Т.В. Свистова
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Воронеж 2013
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
технический университет»
Т.В. Свистова
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР
ЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2013
УДК 621.382
Свистова Т.В. Методы исследования материалов и структур электроники: учеб. пособие / Т.В. Свистова. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. 225 с.
В учебном пособии рассматриваются методы исследования основных электрофизических свойств полупроводников. Описаны различные способы измерения удельного сопротивления, концентрации и подвижности основных носителей заряда, методы исследования параметров неравновесных носителей заряда в полупроводниках, методы исследования полупроводниковых эпитаксиальных пленок.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»), дисциплине «Методы исследования материалов и структур электроники».
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Word 2003 и содержится в файле «Методы исследования.doc».
Табл. 4. Ил. 81. Библиогр.: 9 назв.
Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза
Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов);
канд. физ.-мат. наук, доц. Е.В. Бордаков
© Свистова Т.В., 2013
© Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский
государственный технический
университет», 2013
Введение
В современной микроэлектронике широко применяются полупроводниковые материалы и эпитаксиальные структуры, на основе которых создаются многочисленные классы полупроводниковых приборов и микросхем. Улучшение качества интегральных схем, увеличение процента выхода годных приборов, повышение их надежности и долговечности предусматривают развитие и совершенствование методов контроля физических параметров полупроводниковых материалов и приборных структур. Кроме того, развитие физики и техники полупроводников в значительной степени связано с изучением свойств полупроводниковых материалов. Поэтому методы измерения параметров полупроводниковых материалов и структур развиваются наряду с другими разделами физики и техники полупроводников и становятся самостоятельным направлением.
Исследование электрофизических свойств полупроводников и измерение параметров полупроводниковых материалов и структур является важной составной частью физики и техники полупроводников. От того, с какой точностью и каким методом определяются параметры полупроводника, зависят уровень и дальнейшее развитие производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Цель курса заключается в изучении основных экспериментальных методов измерения физических параметров полупроводниковых материалов и приборных структур, а также в знакомстве с современными методами исследования и контроля качества исходных полупроводниковых и других материалов и оценкой возможности применения этих методов для контроля технологического процесса производства полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Для различных полупроводниковых приборов требуются полупроводниковые материалы, электрофизические свойства которых весьма сильно различаются. В процессе конструирования определенных типов полупроводниковых приборов соответствующие параметры подбираются на основе теоретических расчетов и экспериментов. В процессе отработки прибора следует уточнить необходимые номиналы и допустимые пределы разброса электрофизических параметров полупроводников. Полупроводниковые материалы, используемые в производстве полупроводниковых приборов и структур твердотельной электроники, должны удовлетворять следующим общим требованиям:
1) материалы не должны быть компенсированными, то есть не должны содержать значительного количества посторонних примесей по сравнению с концентрацией заданных (одной или двух) легирующих примесей;
2) материалы должны иметь совершенную и воспроизводимую структуру, то есть должны обладать воспроизводимым, заданным и однородно распределенным числом структурных дефектов (дислокаций и вакансий). В кристаллах должны отсутствовать такие структурные дефекты, как включения и микротрещины; в слитках не должно быть значительных механических напряжений.
Пригодность полупроводника для определенного технического использования определяется комплексом основных параметров:
- ширина запрещенной зоны Еg и структура энергетических зон;
- природа, концентрация и степень ионизации примесных центров (Nd, Na - концентрация доноров, акцепторов, Ei - энергия ионизации примеси);
- эффективная масса носителей m*, их подвижность ;
- время жизни носителей , диффузионная длина L;
- природа, активность центров захвата и рекомбинации;
- плотность или концентрация структурных дефектов (плотность вакансий Nv, дислокаций Nдис, дефектов упаковки Nду).
В свою очередь основные параметры делятся на три группы:
- фундаментальные параметры - это параметры, величина которых слабо зависит от концентрации примесей и дефектов, например: ширина запрещенной зоны, эффективная масса носителей, собственная концентрация носителей ni;
- характеристические параметры - это параметры, величина которых зависит от концентрации примеси, например: концентрация доноров, акцепторов, плотность вакансий, подвижность, удельное сопротивление , время жизни носителей;
- физико-химические параметры - это характеристики или величины, определяющие разработку технологии получения полупроводниковых материалов и приборов на их основе, например: предельная растворимость примеси в полупроводнике, коэффициенты распределения примеси, коэффициент диффузии примеси.
Для специалистов по производству полупроводниковых приборов характеристические параметры являются важнейшими, поскольку они могут являться технологическими параметрами и определять качество полупроводника. Для успешного решения научных и производственных задач специалист в области электронной техники должен знать физические принципы и возможности современных методов контроля и уметь применять основные из них в своей работе.
Данное учебное пособие написано на основе курса лекций по дисциплине «Методы исследования материалов и структур электроники», читаемого студентам Воронежского государственного технического университета, и полностью соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»), дисциплине «Методы исследования материалов и структур электроники».