Способ локального контроля удельного сопротивления полупроводников и устройство для его осуществления

 

Использование: в технике, а именно в областях техники, в которых исследуются материалы с помощью электрических средств, в частности, путем исследования характеристик электрических разрядов. Сущность изобретения: между исследуемым полупроводником и зондирующим электродом, который отделен от поверхности исследуемого проводника воздушным зазором, прикладывают напряжение, достаточное для возникновения жирового разряда , измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. Устройство содержит плоский конденсатор со сквозным отверстием в центре его пластин. К нижней обкладке подключен зондирующий электрод, острие которого расположено в отверстии на расстоянии 0,1-1 мм от верхней плоскости верхней обкладки, служащей базовым электродом. Исследуемый полупроводник помещают на базовый электрод. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 27/62

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4851986/25 (22) 16.07.90 (46) 23.06.93. Бюл. Рв 23 (71) Ленинградский политехнический институт им. M. И, Калинина (72) А. В. Штурбин, В, А. Шалыгин, И. Д.Румянцева и В. С. Антюшин (56) Обзоры по электронной технике, Серия:

Полупроводниковые приборы. Выпуск N. 6, (204), M., ЦНИИ "Электроника", 1974, с. 521.

Батавин В, В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. M. Радио и связь, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1185210, кл. G 01 N 27/62, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 151400, кл. Н 01 L 21/66, 1962, (54) СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к метрике полупроводников, а именно, к той ее области, которая исследует материалы с помощью электрических средств, в частности, путем исследования характеристик электрических разрядов, Цель изобретения — повышение надежности измерений удельного сопротивления полупроводников.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе локального контроля удельного сопротивления голупроводников, основанном на приложении напряжения между исследуемым полупроводником. Я2 1822972 А1 (57) Использование: в технике, а именно в областях техники, в которых исследуются материалы с помощью электрических средств. в частности, путем исследования характеристик электрических разрядов.

Сущность изобретения: между исследуемым полупроводником и зондирующим электродом, который отделен от поверхности исследуемого проводника воздушным зазором, прикладывают напряжение, достаточное для возникновения жирового разряда, измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. Устройство содержит плоский конденсатор со сквозным отверстием в центре его пластин. К нижней обкладке подключен зондирующий электрод, острие которого расположено в отверстии на расстоянии 0,1-1 мм от верхней плоскости верхней обкладки, служащей базовым электродом. Исследуемый полупроводник помещают иа базовый электрод.

2 с,п, ф-лы, 1 з,п, ф-лы, 2 ил. и заостренным на конце зондовым электродом, измерении возникающего при этом электрического тока и определении величины удельного сопротивления исследуемого полупроводника по калибровочной кривой, зондовый электрод отделяют от поверхности полупроводника воздушным зазором, величину подводимого напряжения устанавливают достаточной для возникновения искрового разряда в этом зазоре, измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. При этом для полупроводников р-типа полярность напряжения между образцом и эондовым электродом

18229 72 (4) устанавливают следующим образом: плюс— на эондовом электроде, минус — на образце.

Сущность способа такова, При возникновении искрового разряда в зазоре между острием зондирующего электрода и поверхностью полупроводника образуется плазменный шнур, который можно рассматривать, как идеальный контакт к поверхности любого полупроводника. Идеальность контакта характеризуется тем, что плазма искрового разряда смачивает" поверхность полупроводника независимо от качества ее обработки, при этом не возникает никаких механических напряжений.

Часть напряжения U, приложенного между зондирующим электродом и исследуемым образцом. падает на исследуемом образце (Ообр). а часть — на сопротивлении плазменного шнура (! R<)

U = Ообр. + !Йш (1) где — ток в цепи разряда; Rrr — сопротивление плазменного шнура.

Ток, текущий в образце, можно разделить на две компоненты (омическую и инжекционную):

I-!ом+!инж. (2)

Омическая компонента определяется равновесными носителями заряда в полупроводнике, т.е. его удельным сопротивлением

Р: !..-Uo6p./а, (3) где Вр- p/(2 m) — сопротивление растекания точечного контакта радиуса r (в данном случае в качестве г следует подставить радиус плазменного шнура).

