WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 5 06;07;12 Неразрушающий метод диагностики глубоких уровней в полуизолирующих материалах © Э.А. Ильичев Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина, 103460 Москва, Россия (Поступило в Редакцию 18 июля 1996 г. В окончательной редакции 3 июня 1997 г.) Обсуждается оригинальный неразрушающий метод локальной диагностики глубоких уровней (РОСГУ) в полуизолирующих материалах, основанный на бесконтактной регистрации процессов релаксации электронно-дырочной и ловушечной систем. Он позволяет определять тип, энергию и сечение захвата глубоких энергетических центров, а также устанавливать их распределение по пластине. Метод РОСГУ эффективен для входного, межоперационного и выходного контроля подложек и арсенидгаллиевых структур и в отличие от DLTS не нуждается в изготовлении на образцах измерительных электродов.

Причинами, сдерживающими широкое применение ар- величину n0 и определить тип проводимости материала.

сенида галлия и твердых растворов на его основе в ин- Метод РОСГУ заключается в бесконтактной регистраформационной технике, являются значительная диспер- ции процессов релаксации электронно-дырочной и ловусия параметров активных элементов интегральных схем шечной систем в условиях периодического возбуждения (ИС) по пластине [1] и неконтролируемость изменений их светом и квазиравновесного изменения температуры их пороговых характеристик при фото- и термовоз- образца. Неразрушающий характер диагностики достидействиях [2,3]. Полагают, что это обусловлено чув- гается тем, что нагреваемый образец размещают между ствительностью стехиометрического состава бинарных обкладками конденсатора, контролируемый участок обсистем к технологическим воздействиям на материал при лучают сквозь одну из его обкладок электромагнитным выращивании слитков и эпитаксиальных структур либо излучением с энергией кванта, равной (либо превыпри проведении технологических операций в процессе шающей) энергетической ширине запрещенной зоны, и формирования пластин и приборов [4–6]. Принципи- с амплитудой, изменяющейся по периодическому закоальным отличием арсенидгаллиевых материалов и тех- ну. Локальность диагностики в плоскости определяетнологий является определяющее влияние на параметры ся размерами светового зонда, а по глубине — эфприборов и схем как фоновых, так и специально введен- фективной диффузионной длиной. Физические явления, ных глубоких энергетических центров [7,8]. Это обусло- положенные в основу метода, связаны с генерационновливает необходимость контроля параметров ловушек в рекомбинационными процессами в облучаемом участполуизолирующих подложках и приборных структурах ке образца и формированием диффузионно-дрейфового при изготовлении интегральных схем. Традиционные ме- потенциала. Падающий на образец свет проникает на тоды измерений параметров ловушек в полупроводниках глубину -1 ( — коэффициент поглощения света) и (например, DLTS) при исследованиях полуизолирующих в процессе диффузии, а также дрейфа в поле припоматериалов неэффективны, так как требуют изготовле- верхностной контактной разности потенциалов неравнония на образцах барьерных и омических контактов, что в весные носители распространяются в глубину образца, системах A3B5 вносит значительные искажения в спектр существенно меняя на длине дебаевского экранирования энергетических состояний границы раздела. Известные картину равновесной заселенности глубоких центров, методы неразрушающей диагностики, основанные на создавая в указанной области объемный заряд. Это примесном поглощении света, малоинформативны, не приводит к изменению характера распределения потенявляются экспресными и не пригодны для исследова- циала вблизи поверхности, а периодическое изменение ний приборных структур, проходящих технологический освещенности зондируемого участка образца приводит маршрут. соответственно к периодическому изменению фотопоНастоящая работа посвящена обсуждению предложен- тенциала, что позволяет применить емкостные методы ного [9] нами метода локальной неразрушающей диагно- регистрации.

