PL207939B1 - Sposób pomiaru rezystancji warstw półprzewodnikowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru rezystancji warstw półprzewodnikowych przy użyciu techniki prądu indukowanego wiązką elektronową (EBIC) w skaningowym mikroskopie elektronowym.

Dotychczas znane metody pomiaru rezystancji i rezystancji powierzchniowej półprzewodników można podzielić na metody stykowe, stosujące różnego rodzaju sondy - ostrza, jak metoda czteropunktowa i jej modyfikacja metoda Van der Pauwa oraz metody bezstykowe, wykorzystujące prądy wielkiej częstotliwości. Rozdzielczość przestrzenna dotychczas stosowanych metod w ich podstawowych wariantach jest stosunkowo niska. Ponadto, metody stykowe są w większości przypadków niszczące. Metody bezstykowe, wykorzystujące pomiar parametrów obwodu indukcyjnego lub pojemnościowego, utworzonego z mierzoną próbką są stosowane odpowiednio do materiałów nisko- i wysokorezystywnych. Do metod bezstykowych należą również metody mikrofalowe, w których mierzoną próbkę umieszcza się w falowodzie, wnęce rezonansowej lub też w wolnej przestrzeni. W większości przypadków metody te są mało dokładne dla próbek półprzewodników wysokorezystywnych.

Znana jest także technika analizy materiałów i przyrządów półprzewodnikowych oparta na pomiarze prądu indukowanego wiązką elektronową (IEBIC) w skaningowym mikroskopie elektronowym, która może być jakościowa lub ilościowa. Technika jakościowa polega na wyznaczeniu prądu takich par elektron-dziura, wygenerowanych w materiale pod wpływem padającej wiązki elektronów z działa elektronowego w mikroskopie, które nie zrekombinowały i dopłynęły do obszaru silnego pola elektrycznego, np. do obszaru złącza w strukturze półprzewodnikowej. W wyniku tego w obwodzie elektrycznym powstaje prąd IEBIC, którego detekcja przez detektor prądu umożliwia wizualizację na ekranie skaningowego mikroskopu elektronowego wielkości prądu odpowiadających poszczególnym położeniom wiązki na próbce.

Technika ilościowa EBIC jest znanym rozszerzeniem techniki jakościowej i polega na pomiarze prądu IEBIC (lub dodatkowo prądu wiązki elektronowej (Ibeam)) dla określenia cech materiałów, w które wnika wiązka elektronowa i/lub w których następuje generacja i rekombinacja par elektron-dziura. Technika ta pozwala nie tylko na obserwację otrzymanych obrazów mikroskopowych, ale także na wyznaczenie liczbowych wartości parametrów materiałów i przyrządów półprzewodnikowych.

Celem wynalazku jest wykorzystanie związku techniki EBIC z przewodnością elektryczną, do pomiarów, z wysoką rozdzielczością przestrzenną, rezystancji warstw półprzewodnikowych.

W sposobie według wynalazku mierzoną warstwę półprzewodnikową posiadającą złącze p-n lub będącą częścią złącza p-n zaopatruje się w kontakt omowy, umieszcza się w elektrycznym obwodzie pomiarowym EBIC i poddaje się działaniu wiązki elektronowej o energii generującej nośniki w obszarze zubożonym tego złącza lub w jego bezpośrednim otoczeniu. Sposób polega na tym, że najpierw mierzy się prąd IEBIC w pierwszym położeniu wiązki i dobiera się prąd wiązki elektronowej Ibeam tak, aby powodował on stan nasycenia lub bliski nasyceniu prądu IEBIC dla określonej wartości rezystancji REBIC. Wartość prądu wiązki Ibeam powinna być na tyle duża, że dalszy jego wzrost ma mały wpływ na zmianę prądu IEBIC. Następnie mierzy się prąd IEBIC w drugim położeniu wiązki po przesunięciu jej o odległość D > 0 od kontaktu omowego, po czym poprzez zmianę kompensującej rezystancji Rc w obwodzie tak kompensuje się zmianę całkowitej rezystancji REBIC elektrycznego obwodu pomiarowego spowodowaną przesunięciem wiązki, aby prąd IEBIC dla obydwu miejsc pomiaru był jednakowy i odczytuje się wartoś ci mierzonej rezystancji, która odpowiada zmianie rezystancji kompensują cej Rc. Korzystnie jest, jeżeli kompensację zmiany rezystancji prowadzi się za pomocą zmiennego rezystora znajdującego się w obwodzie pomiarowym EBIC.

