Способ измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образце Советский патент 1982 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к производству и применению полупроводниковых материалов и может быть использовано для экспресс-измерений распределения локальной концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковых об разцах, преимущественно с одномерно неоднородным легированием в заводских и лабораторных условиях. Известен способ измерения распределения концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниках путем измерения поворота плоскости поляризации излучения от источника монохроматического линейно поляризованного света, прошедшего через помещенный в магнитное поле полупроводниковый образец. Поворот плоскости поляризации определяется концентрацией нескомпенсированных примесей, напряженностью магнитного поля, линейным размером образца в направлении пучка света, а также другими параметрами, Сканирование образца относительно пуч ка ИК-излучения позволяет получить распределение концентрации нескомпенсированной примеси Э (х) на самопишущем потенциометре ГПОднако недостаточно высокая чувст вительность данного способа сущест- венно ограничивает диапазон измеряемых значений Эй с нижней стороны. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения одномерного распреде. лания концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образ це путем сканирования вдоль образца пучком ИК-излучения и измерения интенсивности прошедшего сквозь образец излучения L2 . Физическая сущность этого способа заключается в том, что- в нем ис - пользуется метод поглощения ИК-излучения, учитывающий как поглощение ИКизлучения решеткой кристалла, так и поглощение излучения свободны/-1И носителями тока, концентрация которых равна концентрации нескомпенсированной легирующей примеси. В связи тем, что .поглощение решеткой само по себе достаточно сильно, заметный кон траст, обусловленный поглощением на свободных носителях тока на фоне по лощения решеткой, выявляется лишь при концентрациях нескомпенсированно легирующей примеси, превышающих 10см-. Достоинством известного способа является простота и экспресность ме тода получения информации о распреде лении флуктуации концентрации неском пенсированной примеси в образце и высокая разрешающая способность, дос тигающая 30 мкм и определяемая разме ром сканирующего пучка ИК-излучения Однако недостаточно высокая чувст вительность известного способа не позволяет выявлять и измерять флукту ации в распределении концентрации нескомпенсированной легирующей примеси и саму концентрацию, если ее величина не превышает , что существенно ограничивает его использование для исследования образцов слабо легированных полупроводниковых материалов, представляющих большой интерес для полупроводниковой техники. Кроме того, известный свпособ совершенно неприемлем для выявления флуктуации нескомпенсированной приме си в полупроводниках с собственной проводимостью, поскольку в этом случае поглощение на свободных носителях будет совершенно однородным по всему образцу. Цель изобретения - повышение чув ствительности способа. Поставленная цель достигается тем что в способе, включающем сканирование вдоль образца пучком ИК-излучения и измерение интенсивности прошедшего сквозь образец излучения, к исследуемому образцу прикладывают импульсы электрического напряжений, приводящего к дрейфовому распределению неравновесных носителей заряд в образце, и измеряют изменение интенсивности прошедшего ИК-излучения Измерения проводят в условиях ин;| екции неравновесных носителей заря да. Наличие дрейфового распределения неравновесных носителей заряда устангтвливают по признаку совпадения нормированных распределений кон0 .4 центрации неравновесных носителей при двух величинах тока, протекающего через образец, отличающихся в полтора-два раза. Физическая сущность предлагаемого способа заключается в использовании ранее неизвестной закономерности, а именно возникающего при определенных условиях подобия между одномерным (например, в направлении х) распределением концентрации нескомпенсированной примеси Эе. (х) в полупроводниковом образце (для определенности, с электронной проводимостью) и распределением концентрации неравновесных носителей, являющегося следствием протекания через него тока в направлении х. Неравновесные носители могут быть собствеными либо ин)хектированными через контакт ли светом. Величина протекающего тока олжна быть такой, чтобы связанное с ним окальное электрическое поле было значительно больше встроенного концентрационного поля, связанного с неоднородным распределением нескомпенсированной примеси Зб(х), т.е. распределение неравновесных носителей р(х) должно быть дрейфовым. В этом случае между локальными концентрациями р(х) и %(х) существует связь р(х) (x), (1) где 2 - сложная функция подвижностей электронов и дырок, времени жизни неравновесных носителей, концентрации равновесных iHeocHOBHbix носителей,а также плотности протекающего тока и оасстояния до точки в образце, в которой распределение носителей из диффузионного становится дрейфовым. При использовании инжекции появляется возможность усиления искомого распределения концентрацииЭв(х), поскольку функция Z возрастает по мере роста тока и-при достаточно большом токе может во много раз превышать единицу. i В связи с тем, что функция Z медленно изменяется с координатой х, из формулы С 1) вытекает, соотношение

