Автоматизированная система для бесконтактного контроля электрофизических параметров полупроводников и исследование процессов рекомбинации носителей заряда в поликремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

р ~П 0 БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УЫ13ЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.315.592:621.382

ДИАЛЛО АМАДУ ДИУХЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕКОМБИНАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛИКРЕКШИ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК 1993

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физ.-мат.наук,

доцент ЯНЧЕНКО A.M.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, академик ПА, профессор (Витебский технологический

институт) . КЛЮЧНИКОВ A.C.

кандидат физ.-мат.наук, старший научный сотрудник

(ИФТТ и ПЛ. Минск) МУДРЫЙ A.B.

Ведущая организация:' Институт электроники АН РБ.

Защита диссертации состоится 14 января 1994 года в 14 часов на заседании специализированного Совета Д 056.03.05 в Белорусском государственном университете (220050, Республика Беларусь, г.Минск, пр. Ф.Скорины, университетский городок, главный корпус, комната 206)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"__199 г.

В.Ф.Стельмах

N

Ученый секретарь Совета доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Получение различного рода барьерных структур (МЦП, барьеров Ноттки, гетеропереходов) в большинстве случаев является основной целью полупроводниковой технологии. Нередко такие структуры (поликристаллические полупроводники, эпитаксиальные слои) выступают в роли исходного материала. С другой стороны случайная неоднородность электрофизических свойств, возникающая в ряде случаев в процессе роста и остывания полупроводниковых кристаллов, может привести к возникновению неконтролируемого потенциального рельефа, свойственного также поверхности полупроводника • 'после химической обработки. Наличие такого потенциального рельефа затрудняет транспорт электронно-дырочной плазмы в кристалле и ухудшает характеристики готовых изделий полупроводниковой электроники. Именно указанные особенности часто определяют возможность или невозможность практического применения неоднородных материалов и структур на их основе в некоторых классах электронных приборов. Важную роль в связи с этим приобретает разработка совершенных методов локальной диагностики однородности электрофизических свойств полупроводниковых

материалов. Прогресс в соответствующих исследованиях позволит

• • '>

получить новые данные, необходимые для создания материалов с заданными свойствами и развить фундаментальные представления о природе физических явлений и эффектов в кристаллах с электрически активными неоднородностями.

Учитывая, что наиболее чувствительными как к дефектному состоянию полупроводника, так и к наличию потенциальных барьеров,

является время жизни неравновесных носителей заряда, цель диссертационной работы заключалась в создании аппаратуры для неразрушающих экспресс-измерений величины и пространственного распределения локального времени жизни, а также проведение ■исследований процессов рекомбинации в негомогенных полупроводниках с потенциальными барьерами, связанными с различного рода неоднородностями. Для ее осуществления требовалось решить следующие задачи:

- выбрать оптимальный метод измерений и отработать его методику;

- обеспечить бесконтактный характер измерений;

- автоматизировать процесс измерений и обработку результатов;

провести исследования процессов рекомбинации в полупроводниках с естественной и искусственно созданной неоднородностью потенциального рельефа.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в следующем:

- предложен и реализован способ построения эффективной многофункциональной автоматизированной измерительной системы, служащей для бесконтактного локального экспресс-контроля времени жизни носителей заряда и проводимости полупроводников;

- разработана новая схема компактного широкодиапазонного интерфейса для связи персональной ЭВМ с комплексом серийных электронных контрольно-измерительных приборов;

- разработана схема коммутатора с расширенными функциями для программируемого управления движением координатного столика, служащего для перемещения объектов исследования;

- впервые проведены комплексные исследования фотоэлектрических и рекомбинационных свойств поликристаллических кремниевых пленок и установлена взаимосвязь характера изменения измеряемых параметров с флуктуациями крупномасштабного потенциала на границе зерен;

- предложена и экспериментально подтверждена модель, описывающая влияние границ зерен на электрофизические параметры неоднородных полупроводников, а также методика оценки величины крупномасштабного потенциального барьера из результатов эксперимента.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Совокупность теоретических и экспериментальных исследований и технических решений, обусловивших создание автоматизированной измерительной системы для локального контроля времени жизни неравновесных носителей заряда и проводимости полупроводниковых подложек и барьерных структур на их основе.