Sposób według wynalazku znakomicie rozszerza możliwości diagnostyczne skaningowego mikroskopu elektronowego, umożliwia pomiar rezystancji z wysoką rozdzielczością przestrzenną, jaką umożliwia mikroskopia elektronowa, jest sposobem nie niszczącym. Ponadto sposób umożliwia pomiar warstw o rozmaitej grubości, w tym cienkich warstw półprzewodnikowych oraz charakteryzację warstw o różnej rezystywności, w tym warstw wysokorezystywnych.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie pomiaru rezystancji warstwy zagrzebanej, która stanowi ograniczenie boczne w heterostrukturach laserowych typu ridge waveguide. Struktura ta posiada złącze p-n, omowe kontakty metaliczne na wierzchu obszaru mesy p^*-GaAs i na spodzie obszaru n^*-GaAs oraz warstwę tlenkową. Na fig. 1 przedstawiono zależność prądu wiązki IEBIC od prądu Ibeam, a na fig. 2 - mierzoną warstwę półprzewodnikową w strukturze laserowej.

Ograniczenia boczne po obydwu stronach obszaru mesy dzięki swojej dużej rezystancji minimalizują przepływ prądu w obszarach poza mesą, co jest istotne dla prawidłowego działania lasera. ObPL 207 939 B1 szary typu p-AIGaAs są pocienione poprzez wytrawienie w obszarach poza mesą i mają typ domieszkowania p.

Prąd IEBIC jest generowany wewnątrz oraz blisko złącza p-n. Mierzy się go w pierwszym położeniu wiązki i dobiera tak prąd wiązki elektronowej Ibeam, aby powodował on nasycenie prądu IEBIC lub stan bliski temu nasyceniu dla istniejącej wartości całkowitej rezystancji REBIC elektrycznego obwodu pomiarowego REBIC. Wówczas wartość prądu wiązki Ibeam jest na tyle duża, że dalsza jej zmiana ma mały wpływ na zmianę prądu IEBIC.

Przykładową strukturę o szerokości mesy równej W = 582 μm umieszczono w obwodzie EBIC skaningowego mikroskopu elektronowego. Następnie, na środkową część obszaru p warstwy AlGaAs skierowano wiązkę elektronową o energii 30 keV i prądzie wiązki 150 nA, podczas gdy całkowita rezystancja R_Ebic elektrycznego obwodu pomiarowego wynosiła około 7 kΩ. Początkowo wiązkę skierowano w miejsce oddalone od krawędzi mesy o 60 μm i zmierzono prąd I_EBIC, który wynosił 80 μA. Następnie, wiązkę przesunięto o 20 μ^ι wzdłuż warstwy półprzewodnikowej, prostopadle do krawędzi mesy i krawędzi kontaktu omowego, oddalając ją od kontaktu omowego. Przesunięcie wiązki było dostatecznie duże w stosunku do dokładności jej przesunięcia. W zależności od położenia wiązki elektronowej na próbce, prąd iEBiC płynął przez badaną warstwę, w kierunku kontaktu omowego dłuższą lub krótszą drogą, czyli poprzez większą lub mniejszą rezystancję. Rezystancje pozostałych części obwodu EBiC nie zależały od położenia wiązki elektronowej na próbce. W wyniku zmian całkowitej rezystancji w obwodzie EBiC związanej ze zmianami rezystancji wywołanymi przesunięciem wiązki elektronowej, zmienił się prąd iEBiC mierzony przez miernik prądu. Zewnętrzna zmienna rezystancja Rc (w przykładzie rezystor dekadowy) włączona do obwodu elektrycznego EBiC, umożliwiła kompensowanie za pomocą zmian Rc przeciwnych zmian rezystancji REBiC w obwodzie.

