Способ определения толщины слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - ловышение точности и производительности. Способ состоит в том, что исследуют несущий слоистую конструкцию полупроводниковый образец б.прйводят его в контакт с электролитом 2. подвергают анодному трав- ne»v\K)H при травлении путем интегрирования тока определяют глубину травления, одновременно ибразец 6 параллельно с травлением возбуждают электрическим сигналом и измеряют действительную компоненту полной проводимости образца при частоте возбуждения, т.е. его активную провоДимость, исследуют экстремальные значения ЭТОЙ компоненты и фиксируют значения глубины травления, соответствующие этим экстремумам, характеризующимСОО)t00>&ы

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) s G 01 В 7/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТ,Ф (86) PCT/HU 88 00030 (04.05.88) (21) 4613326/28 (22) 04.61.89 (31) 1989/87 (32) 04.05.87 (33) HU ° (46) 15,02.92. Бюл. ФФ 6 (71) Семилаб Фельвеэето Физикаи Лабораториум Ресзвенитарсасаг (HU) (72) Дьердь Ферейци, Каталин Эрдельи,.Мария Бомодьи, Янов Бода, Дьердь Фюле и

Габор Асоди (HU) (53) 620.179.14 (088,"8) (56) Factor М.М., Ambridge Т., Elllon.С.R., Regnoult 1.С. The Characterization of

Lemlconductor Materials and TechnoqueSCarrent Topics ln Material!сience, 1980, voL

6(North Holland Amsterdam).

8lood P. СарасИапсе-Voltage Profiling апб Characterlsations of И!-.Ч Semiconductor

Using Electrolyte Вагг1ев,-Semlcond. SCl.

Technol., 1986, 1, р. 7-27.,, ЯЛ„„1713448 АЗ

2 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

СЛОЕВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОИСТЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится. к измерительной технике. Цель изобретения —. повышение точности и производительности.

Способ состоит. в том, что исследуют несущий слоистую конструкцию полупроводниковый образец 6,приводят его в контакт с электролитом 2, подвергают анодному травлению и при травлении путем интегрирования тока определяют глубину травления, одновременно образец 6 параллельно с травлением возбуждают электрическим сигналом и измеряют действительную компоненту полной проводимости образца при частоте возбуждения, т.е. его активную провоДимость, исследуют экстремальные значения этой компоненты и фиксируют значения глубины травления, соответствующие этим экстремумам; характеризующим

1713448 переходы исследованных слоев образца 6..

Устройство для осуществления способа содержит электролизер 1, заполненный электролитом 2, погруженный в этот электролит

2 графитовый электрод 3, насыщенный каломельный электрод 4 и охватывающий травленую поверхность образца 6-металлический (платиновый) электрод 5, электроды 7 и 8, которые касаются поверхности образца 6, не подвергнутой травлению, потенциостат 10, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения толщины слоя в полупроводниковых слоистых конструкциях, в частности в гетеропереходах.

Цель изобретения — повышение точности и производительности путем более точного определения границ слоев слоистых конструкций и уменьшения затрат времени на измерение.

На фиг. 1 представлена схема устройства для определения толщины слоев в полу-проводниковых слоистых конструкциях; на фиг. 2 .— диаграмма зависимости глубины травления от действительной компоненты полной проводимости (активной проводимости).

- Устройство для определения толщины слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях содержит электролизер 1, заполненный электролитом 2, размещенные в электролизере 1 графитовый электрод 3, насыщенный каломельный электрод 4 и металлический электрод 5, предназначенный для размещения у поверхности образца 6 с по-. лупроводниковой слоистой конструкцией, группу электродов 7 и 8, содержащую не менее двух электрода и предназначенную для контактирования с противоположной стороной образца 6, источник 9 питания постоянного тока, потенциостэт 10, выход которого соединен с графитовым электродом

3, вход регулирования — с насыщенным каломел ьным электородом 4, э вход питанияс выходом источника 9 питания постоянного тока, интегратор 11 тока, подключенный к группе электродов 7 и 8, генератор 12, подключенный к металлическому электроду 5 и через интегратор 11 тока к группе электродов 7 и 8, и измеритель реакции образца, выполненный в виде измерителя 13 действительной компоненты полной проводимости и подключенный к выходу генератора. который соединен с каломельным электродом 4 и сточником 9 питания постоянного тока, интегратор 11 тока, принимающий сигнал силы тока травления., генератор 12, подключающий между образцом 6 и металлическим электродом 5 периодический сигнал, и измеритель 13 действительной компонентЫ полной (активной) проводимости образца 6. 2 с. и 9 э.п.ф-лы, 2 ил.

