SU934320A1

SU934320A1 - Method of measuring uniform distribution of non-compensated impurity in semiconductor specimen

Info

Publication number: SU934320A1
Application number: SU782622949A
Authority: SU
Inventors: Зиновий Самойлович Грибников; Валентин Александрович Романов; Сергей Иванович Козловский
Original assignee: Институт Полупроводников Ан Усср
Priority date: 1978-05-31
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1982-06-07

Description

Изобретение относитс к производству и применению полупроводниковых материалов и может быть использовано дл экспресс-измерений распределени локальной концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковых об разцах, преимущественно с одномерно неоднородным легированием в заводских и лабораторных услови х. Известен способ измерени распределени концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниках путем измерени поворота плоскости пол ризации излучени от источника монохроматического линейно пол ризованного света, прошедшего через помещенный в магнитное поле полупроводниковый образец. Поворот плоскости пол ризации определ етс концентрацией нескомпенсированных примесей, напр женностью магнитного пол , линейным размером образца в направлении пучка света, а также другими параметрами, Сканирование образца относительно пуч ка ИК-излучени позвол ет получить распределение концентрации нескомпенсированной примеси Э (х) на самопишущем потенциометре ГПОднако недостаточно высока чувст вительность данного способа сущест- венно ограничивает диапазон измер емых значений Эй с нижней стороны. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности вл етс способ измерени одномерного распреде. лани концентрации нескомпенсированной примеси в полупроводниковом образ це путем сканировани вдоль образца пучком ИК-излучени и измерени интенсивности прошедшего сквозь образец излучени L2 . Физическа сущность этого способа заключаетс в том, что- в нем ис - пользуетс метод поглощени ИК-излучени , учитывающий как поглощение ИКизлучени решеткой кристалла, так и поглощение излучени свободны/-1И носител ми тока, концентраци которых равна концентрации нескомпенсированной легирующей примеси. В св зи тем, что .поглощение решеткой само по себе достаточно сильно, заметный кон траст, обусловленный поглощением на свободных носител х тока на фоне по лощени решеткой, вы вл етс лишь при концентраци х нескомпенсированно легирующей примеси, превышающих 10см-. Достоинством известного способа вл етс простота и экспресность ме тода получени информации о распреде лении флуктуации концентрации неском пенсированной примеси в образце и высока разрешающа способность, дос тигающа 30 мкм и определ ема разме ром сканирующего пучка ИК-излучени Однако недостаточно высока чувст вительность известного способа не позвол ет вы вл ть и измер ть флукту ации в распределении концентрации нескомпенсированной легирующей примеси и саму концентрацию, если ее величина не превышает , что существенно ограничивает его использование дл исследовани образцов слабо легированных полупроводниковых материалов, представл ющих большой интерес дл полупроводниковой техники . Кроме того, известный свпособ совершенно неприемлем дл вы влени флуктуации нескомпенсированной приме си в полупроводниках с собственной проводимостью, поскольку в этом случае поглощение на свободных носител х будет совершенно однородным по всему образцу. Цель изобретени - повышение чув ствительности способа. Поставленна цель достигаетс тем что в способе, включающем сканирование вдоль образца пучком ИК-излучени и измерение интенсивности прошедшего сквозь образец излучени , к исследуемому образцу прикладывают импульсы электрического напр жений, привод щего к дрейфовому распределению неравновесных носителей зар д в образце, и измер ют изменение интенсивности прошедшего ИК-излучени Измерени провод т в услови х ин;| екции неравновесных носителей зар да. Наличие дрейфового распределени неравновесных носителей зар да устангтвливают по признаку совпадени нормированных распределений кон0 .4 центрации неравновесных носителей при двух величинах тока, протекающего через образец, отличающихс в полтора-два раза. Физическа сущность предлагаемого способа заключаетс в использовании ранее неизвестной закономерности, а именно возникающего при определенных услови х подоби между одномерным (например, в направлении х) распределением концентрации нескомпенсированной примеси Эе. (х) в полупроводниковом образце (дл определенности , с электронной проводимостью ) и распределением концентрации неравновесных носителей, вл ющегос следствием протекани через него тока в направлении х. Неравновесные носители могут быть собствеными либо ин)хектированными через контакт ли светом. Величина протекающего тока олжна быть такой, чтобы св занное с ним окальное электрическое поле было значительно больше встроенного концентрационного пол , св занного с неоднородным распределением нескомпенсированной примеси Зб(х), т.