Спосіб виявлення локальних електрично активних дефектів на поверхні напівпровідника в структурах метал-діелектрик-напівпровідник

Спосіб виявлення локальних електрично активних дефектів на поверхні напівпровідника в структурах метал - діелектрик - напівпровідник (МДН), за яким по структурі, до якої прикладена напруга інвертуючої полярності, сканують електронним або фотонним променем з енергією, достатньою для генерації носіїв заряду на поверхні напівпровідника, а реєстрацію електрично активних дефектів проводять по зміні струму, наведеного електронним або фотонним променем в електричному колі МДН структури, який відрізняється тим, що наведений струм, генерований на поверхні напівпровідника під металевим шаром МДН структури, реєструють за допомогою діода Шотткі, створеного контактом металевого шару з напівпровідником в області, в якій шар діелектрика відсутній. UA (11) 94947 (21) a200814889 (22) 24.12.2008 (24) 25.06.2011 (46) 25.06.2011, Бюл.№ 12, 2011 р. (72) ПОПОВ ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ, КЛИМЕНКО АНАТОЛІЙ СЕМЕНОВИЧ, ПОКАНЕВИЧ ОЛЕКСІЙ ПЛАТОНОВИЧ, ШУСТОВ ЮРІЙ МИХАЙЛОВИЧ (73) ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО "НАУКОВОДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ МІКРОПРИЛАДІВ НТК "ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ" НАН УКРАЇНИ (56) Thornton P.R., Sulway D.B., Shaw D.A. IEEE Trans. Electron Devices, ED-16, 1969,360. Захаров В.П., Денисюк В.А. Дефектоскопия, 1973, №4. 55. Захаров В.П., Попов В.М., Денисюк В.А. Дефектоскопия, 1977, №2, 106. Денисюк В.А., Захаров В.П., Попов В.М. Радиотехника и электроника, 1977, Т.22,№7, 1520. Денисюк В.А., Попов В.М. Радиотехника и электроника, 1982,Т.27, №7, 1443. C2 2 (19) 1 3 могою оптичних методів контролю, насамперед методів наведених фотострумів, які у випадку МДН структур використовуються при наявності напівпрозорих, електродів. Із літератури відомі методи дослідження дефектів в МДН структурах на основі РЕМ [1, 2]. В цьому випадку сфокусований електронний промінь растрового електронного мікроскопа з енергією, достатньою для проникнення через металевий електрод у діелектрик та напівпровідник, генерує в них нерівноважні електрони та дірки. До МДН структури прикладається постійна напруга. В МДН структурі під впливом електричного поля у діелектрику виникає наведений струм Цей струм в основному формується за рахунок додаткової провідності у діелектрику. Внаслідок наявності енергетичного бар'єру на границі розділу діелектрик - напівпровідник лише частина нерівноважних носіїв заряду, створених у напівпровіднику, може перейти у діелектрик та взяти участь у формуванні загального наведеного струму в МДН структурі. Недоліком цього способу дослідження МДН структур є те, що контраст в режимі наведених струмів в основному створюється завдяки властивостям діелектрика і мало залежить від параметрів поверхні напівпровідника, у т.ч. від наявності в ньому ЕАД. Таким шляхом виявляють лише дефекти з підвищеною провідністю у діелектрику. В роботах [3, 4] з метою підвищення рівня струму, наведеного в МДН структурі за рахунок інжекції із напівпровідника, до неї крім постійної прикладали періодичну інвертуючу напругу у вигляді прямокутних чи лінійно зростаючих імпульсів з тривалістю, протягом якої теплова генерація в напівпровіднику була відсутня. Такий підхід створював певні можливості для реєстрації ЕАД на поверхні напівпровідника. Але в основному визначались найбільш розвинені дефекти, в яких швидкість генерації неосновних носіїв заряду була аномально високою. Основним недоліком способів робіт [1-4] є те, що наведений струм у МДН структурі у всіх випадках був суттєво обмежений дуже низькою провідністю діелектрика, а внесок складової струму, обумовленою властивостями напівпровідника, був малим. Приведений в роботі [5] спосіб усував недоліки способів робіт [1-4] шляхом використання МДН керованого р-n переходу. В цьому випадку до електрода прикладена інвертуюча напруга, яка створює шар неосновних носіїв заряду на поверхні напівпровідника (індукований р-n перехід), який електрично з'єднується з р-n переходом, сформованим в процесі виготовлення технологічної структури (дифузією або іонною імплантацією). Таким чином виникає єдиний р-n перехід. Наведений струм реєструється не в електричному колі МДН структури, а в колі р-n переходу. При скануванні електронним променем неосновні носії заряду, генеровані в напівпровіднику під