Величины, входящие в каждое из отношений,определяются следующим образом:

U)9 /XUux()()

(3)

деДЭеи) - локальная амплитуда отклонения концентрации нескомпенсированной примеси от ее усредненной величины, 9g(x) - усредненная на длине

нескольких периодов неоднородности величина концентрации нескомпеисированной примеси.

р(х) рТх) + др(х). ,

гдедр(х) - локальная амплитуда отклонения концентрации неравновесных носителей от ее усредненного зна- чения, р(х) - усредненная на длине

нескольких периодов неоднородности величина концентрации неравновесных

носителей.

В формуле (2) величина Эе (х) является паспортным параметром полупроводникового материала, который может быть также легко определен с помощью стандартного двух.- или четырехзондового метода измерения удельного сопротивления и величины

подвижности носителей.

Кроме значения величины(х) для нахождения распределения концентрации нескомпенсированной примеси необходимо провести измерение распределения неравновесных носителей р(х) по длине образца в условиях протекания тока и выполнения требования ; дрейфового распределения. На практике в выполнении этого требования лег ко убедиться, проводя измерения распределения р(х) при двух отличающихся в полтора-два раза значениях тока Распределение носителей действительно дрейфовое, если полученные для двух значений тока нормированные распределения р(х) совпадают.

Наиболее чувствительным методом измерения распределения концентрациинеравновесных носителей р(х) является метод поглощения на неравновесных носителях, изменение концентрации которых обусловлено проходящим через

образец током. При использовании импульсного питания образца и синхронного с импульсами напряжения детектирования прошедшего через образец излучения оказывается возможным выявление и измерение малых изменений концентрации неравновесных носителей и связанных с ними соотношением (1) пространственных изменений концентрации нескомпенсированных примесей.

На чертеже представлена блок-схема установки, реализующей предлагаемый способ.

Установка состоит из источника ИК-излучения (глобара ), плоского зеркала 2, двух сферических зеркал 3 и 4, полупроводникового образца 5 и механизма 6 его перемещения, оптической щели 7, приемника 8 излучения, генератора 9 прямоугольных импульсов напряжения, усилителя 10 сигнала с приемника излучения, синхронного детектора 11, самопишущего потенциометра 12 и модулятора 13 излучения.

Установка работает следующим образом.