е. распределение неравновесных носителей р(х) должно быть дрейфовым. В этом случае между локальными концентраци ми р(х) и %(х) существует св зь р(х) (x), (1) где 2 - сложна функци подвижностей электронов и дырок, времени жизни неравновесных носителей , концентрации равновесных iHeocHOBHbix носителей,а также плотности протекающего тока и оассто ни до точки в образце, в которой распределение носителей из диффузионного становитс дрейфовым. При использовании инжекции по вл етс возможность усилени искомого распределени концентрацииЭв(х), поскольку функци Z возрастает по мере роста тока и-при достаточно большом токе может во много раз превышать единицу. i В св зи с тем, что функци Z медленно измен етс с координатой х, из формулы С 1) вытекает, соотношениеThe invention relates to the production and use of semiconductor materials and can be used for rapid measurements of the distribution of the local concentration of uncompensated impurity in semiconductor samples, mainly with unidimensionally inhomogeneous doping in plant and laboratory conditions. A known method of measuring the distribution of the concentration of uncompensated impurity in semiconductors by measuring the rotation of the polarization plane of radiation from a source of monochromatic linearly polarized light transmitted through a semiconductor sample placed in a magnetic field. The rotation of the polarization plane is determined by the concentration of uncompensated impurities, the magnetic field strength, the linear size of the sample in the direction of the light beam, as well as other parameters. Scanning the sample relative to the infrared radiation beam yields the distribution of the concentration of uncompensated impurity E (x) on a self-typing potentiometer In general, the sensitivity of this method is not high enough to significantly limit the range of measurable Hey values from the bottom. Closest to the proposed technical entity is a method for measuring one-dimensional distribution. Doe concentration of uncompensated impurity in a semiconductor sample by scanning along the sample with a beam of infrared radiation and measuring the intensity of radiation transmitted through the sample L2. The physical essence of this method is that it uses the method of absorption of infrared radiation, taking into account both the absorption of infrared radiation by the crystal lattice and the absorption of free radiation / -1I current carriers, the concentration of which is equal to the concentration of uncompensated dopant. Due to the fact that the absorption by the lattice itself is rather strong, a noticeable contrast caused by the absorption of current on free carriers against the background of the grating enhancement is revealed only at uncompensated dopant concentrations exceeding 10 cm. The advantage of this method is the simplicity and expressiveness of the method of obtaining information on the distribution of concentration fluctuations of a somewhat compensated impurity in a sample and the high resolution that reaches 30 microns and is determined by the size of the scanning beam of infrared radiation. However, the sensitivity of the known method is not sufficient. It is impossible to detect and measure fluctuations in the distribution of the concentration of uncompensated dopant and the concentration itself, if its value does not exceed, which is significantly limited. anichivaet its use for the study of samples of weakly doped semiconductor material representing high interest for semiconductor technology. In addition, the known method is completely unacceptable for detecting fluctuations of an uncompensated impurity in semiconductors with intrinsic conductivity, since in this case the absorption on free carriers will be completely uniform throughout the sample. The purpose of the invention is to increase the sensitivity of the method. The goal is achieved by the fact that in a method involving scanning an IR beam along a sample and measuring the intensity of radiation transmitted through a sample, pulses of electrical voltage are applied to the sample under test, leading to a drift distribution of non-equilibrium charge carriers in the sample. of the last infrared radiation The measurements are carried out in the conditions of in; | lectures of nonequilibrium charge carriers. The presence of the drift distribution of nonequilibrium charge carriers is established on the basis of the coincidence of the normalized concentration distributions of the concentration of nonequilibrium carriers at two current values flowing through the sample, differing in one and a half to two times. The physical essence of the proposed method lies in the use of a previously unknown pattern, namely, under certain conditions, similarity between the one-dimensional (for example, in the x direction) distribution of the concentration of uncompensated impurity Ee. (x) in a semiconductor sample (for definiteness, with electronic conductivity) and a distribution of the concentration of nonequilibrium carriers, resulting from the flow of current through it in the x direction. Non-equilibrium carriers can be either private or injected through contact or light. The magnitude of the flowing current must be such that the local electric field associated with it is significantly greater than the built-in concentration field associated with the nonuniform distribution of the uncompensated impurity of the PC (x), i.e. the distribution of nonequilibrium carriers p (x) should be drift. In this case, between local concentrations p (x) and% (x) there is a relationship p (x) (x), (1) where 2 is the complex function of electron and hole mobilities, the lifetime of non-equilibrium carriers, the concentration of equilibrium iHeocHOBHbix carriers, as well as the density of the flowing current and the diffusion to a point in the sample, in which the distribution of carriers from the diffusion current becomes drift. When using injection, it becomes possible to enhance the desired distribution of the concentration Ee (x), since the function Z increases as the current increases and, at a sufficiently large current, can exceed many times the unit. i Due to the fact that the function Z is slowly changing with the x coordinate, formula C 1) implies that

