Электрохимическое профилирование

Принцип функционирования электрохимического профилометра заключается в следующем. Полупроводниковая структура помещается в камеру и прижимается уплотнительным кольцом электрохимической ячейки. В ячейку поступает электролит. На образец через электроды электрохимической ячейки подается внешнее смещение. Площадь контакта электролит - полупроводник ограничивается площадью уплотнительного кольца.

Так как такой контакт является аналогом контакта металл - полупроводник, то в приповерхностном слое образца на границе полупроводник-электролит образуется область объемного заряда, емкость которой и измеряется на переменном тестовом сигнале. Информацию о концентрации основных носителей заряда можно получить из анализа данных вольтфарадной характеристики.

_,

где S – площадь контакта; e – заряд электрона; – диэлектрическая постоянная вакуума, - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; N – концентрация; – высота потенциального барьера контакта; V – приложенное к контакту обратное напряжение.

Толщина области обеднения W_d

.

Далее при приложении противоположного по знаку напряжения производят операцию электрохимического травления. Толщину слоя W_r, удаленного в результате электролиза, определяют в соответствии с законом Фарадея.

,

где M – молекулярная масса; D – плотность полупроводника; F – постоянная Фарадея; Z – валентность, A – постоянная, Δt – интервал времени травления полупроводника при условии постоянства тока I через контакт.

Профиль распределения концентрации носителей заряда N (профиль ионизированной примеси) по толщине слоя полупроводника x определяется по следующим соотношениям.

,

.

История развития электрохимического CV-профилирования.

История электрохимического CV-профилирования уходит корнями в 1970-тые, когда фирмы Ambridge и Factor разработали Post Office Profiler. Затем фирма Bio-Rad разработала изготовила автоматизированный электрохимический измеритель профилей Polaron PN4100. Его более дешевым аналогом был электрохимический профилометр ЭПМ-89, производства ЧССР.

В июле 2000 года была образована фирма Accent, приобретшая отделение полупроводников и оптоэлектроники компании Bio-Rad. Компьютеризированный электрохимический профилометр Accent PN4300PC был первой коммерчески успешной измерительной системой. После этого началась работа по созданию современного полностью автоматизированного электрохимического профилометра ECV-Pro.

Рассмотрим устройство электрохимического профилометра на примере BIO RAD Semiconductor Measurement System Polaron PN 4100

Профилометр для полупроводников Polaron pn 4100.

Этот профилометр предназначен для измерения концентрации носителей практически до неограниченной глубины.

Постоянное низкое (обычно нулевое) смещение позволяет оценивать электрически активную концентрацию носителей в диапазоне более шести порядков величины, в то время как автоматические операции измерения-травления могут дать разрешение по глубине порядка 0.01 мкм.

Преимущества электрохимического метода, реализуемого PN4100.

• Широкий диапазон измерений концентрации носителей от 1∙10¹³ до 1∙10¹⁹ см^-3 (зависит от качества материала).

• Применимо к широкому разнообразию материалов и даже содержащих гетеропереходы. Типичными примерами являются полупроводниковые соединения GaAs, InP, GaAIAs, GalnAsP GaP, GaAsP, InSb, InAs, CdTe и Si.

• Никакой подготовки образцов не требуется - материал может быть измерен сразу после выращивания.

• Глубина профилирования не ограничена обратным напряжением пробоя как в обычном CV анализе.

• Электрические характеристики материалов, такие как ток, проводимость и емкость от напряжения могут быть легко получены в любой точке профиля.

• Неразрушающее преобразование поверхности позволяет получать карту концентрации носителей заряда.

• Автоматически останавливается доходя до p-n-переходов.

• Быстрое определение типа проводимости материала подтверждается при измерении фотовольтаического эффекта от прозрачного электрода.

Функционирование

Контроль всех функций, необходимых для автоматического профилирования материалов n- и p-типов проводимости на интегрированном двухкоординатном графопостроителе. Четырехпозиционным переключателем выбирают предполагаемую концентрацию носителей заряда в диапазоне от 1∙10¹³ до 1∙10¹⁹ см^-3. Дополнительные выходы графопостроителя доступны для записи тока травления, тока утечки и фазы как функции глубины, а также характеристик CV, GV и IV.

Блок калибровки используется для калибровки электроники в том диапазоне концентрации, где измеряется профиль, учитывается диэлектрическая проницаемость, молекулярный вес и плотность до двух различных материалов. Источник света обеспечивает освещение контакта для растворения материала в n-типа проводимости. Источник может закрываться, так как на некоторых сильно легированных образцах могут получаться неточные результаты из-за фотосопротивления. Можно измерять концентрацию как с подсветкой образца, так и без нее.

Электрохимическая ячейка

• Допустим любой стандартный размер образца.

• Ячейка сменная, представляет собой вставляемый блок, выполненный из коррозионностойких материалов.

• Небольшой объем (7 мл) электролита содержится в ячейке все время. Двухкамерная конструкция обеспечивает перемешивание и удаление пузыря.

• Взаимозаменяемые с высочайшей точностью уплотнительные кольца дают чрезвычайно воспроизводимую площадь контакта электролит-полупроводник.

• Интегрированные омические контакты к слою или к подложке получают автоматически при помощи электрического разряда.

• Ячейка - часть оптической системы, обеспечивающей равномерное освещение прозрачного электрода.

• Электролиты просто приготовленные из стартового комплекта.

Применение

Использование прозрачного электрода в сочетании с возможностью удалять полупроводниковый материал позволяет применять PN4100 для различных целей. PN4100 одинаково хорошо подходит для контроля качества на производстве и для мониторинга суточных колебаний параметров пластин, эпитаксиальных и ионнолегированных слоев, а также для использования ее в лабораторной исследовательской практике.

1. Можно автоматически измерять профили распределения концентрации в многослойных структурах на основе полупроводниковых материалов A_IIIB_V (рис.5).

2. Можно оценивать проверить влияние автолегирования и обратной диффузии в кремниевых n-n⁺ и p-p⁺ эпитаксиальных структурах (рис.6).

3. Возможно измерять концентрационные профили имплантированной примеси, дающий n-тип и p-тип проводимости в полупроводниковых материалах A_IIIB_V непосредственно после постимплантационного отжига. Результаты получаются быстро и не требуется специальной подготовки образца. (рис.7).

Рис.5. Профиль концентрации в диоде Ганна на арсениде галлия.	Рис.6. Профиль концентрации в кремниевой эпитаксиальной n--n-n+-структуре.
Рис.7. Структура, имплантированная примесью p-типа.

Параметры профилометра PN 4100

Концентрации носителей	Четыре поддиапазона, которые могут быть изменены во время профилирования 4∙10l3 - 4∙1016 см-3 4∙1014 - 4∙1017 см-3 4∙1015 - 4∙1018 см-3 4∙1016 - 4∙1019 см-3
Диапазон глубин	Возможность выбора между 1, 2.5, 5, 10 25, 50 мкм
Несущая частота	3 кГц
Частота модуляции	32 Гц
Амплитуда сигнала	50 мВ
Амплитуда модуляции	100 мВ
Диапазон напряжения смещения	±2 В
Взрывное напряжение (для формирования омических контактов)	~150 В в течение 150 мс
Встроенный измеритель	Многофункциональный прибор для мгновенного измерения напряжения, тока или сопротивления
Калибровка	10-ти позиционный переключатель для ввода диэ-лектрических констант, плотности материала, мо-лекулярной массы для двух разных материалов и компенсации избыточной площади
Запись результатов	Интегрированный двухкоординатный графопо-строитель с дистанционным включением пера