Инжекционная компонента тока связана с неравновесными носителями заряда, внедряющимися в полупроводник из плазменного шнура. Эта компонента, в отличие от омической, слабой зависит от р и имеет место даже при р= оо.

Приведенные соотношения позволяют связать удельное сопротивление полупроводника с током в цепи искрового разряда:

Р= 2пг Вш- — — — ! инм.

Таким образом, показана возможность построения калибровочной кривой, которая будет зависеть от конструкции измерительной установки (именно она определяет значения параметров г, R, U), Что касается инжекционного тока, то этот параметр должен определяться для каждого полупроводникового материала с учетом типа его проводимости. Если полярность прикладываемого напряжения будет соответствовать типу проводимости полу5

55 проводника так, как указано в формул" .i:о бретения: плюс на зондовом электро,r тля полупроводника р-типа. т т будут об-.: вече ны условия монополярное ннжекции, когдэ в полупроводник будут ттоступать из,тла там только неосновные носитr ли Пр,< -том и жекционный ток будет о ;ределятьсо макгвелловским вpем«елл рт.лэкгэции н = f p /4 л и не будет;анисе ь:тт вр .мени жизни неравновесных нос " е;.ей заряда.

Это обеспечивает однозначную см:зь ин жекционного тока с уд:льный сопро.нвмнием полупроводника. (При другой полярности напряже, ия величина инжекцй онного тока зависела бы от такото трудно измеримого параметра, как время жиан.п,< ° равновесных носителей заряд:.!, При контроле удель oru сопротивления полупроводников и-типа nornp. ость напряжения между образцом и зондовым элек родом меняют на обратную: минус устанавливают на зондовом электроде, а плюс — на образце. Именно таким образом будут соблюдены условия монополярной инжекции и обеспечена однозначная связь инжекционного тока с удельным сопротивлением полупроводника.

Кроме того, для об свечения ес "r,=г.тного неразрушающего контроля удопьr«i сопротивления полуп ровс.: н.: в пь B, dl, изложенному способу псг.слагается ус ; ой ство, обеспечивая ц е;.прз ие лм уль;ь слабого тока, не приводящие: термине(кои эрозии поверхности исследуемо, î пол, и,".. водника

3а прототип устройства был выбран электроискровой дефектоскоп, Устроиство это содержит маломощный источник высо кого напряжения и д а электрода. один иэ которых предназначен для сканирования исследуемого изоляционного покрытия, а другой — для контактировэния с металличт ской основой изделия. k.àê сnepyrr из огисания рефектоскопа. он неприменим для количественных измерений, в том числе и для измерения удельного сопротивления полупроводников, B данном изобретении предлагается ус.— тройство, использующее искру для проведения измерений удельного сопротивления в различных точках полупроводникового ohразца. При этом достигается цель обеспече ния неразрушающего контроля С этой целью к выходу источника высокого напряжения подключен плоский конденсатор со сквозным отверстием посередине. верх: ля обкладка которого служит базс, нтт;" рпдом, а ни князя об ладка пол эч- i v н диру ющ;му Элг к r )r г l

1822972 последовательно соединенные высокоомный резистор и средство регистрации импульсного тока; острие зондирующего электрода расположено в отверстии конденсатора на расстоянии порядка 0,1 мм от верхней плоскости базового электрода.

Конструкция устройства показана на фиг. 1, на фиг, 2 — график зависимости от амплитуды импульсов тока.

К выходу источника высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением

1 подключен плоский конденсатор 2 со сгвозным отверстием посередине, металлические обкладки которого 2-1 и 2-2 разделен слоем диэлектрика 2-3. Верхняя обкладка 2-1 этого конденсатора является одновременно базовым электродом. Нижняя обкладка 2-2 через средство регистрации импульсного тока 3 и высокоомный резистор 4 подключена к зондирующему электроду 5. Зондирующий электрод расположен в отверстии плоского конденсатора, при этом расстояние от острия электрода до рабочей поверхности базового электрода, на которую кладут исследуемый образец 7, составляет величину порядка 0,1 мм. Конденсатор 6, показанный на рис. 1 пунктиром, представляет собой межэлектродную емкость резистора 4, которая, как будет видно из дальнейшего, играет важную роль в работе устройства.

