Способ измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образце

 

Союз Советскнк

Соцнапнстнчеснни

Республик (и)934320

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-куй (22)Заявлено 31,05,78 (21) 2622949/18-25 (5! )М. Кл. с присоединением заявки МG 01 и 21/59

3оеударстееиимй комитет

СССР (23) Приоритет ао делам изебретеиий и открытий

Опубликовано 07 06 82 Бюллетень Ю 21 (53) УДК621. 382,,002(088.8) Дата опубликования описания 07 . 06 . 82 (72) Авторы изобретения

3.С.Грибников, В.A.Ðoìàíoâ и С,И.Козловский

Институт полупроводников AH Украинской ССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОДНОМЕРНОГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

НЕСКОМПЕНСИРОВАННОП ПРИМЕСИ

В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ОБРАЗЦЕ

Изобретение относится к производству и применению полупроводниковых материалов и может быть использовано для экспресс-измерений распределения локальной концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковых об-» разцах, преимущественно с одномерно неоднородным легированием в заводских и лабораторных условиях.

Известен способ измерения распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниках. путем измерения поворота плоскости поляризации излучения от источника монохроматического линейно поляризо ванного света, прошедшего через по15 мещенный в магнитное поле полупроводниковый образец. Поворот плоскости поляризации определяется концентрацией нескомпенсироваччых примесей, нап20 ряженностью магнитного поля, линейным размером образца в направлении пучка света, а также другими параметрами, Сканирование обоазца относительно пучка ИК-излучения позволяет получить распределение концентрации нескомпенсированной примеси Эе;х) на самопишущем потенциометре 1).

Однако недостаточно высокая чувст вительность дачного способа существенно ограничивает диапазон измеряемых значений а с нижней стороны.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения одномерного распреде» ления концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образ це путем сканирования вдоль образца пучком ИК-излучения и измерения интенсивности прошедшего сквозь образец излучения (2 ). физическая сущность этого способа заключается в том, что в нем ис— пользуется метод поглощения ИК-излучения, учитывающий как поглощение ИКизлучения решеткой кристалла, так и поглощение излучения свободными носителями тока, концентрация которых

93 равна концентрации нескомпенсированной легирующей примеси. В связи с тем, что .поглощение решеткой само по себе достаточно сильно, заметный контраст, обусловленный поглощением на свободных носителях тока на фоне поглощения решеткой, выявляется, лишь при концентрациях нескомпенсированной легирующей примеси, превышающих

1017 м- Э

Достоинством известного способа является простота и экспресность метода получения информации о распределении флуктуаций концентрации неском-! пенсированной примеси в образце и высокая разрешающая способность, достигающая 30 мкм и определяемая размером сканирующего пучка ИК-излучения.

Однако недостаточно высокая чувствительность известного способа не позволяет выявлять и измерять флукту. ации в распределении концентрации нескомпенсированной легирующей примеси и саму концентрацию, если ее величина не превышает 1О см, что существенно ограничивает его использование для исследования образцов слабо легированных полупроводниковых материалов, представляющих большой интерес для полупроводниковой техники. Кроме того, известный способ совершенно неприемлем для выявления флуктуаций нескомпенсированной примеси в полупроводниках с собственной проводимостью, поскольку в этом случае поглощение на свободных носителях будет совершенно однородным по всему образцу.

Цель изобретения — повышение чув ствительности способа.

Поставленная цель достигается тем что в способе, включающем сканирование вдоль образца пучком ИК-излу-. чения и измерение интенсивности про, шедшего сквозь образец излучения, O к исследуемому образцу прикладывают импульсы электрического напряжения, приводящего к дрейфовому распределению неравновесных носителей заряде в образце, и измеряют изменение ин-. тенсивности прошедшего ИК-излучения, Измерения проводят в условиях инжекции неравновесных носителей заряда. р(х) = 2М(х), где Z - сложная функция подвижностей

35 электронов и дырок, времени жизни неравновесных носителей, концентрации равновесных неосновных носителей,а также

I плотности протекающего тока и

4О оасстояния до точки в образце, в которой распределение носителей из диффузионного становится дрейфовым. При использовании инжекции появляется воз4S можность усиления искомого распределения канцентрацииЯЯ(х), поскольку функция Z возрастает по мере роста тока и при достаточно большом токе может во .много раз превышать единицу.

