Способ определения электрической гетерогенности поверхности полупроводников

Использование: в полупроводниковой технике для измерения распределения электростатического потенциала на поверхности полупроводников. Сущность изобретения: на фиксированном расстоянии от поверхности образца вращают плоский электрод. Ток, возникающий в цепи конденсатора, образованного образцом и электродом, интегрирующим усилителем преобразовывают в напряжение. Напряжение подают на вход осциллографа, осциллограмма которого отражает распределение поверхностного электростатического потенциала вдоль траектории вращающегося электрода. Техническим результатом изобретения является создание экспресс-метода, позволяющего регистрировать распределение поверхностного потенциала на плоской поверхности различных материалов и не оказывающего существенного воздействия на электронное состояние исследуемой поверхности. 1 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, предназначено для измерения распределения электростатического потенциала на поверхности различных материалов (полупроводников и металлов) плоской формы и может быть использовано, например, для экспрессного контроля электрической однородности поверхности полупроводников.

Контроль электронного состояния поверхности полупроводниковых пластин на ранних стадиях (отмывка, обезжиривание, травление, окисление) изготовления полупроводниковых приборов является одной из важнейших задач планарной технологии. В планарной технологии, например, кремниевых приборов используются кремниевые пластины с идеально обработанной механически плоской поверхностью. Наиболее чувствительным поверхностным параметром к различного рода загрязнениям является поверхностный электростатический потенциал. В статье - Н.М.Алейников и др. "Приборы и техника эксперимента", №6, с.188-190, 1974 г. - описан прибор для контроля электронного состояния поверхности полупроводников, основанный на бесконтактном измерении поверхностного потенциала. Описанный в статье метод недостаточно технологичен, т.к. для определения степени гетерогенности анализируемой поверхности необходимо проводить измерения поверхностного потенциала в различных точках и вычислять величину среднеквадратичного отклонения поверхностного потенциала.

Наиболее близким по решаемой задаче к предлагаемому способу является способ определения электрической гетерогенности поверхности полупроводников и диэлектриков - патент RU №1454166, Н 01 L 21/66. В этом способе образец помещают в герметичную камеру, в которой изменяют давление. При некотором давлении между образцом и расположенным над ним электродом возникает электрический разряд. По величине тока разряда и давлению определяют площадь заряженных участков и их заряд. Недостатки способа в следующем. Способ трудоемок, т.к. требует изменения давления и его измерения, а также вычисления площади заряженных участков и их заряда. Определяемые в способе площадь заряженных участков и их заряд не связаны однозначно с измеряемым током разряда и давлением. Не учитывается, что ток разряда зависит также от эмиссионной способности образца, которая в свою очередь зависит от поверхностного потенциала. Кроме того, электрический разряд может оказывать дестабилизирующее воздействие на электронное состояние исследуемой поверхности.

Задача, решаемая данным изобретением, - создание экспресс-метода, позволяющего регистрировать распределение поверхностного потенциала на плоской поверхности различных материалов и не оказывающего существенного воздействия на электронное состояние исследуемой поверхности.

Поставленная задача достигается тем, что на фиксированном расстоянии от поверхности плоского образца вращают электрод, ток, возникающий в цепи конденсатора, образованного образцом и электродом, усиливают интегрирующим усилителем и преобразуют в напряжение, которое подают на вход вертикального отклонения луча осциллографа, напряжение развертки которого синхронизируют с периодически изменяющимся током конденсатора, а на экране осциллографа наблюдают осциллограмму, отражающую распределение поверхностного потенциала образца вдоль траектории вращающегося электрода.

Рассмотрим суть предлагаемого способа. Между двумя электродами, являющимися обкладками плоского воздушного конденсатора, существует электрическое поле, напряженность E которого определяется разностью поверхностных потенциалов электродов V и V₀. Если контактная разность потенциалов V-V₀ изменяется со временем, то по внешнему проводнику, соединяющему электроды, пойдет ток

где ε₀=8,85·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная, h - зазор между электродами, остающийся при измерениях неизменным, S - площадь обкладок конденсатора, V(t) - поверхностный потенциал образца, V₀ - поверхностный потенциал электрода сравнения. Т.к. потенциал V₀ в процессе измерений не изменяется, ток конденсатора зависит от изменения поверхностного потенциала V(t) образца, т.е.

