Спосіб визначення довжини дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках

Винахід відноситься до галузі фізики напівпровідників, зокрема досліджень властивостей поверхневих і приповерхневих шарів напівпровідників і процесів переносу вільних носіїв заряду в таких шарах і може бути використаний в мікроелектроніці при виробництві і оптимізації характеристик напівпровідникових матеріалів, які є основою створення сучасних інтегральних схем. Існують різновиди способу вимірювань довжини дифузійного зміщення ld неосновних носіїв заряду в напівпровідниках і приповерхневих шарах напівпровідників, які базуються на дослідженнях явища фотопровідності, а також фотомагнітоелектричних, фотомагнітоконцентраційних ефектів і їх похідни [1, 2]. На досліді в напівпровідниковому зразку за допомогою світлового зонду х створюють надлишкову концентрацію електронів Δn і дірок Δp. Для розрахунку дифузійного зміщення ld, необхідно знати розподіл концентрації неосновних носіїв заряду в неосвітленій області зразка. Вимірюючи струм через точковий випрямляючий електричний контакт до досліджуваного зразка, на який подають напругу в зворотному напрямі, або потенціал одного чи декількох омічних контактів, або струми чи напруги в комбінації декількох таких контактів визначають розподіл концентрації неосновних носіїв заряду в неосвітленій області. В усіх цих різновидах наведеного способу вимірювань ld є обов'язковим один або декілька безпосередніх механічно-електричних контактів (випрямляючих чи омічних) з необхідними електричними характеристиками. В реалізованих способах аналогах це є притисні дротяні металеві зонди-колектори, сплавні контакти, або механічно-електричні контакти, зроблені за складними напівпровідниковими технологіями. Наявність таких контактів є важливим недоліком різновидів цього способу вимірювань. У випадку коли досліджуються фотомагнітоелектричні, або фотомагнітоконцентраційні ефекти (відповідно ефекти Кікоїна-Носкова, Суля і їх різновиди) на зразок накладається магнітне поле з індукцією В і застосовуються зразки складної геометричної форми, що додатково ускладнює вимірювання і негативно впливає на сферу застосування способу. Найбільш близьким за своєю технічною сутністю і досягаємому технічному результату до заявляємого, являється спосіб вимірювання довжини дифузійного зміщення, що включає освітлення поверхні зразка світловим зондом у вигляді смужки і наступне сканування вздовж поверхні зразка в неосвітленій області з вимірюванням струму в колі тонкого дротяного металевого зонду, причому тонкий дротяний металевий зонд утворює випрямляючий контакт з напівпровідником, а зміщення випрямляючого контакту відбувається в зворотному напрямку. В цьому випадку величиною, що вимірюється, є зворотній струм утвореного випрямляючого контакту. Різновидом такого способу вимірювань є дослідження розподілу потенціалу в неосвітленій області зразка, однак контакт між тонким дротяним металевим зондом і напівпровідником в цьому випадку повинен бути омічним [3]. Відомо, що створення випрямляючого або омічного контактів з напівпровідником потребує складної підготовки поверхні зразків, а властивості контакту можуть змінюватися з часом і залежати від його місця розташування на поверхні зразка. Розв'язання цієї задачі являє собою окрему гілку знань фізики напівпровідників і складає значні труднощі [4]. Тому практичне застосування наведеного способу прототипу обмежує область застосування вузьким переліком напівпровідникових матеріалів, унеможливлює здійснення неруйнівного експрес-контролю зразків, а також проведення вимірювань в практично дуже важливих випадках наявності шару пасивуючи х речовин, наприклад шару окислу на поверхні кремнійових пластин. Підсумовуючи, можна стверджувати, що комплекс експериментальних умов необхідних для реалізації способів-аналогів вимагає використання методик і наукового обладнання які важко реалізувати при дослідженні багатьох важливих для практичного застосування напівпровідників, неможливо використати для вимірювань на шарувати х мікроелектронних структурах і для застосування в автоматизованих наукових або промислових установках. