199020. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés félvezető rétegszerkezetek rétegvastagságának meghatározására
1 HU 199020 B 2 A találmány tárgya eljárás és berendezés félvezető rétegszerkezetek, elsősorban heteroátmenelek rétegvastagságának a meghatározására. A III—V típusú félvezetők optoelektronikai célokra való alkalmazásánál, valamint a mikroelektronika területén gyors kapcsolóelemként történő felhasználásánál elterjedte!) használnak olyan rétegszerkezeteket, amelyek különböző anyagokból kialakított vékony rétegekből állnak, ahol a rétegvastagság 5 nm és 1-2 um között változhat. Az ún. szuper-rácsszerkezeteknél a rétegek száma 60-100 között is lehet. Az ilyen nagy számú és kis vastagságú rétegek elektronmikroszkópiái módszerek segítségével történő meghatározása csak közelítően oldható meg, és ez a meghatározás csak a metallurgiai átmenet helyére terjed ki, a fizikai átmenetére pedig nem. A hagyományos fémkontaktus segítségével végzett C-V mérés sem vezet kielégítő eredményre, mert a jellegzetesen nagy (^1017 atom/cm3) töltéshordozó koncentráció miatt az elérhető kiürülési tartomány mélysége 1 um alatt van, a vizsgálandó rétegszerkezet pedig többször 10 pm vastag is lehet. A rétegvastagság mérésére a legeredményesebb ismert megoldást az ún. elektrolit-félvezető átmenettel rendelkező C-V mérésen alapuló profilmérési eljárások képezik. Ilyen megoldást ismertet M.M. Faktor, T. Ambridge, C.R. Elliot és J.C. Regnault: 'The Characterization of Semiconductor Materials and Structures Using Electrochemical Techniques' (Current Topics in Materials Science, Vol. 6, 1980, Ed: E. Kaldis, North-llolland, Amsterdam), valamint P, Blood: 'Capacitance-Voltage Profiling and the Characterisation of 1II-V Semiconductors Using Electrolyte Barriers’ (Semicond. Sei. Technoi. 1, pp. 7-27, 1986). Ennél a módszernél az alkalmazott elektrolit egyrészt alkalmas arra, hogy az elektrolit és a félvezető között megfelelő előfeszítéssel kiürült tartomány jöjjön létre, másrészt az elektrolit a félvezetőt anódosan marva tetszőleges mélységig hatolhat be a vizsgált mintába. A kiürült tartományt állandó, jellegzetesen 1 V-os zárófeszültséggel hozzák létre, a minta kapacitását tipikusan 3 kHz-es moduláló jellel mérik és ezt jellegzetesen 30 Hz frekvenciával deriválják és ebből határozzák meg a vizsgált félvezető réteg koncentrációját. Az elektroliton átfolyó áramot integrálva a marási front behatolási mélysége a Faraday törvény segítségével meghatározható. Ez az eljárás vastagabb rétegek vizsgálatára jó eredményt biztosit, vékonyabb rétegeknél azonban igen alacsony értékű marási áram beállítása szükséges, ezért a marás csak kis lépésekben, jellegzetesen 1 nm-es lépésközökben hajtható végre, mert egyébként a vizsgálni kívánt rétegek összeintegrálódnak (lásd a hivatkozott .Blood' közlemény 23. ábráját). A vizsgálat ebből adódóan nagyon időigényes, a mérési eredményt az esetleges hőmérséklet-ingadozások meghamisíthatják, a mérési eredményekből pedig az átmenet tényleges helye csak közelítő számításokkal határozhaló meg, amelyek hibája a rétegvastagsággal is összemérhető mértékű. A szakirodalomhói ismert, hogy mély nívók jelenlétében az admitinneia reális tagja a nagyfrekvenciás mérőjelet fáziskéséssel követi, ha a mérőjel frekvenciája nagyobb, mint a mély nívók termikus emissziójának az időállandója. Erre utalás található például D.L. Losee: .Admittance Spectroscopy of Impurity Levels in Schottky Barriers" c. közleményében (J. Appl. Phys. 46. pp. 2204- -2214, 1975). Szintén ismert tény, hogy különböző összetételű félvezető rétegek, pl. GaAs és GaAlAs rétegek határfelületén a tilos sávok különböző szélességéből adódó energia sáv diszkontinuitás miatt határfelületi állapotok jönnek létre, amelyek a tilos sáv teljes szélességében kötött állapotokkal rendelkeznek. A találmány feladata olyan eljárás létrehozása félvezető rétegszerekezetek rétegvastagságának meghatározására, amely eddig még nem használt új mérési elven alapul, és lehetővé teszi nagyszámú és vékony rétegek esetében is az egyes rétegek vastagságának az eddiginél gyorsabb és pontosabb mérését. A találmány feladatát képezi ezenkívül az eljárás foganatosítóra alkalmas berendezés létrehozása is. A találmány szerinti megoldást megalapozó felismeréshez abból indultunk ki, hogy a hivatkozott D.L. Losee közlemény alapján kimutatható, hogy a konduktancia jelben maximumot kapunk a nagyfrekvenciás mérőjel frekvenciájának függvényében, ha Jt = 1 (1) ahol wa mérőjel frekvenciája és 'C a mély nívó termikus emissziójának az időállandója. Ha a nagyfrekvenciás konduktanciát egy rögzített frekvencián mérjük (pl. 3-10 kHz között), akkor mindig találunk olyan állapotokat, amelyekre az (l) összefüggés teljesül, azaz ha a marási front előrehaladásával a kiürült tartomány két réteg határfelületére ér, akkor a konduktancia jelben szélsőértéket kapunk. Ez a felismerés képezi a találmány szerinti eljárás alapgondolatát. Miutón a kiürült tartományt a beépült tér is létrehozza, külön záróirányú elófeszítésröl sem szükséges gondoskodni. A találmány szerinti eljárás megvalósítása során két vizsgálatot végzünk, amelyek időben egyszerre lazajló eseményekre irányulnak: a) a vizsgált többrétegű félvezető szelet egyenáramú elektrolízissel történő) elektrolit.os (anódosl marása az iiiő függvényében, miközben mérjük az eltávolított réteg vastagságát; b) az anódos marással párhuzamosan mérjük a félvezető-elektrolit hatór-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
