СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РЕЗОНАНСНОГО ДАТЧИКА ПАРАМЕТРОВ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО СЛОЯ НА ПРОВОДЯЩЕЙ ПОДЛОЖКЕ Российский патент 1998 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к измерению удельного электрического сопротивления эпитаксиального слоя (ЭС) на проводящей подложке.

Известен способ градуировки устройства для измерения удельного сопротивления полупроводниковых слоев на низкоомных подложках, представляющего собой мост для измерения полных сопротивлений, в одно из плеч которого включается измеряемая структура [1]. Согласно этому способу устанавливается зависимость между изменением температуры, обеспечивающим восстановление удельного сопротивления, и следовательно, баланса моста и удельным сопротивлением градуировочных образцов, представляющих собой полупроводниковые пластины.

Известен способ градуировки устройства для измерения удельного сопротивления полупроводниковых пластин посредством определения добротности резонанса контура [2]. Согласно этому способу датчик, фиксирующий изменение добротности, калибруют с помощью образцов с известным удельным сопротивлением.

Однако этими способами невозможно проградуировать устройства для измерения параметров ЭС на проводящей подложке СВЧ резонаторным методом.

Наиболее близким техническим решением является способ градуировки резонансного датчика удельного сопротивления полупроводниковых материалов, представляющего собой СВЧ-резонатор квазистационарного типа с внешним включением исследуемого образца, описанный в [3]. Способ заключается в измерении постоянного напряжения на выходе СВЧ-детектора, регистрирующего прошедшую через резонатор мощность, с использованием комплекта стандартных образцов, представляющих собой монокристаллические пластины кремния и аттестованных по удельному сопротивлению с помощью четырехзондового метода, и построении градуировочной зависимости этого напряжения от удельного сопротивления стандартных образцов. Стандартные образцы должны равномерно перекрывать весь диапазон измерения удельного сопротивления.

Недостатком этого способа является ограниченная точность при градуировке резонансного датчика параметров ЭС двухслойной полупроводниковой структуры с проводящей подложкой одинакового с ЭС типа проводимости, дело в том, что измерение удельного сопротивления полупроводников СВЧ резонаторным методом основано на регистрации изменения добротности квазистационарного резонатора за счет потерь электрического СВЧ-поля, вносимых полупроводником в кольцевое измерительное отверстие резонатора. Указанные потери зависят от удельного сопротивления полупроводникового материала. Локальность измерительной области по глубине определяется для низкоомных полупроводников (ρ ≲ 100 Ом•см) скин-слоем, который достигает на частоте измерения (f = 1,2 гГц) нескольких сот микрометров (для высокоомных полупроводников глубина проникновения электрического поля еще больше).

Толщина измеряемых ЭС на проводящих подложках обычно не превышает 150 мкм, что существенно меньше глубины скин-слоя для полупровониковых пластин с таким же удельным сопротивлением. В связи с этим глубина проникновения электрического поля в такие эпитаксиальные структуры ограничена проводящей подложкой (ρ_п.≲ 0,01 Ом•см) , практически не вносящей потерь в резонатор. Вследствие этого точность градуировки по способу-прототипу резонансного датчика параметров ЭС на проводящей подложке одинакового с ЭС типа проводимости неудовлетворительна.

Техническим результатом изобретения является повышение точности при измерении ЭС на проводящей подложке одинакового с ЭС типа проводимости путем минимизации систематической погрешности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе градуировки резонансного датчика параметров полупроводниковых материалов, заключающемся в расположении полупроводниковых образцов, аттестованных по электрофизическому параметру, на измерительное отверстие резонансного датчика и снятии зависимости выходного сигнала резонансного датчика от электрофизического параметра образцов, в качестве полупроводниковых образцов используют двухслойные полупроводниковые структуры, один из слоев которых - проводящая подложка, применяемая при изготовлении измеряемой эпитаксиальной структуры и соединенная термокомпрессией с высокоомным слоем одинакового с подложкой типа проводимости, в качестве электрофизического параметра используют произведение удельного сопротивления высокоомного слоя ρ на его толщину d, а параметры ρ и d выбирают при ρ•d > 2600 Ом • d • мкм идентичными параметрами измеряемых ЭС и не превышающими соответственно 65 Ом • см и 150 мкм, а при ρ•d≤2600 Oм•cм•мкм - лежащими в пределах 0,42≤ρ≤17,3 Oм•cм, 60 ≤ d ≤ 150 мкм.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что при градуировке в качестве полупроводниковых образцов используют двухслойные полупроводниковые структуры, один из слоев которых проводящая подложка, применяемая при изготовлении измеряемой эпитаксиальной структуры и соединенная термокомпрессией с высокоомным слоем одинакового с подложкой типа проводимости.