Измеритель 13 действительной компоненты полной проводимости целесообразно выполнять в виде последовательно соединенных блокировочного усилителя и

5 фазачувствительного детектора.

Устройство может также содержать блок 14 обработки сигналов, к первому входу которого подключен выход измерителя

13 действительной компоненты полной про10 водимости, а к второму входу- выходинтег- ратора 11 тока.

Блок 14 обработки сигналов выполняют в виде двухкоординатного самописца.

Для проведения измерения необходи15 мо осуществить омический контакт со стороной образца 6, противоположной слоистой конструкции. Этот. контакт обычно осуществляется .с помощью вольфрамовых . электродов 7 и 8, выполненных в виде ост20 рия с радиусом закругления 25 мкм.

Для соответствующего контакта и его контролируемости должны использоваться несколько электродов 7 и 8 (по меньшей мере два), упруго прижатых к образцу 6 с no -

25 мощью элемента 15, кроме того, острия электродов 7 и 8 целесообразно покрыть контактным металлом,. соответствующим материалу образца 6..Для дальнейшего улучшения контакта с использованием бло30 ка 16 вжигания перед началом .измерений между полупроводником и электродами 7 и

8 разряжают соответственно заряженный . конденсатор, что приводит к сплаву с малым количеством металла.

В устройстве используется, кроме того, насос 17, который для обеспечения равномерной травленой поверхности постоянно поддерживает циркуляцию электролита 2

40 или перемешивает его за счет вдувания газа

Nz, так что продукты травления удаляются с поверхности полупроводниковой структуры.

1713448

На электролизере 1 против приемного отверстия 18 для образца 6 находится окош- ко 19, через которое образец 6 может освещаться с помощью источника 20 света.

Сущность способа заключается в следу- 5 ющем.

Максимум сигнала активной проводимости в зависимости от частоты измерительного высокочастотного сигнала наблюдается тогда. когда 10 вг=1, (1) где в — частота измерительного сигнала;

t — постоянная времени термической эмиссии глубокого уровня.

Если высокочастотная активная прово- 15 димость измеряется при фиксированной частоте (например, в диапазоне 3 — 10 кГц), то постоянно находят. состояния, для которых является. действительным уравнение (1), т.е. когда при продвижении фронта травления 20 опорожненной зоной достигается гранич ная поверхность двух слоев и сигнал активной проводимости экстремален, В связи с тем, что зона обеднения со- . здается также установленным полем, не 25 требуется обеспечивать специальное предварительное напряжение в направлении ззпирания.

При реализации предлагаемого способа проводят: . 30 а) электролитическое (анодное) травление проверяемой многослойной полупроводниковой конструкции, например диска, с помощью электролиза постоянным током в виде функции от времени, при этом изме-. 35 ряют толщину снятого слоя; б) параллельно анодному травлению измеряют действительную часть полной проводимости грай ичной поверхности полупроводник —,. электролит в виде функции 40 от глубины травления, которая может быть определена на основании величин времени, тока и толщины (положение граничной поверхности между слоями из различного материала и/или с различным легированием 45 имеется при экстремальной величине сигнала активности).

Если измеряется образец п-типа, то его поверхность контакта с электролитом возбуждают светом. 50

Затраты времени при этом существенно уменьшаются, поскольку травление осуществляют непрерывно в течение всего измерения.

При измерениях проводят возбуждение 55 с помощью синусоидзльного сигнала с час- . тотой в диапазоне 500 Гц<1с10 кГц.

Травление проводят силой тока в диапазоне 1 мкА<1 (100 мкА, Сигнал возбуждения необходимо подключать между металлическим, предпочтительно платиновым, электродом 5, погружаемым в электролит 2 и охватывающим поверхность травления образца 6, и по меньшей мере двумя остриями электродов

7 и 8, прижатыми к какой-либо другой поверхности образца 6.

Контакт с образцами 6 может быть улучшен, если перед началом измерений проводить разряд между остриями электродов .

7 и 8 и образцом 6, немного вплавляя материал острия электрода 7 (8) в образец 6.

Устройство работает следующим обра- зом.