2. Методика бесконтактной экспресс-диагностики наличия потенциального рельефа в полупроводниковых объектах путем анализа зависимости эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда от координаты, частоты модуляции и интенсивности света.

. 3. Результаты исследований рекомбинационных процессов в неоднородных кремниевых объектах с крупномасштабным потенциальным рельефом и теоретическая модель, положенная в основу их интерпретации.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Фотоэлектрические явления е полупроводниках" - Ташкент, 1989 г. и на Международной конференции Европейского физического" общества, секция физику твердого тела, ФРГ, г.Регенсбург, 1993 г. и семинарах кафедрь физики полупроводников Велгосуниверситета.

По результатам диссертации опубликовано восемь научный работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основны> выводов и списка цитируемой литературы. Она изложена на страницах, включая 15 рисунков и список литературы из 5$ наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы работы формулируется ее цель.

Первая глава диссертации содержит критический литературны: обзор, касающийся как особенностей процессов рекомбинаци: в полупроводниках при наличии в них коллективных потенциальны, барьеров, связанных с различного рода неоднородностями, так сравнительного анализа методов измерения времени тзн неравновесных носителей заряда. Из него следует, чт

фотоэлектрические явления в неоднородных полупроводниках, в частности в перспективных для изготовления полупроводниковых приборов ' поликристаллических пленках и эпитаксиальных слоях характеризуются существенными особенностями. Такие особенности связаны с наличием в них потенциальных барьеров, которые определяют условия рекомбинации неравновесных носителей заряда, приводя к увеличению их времени жизни. Величина потенциального барьера, а, следовательно, и времени жизни, является сложной функцией параметров энергетических состояний различного рода дефектов в переходных областях (границах зерен и слоев).

С другой стороны., величина потенциального барьера зависит от уровня фотовозбуждения, что приводит к существенно неэкспоненциальному ходу релаксации фотопроводимости. Процессы рекомбинации носителей заряда в таких условиях во многом не изучены. В этой связи особое значение приобретает разработка методов и экспериментальные исследования поведения локального времени жизни носителей заряда как весьма чувствительного к дефектному состоянию полупроводника параметра.

Проведенный анализ показал, что целям таких исследований отвечает фазовый метод измерений времени жизни с использованием СВЧ-техники для обеспечения бесконтактного его характера.

Сложный ход релаксации неравновесной проводимости в полупроводниковых объектах при наличии потенциального барьера и вследствие этого значительная трудоемкость обработки результатов исследований требуют осуществления автоматизации эксперимента.

Во второй главе приведено описание методики измерений времени жизни носителей заряда в случае нелинейной релаксации неравновесной проводимости, а также технологии приготовления объектов исследований.

Суть методики измерения времени жизни заключалась в том, что одновременно с переменным во времени освещением образец дополнительно освещается световым пучком, интенсивность которого плавно изменялась от минимального до максимального его уровня. При этом интенсивность такой "постоянной" подсветки превосходила интенсивность переменного возбуждения, что приводило к тому, что релаксация переменной составляющей фотопроводимости имела линейный характер, т.е. определялась одной постоянной времени, зависящей в общем случае от интенсивности фотовозбуждения.

Поликристаллические слои микронной толщины получали методом разложения моносилана в реакторе пониженного давления на термически окисленном кремнии. Жидкофазная рекристаллизация осуществлялась излучением непрерывного ИАГ-лазера (А - 1,06 мкм) в режиме сканирования. Мощность излучения при этом контролировалась в процессе обработки.

В третьей главе диссертации описывается автоматизированная система для бесконтактных измерений локального времени жизни неравновесных носителей заряда и удельного сопротивления, а также получения топограмм их распределения в плоскости полупроводниковых объектов, построенная по принципу преобразования поступающей аналоговой информации в цифровую, последующего ее ввода в персональную ЭВМ (ПЭВМ) и обратного преобразования цифровых сигналов в аналоговые для управления процессом измерения.

Неразрушающий бесконтактный характер измерений обеспечивался использованием СВЧ-техники трехсантиметрового диапазона длин волн. В качестве измерительного СВЧ преобразователя использован малогабаритный с диэлектрическим вкладышем цилиндрический резонатор с гангелеобразным щелевым

излучающим отверстием.

