Способ измерения напряжения пробоя при анодном окислении арсенида галлия N-типа проводимости и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК H01L21/66 

310 Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля параметров арсенида галлия п-типа проводимости в процессе производства полупроводниковых прибрров. Известен способ измерения напряжения пробоя с помощью прижимных вольфрамовых зондов, к которым прикладывают напряжение смещения и измеряют вольтамперную характеристику по которой определяют напряжение пробоя Недостатками этого способа являют ся возможность механического повреждения образца, низкая точность и плохая воспроизводимость, обусловлен ная резкой неучитываемой неоднородностью электрического поля вблизи острий зондов, которая зависит от силы прижатия зондов. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ измерения напряжения пробоя при анодном окислении арсенида галлия п-типа проводимости, заключающийся, в том, что поверхность образца за исключением исследуемой облас.ти защищают от воздействия электролита,,помещают образец в электрохимическую ячейку и производят анодное окисление в тег-шоте исследуемой области, не имеющей защитного покрытия, путем пропускания через элек трохимическзпо ячейку электрического тока. Устройство для осуществления способа содержит кожух из светонепроницаемого материала, размещенную внутрй него электрохимическую ячейку с расположенными параллельно анодом и катодом, причем анодом является образец, ззнешнюю электрическую цепь, замыкающую анод и катод и содержащую источник тока, Недостатками этого способа и устройства для его реализации являются низкие точность и воспроизводимость обусловленные невозможностью учета сопротивления электрохимической ячей ки, а также влиянием неоднородностей .и дефектности поверхности образца. Целью изобретения является повыщение точности и воспроизводимости. Поставленн,ая цель достигается те что при измерении напряжения пробоя в случае анодного окисления арсенида галлия п-типа проводимости способом, заключаюпцшся в том, что поверхность образца за исключением исследуемой области защищают от воздействия электролита, помещают образец в электрохимическую ячейку и производят анодное окисление в темноте исследуемой области, не имеющей защитного покрытия, путем пропускания через электрохимическую ячейку электрического тока, согласно изобретению, при анодном окислении в темноте через ячейку пропускают стабилизированный электрический ток плотностью 1 3 мА/см в течение 10-30 с, затем освещают исследуемую область белым светом, обеспечивающим освещенность не ниже 7000 лк, измеряют величину : : скачка напряжения на электрохимической ячейке в результате осве.щения и по нему рассчитывают напряжение пробоя.. Устройство для измерения напряжения пробоя при анодном окислении арсенида галлия п-типа проводимости, содержащее кожух из светонепроницаемого матариала, размещенную внутри него электрохимическую ячейку с расположенными параллельно анодом и катодом, причем анодом является обра-г . зец, внешнюю электрическую цепь, соединякяцую анод и катод и содержащую источник тока, дополнителвно содержит установленный перед катодом источник бешого света. Во внешнюю электрическую цепь включен прибор w для регистрации напряжения на электродах,- электрохимической ячейки. Стенка электрохимической ячейки, обращенная к источнику белого света, и катод выполнены из светопЬоницаемьк материалов. Катод выполнен в виде токопроводящей пленки, нанесенной на внутреннюк) поверхность светопроницаемой стенки электрохимической ячейки, или в виде светопроницаемой диэлектрической пластины, на одну из сторон которой нанесена токопроводящая пленка На фиго показано устройство для измерения напряжения пробоя при анодном окислении арсенида галлия п-типа проводимости, содержащее металлический KOKjrx 1, в котором размещается электрохимическая ячейка 2, выполненная в виде кварцевого сосуда 3, имеющего форму прямоугольного парал5лелепипеда. В ячейке установлены катод А и образец 5, являющийся анодом. Ячейка снабжена фторопластовой крышкой 6, стальными зажимами 7,8 и заполнена электролитом. Внешняя элек трическая цепь состоит из источника 9 белого света, источника тока 10, прибора 11 для регистрации напряже кия на электродах электрохимической ячейки. Устройство содержит также .массивное основание 12, линзу 13,источник 14 стабилизированного напряжения, ключ 15, магнитную мешалку 16о На фиг.2 приведена зависимость На пряжения пробоя от времени предварительного (темнового) анодирования, где кривая 17 соответствует условиям N 6-10, плотность тока мА/см время выхода на насыщение с (по казано стрелкой), кривая 18:N 6х ,хГО5 , j 2.мА/см, tu 18 с; криM0 j 1 мА/см , t 25 с/, вал 19:.N ыА/см кривая 20: N t,, 72 с; кривая 21; К 1,, j 1 мА/см, tj, 17 с. На фиг.З при ведена запись скачков напряжения на ячейке, происходящих при включении освещения; на фиг«4 приведена зависи мость напряжения пробоя от концент- рации носителей тока в арсениде галлия п-типа проводимости, где кривая 22 - теоретическая; кривая 23 - полу чеиа способом по данному изобретению; кривая 24 получена с помощью вольфрамовых зондов, В основе предлагаемого. способа ле жит хорошо известное явление генерации в полупроводнике под действием света электронно-дырочных пар, приво дящей при достаточно . высокой интенсивности светового потока к пргистически полному исчезновению пространственного заряда обратносмещенного барьера Шоттки или электролитического барьерного контакта, образуницегося при взаимодействии арсенида галлия п-типа проводимости с электролитом в процессе анодного окисления, Напряжение Uj -, измеряемое на элек тродах ячейки при анодном окислении в темноте, в общем случае складывается из напряжения пробоя электро,лирического барьерного контакта iJnp, пйгг. дения напряжения на анодной окисной пленке U и падения напряжения на слое электролита, контактах, полупроводниковой пленке U..n , т.