Способ и устройство определения электрофизических параметров полупроводниковой пластины

 

Использование: изобретение относится к области измерений электрофизических параметров полупроводниковых пластин и структур при производстве интегральных микросхем и может быть использовано для оптимизации технологических процессов. Сущность изобретения: освещают локальную область поверхности пластины модулированным монохроматическим излучением на разных длинах волн и измеряют сигналы фотоЭДС. Выбирают потоки из анализа зависимости фотоЭДС от них и измеряют потоки. Освещают симметричную область на обратной стороне пластины модулированным монохроматическим излучением на разных длинах волн и измеряют сигналы фотоЭДС на исходной стороне пластины. Выбирают потоки из анализа зависимости фотоЭДС на этой стороне от них и измеряют эти потоки. Искомые значения определяют расчетным путем с использованием соответствующих коэффициентов поглощения. Устройство содержит предметный столик с отверстием, два перестраиваемых по длине волны источника монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения, два оптических элемента формирования пространственно-ограниченного потока, расположенных по разные стороны от плоскости столика и оптически связанных через оптическую систему передачи излучения с источниками, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи, расположенным между одним из оптических элементов к плоскости столика, фотоприемник, оптически связанный с двумя источниками, и блок регистрации и управления, вход которого связан с датчиком фотоЭДС, а выход - с источниками излучения. 2 с.п. 27 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерений электрофизических параметров полупроводниковых пластин и структур при производстве интегральных микросхем и может быть использовано для оптимизации технологических процессов.

Известен источник информации, характеризующий способ и устройство определения диффузионной длины неосновных носителей заряда L [1] Способ включает освещение области поверхности полупроводниковой пластины модулированным потоком излучения на длинах волн, соответствующих диапазону коэффициентов поглощения d^-1 < α < w^-1,, где d толщина пластины, W толщина области пространственного заряда, регистрацию сигналов фотоЭДС с освещенной области и измерение относительных значений эффективных световых потоков φ = (1 - R)φ_in, где φ_in падающий световой поток, R коэффициент отражения, причем потоки выбирают таким образом, чтобы сигналы фотоЭДС были равны при освещении на разных длинах волн, а искомые параметр определяют по точке пересечения графика зависимости φ(α^-1), имеющего вид прямой, с осью абсцисс. Для реализации способа используют устройство, содержащее перестраиваемый по длине волны источник монохроматического регулируемого и модулированного излучения, включающего монохроматор, лампу накаливания и модулятор, датчик фотоЭДС, содержащий прозрачный проводящий электрод емкостной связи и предусилитель, оптический элемент формирования пространственно ограниченного потока, оптическую систему и систему регистрации и управления. Недостатками данного технического решения являются ограниченный диапазон измерения L<(1/4)d и отсутствие информации о свойствах поверхности.

Наиболее близким аналогом по мнению заявителя является способ и устройство для измерения диффузионной длины неосновных носителей заряда в полупроводниках [2] Способ включает освещение локальной области поверхности полупроводниковой пластины монохроматическим модулированным потоком излучения на нескольких длинах волн, соответствующих диапазону коэффициентов поглощения d^-1 < α < w^-1, и измерение сигналов фотоЭДС V, причем световые потоки φ выбираются одинаковыми на всех длинах волн в области линейной зависимости от них сигналов фотоЭДС, а искомый параметр определяется по точке пересечения графика зависимости v^-1(α^-1),, имеющего вид прямой, с осью абсцисс.

Для реализации способа используют устройство, содержащее перестраиваемый по длине волны источник монохроматического регулируемого и модулированного излучения, включающего галогенную лампу, узел коммутации интерференционных и нейтрального калиброванного светофильтров, оптический аттенюатор, модулятор излучения, датчик фотоЭДС с прозрачным электродом емкостной связи, оптический элемент формирования пространственно-ограниченного потока в виде линзы, световодную оптическую систему, также блок регистрации и управления, в состав которого входит компьютер, синхронный детектор и блоки управления узлами. Недостатки ближайшего аналога идентичны недостаткам первого аналога.

