ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

способ определения электропроводности и энергии активации примесных центров полупроводниковых слоев

Классы МПК:G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот
G01N22/02 обнаружение локальных дефектов
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-05-04
публикация патента:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу определения электропроводности и толщины слоя полупроводника на поверхности диэлектрика, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле свойств полупроводниковых слоев. Предложенный способ включает облучение структуры электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, измерение спектра отражения излучения от структуры в выбранном частотном диапазоне при двух различных значениях температуры T1 и T2, далее по полученным зависимостям определяют электропроводность способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1 и способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2 полупроводникового слоя при двух значениях температуры T1 и T2 соответственно, далее выбирают значения температур из диапазона, в котором изменение концентрации носителей заряда связано с ионизацией примесных центров, затем определяют энергию активации примесных центров способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W, используя соотношение: способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W=2kT1T2[ln(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1/способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2)]/(T1-T2), где k - постоянная Больцмана. Одновременное определение электропроводности при пониженных температурах, например 180-190 К, и соответственно энергии активации примесных центров позволяет определить параметры полупроводникового слоя в измеряемой структуре диэлектрик-полупроводник, что является техническим результатом. 2 ил. способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238

Рисунки к патенту РФ 2516238

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения электропроводности и толщины слоя полупроводника на поверхности диэлектрика и найти применение в различных отраслях промышленности при контроле свойств полупроводниковых слоев.

Для определения электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур можно использовать результаты измерений спектров отражения взаимодействующего с ними сверхвысокочастотного излучения при условии, что известно их теоретическое описание. Одновременное определение параметров полупроводниковых слоев таких, как электропроводность и энергия активации примесных центров, на современном уровне развития техники не представляется возможным ввиду того, что при различных сочетаниях значений указанных параметров может наблюдаться одинаковая частотная зависимость коэффициента отражения сверхвысокочастотного излучения.

Известен способ определения свойств контролируемого материала с использованием двухэлектродных или трехэлектродных емкостных преобразователей (см. А.В. Бугров. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. - М.: Машиностроение, 1982. Стр.44). В общем случае свойства преобразователя зависят как от размеров, конфигурации и взаимного расположения электродов, так и от формы, электрофизических свойств контролируемого материала и его расположения по отношению к электродам.

Данный способ не позволяет с высокой скоростью производить сканирование больших поверхностей; нет возможности разделения возбудителя сканирующего поля и приемного устройства; требуются специальные методы отстройки от зазора; не подходит для измерения электропроводности при пониженных, например, азотных температурах.

Известен спектрофотометрический способ определения энергии активации полупроводников (см. Ж. Панков. Оптические процессы в полупроводниках. - М.: Мир, 1973). Спектрофотометрический способ основан на регистрации поглощения квантов света при стимуляции переходов примесь-зона.

Недостатком данного способа является малая разрешающая способность порядка 0,2 eV.

Известен способ определения электрофизических параметров полупроводников (см. патент РФ на изобретение № 2080611, МПК G01R 31/26), заключающийся в том что контролируемую полупроводниковую пластину помещают между двумя проводящими обкладками, одна из которых прозрачна, неравновесную разность потенциалов на барьерном переходе создают путем облучения полупроводниковой пластины через прозрачную обкладку электромагнитным излучением и генерации фото ЭДС. Полупроводник облучают прямоугольными импульсами электромагнитного излучения фиксированной интенсивности, а значения параметров релаксационных процессов рассчитывают по значениям параметров импульсов напряжения на проводящих обкладках. Анализируя параметры релаксационных процессов, определяют концентрацию примесных центров и энергию их активации.

Однако данный способ имеет низкую точность в связи с тем, что является контактным.

За прототип принят способ определения электропроводности и толщины полупроводниковых слоев (см. патент РФ на изобретение № 2439541, МПК G01N 22/00), включающий облучение структуры излучением СВЧ-диапазона, измерение спектра отражения (зависимости коэффициента отражения от частоты электромагнитного излучения) от измеряемой структуры в выбранном СВЧ-диапазоне при двух значениях температуры, далее по полученным зависимостям, решая обратную задачу, определяют искомые параметры.

Однако данный способ не подходит для определения энергии активации примесных центров в полупроводнике.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности определения электропроводности способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 при пониженных, например, азотных температурах, а также энергии активации примесных центров способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей: одновременного определения электропроводности способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 при пониженных, например, азотных температурах и энергии активации примесных центров способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W.