електродом, надходять до контакту з технологічно сформованим рn переходом, утворюючи струм, який повністю залежить від властивостей напівпровідника і не обмежується діелектриком, що має надвисокий опір. При наявності ЕАД на поверхні напівпровід 94947 4 ника наведений струм змінюється, що дає можливість зареєструвати наявність та координати дефекту. Реєстрація ЕАД відбувається шляхом візуалізації на екрані монітора РЕМ або на зовнішньому приладі, наприклад електрометрі та самописці, розгортка якого синхронізована із скануючим променем. Спосіб роботи [5] є прототипом винаходу. Основним недоліком прототипу є те, що сам процес формування дифузійного або іонно імплантованого р-n переходу ускладнює конструкцію приладу (три електричні виводи замість двох) та приводить до появи нових ЕАД на поверхні напівпровідника під електродом. В результаті фактичні властивості напівпровідника безпосередньо після створення діелектричного шару (до формування рn переходу) залишаються невизначеними. Крім того, використання МДН керованого р-n переходу неможливо на перших етапах технології виготовлення приладів, коли дифузійні та іонно імплантаційні процеси взагалі не передбачені технологічним маршрутом. В той же час задача виявлення ЕАД в МДН структурах, як найбільш простих та поширених технологічних конструкціях, які використовуються на всіх етапах виготовлення приладів, залишається не вирішеною. Задачею запропонованого винаходу є спосіб виявлення електрично активних дефектів на поверхні напівпровідника в МДН структурах, в якому виключаються дефекти, створені внаслідок проведення операцій формування р-n переходу, що використовується в прототипі, спрощується технологічна структура та виникає можливість контролю дефектів на всіх стадіях виготовлення виробів мікроелектроніки. Суть винаходу полягає в тому, що для реєстрації неосновних носіїв заряду, генерованих електронним або фотонним променем під електродом МДН структури, і, відповідно, визначення ЕАД на поверхні напівпровідника використовується діод Шотткі, який формується в процесі нанесення електрода у вигляді контакту до напівпровідника в області спеціально створеного вікна у діелектрику. В даній структурі при прикладенні до неї напруги інвертуючої полярності, яка створює умови для виникнення на поверхні напівпровідника інверсійного шару неосновних носіїв заряду, всі неосновні носії дрейфують в область діода Шотткі. Це явище обумовлено тим, що завдяки спільному електроду напруга одночасно прикладається як до МДН структури, так і до діода Шотткі. Оскільки зворотна напруга на діоді Шотткі завжди більша, ніж на поверхні напівпровідника МДН структури (внаслідок падіння її частини на діелектрику), в області діода створюється потенційна яма, в яку дрейфують неосновні носії заряду, генеровані під електродом. Фактично інверсійний шар в такій структурі не створюється. В результаті на поверхні напівпровідника виникає лише область просторового заряду. Глибина цієї області завжди менша, ніж у діоді Шотткі. Внаслідок цього кожний генерований в МДН структурі носій заряду збирається в області діода і реєструється у зовнішньому електричному колі. 5 При скануванні по даній структурі електронним або фотонним променем, який генерує неосновні носії заряду на поверхні напівпровідника, в результаті описаних вище особливостей дрейфу неосновних носіїв заряду всі генеровані променем на поверхні напівпровідника неосновні носії заряду надходять в область діода Шотткі, створюючи нічим не обмежений струм, який реєструється у зовнішньому електричному колі. При наявності ЕАД на поверхні напівпровідника наведений струм змінюється, що фіксується на відповідному пристрої. Таким пристроєм є підсилювач наведеного струму разом з монітором РЕМ або, наприклад, електрометр з самописцем, розгортка якого синхронізована з процесом повільного сканування променем. Таким чином, в запропонованому винаході реалізується поставлена задача - реєстрація ЕАД на поверхні напівпровідника без створення додаткових технологічних елементів (р-n переходів), що вносять нові дефекти в напівпровідник, конструкція структури спрощується, а також з'являється можливість виявлення дефектів на всіх стадіях технології виготовлення приладів мікроелектроніки, починаючи з операції нанесення першого діелектричного шару. Співвідношення площі безпосередньо МДН структури до площі діода Шотткі для визначення ЕАД не має принципового значення. В той же час для зменшення