Способ определения параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур

 

Изобретение относится к контролю электрофизических параметров и может быть использовано для исследования и контроля параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур и позволяет расширить класс исследуемых структур за счет МДМ и p⁺-i-n⁺-структур, емкость которых не зависит от напряжения смещения и от зарядового состояния ловушек, а также повысить чувствительность измерений и упростить схемную реализацию способа. Сущность изобретения состоит в приложении к образцу последовательности импульсов напряжений с амплитудой, меняющейся по линейному закону и с заданной длительностью измерений зависимости электрического параметра от приложенного напряжения и определений параметров структур с использованием полученной зависимости. В качестве электрического параметра измеряют заряд, стекающий с исследуемого образца при отключении приложенного напряжения, после окончания каждого импульса напряжения к моменту времени t измеряют зависимость изменения заряда от изменения амплитуды импульсов, по которой можно определить, например, концентрацию легирующей примеси и величину потенциального барьера на границах раздела. Для учета вклада ловушек можно изменить длительность импульсов и время измерения стекания заряда t 10^-6- 10² 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к контролю электрофизических параметров материалов и может быть использовано для исследования и контроля параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур (МДП, МДМ).

Известен способ определения параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур (в частности, определение профиля легирования высоты потенциального барьера на границе раздела и др.), заключающийся в измерении зависимости дифференциальной емкости структуры С_D от внешнего напряжения смещения, приложенного к образцу. В наиболее распространенном на практике варианте способа, прикладываемое к образцу напряжение смещения V медленно меняется в заданном интервале значений, а измерение емкости С_D производится с использованием одновременно с V подаваемого на образец переменного синусоидального напряжения U постоянной амплитуды [1].

Недостатком этого способа является невозможность определения параметров (потенциальных барьеров на границе раздела диэлектрик - полупроводник, профиля легирования полупроводниковых материалов) в гетероструктурах с большой плотностью состояний (ловушек), захват носителей на которые приводит к экранированию прикладываемого к структуре напряжения смещения.

Известен способ, позволяющий устранить этот недостаток [2]. Это достигается приложением к образцу напряжения смещения в виде последовательности прямоугольных импульсов с различной амплитудой, меняющейся в заданном диапазоне. Длительность импульсов напряжения смещения V и частоту переменного синусоидального напряжения U, одновременно с V подаваемого на образец, можно выбрать так, что не будет успевать происходить перезарядка состояний в исследуемой структуре, а соответственно, экранирование V. Кроме того, импульсный режим приложения V позволяет исключить или существенно уменьшит экранирование напряжения смещения свободными неосновными носителями заряда.

Недостатком этого способа является его непригодность для определения параметров в большом классе структур, дифференциальная высокочастотная емкость которых С_D не зависит как от медленно меняющегося, так и от импульсного напряжения смещения, а также не зависит от зарядового состояния ловушек, например, в гетероструктурах с полупроводниковыми слоями, толщина которых значительно меньше ожидаемой ширины области пространственного заряда, в структурах металл-диэлектрик-металл или в p-i-n-струк- турах.

Целью изобретения является расширение класса исследуемых структур (за счет МДМ и p-i-n-структур, то есть структур, имеющих практически постоянную емкость), а также повышение точности и упрощение схемной реализации измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно известному способу, включающему приложение к образцу последовательности импульсов напряжения смещения с амплитудой, меняющейся по линейному закону, измерение зависимости электрического параметра от приложенного напряжения смещения и определение параметров структур с использованием полученных зависимостей, в качестве измеряемого электрического параметра выбирают заряд, стекающий с исследуемого образца после отключения приложенного напряжения смещения (то есть в отличие от прототипа не подают на образец одновременно с напряжением смещения V синусоидальное напряжение U, необходимое для измерения дифференциальной емкости), измеряют стекающий заряд Q к задаваемому моменту времени t₁ от начала разряда и находят зависимости ΔQ(V_i)= Q_i+1(V_i+1)-Q_i(V_i) где V_i - амплитуда импульса напряжения смещения, i = 1,2...n-номер импульса.

Способ позволяет изменять заполнение перезаpяжающихся центров, меняя длительност τ импульсов напряжения, либо освещая образец светом, поглощаемым в исследуемой структуре, что позволяет получить дополнительную информацию, в частности, о величине сечения захвата перезаряжающихся центров.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство состоит из источника напряжения зарядки 1, интегратора на оперативном усилителе 2, аналоговых ячеек памяти 3, 4 блока автоматизации 5, включающего задающий генератор циклов заряд-разряд, формирователь длительности зарядки, логическую схему управления ключами. Общее управление осуществляется с помощью микроЭВМ 6, результаты выводятся на дисплей и/или графопостроитель 7.

