Неразрушающий способ контроля качества многослойных полупроводниковых структур на полуизолирующих подложках

 

Использование: полупроводниковая техника, для контроля полупроводниковых структур. Сущность изобретения: способ контроля качества многослойных полупроводниковых структур включает освещение структуры импульсом света с энергией кванта большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, и измерении СВЧ методом релаксации неравновесной проводимости структуры. Для расширения функциональных возможностей и информативности способа за счет определения концентрации дырок в буферном слое типичных многослойных структур, предназначенных для изготовления интегральных схем и полевых транзисторов, формируют неразрушающие контакты к структуре, прикладывают к структуре смещение и освещают ее светом со стороны подложки, выключают свет и регистрируют постоянную времени релаксации проводимости, по которой определяют концентрацию дырок. 4 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля полупроводниковых многослойных структур на полуизолирующих подложках.

Известен целый класс полупроводниковых многослойных структур, выращиваемых или создаваемых на полуизолирующих подложках соединений A³B⁵ и используемых для изготовления сверхбыстродействующих и высокочастотных полевых транзисторов, интегральных схем, оптоэлектронных и других приборов.

Известно, что качество данных структур и приборов на их основе в значительной степени зависит от того, насколько качественно изготовлен буферный слой, расположенный между полуизолирующей подложкой и активным слоем структуры. Назначение буферного слоя отдалить активные слои структуры от загрязненной примесями и дефектами полуизолирующей подложки и улучшить изоляцию отдельных приборов, изготавливаемых из многослойной структуры. (Полевые транзисторы на арсениде галлия, Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола, М. Радио и связь, 1988, с. 95).

Воспроизводимое выращивание структур, содержащих буферный слой с требуемым высоким сопротивлением и малым содержанием примесей и дефектов, как правило, не удается осуществить из-за целого ряда неконтролируемых технологией факторов, таких как фоновый уровень примесей и дефектов при эпитаксии, содержание быстро диффундирующих примесей и дефектов в подложке, невоспроизводимости условий подготовки подложки к росту, начальных условий роста. (Принц В. Я. Самойлов В.А. О контроле емкостными методами эпитаксиальных структур GaAs, предназначенных для изготовления ИС и ПТШ. Микроэлектроника, 1989, т. 18, в. 5, с. 416-420).

В связи с этим существует настоятельная необходимость вести 100%-ный входной контроль качества буферного слоя в стандартных структурах и, особенно, в разрабатываемых новых. Типичные приборные полупроводниковые структуры A³B⁵ для изготовления полевых транзисторов с барьером Шоттки, HEMT транзисторов, аналоговых и цифровых интегральных схем представляют собой многослойные структуры, заканчивающиеся высоколегированным контактным слоем. Этот слой улучшает характеристики приборов, но делает невозможным неразрушающий контроль электрических свойств буферных слоев стандартными традиционными методами. Для измерения концентрации носителей заряда (проводимости) внутренних слоев структуры обычно вжигают к слоям омические контакты и выполняют электрофизические измерения при послойном травлении структуры.

Данные операции весьма трудоемки, требуют затрат значительного количества времени, приводят к разрушению всей или части структуры и не могут быть рекомендованы для массового контроля параметров структур.

Известен целый ряд неразрушающих способов контроля параметров полупроводниковых структур, в том числе многослойных, выращенных на полуизолирующих подложках (Полупроводниковые приборы и их применение. Сб. статей N 23, М: Сов. радио, 1970, с. 3-48). В основе этих способов лежит достаточная прозрачность таких структур для электромагнитного СВЧ-излучения и то, что поглощение СВЧ-излучения в полупроводниковых структурах осуществляется свободными носителями. Чем больше суммарная концентрация носителей заряда в структуре, тем большая часть СВЧ-мощности, падающая на структуру, поглощается в структуре или отражается от нее. Это свойство СВЧ-излучения используют методы измерения времени жизни носителей заряда в полупроводниках.