Величины, вход щие в каждое из отношений,определ ютс следующим образом:The values included in each of the relationships are determined as follows:

U)9 /XUux()()U) 9 / XUux () ()

(3)(3)

деДЭеи) - локальна амплитуда отклонени концентрации нескомпенсированной примеси от ее усредненной величины, 9g(x) - усредненна на длинеdeDays) - local amplitude deviation of the concentration of uncompensated impurity from its average value, 9g (x) - averaged over the length

нескольких периодов неоднородности величина концентрации нескомпеисированной примеси.several periods of inhomogeneity, the concentration of uncomplicated impurities.

р(х) рТх) + др(х). ,p (x) pTx) + dr (x). ,

гдедр(х) - локальна амплитуда отклонени концентрации неравновесных носителей от ее усредненного зна- чени , р(х) - усредненна на длинеwhere gedr (x) is the local amplitude of the deviation of the concentration of nonequilibrium carriers from its average value, p (x) is averaged over the length

нескольких периодов неоднородности величина концентрации неравновесныхseveral periods of heterogeneity the concentration of nonequilibrium

носителей. carriers.

В формуле (2) величина Эе (х) вл етс паспортным параметром полупроводникового материала, который может быть также легко определен с помощью стандартного двух.- или четырехзондового метода измерени удельного сопротивлени и величиныIn the formula (2), the value Ee (x) is the passport parameter of the semiconductor material, which can also be easily determined using the standard two- or four-probe method for measuring the resistivity and

подвижности носителей. carrier mobility.

Кроме значени величины(х) дл нахождени распределени концентрации нескомпенсированной примеси необходимо провести измерение распределени неравновесных носителей р(х) по длине образца в услови х протекани тока и выполнени требовани ; дрейфового распределени . На практике в выполнении этого требовани лег ко убедитьс , провод измерени распределени р(х) при двух отличающихс в полтора-два раза значени х тока Распределение носителей действительно дрейфовое, если полученные дл двух значений тока нормированные распределени р(х) совпадают.In addition to the value (x), in order to find the distribution of the concentration of uncompensated impurity, it is necessary to measure the distribution of non-equilibrium carriers p (x) along the sample length under the conditions of current flow and fulfillment of the requirement; drift distribution. In practice, it is easy to see that this requirement is met by measuring the distribution of p (x) at two and a half to two times current values. The distribution of carriers is really drift if the normalized distributions p (x) obtained for two current values coincide.

