Способ контроля качества невыпрямляющих контактов в полупроводниковых структурах

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)4 G 01 R 31/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3611296/24 — 21 (22) 23.06.83 (46) 30.09.85. Бюл. Р 36 (72) В.И. Стриха, А.К. Бабак и С.С. Кильчицкая (71) Киевский ордена Ленина государственный университет им. Т.Г.Шевченко (53) 621.382.3(088.8) (56) G.А. Annantront at al . Sol.

State Technology, Р 4, 1968, р.29.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 706796, кл. G 01 R 31/26, 1979 (прототип). (54)(. 7) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

НЕВЫПРЯМЛЯ10ЩИХ КОНТАКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, включающий пропускание тока в направлении от контролируемого контакта с металлом или полупроводниковой подложкой к полупроводнику р-типа и в обратном

„„Я0„„1157947 направлении для полупроводника и-типа а также измерение пульсирующего тока, отличающийся тем,что, с целью упрощения и расширения функциональных возможностей способа, Ilpo пускают постоянный ток и освещают контролируемую область контакта со стороны полупроводника модулированным светом с длиной волны, выбранной из соотношения кы 1, где — коэффициент поглощения света в полупроводнике, а cf — 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, увеличивающе, гося с ростом постоянного тока и совпадающего с ним по направлению. ка пропускаloT прямой ток, нагревающий структуру, в виде импульсов различной длительности. При этом в течение каждого импульса область пространственного заряда в р -и-переходе сужается, и падение напряжения на структуре определяется преимущественно сопротивлениями объема базовой области полупроводника и приконтактных областей невыпрямляющих контактов, зависящими от температуры.

При низком качестве невыпрямляющего контакта в приконтактной области полупроводника может существовать потенциальный барьер, обладающий повышенным сопротивлением, особенно при смещении, соответствующем прямому току через р-и-переход. В этой области происходит наибольшее выделение джоулевого тепла, определяемое помимо сопротивления также длительностью греющего импульса тока. Таким образом, согласно способу формируют серию импульсов прямого тока различной длительности и пропускают их через структуру. При этом измеряют величину импульсного тока и термочувствительного параметра — прямого падения напряжения для каждой дли— тельности импульсов. Затем путем расчета или с помощью электронной схемы по разницам амплитуд мощности, соответствуюшим импульсам различной длительности, судят о качестззе контактных соединений 2).

Недостатком способа является сложность проведения измерений и учета факторов, искажающих результат контроля, а именно: зависимости результатов измерений от теплоотвода и те!-.пературы окружаюцей среды ввиду нелинейной связи падения напряжения с температурой; зависимости результатов измерения от параметров базовой области полупроводника, зависящих от температуры, и качества второго невыпрямляющего контакта, так как прямое падение напряжения на структуре, выбранное как дискриминирующий параметр качества контролируемого контакта, равно сумме всех падений напряжений.

1 1157947

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано для контроля качества полупроводниковых структур в роцессе изготовления, а также. посл» него.

Качество, надежность и эффективность полупроводниковых структур, например фотодиодов, солнечных элементов, силовых диодов, интегральпых схем, в значительной степени зависит от сопротивления и линейности вольт-амперной характеристики (БАХ) невыпрямляющего контакта.При плохом качестве контакта, представ.пяющего собой либо контакт металлполупроззодник, либо контакт эпитаксиапьнага слоя с Высакалегирс ванной полупроводниковой падлах:— кой, в прикантактнай области возможно образование потенциального барьера в виде запорного слоя и облас- ти пространственного заряда (ОПЗ), что ведет к нелинейной ВЛХ и повышению сопротивления. Необходимость

25 контроля этих явлений связана с требозаниями быстроцействия современных полупроводниковых приборав,увеличения отдаваемой 5 нагрузку мощности и КПД по|зышения надежности и долгово-:чнасти.

Известен способ контроля качества невыпрямляющих канта<;òîâ, основанный на исследовании их емкастпых свойств, в частности зависимостей комплекснога сопротивленияат частоты.При этом, 35 измсряют полное сопротивление на низкой частоте, которое включает сопротивление объема полупроводника и сопротивление обоих контактов, и па ьысокай частоте, когда сопротивление 40 состоит лишь из пер ого слагаемого 1 1.

Недостатком способа являются невозможность раздельного исследования контактов на противоположных 45 сторонах полупроводниковой структуры и контроля структур с потенциальным барьером, сложность изм»рений в целом.

Наиболее близким по т»хпической 50 сущности к изобретению является способ контроля качества контактных соединений силовых полупроводниковых приборов, заключающийся в том, что черезпалупроводниковую структуру, 55 содержащую р-II-ïåðåõîä с невыпрямляющими контактами, а также базовую и приконтактные области полупроводниПрименение такого контроля, предназначенного для силовых структур, ограничено наличием греющих импульсов тока значительной мощнасти,способных разрушать большинство слаботочных полупроводниковых приборов.