Кроме того, в отличие от прототипа в предлагаемом способе в качестве электрофизического параметра используют не удельное сопротивление, а произведение удельного сопротивления высокоомного слоя ρ на его толщину d и параметры ρ и d выбирают при ρ•d>2600 Oм•cм•мкм идентичными параметрами измеряемых ЭС и не превышающими 65 Ом • см и 150 мкм, а при ρ•d≤2600 Oм•cм•мкм - лежащими в пределах 0,42≤ρ≤17,3 Oм•cм, 60 ≤ d ≤ 150 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

В связи с тем, что при измерении СВЧ резонаторным методом параметров ЭС на проводящей подложке одинакового с ЭС типа проводимости локальность измерительной области по глубине ограничена проводящей подложкой и определяется толщиной ЭС, для минимизации погрешности градуировки в качестве градуировочных образцов используют аналоги измеряемых эпитаксиальных структур. В градуировочных образцах роль ЭС выполняет высокоомный слой, соединенный термокомпрессией с проводящей подложкой одинакового с высокоомным слоем типа проводимости. Поскольку режим термокомпрессии по температуре и продолжительности практически идентичен режиму эпитаксии, переходный слой между подложкой и высокоомным слоем почти такой же, как в эпитаксиальной структуре.

Оригинальность такого решения состоит в том, что градуировочные образцы представляют собой достаточно точную модель эпитаксиальной структуры и вместе с тем сохранено преимущество прототипа, заключающееся в аттестации высокоомного слоя по удельному сопротивлению наиболее точным четырехзондовым методом.

Таким образом, использование предлагаемых градуировочных образцов позволяет практически полностью исключить погрешность градуировки, связанную с тем, что градуировочные образцы, используемые в прототипе, существенно отличаются от измеряемых эпитаксиальных структур.

Поскольку глубина проникновения электрического СВЧ-поля в эпитаксиальную структуру или градуировочный образец ограничена проводящей подложкой, использование при градуировке удельного сопротивления в качестве электрофизического параметра возможно только при равенстве толщин измеряемого ЭС и высокоомного слоя градуировочных образцов.

В связи с этим при градуировке резонансного датчика параметров ЭС различной толщины возникает потребность в получении большого семейства градуировочных кривых, для каждой из которых необходимо изготовить комплект градуировочных образцов с высокоомным слоем фиксированной толщины. Однако с большой степенью точности указанное семейство градуировочных кривых можно заменить на зависимость измеряемого сигнала от произведения удельного сопротивления высокоомного слоя ρ на его толщину d. Основанием к такой замене служит то, что линии тока замыкают через проводящую подложку и металлическую стенку резонатора на боковую поверхность индуктивного стержня, расположенного внутри резонатора соосно с измерительным отверстием [3], в результате чего электрическое поле локализовано в воздушном зазоре между торцом индуктивного стержня и поверхностью полупроводникового образца, а линии тока почти нормальны по отношению к ней. При этом потери, вносимые в резонатор, имеют омический характер и в основном определяются продольным сопротивлением высокоомного слоя градуировочного образца, которое пропорционально произведению ρ•d [4].

Вследствие этого в качестве электрофизического параметра при построении градуировочной зависимости используется произведение удельного сопротивления высокоомного слоя на его толщину.

Методическая погрешность, обусловленная аппроксимацией семейства строгих зависимостей одной кривой U_c= F(ρ•d), зависит от способа проведения градуировочной кривой и величины ρ и может быть минимизирована, а при контроле ограниченного спектра марок эпитаксиальных структур сведена к нулю построением градуировочной кривой определенным образом. Поэтому в предлагаемом способе параметры высокоомного слоя ρ и d выбирают вполне определенными.

Использование при градуировке образцов с параметрами высокоомного слоя ρ и d идентичными параметрами измеряемых ЭС сводит методическую погрешность к нулю. При малых значениях произведения ρ•d , это условие реализовать трудно, так как изготовить образцы с толщиной высокоомного слоя идентичными толщинами ЭС реальных измеряемых структур довольно сложно из-за ограниченной точности процессов шлифовки и полировки, используемых для получения заданной толщины высокоомного слоя. Однако как следует из чертежа, на этом участке диапазона значений произведения ρ•d методическая погрешность для реальных эпитаксиальных структур не велика, если градуировочная кривая совпадает с огибающей семейство кривых при малых ρ (так при ρ она не превышает 8% и устремляется к нулю при малых ρ ).