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу визначення дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках шляхом заміни механічно-електричного контакту тонким вібруючим металевим зондом, що розміщується на віддалі від поверхні зразка і наданням йому зворотньопоступального руху в напрямку нормальному до поверхні зразка з звуковоючастотою, забезпечити можливість безконтактного визначення дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках і спростити процес вимірювань, а також застосувати спосіб для неруйнівних експрес досліджень широкого спектру напівпровідникових матеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках, що включає освітлення поверхні зразка світловим зондом у ви гляді смужки і наступне сканування вздовж поверхні зразка в неосвітленій області з вимірюванням струму в колі тонкого дротяного металевого зонду, відповідно до винаходу, що заявляється, зонду надають зворотньопоступальний коливальний рух в напрямку нормальному до поверхні зразка з звуковою частотою, а сканування проводять безконтактне, розміщуючи зонд на віддалі l від поверхні зразка, при цьому l £ d, де d діаметр зонду. В способі, що заявляється, сукупність суттєвих ознак дає можливість безконтактного визначення довжини дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках і приповерхневих шарах напівпровідників. Тонкий металевий зонд, що знаходиться на віддалі l від поверхні зразка, при цьому l £ d, де d діаметр зонда, дозволяє точно локалізувати місце вимірювань і тим самим досліджувати розподіл концентрації неосновних носіїв заряду в неосвітленій області в залежності від координати вздовж поверхні x . Надання зонду зворотньо-поступального руху призводить до виникнення струму в колі динамічного конденсатора, обкладками якого являються вібруючий металевий зонд і напівпровідниковий зразок, що знаходяться на віддалі l одна від одної. Між точками зразка з координатами х=0 і х=а зразок освітлюється. Цей світловий зонд має різкі межі світлотінь в точках х=0 і х=а . В напрямку координатної осі у світлова смужка перетинає всю поверхню зразка Переміщуючи вібр уючий зонд вздовж поверхні зразка за координатою х вимірюють струм, що виникає в колі динамічного конденсатора, в залежності від координати х. Це дозволяє значно спростити реалізацію необхідних умов експериментальних досліджень, забезпечити можливість безконтактного визначення дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках і зробити можливим його застосування для неруйнівних експрес досліджень широкого спектру напівпровідникових матеріалів. Для визначення довжини дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках необхідно провести наступні дослідження і розрахунки: Визначення залежностей темпового струму металевого зонда ІЗТ(х) і стр уму зонда при освітленні зразка світловим зондом ІЗО(х) від координати х вздовж поверхні зразка. Вимірювання струмів ІЗТ(х) і ІЗО(х) в колі динамічного конденсатора проводять за допомогою амперметра за загальновідомими методиками. Обчислення різниці темпового і світлового струмів металевого зонду по формулі: DІЗ(х) = ІЗТ(х) - ІЗО(х), (1) В практично важливому випадку, коли відбувається дифузія нерівноважних носіїв одного знаку, внаслідок необхідності виконання умов електронейтральності, проходить дуже швидкий перерозподіл основних носіїв заряду протилежного знаку (внаслідок їх кількісного переважання), що компенсує виниклий об'ємний заряд. В цьому випадку вільні носії розповсюджуються на досить велику відстань, що визначається часом життя неосновних носіїв, тобто електронів