Наиболее чувствительным методом измерени распределени концентрациинеравновесных носителей р(х) вл етс метод поглощени на неравновесных носител х, изменение концентрации которых обусловлено проход щим черезThe most sensitive method for measuring the distribution of the concentration of nonequilibrium carriers p (x) is the absorption method on non-equilibrium carriers, the change in concentration of which is caused by passing through

образец током. При использовании импульсного питани образца и синхронного с импульсами напр жени детектировани прошедшего через образец излучени оказываетс возможным вы вление и измерение малых изменений концентрации неравновесных носителей и св занных с ними соотношением (1) пространственных изменений концентрации нескомпенсированных примесей. sample current. When using the pulsed power supply of the sample and synchronous with the voltage pulses of detecting the radiation transmitted through the sample, it becomes possible to detect and measure small changes in the concentration of non-equilibrium carriers and associated (1) spatial changes in the concentration of uncompensated impurities.

На чертеже представлена блок-схема установки, реализующей предлагаемый способ.The drawing shows the block diagram of the installation that implements the proposed method.

Установка состоит из источника ИК-излучени (глобара ), плоского зеркала 2, двух сферических зеркал 3 и 4, полупроводникового образца 5 и механизма 6 его перемещени , оптической щели 7, приемника 8 излучени , генератора 9 пр моугольных импульсов напр жени , усилител 10 сигнала с приемника излучени , синхронного детектора 11, самопишущего потенциометра 12 и модул тора 13 излучени .The installation consists of a source of infrared radiation (globar), a flat mirror 2, two spherical mirrors 3 and 4, a semiconductor sample 5 and its movement mechanism 6, an optical slit 7, a radiation receiver 8, a generator 9 of rectangular voltage pulses from a radiation receiver, a synchronous detector 11, a self-recording potentiometer 12 and a radiation modulator 13.

Установка работает следующим образом.The installation works as follows.