Известен способ измерения релаксации носителей заряда после освещения полупроводниковой структуры светом с энергией большей ширины запрещенной зоны полупроводника (M.Kunst and G.Beck. The study of charge carrier kinetics in semiconductor by microwave conductivity measurements. J. Appl. Phys. 60, 1986, p.35-58-3566).

Способ заключается в освещении структуры импульсом света с энергией кванта большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника и измерений СВЧ методом релаксации неравновесной проводимости структуры.

Данный способ не позволяет оценивать концентрацию носителей заряда в буферных слоях, расположенных внутри многослойной структуры. Наиболее близким техническим решением является способ контроля качества многослойных полупроводниковых структур на полуизолирующих подложках, заключающийся в освещении структуры импульсом света с энергией кванта большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, и измерении СВЧ-методом релаксации неравновесной проводимости структуры (W.Jantz, Th.Frey and K.H.Bachem. Characterization of Active Layers in GaAs by Microwave Absorption. Appl. Phys. A 45, 1988, p. 225-232). Данный способ позволяет, измеряя релаксации фотопроводимости в зависимости от температуры, оценивать ширину запрещенной зоны, но не позволяет определять концентрацию дырок в буферном слое, расположенном внутри многослойных структур.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и информативности неразрушающего способа контроля качества многослойных полупроводниковых структур на полуизолирующих подложках за счет определения концентрации дырок в буферном слое типичных многослойных структур, предназначенных для изготовления интегральных схем и полевых транзисторов.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля качества многослойных полупроводниковых структур на полуизолирующих подложках, заключающемся в освещении структуры импульсом света с энергией кванта света большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, и измерении СВЧ методом релаксации неравновесной проводимости структуры к структуре, которая содержит буферный слой, формируют неразрушающие контакты: со стороны полуизолирующей подложки жидкий, прозрачный для СВЧ-излучения спиртовой контакт, а со стороны поверхности проводящего слоя -прижимной, точечный металлический, затем через данные контакты прикладывают к переходу подложка буферный слой - активный слой обратное смещение и освещают структуру светом, причем освещение производят со стороны подложки, освещая только область жидкого контакта к подложке, после чего выключают свет и по регистрируемому времени релаксации проводимости определяют концентрацию дырок в буферном слое по предварительно выполненной калибровке.

Изобретение поясняется на фиг. 1-4.

Сущность способа поясняется на примере рассмотрения процессов, развивающихся в модулированно-легированной структуре с гетеропереходом AlGaAs/GaAs, используемый для производства HEMT транзисторов. К данной структуре сделаны контакты к активному n-слою (к двумерному электронному газу) и к полуизолирующей подложке (фиг. 1,а).

На Фиг. 1,б показана структура та же, но к контактам приложено напряжение (на подложке минус). В электрической цепи, включающей в себя жидкий спиртовой контакт к подложке, полуизолирующую подложку, буферный слой p-типа, активный слой n-типа, n+слой и контакт n+слой металлический зонд, самым высокоомным является содержащий область обеднения p-n переход, образованный буферным слоем и активным слоем.

На данном переходе, содержащем область обеднения, и падает основное напряжение, прикладываемое к структуре, что подтверждается экспериментально. В результате приложения напряжения к структуре область обеднения обратно смещенного p-n перехода возрастает и распространяется в активный n-слой, частично его перекрывая, уменьшая его толщину.

Изменение толщины активного слоя может быть зарегистрировано неразрушающим образом по изменению отраженного от структуры СВЧ-сигнала.

Если данную структуру осветить со стороны подложки светом с hv>Eg, генерирующим у поверхности подложки электронно-дырочные пары, то образовавшиеся дырки вытянутся электрическим полем в контакт у подложки, а электроны начнут дрейфовать по направлению к буферному слою и активному слою и захватываться на глубокие уровни в области обеднения, в котором имеется сильное электрическое поле, стимулирующее захват (V.Ya.Prinz, S.N.Rechkunov. Influence of a Strong Electric Filld on the Carrer Capture by Nonradiative Deep-Level Centers in GaAs. Phys. Stat. Sol. (b) 118, 1983, p. 159-165). Захватываясь на глубокие центры, электроны заряжают область обеднения отрицательным зарядом, что вызывает увеличение толщины области обеднения, а? следовательно, уменьшение толщины проводящего слоя. После выключения света область обеднения останется заряженной отрицательно (фиг. 1,в). Время жизни отрицательного заряда на глубоких центрах будет определяться постоянной времени тепловой эмиссии захваченных электронов в зону проводимости и временем рекомбинации захваченных электронов со свободными дырками.