або дірок tn , tp і їх р ухливостями m n , m p . Для розрахунку довжини дифузійного зміщення необхідно знати розподіл стаціонарної концентрації нерівноважних носіїв заряду вздовж поверхні напівпровідникового зразка в неосвітленій області. Різниця потенціалів Dj(x ) , між точкою напівпровідника з координатою х=0 (межа світло-тінь) і поточною координатою х в області тіні вздовж поверхні зразка, за умов неоднорідного освітлення напівпровідника з різкою межею світло-тінь, є пропорційною до концентрації неосновних носіїв (тут і надалі неосновними носіями вважаємо електрони) Dn(x ) [3]. Ця залежність в одновимірному випадку виражається формулою: -x / l Dj(x ) ~ Dn( x) = conste d , (2) що після логарифмування переходить в формулу: ln Dj( x) ~ ln Dn( x ) = const - x / l d , (3) Знаючи залежність Dj(x ) від координати х і побудувавши графік залежності ln Dj( x) від х, можна за котангенсом нахилу прямої визначити ld . Це дозволяє знайти довжину дифузійного зміщення ld знаючи залежність концентрації неосновних носіїв Dn(x ) від координати х, або що те саме деякої величини, що є пропорційною Dn(x ) . Струм через вібруючий зонд Iз буде визначатися наявною контактною різницею потенціалів Vк за формулою: Iз = dQ(t ) / dt = Vк dC(t ) / dt , (4) де dQ(t ) і C( t ) це заряд і ємність динамічного конденсатора, залежна від часу t, Vк контактна різниця потенціалів, що дорівнює різниці робіт виходу досліджуваного напівпровідника Ф2 і металу Ф1 з якого зроблено вібруючий зонд. -eVк = Ф1 - Ф 2 = Fн - Fм = e(j1 - j 2 ) = eDj , (5) де e - заряд електрона, Fн - рівень Фермі в напівпровіднику, Fм - рівень Фермі в металі, E c - енергія дна зони провідності. Різниця потенціалів, що виникає при вмиканні світлового зонду Vкс , адитивно додається до контактної різниці потенціалів в темноті Vкт = Vк . Тому вимірявши струм через металевий зонд в темноті Iзт (х ) , при освітленні Iзо ( х) і також визначивши їх різницю можна визначити довжину дифузійного зміщення ld , оскільки величина DІ з ( х) = І зт ( х ) - Iзо ( х ) буде прямо пропорційною до величини Dn(x ) , як це випливає з формул (2)-(4). Струм, що реєструється в колі металевого зонда є пропорційним концентрації неосновних носіїв заряду, концентрації нерівноважних електронів Dn(x ) і виражається співвідношенням: Iз ( x) ~ Dj( x) ~ Dn(x ) = conste-x / ld , (6) і після логарифмування: lnI з (x ) ~ ln Dj( x) ~ ln Dn( x) = const - x / l d , (7) Переміщення металевого зонду вздовж зразка і визначення залежності струму в колі зонда колектора Iз (x ) від відстані х до межі світла і тіні. Найбільша відстань від межі світло-тінь, до якої потрібно проводити вимірювання, визначається з умови приблизної рівності Iзт (x ) » Iзо ( x ) . Визначення довжини дифузійного зміщення ld за нахилом графіка побудованого за формулою (7). На Фіг. показана блок-схема автоматизованої установки, призначеної для вимірювання Iз (x ) на напівпровідникових пластинах. На фігурі цифрами позначено: 1 - лазерне джерело світла типу ЛГ-76, 2 оптична система, 3 - металевий зонд, 4, 5 - механічна і електронна частини системи позиціонування зонду і приведення його в рух, 6 - зондова установка типу Зонд-А1, 7 - попередній підсилювач, 8 - керуюча ЄОМ (персональний комп'ютер (ПК)), 9 - аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), що є периферійним пристроєм ПК, 10 - цифрово-аналоговий перетворювач (ЦАП), що є периферійним пристроєм ПК, 11 пристрій, що узгоджує рівні електричних сигналів ЦАП з рівнями необхідними для керування зондовою установкою. Спосіб реалізується наступним чином: Лазерне джерело світла 1 і оптична система 2 створюють світловий зонд, тобто світлову смужку з різкими межами світло-тінь на поверхні зразка. Світловий зонд перетинає поверхню зразка в напрямі, що знаходиться в площині зразка. Ме ханічна 4 і електронна 5 частини системи позиціонування