Пучок света от глобара 1 фокусируют зеркалами 2 и 3 на поверхность исследуемого полупроводникового образца 5, перемещаемого вдоль направлени X механизмом 6. Излучение, вышедшее из.образца, ограничиваетс щелью 7 с размерами 0,05x1,5 мм и зеркалом f фокусируетс на охлаждаемый жидким азотом приемник 8 излучени на основе легированного золотом германи . Сигнал с приемника 8 излучени усиливают резонансным усилителем 10 со входным строб-каскадом который открываетс синхронно с импульсами напр жени , поступающими от генератора 9 на контакты образца 5Сигнал с усилител 10 поступает на синхронный детектор 11 и далее на самопишущий потенциометр 12, на котором и регистрируетс распределение изменени поглощени Л1(х) ИК-излучени на неравновесных носител х при перемещении образца вдоль направлени X. При работе в качестве опорного сигнала дл синхронного детекто ра 11 используют первую гармонику импульсного напр жени на контактах образца 5- Параметры импульсов от генератора 9 амплитуда 0-120 В, длительность 200 мкс, частота повтооени 25 Гц. 7 Дл получени количественных данных о величине локального изменени концентрации неравновесных носителей р(х) на этой же установке измер ют распределение интенсивности прошедшего излучени , св занного с полным поглощением в образце 5 (х) в услови х отсутстви импульсного напр жени на образце, но при механической модул ции излучени от глобара 1 с помощью модул тора 13. Далее наход т распределение концентрации неравновесных носителей по формуле ,. (х)/1ЫЗ GT-ty (5) где О - сечение поглощени , равное например, дл германи/i при германи ЗООКб 1,3+-10 см - размер образца в направле НИИ проход щего ИК-пучка. Из этого распределени и формулы (+) получают затем распределени рТх) и др(х). Последние с учетом формул (2) и(3) позвол ют найти искомое одномерное распределение концентрации нескомпенсированной пр меси , равное (ХЬэёи)1 + рЫ)|ри) (6) Необходимо отметить, что согласно формуле (1) при чувствительность способа измерени одномерного распре делени концентрации нескомпенсированной примеси определ етс чувствительностью измерени распределени концентрации неравновесных носителей , котора благодар регистрации исключительно изменени этой концентрации в услови х протекани через образец импульсов тока, сама по себе в 10 раз выше чувствительности известного способа, измерени распределени концентрации нескомпеисированной примеси Эе(х), Возрастание функции Z с ростом тока увеличивает чувствительность предлагаемого) способа дополнительно в Z раз (реально Z может измен тьс в пределах 1-10 и редко более того). Особо благопри тные услови дл использовани предлагаемого способа возникают при исследовании электронного германи , в котором неравновесные дырки имеют сечение поглощени примерно в 20 раз больше, чем у неравновесных 0 электронов. В св зи со сказанным реальна чувствительность предлагаемого способа выше чувствительности известного способа измерени распределени концентрации нескомпенсированной примеси в 10 - 10 раз при исследовании электронного германи и в раз при исследовании прочих полупроводников. Испытани способа измерени одномерного распределени концентрации нескомпенсированной примеси провод т с использованием п ти образцов промышленного германи типа ГЭС-5/1 со средней концентрацией доноров 3 с размерами (мм), 1 2,5, снабженных двум слабо инжектирующими па ными олов нными контактами,нанесенными на торцовые yz-плоскости образцов. Как известно, при легировании полупроводников, выт гиваемых из расплава в направлении LtIIJ, в них возникает неоднородное слоистое распределение концентрации легирующей примеси,причем слои с повышенной (или пониженной7 концентрацией примеси, по крайней мере вблизи оси кристалла, располагаютс перпендикул рно оси роста. В св зи с этим можно было ожидать, что в исследуемых образцах плоскости слоев будут параллельными их yz-гран м. Перед измерени ми XZ-грани образцов полируют и щель ориентируют в Z -направлении. В результате измерений вы влено четкое распределение слоистой неодно родности концентрации доноров при отношении сигнала к шуму, равном 20. При этом средн величина амплитуды неоднородности концентрации доноровда: равна 2-10 см т. е, .дэё/з5 0,08. В исследуемых образцах с помощью зондового метода измерени удельного сопротив лени не удаетс зарегистрировать такую неоднородное ь в распределении концентрации доноров, поскольку погрешность зондового метода реально составл ет 0,2-0,25. В процессе измерений величина функции Z в формуле (1) измен етс в пределах 1-5 в диапазоне плотностей тока через образец 20 - А/см Испытани показы вают, что результаты измерени распределени концентрации доноров в исследуемых образцах не измен ютс в диапазоне температур образцов 20100 С . При 100 С измерени распределени амплитуды неоднородности, равThe beam of light from globar 1 is focused by mirrors 2 and 3 onto the surface of the investigated semiconductor sample 5, moved along the X direction by mechanism 6. Radiation released from the sample is limited by slit 7 with dimensions of 0.05x1.5 mm and mirror f is focused on cooled with liquid nitrogen 8 radiation receiver based on gold-doped germanium. The signal from the radiation receiver 8 is amplified by a resonant amplifier 10 with an input strobe cascade that opens synchronously with the voltage pulses coming from generator 9 to sample contacts 5 The signal from amplifier 10 is fed to a synchronous