НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЕ Российский патент 2019 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения подвижности носителей заряда в локальной области полупроводниковых структур в процессе изготовления и испытания полупроводниковых приборов.

Для определения подвижности носителей заряда в полупроводниковых материалах и структурах часто применяют контактные способы измерений. Кроме того, широко распространены методы, основанные на измерении спектров отражения взаимодействующего с ними сверхвысокочастотного излучения при наличии постоянного поперечного магнитного поля. Во внутренних слоях полупроводниковых структур определение подвижности носителей заряда ведется либо с помощью стравливания верхних слоев, либо способами, основанными на управлении толщиной проводящего слоя эффектом поля. Данные способы невозможны без операций травления или изготовления образцов, что исключает неразрушающий контроль готовых полупроводниковых структур.

Известен способ определения профиля подвижности носителей заряда в полупроводниковых слоях с использованием ртутных зондов, образующих коаксиальные барьеры Шоттки на поверхности исследуемого образца (А.с. СССР №1775753, МПК H01L21/66, опуб. 15.11.1992). Данный способ основан на измерении зависимости емкости и активной составляющей проводимости коаксиальной системы от напряжения смещения центрального ртутного электрода, приложенного в обратном направлении. Данная зависимость определяется профилем распределения подвижности носителей заряда под центральным электродом.

Недостатками данного способа являются:

- невозможность быстродействующего сканирования больших поверхностей;

- невозможность получения данных с высокой локальностью;

-необходимость использования специальных ртутных зондов сложной структуры;

- высокая трудоёмкость.

Известен способ определения подвижности носителей заряда в твёрдых телах по нахождению магнитной индукции поперечного магнитного поля, при которой возникают квантовые осцилляции магнитосопротивления. При этом, для нахождения уточненного значения подвижности, устанавливаются строгие условия изменения температуры образца и пределов изменения индукции магнитного поля (А.с. СССР №1289317, МПК H01L21/66, опуб. 07.08.1991).

Недостатками данного способа являются:

- невозможность неразрушающего контроля полупроводниковых структур;

- усреднение подвижности по поверхности измеряемого слоя;

- локальность измерения зависит от собственных размеров полупроводниковой структуры.

Известен неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах на полуизолирующих подложках (Jantz W. et al. Appl. Phys. A, 1988, 45, p. 225-232).Согласно этому способу образец помещают в магнитное поле, на него направляют СВЧ-излучение и измеряют отраженную от образца СВЧ мощность в зависимости от магнитного поля. При этом образец помещают в короткозамкнутый отрезок волноводной линии, полностью перекрывая его поперечное сечение, и из измерений величин отраженной мощности и фазы стоячей волны в линии с образцом и после замещения образца металлической пластиной определяют удельное сопротивление образца в магнитном поле и в отсутствие магнитного поля. Полученные результаты используют для определения подвижности носителей заряда в эпитаксиальном слое структуры.

Недостатками данного способа являются:

- невозможность неразрушающего контроля стандартных полупроводниковых приборов;

- усреднение подвижности по измеряемому слою;

- невозможность получения данных с высокой локальностью.

Известен неразрушающий способ определения подвижности носителей заряда в полупроводниковых n-i-структурах на полуизолирующих подложках. Метод заключается в измерении зависимости коэффициентов отражения и прохождения СВЧ-излучения через образец в зависимости от индукции поперечного магнитного поля при модуляции внешним электрическим полем толщины обеднения n-i-перехода и проводимости на границе обеднения n-i области (Патент РФ №2097872, МПК H01L21/66, опуб. 27.11.1997).

Недостатками данного способа являются:

- усреднение подвижности по измеряемому слою;

- невозможность получения данных с высокой локальностью.

Известен способ одновременного определения толщины полуизолирующей подложки, толщины и удельной электропроводности нанесенного на нее сильнолегированного слоя, подвижности свободных носителей заряда в этом слое (Патент РФ №2622600, МПК H01L21/66, опуб. 16.06.2017). Суть способа определения подвижности в сильнолегированном слое заключается в размещении полупроводниковой структуры, на которую действует внешнее магнитное поле, вектор магнитной индукции которого направлен перпендикулярно узкой стенке волновода, на границе нарушенного центрального слоя одномерного волноводного СВЧ фотонного кристалла, полностью заполняющего прямоугольный волновод по поперечному сечению, облучении фотонного кристалла электромагнитным излучением СВЧ диапазона, измерении частотной зависимости коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения СВЧ диапазона.