I,ЬЖ (Х) 5PQ() м х) р(х> (2) ) Наличие дрейфового распределения неравновесных носителей заряда устанавливают по признаку совпадения нормированных распределений кон4320 . 4 центрации неравновесных носителей при двух величинах тока, протекающего через образец, отличающихся в полтора-два раза.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в использовании ранее неизвестной закономерности, а именно возникающего при определенных условиях подобия между одномер1о ным (например, в направлении x) распределением концентрации нескомпенсированной примеси Ж (х) в полупроводниковом образце (для определенности, с электронной проводи1S мостью) и распределением концентрации неравновесных носителей, являющегося следствием протекания через него тока в направлении х. Неравновесные носители могут быть собствен2о ными либо иниектированными через контакт или светом. Величина протекающего тока должна быть такой, чтобы связанное с ним локальное электрическое поле было значи тельно больше встроенного концентра25 ционного поля, связанного с неоднородным распределением нескомпенсированной примеси Ж (х), т.е. распределение неравновесных носителей р(х) должно быть дрейфовым. В этом случае зо .между локальными концентрациями р(х) и (x) существует связь

В связи с тем, что функция Z медленно изменяется с координатой х, из формулы (1) вытекает соотношение

Величины, входящие в каждое иэ .отношений, определяются следующим образом:

9343 х (Х) " 1 О+4х()О (3) гдеЬЭЮ(х) - локальная амплитуда отклонения концентрации нескомпенсированной примеси от ее усредненной величины, р(х) - усредненная на длине нескольких периодов неоднородности величина концентрации нескомпенсированной примеси, р (х) = р (х) + др (х)., (4) 35 где p(x) — локальная амплитуда отклонения концентрации неравновесных носителей от ее усредненного значения, р (х) - усредненная на длине нескольких периодов неоднородности величина концентрации неравновесных носителей.

В формуле (2) величина Зр (х) является паспортным параметром полупроводникового материала, который может быть также легко определен с помощью стандартного двух- или четырехзондового метода измерения удельного сопротивления и величины подвижности носителей.

Кроме значения величины е.(х) для нахождения распределения концентрации нескомпенсированной примеси о необходимо провести измерение распре деления неравновесных носителей Г(х) по длине образца в условиях протекания тока и выполнения требования дрейфового распределения, На практике в выполнении этого требования лег ко убедитьcR, проводя измерения распределения р(х) при двух отличающихся в полтора-два раза значениях тока.

Распределение носителей действительно дрейфовое, если полученные для двух значений тока нормированные распределения р(x) совпадают.

Наиболее чувствительным методом измерения распределения концентрации, 55 неравновесных носителей р(х) является метод поглощения на неравновесных носителях, изменение концентрации которых обусловлено проходящим через

20 6 образец током. При использовании импульсного питания образца и синхронного с импульсами напряжения детектирования прошедшего через обра» зец излучения оказывается возможным выявление и измерение малых изменений концентрации неравновесных носителей и связанных с ними соотноше-! нием (1) пространственных изменений концентрации нескомпенсированных примесей. I

На чертеже представлена блок-схема установки, реализующей предлагаемый способ.

Установка состоит иэ источника

ИК-излучения (глобара 1), плоского зеркала 2, двух сферических зеркал

3 и 4, полупроводникового образца

5 и механизма 6 его перемещения, оптической щели 7, приемника 8 иэлу" чения,генератора 9 прямоугольных импульсов напряжения, усилителя 10 сигнала с приемника излучения, синхронного детектора 11, самопишущего потенциометра 12 и модулятора 13 излучения.

Установка работает следующим образом.

Пучок света от глобара 1 фокусируют зеркалами 2 и 3 на поверхность исследуемого полупроводникового образца 5, перемещаемого вдоль направления х механизмом 6. Излучение, вышедшее из образца, ограничивается щелью 7 с размерами 0,05х1,5 мм и зеркалом 4 фокусируется на охлаждаемый жидким азотом приемник 8 излучения на основе легированного золотом германия. Сигнал с приемника 8 излучения усиливают резонансным усилителем 10 со входным строб-каскадом который открывается синхронно с импульсами напряжения, поступающими от генератора 9 на контакты образца 5.

Сигнал с усилителя 10 поступает на синхронный детектор 11 и далее на самопишущий потенциометр 12, на котором и регистрируется распределение изменения поглощения hl(õ) ИК-излучения на неравновесных носителях при перемещении образца вдоль направления х. При работе в качестве опорного сигнала для синхронного детекто ра 11 используют первую гармонику импульсного напряжения на контактах образца 5, Параметры импульсов от генератора 9: амплитуда 0- 120 В, длительность 200 мкс, частота повтооения 25 Гц.

934320

Для получения количественных данных о величине локального изменения концентрации неравновесных носителей р(х) на этой же установке измеряют распределение интенсивности прошедшего излучения, связанного с полным поглощением в образце- 5 (х) в условиях отсутствия импульсного напряжения на образце, но при механической модуляции излучения от глобара 1 с 16 помощью модулятора 13.

Далее находят распределение концентрации неравновесных носителей по формуле

® Ь -Ьт(Х)/тЖ)

6 у (5) где (3 " сечение поглощения, равное, например, для германия при

300K6 = 1,34.10 " см, 2о размер образца в направлении проходящего ИК-пучка.