Блок-схема системы для измерения времени жизни фазовым методом (ФСВЧ) показана на рис.1. Принцип действия заключается в следующем. СВЧ мощность через циркулятор (ЦСВЧ) поступает в измерительную ячейку (ПСВЧ) и поглощается в образце вследствие образования "резонансной" системы "измеряемый участок полупроводника - гантелеобразное отверстие в волноводе". Настройка системы в резонанс с частотой генератора (ГСВЧ) с целью обеспечения оптимального уровня поглощения СВЧ энергии в образце осуществляется коррекцией зазора между поверхностью измеряемой пластины и стенкой волновода, а также регулировкой положения настроечного штыря в измерительной ячейке. Синусоидально модулированный луч от источника оптического излучения ГСМ (светодиод или лазер) изменяет степень поглощения СВЧ мощности на измеряемом участке пластины из-за модуляции его проводимости. В результате возникает разбаланс в цепи циркулятора, волновода и измерительного узла, и появляется переменный синусоидальный электрический сигнал на СВЧ детекторе (ДСВЧ). Затем сигнал усиливается и поступает на один из каналов измерителя разности фаз (ЦИП), на другой вход которого подается опорное напряжение с синусоидального генератора питания электро-оптического модулятора светового потока или светодиода, а также на частотомер. Регистрация распределения т в плоскости полупроводниковой пластины осуществляется графопостроителем (ГП) при перемещении координатного столика (УКС).При измерении удельного сопротивления используется дифференциальный вольтметр (ЦИП) вместо измерителя разности фаз.

Блок-схема устройства сопряжения ПЭВМ с цифровыми измерительными приборами представлена на рис.2. Ввод исходной

аналоговой информации осуществляется через масштабные усилители по двум аналоговым каналам Ах1 и Ах2 с разделением во времени через аналоговый коммутатор АК, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП). После АЦП исходная информация по шине передачи данных заносится в дополнительное оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) или в ПЭВМ для последующей математической обработки. Алгоритмы математической обработки данных заложены в управляющей программе, обеспечивающей математическую поддержку работы АИС.

Предусмотрена возможность работы АИС с входными данными, представляемыми в цифровом виде через цифровой канал (Вх.З), выполненном на цифровом приемном регистре (ЖВЦ) с синхронизацией от внешнего устройства. Для осуществления визуального контроля за экспериментом на экране осциллографа или координатного самописца введен блок цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), позволяющий представить значение дискретного отсчета в виде ступеньки эквивалентного ему напряжения, т.е. осуществлена возможность управления процессом измерений.

Технические данные АИС: диапазон измерения времени жизни 1.10-2 - 5.10"8 с при удельном сопротивлении кремниевых пластин не менее 4,5 Ом.см с локальным разрешением не хуже 0,05 мм2 и удельного сопротивления в диапазоне 1.10"2 - 1.102 Ом.см с разрешением 1 мм2 ; погрешность измерения - не более 5 %; количество точек измерений - 210; время получения данных о распределении времени жизни и удельного сопротивления вдоль диаметра пластин - не более одной минуты.

Таким образом, разработанная автоматизированная система обладает гибкими расширенными системными функциями и ориентирована на высокоэффективное проведение научных

исследований процессов рекомбинации носителей заряда в полупроводниках, а также, на технологический процесс производства полупроводниковых структур путем контроля величины и распределения тир в плоскости полупроводниковых подложек.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований рекомбинационных и фотоэлектрических свойств исходных и рекристаллизованных лазерным излучением поликристаллических кремниевых пленок, а также подложек с искусственно созданным потенциальным рельефом. Процесс рекомбинации неравновесных носителей заряда изучался с помощью разработанной аппаратуры для бесконтактного измерения времени жизни и проводимости. Возбуждение неравновесной проводимости осуществлялось синусоидально модулированным излучением гелий-неонового лазера (X - 0,63 мкм) с выходной мощностью 10 мВт, сфокусированным в пятно диаметром 200 мкм. Интенсивность 'фотовозбуждения изменялась с помощью набора калиброванных нейтральных светофильтров.