detector 11 and then to a self-recording potentiometer 12, on which the distribution is recorded changes in the absorption L1 (x) of infrared radiation on non-equilibrium carriers when the sample is moved along the X direction. When operating, the first harmonic is used as a reference signal for the synchronous detector 11 The pulse voltage on the sample contacts 5- The parameters of the pulses from the generator 9 are amplitude 0-120 V, duration 200 µs, repetition frequency 25 Hz. 7 In order to obtain quantitative data on the magnitude of the local change in the concentration of nonequilibrium carriers p (x) at the same facility, the intensity distribution of the transmitted radiation is measured, which is associated with the total absorption in the sample 5 (x) in the absence of a pulse voltage on the sample, but at mechanical modulation of radiation from globar 1 using a modulator 13. Next, we find the distribution of the concentration of nonequilibrium carriers by the formula,. (x) / 1YZ GT-ty (5) where O is the absorption cross section, for example, for germanium / i with germanium ZOOKb 1.3 + -10 cm is the sample size in the direction of the scientific research institute of the IR beam passing. From this distribution and the formula (+), then the distributions of pTx) and others (x) are obtained. The latter, taking into account formulas (2) and (3), allow one to find the desired one-dimensional distribution of the concentration of an uncompensated mixture, equal to (Xyoi) 1 + pY) | ri) (6) It should be noted that according to formula (1) with the sensitivity of the method of measuring one-dimensional the distribution of the concentration of uncompensated impurity is determined by the sensitivity of the measurement of the distribution of the concentration of nonequilibrium carriers, which, by registering only the changes in this concentration under the conditions of flow of current pulses through the sample, is itself 10 times higher than the sensitivity of the known method, measuring the concentration distribution of the uncompressed impurity Ee (x). Increasing the function Z with increasing current increases the sensitivity of the proposed method by an additional factor of Z (actually Z can vary between 1-10 and rarely more). Particularly favorable conditions for the use of the proposed method arise in the study of electron germanium, in which non-equilibrium holes have an absorption cross section of about 20 times greater than that of non-equilibrium 0 electrons. In connection with the above, the real sensitivity of the proposed method is higher than the sensitivity of the known method of measuring the distribution of the concentration of uncompensated impurity by a factor of 10 to 10 when studying electron germanium and times when studying other semiconductors. Testing of the method of measuring the one-dimensional distribution of the concentration of uncompensated impurity is carried out using five industrial germanium samples of the HES-5/1 type with an average concentration of donors 3 with dimensions (mm), 1 2.5, equipped with two weakly injecting solder tin contacts on the face yz-planes of the samples. As is known, when doping semiconductors drawn from the melt in the direction LtIIJ, a non-uniform layered distribution of the concentration of the doping impurity arises in them, and layers with an increased (or reduced 7 concentration of impurity, at least near the axis of the crystal, are perpendicular to the growth axis. Therefore, it could be expected that in the samples under study, the planes of the layers will be parallel to their yz-faces. Before measuring, the XZ-faces of the samples are polished and the slit is oriented in the Z-direction. but a clear distribution of the layered heterogeneity of the concentration of donors with a signal-to-noise ratio of 20. At the same time, the average amplitude of the inhomogeneity of the concentration of the donor is: 2-10 cm, i.e., de / h5 0.08. measurements of resistivity cannot detect such a non-uniform donor concentration distribution, since the error of the probe method is actually 0.2-0.25. During the measurements, the magnitude of the function Z in formula (1) varies from 1-5 in the range of current densities through the sample 20 - A / cm. Testing shows that the results of measuring the distribution of the concentration of donors in the samples under study do not change in the temperature range of samples 20100 WITH . At 100 ° C, measuring the amplitude distribution of an inhomogeneity, is

Claims

Claim

1. Method for measuring one-dimensional: the concentration distribution of uncompensated impurities in a semiconductor sample by scanning along the sample with a beam of infrared radiation and measuring the intensity of the transmitted

2. The method of conductivity is carried out in equilibrium

3. The method according to π.1, about those "*, that, the conditions of the media according to claims 1 and those | "= T and h and measurements of injection are not charged.

2, which implies that the presence of a drift distribution of nonequilibrium charge carriers is established by the sign of the coincidence of the normalized concentration distributions of nonequilibrium charge carriers at two values of the current flowing through the sample, differing by a factor of one and a half to two.