Способ контроля качества полупроводниковых структур Советский патент 1993 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано при исследовании полупроводниковых структур и при изготовлении приборов на их основе для диагностики и разбраковки эпитаксиальных структур и полуизолирующих подложек арсенида галлия.

Целью изобретения является повышение информативности способа за счет обес- печения возможности раздельной диагностики полуизолирующей подложки и переходной области (буферного слоя) между подложкой и эпитаксиэльным слоем.

Сущность изобретения заключается в создании прижимных металлических контактов к подложке и эпитаксиальному слою, освещении структуры оптическим излучением и измерении- фототока, протекающего между омическими контактами, освещение структуры производят излучением с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны в области примесной полосы поглощения, измеряют зависимости тока между прижимными контактами от приложенного внешнего напряжения в прямом и обратном направлении в темновом режиме и при освещении, определяют значения напряжения смещения и тока Unpi. Unp2, Imp, 1фпр1.1тпр2.1фпр2 в прямом направлении и Uo6pi. 1тобр1, 1фобр1 в обратном направлении, при которых фототок определяется фотопроводимостью подложки и переходной области между подложкой и легированным слоем соответственно, и по формулам

Ј

00

ю ы о

W Оч

Ntsub 1фпр2 |фпр1 П|зиЬ 1тпр2 1тлр1

0)

Ntbuf 1фобр1 Ко6р1 Nlbuf 1тобр1

(2)

отношения концентраций глу- (Vwiix црцтров и свободных носителей заряNtSut)- «дл в подложке «т- - и переходной области

Nivib

Ntbtlf.. по которым производят разбраковку

полупроводниковых структур.

На фиг. 1 представлены схема измере- НИР (а) и энергетическая диаграмма полупроводниковой структуры с прижимными металлическими контактами (б), где 1 - эпи- таксиальнч й легированный слой, 2 - буферный слой, 3 - подложка, 4 - прижимные металлические контакты, 5, 6 - слои объемного заряда в приконтактных областях.

На фиг. 2 представлены прямая (а) (положительный потенциал на подложке) и обратная (б) ветви вольтамперной характеристики полупроводниковой структуры с прижимными металлическими контактами в темповом режиме (7) и (9) и при освещении (8) и (10) оптическим излучением в области полосы примесного поглощения (Eg h Ei, где Ei - энергия фотоионизации глубоких центров).

При приложении к структуре с прижимными металлическими контактами 4 внешнего напряжения U через нее будет протекать тек I, величина которого определяется значением напряжения и сопротивлением областей 1, 2, 3, 5, 6 (фиг. 16). Сопротивления кпазинейтральных областей 1, 3 в области напряженности электрического поля ниже критической 3 10 В/см) можно считать не зависящим от поля. Сопротивления областей 2, 5 и 6 являются сложными функциями от U, поскольку в них имеются энергетические барьеры для электронов. При достаточно больших площадях ( нескольких м ) можно добиться того, что роль областей 5 и 6 в ограничении уровня тока через структуру будет мала. В этом случае можно записать:

При освещении оптичегким излучением структуры происходит фотогенерация свободных носителей с глубоких уровней, что приводит к изменению сопротипления Нз:

dU

1

d ф T3isub 4(5)

Отсюда легко получить выражение для определения отношения концентрации глубоких центров к концентрации свободных носителей в подложке

, d ф .

15 Nisub dlT

(6)

Используя конечные приращения, формула (6) на линейном участке ВАК прекращается

в формулу (1).

Если к структуре приложить напряжение, смещающее буферный слой 2 в обратном направлении (обратное смещение), то его сопротивление возрастает с ростом напряжения (насыщение) и затем по мере увеличения и0 уменьшается (пробой). При определенных значениях U - U2o6p (фиг. 26) влияние R2(Ue) на вид ВАХ становится максимальным. При освещении структуры излучением в области примесной полосы поглощения происходит увеличение тока за счет генерации фотоносителей в буферном слое, значение сопротивления которого определяет ток при U U2o6p. Поскольку по

мере увеличения концентрации глубоких центров в буферном слое величина фотосигнала 1ф2обр - 1т2обр возрастает, а концентрация свободных носителей заряда в буферном слое определяет значение Т2обр в

темновом режиме, то отношение

1ф2обр 1т2овр , /Nfbuf 1тО. ,

1т2обр

Nlbnf

Сущность изобретения: освещают структуру оптическим излучением с энергией квантов меньше ширины запрещенной зоны в области примесной полосы поглощения. Измеряют фототок в темновом режиме и при освещении при прямом и обратном смещении. Рассчитывают отношение концентраций глубоких центров и свободных носителей заряда в подложке в буферном слое. 2 ил.

