Неразрушающий способ измерения концентрации и подвижности носителей заряда в полупроводниковых материалах

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Goes Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 04.Ч.1970 (¹ 1435975/26-25) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 23.1.1973. Бюллетень № 8

Дата опубликования описания 6.111.1973

М. Кл. Ст Oln 21/48

Н Oll 7!00

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР ДК 621.382:621.317.799 (088.8) i

Авторы изобретения

Д. И. Биленко, Б. А. Дворкин и 3. В. Шехтер

Заявитель

НЕРАЗРУША1ОЩИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

И ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

В ПОЛУПРОВОДНИ КОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

Изобретение относится к области оптических методов контроля электрофизических свойств полупроводниковых материалов и может быть использовано при исследовании явлений, связанных с малыми изменениями оптических свойств веществ.

Известны оптические методы определения концентрации и подвижности носителей заряда в полупроводниковых материалах, основанпые на явлении плазменного резонанса носителей заряда и заключающиеся в исследовании спектральных зависимостей коэффициента отражения этих материалов.

Однако известные способы при измерениях в миллиметровой и сантиметровой областях спектра и в широком диапазоне измерения параметров полупроводниковых приборов достаточно сложны по методике и дают относительно малую точность при измерении концентрации и подвижности носителей в низколегированных материалах (10 — 20%).

Цель изобретения — сдвинуть рабочий диапазон анализирующего излучения в сторону коротких волн, расширить диапазон концентраций носителей заряда на фиксированной длине волны; повысить точность и упростить процесс измерения параметров низколегированных полупроводниковых материалов.

Цель достигается использованием явления нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и применением в качестве материала призмы полного внутреннего отражения того

5 же, что и исследуемый, материала, только со значительно меньшей (по крайней мере, на порядок) концентрацией носителей заряда.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

10 На исследуемый образец накладывают призму из того же материала, что и исследуемый, но со значительно меньшей концентрацией носителей заряда. На боковую грань призмы направляют анализирующее излуче15 ние и измеряют коэффициент отражения от границы раздела призма — исследуемый образец.

Для раздельного определения концентрации и подвижности носителей заряда необходимо

20 провести два измерения коэффициента отражения: при двух углах падения одной из компонент поляризованного излучения (возможно использование неполяризова|шого излучения) или прн одном угле падения с исполь25 зованием обоих состояний поляризации.

Подставляя экспериментально найденные значения двух коэффициентов отражения и двух углов падения в известные соотношения, 367377

Предмет изобретения

С оста в итель М. Л епеш кина

Техред Т. Миронова Корректоры: М. Коробова и Л. Корогод

Редактор И. Орлова

Заказ 400.14 Изд. ЛЪ 1165 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4, 5

Типография, пр. Сапунова, 2 связывающие их с оптическими, а следовательно, с электрофизическими свойствами, определяют концентрацию и подвижность носителей заряда в полупроводниковых материалах.

Применение призмы с показателем преломления пь близким к показателю преломления п2 исследуемого материала, позволяет повысить точность определения электрофизических параметров полупроводниковых материалов.

Например, при исследовании кремния итипа с концентрацией носителей заряда N=

10"см — точность определения концентрации и подвижности носителей заряда составляет — 4% и 16 соответственно при использовании призмы из высокоомного кремния и

19 /, и 30 /о, если призма выполнена из высокоомного германия. Допустимая относительная погрешность измерения коэффициента отражения составляла 0,0; установки угла падения — 10 .

Условие близости значений телей показа

<а преломления и< и аз, и= — =1, может быть и, легко реализовано применением в качестве материала призмы того же, что и исследуемый, материала, по со значительно меньшей концентрацией носителей заряда. В качестве материала призмы может быть использовал, например, высокоомный кремний при образце из легированного кремния; так же могут быть использованы системы германий — германий, арсенид галлия — арсенид галлия и т. п. На практике в полупроводниковой электронике часто встречаются подобные структуры уже в готовом виде, например, эпитаксиальная пленка, выращенная по полуизолирующей подложке. Следовательно, для контроля таких структур отпадает необходимость изготовления специальной призмы и подготовки контактирующих поверхностей.

Условие близости показателей преломления выполняется, если длина волны излучения находится в коротковолновой области плазменного резонанса и значительно меньше резонансной длины волны Х„. Следовательно, там, где требовалось ранее применение волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов, предлагаемый способ позволяет использовать длины волн ближнего и среднего инфракрасного диапазонов. Это увеличивает возможность улучшения локальности контроля и упрощает применяемую аппаратуру.

15 г0 г5

Если использовать излучение, соответствующее коротковолновой области, то дисперсионное соотношение, связывающее действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости с электрофизическими параметрами материала, существенно упрощается, становясь независимым от модельных представлений о механизме рассеяния носителей заряда и функции их распределения по энергии.

В этих условиях знание только одной оптической постоянной (показателя преломления) дает возможность надежного определения концентрации носителей заряда в полупроводниках. Следовательно, методика определения концентрации носителей заряда сводится к измерению коэффициента отражения при одном угле падения.

В полупроводниковых материалах с установленной эмпирической связью между концентрацией и подвижностью носителей заряда для определения электрофизических параметров также нет необходимости проведения двух независимых измерений.

Предлагаемый способ по сравнению с известными обладает некоторыми дополнительными преимуществами: не требует изготовления специальной призмы и обработки контактирующих поверхностей при контроле практически важных структур (легированная пленка на полуизолирующей подложке); позволяет измерять концентрацию носителей заряда в полупроводниковых материалах в области коротковолновой ветви плазменного резонанса, т. е. в области, где можно не учитывать влияния механизмов рассеяния носителей заряда.

Неразрушаюгций способ измерения концентрации и подвижности носителей заряда в полупроводниковых материалах путем наложения па образец призмы полного внутреннего отражения, направления на боковую грань призмы анализирующего излучения и измерения коэффициента отражения от границы раздела призма — исследуемый образец с последующими расчетами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в качестве материала призмы используют тот же материал, что и исследуемый, но с концентрацией носителей заряда по крайней мере на порядок меньшей.