Предположим, что над образцом на неизменном расстоянии от его поверхности с постоянной линейной скоростью V вращается плоский электрод, площадь S которого значительно меньше размеров образца. Если поверхность образца гетерогенна и при перемещении электрода сравнения на величину dl потенциал образца изменяется на величину dV, ток в цепи конденсатора будет зависеть от скорости изменения поверхностного потенциала образца

Из (1) следует, что ток в цепи конденсатора пропорционален не поверхностному потенциалу V, а его производной dV/dl. Чтобы получить электрический сигнал, пропорциональный потенциалу V, ток нужно проинтегрировать. Для этого в цепь конденсатора необходимо включить интегрирующий усилитель тока, напряжение на выходе которого

где k - коэффициент преобразования тока в напряжение, зависящий от коэффициента усиления усилителя. Если напряжение развертки осциллографа синхронизировано с частотой вращения электрода сравнения, то наблюдаемый на экране осциллографа сигнал будет отражать распределение поверхностного потенциала образца вдоль траектории вращения электрода сравнения.

На чертеже показана принципиальная схема, позволяющая реализовать предлагаемый способ. Плоский образец 1 расположен на столе-держателе 2. На фиксированном расстоянии от поверхности образца по окружности радиуса R с постоянной скоростью вращается электрод сравнения 3, образуя плоский измерительный конденсатор постоянной емкости. Привод вращения на чертеже не показан. В цепь измерительного конденсатора включен интегрирующий усилитель 4, в качестве которого может быть использован, например, операционный инвертирующий усилитель, в цепь обратной связи которого включен конденсатор С. Напряжение с выхода усилителя 4 подается на вход "Y" осциллографа 5. Для создания синхронизирующего сигнала образован, например, вспомогательный воздушный конденсатор, обкладками которого являются неподвижные электроды 6 и 7. В цепь вспомогательного конденсатора включен источник постоянного напряжения 8 и резистор 9. С вращающимся электродом 3 механически жестко связан электрод 10, который гальванически соединен с одним из электродов, например с электродом 7. При прохождении электрода 10 между электродами 6 и 7 емкость вспомогательного конденсатора резко увеличивается и в его цепи периодически возникает всплеск тока. Возникающий на резисторе 8 импульс напряжения используется в качестве синхронизирующего и подается на "X" вход осциллографа.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий данный способ. Пусть электрод сравнения с площадью поверхности S=0,1 см² вращается по окружности радиуса R=3,2 см на расстоянии h=0,2 мм от поверхности исследуемого образца с постоянной скоростью n=100 оборотов/с, т.е. линейная скорость электрода v=2πRn≈20 м/с. Предположим, что поверхность образца гетерогенна и на некотором участке Δl=0,1 см перепад поверхностного потенциала составляет ΔV=0,1 В. Оценим величину тока, возникающего в цепи измерительного конденсатора, при прохождении электрода сравнения над этим участком

Приведенный пример показывает, что для регистрации потенциального рельефа поверхности с небольшой гетерогенностью (малые перепады поверхностного потенциала) необходимы образцы с идеально плоской поверхностью, высокие скорости вращения электрода сравнения при малых зазорах между образцом и электродом сравнения, а также электрометрические усилители (электрометры - приборы для регистрации малых электрических величин - зарядов, потенциалов, токов).

Способ определения электрической гетерогенности поверхности полупроводников, отличающийся тем, что на фиксированном расстоянии от поверхности плоского образца вращают электрод, ток, возникающий в цепи конденсатора, образованного образцом и электродом, усиливают интегрирующим усилителем и преобразуют в напряжение, которое подают на вход вертикального отклонения луча осциллографа, напряжение развертки которого синхронизируют с периодически изменяющимся током конденсатора, а на экране осциллографа наблюдают распределение поверхностного потенциала образца вдоль траектории вращающегося электрода.