R2 (U2) +

(3)

где U - напряжение, приложенное к слою 2.

При достаточно больших напряжениях смещения прямая ветаь ВАХ вырождается в

прямую линию с наклоном

R, - dU 1

К dT NSub

(4)

где Nisfb концентрация свободных носителей заряда в подложке,

выражается некоторой функцией f от параметра N buf. Причем, в силу указанных выше причин, эта функция является монотонно возрастающей. То есть по величине отношения Ф ,рт2° р можно оце1т2обр

нивать качество буферного слоя по концентрации глубоких центров в буферном слое.

Для проведения количественной оценки Nfbuf необходимо найти явный вид функции f путем построения градуировочно- го графика для структур с известной концен- трацией глубоких центров. Способ

осуществляется следующим образом. Вначале к структуре создаются прижимные металлические контакты таким образом, чтобы один из них обеспечивал электрический контакт с подложкой, а другой - с эпитакси- альным слоем, и чтобы эт 1 контакты были расположены друг напротив друга, Затем к контактам прикладывают внешнее электрическое поле и измеряют зависимости тока, протекающего м-зжду прижимными контактами, от приложенкего внешнего напряжения в прямом и обратном направлении в темновом режиме. .Далее освещают полупроводниковую структур-/ в области прижимных контактор оптическим излучением с энергией квантов, плылей энергии фотоионизации глубоких i cm ров, но меньшей ширины запрещеим й зоны полупроводника и измеряют вол -тэмперные характеристики структур при освещении. Из графических зависимостей т,ф f(Unp.o6p) находят характерные значения напряжения смещения и токов Jnpi. Unp2, Knpi, 1тпр2, 1фпр1, 1фпр2 в прямом направлении и U06pl, 1тобр1, 1фобр1 в обратном направлении, при которых фототек определяется фотопроводимостью подложки и буферным слоем соответственно и по формулам (1) и (2)

определяют

Nfsub .. Nfbuf

и

, по которым проNlsub Nibuf

изводят оценку качества подложки и эпи- таксиального слоя и разбраковку полупроводниковых структур путем сравнения полученных значений с максимально допустимыми значениями.

Предлагаемый способ позволяет проводить раздельно диагностику как полуизолирующей подложки, так и буферного ело.

Способ может быть использован для входного контроля подложек, для оптимизации технологии выращивания эпитаксиаль- ных слоев, а также для осуществления входного контроля эпитаксиэльных структур при производстве дискретных арсенид- галлиевых приборов и интегральных схем.

Формула изобретения

Способ контроля качества полупроводниковых структур с полуизолирующей подложкой, включающий создание прижимных металлических контактов к подложке и эпи- таксиальному слою, приложение к контактам напряжения, освещение структуры

оптическим излучением, измерение тока, протекающего между прижимными контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности способа за счет обеспечения раздельной диагностики

полуизолирующей подложки и переходной области между подложкой и эпитаксиаль- ным слоем, используют контакты площадью порядка нескольких квадратных миллиметров, освещение структуры производят излучением с энергией квантов, превышающей энергию ионизации глубоких центров, но меньшей ширины запрещенной зоны, зависимости тока между прижимными контактами от приложенного внешнего напряжения.

измеряют как при прямом, так и при обратном включении структуры как в темновом режиме, так и при освещении, при прямых напряжениях Unpi и Unp2, при которых фото- ток определяется фотопроводимостью подложки, определяют величины токов 1Пр1т и 1п,о2т, Inpi и 1пр2 в темноте и при освещении соответственно, определяют величины токов 0Г)р1т, 1обр1ф в обратном направлении в темноте vi при освещении соответственно,

при напряжении, когда фототок определяется фотопроводностью переходной области между подложкой и легированным слоем и по формулам

Nisub

I

N.sub Тпр2

фt ф

пр2 1 npl.

-1Тпр1

45

I Фобщ - I То6р1

40N bufI ТобР1

определяю отношения концентраций глубоких центров и свободных носителей заряда в подложке Ntsut,/Nisub и переходной области Ntbuf/Nibuf. но которым производят

разбраковку полупроводниковых структур.

а) Av

4

/

i

. V

S)

1y /

r

-tf

л