При измерении осуществляют анодное травление поверхности образца 6, находящейся в контакте с электролитом 2, с помощью приложенного постоянного напряжения между графитовым электродом 3 и электродами 7 и 8. Необходимое для анодного травления постоянное напряжение (напряжение травления) выбирают с, помощью характеристики I — V образца 6 с полупроводниковой слоистой структурой. Для установления:напряжения используют потенциостат 10, в качестве опорной величины по отношению к этому выбирают на-. пряжение, обеспечиваемое каломельным электродом 4. Потенциал, спонтанно возни: кающий между раствором, электролитом 2, и полупроводниковой поверхностью образца 6, — это равновесный потенциал раствора, его величину указывают по отношению к кзломельному электроду 4.

Для осуществления измерений- необходимо выдержать некоторые условия: а) полупроводник относительно графитового электрода 3 независимо от типа проводимости должен иметь положительное напряжение для того„чтобы могло осуществляться анодное травление; б) при использовании материалов и-типа полупроводник для того,- чтобы процесс травления мог протекать, должен освещаться светом большей или такой же по величине энергии, что и запрещенная зона полупроводника, для обеспечения образования необходимых для протекания травления неосновных носителей заряда (дырок); в) электролит 2 должен удерживать анодно окисленный продукт в растворе; г) при травлении поверхность полупроводникового образца должна иметь как можно меньшую неравномерность поверхности.

Равномерность (малая шероховатость) поверхности достигается: а) при применении материалов р-.типа соответствующим напряжением травления, 1713448 ток травления составляет 1 — 100 мкА. (В связи с тем, что полупроводниковый образец.6 за счет напряжения травления предварительно находится под напряжением в направлении пропускания, для обеспечения возможности измерения активной проводимости с помощью источника 9 питания постоянного тока между металлическим (платиновым) электродом 5 и электродами 7 и 8 создают предварительное напряжение в направлении запирания. Его обычная величина составляет около 0,2 — 0,6 В по отношению к каломельному электроду 4.); . б) при применении материалов п-типа установлением тока травления в диапазоне

1-100 мкА выбором интенсивности света источника 20 освещения и величины напряжения травления, При применении материалов обоих типов необходимо обеспечивать перемешивание электролита для обеспечения удаления проДуктов травления, используя насос 17..

Для проведения измерений высокочастотной полной проводимости.(импеданса) с помощью генератора 11 между металлическим (платиновым) электродом 5 и электродами 7 и 8, имеющими омический контакт с образцом 6 полупроводника, используют сигнал с малым нелинейным искажением, частота повторения которого может изменяться от 500 Гц до 10кГц, эффективная величина напряжения 5-50мВ. Реакция полупроводниковой конструкции образца 6 (смещенный относительно напряжения по фазе токовый сигнал) поступает. нз измеритель 13 действительной компоненты полной . проводимости, содержащей блокировочный усилитель и фаэочувствительный детектор и вырабатывающий на выходе действительную компоненту (активную проводимость) полной проводимости (в случае необходимости можно измерять обе компоненты инпеданса).

Ток анодного травления обрабатывается интегратором 11 тока и на em выходе получают с учетом геометрических размеров исследованного образца 6 и его плотности величины толщин слоев. Блок 14 обработки сигналов принимает в качестве компоненты Y выходной сигнал полной проводимости измерителя 13, в качестве компоненты Х вЂ” сигнал толщины слоя, обработванный интегратором 11 тока, и вычерчивает диаграмму Х-У, Если в качестве блока обработки сигналов используют вычислительную машину, входные данные подают через аналого-цифровой преобра.зователь, В качестве конечногО результата измерения получают изменение величины действительной компоненты полной проводимости (активной проводимости) в зависимости от глубины травления (толщины снято ro слоя или сбоев); экстремал ьн ы е величины — зто толщина отдельных слоев.

5 Пример. Образец 6.с исследуемой полупроводниковой структурой состоит из

10-слойной структуры на подложке CaAs птипа, выполненной из чередующихся пяти слоев Сао,6А1о,4As и-типа и CaAs п-типа. В

10 качестве верхнего слоя служит слой CaAs толщиной 0,5 мкм, толщина остальных слоев составляла О, 1 мкм..В качестве электролита 2 используют раствор 1 н.КОН.

Образец 6 облучают источником 20 света, 15 причем используют галогеновую лампу с соответствующей фокусирующей системой и инфрафильтром. Измерения проводят. при

25 С (комнатная температура).

Измеренный без, освещения равновес- .

20 ный потенциал по отношению к насыщенному каломельному электроду составляет

4(6-0,8) В.

Напряжение травления 0,2 8, его направление противоположно направлению

25 равновесного потенциала.

Сила тока травления 5-10мкА, Измерение проводят при непрерывном текущем постоянном травлении,.общая продолжительность измерения 180 мин.

