Пристрій для вимірювання параметрів омічного контакту до напівпровідника

Пристрій для вимірювання параметрів омічного контакту до напівпровідника, який містить вимірювальний блок, що складається з генератора постійного струму і не менше ніж чотирьох зондів, два з яких під'єднано до генератора, а решта - до вимірювача напруги, і предметний столик для досліджуваних зразків, який відрізняється тим, що пристрій додатково має термостат з керованою температурою, в якому розміщені предметний столик разом з зондами. (19) (21) u201006884 (22) 03.06.2010 (24) 27.12.2010 (46) 27.12.2010, Бюл.№ 24, 2010 р. (72) БЄЛЯЄВ ОЛЕКСАНДР ЄВГЕНОВИЧ, БОЛТОВЕЦЬ МИКОЛА СИЛОВИЧ, КОНАКОВА РАЇСА ВАСИЛІВНА, КУДРИК ЯРОСЛАВ ЯРОСЛАВОВИЧ, ШИНКАРЕНКО ВОЛОДИМИР ВІКТОРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ 3 55762 напівпровідника, містить вимірювальний блок, що складається з генератора постійного струму і не менше ніж чотирьох зондів, два з яких під'єднано до генератора, а решта до вимірювача напруги і предметний столик для досліджуваних зразків, який відрізняється тим, що пристрій додатково має термостат з керованою температурою в якому розміщені предметний столик разом з зондами. За допомогою даного пристрою можливо отримати як значення контактного опору, так і висоти бар'єру контакту метал-напівпровідник. В ході роботи на предметний столик розміщується зразок. До металізованих ділянок на ньому притискають зонди так, щоб утворився електричний контакт між ними. Зокрема, на фіг. 1 зображено розміщення зондів у випадку вимірювання за чотирьохточковим методом. На фіг. 1 позначено: 1-6 зонди, t - товщина підкладки, L - відстань між металізованими ділянками структури, r - радіус металізації, V12, V23, V34 напруга між зондами відповідно 1 та 2, 2 та 3, 3 та 4. Як видно з фіг. 1., постійний струм подається на два крайні зонди (фіг. 1, зонди 5 та 6), що формує електричне поле між відповідними крайніми контактами. З решти зондів (1-4) знімається напруга, що знаходиться між ними. Отримавши таким чином значення напруги та струму можемо оцінити значення контактного опору. Для визначення висоти бар'єру в омічному контакті метал-напівпровідник, в термостаті, в якому розміщені предметний столик з закріпленим зразком та притисненими зондами, встановлюють початкову температуру з запланованого для даного зразка діапазону і повторюють цикл вимірювання через кожні 5-25 градусів у всьому запланованому діапазоні температур (діапазон та температурний інтервал вимірювань обирають в залежності від необхідної точності визначення висоти бар'єру, параметрів матеріалу та запланованих робочих характеристик досліджуваного омічного контакту до напівпровідника). Після подібного циклу досліджень отримуємо залежність контактного опору від температури, звідки оцінюємо механізми струмопереносу через омічний контакт та розраховуємо висоту бар'єру Шотткі в омічному контакті. Розглянемо методики вимірювання контактного опору. Зокрема, у випадку розміщення маски контактної металізації за методом Кокса-Стрека (фіг. 1) 4 c контактний опір дорівнює R Rt , де sf d, t d2 c - питомий контактний опір, s – питомий опір напівпровідника; d - діаметр контакту, t - товщина шару напівпровідника, Rt - опір тильного контакту, f(d,t) - функція, яка враховує нелінійну залежність опору напівпровідника від його товщини та діаметру контакту в результаті розтікання струму. Згідно наближенню Брукса-Меттса [3] ця функція дорів1 нює f d, t 1 2d sin x 2xt J1 x coth dx x d 0 , де J1 (x) - функція Бесселя. Для підвищення точності вимірювання пристрій дозволяє також використовувати методи 4 TLM, що полягають в формуванні контактів з різною відстанню між ними. Є кілька методів, що відрізняються геометричним розміщенням контактів, планарні маски яких наведено на фіг. 2. Зокрема лінійний метод, що полягає в формуванні на напівпровідниковому зразку однакових прямокутних омічних контактів що розміщені з різним інтервалом. Маску для даного методу наведено на фіг. 2 а. На ній позначено L та W- планарні розміри металічного контакту, L1-L4 -відстані між контактами. Якщо через два контакти, що розділені відстанню L;, пропускати струм І, то повний опір Ri = V/I складається з двох компонентів, і в цьому випадку опір контакту описується формулою: L tRSK L Rc Coth , (6) W L де L c RS довжина переносу, RSK - питомий поверхневий опір шару напівпровідника під шаром металу. В загальному випадку RSK RSH В результаті підлегування напівпровідника під час впалювання контакту. Якщо L>3LT (що в більшості випадків справедливо), тоді Coth(L/LT) 1 та, припускаючи, що RSK RSH, отримаємо спрощений вираз для повного опору: RSHLi L R Rt 2 T SH (7) W W Звідки можна визначити RSH, та с за допомогою формули: RSHLi 2 2Rc . c L RSH, Ri W У випадку TLM з радіальною геометрією контактів - circular TLM (CTLM), фотошаблоны мають вигляд, що зображено на фіг. 3, 4. Існує кілька модифікацій TLM методу з радіальною геометрією контактів, які відрізняються