Из этого распределения и формулы (4) получают затем распределения р7х) и др(х). Последние с учетом формул (2) и (3) позволяют найти искомое одномерное распределение концентрации нескомпенсированной при» меси, равное

X()A=_#_b() (1+ И (<)/Я(Х) 3 (6) Необходимо отметить, что согласно формуле (1) при Z=1 чувствительность способа измерения одномерного распре 35 деления концентрации нескомпенсированной примеси определяется чувствительностью измерения распределения концентрации неравновесных носителей, которая благодаря регистрации 40 исключительно изменения этой концентрации в условиях протекания через образец импульсов тока, сама по себе в 10 - 10> раз выше чувствительности известного способа. измерения рас- 45 пределения концентрации нескомпенсированной примеси За(х). Возрастание функции Z с ростом тока увеличивает чувствительность предлагаемого способа дополнительно в Е раз (ре- sc ально Z может изменяться в пределах

1- 10 и редко более того). Особо благоприятные условия для использования предлагаемого способа возникают при исследовании электронного герма- ss ния, в котором неравновесные дырки имеют сечение поглощения б примерно в 20 раз больше, чем у неравновесных электронов. В связи со сказанным реальная чувствительность предлагаемого способа выше чувствительности известного способа измерения распределения концентрации нескомпенсиро3 ваннои примеси в 10 - 10 раз при исследовании электронного германия и в

10 10 раз при исследовании прочих ъ полупроводников, Испытания способа измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси проводят с использованием пяти образцов промышленного германия типа ГЭС-5/1 со средней концентрацией доноров 7 =

3 10"4см с размерами (мм) I --.8, 1 —— 2; 1 — — 2,5, снабженных двумя слабо инжектирующими паяными оловянными контактами, нанесенными на торцовые

yz-плоскости образцов. Как известно, при легировании полупроводников, вытягиваемых из расплава в направлении (tI1), е них возникает неоднородное слоистое распределение концентрации легирующей примеси, причем слои с повышенной (или пониженной) концентрацией примеси, по крайней мере вблизи оси кристалла, располагаются перпендикулярно оси роста. B связи с этим можно было ожидать, что в исследуемых образцах плоскости слоев будут параллельными их yz-граням. Перед измерениями xz-грани образцов полируют и щель ориентируют в Z -направлении.

В результате измерений выявлено четкое распределение слоистой неодно родности концентрации доноров при отношении сигнала к шуму, равном 20.

При этом средняя величина амплитуды неоднородности концентрации доноровьх равна 2 10" см,т.е.ЬЖ/ж=0,08. В исследуемых образцах с помощью зондового метода измерения удельного сопротив" ления не удается зарегистрировать такую неоднородность в распределении концентрации доноров, поскольку погрешность зондового метода реально составляет 0,2-0,25. В процессе измерений величина функции Е в формуле (1) изменяется в пределах 1-5 в диапазоне плотностей тока через эбразец 20 — 54 Я/см Испытания показы вают, что результаты измерения распределения концентрации доноров в исследуемых образцах не изменяются в диапазоне температур образцов 20100 С. При 100" С измерения распределения амплитуды неоднородности, рав-!

9343

Формула изобретения

ВНИИПИ Заказ 3916/37 Тираж 887 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

12- Ъ ной в среднем 2i10 см,-проводят на фоне концентрации собственных но-... сителей, равной 6 1 О" см, Результаты испытаний подтверждают перспективность использования пред.лагаемого способа. для экспресс-измерений распределения концентрации, нескомпенсированной примеси в одномерно неоднородных полупроводниковых материалах, когда амплитуда локально- 1О го изменения концентрации доноров или и -3 акцепторов составляет 1О -1О см или более того на фоне средней концен трации доноров или акцепторов такого же порядка или выше. 15

Зарегистрированная при испытаниях чувствительность предлагаемого способа в отличие от известного принципиально не ограничена и может быть увеличена при использовании более совершенной измерительной аппаратуры.

1. Способ измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образце путем сканирования вдоль образца пучком ИК-излучения и измерения интенсивности прошедшего

20 10 сквозь образец излучения, о т л ичающий ся тем, что, сцелью повышения чувствительности, к исследуемому образцу прикладывают импульсы электрического напряжения, приводящего к дрейфовому распределению неравновесных носителей заряда в образце, и измеряют изменение интенсивности прошедшего ИК-излучения.

2, Способпоп1, отли чаю шийся теМ, что, измерения проводят в условиях инжекцни неравновесных носителей заряда.

3. Способ по пп.1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что.наличие дрейфового распределения неравновесных носителей заряда устанавливают по признаку совпадения нормированных распределений концентрации неравновесных носителей при двух величинах тока, протекающего через образец, отличающихся в полтора-два раза.

Источники информации, лринятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 368526, кл. G 01 и 21/ОО.

2. Sherman В., B1ack J.F. Сканирующий лазерный инфракрасный микроскоп. АррIied 0ptics 1970,÷.9,N.4, р.802-809 (прототип).