автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Физические основы и принципы бесконтактного измерения параметров полупроводниковых материалов

/

? ой (<?„*> у. 9 ¡Г-

22 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ

ИНСТИТУТ МИНИСТЕРСТВА. ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ^зд—з-гггг- —-- ц

4 ... ДОКТОРА«

нюньте <54

-ппявления. ЬА*

наук |

СИДОРИН Виктор Викторович

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.27.06 " Технология полупроводников и материалов

электронной техники "

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва —

1997 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................... 6

ГЛАВА I Метрологическое обеспечение качества полупроводниковых материалов .................................. 16

1.1 Полупроводниковые материалы как объект контроля

и исследования............................................20

1.1. I Номенклатура полупроводниковых материалов для

интегральных схем и полупроводниковых приборов............20

1.1. 2 Система параметров и показателей качества полупроводниковых материалов ..................................36

I. 2 Методы измерения параметров полупроводниковых материалов .:................................................48

1.2.1 Методы и средства измерения электрофизических

параметров ................................................49

I. 2. 2 Методы и средства измерения геометрических

параметров...............................................60

I. 2. 3 Неразрушающие методы измерения..................70

1. 3 Методы поиска новых технических решений и задачи создания бесконтактных методов измерения параметров полупроводниковых материалов..............................93

1.4 Алгоритм разработки и морфологические схемы бесконтактных методов измерения параметров полупроводниковых

материалов ............................................... 103

Выводы ...................................................III

ГЛАВА П Радиоволновые методы и средства измерения •удельного сопротивления слитков полупроводниковых материалов на основе полосковых линий передачи ......................114

2. I Параметры полупроводникового материала как объекта исследования радиоволновыми методами................114

о о

Несимметричная полосковая .линия с торцевым зазором в полоске, шунтированным полупроводниковым материалом. . .. 120 2. 3 Амплитудные методы измерения удельного сопротивления полупроводников по параметрам бегущей волны ..... 131

2. 4 Амплитудные методы измерения удельного сопротивления по параметрам стоячей волны........................170

2. 5 Методы измерения удельного сопротивления по параметрам резонанса электромагнитных колебаний в полосковых

линиях передачи.......................................... 182

Выводы..............................................208

ГЛАВА Ш Радиоволновые методы и средства измерения электрофизических и геометрических параметров пластин и эпитаксиальных структур полупроводниковых материалов на основе полосковых линий передачи.........................210

, I Метод измерения удельного сопротивления и тол-

щины пластин полупроводниковых материалов................211

3. 2 Метод измерения удельного сопротивления и толщины эпитаксиальных слоев в однослойных эпитаксиальных структурах ...............................................247

3. 3 Метод измерения распределения значения удельного сопротивления по толщине слои стоне однородных полупроводниковых материалов.................................... 264

Выводы.............................................278

ГЛАВА 17 Измерение подвижности и концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых материалах радиоволновыми методами и средствами на основе полосковых линий передачи........................................280

4, I Метод измерения подвижности и концентрации носителей заряда в слитках и пластинах однородных полупро-дниковых материалов с помощью щелевых датчиков на основе

полосковых линий передачи................................281

4. 2 Метод измерения электрофизических параметров полосковыми резонаторными датчиками......................306

4.3 Измерение подвижности и концентрации свободных носителей заряда по магниторезистивному эффекту...........311

4. 4 Особенности измерения подвижности и концентрации носителей заряда в пластинах и эпитаксиальных структурах . 322

Выводы ..............................................330

ГЛАВА У Радиоволновые методы и средства измерения параметров полупроводниковых материалов на основе волно-

водных линий передачи .................................... 333

5.1- Метод избирательного согласования для измерения

удельного сопротивления..................................335

5.2 Измерение удельного сопротивления волноводными щелевыми измерительными преобразователями................356

5. 3 Измерение удельного сопротивления и толщины пластин и слоистонеоднородных материалов.....................376

5. 3. I Метод измерения удельного сопротивления и

толщины пластин полупроводниковых материалов.............376

5. 3. 2 Метод измерения удельного сопротивления и

толщины слоев в слоистонеоднородных материалах............386

5.3.3 Метод измерения распределения удельного сопротивления по толщине полупроводниковых материалов..........393

5.4 Поляризационные методы измерения подвижности и концентрации свободных носителей заряда»..................410

5. 5 Измерение подвижности и концентрации носителей

заряда волноводными преобразователями.................... 429

5.5.1 Радиоволновый'измерительный преобразователь на основе волноводных разветвителей......................432

>. 5. 2 Волноводные щелевые датчики для измерения подвижности и концентрации носителей заряда..............440

5. 6 Измерение подвижности и концентрации свободных носителей заряда по параметрам высших типов волн при их нелинейном возбуждении в волноводах полупроводниковой средой...................................................455