Недостатками данного способа являются:

- усреднение подвижности по измеряемому слою;

- невозможность получения данных с высокой локальностью;

- высокая трудоемкость данного способа.

Наиболее близким к заявляемому является неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда, включающий помещение образца в магнитное поле, подачу на него СВЧ излучения и измерение затухания СВЧ мощности в полупроводниковой структуре в зависимости от величины внешнего магнитного поля (магниторезистивного эффекта) СВЧ резонатором квазистационарного типа (Медведев Ю.В. и др. Электромагнитные методы измерения и контроля, Томск, 1985, с. 170-175). Образец устанавливают на внешней стенке квазистационарного резонатора над отверстием, затухание СВЧ-мощности в полупроводниковой структуре измеряют по изменению добротности резонатора и с помощью расчетных формул определяют подвижность свободных носителей заряда.

Недостатками данного способа являются:

- невозможность получения профиля подвижности;

- невозможность измерения подвижности внутреннего слоя полупроводниковой структуры;

- усреднение подвижности по измеряемому слою;

- невозможность получения данных с высокой локальностью.

Техническая проблема изобретения заключается в расширении функциональных возможностей неразрушающего способа измерения подвижности носителей заряда за счёт обеспечения возможности построения профиля подвижности носителей заряда при сканировании полупроводниковых структур и возможности неразрушающего измерения усредненной подвижности носителей заряда во внутренних слоях полупроводниковых структур с высокопроводящими внешними слоями.

Технический результат заключается в повышении точности измерений за счёт повышения локальности измерения подвижности носителей заряда и обеспечении возможности измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковых структурах при прохождении через них электрического тока.

Техническая проблема достигается тем, что в неразрушающем способе измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковой структуре, заключающемся в помещении структуры в квазиоднородное магнитное поле, подаче на него СВЧ излучения через линию передачи и измерении затухания СВЧ мощности в полупроводниковой структуре в отсутствии магнитного поля и при одном из направлений вектора магнитной индукции, определении СВЧ потерь, вычислении по ней подвижности заряда, согласно изобретению, подачу СВЧ излучения осуществляют с помощью, по крайне мере, двух зондов для создания ближнего поля, расстояние между концами зондов выбирают не превышающем 1/10⁴ длины волны СВЧ излучения, исследуемую структуру помещают в область действия ближнего поля на расстоянии от источника СВЧ-излучения, не превышающем 1/10 длины волны в используемой линии передачи, таким образом, чтобы плоскость, в которой расположены зонды, была перпендикулярна вектору магнитной индукции, дополнительно измеряют затухание СВЧ мощности при противоположном первому направлению вектора индукции, при этом дополнительно рассчитывают потери при противоположном направлении вектора индукции, вычисляют значение подвижности для противоположного направления вектора индукции и определяют подвижность носителей заряда по формуле:

где µ₊ и µ_- - подвижность носителей заряда для двух противоположных направлений вектора магнитной индукции.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - Схематичное изображение схемы реализации способа;

Фиг. 2 - Схематичное изображение измерительной головки с низкоразмерным волноводным резонатором типа «индуктивная диафрагма – емкостная диафрагма» с зондами;

Фиг. 3 - Схематичное взаиморасположение зондов, исследуемого образца и полюсов электромагнита;

Фиг. 4 - Зависимость модуля коэффициента отражения от индукции магнитного поля.

Позициями на чертежах обозначены:

1 – компьютер;

2 – панорамный измеритель КСВН и ослабления;

3 – генератор качающей частоты;

4 – цифровой сигнал;

5 – СВЧ сигнал;

6 – аналоговый сигнал;

7 – сигнал тактирования;

8 – падающая волна;

9 – отраженная волна;

10 – измерительная головка;

11 – волновод;

12 – индуктивная диафрагма;

13 – ёмкостная диафрагма;

14– иглы-зонды;

15 – полюса электромагнита;

16 – исследуемая структура;

17 – зависимость модуля коэффициента отражения от индукции магнитного поля для противоположного направления вектора магнитной индукции;

18 – зависимость модуля коэффициента отражения от индукции магнитного поля для основного направления вектора магнитной индукции.

В способе определения подвижности с использованием эффекта СВЧ магнитосопротивления (Банников В.С., Качуровский Ю.Г., Петренко И.В. и др. Измерение подвижности носителей заряда методом СВЧ магнитосопротивления // Электронная промышленность. 1982, №9, с.48) подвижность носителей заряда определяется по формуле:

где – СВЧ подвижность носителей заряда, - индукция магнитного поля, - высокочастотные потери в материале без магнитного поля, - высокочастотные потери в материале при индукции магнитного поля равной . В качестве высокочастотных потерь используем натуральный показатель поглощения материала.

