Способ локального контроля удельного сопротивления полупроводников и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к метрике полупроводников, а именно, к той ее области, которая исследует материалы с помощью электрических средств, в частности, путем исследования характеристик электрических разрядов.

Цель изобретения - повышение надежности измерений удельного сопротивления, полупроводников.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе локального контроля удельного сопротивления полупроводников, основанном на приложении напряжения между исследуемым полупроводником

и заостренным на конце зондовым электродом, измерении возникающего при этом электрического тока и определении величины удельного сопротивления исследуемого полупроводника по калибровочной кривой, зондовый электрод отделяют от поверхности полупроводника воздушным зазором, величину подводимого напряжения устанавливают достаточной для возникновения искрового разряда в этом зазоре, измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. При этом для полупроводников р-типа полярность напряжения между образцом и зондовым электродом

устанавливают следующим образом; плюс - на зондовом электроде, минус - на образце

Сущность способа такова При возникновении искрового разряда в зазоре между острием зондирующего электрода и поверхностью полупроводника образуется плазменный шнур, который можно рассматривать, как идеальный контакт к поверхности любого полупроводника. Идеальность контакта характеризуется тем, что плазма искрового разряда смачивает поверхность полупроводника независимо от качества ее обработки, при этом не возникает никаких механических напряжений.

Часть напряжения U, приложенного между зондирующим электродом и исследуемым образцом, падает на исследуемом образце (Uобр), а часть - на сопротивлении плазменного шнура (l-Ruj)

U Уобр + 1Нш,(1)

где I - ток в цепи разряда; Нш - сопротивление плазменного шнура.

Ток, текущий в образце, можно разделить на две компоненты (омическую и ин- жекционную);

Ном+1инж (2)

Омическая компонента определяется равновесными носителями заряда в полупроводнике, т.е. его удельным сопротивлением

Р1ом и0бр /Rp (3)

где Rp- р/(2 тег) - сопротивление растекания точечного контакта радиуса г (в данном случае в качестве г следует подставить радиус плазменного шнура).

Инжекционная компонента тока связана с неравновесными носителями заряда, внедряющимися в полупроводник из плазменного шнура. Эта компонента, в отличие от омической, слабой зависит отри имеет место даже при р «.

Приведенные соотношения позволяют связать удельное сопротивление полупроводника с током в цепи искрового разряда:

р 2 тгг Ru

(u/Rm)-i

I инж.

Таким образом, показана возможность построения калибровочной кривой, которая будет зависеть от конструкции измерительной установки (именно она определяет значения параметров г, Вш. U).

Что касается инжекционного тока, то этот параметр должен определяться для каждого полупроводникового материала с учетом типа его проводимости. Если полярность прикладываемого напряжения будет соответствовать типу проводимости полу

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

проводника так, как указано в формул п --о бретения плюс на зондовом шектрод полупроводника р-типа то будут об- теме ны условия монополчрно инжекции когда в полупроводник будут поступать и ч плазмы

ТОЛЬКО НеОСНОаНЫе НОСИЛ ЛИ При гм Ии

жекционный ток будет переделаться велловским временем Гм - f p /4 я и не будет от времени жизни неравновесных носи е-л И заряда Это обеспечивает однозначную сьязь ин жекционного тока с удельным нием полупроводника (При другой полярности напряжения величина инжекци онного тока зависела бы от такого трудно измеримого параметра, как время жи JH л чо равновесных носителей заряд.

При контроле удельного сопротивлений полупроводников n-типа полярность напри жения между образцом и зондоэым злею родом меняют на обратную минус устанавливают на зондовом электроде, а плюс - на образце. Именно таким образом будут соблюдены условия монополярной инжекции и обеспечена однозначная связь инжекционного тока с удельным сопротив лением полупроводника

Кроме того, для обеспечения , тного неразрушающего контроля уде ьны сопротивления полуирово ь, в nw B -JOJ изложенному способу прс.олагяется /игрой ство, обеспечива:о|Ц е .ие импул-, ct слабого тока не приводящие термической эрозии поверхности исгледуемою по .пр х водникя

За прототип устройства был выбпан электроискровой дефектоскоп Устройство это содержит маломощный источник высо кого напряжения и дна электрода, один из которых предназначен для сканировании исследуемого изоляционного покрытия а другой - для контактирования с металлиме ской основой изделия Как следует из они сания дефектоскопа он неприменим для количественных измерений, в том числе и для измерения удельного сопротивлрния полупроводников

В данном изобретении предлагается vr тройство, использующее искру для проведения измерений удельного сопротивления в различных точках полупроводникового образца. При этом достигается цель обесп че ния неразрушающего контроля С этой целью к выходу источника высокого напряжения подключен плоский конденсатор о сквозным отверстием посередине врр яя обкладка которого служит базовом т i-1 родом, 3 НИЖНЯЯ Об ЛгЧДКЧ ПП/u IT и У пм

дирукпчемузл кгрг / t t-

последовательно соединенные высокоом- ный резистор и средство регистрации импульсного тока; острие зондирующего электрода расположено в отверстии конденсатора на расстоянии порядка 0.1 мм от верхней плоскости базового электрода.

