Применение зондирующего СВЧ электромагнитного излучения для определения рекомбинационных свойств полупроводников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Тюрнев, Николай Валерьевич

• Тюрнев, Николай Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тюрнев, Николай Валерьевич

1. Введение.

1.1 Цель работы и задачи, решаемые в диссертации.

1.2 Физическая картина рекомбинации электронно-дырочных пар в реальных полупроводниковых материалах.

1.3 СВЧ метод исследования кинетики носителей заряда.

1.4 Краткое содержание работы.

1.5 Защищаемые положения и апробация работы.

2 Глава 1. Обзор литературы.

2.1 Практические методы измерения времени жизни ННЗ в кремнии и связанные с ними проблемы.

2.2 Стационарный и нестационарный СВЧ методы исследования свойств полупроводников.

3 Глава 2. Анализ чувствительности СВЧ трактов измерительных устройств, используемых для определения времени жизни неосновных носителей заряда.

3.1 Краткое описание СВЧ измерительных установок.

3.2 Постановка задачи исследования.

3.3 Определение коэффициента отражения и фазы отраженной электромагнитной волны в случае апертуры волновода прямоугольного сечения 44 3.4 Определение коэффициента отражения и фазы отраженной электромагнитной волны в случае апертуры волновода коаксиального сечения.

3.5 Определяемые параметры и оценка эффективности измерительных установок.

3.6 Выводы по Главе 2.

4 Глава 3. Разработка методики определения времени жизни и скоростей поверхностной рекомбинации в кремниевых пластинах.

4.1 Разработка математического и программного обеспечения для решения поставленной задачи.

4.2 Подготовка исходных материалов и проведение измерений.

4.3 Анализ результатов измерения.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение зондирующего СВЧ электромагнитного излучения для определения рекомбинационных свойств полупроводников»

1.1 Цель работы и задачи, решаемые в диссертации.

В диссертации изложены результаты исследований кинетики неравновесных носителей заряда в кремниевых пластинах при комнатных температурах, проведенных нами в рамках инициативных исследований в МГИЭТ на кафедре МПТЭ, в ОАО «Элма» и в НПО «Телеком-СТВ» (Зеленоградский округ г. Москвы).

Проблемы, связанные с исследованием кинетики рекомбинации электронно-дырочных пар, правильная их интерпретация, дает возможность определить качество исходных полупроводниковых материалов как на наличие объемных (в частности, точечных) дефектов в решетке кремния, так и оценивать свойства поверхностей раздела пластин до или после каких-либо технологических операций передела.

В соответствии с мнением наиболее компетентных специалистов в области электронной промышленности, наряду с проблемами, которые необходимо будет решать в третьем тысячелетии в области микроэлектроники - уменьшение размера компонентов, увеличение диаметра пластин, проблема межсоединений, проблемы литографии и т.д. - определение качества исходных материалов и контроль технологических процессов выделяется в виде отдельной проблемы, которая рассматривается как важнейшая [1].

Среди очень большого количества разработанных к настоящему времени способов контроля качества полупроводниковых материалов, метод исследования, известный как спад фотопроводимости, имеет очевидные преимущества. Это связано со следующими обстоятельствами: 4

- чувствительность метода возрастает по мере уменьшения концентрации дефектов структуры, что качественно отличает его от других способов, когда выходной сигнал пропорционален концентрации дефектов;

- применение в качестве зондирующего излучения электромагнитных волн высокой частоты позволяет проводить измерения неразрушающим способом и, более того, бесконтактно;

- отсутствие дополнительных, загрязняющих материал операций позволяет применять такой способ непосредственно в технологических линиях производства.

Однако, наряду с явными преимуществами этого метода существуют и проблемы с его применением. Основная проблема заключается в том, что исследуемый фотоотклик от полупроводниковой структуры не несет непосредственно информации о концентрации содержащихся внутри дефектов или сведений о поверхностных состояниях на границах раздела. Сложный характер релаксационных зависимостей содержит множество дополнительных параметров (таких как коэффициент диффузии носителей заряда, толщина образца, зависимость рекомбинационных параметров от уровня светового возбуждения), что делает задачу определения рекомбинационных параметров в образце в принципе сложной и нелинейной, требующей сложных численных процедур. С другой стороны, используемые в настоящее время СВЧ установки для исследования этих процессов сами обеспечивают нелинейный отклик, т.к. СВЧ детекторы этих устройств регистрируют отраженную от образца СВЧ мощность, т.е. содержат одновременно информацию как об амплитуде отраженной мощности, так и о фазе отраженной волны. Несмотря на то, что данная система измерений включена в известные стандарты, данный метод по существу, является качественным [2]. 5

Итак, целью работы было исследовать кинетику неравновесных носителей заряда в кремниевых пластинах для разработки надежной методики определения объемного времени жизни носителей заряда и скоростей поверхностной рекомбинации на обеих сторонах пластины на базе метода спада фотопроводимости.