Техническим эффектом, получаемым в результате реализации изобретения, является разработка экспресс-метода измерения электрофизических параметров - диффузионной длины неосновных носителей заряда вплоть до значений, превышающих толщину пластины, скорости поверхностной рекомбинации и устройства его реализации. Способ включает следующие операции: освещение локальной области первой поверхности полупроводниковой пластины промодулированными потоками монохроматического излучения на длинах волн, соответствующих диапазону коэффициентов поглощения d^-1 < α < w^-1, где d толщина полупроводниковой пластины, W толщина области пространственного заряда, снятие сигналов фотоЭДС с освещенной области, выбор потоков из анализа зависимости от них сигналов фотоЭДС, измерение сигналов фотоЭДС и относительных значений выбранных потоков, освещение промодулированными потоками монохроматического излучения расположенной симметрично области второй поверхности, снятие сигналов фотоЭДС с первой области, выбор потоков из анализа зависимости от них сигналов фотоЭДС, при выбранных потоках измерение их относительных значений и сигналов фотоЭДС, определение искомых параметров расчетным путем с использованием всех измеренных значений.

Световые потоки могут быть выбраны на линейном участке зависимости от них сигналов фотоЭДС. При этом, используя отношения выбранных потоков при освещении областей первой и второй поверхностей, рассчитывают искомые параметры диффузионную длину L и скорость поверхностной рекомбинации на второй поверхности s из системы уравнений где v_i и φ_i сигналы фотоЭДС и световые потоки при освещении областей первой поверхности на длинах волн λ_i соответственно, сигналы фотоЭДС и световые потоки при освещении области второй поверхности на длинах волн соответственно, i l,n, n≥2, D коэффициент диффузии неосновных носителей заряда.

Освещение областей первой и второй поверхностей можно провести на одних и тех же длинах волн. При этом, если использовать не менее трех длин волн, достаточно определить относительные значения отношений потоков при освещении областей первой и второй поверхностей на одной и той же длине волны r₁ , где с константа, и рассчитать искомые параметры из системы уравнений где i l.n, n≥3.

Кроме этого, световые потоки могут быть выбраны одинаковыми на разных длинах как при освещении первой, так и второй поверхностей.

Кроме этого световые потоки могут быть выбраны на участке монотонной зависимости от них сигналов фотоЭДС и таким образом, чтобы сигналы фотоЭДС были одинаковы при выбранных потоках.

При проведении измерений можно дополнительно осветить стационарным потоком участок второй поверхности, перекрывающий область, освещаемую промодулированными световыми потоками.

При проведении измерений целесообразно регистрировать сигнал фотоЭДС из области, перекрывающей первую локальную область, причем степень перекрытия зависит от исследуемого материала.

Устройство, используемое для реализации способа, содержит предметный столик, выполненный с отверстием и возможностью перемещений, два источника монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения, два оптических элемента формирования пространственно- ограниченного потока, расположенных по обе стороны предметного столика, две оптические системы передачи излучения, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи, расположенным между предметным столиком и первым оптическим элементом формирования пространственно-ограниченного потока, фотоприемник и блок регистрации и управления, причем первый и второй источники монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения через оптические системы передачи излучения оптически связаны с первым и вторым оптическими элементами формирования пространственно-ограниченного потока соответственно, фотоприемник оптически связан с обоими оптическими элементами формирования пространственно-ограниченного потока, а электрически с блоком управления и регистрации; выход датчика фотоЭДС электрически соединен с входом блока управления и регистрации, выходы которого электрически соединены с обоими источниками монохроматического, регулируемого и модулированного излучения.

Источники монохроматического регулируемого и модулированного излучения могут состоять из широкополосного излучателя, монохроматора, механического модулятора, оптического аттенюатора. Вместо монохроматора может использоваться интерференционные светофильтры. Кроме этого, вместо монохроматора может использоваться перестраиваемый по длине волны лазер или набор дискретных по длине волны источников монохроматического излучения, например лазеров или светодиодов, имеющих общий оптический выход.