Поставленная задача решается тем, что способ определения параметров полупроводникового слоя в измеряемой структуре диэлектрик-полупроводник, включающий облучение структуры электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, измерение спектра отражения излучения от структуры в выбранном частотном диапазоне при двух различных значениях температуры T1 и Т 2, далее по полученным зависимостям решают обратную задачу, определяют электропроводность способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1 и способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2 полупроводникового слоя при двух значениях температуры Т1 и Т2 соответственно, согласно решению значения температур выбирают из диапазона, в котором изменение концентрации носителей заряда связано с ионизацией примесных центров, затем определяют энергию активации примесных центров, используя соотношение: способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W=2kT1T2[ln(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1/способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2)]/(T1-T2), где k - постоянная Больцмана.

Решая обратную задачу, например, находят минимум функции невязок, являющейся суммой квадратов разностей измеренных и рассчитанных значений коэффициента отражения

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238

где T - значения температуры, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 - частота излучения, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W - энергия активации примесных центров, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 - электропроводность полупроводника, i - номера измерений на частоте способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 i, R(T,способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 ,способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W,способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 i) - рассчитанное значение коэффициента отражения СВЧ-излучения, и способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 - экспериментально полученное значение коэффициента отражения для измерений на частоте способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 i.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема установки для измерения частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона от измеряемой структуры диэлектрик-полупроводник; на фиг.2 приведены зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона от измеряемой структуры диэлектрик-полупроводник при различных значениях температуры;

Позициями на чертежах обозначены:

1 - генератор качающейся частоты,

2 - коаксиально-волноводный преобразователь,

3 - волновод,

4 - вентиль,

5 - слой диэлектрика в составе исследуемой структуры,

6 - слой полупроводника в составе исследуемой структуры,

7 - согласованная нагрузка,

8 - направленные ответвители,

9 - детекторы,

10 - индикатор коэффициента стоячей волны по напряжению и ослабления,

11 - аналогово-цифровой преобразователь,

12 - компьютер,

A - зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона от измеряемой структуры диэлектрик-полупроводник при температуре 190 К.

B - зависимость коэффициента отражения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона от измеряемой структуры диэлектрик-полупроводник при температуре 180 К.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Для отыскания параметров полупроводникового слоя - электропроводности и энергии активации примесных центров полупроводникового слоя, необходимо найти минимум функции невязок, являющейся суммой квадратов разностей измеренных и рассчитанных значений коэффициента отражения.

Для нахождения глобального минимума, например, можно решать уравнение, определяемое из условия равенства нулю производной функции невязок по неизвестному параметру, полученного дифференцированием уравнения (1):

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238

Измеряют частотную зависимость коэффициента отражения СВЧ-излучения от измеряемой структуры R(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 ) при первом значении температуры Т1, из уравнения (2) определяют значение электропроводности способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1.

Повышая температуру измеряемой структуры на 10 К, измеряют R(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 ) при втором значении температуры T2, определяют новое значение электропроводности способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2.

Известна температурная зависимость электропроводности полупроводников в области примесной проводимости:

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238

где способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 0 - электропроводность при полной ионизации примесных центров, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W - энергия активации примесных центров, k - постоянная Больцмана, T - температура, определяют способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W. Запишем уравнение (2) для разных температур, разделив правую и левую части уравнения для одной температуры (T1 ) на соответствующие части для другой температуры (T2 ) и разрешив полученное соотношении относительно способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W, имеем следующее соотношение:

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W=2kT1T2[ln(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1/способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2)]/(T1-T2),

где способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1 - электропроводность при температуре Т 1, а способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2 - электропроводность при температуре T 2.

При малых изменениях температуры (Т 12) вклад, вносимый температурной зависимостью подвижности, по сравнению с изменением концентрации в этом случае пренебрежимо мал, его учет не приводит к какому-либо ощутимому уточнению параметров.

При теоретическом анализе рассматривалось распространение TE10(H10 )-волны в волноводе и ее отражение от структуры полупроводник-диэлектрик.

Соотношение, определяющее коэффициент отражения от двухслойной структуры, изображенной на фиг.1, имеет вид:

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 .