Ponieważ wzrost całkowitej rezystancji w obwodzie EBiC odpowiada za zmniejszenie prądu iEBiC, to nałożenie warunku, że kompensacja przez zmianę Rc zapewnia stałą wartość prądu iEBiC, gwarantuje zachowanie w trakcie pomiarów stałej wartości całkowitej rezystancji REBiC w obwodzie, pomimo przesuwania wiązki elektronów. Wartości bezwzględne zmian Rc, które utrzymują stały prąd iEBiC podczas przesuwania wiązki elektronowej wzdłuż warstwy są takie same, jak zmiany rezystancji pomiędzy dwoma położeniami wiązki elektronowej dla warstwy półprzewodnikowej wpływające na całkowitą rezystancję obwodu EBiC.

Wartość mierzonej rezystancji jest określona przez różnicę ΔR_c = R_c(D = 0) - R_c(D) pomiędzy wartościami kompensującej rezystancji w dwóch położeniach wiązki, gdzie D > 0 jest zmianą odległości wiązki elektronowej od kontaktu omowego do mierzonej warstwy pomiędzy początkowym położeniem wiązki a położeniem po jej przesunięciu. W rozpatrywanym przypadku zmiana rezystancji kompensującej ΔR_c wyniosła 215 Ω. Oznacza to, że tyle wynosi rezystancja mierzonej warstwy o długości 20 μτη oraz szerokości 582 μm.

Zmiany rezystancji ΔR_c blisko kontaktu omowego zmieniają się nierzadko nieliniowo wraz z odległością D. Przy dalszym wzroście odległości D zmiany rezystancji stają się jednak liniowe wraz z kolejnymi przyrostami odległości. Liniowe zmiany rezystancji R_c o wartość ΔR_c wraz z odległością D określają rezystancję powierzchniową Rs, którą wyznacza się ze znanej zależności:

R_s = W ΔR_c / D, gdzie: W jest szerokością mierzonego elementu lub struktury z mierzoną warstwą, przy czym D / W określa tak zwaną liczbę kwadratów obszaru rezystywnego. W rozważanym przypadku obliczona wielkość rezystancji powierzchniowej wynosi R_s = 6250 Ω/ο.

Rezystancja powierzchniowa jest ważnym parametrem technologicznym, istotnym dla oceny jakości wytwarzanych warstw, jak również dla wykorzystania w aplikacjach struktur półprzewodnikowych. iloczyn rezystancji powierzchniowej Rs i tak zwanej liczby kwadratów określonej przez stosunek długości L i szerokości W dla warstwy i ewentualnie kształt rezystora (gdy jest on inny od prostokąta) określa rezystancję odpowiedniego elementu struktury półprzewodnikowej.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru rezystancji warstw półprzewodnikowych posiadających złącze p-n lub będących częścią złącza p-n polegający na zaopatrzeniu mierzonej warstwy w kontakt omowy, umieszczeniu jej w elektrycznym obwodzie pomiarowym EBiC i poddaniu działaniu wiązki elektronowej o energii

PL 207 939 B1 generującej nośniki w obszarze zubożonym tego złącza lub w jego bezpośrednim otoczeniu, znamienny tym, że najpierw mierzy się prąd IEBIC w pierwszym położeniu wiązki i dobiera się prąd wiązki elektronowej Ibeam tak, aby powodował on stan nasycenia lub bliski nasyceniu prądu IEBIC dla określonej wartości rezystancji REBIC, przy czym wartość prądu wiązki Ibeam jest na tyle duża, że dalsza jego zmiana ma mały wpływ na zmianę prądu IEBIC, następnie mierzy się prąd IEBIC w drugim położeniu wiązki po przesunięciu jej o odległość D > 0 od kontaktu omowego, po czym poprzez zmianę kompensującej rezystancji Rc w obwodzie, tak kompensuje się zmianę całkowitej rezystancji REBIC elektrycznego obwodu pomiarowego spowodowaną przesunięciem wiązki, aby prąd IEBIC dla obydwu miejsc pomiaru był jednakowy i odczytuje się wartości zmiany rezystancji kompensującej Rc, która odpowiada rezystancji mierzonej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kompensację zmiany rezystancji prowadzi się za pomocą zmiennego rezystora (Rc) umieszczonego w elektrycznym obwodzie pomiarowym EBIC.

Rysunki

350

300 ξ 250 g 200 UJ

150 100 50 -

0 100 200 300 400

Ibeam (nA)

Fig Iprzesuwanie wiązki /_EBiC

Fig.2

Departament Wydawnictw UP RP