Конструкция устройства показана на фиг. 1, на фиг, 2 - график зависимости от амплитуды импульсов тока.

К выходу источника высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением 1 подключен плоский конденсатор 2 со сквозным отверстием посередине, металлические обкладки которого 2-1 и 2-2 разделен слоем диэлектрика 2-3. Верхняя обкладка 2-1 этого конденсатора является одновременно базовым электродом. Нижняя обкладка 2-2 через средство регистрации импульсного тока 3 и высокоомный резистор 4 подключена к зондирующему электроду 5. Зондирующий электрод расположен в отверстии плоского конденсатора, при этом расстояние от острия электрода до рабочей поверхности базового электрода, на которую кладут исследуемый образец 7, составляет величину порядка 0,1 мм. Конденсатор б, показанный на рис. 1 пунктиром, представляет собой межэлектродную емкость резистора 4, которая, как будет видно из дальнейшего, играет важную роль в работе устройства.

Работает устройство следующим образом.

Конденсатор 2 выступает в роли накопительного конденсатора; при включении источника напряжения 1 он начинает заряжаться, высокое внутреннее сопротивление источника напряжения обеспечивает относительную медленность этого процесса. Од- новременно растет и потенциал зондирующего электрода 5 по отношению к образцу 7, поскольку зондирующий электрод гальванически связан с обкладкой 2-2 накопительного конденсатора, а образец, лежащий на другой его обкладке (2-1), имеет с ней гальванический и емкостный контакт. Когда потенциал на зондирующем электроде достигает определенного (пробойного) значения, в воздушном зазоре между острием зондирующего электрода и поверхностью образца образуется плазменный шнур (искра), который замыкает цепь. В цепи образец-накопительная ем- кость-зонд возникает ток. Величина этого тока достаточна для поддержания режима искрового разряда, т.к. все большие сопротивления в разрядной цепи зашунтированы соответствующими емкостями (предполагается, что сопротивление устройства для регистрации тока пренебрежимо мало):

контактное сопротивление образец-базовый электрод шунтируется контактной емкостью, резистор 4 шунтируется его межэлектродной емкостью 6. Наименьшая 5 из этих емкостей (6) через время порядка 10 нсек полностью заряжается и прерывает искровой разряд. Дальнейшая разрядка накопительного конденсатора 2 происходит неискровым способом за счет остаточной

0 ионной проводимости воздуха. Ток разряда при этом ничтожно мал (менее 1 мкА). Т О , в цепи зондирующего электрода оказывается сформирован импульс тока, амплитуда которого определяется сопротивлением

5 плазменного шнура, Яш и сопротивлением растекания исследуемого полупроводника Pp. После прекращения разряда конденсатор 2 снова начинанет заряжаться и потенциал зонда вновь начинает повышаться

0 относительно потенциала образца. Когда разность потенциалов между образцом 7 и зондом 5 вновь достигнет пробойного значения, снова возникает микроискра, и весь процесс повторяется сначала.

5 Изобретение осуществляется следующим образом.

Было изготовлено устройство, схема которого показана на рис. 1.

Источник высокого напряжения с боль0 шим внутренним сопротивлением был изготовлен на основе стабилизированного выпрямителя ВС-22,в высокое внутреннее сопротивление обеспечивалось двумя резисторами по 750 МОм, которые подключа5 лись последовательно с выходом прибора.

Накопительный конденсатор 2 был выполнен из листа фольгированного с обеих сторон гетинакса толщиной 1 мм, Он имел форму круга D 50 мм с отверстием D 4 мм в

0 центре.

В качестве зондирующего электрода использовалась швейная игла.

Сопротивление резистора 4 составляло 150 МОм, его межэлектродная емкость

5 (плюс емкость монтажа) составляла 2 пФ (измерено с помощью автоматичесокого моста Е7-8),

Измерение амплитуды импульсного тока осуществлялось путем включения в раз0 рядную цепь резистора сопротивлением 51 Ом и регистрации падающего на нем напряжения с помощью осциллографа CI-65 (на фиг. 1 устройство для регистрации импульсного тока имеет позицию 3).