Оптические системы передачи излучения могут состоять из зеркал, линз и световодов.

В качестве оптических элементов формирования пространственно-ограниченного потока могут быть использованы линзы, световоды, зеркала и диафрагмы.

Электрод емкостной связи может быть выполнен в виде прозрачной, проводящей пластины или проводящей пластины с отверстием, или проводящей сетки.

В качестве фотоприемника может использоваться фотодиод или фотоэлектронный умножитель.

Устройство может дополнительно содержать третий источник излучения и оптический элемент формирования пространственно-ограниченного потока, причем характеристики третьего источника зависят от исследуемого материала.

Кроме этого устройство может содержать комбинацию из более чем одного пространственно- разнесенного набора, каждый из которых состоит из двух расположенных по обе стороны предметного столика оптических элементов формирования пространственно-ограниченного потока излучения, оптически связанных с двумя источниками монохроматического, регулируемого и модулированного излучения, а также датчика фотоЭДС, электрически связанного с блоком управления и регистрации, причем фотоприемник оптически связан с каждым оптическим элементом из каждого набора системы, а каждый из упомянутых источников электрически связан с выходом блока управления и регистрации.

Датчик фотоЭДС может дополнительно содержать предусилитель, вход которого находится в непосредственной близости от электрода емкостной связи.

Обосновывая существенность признаков, введенных заявителем в формулу изобретения, он на основании опыта работы отмечает, что совокупность признаков, введенных им в независимые пункты формулы изобретения, необходима и достаточна для достижения заявленного технического эффекта. Признаки, введенные в зависимые пункты формулы изобретения, или развивают признаки, введенные в независимые пункты формулы изобретения, или позволяют незначительно усилить заявленный технический эффект.

Изобретение отличается от ближайшего аналога тем, что: а) освещают потоками монохроматического модулированного излучения вторую локальную область на второй поверхности пластины; б) вторая локальная область расположена симметрично первой; в) при освещении второй локальной области сигнал фотоЭДС снимают с первой локальной области; г) измеряют относительные значения световых потоков; д) для определения искомых параметров используют значения сигналов фотоЭДС и относительных световых потоков при освещении первой и второй локальных областей;
е) область поверхности, с которой снимают сигнал фотоЭДС, перекрывает освещаемую.

В области устройства:
а) предметный столик выполнен с отверстием;
б) устройство дополнительно содержит второй оптический элемент формирования пространственно- ограниченного потока и второй источник излучения;
в) второй оптический элемент формирования пространственно-ограниченного потока расположен с противоположной стороны предметного столика;
г) устройство дополнительно содержит фотоприемник, оптически связанный с обоими оптическими элементами.

Кроме того, заявленное изобретение может отличаться от ближайшего аналога признаками, введенными в зависимые пункты формулы изобретения.

Сущность изобретения проиллюстрирована на чертеже, на котором представлен предпочтительный вариант реализации устройства в виде блок-схемы.

Устройство содержит перестраиваемые по длине волны источники монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения 1 и 2, дав оптических элемента формирования пространственно-ограниченного потока 3 и 4, оптически связанных с источниками 1 и 2 с помощью световодов 5, и 6, расположенных по обе стороны предметного столика 7 с отверстием, на котором расположена полупроводниковая пластина 8, датчик фотоЭДС 9 с электродом емкостной связи 10 и усилителем 11, вход которого электрически соединен с электродом 10. Выход усилителя 11 электрически связан с блоком управления и регистрации 12.

Блок управления и регистрации электрически соединен с источниками 1 и 2. Устройство также содержит фотоприемник 13, оптически связанный с элементами 1 и 2 с помощью световодов 14 и 15, электрически с блоком управления и регистрации 12. В состав устройства входят также третий источник излучения 16 и световод 17, выход которого размещен около оптического элемента 3.

