способ отбраковки полупроводниковых структур на полуизолирующих подложках по степени проявления эффекта обратного управления

Формула изобретения

СПОСОБ ОТБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩИХ ПОДЛОЖКАХ ПО СТЕПЕНИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ОБРАТНОГО УПРАВЛЕНИЯ, включающий формирование контактов к подложке и активному слою структуры, приложение к ним изменяющегося по величине напряжения V₀, определение изменения проводимости активного слоя в зависимости от приложенного напряжения, оценка степени проявления эффекта обратного управления, отбраковку структуры, отличающийся тем, что, с целью осуществления возможности неразрушающей отбраковки и повышения экспрессности, контакт к подложке осуществляют с помощью прозрачного для СВЧ-излучения электролита, а контакт к активному слою выполняют прижимным, на структуру воздействуют СВЧ-излучением, измеряют отраженную или поглощенную структурой мощность этого излучения, изменение проводимости активного слоя определяют по изменению СВЧ-мощности W , затем при отсутствии напряжения освещают структуру светом с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, и потоком, при котором изменение проводимости достигает насыщения, повторяют измерение отраженной или поглощенной структурой СВЧ-мощности и дополнительно определяют изменение проводимости по изменению СВЧ-мощности под действием освещения W, а степень проявления эффекта обратного управления оценивают по отношению W /W.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для неразрушающего входного контроля свойств многослойных полупроводниковых структур, предназначенных для изготовления планарных интегральных схем (ИС).

При изготовлении ИС на основе полупроводников A³B⁵ серьезным препятствием в увеличении степени интеграции и получении работоспособных схем является паразитная связь между соседними приборами, элементами, расположенными на полуизолирующей подложке. Физической причиной данной связи является эффект управления свойствами прибора со стороны полуизолирующей подложки, которая играет роль паразитного затвора. Этот паразитный эффект называется эффектом управления по подложке или эффектом обратного управления (ЭОУ). Величина этого эффекта сильно зависит от содержания примесей и дефектов в полуизолирующей подложке, от степени их компенсации, а особенно от неконтролируемых технологией параметров границы раздела пленка/подложка и параметров буферного слоя. Поэтому измерение величины ЭОУ в готовой ИС или тестовых образцах, содержащих полупроводниковые приборы, может решить задачу определения пригодности структур для изготовления ИС.

Известен способ отбора многослойных полупроводниковых структур, пригодных для изготовления ИС, включающий создание на подложке полевого транзистора с затвором Шоттки и управляющего омического контакта к подложке, приложения к нему отрицательного смещения относительно транзистора и регистрацию возникающего в результате этого изменения тока стока транзистора [1] .

Величина и кинетика изменения тока стока при заданном напряжении V на подложке, порог начала этого изменения являются параметрами ЭОУ, необходимыми для заключения о пригодности контролируемой структуры, предназначенной для изготовления ИС.

Недостатком способа является необходимость изготовления транзистора и управляющего контакта, т. е. необходимость выполнения целого ряда сложных технологических операций, таких как фотолитография, травление многослойной структуры, вжигание омических контактов, напыление затвора.

Данный способ является трудоемким и приводит к разрушению части шайбы контролируемой многослойной структуры и может быть не точным в случае, когда исходная шайба неоднородна по площади, и изготовлять тестовые транзисторы по всей площади не выгодно.

Наиболее близким техническим решением является способ отбора многослойных полупроводниковых структур, пригодных для изготовления ИС, включающий создание омических контактов к полуизолирующей подложке и проводящему слою структуры для создания на ней беззатворного полевого транзистора, приложения напряжения к контакту на подложке относительно контакта на активном слое и регистрацию возникающего в результате этого изменения тока стока беззатворного транзистора [2] .

Для случая беззатворного транзистора доказано, что изменение тока стока вызвано изменением проводимости активного токопроводящего слоя (канала) структуры. В связи с этим в данном способе операцию регистрации изменений тока стока транзистора можно рассматривать как операцию регистрации изменений проводимости активного слоя структуры.

Недостатком способа является необходимость выполнения ряда сложных трудоемких технологических операций по приготовлению тестовых транзисторов и управляющих контактов: фотолитография, травление многослойной структуры, вжигание омических контактов. Данный способ является разрушающим, так как требует приготовления тестовых структур, к тому же, если шайба не однородна по площади, а изготовлять тестовые структуры по всей площади невыгодно, то способ становится не точным.

Цель изобретения - осуществление возможности неразрушающей отбраковки структур и увеличение экспрессности.