Как показали исследования, кинетика релаксации неравновесной проводимости и люкс-амперные характеристики в указанных объектах существенно нелинейны, а степень нелинейности зависела от типа исследовавшегося образца, а также от условий эксперимента. Так, например, при максимально реализованном уровне фотовозбуждения в нерекристаллизованных слоях эффективное время жизни (ТЭФФ.) практически не зависит от частоты модуляции. Однако, такая зависимость свойственна для рекристаллизованных слоев при любых уровнях фотовозбуждения. Также наблюдалось различие в поведении люкс-амперных характеристик (ЛАХ) - близкие к линейным для исходных пленок, они становились сублинейными для рекристаллизованных.

Отмеченный характер поведения тЭфф. и ЛАХ был связан с проявлением потенциального рельефа на границе зерен. Аналитическая связь между уровнем фотовозбуждения и величиной потенциального барьера и качественно подтвержденная экспериментами на образцах с искусственно созданным потенциальным рельефом, была получена на основе квантово-механических представлений, считая/что в полупроводниковой пленке образуются двумерные потенциальные ямы с дискретным спектром энергий.

Проведенный с учетом вышеизложенного анализ результатов экспериментальных исследований рекомбинационных и

фотоэлектрических свойств поликристаллических пленок позволил установить следующее.

Исходные лоликристаллические слои, полученные методом разложения моносилана в реакторе пониженного давления, представляют собой однородный мелкозернистый материал с временем жизни неравновесных носителей заряда 10 мкс и сравнительно небольшим ( <0,1 эВ) барьером на границе зерен. Последние, по-видимому, являются специальными или слабо отклоненными от специальных границами типа £ - Зп (п - 1,2),-характеризуемыми решеткой совпадающих узлов в плоскости границы. Отсутствие оборванных связей на таких границах и приводит к их слабой рекомбинационной активности.

В рекристаллизованных с помощью лазерного отжига областях время жизни уменьшается до единиц микросекунд, а потенциальный барьер на границах укрупненных зерен существенно возрастает (до 0,2 - 0,,3 эВ). Определяющее влияние межзеренных границ на процесс рекомбинации неравновесных носителей заряда в этом случае вытекает из хода зависимостей "СЭФФ. от частоты, а также подтверждается исследованиями люкс-амперных характеристик.

- 13 - -

Последние в случае рекристаллизованннх слоев имеют явно выраженный и присущий именно барьерным структурам сублинейный характер. После рекристаллизации могут быть как появление термических напряжений и введение закалочных дефектов, так и формирование электрически активных границ зерен в процессе лазерного воздействия. Быстрое охлаждение образцов после лазерной рекристаллизации может приводить к появлению так называемых границ зерен общего типа сильно отклоненных от специальных ориентации типа Е - Зп (п -1,2), характерных для исходных слоев поликремния. Такие границы, в силу неравновесности их формирования, должны характеризоваться высокими значениями плотности р .-щетки совпадающих узлов £ и, как следствие, высокими концентрациями оборванных связей. Определенную роль в повышении пограничных барьеров может также играть перестройка дефектно-примесных атмосфер в процессе лазерной обработки пленок.

Результаты проведенных исследований дают основание для заключения о применимости разработанной методики изучения поликристаллических материалов для неразрушающего контроля их качества.

Выводы. -

1. На базе персональной ЭВМ и техники СВЧ-диапазона разработана гибкая многофункциональная автоматизированная система для бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей заряда и удельного сопротивления полупроводниковых материалов, а также получения топограмм их распределения в плоскости полупроводниковых подложек.

Комплексный подход к ее созданию путем использования лучших из известных и оригинальных методик и технических решений

позволил впервые реализовать одновременно высокий уровень значений технических характеристик - широкий диапазон измерений времени жизни (1.1СГ2 - 5.10"3 ) с и удельного сопротивления (1.1СГ2 - 1.102 ) Ом.см, малую относительную погрешность (менее 5 %), локальность (0,05 мм2 и 1,0 мм2 соответственно), экспрес-сность измерений (не более одной минуты на получение профило-граммы радиального распределения в полупроводниковой пластине' диаметром 100 мм), малые габариты.

2. Разработана новая элс .трическая схема компактного широкодиапазонного интерфейса для двусторонней связи персональной ЭВМ с серийно выпускаемыми измерительными приборами.

Интерфейс включает два аналоговых канала, 10-ти разрядный АЦП с дополнительным ОЗУ емкостью 1 К слов, цифровой канал и ЦАП, обеспечивающий контроль величины преобразованного отсчета с минимальным временем 40 мкс, имеет программное обеспечение на языке "ПАСКАЛЬ".