Работает устройство следующим образом, Конденсатор 2 выступает в роли накопительного конденсатора; при включении источника напряжения 1 он начинает заряжаться, высокое внутреннее сопротивление источника напряжения обеспечивает относительную медленность этого процесса. Одновременно растет и потенциал зондирующего электрода 5 по отношению к образцу 7, поскольку зондирующий электрод гальванически связан с обкладкой 2 — 2 накопительного конденсатора, а образец, лежащий на другой его обкладке (2-,), имеет с ней гальванический и емкостный контакт. Когда потенциал на зондирующем электроде достигает определенного (пробойного) значения, в воздушном зазоре между острием зондирующего электрода и поверхностью образца образуется плазменный шнур (искра), который замыкает цепь. В цепи образец-накопительная емкость-зонд возникает ток. Величина этого тока достаточна для поддержания режима искрового разряда, т.к. все большие сопротивления в разрядной цепи эашунтированы соответствующими емкостями (предполагается, что сопротивление устройства для регистрации тока пренебрежимо мало):

55 контактн 3е сопротивление образец-базовый электрод шунтируется контактной емкостью, резистор 4 шунтируется его межэлектродной емкостью 6, Наименьшая иэ этих емкостей (6) через время порядка 10 нсек полностью заряжается и прерывает искровой разряд. Дальнейшая разрядка накопительного конденсатора 2 происходит неискровым способом за счет остаточной ионной проводимости воздуха, Ток разряда при этом ничтожно мал (менее 1 мкА). Т. О, в цепи зондирующего электрода оказывается сформирован импульс тока, амплитуда которого определяется сопротивлением плазменного шнура, R и сопротивлением растекания исследуемого полупроводника

Вр. После прекращения разряда конденсатор 2 снова начинанет заряжаться и потенциал зонда вновь начинает повышаться относительно потенциала образца, Когда разность потенциалов между образцом 7 и зондом 5 вновь достигнет пробойного значения, снова возникает микроискра, и весь процесс повторяется сначала.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Было изготовлено устройство, схема которого показана на рис. 1.

Источник высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением был изготовлен на основе стабилизированного выпрямителя ВС-22,в высокое внутреннее сопротивление обеспечивалось двумя резисторами по 750 МОм, которые подключались последовательно с выходом прибора.

Накопительный конденсатор 2 был выполнен из листа фольгированного с обеих сторон гетинакса толщиной 1 мм, Он имел форму круга О 50 мм с отверстием 0 4 мм в центре.

В качестве зондирующего электрода использовалась швейная игла, Сопротивление резистора 4 составляло

150 МОм, его межэлектродная емкость (плюс емкость монтажа) составляла 2 пФ (измерено с помощью автоматичесокого моста Е7-8), Измерение амплитуды импульсного тока осуществлялось путем включения в разрядную цепь резистора сопротивлением 51

Ом и регистрации падающего на нем напряжения с помощью осциллографа CI — 65 (на фиг. 1 устройство для регистрации импульсного тока имеет позицию 3).

На описанном устройстве была подвергнута контролю серия полупроводниковых пластин из n-Sl и р-Ge. Пластины имели площадь 1...2 см и толщину 1 мм. Рабог чие поверхности всех пластин были подготовлены )>äенти4ным способом (мелкая

108 LÝ /с шлифовка с последующим травлением в освежающем травителе). На выпрямителе ВС22 устанавливалось напряжение 2 кВ, При атом длительность импульсов тока составляла от 7 до 20 нсек (в зависимости от удельного сопротивления образцов) при частоте повторения несколько десятков герц. На фиг. 2 показана зависимость амплитуды импульсов тока в цепи разряда от величины удельного сопротивления для серии образцов из и-51. Удельное сопротивление каждого образца было предварительно измерено по стандартной 4-х зондовой методике (доверительныв интервалы на фиг.