5На описанном устройстве была подвергнута контролю серия полупроводниковых пластин из n-Sl и p-Ge. Пластины имели площадь 1...2см и толщину 1 мм. Рабочие поверхности всех пластин были подготовлены идентичным способом (мелкая

шлифовка с последующим травлением в освежающем травителе). На выпрямителе ВС- 22 устанавливалось напряжение 2 кВ. При этом длительность импульсов тока составляла от 7 до 20 нсек (в зависимости от удельного сопротивления образцов) при частоте повторения несколько десятков герц. На фиг. 2 показана зависимость амплитуды импульсов тока в цепи разряда от величины удельного сопротивления для серии образцов из n-Sl. Удельное сопротивление каждого образца было предварительно измерено по стандартной 4-х зондовой методике (доверительные интервалы на фиг. 2). На этом же рисунке сплошной линией показаны результаты расчета по формуле (4) при следующих значениях подгоночных параметров: радиус плазменного шнура г-17 мкм; сопротивление плазменного шнура Riu-3500 Ом; пробойное напряжение U-31 В инжекционный ток ,92 мА. Как видно из рисунка, формула (4) хорошо описывает экспериментальные результаты. Это говорит о том, что рассмотренная физическая модель, в которой пробивное напряжение и инжекционный ток не зависят от удельного сопротивления полупроводника, адекватно описывает протекание электрического тока в образце при искровом разряде. Проведенные исследования показали, что данная методика работает более надежно, чем однозондовый метод с прижимным зондом. Достигнута хорошая воспроизводимость результатов и высокая точность измерений удельного сопротивления по сравнению с прототипом. Радиус плазменного шнура в условиях описанного эксперимента составлял 17 мкм, следовательно, заявляемый метод обеспечивает высокую локальность на уровне возможностей прототипа.

Заявляемые способы и устройство обеспечивают неразрушающий контроль удельного сопротивления полупроводниковых материалов. Это достигается тем, что энергия, выделяемая искрой в кристалле, составляет СН Ruit 2«10 Дж, что соответствует плотности энергии на поверхности полупроводника W- 1500 эрг/см2. Такое

лт

воздействие, ввиду своей малости, никаких существенных нарушений поверхности исследуемых образцов не вызывало, что подтверждалось исследованием поверхности образцов с помощью оптического микроскопа до и после электроискровых измерений. Столь малая энергия искры обеспечивалась как величиной зазора между зондом и образцом ( 0,2 мм), так и

малой длительностью искрового импульса тока (t 10 нсек), определяющейся величиной емкости 6 (межэлектродная емкость резистора 4). Неразрушающий характер

измерений позволяет использовать заявляемый способ и устройство для контроля удельного сопротивления тонких полупроводниковых пленок (прижимной зонд разрушает тонкие пленки).

Ф о рмул а и зоб рете н и я

1. Способ локального контроля удельного сопротивления полупроводников, основанный на приложении напряжения между исследуемым полупроводником и заостренным на конце эондовым электродом, измерении возникающего при этом электрического тока и определении величины удельного сопротивления исследуемого полупроводника по калибровочной кривой,

отличающийся тем, что, с целью повышения надежности измерений, зондо- вый электрод отделяют от поверхности полупроводника воздушным зазором, полярность напряжения между образцом и

зондовым электродом устанавливают плюс на зондовом электроде для полупроводников р-типа, величину подводимого на- пряжения задают достаточной для возникновения искрового разряда в зазоре

между зондовым электродом и поверхностью полупроводника, измеряют амплитуду импульса тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что для полупроводников n-типа полярность на зондовом электроде устанавливают минус.

3. Устройство для локального контроля

удельного сопротивления полупроводников, включающее источник высокого напряжения с большим внутренним сопротивлением, зондирующий электрод, базовый электрод и средство регистрации

импульсного тока в цепи зондирующего электрода, отличающееся тем, что, с целью обеспечения неразрушающего контроля, к выходу источника высокого напряжения подключен плоский конденсатор со

сквозным отверстием в центре его пластин, верхняя обкладка которого служит базовым электродом, а нижняя подключена к зондирующему электроду через последовательно соединенные высокоомный резистор и

средство регистрации импульсного тока и острие зондирующего электрода расположено в отверстии конденсатора на расстоянии 0,1-1,0 мм от верхней плоскости базового электрода.

Использование: в технике, а именно в областях техники, в которых исследуются материалы с помощью электрических средств, в частности, путем исследования характеристик электрических разрядов. Сущность изобретения: между исследуемым полупроводником и зондирующим электродом, который отделен от поверхности исследуемого проводника воздушным зазором, прикладывают напряжение, достаточное для возникновения жирового разряда, измеряют амплитуду тока в цепи разряда и по ней судят о величине удельного сопротивления полупроводника. Устройство содержит плоский конденсатор со сквозным отверстием в центре его пластин. К нижней обкладке подключен зондирующий электрод, острие которого расположено в отверстии на расстоянии 0,1-1 мм от верхней плоскости верхней обкладки, служащей базовым электродом. Исследуемый полупроводник помещают на базовый электрод. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Т МА

Фиг.1

у

Ом-си