зонду і приведення його в рух надають металевому зонду 3 періодичного зворотно-поступального руху в нормальному до поверхні зразка напрямку на звуковій частоті і позиціонують зонд на сталій віддалі d від поверхні зразка, що приблизно дорівнює його діаметру. Механічна частина 4 являє собою електромеханічного привід, що складається з постійного магніту і намотаного на ньому рухомої котушки з закріпленим на ній зондом 3. При подачі на котушку стр уму звукової частоти з електронної частини системи позиціонування 6 вона разом з зондом 3 набуває зворотньо-поступального руху. Позиціонування зонду на сталій віддалі d від поверхні зразка здійснюється по стандартній методиці автоматичного регулювання. Ця методика включає тестування ємності між вібруючим зондом 3 і напівпровідниковим зразком 3 на високій частоті і наступну корекцію положення зонду 3 в разі непередбачених змін відстані d, за якої віддаль d зберігається сталою. Сигнал, що здійснює корекцію положення зонду З, подається з електронної частини 5 на механічну частину 6 системи позиціонування зонду і адитивно накладається на струм звукової частоти. Тестування ємності проводять на частоті набагато більшій за частоту зворотньо-поступального руху зонду 3. Тому з'єднані між собою електричне і підсилювачі звукової 7 і високої частот електронної частини системи позиціонування 5 легко відмежовуються одне від одного стандартними радіотехнічними засобами. За допомогою зондової установки 6 надають механічній системі позиціонування зонду 4 разом з зондом 3 рух відносно світлового зонду в напрямку нормальному до межі світло-тінь і що також знаходиться в площині зразка. Система 4 разом з зондом 3 закріплена на зондовій установці 6. (Існуючий механічний зв'язок між зондовою установкою 6 і частинами 3 і 4 на схемі не показано). Попереднім підсилювачем 7 разом з АЦП 9 вимірюють струм зонда 3 Iз (x ) у відносних одиницях. ЦАП 10 разом з узгоджувальним пристроєм 11 забезпечують подачу сигналів управління на зондову установку 6. Цим самим забезпечується переміщення вібруючого зонду вздовж поверхні зразка за командами керуючого ПК 9. ПК 9 узгоджує роботу всіх пристроїв автоматизованої установки, обчислює результати вимірювань і представляє їх у графічній формі. Приклад конкретної реалізації способу. Вимірювання дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду проводились на кремнієвій пластині типу КДБ-4,5 (кремній дірковий легований бором з питомою провідністю 4,5 Ом @ см ). Пластина пройшла стандартну хімічну обробку перед технологічною операцією окислення. Отримані графіки залежностей темпового струму зонда Ізт (х ) , світлового стр уму зонда Ізо ( х) , різниці цих струмів DІз ( х) і різниці потенціалів ln Dj x (x ) . Визначене значення величини дифузійного зміщення ld з графіка залежності ln Dj x (x ) склало 0,5мм. Сумарний час визначення величини Id на одній пластині складав приблизно однутри хвилини. Таким чином, порівняно з відомими способами, заявляємий спосіб визначення довжини дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках дозволяє значно спростити реалізацію необхідних умов експериментальних досліджень, а саме забезпечити можливість безконтактного визначення довжини дифузійного зміщення неосновних носіїв заряду в напівпровідниках і зробити можливим його застосування для неруйнівних експрес досліджень широкого спектру напівпровідникових матеріалів. Джерела інформації: 1. С.М. Рыбкин, Фотоелектрические явления в полупроводниках, М., Госиздат физ.-мат. литературы, 1963, гл. 13,14. 2. В.В. Батавин, Ю.А. Концевой, Ю.В. Федорович, Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур, М., Радио и связь, 1985, 264 с. Глава 4. 3. Специальный практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. Под ред. К.В. Шалимовой, М., Госэнергоиздат 1962. Стр. 32. 4. Технология СБИС. Под ред. С.Зи, М., Мир, 1986.