2). На этом же рисунке сплошной линией показаны результаты расчета по формуле(4) при следующих значениях подгоночных параметров: радиус плазменного шнура г 17 мкм; сопротивление плазменного шнура йщ-3500 Ом; пробойное напряжение 0-31

В инжекционный ток lgfINW 92 мА. Как видно из рисунка, формула (4) хорошо описывает экспериментальные результаты. Это говорит о том, что рассмотренная физическая модель, в которой пробивное напряжение и инжекционный ток не зависят от удельного сопротивления полупроводника, адекватно описывает протекание электрического тока в образце при искровом разряде. Проведенные исследования показали, что данная методика работает более надежно, чем однозондовый метод с прижимным зондом. Достигнута хорошая воспроизводимость результатов и высокая точность измерений удельного сопротивления по сравнению с прототипом. Радиус плазменного шнура в условиях описанного эксперимента составлял 17 мкм, следовательно, заявляемый метод обеспечивает высокую локальность на уровне возможностей прототипа.

Заявляемые способы и устройство обеспечивают неразрушающий контроль удельного сопротивления полупроводниковых материалов. Это достигается тем, что энер гия, выделяемая искоой в кристалле, составляет 0-! Я с 2 10 Дж, что соответствует плотности энергии на поверхности полупроводника W- 1500 эрг/см . Такое

0 2

mr воздействие, ввиду своей малости, никаких существенных нарушений поверхности исследуемых образцов не вызывало, что подтверждалось исследованием поверхности образцов с помощью оптического микроскопа до и после электроискровых измерений, Столь малая энергия искры обеспечивалась как величиной зазора между зондом и образцом (0,2 мм), так и

55 средство регистрации импульсного тока и острие зондирующего электрода расположено в отверстии конденсатора на расстоянии 0,1-1,0 мм от верхней плоскости базового электрода.

45 малой длительностью искрового импульса тока (t 10 нсек). определяющейся величиной емкости 6 (межэлектродная емкость резистора 4). Нераэрушающий характер измерений позволяет испольэовать заявляемый способ и устройство для контроля удельного сопротивления тонких полупроводниковых пленок (прижимной зонд разрушает тонкие пленки).

Формула изобретения

1. Способ локального контроля удельного сопротивления полупроводников, основанный на приложении напряжения между исследуемым полупроводником и заостренным на конце эондовым электродом, измерении возникающего при этом электрического тока и определении величины удельного сопротивления исследуемого полупроводника по калибровочной кривой, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности измерений, зондовый электрод отделяют от поверхности полупроводника воздушным зазором, полярность напряжения между образцом и зондовым электродом устанавливают

"плюс" на зондовом электроде для полупроводников р-типа, величину подводимого напряжения задают достаточной для возникновения искрового разряда в зазоре между зондовым электродом и поверхностью полупроводника, измеряют амплитуду импульса тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводникака.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что для полупроводников и-типа полярность на зондовом электроде устанавливают "минус".

3. Устройство для локального контроля удельного сопротивления полупроводников, включающее источник высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением, зондирующий электрод, базовый электрод и средство регистрации импульсного тока в цепи зондирующего электрода, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения неразрушающего контроля, к выходу источника высокого напряжения подключен плоский конденсатор со сквозным отверстием в центре его пластин, верхняя обкладка которого служит базовым электродом, а нижняя подключена к зондирующему электроду через последовательно соединенные высокоомный резистор и

1822972

2-/

"б

Фиг 1

500 у,Он сн

400

200

Pup 2

Составитель И. Румянцева

Редактор Т. Шагова Техред M. Моргентал Корректор А. Мотыль

ill>r)< )< .g: r в .нно надате ьский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина 101

Заказ 2178 Тираж Подписное

ВНИ 111И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5