С учетом многократного отражения в твёрдом теле при условии малой глубины проникновения поля в образец, из-за близости зондов, для коэффициента прохождения Т справедливо выражение:

где Т – глубина проникновения поля, – коэффициент отражения, полученный в результате измерений.

Из законов Бугера-Ламберта и закона сохранения энергии имеем:

.

Решая систему уравнения (2) и (3) относительно , находим значения показателя поглощения для случаев нулевой индукции магнитного поля , а также для двух противоположных направлений магнитного поля и при одинаковой индукции.

Подставив полученные значения ,, в выражение (1), вычисляем СВЧ подвижность носителей заряда для каждого направления магнитного поля. При различном направлении приложенного внешнего магнитного поля измеренные значения подвижности отличаются, что может быть объяснено эффектом смещения СВЧ поля (Barlow H. E. M., Koike R. Microwave propagation in a wave guide containing as emiconduct or tow hich is applied as teady transverse magnetic field // Proc. IEEE.-1963. – V. 110, 12. – P. 2177-2181). Этот эффект приводит к ситуации, когда при одном направлении внешнего магнитного поля ближнее СВЧ поле смещается в сторону образца, а при другом – в направлении к кончикам зондов, что эквивалентно изменению расстояния зонд-образец. При этом, величина смещения СВЧ поля для различных направлений магнитного поля должна быть одинаковой, вследствие симметрии измерительной системы (Баранов Л.H., Гаманюк В.Б., Усанов Д.А. К вопросу о невзаимном распространении волн в волноводе, частично заполненном полупроводником.// Радиотехника и электроника, 1973, т. 18, вып. 11, с. 73-77).

Погрешность измерений, связанная с этим эффектом, исключается вычислением итогового значение СВЧ подвижности носителей заряда как среднего арифметического подвижностей носителей заряда для двух противоположных направлений магнитного поля:

Исследуемый образец помещают между полюсами электромагнита таким образом, чтобы магнитное поле в точке измерения было квазиоднородным (Фиг. 3). К исследуемой структуре подводят зонды на расстояние, не превышающее 1/10 длины волны в используемой линии передачи, таким образом, чтобы плоскость, в которой они расположены, была перпендикулярна вектору магнитной индукции. Измеряют модуль коэффициента отражения в отсутствии магнитного поля. После этого прикладывают магнитное поле, при этом значения индукции магнитного поля в точке, над которой расположены зонды, известны заранее из калибровки поля электромагнита прецизионным датчиком Холла. После этого измеряют модуль коэффициента отражения для двух противоположных направлений вектора индукции магнитного поле, при этом значение индукции остается постоянным и должно удовлетворять условию слабого поля.С использованием измеренных значений производят вычисление СВЧ подвижности носителей заряда в локальной области образца, над которой расположены зонды.

Исследования проводились на установке, схема которой приведена на Фиг. 1.

СВЧ сигнал 5 от генератора качающейся частоты 3 направлялся через коаксиально-волноводный преобразователь в волновод 11, далее в низкоразмерный резонатор измерительной головки 10 (см. фиг.2) и через зонды 14 на образец 16. Падающая волна 8 и отраженная волна 9 детектировались и попадали на вход панорамного измерителя КСВН и ослабления 2, тактируемого сигналом 7 генератора качающей частоты. Аналоговый сигнал 6, поступавший с выхода панорамного измерителя КСВН, оцифровывался с помощью АЦП, и далее, цифровой сигнал 4 поступал на компьютер 1 для обработки. Исследуемый образец 16 – арсенид галлия, с концентрацией носителей заряда, измеренной методом плазменного резонанса, 1,5 × 10¹⁷ см^-3,и подвижностью , найденной по номограммам для различных концентраций (M. Levinshtein, S. Rumyantsev, M. Shur. Handbook Series on Semiconductor Parameters. // World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.-1996. – V. 1. – P. 84-85). Образец имел геометрические размеры 12 мм × 12 мм × 1,25 мм и закреплялся в непосредственной близости от полюсов электромагнита 15 таким образом, чтобы магнитное поле было параллельно его широкой грани (Фиг. 3). Учитывая малый размер немагнитного зазора сердечника, магнитное поле можно считать квазиоднородным. К широкой грани исследуемого материала подводились зонды таким образом, чтобы электрическое поле между зондами было направлено по нормали по отношению к вектору индукции магнитного поля. При этом, в качестве волноводного резонатора использовался резонатор низкоразмерный волноводный резонатор типа «индуктивная диафрагма 12 – емкостная диафрагма 13» (Патент РФ №2417379, МПК G01R27/26).