Предлагаемый способ характеризуется следующей последовательностью операций.

1. Подают на образец импульс напряжения длительностью τ и амплитудой V_i.

2. Образец переключают от источника напряжения к измерительной схеме (в момент окончания действия импульса).

3. Измеряют величину заряда Q_i(V_i), стекшего с образца к заданному моменту времени t₁ после переключения.

4. Переключают образец от измерительной схемы к источнику напряжения.

5. Подают на образец импульс напряжения длительностью τ и амплитудой V_i+1 = =V_i + Δ V (в момент подключения образца).

6. Повторяют операции по п.п. 2, 3, 4, определяя при этом Q_i+1(V_i+1).

7. Определяют Δ Q = V_i+1(V_i+1) - Q_i(V_i).

8. Повторяют операции по п.п. 1-7, изменяя каждый раз амплитуду импульса на Δ V.

9. Используя измеренные и известные величины, проводят расчет параметров структур (например, методом численного дифференцирования находят концентрацию носителей заряда).

Отличительными особенностями предлагаемого способа по сравнению с прототипом являются следующие.

Поскольку в отличие от прототипа измеряемым параметром является не емкость, а заряд, то становится возможным проводить измерения на структурах, высокочастотная емкость которых не зависит от напряжения зарядового смещения и от состояния уровней, например, p+-i-n+-структуры (в том числе структуры с квантовыми ямами).

Предлагаемый способ обладает большей информативностью по сравнению с прототипом и в отношении тех структур, исследование которых возможно с помощью прототипа, так как позволяет изменять заполнение перезаряживающихся центров, меняя длительность τ импульсов напряжения, либо освещая образец светом, поглощаемым в исследуемой структуре, что дает возможность учесть вклад ловушек с различными постоянными времени перезарядки для большого набора структур, представляющих практический интерес.

Зарядовые измерения по сравнению с емкостными во многих случаях дают существенный выигрыш по точности. Например, для МДП-структур, величину измеряемого заряда можно представить в виде.

ΔQ_i(V_i) = - q A k T ln(t₂/t₁)N_ss(E_o) где С_о - емкость диэлектрика, C_sc(t₁) - емкость области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника в момент времени t₁, q - заряд электрона, А - площадь электродов, k - постоянная Больцмана, Т - температура, N_ss - плотность поверхностных состояний, E_o = E_c - kTln [σ_nU_nN_c (t₂-t₁)]/ln(t₂/t₁), σ_n - cечение захвата для электронов,
V_n - их тепловая скорость,
N_c - эффективная плотность состояний в зоне проводимости,
Е_с - энергетическое положение дна зоны проводимости.

Величину измеряемого изменения емкости можно записать в виде
ΔC_i= - q A k T ln(t₂/t₁)N_ss(E_o) где ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника,
w - ширина ОПЗ,
С(t₁) = C_oC_sc(t₁)/(C_o+C_sc(t₁))
На фиг. 2 приведены полученные при анализе выражений для Δ Q_i и C_i расчетные зависимости минимально определяемой концентрации поверхностных состояний N_ss для емкостного (2) и зарядового (1) способов измерений от отношения емкостей диэлектрика С_о и области пространственного заряда C_sc(t). Видно, что эти способы имеют примерно равную чувствительность при малых величинах отношения С_о/C_sc(t₁), а по мере увеличения этого отношения чувствительность, а соответственно и точность зарядовых измерений становится выше, чем у емкостных. Таким образом, использование зарядовых измерений может дать существенные преимущества, например, при исследовании МДП-структур с тонким диэлектриком, для которых С_о/C_sc(t₁) > 10.

4. В предлагаемом способе измерения проводят с разделением цепи заряда и разряда, например, с помощью электронных ключей, переключающих исследуемый образец от источника напряжения к измерительной схеме. Это исключает ошибки, возникающие при использовании прототипа и связанные с влиянием сквозного тока (тока от прикладываемых напряжений) на результаты измерений. Соответственно, повышается точность определения параметров.

5. Схемная реализация предлагаемого способа проще прототипа, так как здесь не используется генератор высокочастотного сигнала и относительно сложная система его регистрации для нахождения дифференциальной емкости.