Цель достигается тем, что в известном способе отбора многослойных полупроводниковых структур, пригодных для изготовления ИС, включающем создание контактов к полуизолирующей подложке и проводящему активному слою структуры, приложение напряжения V к контакту на подложке относительно контакта на активном слое и регистрацию возникающего в результате этого изменения проводимости активного слоя (проводящего канала структуры), контакт к подложке осуществляют путем нанесения на подложку слоя жидкости, например электролита, прозрачного для СВЧ-излучения, контакт к проводящему активному слою выполняют прижимным к поверхности проводящего слоя структуры, причем изменение проводимости активного слоя структуры определяют по изменению СВЧ-проводимости всей структуры в области жидкого контакта. С целью увеличения его экспрессности отбор структур, пригодных для изготовления ИС, по величине ЭОУ производят, измеряя величину W_свч^V/ W_свч^Ф, где W_свч^V - изменение СВЧ-мощности, прошедшей через структуру (отраженной от структуры), вызванное приложением напряжения и к подложке; W_свч^Ф - вызванное освещением структуры со стороны проводящих слоев светом с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны полупроводника и потоком Ф, приводящим к насыщению величины W_свч^Ф.

Сущность способа поясняется следующим. Рассмотрим структуру, предназначенную для изготовления ИС, структуру типа n⁺-n-i, где n⁺ - контактный, высоколегированный слой; n - активный слой; i - полуизолирующая подложка. По способу-прототипу, чтобы приложить смещение к переходу, формируют омические контакты к i-подложке и n⁺-слою. В данном способе на подложке формируют жидкостный контакт, прозрачный для СВЧ-излучения. В качестве жидкости может использоваться электролит, метиловый спирт, изопропиловый спирт, недеионизованная вода. Все эти жидкости не формируют омического контакта к полуизолирующей подложке, более того, при приложении смещения V к переходу жидкость/подложка (V > 5 В) видно, что это выпрямляющий контакт, формирующий слой Шоттки в полупроводнике. Однако при малых смещениях (V < 5 В) на переходе жидкость/подложка через переход течет ток и сопротивление данного перехода вместе с сопротивлением тонкого слоя жидкости много меньше сопротивления полуизолирующей подложки, сопротивление которой при площади подложки, через которую течет ток, 0,1 см² составляет 10 МОм (R_подл = l/S = 10⁸ Омсм0,03 см/0,1 см² = 30 МОм). Более того, в электрической цепи жидкость - i-n-n⁺ - прижимной металлический зонд, как оказалось, самым высокоомным является не подложка, а n-i-переход, на котором и падает практически все напряжение. На переходе жидкость/подложка выделяется малая часть напряжения, а переход n⁺-металлический зонд смещается в прямом направлении и становится достаточно проводящим. Таким образом, основное напряжение выделяется на переходе полуизолирующая подложка/активная пленка (n-i или i-p). В результате этого толщина слоя обеднения обратно смещенного перехода (i-n или i-p) возрастает, слой обеднения распространяется в проводящую пленку и частично ее перекрывает, что приводит к уменьшению толщины проводящего канала пленки и, тем самым к изменению отраженного от пленки СВЧ-сигнала. Если величина СВЧ-сигнала прокалибрована заранее в единицах проводимости структуры, то можно получить непосредственно зависимость проводимости структуры от приложенного к n-i или i-p переходам напряжения V. Регистрируя эти изменения, получают величину и порог эффекта обратного управления без разрушения структуры (без стравливания n⁺-слоя, без вжигания оптических контактов и не касаясь n⁺ или n-слоев в центральной части структуры, идущей на изготовление ИС). При наличии "шунтирующих" n⁺-слоев изменения СВЧ-проводимости лежат в интервале ^свч/_о^свч = 10^-4-10^-1.

При отборе однотипных стандартных структур по величине ЭОУ измеряют изменение СВЧ-мощности, вызванное приложением напряжения к подложке, W_свч^V и освещением структуры светом со стороны проводящих слоев, W_свч^Ф. Поскольку измерения данных величин проводят при фиксированных усилении сигналов и толщине жидкого контакта, а величина фотопроводимости практически одинакова для стандартных однотипных структур (т. к. вызвана "схлопыванием" слоя обеднения подложка/пленка), то величина W_свч^V/ W_свч^Ф есть нормированная на фотопроводимость величина изменения проводимости структуры, характеризующая ЭОУ в структурах. Выполнение измерения на 200 арсенид-галлиевых структурах типа n⁺-n-буф-i, где n⁺, n - легированные слои, буф. - буферный слой, показали, что величина фотопроводимости изменяется от структуры к структуре не более, чем в 1,5 раза, в то время как величина ЭОУ изменяется более, чем в 1000 раз.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Проверка способа была осуществлена на многослойных структурах InP, GaAs, AlGaAs/GaAs, CdTe/GaAs.

