СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Советский патент 1996 года по МПК H01L21/70 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля параметров полупроводниковых материалов и структур.

Известен способ определения электрофизических параметров полупроводника (1), основанный на приложении к одной поверхности полупроводникового элемента постоянного и переменного электрических напряжений, измерении зависимости от частоты импеданса цепи, по которой определяют электрофизические параметры полупроводника, например плотность поверхностных состояний, сечение захвата поверхностных состояний и поверхностный электростатический потенциал.

Недостатком этого способа является ограниченный частотный диапазон измерений импеданса цепи, так как на высоких частотах паразитные элементы цепи приводят к большим погрешностям, которые являются неустранимыми.

Известен также способ измерения электрофизических параметров полупроводников (2), основанный на приложении к одной поверхности полупроводникового элемента постоянного и модулированного электрического поля, изменяющегося вдоль поверхности, измерении поперечного электрического напряжения, имеющего частоту модуляции. В этом способе переменное электрическое поле создается пьезоактивной поверхностной акустической волной.

Недостатками этого способа является низкая точность и узкий частотный диапазон измерений. Эти недостатки обусловлены тем, что различным частотам поверхностной акустической волны соответствуют различные волновые числа и соответственно пространственные периоды электрического поля, воздействующего на поверхность полупроводника. При высоких частотах длина волны становится малой, что уменьшает чувствительность способа. При использовании только одного преобразователя акустических волн нельзя перекрыть большой частотный диапазон.

Целью изобретения является повышение точности и расширения диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения электрофизических параметров полупроводников, основанном на приложении к одной поверхности полупроводникового элемента постоянного и модулированного электрического поля, изменяющегося вдоль поверхности, измерении поперечного электрического напряжения, имеющего частоту модуляции, поддерживая пространственный период переменного электрического поля постоянным, измеряют зависимость поперечного электрического напряжения от частоты модуляции, по которой судят о параметрах поверхности полупроводника. Такой способ может быть осуществлен с помощью устройства, содержащего полупроводниковую пластину с диэлектрическим слоем, нанесенным на одну из поверхностей пластины, металлический электрод на внешней поверхности диэлектрического слоя, металлический контакт к пластине, нанесенный на другую сторону пластины второй слой диэлектрика, на внешней поверхности которого нанесены два металлических электрода, образующих пространственно-периодическую встречно-штыревую структуру, а также с помощью варианта устройства, отличающегося тем, что каждый диэлектрический слой выполнен из двух диэлектриков, а также с помощью варианта устройства, отличающегося тем, что в качестве диэлектриков используются слюда и слой двуокиси кремния, изготовленный на полупроводниковой пластине.

На фиг.1 изображено устройство для реализации способа, где полупроводниковая пластина 1, диэлектрический слой 2, металлический электрод 3, контакт 4, второй диэлектрический слой 5, электроды, образующие пространственно-периодическую встречно-штыревую структуру 6,7.

На фиг. 2 представлена схема установки для реализации способа, где: устройство для реализации способа 8, генератор модулированного напряжения 9, генератор радиосигналов 10, селективный вольтметр с синхродетектором 11, фильтр 12, осциллограф 13, фильтры 14, 15, вольтметр 16, источник постоянного напряжения 17, резисторы 18, 19.

На фиг.3 приведена зависимость поперечного электрического напряжения И^' от частоты модуляции, где сплошной линией изображена теоретически полученная зависимость, а кружками результаты измерений.

Способ реализуется следующим образом.

Генератор 9 модулирует частотой f₁ электрическое напряжение радиосигналов с несущей частотой f₂. Модулированное напряжение радиосигналов поступает на электроды 6, 7, а его амплитуда измеряется осциллографом 13. Электрическое поле, создаваемое электрически напряжением на электродах 6 и 7, получается периодически изменяющимся вдоль поверхности полупроводникового элемента. При этом при изменении несущей частоты f₂ пространственный период электрического поля не изменяется. Такое электрическое поле приводит к появлению поперечного электрического напряжения на частоте модуляции, которое возникает между двумя поверхностями полупроводниковой пластины. Поперечное электрическое напряжение на частоте модуляции измеряется вольтметром с синхродетектором 11. Напряжение опорного сигнала на вольтметр 11 подается с генератора 9. С помощью источника постоянного напряжения 17 в полупроводниковой пластине изменяется поверхностный электростатический потенциал Φ_s, что позволяет снимать зависимость плотности поверхностных состояний N_s от энергии их ионизации. Изменяя несущую частоту радиосигналов, меняют заполнение поверхностных состояний полупроводника и связанное с этим поперечное электрическое напряжение.

При низкой несущей частоте поверхностные состояния успевают заполняться за период ради сигнала Т 1/f₂ и поперечное напряжение мало. При высоких частотах f₂ поверхностные состояния полупроводника не экранируют электрическое поле и поперечное напряжение становится больше. Исследуя частотную зависимость поперечного напряжения, можно определить максвелловское время реласации τ_m, поверхностный электростатический потенциал Φ_s, плотность поверхностных состояний N_s и коэффициент захвата на поверхностные состояния полупроводника С_п (соответственно и сечение захвата σ_n). Измеряемой поверхностью служит та поверхность полупроводниковой пластины, на которой расположен дополнительный диэлектрический слой с встречно-штыревой структурой.