В качестве источника излучения 1 и 2 можно использовать широкополосный источник света, например галогенную лампу с монохроматором, механическим модулятором и оптическим коммутатором. Вместо монохроматора может быть использован набор сменных интерференционных светофильтров. В качестве источника излучения может быть использовано несколько монохроматических источников, имеющих один оптический выход, например светодиодов или инжекционных лазеров. Вместо световодов могут быть использованы линзы и зеркала. В качестве оптических элементов 3 и 4 могут быть использованы линзы или непосредственно световоды с диафрагмами. В качестве фотоприемника может быть использован фотодиод или ФЭУ. Предметный столик может быть выполнен в виде кольца, внутренний диаметр которого меньше диаметра пластины, и кроме этого с возможностью перемещений для картографирования параметров. Датчик фотоЭДС представляет собой диск с отверстием, на котором размещен электрод емкостной связи, выполненный из прозрачного и проводящего материала, например металлической сетки или стеклянной пластины, на которой нанесена пленка диоксида олова. В качестве третьего источника может быть использован широкополосный источник с фильтром, а также лазер или светодиод.

Датчик фотоЭДС может быть также размещен сверху столика вблизи оптического элемента 3. Кроме этого, для того чтобы оперативно получить информацию о распределении параметров по поверхности пластины, устройство может содержать комбинацию из более чем одного пространственно- разнесенного блока, каждый из которых состоит из двух расположенных по обе стороны предметного столика оптических элементов формирования пространственно-ограниченного потока излучения, оптически связанных с двумя источниками монохроматического, регулируемого и модулированного излучения, а также датчика фотоЭДС, электрически связанного с блоком управления и регистрации, причем фотоприемник оптически связан с каждым оптическим элементом из каждого блока системы, а каждый из упомянутых источников электрически связан с выходом блока управления и регистрации.

Способ может быть реализован следующим образом. Полупроводниковую пластину 8 помещают на столике 7 с отверстием. С помощью источника 2, световода 6 и оптического элемента 4 освещают область 19 на поверхности пластины 8 модулированным по интенсивности монохроматическим излучением на длине волны λ₁.. Используя датчик фотоЭДС 9, снимают сигнал фотоЭДС со стороны электрода 10, усиливают усилителем 11 и подают на вход блока управления и регистрации 12. Также снимают сигнал с фотоприемника 13, который пропорционален потоку излучения в области 19. Уменьшают световой поток до выхода зависимости сигнала фотоЭДС от потока на линейный участок и в указанном диапазоне выбирают поток φ₁, проводят измерения сигналов с датчика фотоЭДС 10 V₁ и с фотоприемника 13 I₁, аналогичные измерения V_i, I_i проводят на других длинах волн λ_i при выбранных потоках φ_i. Затем, используя источник 1, световод 5, оптический элемент 3, освещают область 18, симметричную области 19, монохроматическим излучением на длине волны . Также выбирают световой поток φ₁ в диапазоне линейной зависимости от него сигнала фотоЭДС. При выбранном таким образом потоке проводят измерения сигналов с датчика фотоЭДС 10 и фотоприемника 13 . Аналогичные измерения проводят на других длинах волн при выбранных потоках . Далее, учитывая коэффициенты пропускания световодов 5 с оптическим элементом 3 -K₁ и световода 6 с оптическим элементом 4, электродом 10 К₂, а также спектральную чувствительность фотоприемника P(λ) и коэффициенты отражения обеих поверхностей полупроводниковой пластины R_i и на длинах волн , рассчитывают отношения световых потоков по формуле:

где P_i и спектральная чувствительность фотоприемника на длинах волн соответственно, i l.n, n ≥ 2, и рассчитывают искомые параметры L и S по формуле (1).

Если первую и вторую поверхности освещают на одних и тех же длинах волн, то измерения могут быть проведены в случае, когда коэффициенты отражения полупроводниковых пластин не известны, например, для структур с металлизацией. С этой целью измерения проводят по крайней мере на трех длинах волн, рассчитывают относительные значения отношений световых потоков , а искомые параметры рассчитывают по формуле (2).

Стационарную подсветку используют для того, чтобы выделить составляющую скорости поверхностной рекомбинации, связанную с рекомбинационными центрами на поверхности. С этой целью освещают область второй поверхности пластины, перекрывающую локальную область 18 с помощью источника 16 и световода 17.