Ниже дано описание процедуры измерений для двух структур типа n⁺ - n - буф. - i. Структуры содержали n⁺-слой, легированный до уровня N_D 10¹⁹ см^-3, n-слой с N_D 210¹⁷ см^-3, буферный высокоомный слой толщиной 1 мкм и i-полуизолирующую подложку толщиной 300 мкм. Каждая из шайб была разрезана на две части. Первая часть была предназначена для измерения величины ЭОУ способом-прототипом, поэтому на ней были изготовлены омические контакты к n⁺-слою и i-полуизолирующей подложке путем вплавления Ga: Au. Верхний n⁺-слой между контактами был стравлен, тем самым была получена структура полевого транзистора. В табл. 1 и 2 представлены результаты измерений изменений проводимости структуры , вызванные подачей на подложку смещения V. Вторая часть шайбы измерялась предлагаемым неразрушающим способом: исследуемая структура помещалась в держатель, который обеспечивал контакт полуизолирующей подложки с тонким слоем спирта, кроме того, имелась возможность в области этого контакта пропускать через структуру СВЧ-излучение. Измерялась проводимость структуры по величине поглощенной структурой СВЧ. Измерения проводимости структуры на СВЧ были выполнены на установке, предназначенной для измерения проводимостей структуры ( ^свч).

Кроме этого, специально для проверки, измерения ^свч были выполнены и на установке, совмещенной с держателем для структуры, позволяющим обеспечить жидкий контакт к подложке и прижимный металлический контакт к проводящему слою структуры. Результаты измерений ^свч были близки друг к другу. Все величины проводимости приведены в таблице в единицах mS. ^пт, ^пт - проводимость и изменения проводимости, измеренные в структуре беззатворного полевого транзистора, управляемого со стороны подложки напряжением V. ^свч, ^свч - СВЧ-проводимость структуры и ее изменения, вызванные приложением напряжения V к подложке относительно проводящих слоев; W_свч^V, W_свч^Ф - изменения СВЧ-мощности, прошедшей через структуру, вызванные приложением напряжения V к подложке, и освещением структуры светом h > 1,9 эВ и потоком Ф 310^-5 Вт/см². Проверка способа была выполнена и на гетероструктурах с модулированным легированием, содержащим двумерный электронный газ (ДЭГ). Измерялись стандартные структуры, предназначенные для производства НЕМТ транзисторов и содержащие выращенные молекулярно-лучевой эпитаксией буферный слой GaAs (d = 0,6 мкм), спейсер AlGaAs (d = 25 ), легированный кремнием слой AlGaAs (d = 400 ) и контактный n⁺-слой GaAs (d = 700 ). Все из измеренных 10 структур были одинаково легированы и имели близкое поверхностное удельное сопротивление 300 Ом/ , однако по величине ЭОУ они сильно различались. В табл. 3 и 4 приведены результаты измерений двух полярных структур, по предлагаемому способу и по способу, требующему изготовления беззатворного полевого транзистора (по способу-прототипу). Таким образом, изменения проводимости приведенных многослойных структур , установленные данным неразрушающим способом, хорошо согласуются с изменениями проводимости полевых транзисторов, изготовленных из данных структур. Величины при заданных V характеризуют величину ЭОУ, кроме того, зная , можно вычислить изменения тока стока I_cтранзисторов с заданной геометрией при известном напряжении исток-сток V_ИС(I_c= a/lV_ИС), где a; l - ширина и длина канала транзистора. Тем самым можно установить, насколько сильно будет подвержен ток транзистора, изготовленного на данной структуре, напряжению на подложке, т. е. установить величину ЭОУ.

Сравнение результатов измерений и величины W_свч^V/ W_свч^Фпозволяет утверждать, что величина W_свч^V/ W_свч^Ф является относительной характеристикой величины ЭОУ стандартных многослойных структур. Выполненные измерения постоянной времени релаксации проводимости при подаче смещения на подложку многослойной структуры (n⁺-n-i) и транзистора, изготовленного из структуры, свидетельствовали об идентичности постоянных времени релаксаций ( = 1 с), что означает возможность неразрушающим способом измерять и кинетику ЭОУ.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять неразрушающий экспресс-контроль планарных гомо- и гетероструктур, предназначенных для производства ИС. (56) 1. Хвелидзе Л. В. , Хучул Н. П. Эффект управления по подложке в активных элементах ИС на основе GaAs. - Зарубежная электронная техника. 1987, N 9, с. 69-98.

2. I. Itoh and all Stability of Performance and Interfacial Problems in GaAs MESFEI. IEEE Trans Electr. Dev. v. ED-27, N 6, 1980, pp. 1037-1044.