целью повышения достоверности измерения тока генерации вместо фиксированного малого времени задержки измерения (дА = 10 с) между подачей перед-5 него фронта второй ступени импульса и началом измерения емкости С, длительность задержки измерения устанавливают больше, чем время установления однородного распределения неосновных носителей в ин20 версионном слое ° Время установления оценивают по формуле (3), что дает

- 10 с. Для уверенного обеспечения установления равномерного распределения задаются = 10 с, что все

-2 25 равно много меньше времени релаксации (28 c) .

Для полупроводника — контролируемой эпитаксиальной структуры:

С „ 100 пФ, g 4 1100, и источника ЗО импульсов Р— — 10Я.подаваемые им; пульсы могут иметь длительность основного импульса 1 в диапазоне .от 10 с и более. Таким образом, по-8, вышается разрешение начального участ-З5 ка зависимости генерационного тока по сравнению с прототипом от значения и у 10 С до - 108с

Пример 1. Измерение зависимости тока полевой генерации от времени. Исследуемый полупровод ник - однородно легированная кремниевая пластина р -типа концентрация бора 5 ° 10 см На поверхности пластины плазмохимическим 45 осаждеиием образуют слой диэлектрика — двуокиси кремния, толщиной

0,2 мкм с электрической прочностью выше 100 В.

На повеРхность диэлектрика методом вакуумного напыления наносят слой алюминия и затем проводят по нему фотолитографию для получения затворов круглой формы диаметром

1 мм.

Оценивают величину порогового

55 напряжения полевой генерации. Для этого измеряют зависимость времени темповой релаксации от амплитуды импульса глубокого обеднения. Максимальное время релаксации составляет 30 С. Пороговое напряжение полевой генерации ориентировочно составляет 50 B. Определяют напряжение включения инверсии и емкость диэлектрика. Для этого измеряют 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 обеднения ° Амплитуду основного импульса 1 устанавливают больше вероятной величины порогового напряжения (U,=- 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

Ь"-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 генерации(Опор= 50 В), напряжения включения инверсии (От

20 В) и времени релаксации (1 c).

Устанавливают параметры импульсов

1 и 2: т4 = 104с. т 1,5 10 с;

0 —— 30 В. Время измерения емкости составляет 10 "c. 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 п и 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 01 значения 100 В. По зависимости Ск(0 ) находят недостоверный участок измеренной неравновесной вольт-фарадной характеристики С(0,}. Полагают, что методическая погрешность не должна превышать

+50%. Это условие меси, используя участок неравновесной вольт-фарадной характеристики

105788"

Риз. Р

ВНИИПИ Заказ 9580/48 Тираж 710 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4

С (V,) в диапазоне Н, = 0+47 В.

Входящее в выражение (7) значение

Н определяют также по формуле (á) из С (0 > при tJ = Vq = 30 В, оно составляет 8.10 см . Если бы использовался для расчета профиля участок С(V„) в диапазоне U, ) 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 МДП-структуры от времени и напряжения предлагаемый способ позволяет расширить временной диапазон контролируемой зависимости тока генерации от времени и, тем самым, повысить точность определения параметров полупроводника, особенно при сильн -: электрических полях. Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения профиля концентрации примеси, особенно на больших и предельных для метода неравновесных вольт-фарадных характеристик глубинах, что важно при контроле неоднородных по толщине полупроводниковых слоев. Применение предлагае10 мого способа позволяет реализовать неразрушающий контроль толщины зоны постоянной концентрации в тонких эпитаксиальных структурах и — П

-типа. Введение подобной опеФ рации контроля в технологический маршрут изготовления интегральных схем позволяет проводить отбраковку заведомо негодных эпитаксиальных структур на ранних этапах изГотовления интегральных схем и тем самым сократить затраты на производство и повысить процент выхода годных БИС.