30 Результат измерения приведен на изображенной на фиг. 2 диаграмме активная проводимость — глубина травления, С полученной диаграммы может быть отчетливо считана толщина в целом десяти слоев. По35 ложение граничных переходов проявляется в форме минимумов или максимумов сигнала активной проводимости в зависимости от того, увеличивается или уменьшается энергия запрещенной Зоны на граничной повер40 хности..

Величина энергии для CaAs 1,4 эВ. для

Сао,вА1о,4As 1,8 эВ.

Таким образом. продолжительность измерения эа счет непрерывно проводимого

45 травления существенно уменьшается по сравнению с известными методами измерения и достигнутый результат обладает точностью.

Формула и зоб ре те ни я

50 1. Способ определения толщины слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях. заключающийся в том, что образец с закрепленной на нем слоистой конструкцией вводят в контакт с электролитом, осу55 ществляют его анодное травление со стороны слоистой конструкции, во время ко-. торого интегрируют значение тока травления, по которому судят о глубине травления, одновременно возбуждают образец с помощью периодического электрического сиг1713448

10 нала и измеряют реакцию на это воздейст- сыщенный каломельный электрод и металвие. отл и ч а ю щи и с я тем. что. с целью лический электрод, предназначенный для повышения точности и производительно- размещения у поверхности образца с полусти, в качестве реакции на воздействие ис- проводниковой слоистой конструкцией, пользуют действительную компоненту 5 группу электродов, содержащую не менее полной проводимости образца, фиксируют двух электродов и предназначенную для экстремальные значения этой компоненты контактированияспротивоположнойсторой соответствующие им.глубины травления и ной образца, источник питания постоянного по последним определяют границы иссле-, тока, потенциостат, выход которого соедидуемых слоев слоистой конструкции. 10 . нен с графитовым электродом, вхоД регули-

2. Способ по Il,.1, отличающийся рования — с насыщенным каломельным тем, что травление образца осуществляют -":.электродом, а вход питания — с выходом непрерывно. мСточника питания постоянного тока, интег3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч à ю щ и й-:: ратор тока, подключенный кгруппе электрос я тем, что.поверхность образца травят рав- 15 дов, генератор, подключенный к номерно. металлическому электроду и группе электро -,;

4. Способ по пп. 1 — 3, о т л и.ч а ю щ и й- дов и измеритель реакции образца, подклюс я тем, что.образец возбуждают синусои- ченный к выходу. генератора, о т л и ч а ю щдальным сигналом с частотой, определяе- е е с я тем, что, с целью повышения точномой из интервалов 500 Гц 1i10 кГц. 20 сти и производительности, измеритель ре5. Способ по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ и й- акции образца выполнен в виде измерителя с я тем, что травление осуществляют силой действительной компоненты полной провотока! в интервале 1 мкА» 1<100мкА. димости.

6. Способ попп. 1 — 5, отл и ча ю щи йс я тем, что возбуждение образца осущест- 25 9. Устройство по и;8, о т л и ч а.ю щ е евляют с помощью платинового электрода, с я тем, что измеритель действительной который погружают в электролит и разме- компоненты полной проводимости аыполщают у поверхности образца, подвергаю- нен в виде последовательно соединенных щейся травлению, и не менее двух блокировочного усилителя и фазочувствиэлектродов, которые прижимают к поверх- 30 тельного детектора, ности образца, не подвергаемой травлению. 10. Устройство по пп. 8 и S, о т л и ч а ю7. Способ по.п. 6, отл ича ю щий с я щ е е с я тем, что оно снабжено блоком тем, что перед началом измерения вплавля- обработки сигналов, к первому входу кото30t острия электродов в поверхность образ- рого подключен выход измерителя действица с помощью электрического разряда. 35 тельной компоненты. полной проводимости, 8. Устройство для определения толщи- а к второмувходу — выходинтеграторатока. . ны слоев в полупроводниковых слоистых конструкциях; содержащее заполненный 11. Устройство по и. 10, о т л и ч а ю щ е еэлектролитом электролиэер, размещенные с я тем, что блок обработки сигналов выполв электролиэере графитовый электрод, на- 40 нен в виде двухкоординатного самописца.

П 13448

07 05

10 15

Фиг. 2

Составитель И.Рекунова

Редактор Л.Пчолинская Техред М,Моргентал Корректор.:М.Демчик

Производственно-издэтвльский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 548 Тираж .. Подйисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.; 4:/5 .