Постоянная времени тепловой эмиссии электронов с глубокой примеси, которая всегда присутствует в полуизолирующих подложках в качестве компенсирующей проводимость (компенсирующая примесь хрома, кислорода), при комнатной температуре обычно больше 100 с. В действительности захваченный заряд исчезает гораздо быстрее, так как может идти процесс рекомбинации захваченных электронов со свободными дырками, с концентрацией p. Время рекомбинации _p 1/p. Выполненные нами эксперименты позволили получить калибровочную зависимость, связывающую концентрацию дырок в буферном слое с временем жизни электронов на глубоких примесях, и тем самым подтвердить участие процессов рекомбинации в процессе релаксации заряда в области, заряженной электронами.

Примеры реализации способа.

Проверка способа была осуществлена на стандартных промышленных структурах арсенида галлия (САГ-2БК, САГ-6БК), предназначенных для изготовления полевых транзисторов и интегральных схем, структурах фосфида индия и структурах с гетеропереходом AlGaAs/GaAs для HEMT транзисторов.

Структуры содержали: полуизолирующую подложку толщиной 300 мкм; буферный слой толщиной 0,6 2,0 мкм; активный n-слой толщиной 300 0,3 мкм, контактный n⁺-слой толщиной 0,2 мкм. Структуры помещались в держатель. Держатель (фиг. 2) состоит из металлического основания 1 с отверстием 2 для ввода СВЧ-излучения. В отверстие 2 вклеена тонкая, прозрачная для СВЧ излучения изолирующая пластина 3, на которую нанесен тонкий слой этилового спирта 4, также прозрачный для СВЧ-излучения. Сверху, подложкой на спирт помещена исследуемая структура (подложка 5, буферный слой и активный слой 6). Спирт контактирует с подложкой исследуемой структуры и с металлическим основанием 1 держателя, которое через вывод 7 соединено с одним из выходов источников напряжения. На металлическое основание помещена крышка (обычно металлическая), которая содержит изолированный от крышки вывод 9 и металлический прижимной контакт 10, касающийся поверхности полупроводниковой шайбы. Снизу расположен источник света 11, с помощью которого освещается поверхность подложки, что приводит к генерации электронно-дырочных пар у поверхности подложки в области жидкого контакта.

Процесс измерения заключается в следующем.

СВЧ-излучение, поступающее с генератора, проходит через СВЧ-тракт и поступает к отверстию 2 в металлическом основании держателя 1, проходит сквозь пластину 3, слой спирта 4, полуизолирующую подложку 5 и частично проходит через буферный и активные слои структуры 6, а частично отражается от этих слоев, и снова через подложку, слой спирта, пластинку выходит из держателя, поступает на циркулятор СВЧ-тракта и направляется на детектор. Сигнал с детектора усиливается и несет информацию о величине проводимости активных проводящих слоев полупроводниковой структуры. На контакты подавалось напряжение 10 В от стандартного источника напряжения или батареи. Изменение напряжения 5 200 В обычно слабо сказывалось на результаты измерений (при наличии однородных буферных слоев).