Пучок света от глобара 1 фокусируют зеркалами 2 и 3 на поверхность исследуемого полупроводникового образца 5, перемещаемого вдоль направления X механизмом 6. Излучение, вышедшее из.образца, ограничивается щелью 7 с размерами 0,05x1,5 мм и зеркалом f фокусируется на охлаждаемый жидким азотом приемник 8 излучения на основе легированного золотом германия. Сигнал с приемника 8 излучения усиливают резонансным усилителем 10 со входным строб-каскадом который открывается синхронно с импульсами напряжения, поступающими от генератора 9 на контакты образца 5Сигнал с усилителя 10 поступает на синхронный детектор 11 и далее на самопишущий потенциометр 12, на котором и регистрируется распределение изменения поглощения Л1(х) ИК-излучения на неравновесных носителях при перемещении образца вдоль направления X. При работе в качестве опорного сигнала для синхронного детекто ра 11 используют первую гармонику импульсного напряжения на контактах образца 5- Параметры импульсов от генератора 9 амплитуда 0-120 В, длительность 200 мкс, частота повтооения 25 Гц. 7 Для получения количественных данных о величине локального изменения концентрации неравновесных носителей р(х) на этой же установке измеряют распределение интенсивности прошедшего излучения, связанного с полным поглощением в образце 5 (х) в условиях отсутствия импульсного напряжения на образце, но при механической модуляции излучения от глобара 1 с помощью модулятора 13. Далее находят распределение концентрации неравновесных носителей по формуле ,. (х)/1ЫЗ GT-ty (5) где О - сечение поглощения, равное например, для германи/i при германия ЗООКб 1,3+-10 см - размер образца в направле НИИ проходящего ИК-пучка. Из этого распределения и формулы (+) получают затем распределения рТх) и др(х). Последние с учетом формул (2) и(3) позволяют найти искомое одномерное распределение концентрации нескомпенсированной пр меси , равное (ХЬэёи)1 + рЫ)|ри) (6) Необходимо отметить, что согласно формуле (1) при чувствительность способа измерения одномерного распре деления концентрации нескомпенсированной примеси определяется чувствительностью измерения распределения концентрации неравновесных носителей, которая благодаря регистрации исключительно изменения этой концентрации в условиях протекания через образец импульсов тока, сама по себе в 10 раз выше чувствительности известного способа, измерения распределения концентрации нескомпеисированной примеси Эе(х), Возрастание функции Z с ростом тока увеличивает чувствительность предлагаемого) способа дополнительно в Z раз (реально Z может изменяться в пределах 1-10 и редко более того). Особо благоприятные условия для использования предлагаемого способа возникают при исследовании электронного германия, в котором неравновесные дырки имеют сечение поглощения примерно в 20 раз больше, чем у неравновесных 0 электронов. В связи со сказанным реальная чувствительность предлагаемого способа выше чувствительности известного способа измерения распределения концентрации нескомпенсированной примеси в 10 - 10 раз при исследовании электронного германия и в раз при исследовании прочих полупроводников. Испытания способа измерения одномерного распределения концентрации нескомпенсированной примеси проводят с использованием пяти образцов промышленного германия типа ГЭС-5/1 со средней концентрацией доноров 3 с размерами (мм), 1 2,5, снабженных двумя слабо инжектирующими паяными оловянными контактами,нанесенными на торцовые yz-плоскости образцов. Как известно, при легировании полупроводников, вытягиваемых из расплава в направлении LtIIJ, в них возникает неоднородное слоистое распределение концентрации легирующей примеси,причем слои с повышенной (или пониженной7 концентрацией примеси, по крайней мере вблизи оси кристалла, располагаются перпендикулярно оси роста. В связи с этим можно было ожидать, что в исследуемых образцах плоскости слоев будут параллельными их yz-граням. Перед измерениями XZ-грани образцов полируют и щель ориентируют в Z -направлении. В результате измерений выявлено четкое распределение слоистой неодно родности концентрации доноров при отношении сигнала к шуму, равном 20. При этом средняя величина амплитуды неоднородности концентрации доноровда: равна 2-10 см т. е, .дэё/з5 0,08. В исследуемых образцах с помощью зондового метода измерения удельного сопротив ления не удается зарегистрировать такую неоднородное ь в распределении концентрации доноров, поскольку погрешность зондового метода реально составляет 0,2-0,25. В процессе измерений величина функции Z в формуле (1) изменяется в пределах 1-5 в диапазоне плотностей тока через образец 20 - А/см Испытания показы вают, что результаты измерения распределения концентрации доноров в исследуемых образцах не изменяются в диапазоне температур образцов 20100 С. При 100 С измерения распределения амплитуды неоднородности, рав