Электромагнит калибровался с помощью линейного датчика Холла SS495A. Далее проводилось измерение модуля коэффициента отражения в полосе частот (8.23−8.29 ГГц) с помощью измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и ослабления Я2Р-61 при различных значениях индукции магнитного поля, с последующей оцифровкой полученных результатов на персональной ЭВМ с помощью АЦП L-Card Е14-140М. Индукция магнитного поля изменялась в пределах от -140 мТл до 140 мТл. Полученная зависимость модуля коэффициента отражения от индукции магнитного поля представлена на Фиг. 4, где 18 – зависимость при одном направлении магнитного поля, 17 – при противоположном направлении магнитного поля.

В результате обработки полученных экспериментальных данных на ЭВМ с помощью выражений (1-4) были получены значения СВЧ подвижностей носителей заряда. Для одного направления вектора магнитной индукции значение СВЧ подвижности носителей заряда составило , а для противоположного - при индукции поля в обоих направлениях, равной 140 мТл. Таким образом, исключая влияние эффекта смещения поля, получено искомое значение СВЧ подвижности носителей заряда в исследуемом образце – .

Далее проводят сканирование вдоль плоскости образца, перемещая зонды, и проводят аналогичные измерения для каждой координаты.

Таким образом, получают профиль распределения подвижности от координаты сканирования.

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения локальной подвижности носителей заряда в локальной области полупроводниковых структур в процессе изготовления и испытания полупроводниковых приборов. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей неразрушающего способа измерения подвижности носителей заряда за счёт обеспечения возможности построения профиля подвижности носителей заряда при сканировании полупроводниковых структур и возможности неразрушающего измерения усредненной подвижности носителей заряда во внутренних слоях полупроводниковых структур с высокопроводящими внешними слоями. Технический результат достигается тем, что в неразрушающем способе измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковой структуре, заключающемся в помещении структуры в квазиоднородное магнитное поле, подаче на него СВЧ излучения через линию передачи и измерении затухания СВЧ мощности в полупроводниковой структуре в отсутствии магнитного поля и при одном из направлений вектора магнитной индукции, определении СВЧ потерь, вычислении по ней подвижности заряда, согласно изобретению, подачу СВЧ излучения осуществляют с помощью, по крайне мере, двух зондов для создания ближнего поля, расстояние между концами зондов выбирают не превышающим 1/10⁴ длины волны СВЧ излучения, исследуемую структуру помещают в область действия ближнего поля на расстоянии от источника СВЧ-излучения, не превышающем 1/10 длины волны в используемой линии передачи, таким образом, чтобы плоскость, в которой они расположены, была перпендикулярна вектору магнитной индукции, дополнительно измеряют затухание СВЧ мощности при противоположном первому направлении вектора индукции, при этом дополнительно рассчитывают потери при противоположном направлении вектора индукции, вычисляют значение подвижности для противоположного направления вектора индукции и определяют подвижность носителей заряда по формуле:

где µ₊ и µ_- - подвижность носителей заряда для двух противоположных направлений вектора магнитной индукции. 4 ил.

Неразрушающий способ измерения подвижности носителей заряда в полупроводниковой структуре, заключающийся в помещении структуры в квазиоднородное магнитное поле, подаче на него СВЧ излучения через линию передачи, измерении затухания СВЧ мощности в полупроводниковой структуре в отсутствии магнитного поля и при одном из направлений вектора магнитной индукции, определении СВЧ потерь, вычислении по ней подвижности заряда, отличающийся тем, что подачу СВЧ излучения осуществляют с помощью, по крайне мере, двух зондов для создания ближнего поля, расстояние между концами зондов выбирают не превышающим 1/10⁴ длины волны СВЧ излучения, исследуемую структуру помещают в область действия ближнего поля на расстоянии от источника СВЧ-излучения, не превышающем 1/10 длины волны в используемой линии передачи, таким образом, чтобы плоскость, в которой они расположены, была перпендикулярна вектору магнитной индукции, дополнительно измеряют затухание СВЧ мощности при противоположном первому направлению вектора индукции, при этом дополнительно рассчитывают потери при противоположном направлении вектора индукции, вычисляют значение подвижности для противоположного направления вектора индукции и определяют подвижность носителей заряда по формуле:

где µ₊ и µ_- - подвижность носителей заряда для двух противоположных направлений вектора магнитной индукции.