После подачи смещения структура освещалась со стороны подложки в области жидкого контакта светодиодом АЛ-301 (красный свет). Причем конструкция держателя позволяла освещать только подложку в области жидкого контакта и исключила засветку поверхности структуры со стороны активного слоя. Изменения проводимости структуры, вызванные подачей на нее напряжения и освещения поверхности подложки, а также релаксация проводимости к равновесной величине после выключения света регистрировались с помощью СВЧ -части установки. Отраженная от структуры СВЧ мощность регистрировалась детектором. Продетектированный сигнал поступал на усилитель, затем на осциллограф. Регистрируемые на осциллографе характерные зависимости приведены на (фиг. 3). В момент включения света, в момент времени t₁, проводимость структуры начинала уменьшаться, что регистрировалось по изменению сигнала на СВЧ-детекторе. Скорость этого уменьшения была пропорциональна интенсивности света, т.е. скорости зарядки подложки отрицательным зарядом. Интенсивности светодиода АЛ301 было достаточно, чтобы за 10^-3 с заметно уменьшить проводимость структуры. После выключения света в момент t₂ наблюдался процесс релаксации проводимости структуры к равновесной первоначальной величине. Постоянная времени релаксации проводимости структуры к равновесной величине не зависела от интенсивности и длительности засветки, а зависела только от концентрации дырок в буферном слое структур.

Приведенные на (фиг. 3) в качестве примера зависимости получены при проверке способа на типичных структурах арсенида галлия, предназначенных для изготовления интегральных схем (структуры типа n⁺-n-буф.-i, с идентичными n⁺ -контактными и n-активными слоями и буф. буферными слоями, толщиной 1,2 мкм). Видно, что постоянная времени в первой структуре 1 с, а во второй 10^-3 с. Эти 2 структуры были подвергнуты разрушающим экспериментам, т.е. в них были стравлены верхний n⁺- и активный n-слой и выполнены измерения непосредственно буферного слоя: измерения профиля легирования, измерения проводимости и эффект Холла. Во второй структуре из результатов измерений c-v профиля было установлено, что буферный слой содержит концентрацию свободных дырок p= 210¹⁵ см^-3. Измерения эффекта Холла дали результат p=110¹⁵ см^-3. В первой структуре выполнение c-v измерений были затруднены высоким сопротивлением слоя R -10 МОм, а результаты измерения эффекта Холла дали p= 10¹¹ см^-3. Эта величина согласуется с величиной сопротивления слоя. Измерения целой серии подобных структур GaAs, выращенных как молекулярно-лучевой эпитаксией, так и эпитаксией из металлоорганических соединений, позволили получить калибровочную зависимость, связывающую величину с концентрацией дырок в буферном слое структур (фиг. 4).

На фиг. 4 приведены также пунктирной зависимостью результаты таких измерений для структур I_nP (n⁺-n-буф.-1). Треугольниками обозначены данные, полученные на 5 структурах с модулированно-легированным гетеропереходом (структуры для HEMT транзисторов типа n⁺GaAs-n⁺AlGaAs-i-AlGaAs-буф.-iGaAs.

Использование предлагаемого неразрушающего способа контроля параметров полупроводниковых структур в отличии от прототипа и известных способов позволяет осуществить неразрушающее измерение концентрации дырок в буферном слое промышленных структур на полуизолирующей подложке, а также выявить наличие проводящих прослоек p-типа в ионно-легированных структурах, которые по характеру подобны буферным слоям p-типа. Возможность 100%-ного неразрушающего контроля выращиваемых структур позволяет наладить обратную связь с условиями роста, позволяет уменьшить расход материала при обработке технологических режимов роста.

Формула изобретения

Неразрушающий способ контроля качества многослойных полупроводниковых структур на полуизолирующих подложках, заключающийся в освещении структуры импульсом света с энергией кванта, большей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, и измерении СВЧ-методом релаксации неравновесной проводимости структуры, отличающийся тем, что к структуре, которая содержит буферный слой, формируют неразрушающие контакты: со стороны полуизолирующей подложки жидкий прозрачный для СВЧ-излучения спиртовой контакт, а со стороны поверхности проводящего слоя прижимной точечный металлический, затем через данные контакты прикладывают к переходу подложка буферный слой активный слой обратное смещение и освещают структуру светом, причем освещение проводят со стороны подложки, освещая только область жидкого контакта к подложке, после чего выключают свет и по регистрируемому времени релаксации проводимости определяют концентрацию дырок в буферном слое по предварительно выполненной калибровке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4