Для достижения поставленной цели решались две группы задач. Первая из них (методического плана) - теоретически разработать методы решения задач дифракции электромагнитной волны в условиях реальных конфигураций оконечных СВЧ трактов в присутствии исследуемой структуры. Это необходимо для выработки теоретических критериев, применимых к разработке подобных устройств для их успешного применения в исследовании кинетики рекомбинации носителей заряда.

Вторая группа задач - рассмотреть и обосновать методику определения объемного времени жизни с соответствующими скоростями поверхностной рекомбинации при использовании набора разнотолщинных образцов, оценить эффективность этой методики и возможность ее применения в конкретных технологических процессах.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Тюрнев, Николай Валерьевич

5 Общие выводы и научная новизна диссертации.

1. Из анализа литературных данных следует, что универсальной методики измерения рекомбинационных параметров в кремниевых пластинах в настоящее время не существует.

2. Применение щелевых СВЧ волноводов с геометрическими размерами щели много меньше длины волны СВЧ излучения, что необходимо для локальных измерений, позволяет бесконтактно (с зазором между апертурой и исследуемым образцом) проводить измерения рекомбинационных свойств материала.

3. Применение коаксиальных волноводов позволяет изготавливать чувствительные релаксометры для контактных измерений в экспериментальных исследованиях.

4. Разработана достоверная и воспроизводимая методика определения ОВЖННЗ в монокристаллическом кремнии, на основе применения прогрессивного способа минимизации целевой функции и использовании набора кремниевых пластин разной толщины.

5. На основе данной методики без применения специальных мер пассивации поверхности разработана практическая схема определения рекомбинационных параметров кремниевых пластин, пригодная для контроля качества материала в процессе производства.

Научная новизна:

- Впервые рассмотрена реальная модель СВЧ апертуры волновода с конечными геометрическими размерами, используемого в качестве оконечного тракта для снятия релаксационных кривых методом СФП и проведены теоретические расчеты по выявлению зависимостей значения коэффициента отражения и фазы СВЧ волны от поперечных выходных геометрических размеров волновода, длины СВЧ волны, удельного сопротивления образца, толщины образца, по результатам которых даны рекомендации по оптимизации конфигурации измерительной аппаратуры.

Разработана методика определения ОВЖННЗ в м/к кремнии, которая обладает достоверностью результатов измерения; имеет хорошую воспроизводимость измерений; достаточно точно определяет ОВЖННЗ; использует существующее измерительное оборудование; является бесконтактной и неразрушающей; не требует специальной обработки поверхности пластин; позволяет полностью автоматизировать расчеты;

- легко встраивается в технологический цикл производства кремниевых пластин.

Применен и адаптирован наиболее прогрессивный метод поиска глобального минимума функции многих переменных к решению задачи разделения вклада объемной и поверхностной составляющей рекомбинации ННЗ, использующей кривые релаксации, полученные методом СФП. Проведено согласование зависимости эффективного времени жизни от объемного времени жизни и скоростей поверхностной рекомбинации для монокристаллической пластины и объемного кристалла кремния. Впервые показано, что существует принципиальная возможность определения ОВЖННЗ в кремниевой пластине методом СФП без использования специальных методов пассивации поверхности за счет применения специальных алгоритмов разделения объемной и поверхностной

87 составляющей эффективного времени жизни вне зависимости от способа получения материала образца, способа создания неравновесных носителей заряда, скоростей поверхностной рекомбинации при условии низкого уровня инжекции.

В заключение хочу выразить благодарность моим учителям - профессору Е.Б. Соколову и научному руководителю к.т.н. C.B. Петрову. Особенно хочу поблагодарить моего научного консультанта к.ф-м.н. А.Ф. Яремчука за техническую поддержку и ценные советы в ходе написания диссертации. Спасибо моим друзьям и коллегам за их плодотворные дискуссии по теме моей диссертации, всем тем, кто прямо или косвенно помогал в написании этой работы, которая без их помощи и участия не могла бы быть осуществлена.

88

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тюрнев, Николай Валерьевич, 2000 год

1. W.Roesger, vice president SEMI Europe, "Semiconductors are the Global Economic Motor", Layers, BPS, Issue 9, My 1998, pp.26-27.

2. ASTM Standard F1535-94, "Standard Test Method for Carrier Recombination Lifetime in Silicon Wafers by Noncontact Measurement of Photoconductivity Decay by Microwave Reflectance, October 1994, pp.753-762.

3. M.Schofthaler, R.Brendel, "Sensitivity and transient response of microwave reflection measurements", Journal of Applied Physics, Vol.77 No.(7), 1 April 1995, pp.3162-3173.