Выводы .............................................. 470

ГЛАВА 71 Оптические и квазиоптические методы и средства измерения параметров полупроводниковых материалов ... 473

6. I Общая характеристика предложенных методов.......473

6. 2 Взаимодействие электромагнитного излучения ЙК и

КВЧ диапазона с полупроводниками......................... . 477

6. 3 Метод измерения удельного сопротивления и толщины

пластин полупроводниковых материалов .....................486

6. 4 Метод измерения удельного сопротивления и толщины

эпитакспальных слоев в эпитаксиальных структурах .........510

6.5 Измерение подвижности и концентрации свободных

носителей заряда......:..................................515

6. 6 Квази оптические методы измерения подвижности и

концентрации " свободных носителей заряда..................534

6. 7 Нелинейное отражение электромагнитных волн и измерение подвижности и концентрации носителей заряда в

полупроводниках .................... ......................551

6. 8 Измерение толщин слоев и электрофизических параметров в эпитаксиальных структурах.......................566

6/9 Измерение распределения электрофизических параметров по толщине полупроводниковых материалов ........... 579

Выводы..............................................592

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................594

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................600

ВВЕДЕНИЕ

Калеgteо и надежность полупроводниковых приборов СПЮ и интегральных схем СИС J определяются качеством исходных полупроводниковых материалов и технологией их обработки. Развитие ПП и ИС по пути расширения номенклатуры, достижения более высоких технических и эксплуатационных показателей, создания новых классов приборов, обеспечения их качества и надежности требует повышения качества материалов, расширения их номенклатуры как по количеству марок и типов, так и по виду материалов.

Основным средством управления качеством является контроль и испытания материалов на всех этапах их создания:

■ при разработке технологии,

■ в технологическом процессе,

■ при приемке и поставке,

■ при испытаниях, включая сертификационные.

Все виды контроля основаны на измерении параметров материалов, а достоверность контроля, метрологические и эксплуатационные характеристики методов и средств измерения параметров определяют эффективность контроля и в конечном счете - качество материалов.

Особая роль в обеспечении качества материалов отводится испытаниям материалов, сертификационным в частности, для ИС и ПП. Основные цели и задачи испытаний заключаются как в установлении и подтверждении соответствия их параметров и характеристик установленным требованиям, так и выявлении свойств и возможностей материалов, выходящих за пределы объема требований, установленных в нормативно-технической документации на разработку, приемку и поставку.

Необяснимость в выявлении не регланентипоованннх

документацией свойств и качеств возникает при определении возможности расширения областей применения того или иного материала, при выявлении его предельных возможностей по отношении к различным дестабилизирующим факторам, при сравнительных испытаниях с целью выбора более предпочтительного для конкретного применения.

От иных видов контроля испытания отличаются тем, что состав измеряемых параметров и характеристик, условия выполнения измерений и еид испытуемого материала в каждом случае различны и подчинены тем целям и задачам, которые решаются в данном испытании. Неповторяющийся и в ряде случаев уникальный характер испытаний, необходимость выполнения измерений в процессе и после воздействия различных воздействующих факторов, включая и комплексные, причем последовательно на одном испытуемом образце материала, предъявляет специфические требования к методам измерения параметров испытуемого материала.

Вместе с бесконтактным характером измерений ивысокими метрологическими характеристиками основным специфическим требованием является универсальность методов и средств измерения, понимаемая как возможность адаптации к различным видам и условиям испытаний. Поскольку известные методы и средства этим требованиям не соответствуют, актуальной становится как задача их разработки, так и задача создания общей методологии поиска и разработки новых методов и средств измерения параметров материалов, отвечающих самым разнообразным требованиям.

Методология разработки новых методов и средств измерения параметров необходима также и для решения проблемы требующей совершенствования системы методов технологического и

приемо-сдаточного контроля.

Заданный технический уровень в производстве материалов обеспечивается системой управления качеством, функциональная структура которой представляет собой систему автоматического управления с отрицательной обратной связью. Роль звена обратной связи в такой системе выполняет контроль качества, в основе которого - методы измерения параметров материалов.

Максимальная эффективность системы управления качеством может быть достигнута при организации ее как системы мониторинга, основанной на непрерывной регистрации изменения всех свойств материала в процессе создания и обработки. Это означает, что должно контролироваться качество материала в процессе каждой технологической операции, режимы проведения которых контролируются в соответствии с данными контроля, причем в автоматическом режиме. Реализация такой системы возможна на основе методов, позволяющих поучить достоверную информацию о значениях" параметров материала, претерпевающих соответствующие изменения. . Методы и средства измерения при этом не должны препятствовать выполнению технологических операций и не вносить изменения в свойства материала, особенно на последних стадиях его создания и обработки.

Достоверность, объективность и оперативность - основные характеристики контроля качества могут быть обеспечены только соответствующими методами измерения параметров материалов.

