Способ определения толщины слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B7/06 

переходы исследованных слоев образца 6. Устройство для осуществления способа содержит электролизер 1. заполненный злектролитрм 2, погруженный в зтот злектролит 2 графитовый электрод 3, насыщенный каломельный электрод 4 и охватывающий травленую поверхность образца 6 металлический (платиновый) электрод 5, электроды 7 и 8, которые касаются поверхности образца б, не подвергнутой травлению, потенциостат 10,

который соединен с каломельным электродом 4 и сточником 9 питания постоянного тока, интегратор 11 тока, принимающий сигнал силы тока травления, генератор 12, подключающий между образцом б и металлическим электродом 5 периодический сигнал, и измеритель 13 действительной компоненты полной (активной) проводимости образца б. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - ловыше- ние точности и производительности. Способ состоит в том, что исследуют несущий слоистую конструкцию полупроводниковый образец б.прйводят его в контакт с электролитом 2. подвергают анодному трав- ne»v\K)H при травлении путем интегрирова- ния тока определяют глубину травления, одновременно ибразец 6 параллельно с травлением возбуждают электрическим сигналом и измеряют действительную компоненту полной проводимости образца при частоте возбуждения, т.е. его активную про- воДимость, исследуют экстремальные значения ЭТОЙ компоненты и фиксируют значения глубины травления, соответствующие этим экстремумам, характеризующимСОО)t00>&ы

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения толщины слоя в полупроводниковых слоистых конструкциях, в частности в гетеропереходах.

Цель изобретения - повышение точности и производительности путем более точного определения границ слоев слоистых конструкций и уменьшения затрат времени на измерение.

На фиг. 1 представлена схема устройства для определения толщины слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях: на фиг. 2 - диаграмма зависимости глубины травления от действительной компоненты полной проводимости (активной проводимости).,

Устройство для определения толщины слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях содержит электролизер 1, заполненный электролитом 2, размещенные в электролизере 1 графитовый электрод 3, насыщенный каломельный электрод 4 и металлический электрод 5, предназначенный для размещения у поверхности образца б с полупроводниковой слоистой конструкцией, группу электродов 7 и 8, содержащую не менее двух электрода и предназначенную для контактирования с противоположной стороной образца б, источник 9 питания постоянного тока, потенциостат 10, выход которого соединен с графитовым электродом 3, вход регулирования - с насыщенным каломельным электородрм 4, а вход питания с выходом источника 9 питания постоянного тока, интегратор 11 тока, подключенный к группе электродов 7 и 8, генератор 12, подключенный к металлическому электроду 5 и через интегратор 11 тока к группе электродов 7 и 8, и измеритель реакции образца, выполненный в виде измерителя 13 действительной компоненты полной проводимости и подключенный к выходу генератора.

Измеритель 13 действительной компоненты полной проводимости целесообразно выполнять в виде .последовательно соединенн(х блокировочного усилителя и

фазочувствительного детектора.

Устройство может также содержать блок 14 обработки сигналов, к первому входу которого подключен выход измерителя 13 действительной компоненты полной проводимости, а к второму входу - выход интегратора 11 тока.

Блок 14 обработки сигналов выполняют в виде двухкоординатного самописца.

Для проведения измерения необходи5 МО осуществить омический контакт со стороной образ,ца б, противоположной слоистой конструкции. Этот контакт обычно осуществляется с помощью вольфрамовых электродов 7 и 8, выполненных в виде острия с радиусом закругления 25 мкм.

Для соответствующего контакта и его контролируемости должны использоваться несколько злектродов 7 и 8 (по меньшей мере два), упруго прижатых к образцу б с по 5 мощью злемента 15. кроме того, острия злектродов 7 и 8 целесообразна покрыть контактным металлом, соответствующим материалу образца б. Для дальнейшего улучшения контакта с использованием блока 16 вжигания перед началом измерений между полупроводником и электродами 7 и 8 разряжают соответственно заряженный конденсатор, что приводит к сплаву с малым количеством металла.