Для измерения параметров кремниевых пластин длины волн выбирают в диапазонах 0,8 1,04 мкм. Подсветку осуществляют на длине волн λ < 0,8 мкм..

При проведении измерений использовалась установка, в которой каждый из источников 1 и 2 включает светодиоды с фильтрами на длинах волн 0,83; 0,93 и 0,99 мкм. В состав установки также входит блок управления и регистрации, включающий персональный компьютер IBM-PC-AT 386 с интерфейсной платой, два синхронных детектора, источники питания световодов. Датчик фотоЭДС содержит электрод емкостной связи, выполненный в виде стеклянной пластины с напыленной пленкой SnO₂, и малошумящий предусилитель. В качестве третьего источника использовался светодиод с длиной волны 0,66 мкм.

Результаты измерений исходной и окисленной пластин:
исходная пластина кремния: L 390 мкм; S 10⁵ см/с.

окисленная пластина кремния: L 110 мкм; S 10⁴ см/с. При включении стационарной подсветки скорость поверхностной рекомбинации на окисленной пластине уменьшается до 10³ см/с.

Формула изобретения

1. Способ определения электрофизических параметров полупроводниковой пластины, включающий освещение локальной области поверхности полупроводниковой пластины промодулированными потоками монохроматического излучения на длинах волн, соответствующих диапазону коэффициентов поглощения
d^-1 < α < w^-1,
где d толщина полупроводниковой пластины;
w толщина области пространственного заряда,
снятие сигналов фотоЭДС с освещенной области, выбор потоков из анализа зависимости от них сигналов фотоЭДС и измерение сигналов фотоЭДС при выбранных потоках, отличающийся тем, что дополнительно измеряют относительные значения выбранных потоков, освещают промодулированными потоками монохроматического излучения расположенную симметрично область второй поверхности, снимают сигналы фотоЭДС с первой области, выбирают потоки из анализа зависимости от них сигналов фотоЭДС, при выбранных потоках проводят измерения их относительных значений и сигналов фотоЭДС, искомые параметры определяют расчетным путем с использованием всех измеренных значений и соответствующих коэффициентов поглощения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают световые потоки на линейном участке зависимости от них сигналов фотоЭДС.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что рассчитывают отношения выбранных потоков при освещении областей первой и второй поверхностей, а искомые параметры диффузионную длину L, см, и скорость поверхностной рекомбинации S, см/с, на второй поверхности определяют из системы уравнений

где сигналы фотоЭДС и световые потоки при освещении областей первой и второй поверхностей соответственно на длинах волн
соответствующие значения коэффициентов поглощения, см^-1;
D коэффициент диффузии, см²/с.

4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что проводят освещение областей первой и второй поверхностей на одних и тех же длинах волн.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что проводят освещение областей первой и второй поверхностей на одних и тех же не менее чем трех длинах волн, рассчитывают относительные значения отношений выбранных потоков при освещении областей первой и второй поверхностей на одной и той же длине волны, диффузионную длину L и скорость S поверхностной рекомбинации на второй поверхности определяют из системы уравнений

где
C константа;
i 1, n, n ≥ 3.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что выбирают световые потоки одинаковыми на разных длинах волн при освещении областей первой и второй поверхностей.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают потоки на участке монотонной зависимости от них сигналов фотоЭДС и так, чтобы сигналы фотоЭДС были одинаковы при выбранных потоках.

8. Способ по пп. 1 7, отличающийся тем, что при проведении измерений дополнительно освещают стационарным потоком участок второй поверхности, перекрывающий область, освещаемую промодулированными монохроматическими потоками.

9. Способ по пп. 1 8, отличающийся тем, что область первой поверхности, с которой снимают сигнал фотоЭДС, перекрывает освещаемую.