Пример. На фиг.3 отмечены кружками экспериментальные результаты и проведена теоретическая кривая, которая наиболее близко соответствует полученным результатам. Было найдено, что в исследованном образце Si (уд. сопротивление 550 Ом•см. поверхность образца покрыта естественным слоем окисла) существует дискретный уровень поверхностных состояний. Теоретическая формула, описывающая зависимость поперечного электрического напряжения U на частоте модуляции f₁ от частоты ω=2πf₂ в этом случае имеет вид:

где N_s концентрация поверхностного уровня, g фактор вырождения, E- энергия ионизации, F уровень формы, q заряд электрона, K постоянная Больцмана, Т температура в градусах Кельвина, ε_s, ε_d диэлектрические проницаемости полупроводника и диэлектрического слоя, на который нанесена встречно-штыревая структура, - длина Дебая, μ подвижность электронов, t_M=ε_s/gμn_o максвелловское время релаксации, n_o концентрация свободных электронов, С_п коэффициент захвата, коэффициент модуляции радиосигналов, Δν изменение амплитуды радиосигналов при модуляции, безразмерная емкость слоя объемного заряда в полупроводнике n_s=(τ_sC_n)^-1, , где λ длина пространственного периода встречно-штыревой структуры, d толщина диэлектрического слоя, на который нанесены встречно-штыревая структура, n амплитуда радиосигналов. В формуле сделаны приближения, которые выполнялись на опыте: полупроводник n-типа, нет инверсионного слоя вблизи поверхности полупроводника, штырей много и расстояние между штырями равно их ширине L/λ≪1, L/d≪1, d/λ≪1, τ_Mω≪1. Теоретическая кривая построена на этой формуле при следующих параметрах: ε_s 11,8 ε_o ρ 550 Ом• см; m 1,25 10³ см²/B.с. e_d 7,2 ε_o, α 10 мкм, Т 300^oК, l 800 мкм, К, n, U брались из опыта. Найдено, что наилучшее согласие получается, если: t_M 5,7•10^-1 с; ;
C_п 2,6•10^-9 см^-3-c¹; (σ_n 2,6•10^-16 см^-2 при тепловой скорости электрона 10⁷ см/с), N_s≳ 2•10¹¹ см^-2. Плотность поверхностных состояний можно определить более точно, если снять экспериментальную зависимость при более низких частотах.

Предложенный способ определения электрофизических параметров полупроводника и полупроводниковый элемент для его осуществления имеет следующие преимущества: повышается точность измерений и расширяется частотный диапазон. Это позволяет измерять коэффициенты захвата при обогащенных слоях, когда τ_s малы. При этом дополнительно можно измерять τ_M и поскольку контакт к полупроводниковой пластине нетоковый, то этот контакт может быть неомическим и находиться вдали от измеряемой области. ЫЫЫ2

1. Способ измерения электрофизических параметров полупроводников, основанный на приложении к одной поверхности полупроводникового элемента постоянного и модулированного электрического поля изменяющегося вдоль поверхности, измерении поперечного электрического напряжения имеющего частоту модуляции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, поддерживая пространственный период переменного электрического поля постоянным, измеряют зависимость поперечного электрического напряжения от частоты модулированного электрического поля, по которой судят о параметрах поверхности полупроводника.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее полупроводниковую пластину с диэлектрическим слоем, нанесенным на одну из поверхностей пластины, металлический электрод на внешней поверхности диэлектрического слоя, металлический контакт к пластине, отличающееся тем, что на другую сторону пластины нанесен второй слой диэлектрика, на внешней поверхности которого нанесены два металлических электрода, образующих пространственно периодическую встречно штыревую структуру.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый диэлектрический слой выполнен из двух диэлектриков.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве диэлектриков используются слюда и слой двуокиси кремния изготовленный на полупроводниковой пластине.

1. Способ измерения электрофизических параметров полупроводников, основанный на приложении к одной поверхности полупроводникового элемента постоянного и модулированного электрического поля изменяющегося вдоль поверхности, измерении поперечного электрического напряжения имеющего частоту модуляции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, поддерживая пространственный период переменного электрического поля постоянным, измеряют зависимость поперечного электрического напряжения от частоты модулированного электрического поля, по которой судят о параметрах поверхности полупроводника. 2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее полупроводниковую пластину с диэлектрическим слоем, нанесенным на одну из поверхностей пластины, металлический электрод на внешней поверхности диэлектрического слоя, металлический контакт к пластине, отличающееся тем, что на другую сторону пластины нанесен второй слой диэлектрика, на внешней поверхности которого нанесены два металлических электрода, образующих пространственно периодическую встречно штыревую структуру. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый диэлектрический слой выполнен из двух диэлектриков. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве диэлектриков используются слюда и слой двуокиси кремния изготовленный на полупроводниковой пластине.