В устройстве используется, кроме того, насос 17, который для обеспечения равномерной травленой поверхности постоянно поддерживает Циркуляцию электролита 2

0 или перемешивает его за счет вдувания газа N2. так что продукты травления удаляются с поверхности полупроводниковой структуры.

На электролизере 1 против приемного отверстия 18 для образца 6 находится окошко 19, черед которое образец 6 может освещаться с помо1цью источника 20 света.

Сущность способа заключается в следукзщем.

Максимум сигнала активной проводимости в зависимости от частоты измерительного высокочастотного сигнала наблюдается тогда, когда

(,0)

где («-частота измерительного сигнала;

г - постоянная времени термической эмиссий глубокого уровня.

Если высокочастотная активная проводимость измеряется при фиксированной частоте (например, в диапазоне 3-10 кГц), то постоянно находят состояния, для которых является действительным уравнение (1), т.е. когда при продвмжейии фронта травления опорожненной зоной достигается гранйчt ная поверхность двух слоев и сигнал актив ной проводимости Экстремален.

В связи с тем, что зона обеднения создается также установленным полем, не требуется обеспечивать специальное предварительное напряжением направлении запирания.

При реализации предлагаемого способа проводят:

а) электролитическое (анодное) травление проверяемой многослойной Полупроводниковой конструкции, например диска, с помощью электролиза постоянным током в виде функции от , при этом измеряют толщину снятого слоя;

б) параллельно анодному травлению измеряют действительную часть полной проводимости грайичной поверхности полупроводник-электролит в виде функции от глубинь травления, которая может быть определена на основании величинвремени, тока и толщины (положение граничной поверхности между слоями из различного материала и/и/ти с различным легированием имеется при экстремальной величине сигнала активности).

Еслк измеряется образец п-типа, то его поверхность контакта с электролизом возбуждают светом.

Затраты времени при этом существенно уменьшаются, поскольку травление осуществляют непрерывно в течение всего измерения.

При измерениях проводят возбуждение с помощью синусоидального сигнала с частотой в диапазоне 500 10 кГц.

Травление проводят силой тока в диапазонб 1 мкА.

Сигнал возбуждения необходимо подключать между металлическим, предпочтительно платиновым, электродом 5. погружаемым в электролит 2 и охватывающим поверхность травления образца 6, и по меньшей мере двумя остриями электро дов 7 и В, прижатыми к какойлибо другой поверхности образца6.

Контакт с образцами 6 может быть улучшен, если перед началом измерений проводить разряд между остриями электродов 7 и 8 и образцом 6, немного вплавляя материал острия электрода 7 (8) в образец 6.

Устройство работает следующим образом.,.

При измерении осуществляют анодное травление поверхности образца 6, находящейся в контакте с электролитом 2, с помощью приложенного постоянного напряжения между графитовым электродом 3 и электродами 7 и 8. Необходимое для анодного травления постоянное напряжение (напряжение травления) выбирают с помощью характеристики I - V образца 6 с полупроводниковой слоистой структурой. Для установления напряжения исПользуют потенциостат 10, в качестве опорной величины по отношению к этому выбирают напряжение, обеспечиваемое каломельным электродом 4. Потенциал, спонтанно возникающий между раствором, эл ектролитом 2, и полупроводниковой поверхностью образца 6, - это равновесный потенциал раствора, его величину указывают по отношению к каломельному электроду 4.

Для осуществления измерений необходимо выдержать некоторые условия:

а)полупроводник относительно графитового электрода 3 независимо от типа проводимости должен иметь положительное напряжение для того, чтобы могло осуществляться анодное травление;

б)при использовании материалов п-типа полупроводник для того, чтобы Процесс травления могпротекать, должен освещаться светом большей или такой же по величине энергиТ1, что и запрещенная зона полупроводника, для обеспечения образования необходимых для протекания травления неосновных носителей заряда (дырок); -в)электролит 2 должен удерживать анодно Окисленный продукт в растворе;

г)при травлении поверхность полупроводникового образца должна иметь как можно меньшую неравномерность поверхности.

Равномерность (Малая шероховатость) поверхности достигается :

а) при применении материалов р-типа соответствующим напряжением травления.

