СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к способам контроля параметров полупроводниковых материалов, используемым преимущественно в электронной промышленности, при контроле качества полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов в условиях низких температур.

Известен способ определения параметров полупроводниковых материалов, основанный на воздействии на полупроводник ионизирующего излучения (радиация или излучение оптического диапазона), обеспечивающего генерацию в полупроводнике электронно-дырочных пар, с последующим измерением релаксации проводимости при постоянной температуре и определении параметров полупроводника расчетным путем [1]. Этот способ не позволяет измерять степень компенсации полупроводника и ограничен возможностью измерения параметров ловушек заряда. Для определения степени компенсации полупроводника на практике используют методы, основанные на эффекте Холла, что требует наличия магнитного поля и дополнительных контактов для измерения ЭДС Холла.

Наиболее близким техническим решением является способ определения параметров примесных полупроводников по измерению температурной зависимости прыжковой проводимости [2]. Согласно этому способу, контроль параметров полупроводников (степень компенсации и энергию активации прыжковой проводимости) осуществляют путем экспериментального определения зависимости тока прыжковой проводимости от температуры образца в равновесных условиях и определяют параметры расчетным путем по аналитической зависимости прыжковой проводимости от параметров полупроводникового материала и его температуры.

Недостатком этого способа контроля параметров полупроводникового материала является низкая точность определения степени компенсации и связанных с ней параметров из-за слабой чувствительности температурной зависимости прыжковой проводимости от степени компенсации полупроводника в области температур, где прыжковая проводимость является доминирующей. Сильная зависимость прыжковой проводимости от степени компенсации проявляется лишь в области насыщения прыжковой проводимости, но в этой области велик вклад в проводимость полупроводника примесной проводимости, обусловленной ионизацией мелких примесей, и измерение прыжковой проводимости затруднено. Другим недостатком известного способа контроля является сравнительно небольшое число определяемых параметров полупроводникового материала.

Целью изобретения является повышение точности определения степени компенсации и увеличение числа определяемых параметров.

Цель достигается тем, что после определения зависимости тока прыжковой проводимости от температуры дополнительно облучают образец ионизирующим излучением, генерирующим электронно-дырочные пары, с последующим определением зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени при постоянной температуре в квазиравновесных условиях. По зависимости тока прыжковой проводимости от температуры определяют величину энергии активации прыжковой проводимости с использованием соотношения
= exp(-2ε_з/K_бT) , (1) где ε_з - величина энергии активации прыжковой проводимости;
I(T) - величина тока прыжковой проводимости при температуре Т;
К' - приближенное значение степени компенсации;
I_N - константа, численно равная току при концентрации носителей заряда прыжковой проводимости, численно равной концентрации основной примеси;
К_б - постоянная Больцмана.

Уточненное значение степени компенсации и определение концентрации ловушек заряда проводят по зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени с использованием формул:
= exp(-2ε_з(m)/K_бT), (2)
ε_з(m) = c[1-0,29K^1/4(1-m(t)/K·N_осн)^1/4], (3) где К - значение степени компенсации;
N_осн - концентрация основной примеси;
n(t) - концентрация носителей заряда прыжковой проводимости в момент времени t после окончания ионизирующего воздействия;
m(t) - концентрация ловушек в момент времени t;
С - константа с размерностью энергии.

Для предельно больших времен релаксации (t -> ∞ ) концентрация m(t) ->0 и ε_з(m ) -> ε_з и полупроводник переходит в равновесное состояние.

Увеличение точности определения степени компенсации полупроводника и соответственно других связанных с ней параметров, по сравнению с известным способом, достигается за счет того, что измерение релаксации тока прыжковой проводимости в квазиравновесных условиях дает дополнительную информацию о зависимости прыжковой проводимости от степени компенсации полупроводника. Это обусловлено тем, что при релаксации прыжковой проводимости в условиях квазиравновесия изменение степени ионизации основной и компенсирующей примесей за счет захвата неравновесных носителей заряда эквивалентно изменению степени компенсации полупроводника пропорционально величине (1 - m(t)/KN_ан). Концентрация захваченных неравновесных носителей заряда в начальный момент времени после выключения ионизирующего воздействия характеризует концентрацию ловушек заряда. Поскольку ток прыжковой проводимости пропорционален концентрации носителей заряда n(t) и подвижности носителей заряда, то величина последней также может быть определена.

Для более точного определения концентрации ловушек заряда облучение полупроводника ионизирующим излучением целесообразно произвести при интенсивности излучения, обеспечивающем максимальную зарядку ловушек заряда с наименьшим временем релаксации. Определение параметров ловушек заряда с разным временем релаксации целесообразно проводить по зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени, последовательно выделяя временные интервалы, на которых релаксация обусловлена опустошением ловушек преимущественно одного типа.

П р и м е р. Способ определения параметров реализован на криогенной установке, применяемой для радиационных исследований полупроводников при низких температурах. Гeлиевый крисотат обеспечивал равновесные условия при изменении температурной зависимости прыжковой проводимости и релаксации прыжковой проводимости после ионизирующего воздействия.

На чертеже представлена блок-схема измерений, где в пределах оконтуренных штриховой линией представлены элементы, находящиеся в криостате: образец 1 полупроводникового материала (примесный кремний р-типа), излучающий диод 2 с длиной волны излучения 1,06 мкм, термодатчик 3, нагревательная обмотка 4 регулятора температуры. Вне криостата расположены измеритель 5 температуры (вольтметр), преобразователь 6 ток-напряжение с оконечным вольтметром 7, источник 8 напряжения, регулятор 9 температуры и генератор 10 тока.