стики параметров ловушек в полуизолирующих матери- Способы регистрации и обработки сигнала в зависимоалах — РОСГУ (релаксационная оптоэлектронная спек- сти от специфики изучаемого класса материалов могут троскопия глубоких уровней). Он позволяет измерять быть различными. Для диагностики полуизолирующих время релаксации электронно-дырочной и ловушечной материалов в системе GaAs–AlAs достаточно инфорсистем в полупроводниковых и полуизолирующих мате- мативным и простым в реализации является способ, риалах, определять тип и энергетику глубоких центров, при котором регистрируется ток во внешней цепи изконцентрацию и сечение захвата. В образцах с концен- мерительного конденсатора, вызванный периодическими трацией ловушек (Nt) меньших концентраций свободных изменениями фотопотенциала, имеющими импульсный равновесных носителей (n0) метод позволяет оценить характер, в зондируемой светом области образца. Обра142 Э.А. Ильичев ботка информационного сигнала осуществляется посред- Отсюда для величины максимального изменения конством анализа температурной зависимости аппаратно центрации носителей на ловушках имеем сформированной функции Uin(RinCin + 1) Nt.

I0 (T ) 1 - exp[-t/ (t)] RinqxI(T ), t Таким образом, увеличивая интенсивность облучения где (T ) — время релаксации потенциала, t — текущее до достижения фотопотенциалом максимальной величивремя, T — текущая температура образца.

ны и регистрируя время релаксации фотопотенциала Несложно показать, что указанная функция I(T ) имеет и напряжение на входе, усилителя Uin, получаем оценочна температурной шкале максимум при равенстве вреную величину концентрации глубоких уровней (оценка мен релаксации фотопотенциала (T ) (времени жизни ”снизу”).

носителя на ловушке) и времени задержки t между В случаях, когда концентрация равновесных свободсветовыми импульсами, если длительность импульса суных носителей n0 превышает концентрацию ловушек, щественно меньше t. Так как в случае моноэнергетиметод позволяет оценить n0. При этом регистрируется ческого центра либо дискретных невзаимодействующих пороговая интенсивность возбужения, начиная с которой энергетических центров между временем жизни носивремя релаксации фотопотенциала начинает зависеть от теля на центре i, его энергией Ei и температурой интенсивности ”накачки” светом зондируемого участка образца существует связь i = 0i exp(Ei/kT ), то знание образца. Происходит это благодаря смене линейного температур Ti соответствующих максимумам функции механизма рекомбинации ”квадратичным”, лишь только Ii(T ) для двух и более времен задержки ti, позволяет концентрация неравновесных носителей n становится определить энергию центров равной концентрации равновесных n0. Несложно пока TiTi+1 ti+1 зать, что в этом случае для оценки величины концентраEt = k ln ции справедливо соотношение Ti+1 - Ti ti и рассчитать их сечение захвата. p n0, При измерении концентрации глубоких уровней не -1xобходимо реализовать следующее соотношение между где p — пороговая мощность облучения, —квантовая импедансом измерительной емкости Zc, входным сопроэффективность, — время релаксации фотопотенциала, тивлением измерительного усилителя Zin, сопротивлени — энергия кванта света, — коэффициент поглощеем растекания и объемным сопротивлением образца Zn:

ния света материалом, x — линейный размер светового Zc Zn Zin. Несложно убедиться, что для проводязонда.

щих и полуизолирующих материалов в системах GaAs– Заметим, оценки n0 (при n0 > Nt) можно получать AlAs при частотах повторения импульсов возбуждения также и из анализа зависимости I(T ); в этом случае в ро102... 106 Hz, размерах зазора между образцом и поли характерной энергии будет выступать энергия Ферми, лупрозрачной обкладкой конденсатора, больших 0.1 mm, что и позволяет рассчитать концентрацию n0 свободных и размера светового зонда, меньших 5 mm, упомянутые носителей. Измерения n0 с использованием расчетов, соотношения между импедансами всегда выполняются.

базирующихся на смене механизма рекомбинации и на В этом случае между величиной фотоэдс (U) и наанализе температурной зависимости функции I(T ), дают пряжением на входе измерительного усилителя (Uin) согласующиеся результаты.