Поэтому задача минимизации методической погрешности решается построением градуировочной кривой указанным способом. Для этого толщина d высокоомного слоя градуировочных образцов должна быть не менее 60 мкм (чертеж). В противном случае градуировочная кривая не будет совпадать с огибающей на всем рассматриваемом участке. Верхняя граница участка определена исходя из того, что значение произведения ρ•d для реальной эпитаксиальной структуры при ρ = 35 Oм•cм составляет приблизительно 2600 Ом•см•мкм. Верхняя граница значений d обусловлена возможностями резонансного датчика, представляющего собой СВЧ-резонатор квазистационарного типа с кольцевым измерительным отверстием, и составляет 150 мкм. При d > 150 мкм точность измерений резко падает вследствие того, что аппроксимация семейства зависимостей одной кривой U_c= F(ρ•d) становится неправомерной.

Нижняя граница значений ρ высокоомного слоя также определяется возможностями этого резонансного датчика и составляет 0,42 Ом • см вследствие того, что случайная погрешность измерений при ρ•d<25 Oм•cм•мкм резко возрастает, превышая допустимое значение. Верхняя граница значений ρ на участке ρ≤2600 Oм•cм•мкм определяется верхними границами значений произведения ρ•d и толщины d.

При ρ•d методическая погрешность в предлагаемом способе сведена к нулю обеспечением параметров высокоомного слоя ρ и d идентичными параметрами ЭС измеряемых структур. Верхняя граница значений ρ определяется также возможностями резонансного датчика и составляет 65 Ом • см при частоте зондирующего СВЧ-поля равной ≈ 1,2 гГц, что соответствует минимуму зависимости , в котором частота зондирующего СВЧ-поля равна частоте установления диффузионно-дрейфового равновесия в контролируемой эпитаксиальной структуре, помещенной в поле резонатора [5]. В силу неоднозначности этой зависимости измерения ЭС с ρ приводит к значительному занижению результата измерений (чертеж).

Таким образом, предлагаемый способ градуировки резонансного датчика позволяет повысить точность измерения параметров ЭС на проводящей подложке одинакового с ЭС типа проводимости за счет существенного снижения погрешности градуировки, являющейся основной составляющей систематической погрешности, а также минимизации и в определенных случаях устранения методической погрешности, обусловленной аппроксимацией семейства строгих зависимостей одной кривой U_o= F(ρ•d).

На чертеже изображено семейство зависимостей выходного сигнала резонансного датчика от произведения удельного сопротивления ρ на толщину d эпитаксиального слоя для различных d (U_o - выходной сигнал датчика, нагруженного на проводящую подложку).

Пример. Предлагаемый способ градуировки резонансного датчика параметров ЭС на проводящей подложке одинакового с ЭС типа проводимости реализован при градуировки прибора ИПС-2Ф, предназначенного для измерения СВЧ резонаторным методом удельного электрического сопротивления ЭС кремниевых однослойных эпитаксиальных структур (КОЭС) с проводящей подложкой (ρ_п≤ 0,01 Oм•cм) одинакового с ЭС типа проводимости. Градуировка и измерения проводятся при частоте f = 1,2 гГц. В качестве градуировочных используются стандартные образцы удельного электрического сопротивления ρ и толщины d высокоомного слоя кремниевых структур n-n+ -типа, представляющие собой двухслойные диски диаметром 60 мм и толщиной 400 - 600 мкм.

Значения удельного электрического сопротивления высокоомного слоя, измеренные четырехзондовым методом в зоне аттестации, представляющей собой центральный круг диаметром 5 мм, лежат в диапазоне 0,42 - 65 Ом•см, а значения толщины, измеренные методом ИК интерференции, - в диапазоне 60 - 150 мкм.

В качестве низкоомного слоя использованы подложки из кремния марки КЭС-0,01 с удельным электрическим сопротивлением не более 0,01 Ом • см, соединенные термокомпрессией с высокоомным слоем. После соединения толщина высокоомного слоя доведена до заданного значения шлифовкой с последующей химико-механической полировкой.