Существующие методы и средства 'измерения параметров полупроводниковых материалов в полной мере этим требованиям не соответствуют. Результаты многолетнего развития-методов и средств измерения параметров полупроводниковых материалов, апробированных и применяемых на практике в условиях производства, закреплены в нормативно-технических документах

СНТДЗ. В России - б стандарта:-: различного уровня С ГОСТ'ах, ОСТ' ах. стандартах предприятия). главным образом в зависимости от широты применения метода и длительности его использования.

Так, зоядовые методы измерения удельного сопротивления, или холловские методы измерения концентрации и подвижности заряда регламентированы Государственными стантартами, а методы измерения специфических параметров узкого круга материалов или одного вида материала - стандартами предприятия, либо техническими условиями на данный вид материала. Пример тому - метод измерения пробивного напряжения для кремниевых структур с диэлектрической изоляцией СКСДЮ или поверхностного потенциала в структурах "кремний на сапфире" (КНСЗ.

Единых НТД на методы и средства измерения параметров полупроводниковых материалов не существует. Первыми шагами на пути создания общей * системы НТД на методы контроля полупроводниковых материалов стали разработки общих технических требований С OTT) на монокристаллические кремний и арсенид галлия, содержащие разделы требований к методам их контроля, а также Руководящий документ СРДЗ "Требования к методам контроля полупроводниковых материалов для ИС и ПП специального назначения [ 1-3].

В некоторой степени о техническом уровне методов контроля электрофизических параметров полупроводниковых материалов и структур на определенном этапе можно судить по справочнику, изданном:/ НПО "Элма" и не претендующему на роль н ормативн о- т ехнич е ск ого д окум ента [ 4]. Справ очный характ ер носит и сборник методов контроля, в том числе и полупроводниковых материалов, рекомендованный для проведения

анализа отказов ПП и ИС, изданный РНИИ "Электронстандарт" [5].

Зарубежный опыт в области метрологии материалов, включая и полупроводниковые, сосредоточен в стандартах Американского общества стандартизации и испытания материалов CAmerican

Society for Testing and Materials - ASTM) При ПерИОДИЧесКИХ

пересмотрах дополняемых новыми методами, усовершенствованными известными. Вместе с техническими требованиями на полупроводниковые материалы, сосредоточенными в материалах Международного общества производителей и потребителей полупроводниковых материалов и оборудования (Semiconductor

Equipment and Materials Institute, Inc. - SEMI) Стандарты

astm являются основой взаимоотношений между изготовителями и потребителями полупроводниковых материалов на этапе их приемки и поставки.

Документы semi содержат лишь необходимый минимум технических требований на материалы, предусматривая возможность выполнения дополнительных требований по желанию заказчика. Подобно этому, стандарты astm содержат методы измерения того минимального состава параметров на материалы, который установлен в документах semi. Методы . измерения параметров полупроводниковых материалов СППМ) - традиционные по физическим принципам (зондовые, холловские, сферического или косого шлифа и др. ) - аппаратурно постоянно совершенствуются и, будучи оснащенными современными средствами преобразования первичной измерительной информации, призваны решать задачи надежного и достоверного контроля усредненного общемирового уровня качества материалов. Характерной их особенностью является при этом то. что они не содержат последних научно-технических достижений в области метрологии

полупроводников [6].

Несмотря на отсутствие прямых указаний и строго определенной регламентации относительно областей применения методов, анализ их метрологических, технических и эксплуатационных характеристик позволяет сделать вывод, о предпочтительности их применения на этапах приемки-поставки готовой продукции. _

В технологическом контроле, судя по особенностям технологического процесса и научно-технической литературе о методах исследования и измерения параметров полупроводниковых материалов, методы азтм занимают незначительное место, а отработка технологии получения материала, контроль и настройка техпроцесса осуществляются методами более тонкими.

Не исчерпывающую всех потребностей полупроводникового материаловедения и приборостроения полноту отечественных V стандартизованных методов и методов абтм подтверждают

публикации о поиске, исследованиях, разработках и применении новых методов для решения различных задач в сложном процессе управления качеством материалов, начиная с разработки лабораторной технологии и заканчивая созданием ПП и ИС на их основе.

Повышение требований к полупроводниковым материалам и усложнение технологии их создания привело к перераспределению операций контроля качества по всему циклу создания и обработки материала.. Технологический ' контроль на ранних операциях техпроцесса и контроль на начальных этапах формирования приборных структур приобретает все большее значение, в значительной степени освобождая контроль при приемке и поставке от его исключительной роли в системе управления качеством.

Такое решение проблемы обеспечения качества материалов носит характер приближения к идеализированной схеме построения системы управления качеством подобной мониторингу.

Результатом развития взглядов на проблему обеспечения качества с учетом н