1157947

Целью изобретения является упрощение и расширение функциональных возможностей способа контроля каче1О

30 ства невыпрямляющих 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 %d < 1, где k — коэффициент поглощения света в полупроводнике а d — расстояние межпч 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: ol — в структуре с p- ll— 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- 40 ния пульсирующего фототока Дзот плотности прямого постоянного (темнового) тока 3: ц — в структуре с освещенным р-и-переходом или барьером

Шоттки, $ — в структуре с неосвещен- 45 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, л-типа, содержащем область

4 пространственного заряда на границе с полупроводником 5 р-типа или с металлической пленкой 6, через полу- 55 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 11 °

Переменная составляющая напряжения на сопротивлении нагрузки 9, пропорциональная пульсирующему фототоку, контролируется через конденсатор 12 в точке 13, а постоянная составляющая, пропорциональная темновому токув точке 14.

Освещение полупроводниковой структуры слабопоглощаемым модулировачным светом t1 со стороны контактирующего полупроводника 3 ведет при условии kd< 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.Это связано с тем, что контролируемый контакт 1 плохого качества оказывается s этом случае обратно смещенным, иэ-за противоположного направ1157947 ления 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 3 через барьер в области 4 (фиг. 1,o(b) 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 фотоносителей. В аналогичной структуре с некачественным контактом вслед

30 эа спадом фототока наблюдается рост его абсолютного значения (фиг.2,ыпунктирная линия), сопрîBoæäàåìüm изменением направления фототока, т.е. сменой знака пульсирующего напряжения на сопротивлении нагруз35 ки. В случае когда некачественный контакт образован на структуре, не содержащей барьер (например, исходная полупроводниковая подложка) (фиг. 1,B), либо освещен только конт40 ролируемый контакт, в зависимости

Эф(1) наблюдается только возрастаю— щий 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 темновой ток указанного направления от источника ЭДС и сканируют сфокусированным световым лучом контролируемую площадь невыпрямляющего контакта.

При этом наблюдают наличие пульсирующего фототока, совпадающего по направлению с темновым током. В однородных по площади полупроводниковых структурах можно регистрировать зависимость 34,(I), вид которой зависит в этом случае только от особенностей невыпрямляющего контакта в данной точке.

Предлагаемый способ прошел экспериментальную 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 толщио ной около 100 А были созданы структуры фотодиодов с барьером Ноттки диаметром 200 мкм. Структуры освещались.модулированным с частотой

1 кГц и сфокусированным в пятно диаметром 30 мкм излучением лазера

ЛГ-126 мощностью 6 мВт или светодиода ЗЛ107Б с длинами волн 1,15 и

- 0,9 мкм, коэффициент поглощения которого в кремнии 10 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,м), 1! 57947

Однородность качества невыпрямляющего контакта определялась по— средством регистрации пульсирующего фототока при пропускании фиксированного темнового тока и сканирования лучом света всей площади пластины.

В случае освещения барьера Шоттки возникновение контролируемого фототока наблюдалось в некачественных структурах при величине темнового тока порядка 0,05 мА и выше, т.е. при плотности тока через барьер

Ъ О, 16. А/см (фиг. 2,y). Если освещение контролируемого контакта производилось вне барьера Шоттки либо темновой ток пропускался через неосвещенный вспомогательный прижимной контакт то из-за отсутствия

1 спадающего участка фототока рост фототока наблюдался при темновом токе через структуру менее 0,01 мА (фиг. 2 6). Как в первом, так и во втором случаях средняя плотность тока через контролируемый контакт, требуемая для обнаружения некачественных областей, составляла не более 10 ... 10 А/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 слаботочных полупроводниковых прибо— ров.

Предлагаемый способ контроля качества невыпрямляющих контактов к олупроводниковым структурам позВоляет упростить средства и методику контроля, исключающие необходимость формирования специальных греющих импульсов тока различной длитель-!

О ности, многократного измерения токов и падений напряжения, а также сложной обработки результатов измерения

У повысить достоверность процесса контроля за счет того, что контроли15 руется качество выбранной локальной области контакта, а не усредненное значение по всей площади, и наличие наблюдаемого фототока определяется только состоянием контролируемого

20 контакта, а не зависит от остальных областей структуры.

Кроме того, способ позволяет контролировать качество как слаботочных, так и сильноточных структур,качест25 во невыпрямляющего контакта к полупроводниковым подложкам и эпитаксиальным пленкам на промежуточных стадиях производства и однородность качества по площади контакта.

30 Способ позволяет экономить средства на проведение контроля из-за возможности его автоматизации и на технологические операции с дефектными структурами из-за отбора их на начальных стадиях производства, что ведет к повышению процента выхода годных приборов. Кроме того

3 способ позволяет экономить дорогостоящий полупроводниковый материал за счет локализации дефектных участ. ков подложки и возвращения ее для последующего производства.

1157947

15J

Редактор Л. Утехина Техред С.Мигунова

Корректор О. Луговая

Филиал 1ТПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6646/4 Тираж 747 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауновская наб., д. 4/5