Погрешность аттестации стандартных образцов по произведению ρ•d не превышает 5%. Комплект состоит из 13 стандартных образцов, равномерно покрывающих весь диапазон измерения произведения ρ•d , параметры которых представлены в таблице.

Кроме того, в качестве "нулевого" образца при градуировке используется подложка из кремния марки КЭС-0,01.

В режиме, предшествующем градуировке, в память микропроцессорного контроллера вводятся в порядке возрастания значения произведения ρ•d стандартных образцов.

При градуировке образцы накладываются высокоомным слоем на измерительный столик резонатора в порядке возрастания произведения ρ•d ("нулевой" образец используется первым) и измеряется напряжение на нагрузке СВЧ-диода. Обработка результатов градуировки, включающая построение и сглаживание градуировочной кривой, производится автоматически с использованием микропроцессорного контроллера.

Использование предлагаемого способ градуировки резонансного датчика параметров ЭС на проводящей подложке одинакового с ЭС типа проводимости обеспечивает, по сравнению с прототипом, более высокую точность измерений.

Это позволит проводить более эффективно входной контроль рабочих эпитаксиальных структур с проводящей подложкой одинакового с ЭС типа проводимости по удельному электрическому сопротивлению ЭС и повысить процент выхода годных приборов, изготавливаемых на основе этих структур.

Источники информации.

1. Патент ФРГ N 1214792. кл. 21g 11/02 1966.

2. Авторское свидетельство СССР N 265986, кл. G 01 V 27/02 1962.

3. Ахманаев В.Б., Медведев Ю.В., Петров А.С. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1981, вып. 4 (328), с. 48 - 51.

4. Медведев Ю.В. Техника неразрушающего измерения распределения удельного сопротивления, толщины и времени жизни неосновных носителей заряда по площади эпитаксиальных пленок. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1984, вып. 10 (370), с. 50 - 54.

5. Данилов Г.Н., Детинко М.В., Медведев Ю.В., Свирякина А.Д. СВЧ резонаторный метод измерения удельного сопротивления и толщины эпитаксиальных пленок. - Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1982, вып. 6 (342), с. 16 - 19.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и направлено на повышение точности измерения параметров эпитаксиальных слоев на изотипных проводящих подложках и применение стандартных образцов, изготовленных по технологии, обеспечивающей существенно более высокий процент выхода годных и более высокую механическую прочность. Сущность изобретения: в способе градуировки резонансного датчика параметров эпитаксиального слоя однослойной полупроводниковой структуры с изотипной проводящей подложкой , заключающемся в расположении двуслойных образцов, один из слоев которых проводящий, а другой высокоомный и аттестован по произведению удельного электрического сопротивления ρ на толщину d, высокоомным слоем на измерительное отверстие резонансного датчика и снятие зависимости выходного сигнала резонансного датчика от произведения ρ • d, в качестве проводящего слоя используют изотипную подложку, применяемую при изготовлении измеряемой эпитаксиальной структуры, соединенную термокомпрессией с высокоомным слоем, и параметры ρ и d которого выбирают при ρ•d>2600 Ом•см•мкм идентичными параметрам измеряемых эпитаксиальных слоев и не превышающими соответственно 65 Ом • см и 150мкм, а при ρ•d≤2600 Ом•см•мкм лежащими в пределах 0,42 ≤ρ≤17,3 Ом•см , 60 ≤ d ≤ 150 мкм. 1 ил., 1 табл.

Способ градуировки резонансного датчика параметров эпитаксиального слоя на проводящей подложке, заключающийся в расположении полупроводниковых образцов, аттестованных по электрофизическому параметру, на измерительное отверстие резонансного датчика и снятия зависимости выходного сигнала резонансного датчика от электрофизического параметра образцов, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых образцов используют двухслойные полупроводниковые сруктуры, один из слоев которых - проводящяя подложка, применяемая при изготовлении измеряемой эпитаксиальной структуры и соединенная термокомпрессией с высокоомным слоем одинакового с подложкой типа проводимости, в качестве электрофизического параметра используют произведение удельного сопротивления высокоомного слоя ρ на его толщину d, а параметры ρ и d выбирают при ρ•d > 2600 Ом•см•мкм идентичными параметрам измеряемых эпитаксиальных слоев и не превышающими соответственно 65 Ом•см и 150 мкм, а при ρ•d ≤ 2600 Ом•см•мкм - лежащими в пределах 0,42 ≤ ρ ≤ 17,3 Ом•см, 60 ≤ d ≤ 150 мкм.