геометрією контактів: система з концентричних вкладених кілець [4] (фіг. 3), набір контактів зі сталим співвідношенням r1 /r2 [5] (фіг. 4) та набір контактів зі сталим внутрішнім радіусом r1 та змінним r2 Marlow та Das [6],. В загальному випадку для опору внутрішнього «точкового» контакту Rc1 можна записати [4]: RSK 1 J0 r1 Rc1 , (11) 2 r1 J1 r1 для опору внутішнього кільця Rc2 in, при вимірюванні зсередини: RSK 1 J1 r3 0 r2 J0 r2 1 r3 Rc 2 in (12) 2 r2 J1 r3 1 r2 J1 r2 1 r3 для опору внутрішнього кільця Rc2 out, при вимірюванні ззовні: Rc 2 out RSK 1 J1 r2 2 r3 J1 r3 0 1 r3 r2 J0 r3 J1 r2 1 1 r2 r3 (13) для опору зовнішнього кільця Яс3 in, при вимірюванні ззовні: RSK 1 J1 r5 0 r4 J0 r4 1 r5 Rc3 in (14) 2 r4 J1 r5 1 r4 J1 r4 1 r5 де r1-r5 радіуси контактних площадок (рис. 3); J0, J1, К0, К1 – модифіковані функції Бесселя першого 1 / L1 та другого роду відповідно; 5 55762 Функції Бесселя находять з розкладу в ряд [4]: J0 x J1 x 0 x 1 x 12 1 18 x ! 2 x 132 13 52 2! 82 x 2 3! 83 x3 ex 12 3 5 1 32 5 7 2 3! 83 x3 ex 1 2 x 2x 2x e e x x 13 18 x ! 2! 8 2 1 1 1 18 x ! 13 18 x ! x 2 13 2! 8 2 2 x 13 5 2 ... , ... , . 2 3! 83 x3 12 3 5 132 5 7 2 3! 83 x 3 2! 8 x 2 ... , ... Опір кільцевої плівки напівпровідника Rfilm між r1 та r2 розраховується по формулі: RS r Rfilm ln 1 2 r2 Розрахунок даних можна спростити. Зокрема, на прикладі CTLM з набором контактів з постійним співвідношенням внутрішнього та зовнішнього радіусів (фіг. 4). Вважаючи, що опір внутрішнього контакту набагато більший опору зовнішнього, повний опір між внутрішнім та зовнішнім контактом можна записати у вигляді [5]: RSH r RS 1 J0 r1 R ln 1 (15) 2 r2 2 r1 J1 r1 У випадку, коли Lt>>r1 та RSH ще спростити до вигляду: RSH c R C 2 2 r1 де C ln RSK (15) можна (16) r1 . r2 Варіюючи температуру в термостаті проводиться дослідження залежності контактного опору метал-напівпровідник від температури та визначається механізм струмопереносу та висота бар'єру Шотткі в омічному контакті. Зокрема, залежність контактного опору (фіг. 5) від рівня легування визначається: ехр( b/E00) для польової емісії ехр( b/Е00 cth(qE00/kT)) для термопольової емісії exp(q t/kT) для термоемісії де q - заряд електрона, b - висота бар'єру Шотткі, k - стала Больцмана, Т - температура контакту. На фіг. 5 наведено температурну залежність контактного опору двох шаблонних структур, що розміщені на одній підкладці. На фіг. 5 видно, що температурні залежності обох контактів складаються з двох ділянок, перехід між якими відбува 6 ється біля 60 еВ (що відповідає 193 К або 20°С). Перша ділянка (у діапазоні від 60 еВ до 140 еВ чи від 83 К до 193 К) відповідає тунельному механізму струмопереносу через омічний контакт до напівпровідника. На другій ділянці (у діапазоні від 30 еВ до 60 еВ чи від 193 К до 385 К) переважає механізм термоемісії, та визначена висота бар'єру Шотткі (значення наведені на фіг. 5 біля кожної кривої). Видно, що завдяки отриманим даним можна визначити робочий температурний діапазон омічних контактів до напівпровідника та визначити висоту бар'єру Шотткі (для наведених двох омічних контактів з однієї пластини можливо побачити навіть розкид значень висоти бар'єру Шотткі). Вимірявши та побудувавши залежність R(T) ми визначаємо температурні ділянки, на яких переважає кожен з механізмів струмопереносу, та визначаємо висоту бар'єру Шотткі для омічного контакту до напівпровідника. Таким чином корисна модель що заявляється дозволяє вимірювати висоту бар'єру Шотткі та величину контактного опору омічних контактів в різних типах шаблонних структур металнапівпровідник. Джерела інформації 1. Аналог. Винахідник: AMRHEIN HERBERT [DE], Власник: AMRHEIN MESSTECHNIK GMBH [DE]. Kelvin measuring device for measuring volume impedance or ohmic volume resistance of geometrically spatially expanded test specimen, has Kelvin measuring unit with contact unit, which is formed from four contacts. № DEI02006044962 (Al), 2008-04-03. 2. Прототип. Eliminating inline positional errors for four-point resistance measurement. Публікація № CN101331403 (Китай), опубліковано 2008-12-24. Автор: MIKAEL HANSEN TORBEN [DK]. Власник: CAPRES AS [DK]. 3. Brooks R.D., Mathes H.G. Spreading resistance between contact potential surface // Bell System Tech. J., 1971, V.50., p. 775-784. 4. Reeves G.K. Specific contact resistance using a circular transmission line model. // Solid-State Electron., 1980, v.23. N5. p. 487-490. 5. Андреев А.Н., Растегаева М.Г., Растегаев В.П., Решанов С.А. К вопросу об учете растекания тока в полупроводнике при определении переходного сопротивления омических контактов // Физика и техника полупроводников, 1998, т. 32, № 7 С. 832-838. 6. Marlow G.S., Das M.B. The effects of contact size and non-zero metal resistance on the determination of specific contact resistance// SolidState Electron., 1982, v.25. N2. p. 91-94. 7 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 55762 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601