внеску зворотного струму діода у загальний наведений струм, а також для збільшення досліджуваної площі, тобто МДН структури, це співвідношення рекомендується підвищувати. МДН структура з діодом Шотткі представлена на Фіг. 1. На Фіг. 2 приведено блок-схему реалізації способу. На обох фігурах 1 - метал, 2 - діелектрик, 3 - напівпровідник. На Фіг. 2 схематично показано струм І носіїв заряду, генерованих на поверхні напівпровідника під електродом, який надходить до діода Шотткі та несе необхідну інформацію про ЕАД. Нижче приводиться варіант здійснення запропонованого винаходу. Досліджені ЕАД на поверхні напівпровідника ртипу КДБ-10 в технологічних структурах Si-SiO2. Ці структури були створені у повній відповідності до технологічного циклу формування окислу під затвором n-канальних МДН транзисторів великих інтегральних схем. Товщина термічно вирощеного окислу становила 450 ангстрем В окислі фотолітографічним методом сформовані вікна, тобто області, де окисел повністю cтравлювався. Розміри квадратних вікон в окислі знаходились у межах 2х2 та 10х10 мкм. На технологічну структуру Si-SiO2 з вікнами в окислі методом катодного розпилювання через металеву маску нанесений електрод із золота товщиною 500 ангстрем. В області вікон в окислі золото створювало електричний контакт з утворенням діодів Шотткі. Під кожним електродом знаходилось від одного до декілька десятків діодів Шотткі Катодне розпилювання проводилось при температурі, близькій до кімнатної, і не вносило додаткових дефектів на поверхні кремнію. Площі 2 електродів становили 1-5 мм , тобто на декілька 94947 6 порядків перевищували площу діодів Шотткі. На зворотній стороні пластин кремнію нанесенням струмопровідної пасти був сформований омічний контакт. Фрагмент пластини кремнію з тестовою МДН структурою з діодами Шотткі розміщувався у контактному пристрої вакуумної камери растрового електронного мікроскопа JSM IC845. За допомогою спеціального зонда структура підключалась до замкненого електричного кола з джерелом живлення та підсилювачем наведеного струму РЕМ. Для зменшення електричних перешкод при реєстрації наведених струмів використовувалось джерело живлення у вигляді електричної батареї з регульованою напругою. Згідно зі стандартною процедурою, отримано електронне зображення поверхні дослідженої структури в режимі вторинних електронів. Фіг. 3-1. Внаслідок дуже малого рельєфу на поверхні структури (перепад товщини не більше 450 ангстрем) зображення було однорідним. Потім РЕМ переводився у режим реєстрації наведених струмів. При відсутності напруги на структурі наведені струми спостерігаються тільки в області діодів Шотткі, ЕАД не визначаються, оскільки не створені умови для виникнення області просторового заряду під електродом та дрейфу генерованих на поверхні напівпровідника носіїв заряду в область діода Шотткі. Після прикладення постійної напруги інвертуючої полярності (9 В) зафіксовані два ЕАД, які мали вигляд лінійних дислокацій. Фіг. З -2. На приведеному зображенні світлі ділянки відповідають більшим значенням наведеного струму. Спостерігаються три ряди діодів Шотткі з різними розмірами. В цих елементах наведений струм максимальний (світлий контраст). Підвищений рівень струму в області виявлених дислокацій свідчить про те, що в цих дефектах електронний промінь генерує в кремнії більше носіїв заряду. Однією з причин цього може бути різке зростання електричного поля на поверхні кремнію внаслідок зміни концентрації легуючої домішки в області дефекту. Збільшення РЕМ на Фіг. 3 становить 2000 разів. При виготовленні МДН структури з діодом Шотткі з напівпрозорим для світла електродом (наприклад, із золота товщиною 200-300 ангстрем) генерація нерівноважних носіїв заряду в напівпровіднику виникає і при скануванні сфокусованим фотонним (лазерним) променем. В цьому випадку реєстрація ЕАД здійснюється по зміні фотоструму в області дефектів. Джерела інформації: 1. Thornton P.R., Sulway D.B., Shaw D.A. IEEE Trans. Electron Devices, ED-16, 1969,360. 2. Захаров В.П., Денисюк В.А. Дефектоскопия, 1973, №4. 55. 3. Захаров В.П., Попов В.М., Денисюк В.А. Дефектоскопия, 1977, №2, 106. 4. Денисюк В.А., Захаров В.П., Попов В.М. Радиотехника и электроника, 1977, Т.22,№7, 1520. 5. Денисюк В.А., Попов В.М. Радиотехника и электроника, 1982,Т.27, №7, 1443. 7 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 94947 8 Підписне Тираж 24 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