10. Устройство определения электрофизических параметров полупроводниковой пластины, содержащее предметный столик, выполненный с возможностью перемещения, перестраиваемый по длине волны первый источник монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения, первую оптическую систему, первый оптический элемент формирования пространственно-ограниченного потока излучения, расположенный вблизи столика, датчик фотоЭДС с электродом емкостной связи, расположенным между оптическим элементом формирования пространственно-ограниченного потока излучения и поверхностью столика, блок регистрации и управления, причем источник монохроматического регулируемого и модулированного излучения через оптическую систему связан с оптическим элементом формирования пространственно-ограниченного потока излучения, а выход датчика фотоЭДС соединен с входом блока управления и регистрации, выход которого соединен с источником монохроматического, регулированного и модулированного по интенсивности излучения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй перестраиваемый по длине волны источник монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения, второй оптический элемент формирования пространственно-ограниченного потока излучения, расположенный со стороны плоскости столика, противоположной датчику фотоЭДС, вторую оптическую систему передачи излучения, фотоприемник, предметный столик выполнен с отверстием, причем второй источник через вторую оптическую систему связан с вторым оптическим элементом формирования пространственно-ограниченного потока излучения, фотоприемник оптически связан с обоими оптическими элементами формирования пространственно-ограниченного потока излучения, выход блока управления и регистрации соединен с вторым источником монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что источник монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения содержит широкополосный излучатель, монохроматор, механический модулятор, оптический аттенюатор.

12. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что источник монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения содержит широкополосный излучатель, набор интерференционных светофильтров, механический модулятор, оптический аттенюатор.

13. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что в качестве источника монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения использован перестраиваемый по длине волны лазер.

14. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что источник монохроматического, регулируемого и модулированного по интенсивности излучения содержит несколько дискретных по длине волны источников монохроматического излучения, имеющих общий оптический выход.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что в качестве дискретного по длине волны источника монохроматического излучения использован светодиод с оптическими фильтрами.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что в качестве дискретного по длине волны источника монохроматического излучения использован лазер.

17. Устройство по пп. 10 16, отличающееся тем, что оптические системы выполнены как комбинация дискретных элементов линз и зеркал.

18. Устройство по пп. 10 16, отличающееся тем, что оптическая система выполнена из световода.

19. Устройство по пп. 10 18, отличающееся тем, что в качестве оптических элементов формирования пространственно-ограниченного потока излучения использована линза.

20. Устройство по пп. 10 18, отличающееся тем, что в качестве оптического элемента формирования пространственно-ограниченного потока излучения использован световод с диафрагмой.

21. Устройство по пп. 10 18, отличающееся тем, что в качестве оптического элемента формирования пространственно-ограниченного потока излучения использовано зеркало с диафрагмой.

22. Устройство по пп. 10 21, отличающееся тем, что электрод емкостной связи выполнен в виде прозрачной и проводящей пластины.

23. Устройство по пп. 10 21, отличающееся тем, что электрод емкостной связи выполнен в виде проводящей пластины с отверстием.

24. Устройство по пп. 10 21, отличающееся тем, что электрод емкостной связи выполнен в виде проводящей сетки.

25. Устройство по пп. 10 24, отличающееся тем, что в качестве фотоприемника использован фотодиод.

26. Устройство по пп. 10 24, отличающееся тем, что в качестве фотоприемника использован фотоэлектронный умножитель.

27. Устройство по пп. 10 26, отличающееся тем, что оно содержит третий источник излучения, оптическую систему и оптический элемент формирования пространственно-ограниченного потока излучения.

28. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что оно содержит комбинацию из более чем одного пространственно разнесенных наборов, каждый из которых состоит из двух расположенных по обе стороны предметного столика оптических элементов формирования пространственно-ограниченного потока излучения, оптически связанных через две оптические системы передачи излучения с первым и вторым перестраиваемыми по длине волны источниками монохроматического, регулируемого и модулированного излучения, а также датчика фотоЭДС, электрически связанного с блоком управления и регистрации, причем фотоприемник оптически связан с каждым источником из каждого набора системы, а каждый из упомянутых источников электрически связан с выходом блока управления и регистрации.

29. Устройство по пп. 10 28, отличающееся тем, что датчик фотоЭДС содержит предусилитель, вход которого расположен в непосредственной близости от электрода емкостной связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1