е. 31 лр ок 9.x.п Тогда,Приняв во внимание, что при измерениях на свету Клр Си обозначив напряжение на ячейке, измеренное на.свету, как Uj, можно записать следующее выражение для расчета напряжения пробоя: uj-u; Применение гальнаностатического режима работы электрохимической ячейки, обеспечиваемого источником постоянного тока, позволяет с помощью потенциометра непосредственно измерять величины, входящие в правую часть этого выражения, По измеренной величине напряжения пробоя можно судить об истинной концентрации носителей тока лишь в образцах, которые однородно легированы, по крайней- мере, на глубину, равную ширине области пространственного заряда при пробое. В тех случаях, ког область пространственного заряда перекрывает слои с различной концентрацией примесей, величина нйпряжения пробоя дает представление лишь о некоторой эффективной концентрации. Таким образом, определения концентрации по величине измеряемого напряжения пробоя считаются корректными тогда, когда толщин (d) измеряемого слоя арсенида галлия с постоянной концентрацией будет от вечать требованию: db 3,72где Ufip напряжение пробоя. В; N - концентрация носителей тока, см . Дпя обеспечения высокой скорости фотогенерации электронно-дырочных пар необходимо.использовать достаточно мощный источник излучения со спектральной характеристикой, перекрьгоающей полосу поглощения арсенида галЛИЯ, Этим требованиям по спектральному составу отвечает источник беого света. Необходимая минимальная величина освещенности поверхности образца устанавливалась экспериментальным путем. Измерения проводились на эпитаксиальных структурах арсенида галлия п-п -типа с концентрацией носителей тока в п-слое 2-10 , 1,5-10 и 1,2-10 см. Освещенность измерялась люксометром Ю-116. Во всех случаях наблюдалось монотонное уменьшение Uj с возрастанием освещенности. Стабилизация U на са мом низком уровне, близком к падению напряжения на электролите (при отсутствии анодной окисной пленки), во всех случаях наблюдалась при освещенности не ниже 7000 лко Варьирование величины плотности анодного тока в пределах 1-3 мА/см практически не влияло на полученный результат Выбор указанного диапазона рабочих токов обуславливался, с одной стороны, тем, что ,в результате измерений при плотностях тока выще 3 мА/см на поверхности образца иногда появлялись довольно многочисленны локальные растравы, известные в лите ратуре под названием питтинга. Уве личение анодного тока способствует развитию этого процесса, С другой стороны, чрезмерное снижение плотности тока приводило к неоправданному увеличению периода темнового анодирования образца - промежутка времени от подачи напряжения . на электроды ячейки до момента включения освещения. Такое предварительное анодирование является необходимым в ряду операций, связанных с измерением напряжения пробоя, так как в образцах почти всегда присутствуют всевозможные кристаллографические и механические дефекты, концентрацио ные неоднородности, приводящие к сни жению величины напряжения пробоя. На микроучастках поверхности с дефектами происходит локализация электричес кого поля и поэтому эти участки обладают повышенной проводимостью,способствующей их предпочтительному оки слению иа начальной стадии анодирования. Следовательно, повышается однородность распределения электрическ кого поля в области пространственного заряда и точность измерений. На ряде образцов арсенида галлия наблюдалась довольно сильная зависимость измеренного напряжения пробоя от времени темнового анодирования. Продолжительность процесса предварительного анодирования, в течение которого происходит стабилизация напря жения пробоя, зависит от плотности анодного тока при плотности тока 1, 2 и 3 мА/см время анодирования равно примерно22,11 и 6 с соответственно, а при токе 0,5 мА/см повторяемость значений напряжения пробоя наблюдалась лишь через 72 с, Подобнуб зависимость продолжительности процесса от тока можно объяснить . сближением значений скоростей роста анодной пленки и ее растворения в электролите при уменьшении величины тока. Оптимальная длительность процесса темнового анодирования составляет соответственно 30, 20 и 10 с. Параллельное расположение плоскостей анода и катода напротив друг друга обеспечивает однородное распределение электрического поля в межэлектродном пространстве ячейки А благодаря тому, что катод и обращенная к нему стенка ячейки выполнены из светопроницаемого материала, создаются наибольшие удобства для равномерного освещения поверхности анода с помощью источника, расположенного напротив прозрачной стенки ячейки Подходящим светопроницаемым и проводящим материалом для катода является двуокись олова, осаждаемая в виде пленки толщиной 100-150 мкм на стеклянную подложку Наряду с высокой химической стойкостью эта пленка обладает достаточно : высокой светопроницаемостью и проводимостью. Полупрозрачные металлические покры-гл тия в этом отношении значительно хуже Электролит готовили смешением 3% водного раствора лимонной кислоты (рН этого раствора доводили до 6 путем добавления гидроокиси аммония) с этиленгликолем в соотношении 1:6 Во время измерений электролит в ячейке перемешивали магнитной мешалкойОпробование проводилось на серийный эпитаксиальньт структурах арсенида галлия п-п -тнпа (эпитаксиальный умеренно легированный слой п-типа проводимости на сильно легированной подложке того же типа проводимости) с различной концентрацией носителей тока в эпитаксиальном слое. Перед выполнением основных измерений было проведено несколько предварительных измерений С помощью люксометра Ю-116 получена градуировочная кривая зависимости

