196262. lajstromszámú szabadalom • Eljárás félvezető anyagok és szerkezetek elektromosan aktív szennyezéseinek vizsgálatára és mérési elrendezés az eljárás foganatosítására
1 196 262 2 A találmány tárgya eljárás félvezető anyagok és szerkezetek elektromosan aktív szennyezéseinek (mely nívóinak) vizsgálatára és mérési elrendezés az eljárás foganatosítására. Elektromosan aktív szennyezések (idegen atomok, a kristály saját hibái, illetve ezek komplexei) jelentős mértékben befolyásolják a félvezető anyagok, illetve az ezekből készített szerkezetek, eszközök elektromos és optikai tulajdonságait, ezért vizsgálatuk mind a félvezető anyagok kutatásának, mind a mikroelektronikai aktív elemek gyártásközi ellenőrzésének elengedhetetlen módszere. A félvezető anyagok kutatásához és a mikroelektronikai aktív elemek ellenőrzéséhez az elektromosan aktív szennyezéseket legalább 1010 atom/ cm3 érzékenységgel kel! tudni mérni, illetve kimutatni. Ilyen érzékenységet jelenleg csak egyetlen fizikai folyamat vizsgálata tud biztosítani. Ennél a folyamatnál a vizsgált félvezetőben egy tértöltési tartományt létesítenek, amely kialakítható megfelelő fémréteg felvitelével (Schottky dióda), p-n átmenet kialakításával, MOS szerkezet létrehozásával stb. A tértöltési tartomány a szerkezet záróirányú előfeszítése esetén szigetelő tulajdonságú, azaz szabad töltéshordozókat nem tartalmaz. Az elektromosan aktív hibahelyek azon része, amely a tértöltési tartományon belül található, a szerkezet előtörténetétől függően elektromosan töltött vagy elektromosan semleges. A hivatkozott folyamatnál az aktív hibahelyeket szabad töltéshordozókkal betöltik, majd vizsgálják azt a termikus emissziós folyamatot, amelynek során az egyensúlyi állapot helyreáll. Ennek a folyamatnak az egyik ismert vizsgálati módszerénél a szerkezetet rövidre zárják, majd szobahőmérsékletről lehűtik cseppfolyós nitrogén hőmérsékletre, ahol a mintára záróirányú előfeszítést kapcsolnak. Az elektromosan aktív hibahelyek szabad töltéshordozókkal telítve maradnak, ami termikusán nem egyensúlyi állapotnak felel meg. A termikus egyensúlyi állapotba való visszatérésnek megfelelő emissziós folyamat időállandója ^I1 = e„ = Nc a vexp [—E,/kT] (1) ahol xe a termikus emisszió időállandója e„ a termikus emisszió valószínűsége Nc a vezetési (vagy vegyérték) sávbeli állapot sűrűség o a befogási hajtáskeresztmetszet v a termikus drift sebesség Ej. az elektromosan aktív hibahely aktivációs energiája elektrovolt egységen" k a Boltzman állandó T a hőmérséklet Kelvin fokban. Ez az időállandó alacsony hőmérsékleten több év is lehet. Az (1) összefüggésből következően a minta hőmérsékletének növelésével az időállandó exponenciálisan csökken, az elektromosan aktív hibahelyre jellemző karakterisztikus hőmérséklet elérésekor a termikus emisszió megtörténik. Az ekkor kiszabaduló szabad töltéshordozókat szokásosan áram méréssel vagy a minta kapacitása megváltoztatásának mérésével detektálják. A megfelelő ismert kísérleti módszerek: — Termikus Stimulált Áram (angol rövidítéssel: TSC, lásd pl. R. H. Bubc;„Protoelectronic Materials and Devices” Ed. S. Larach pp. 100— 139,1965 (D. Van Nostrand Comp.) — Termikus Stimulált Kapacitás (angol rövidítéssel TSCap lásd. például: Carbelles et al: Solidst. Communication 6,167,1986). A termikus emissziós folyamat másik elterjedt vizsgálati módszerét a tranziens mérések alkotják. Itt a vizsgált mintát konstans hőmérsékleten általában záróirányban előfeszítik és periodikusan ismétlődő rövid időtartamokra rővidrezárják. A rövidzárás ideje alatt a szennyezések betöltődnek szabad töltéshordozókkal, majd a záróirányú előfeszítés visszaállítása után az (1) összefüggés szerinti karakterisztikus időállandóval termikusán emittálódnak. A hibahelyek betöltését nemcsak rövidrezárással, azaz elektromos úton, hanem optikai gerjesztéssel, elektronnyalábbal és más ionizáló besugárzással is végre lehet hajtani, egyetlen kritérium a gerjesztés periodikus ismételhctósége. A termikus emisszió a vizsgált minta kapacitásának vagy áramának tranziens megváltozásából mutatható ki, lásd pl. R. Williams, J. Appl. Phys. 37, 3411 (1966). A tranziens detektálásánál és kiértékelésének automatizálását a mély nívók tranziens spektroszkópiájával (angol rövidítéssel; DLTS) oldották meg. Ilyen módszert ismertet például: Miller et al: Rév. os Sei. Instrum 48, pp 237—239,1977, vagy a 181136 lsz. magyar szabadalom. A DLTS mérést könnyű automatizálhatósága a termikus emissziós folyamatok vizsgálhatóságának legelterjedtebb módszerévé tette. A DLTS módszer használata során számos, a mérés érzékenységét, pontosságát, körülményeit befolyásoló, illetve korlátozó ténnyel kell számolni. Az alábbiakban ezeket a szempontokat kicsit részletesebben elemezzük, mert megértésük a technika állásának helyes megítéléséhez elengedhetetlen. A kapacitás tranziens mérésén alapuló eljárásoknál a vizsgált minta által reprezentált és hídba kapcsolt kapacitást nagyfrekvenciás jellel gerjesztik. A vizsgált kapacitástranziens a híd kimenetén kapott nagyfrekvenciás jel adott fázisú összetevőjeként fogható fel. Az első korlátot a legnagyobb választható gerjesztési frekvencia képezi. A vizsgált minta nullától különböző soros ellenállása miatt a mért és a valóságos kapacitás között a következő összefüggés áll fenn: ahol CK a kapacitásmérő által detektált kapacitásérték Q a minta valós kapacitása soros helyettesítő képben 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6C 65 1