ток травления составляет 1 - 100 мкА, (В связи с тем, что полупроводниковый образец 6 за счет напряжения травления предварительно находится под напряжением в направлении пропускания, для обеспечения возможности измерения активной проводимости с помощью источника 9 питания постоянного тока между металлическим (платиновым) электродом 5 и электродами 7 и 8 создают предварительное напряжение в направлении запирания. Его обычная величина составляет около 0,2-0,6 В по отношению к каломельному электроду 4.}:

.6) при применении материалов установлением тока травления в диапазоне 1-100 мкА выбором интенсивности света источника 20 освещения и величины напряжения травления.

При применении материалов обоих типов необходимо обеспечивать перемешивание электролита для обеспечения удаления продуктов травления, используя насос 17.

Для проведения измерений высокочастотной полной проводимости (импеданса) с помощью генератора 11 между металлическим (платиновым) электродом 5 и электродами 7 и 8, имеющими омический контакт с образцом 6 полупроводника, используют сигнал с малым нелинейным искажением, частота повторения которого может изменяться от 500 Гц до ЮкГц, эффективная величина напряжения 5-50мВ. Реакция полупроводниковой конструкции образца 6 (смещенный относительно напряжения по фазе токовый сигнал) поступает на измеритель 13 действительной компоненты полной проводимости, содержащей блокировочный усилитель и фазочувствительн ый детектор и вырабатывающий на выходе действительную компоненту (активную проводимость) полной проводимости (в случае необходимости можно измерять обе компоненты инпеданса).

Ток анодного травления обрабатывается интегратором 11 тока и на его выходе получают с учетом геометрических размеров исследованного образца 6 и его плотности величины толщин слоев. Блок 14 обработки сигналов принимает в качестве компоненты Y выходной сигнал полной проводимости измерителя 13, в качестве компоненты X - сигнал толщины слоя, обработванный интегратором 11 тока, и вычерчивает диаграмму X-Y. Если в качестве блока обр1аботки сигналов используют вычислительную машину, входные данные подают через аналого-цифровой преобразователь. В качестве конечного результата измерения получают изменение величины действительной компоненты полной проводимости (активной проводимости) в зависимости от глубины травления (толщины снятого слоя или сбоев): экстремальные величины - это толщина отдельных слоев.

Пример. Образец 6 с исследуемой полупроводниковой структурой состоит из 10-слойной структуры на подложке CaAs птипа, выполненной из чередующихся пяти слоев Cao,eAlo.4As п-типа и CaAs п-типа. В качестве верхнего слоя служит слой CaAs толщиной 0,5 мкм, толщина остальных слоев составляла 0,1 мкм.В качестве электро лита 2 используют раствор 1 н.КОН. Образец 6 облучают источником 20 света, причем используют галогеновую лампу с соответствующей фокусирующей системой и инфрафильтром. Измерения проводят при 25°С (комнатная температура).

Измеренный без, освещения равновесный потенциал по отношению к насыщенному каломельному электроду составляет 4(б-0;8)В.

Напряжение травления 0,2 В. его направление противоположно направлению равновесного потенциала.

Сила тока травления 5-1 ОмкА.

Измерение проводят при непрерывном текущем постоянйом травлении, общая продолжительность измерения 180 мин.

Результат измерения приведен на изображенной на фиг. 2 диаграмме активная проводимость - глубина травления. С полученной диаграммы может быть отчетливо считана толщина в целом десяти слоев. Положение граничных переходов проявляется в форме минимумов или максимумов сигнала активной проводимо;:ти в зависимости от того, увеличивается или уменьшается энергия запрещенной Зоны на граничной поверхности.

Величина знергии для CaAs 1,4 эВ. для Cao.6Alo.4As 1,8 эВ.

Таким образом, продолжительность иэмерения за счет непрерывно проводимого травления существенно уменьшается по сравнению с известными методами измерения и достигнутый результат обладает точностью.

Формула иэобретени я

i

0.1 0.5 1.0 r.5 2.0 jum фиг 2