Авторам неизвестно техническое решение, характеризующееся совокупностью признаков предлагаемого способа, которые и обеспечивают достижение новых качеств, отсутствующих в известных решениях.

П р и м е р. Для реализации способа было разработано и изготовлено устройство, схема которого изображена на фиг. 1.

В качестве интегратора 2 (измеритель заряда) была использована микросхема операционного усилителя (КР544УД2А) с емкостной обратной связью (емкость С_ос), а для изготовления ключей были выбраны ключевые сборки КР590КН2.

При зарядке образца напряжением V_i ключ К₁ замыкался, а К₂ размыкался. Образец подключался к источнику напряжения 1. Через промежуток времени, равный длительности зарядки образца τ, ключ К₁ размыкался, а К₂ (синхронно с К₁) замыкался - образец подключался ко входу интегратора 2. В процессе разряда образца на интегратор ключи К₃ и К₅ поддерживались в разомкнутом состоянии, а К₄ был замкнут, и на емкости С₁ первой ячейки памяти накапливался заряд, стекающий с образца. В момент времени от начала разряда ключ К₄ размыкался, а напряжение с емкости С₁, пропорциональное стекшему заряду Q_i/V_i, через эмиттерный повторитель У₁ оставалось поданным на первый вход дифференциального усилителя У₃.

Затем ключ К₂ размыкался, а К₁ замыкался - на образец подавалось напряжение V_i+1. Одновременно при зарядке образца замыкался и размыкался ключ К₃, приводя измерительную схему в исходное состояние (нулевое напряжение на входе интегратора 2). После зарядки образца напряжением V_i+1 ключ К₁ размыкался, а К₂ замыкался. В процессе разряда образца ключи К₃ и К₄ поддерживались в разомкнутом состоянии, а К₅ был замкнут и на емкости С₁ второй ячейки памяти накапливался заряд, стекающий с образца. В момент времени t₁ от начала разряда ключ К₅ размыкался, а напряжение с емкости С'₁, пропорциональное стекшему заряду Q_i+1(V_i+1) через эмиттерный повторитель У₂ оставалась поданным на второй вход дифференцирующего усилителя У₃. На выходе же У₃ (входе блока автоматизации 5) имеем сигнал, пропорциональный искомой величине Δ Q = Q_i+1(V_i+1) - Q_i(V_i).

Повторяя цикл измерений, управляемый микроЭВМ 6, находим зависимость Δ Q(V_i).

Предлагаемый способ и изготовленная установка были использованы для исследования структуры Ni/a - C:H/Si с толщиной слоя аморфного углерода ≈ 50 50 . Большая плотность поверхностных состояний на границе раздела а-C: H/Si исключала возможность использования для определения изгиба зон в Si на границе с а-С: H прототипа, так как измеренная с его помощью дифференциальная емкость не менялась от напряжения. На фиг. 3 показана зависимость СD(V), измеренная с помощью прототипа, а также найденная с помощью предлагаемого способа зависимость Δ Q_i(V_i). Строя зависимость ( Δ V/Δ Q_i)² и экстраполируя линейный участок, по величине отсечки на оси напряжений определяем величину потенциального барьера на границе раздела а-С:H/Si (в данном случае эта величина составляет ≈ 0,4 В, что совпадает с независимо определенной по кинетике фотоотклика величиной). Кроме того, дифференцируя полученную зависимость, можно определить профиль концентрации свободных носителей. Для исследованного образца зависимость в интервале напряжений 0-1 В представляет собой прямую линию, а = const , что свидетельствует о равномерном (однородном) легировании образца. Используя выражение
N_Д(x) = получаем N_D = 4˙10¹⁵ см^-3.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР, включающий приложение к образцу последовательности импульсов напряжения смещения с амплитудой, меняющейся по линейному закону и заданной длительности, измерение зависимости электрического параметра от приложенного напряжения и определение параметров структур с использованием полученной зависимости, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых структур за счет МДМ и p⁺ - i - n⁺-структур, повышения точности и чувствительности измерений, а также упрощения схемной реализации способа, в качестве электрического параметра измеряют заряд Q, стекающий с образца к моменту времени t при отключении напряжения после прохождения каждого импульса с амплитудой V и длительностью τ , а параметры образца определяют, используя зависимость изменения заряда от изменения амплитуды импульсов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, изменяют длительность t импульсов напряжения и повторяют измерения стекающего заряда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, выбирают время t измерения стекания заряда от 10^-6 до 10² с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3