Постоянные распространения электромагнитной волны в составляющих слоистой структуры в выражении (4) определяются следующими известными соотношениями:

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 , способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 , способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 ,

где способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 0 - постоянная распространения в пустой части волновода, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 nn - в заполненной полупроводником, a способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 d - диэлектриком; а - размер широкой стенки волновода; способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 0 и µ0 - электрическая и магнитная постоянные; способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 *=способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 -i·способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 и µ - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, заполняющей поперечное сечение волновода; способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 =способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 L - действительная и способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 =способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 /(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 ·способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 0) - мнимая части диэлектрической проницаемости, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 - электропроводность полупроводникового слоя.

Добавление в структуру слоя диэлектрика с известными параметрами позволяет реализовать наличие минимума на частотной зависимости коэффициента отражения и тем самым повысить чувствительность метода измерений.

Экспериментальные исследования проводились на установке, схема которой приведена на фиг.1. СВЧ излучение от генератора качающейся частоты 1 панорамного измерителя КСВН и ослабления направлялось через коаксиально-волноводный преобразователь в волновод 3 через вентиль 4 на структуру, полностью заполняющую поперечное сечение волновода, включающую в себя диэлектрический слой 5 и полупроводниковый слой 6, параметры которого необходимо определить. Отраженное от измеряемой структуры электромагнитное излучение через направленный ответвитель 8 поступало на детектор 9, сигнал с которого поступал на индикаторный блок 10 и через АЦП 11 в компьютер 12 для анализа.

В качестве исследуемого образца использовался кремний, легированный сурьмой с энергией активации способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 WSb=0,05 eV, а качестве диэлектрика был выбран фторопласт. Температура регистрировалась с помощью термопары.

Толщина образца изменяется по закону:

способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 d=способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 ·способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 T·d0;

где способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 d - абсолютное изменение толщины, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 - коэффициент линейного расширения, способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 T - изменение температуры, d0 - начальная толщина.

При исходной толщине слоя кремния 360 µm абсолютное изменение толщины при изменении температуры на 10 К составляет 8,4 nm, а абсолютное изменение толщины слоя фторопласта при его начальной толщине 3 cm составляет 3 µm. Поэтому пренебрежение зависимостью толщин слоев от температуры является вполне обоснованным.

В результате решения обратной задачи были найдены следующие значения искомых параметров: электропроводность при температуре 190 К: способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 =1,831 Ohm-1cm-1, при температуре 180 К: способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 =1,682 Ohm-1m-1, энергия активации примеси способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W=0,05 eV, что соответствует известному значению энергии активации сурьмы в кремнии.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ определения параметров полупроводникового слоя в измеряемой структуре диэлектрик-полупроводник, включающий облучение структуры электромагнитным излучением СВЧ-диапазона, измерение спектра отражения излучения от структуры в выбранном частотном диапазоне при двух различных значениях температуры Т1 и Т 2, далее по полученным зависимостям решают обратную задачу, определяют электропроводность способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1 и способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2 полупроводникового слоя при двух значениях температуры Т1 и Т2 соответственно, отличающийся тем, что значения температур выбирают из диапазона, в котором изменение концентрации носителей заряда связано с ионизацией примесных центров, затем определяют энергию активации примесных центров, используя соотношение: способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 W=2kT1T2[ln(способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 1/способ определения электропроводности и энергии активации примесных   центров полупроводниковых слоев, патент № 2516238 2)]/(T1-T2), где k - постоянная Больцмана.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2516238

patent-2516238.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот

Патенты РФ в классе G01N22/00:
резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов -  патент 2529417 (27.09.2014)
устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
контрольное устройство миллиметрового диапазона -  патент 2521781 (10.07.2014)
система и способ досмотра субъекта -  патент 2517779 (27.05.2014)
способ определения электропроводности и толщины полупроводниковых пластин или нанометровых полупроводниковых слоев в структурах "полупроводниковый слой - полупроводниковая подложка" -  патент 2517200 (27.05.2014)
антенна-аппликатор и устройство для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта путем одновременного неинвазивного измерения яркостной температуры внутренних тканей на разных глубинах -  патент 2510236 (27.03.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
свч способ обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металле -  патент 2507506 (20.02.2014)
способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления -  патент 2507505 (20.02.2014)
способ и устройство для сортировки добытого ископаемого материала -  патент 2503509 (10.01.2014)

Класс G01N22/02 обнаружение локальных дефектов



Наверх