3. Разработан универсальный блок управления (коммутатор) обмоток шаговых двигателей, реализующий с шагом 10 мкм программное перемещение двухкоординатного столика с полупроводниковой пластиной.

4. Впервые проведены комплексные исследования фотоэлектрических и рекомбинационных свойств поликристаллических кремниевых пленок и установлена взаимосвязь характера изменения измеряемых параметров с флуктуациями крупномасштабного потенциала на границах зерен.

5.. Предложена и экспериментально подтверждена модель, описывающая влияние границ зерен на электрофизические параметры неоднородных полупроводников, а тагае методика оценки величины крупномасштабного потенциального барьера из данных эксперимента.

6. Установлено, что исходные поликристаллические слои, полученные методом разложения моносилана в реакторе пониженного давления, представляют собой однородный мелкозернистый материал с временем жизни неравновесных носителей заряда менее 10 мкс и потенциальным барьером на границах зерен не более 0,1 эВ. В рекрис-таллизованных же с помощью лазерного отжига областях время жизни уменьшается (до единиц микросекунд), а потенциальный барьер на границах укрупненных зерен существенно возрастает (до 0,2 -0,3 эВ).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.П.Путилин, А.Д.Диухе. Запоминающие устройства на основе стеклообразных полупроводникков и их применение. Сборник трудов Конакрийского университета. Сария А: Наука и техника, с.104. Конакри, 1984.

2. В.К.Мироненко, А.Д.Диухе. К методу уничтожения сильных помех смежных приемных станций компенсированным образцом. Сборник трудов Конакрийского университета. Серия А: Наука и техника, с.120. Конакри, 1984.

3. А.В.Бураков, A.M.Янченко..А.Д.Диухе. Контроль удельного сопротивления полупроводниковых подложек методом СВЧ-отражения. М., 1988. - Деп. в ЦНШ "Электроника", N Р5797.

4. А.В.Бураков, A.M.Янченко, А.Д.Диухе. Простой коммутатор обмоток шаговых двигателей, управляющих движением двухкоординатного столика. - Ред.ж. Вестн. Белорус, ун-та. Серия 1: физ., мат.,мех. - N 1029-В89-Деп. в ВИНИТИ 17.02.89.

5. А.В.Бураков, A.M.Янченко, А.Д.Диухе. Универсальный блок управления шаговым двигателем. Приборы и техника эксперимента.

1989, N 4, С.224.

6. А.В.Бураков, В.Н.Чуясов, А.М.Янченко, А.Д.Диухе. Автоматизированная измерительная система для неразрушающего экспресс-контроля распределения времени жизни носителей заряда в полупроводниках. Ред.ж.Вестн.Белорус, ун-та. Серия 1: физ., мат., мех. - Деп в ВИНИТИ 14.02.90, N 893-В90.

7. М.И.Тарасик,' А.К.Федотов, А.М.Янченко, А.Д.Диухе. Рекомбинационные свойства поликристаллических кремниевых слоев. Ред.ж. Вестн. Белорус, ун-та. Серия 1: физ., мат., мех. - Деп. в ВИНИТИ 31.08.90, N 4836 -В90.

8. М.И.Тарасик, Н.С.Станев, А.М.Янченко, Д.А.Диухе. Фотоэлектрические явления в полупроводниковых барьерных структурах. - В сб. "1 Всесоюзная конференция по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках", Ташкент, 1989.

- ."[? -

Блок-схема измерителя времени жизни и удельного сопротивления

ГСВЧ - генератор СВЧ, ЦСВЧ - циркулятор, ДСБЧ - детектор, 11СВЧ А преобразователь, ГСМ - генератор сигнала модуляции, 'ОКГ - лазер или светодиод, ЭОМ - электрооптический модулятор, О - исследуемый полупроводниковый образец, КС - координатный столик, УКС - блок управления координатным столиком, ГП - графопостроитель, Ч -частотомер, персон. ЗВМ - Электроника ДВК-2М, интерфейс - устройство сопряжения с объектами, ЦИЛ - цифровой измерительный прибор*.

-^При .измерения ^Г - фазометр, при измерении -вольтметр постоянного тока дифференциальный.

Рис.1

Влок-схема интерфейса автоматизированной измерительной системы

Рис.2