При осуществлении способа в качестве образца полупроводникового материала использовался монокристаллический кремний, полученный методом зонной плавки и легированный бором до концентрации порядка 10¹⁰ см^-3 при степени компенсации 10^-4 - 10^-5. На образец от источника 8 напряжения подавалось электрическое смещение и измерялся ток через образец с помощью преобразователя 6 ток-напряжение и вольтметра 7. В равновесных условиях измерялась температурная зависимость проводимости образца в диапазоне температур 6-20 К. Затем устанавливалась постоянная температура образца и образец облучался ионизирующим излучением от излучающего диода 2, подключенного к генератору 10 тока. И после выключения генератора 10 тока измерялась временная зависимость релаксации прыжковой проводимости. По температурной зависимости прыжковой проводимости, используя методы регрессионного анализа и формулу (1), находилась величина энергии активации ε_з и приближенное значение степени компенсации К'. Далее по экспериментальной зависимости тока прыжковой проводимости, используя формулы (2) и (3), а также найденное ранее значение энергии активации, определялись степень компенсации К и значение константы С. Расчеты велись для участка кривой релаксации t> 5 мин, на котором релаксация обусловлена опустошением ловушек преимущественно одного типа.

Для более четкого выделения такого участка использовалась формула, описывающая кинетику опустошения ловушек неосновных носителей заряда в полупроводниках:
m(t) = m_oexp- - B(m_o-m(t)), (4) где
B = ;
τ_з - характерное время захвата на ловушку;
τ_рел= τ_ген(1 +τ/τ_з) - характерное время релаксации;
τ_ген - характерное время ионизации ловушки после захвата;
τ - эффективное время рекомбинации;
m_о - начальная концентрация заряда на ловушках при t=0.

При расчетах параметров К и С по формуле (2) оперировали отношением токов проводимости и, соответственно, отношением n(t)/n(o), чтобы исключить неизвестный параметр - подвижность носителей прыжковой проводимости.

Выделяя последовательно участки кривой релаксации, на которых процесс обусловлен преимущественно ловушками одного типа путем экстраполяции зависимости m(t) в область, определяли значение концентрации ловушек разного типа и значения параметров τ_рел и В, характеризующие кинетические свойства ловушек. Для достаточно низкой интенсивности ионизирующего возбуждения временная зависимость релаксации прыжковой проводимости содержала единственную составляющую, обусловленную центрами захвата с самым большим временем релаксации. Для восстановления равновесного распределения зарядов в кремнии достаточно отжига с выдержкой в несколько минут при температуре 20 К.

Предлагаемый способ контроля параметров целесообразно использовать, например, при низкотемпературных радиационных обработках кремния, когда для надежной идентификации дефектного состояния полупроводника требуется применять методы контроля, работающие при температурах ниже 25 К, когда еще не проявляется движение вакансий. Малая мощность и продолжительность ионизирующего воздействия, необходимые для применения метода, при этом не могут существенным образом повлиять на перестройку системы примесей и дефектов полупроводникового материала.

Применение: изобретение относится к способам контроля парметров полупроводниковых материалов, используемых преимущественно в электронной промышленности при контроле качества полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов в условиях низких температур. Сущность изобретения: определяют зависимость тока прыжковой проводимости от температуры образца. Облучают образец ионизирующим излучением, генерирующим электронно-дырочные пары, с последующим определением зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени при постоянной температуре и квазиравновесных условиях. Величину энергии активации прыжковой проводимости, степень компенсации и концентрацию ловушек определяют расчетным путем с использованием полученных зависимостей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий определение зависимости тока прыжковой проводимости от температуры образца в равновесных условиях и определение параметров расчетным путем, отличающийся тем, что после определения зависимости тока прыжковой проводимости от температуры дополнительно облучают образец ионизирующим излучением, генерирующим электронно-дырочные пары, с последующим определением зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени при постоянной температуре и квазиравновесных условиях, по зависимости тока прыжковой проводимости от температуры определяют величину энергии активации прыжковой проводимости с использованием соотношения
= exp(-2ε_з/K_бT),
где ε_з - величина энергии активации прыжковой проводимости;
Y(T) - величина тока прыжковой проводимости при температуре Т;
K' - приближенное значение степени компенсации;
Y_n - константа, численно равная току при концентрации носителей тока, численно равной концентрации основной примеси;
K_б - постоянная Больцмана,
а уточненное значение степени компенсации и определение концентрации ловушек проводят по зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени с использованием формул
= exp(-2ε_з(m)/K_бT);
ε_з(m) = c[1-0,29K^1/4(1-m(t)/K·N_осн)^1/4],
где K - значение степени компенсации;
N_осн - концентрация основной примеси,
n(t) - концентрация носителей заряда прыжковой проводимости в момент времени t после окончания ионизирующего воздействия;
m(t) - концентрация ловушек в момент времени t;
C - константа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение образца ионизирующим излучением проводят при интенсивности обучения, обеспечивающей зарядку ловушек с наименьшим временем релаксации, а определение параметров по зависимости релаксации тока прыжковой проводимости от времени проводят, последовательно выделяя временные интервалы, на которых релаксация обусловлена опустошением ловушек преимущественно одного типа.