выполняется следующее соотношение:

В [10–12] показана эффективность использования (RinCin + 1) РОСГУ для локальной диагностики полуизолирующих U = Uin, CsRin материалов в системах A3B5 на примерах эксперименгде — циклическая частота периодического светового тальных исследований параметров глубоких уровней сигнала, Rin — входное сопротивление усилителя, Cin — промышленных слитков полуизолирующего арсенида входная емкость усилителя, Cs — емкость измерительно- галлия, выращенных в условиях различного легирования го конденсатора. элементарным хромом, а также связи электрофизических Учитывая, что t s и Cs Cr, (где s — параметров GaAs интегральных схем (ИС) конкретного постоянная времени изменительной системы, Cr — ем- функционального применения с параметрами глубоких кость ”растекания”), из анализа зависимости тока через уровней подложек и приборных структур. В частности, образец от изменений фотопотенциала можно получить установлена связь параметров глубоких уровней поддля связи между величиной фотопотенциала U и вели- ложек и буферных слоев с характером ”backgating” и чиной изменения населенности ловушек Nt следующее ”sidegating”; выяснены причины ограничивающие высоотношение:

сокотемпературный предел работоспособности арсенидqNtxгаллиевых ИС; изучено влияние упругих напряжений как U, Cs на распределение глубоких центров по пластине, так и где x — минимальный размер светового зонда, q — (в ряде случаев) на энергетику глубоких центров [12].

элементарный заряд. Таким образом, использование РОСГУ эффективно на Журнал технической физики, 1998, том 68, № Неразрушающий метод диагностики глубоких уровней в полуизолирующих материалах стадиях входного контроля в производстве слитков и приборных структур для GaAs ИС, а также при межоперационном контроле. Метод полезен при изучении генерационно-рекомбинационных процессов в компенсированных материалах, а также процессов гетерирования примесей дефектами, например локальными упругими напряжениями.

Список литературы [1] H.Ch. Alt, H. Schink, G. Rackeiser // 5th Conf. on Semiinsulating III–V Materials. Malmo (Sweden), 1988. Ch. 1.

P. 512–520.

[2] Drummond T.J., Kopp W., Fischer R. et al. // IEEE Electron.

Dev. 1983. Vol. ED-30. N 12. P. 1806–1811.

[3] Valoits A.J., Robinson G.Y., Lee K., Shur M.S. // J. Vac. Sci.

Technol. B. 1983. Vol. 1. N 2. P. 190–195.

[4] Виноградов Е.Л., Дьяченко А.Г., Ильичев Э.А. и др. // Микроэлектроника. 1991. Т. 20. N 2. С. 137–141.

[5] Gatos H.C., Lagowski J., Kazior T.E. // Jap. J. Appl. Phys.

1983. Vol. 22. P. 11–19.

[6] Мильвидский М.Г. Полупроводниковые материалы в современной электронике. М.: Наука, 1986. С. 143.

[7] Гергель В.А., Ильичев Э.А., Лукьянченко А.И., Полторацкий Э.А. // ФТП. 1992. Т. 26. Вып. 5. С. 794–800.

[8] Ильичев Э.А., Онищенко В.А., Полторацкий Э.А. и др. Тез. докл. Российской конф. ”Микроэлектроника-94”.

Звенигород, 1994. Ч. 2. С. 387–388.

[9] Ильичев Э.А., Лукьянченко А.И. А.С. № 2079853. БИ. М., 1997. № 9714.

[10] Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Хайновский В.И. // Тез. докл. II Междунар. научно-техническая конф. ”Микроэлектроника и информатика”. М.; Зеленоград, 1997, № 2. С. 251–257.

[11] Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Рычков Г.С., Хайновский В.И. // Микроэлектроника. 1996. Т. 25. № 5.

С. 363–369.

[12] Ильичев Э.А., Ступак М.Ф. // Электрон. пром-сть. 1996.

№2. С. 3–11.

Журнал технической физики, 1998, том 68, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.