освещенности рабочей поверхности образца от напряжения накала освети-, тельной лампы при строго фиксированном положении ее относительно электролитической ячейки. На всех отобранных для опробования способа эпитаксиальных структурах вольт-фарадным методом (использовались напыленные алюминиевые барьеры Шоттки диаметром 200 мкм) были измерены концентрационные профили. Измерения выполняли на емкостном мосту МЦЕ-7В с точностью it 10% по стандартной методике. Структуры, в которых проявлялась тенденция к изменению концентрации с глубиной, отбраковывались.

Перед установкой образца в электрохимическую ячейку его неизмеряемую часть (п -подложка и боковые кромки) тщательно защищали лаком ХВ784, чтобы исключить контакт сильнолегированной подложки с электролитом. Для обеспечения хорошего элек- ; трического контакта анодного зажима

8 с .хЦластиной 5 небольшой участок п -подложки оставляли свободным от .лака. После высыхания лака на участок пластины, предназначеннью под, контакт, наносили тонкий слой индийгаллиевой пасты,, пластину устанавливали в анодный 3 ажим. крьппк-и 6 и ячейку закрывали крышкой; уровень электролита в ячейке при этом на 1-2 мм не доходил до зажима. Включали магнитную мешалку 16 и накрывали ячейку

кожухом 1 о Затем включали самописец 11, устанавливали на источнике 14 питания напряжение накала лампы, обеспечивающее освещенность 8000 лк {лампа при этом не включалась).. Настраивали источник 10 питания на ток, соответствующий плотности анодного , ка 2 мА/см (полный анодный ток рас-0 считывался по величине оцененной заранее с помощью миллиметровой сетки площади поверхности измеряемого образца) , переключали его на ячейку и через 20 с ключом 15 включали лампу

5 9 на 5-8 с. После выключения лампы сразу же отключали источник 10 от ячейки. Напряжение пробоя рассчитывали по зафиксированным на ленте самописца значениям Uj, и U, как это показано на фигоЗ.

J Основные преимущества предлагаемых способа и устройства заключаются в том, что на результаты измерег НИИ не влияет наличие высокоомногр

5 слоя на поверхности.образца, сопротивление электролиту, контактов и т.п. Кроме того, введение операции темнового анодирования способствует снижению систематической погрешности получаемых результатов.

Результаты, полученные при измерении зависимости напряжения пробоя от концентрации, графически представленные на фиг.4, показывают, что

5 отклонение их от теоретической кривой во всем исследованном диапазоне концентраций (1 10 - 1 10 см) не превышает.37%.

1. Способ измерения напряжения пробоя при анодном окислении арсенида галлия п-типа проводимости, заключающийся в том, что поверхность образца за исключением исследу- емой области защищают от воздействия электролита, помещают образец в электрохимическую ячейку и производят анодное окисление в темноте исследу- емой области, не имеющей защитного покрытия, путем пропускания через электрохимическую ячейку электрического тока,.о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьшения точности и воспроизводимости, при анодном окислении в темноте через ячейку пропус:кают стабилизированный электрический ток, имеющий плотность 1-3 мА/см, в.течение 10-30 с, затем производят освещение исследуемой области поверхности образца белым светом, обеспечивающим освещенность не ниже 7000 лк измеряют величину скачка напряжения на электрохимической ячейке в результате освещения и по нему определяют напряжение пробоя. 2 о Устройство для измерения напря.жения пробоя при анодном окислении арсенида галлия п-типа проводимости, содержащее кожух из светонепроницаемого материала с размещенной внутри него электрохимической ячейкой с расположенными параллельно анодом и катодом, причем анодом являетс;я образец, внешнюю электрическую цепь(Соединяющую анод и катод и содержапопо источник тока, о тличающее(Л с я тем, что, с целью повьшения точности и воспроизводимости, оно дополнительно содержит установленный перед катодом источник белого света, внещняя электрическая цепь содержит прибор для регистрации напряжения на .рлектродах электрохимической ячейки., стенка электрохимической ячейки, обращенная к источнику белого света, и катод выполнены из светопроницаемых материалов, Зо Устройство попо2, отличающееся тем, что катод выполнен в виде токопроводящей пленки, .нанесенной на внутреннюю поверхность светопроницаемой стенки электрохимической ячейкио 4. Устройство по По2, о т л и чающееся тем, что катод выполнен в виде светопроницаемой диэлектрической пластины, на одну из сторон которой нанесена токопроводящая пленка.