4. А.Ф. Яремчук, A.C. Павлов и др., «Неразрушающий метод измерения времени жизни неосновных носителей заряда в кремнии» Известия вузов, Электроника, №2, 1997, с.96-100.

5. Павлов «Методы измерения параметров полупроводниковых материалов», Москва, Высшая школа, 1978, с. 42-44.

6. A.Schonecker, J.A.Eikelboom, W.C.Sinke, Local carrier lifetime of non-passivated multi-crystalline silicon wafers measured by the MFCA method, Proceeding 13th European PV Solar Energy Conference, p.41,1995.

7. F.M.Schuurmans, J.Schmidt, W.C.Sinke, A.G.Aberle, A Comprasive study between Light-Biased MW-PCD and MFCA Measurements on High-Quality Surface Passivated Silicon Wafers, Proceedings 14th European PV Solar Energy Conference, Barcelona, 1997.89

8. S.W.Glunz, A.B.Sproul, W.Warta, W.Wettling, Injection-level-dependent recombination velocities at Si-Si02 Interface for various dopant concentrations, J.Appl.Phys.75(3)p.l611, 1994.

9. F.M.Schuurmans, A.Schonecker, J.A.Eikelboom, W.C.Sinke, Crystal orientation dependence of surface recombination velocity for silicon nitride passivated silicon wafers, proc.25th IEEE PVSC, p.485,1996.

10. A.W.Stephens, M.A.Green, Novel Method for Minority-Carrier Mobility Measurement Using Photoconductance Decay with Chemically Passivated and Plasma Damaged Surfaces, J.Appl. Phys. 80(7) p.3897, 1996.

11. T.Maekawa, Y.Shima, Effect of Steady Bias Light on Carrier Lifetime in Silicon Wafers with Chemically Passivated Surfaces, Jpn. J.Applied Physics, 35(2), p.L133, 1996.

12. J.Poortmans, T.Vermeulen, J.Nijs, R.Mertens, Development of a Easy-to-use Surface Passivation Schemes for Lifetime Measurements on Monocrystalline Si with (lOO)-Orientation, Proc.25Th IEEE PVSC, p.721, 1996.

13. J.Schmidt, A.G.Aberle, "Accurate method for the determination of bulk minority-carrier lifetimes of mono- and multycrystalline silicon wafers", Journal of Applied Physics, Vol.81 No.(9), 1 May 1997, pp.6186-6199.

14. A. Buczkowski, Z.J. Radmzimski, G.A. Rozgonyi, F.Shimura, Separation of the Bulk and Surface Components of Recombination Obtained with a Single Laser/Microwave Photoconductance Technique, J.Appl. Phys. 71(7), p.2873, 1992.

15. R. Bernini, A.Cutolo A.Irace, P.Spirito, L.Zeni, Contactless Characterization of the Recombination Process in Silicon Wafers: Separation Between Bulk and Surface Contribution, Soli-State Electronics, Vol.39(8), p. 1165, 1996.

16. E.Gaubas, J.Vanhellemon, A Simple Technique for separation of Bulk and Surface Recombination Parameters in Silicon, J.Appl.Phys. 80(11), 1996.90

17. R.Brendel, Note on the Interpretation of Injection-Level-Dependent Surface Recombination Velocities, Appl. Phys. A, 60, p.523, 1995.

18. R.Brendel, M.Wolf, Different and Actual Surface Recombination Velocities, 13th ECPVSEC, p.428, 1995.

19. A. Schonecker, J.A.Eikelboom, A.R.Burgers, P.Lolgen, C.Leguijt and W.C. Sinke, Sensitivity Analysis for the Determination of recombination Parameters in Si wafers using Harmonic Carrier Generation, Journal of Applied Physics, 79(3), p. 1497, 1996.

20. Yoh-Ichiro Obita, Bulk Lifetime and Surface Recombination Velocity Measurement Method in Semiconductor Wafers, J.Appl. Phys. 79(9), p.6954, 1996.

21. Hermann, G. Oelgart «Proc. Internat. Symp. Microwave Diagnostics of Semiconductors», Helsinki, R. Paanannen, Porvao, 1977.

22. R.H. Chow. Study of diffusion and recombination of minority carriers by the method of photoconductive decay.// Am.J.Phys. 52(9), 1984, pp.842-844.

23. Зубов Б.В., Маненков A.A., Миляев B.A., Михайлова Г.Н. и др. «СВЧ поглощение на неравновесных носителях тока в германии. Метод определения концентрации носителей», ФТТ, 1976, т. 18, №3, с. 706-712.

24. Аверьянов В.П., Банная В.Ф., Гермензон Е.М., Гинзбург Н.И. «Измерение суммарной концентрации примесей в германии р-типа», труды ГИРЕДМЕТ, 1969, т. 25, с. 169-173.

25. Brasis, J.K. Furdyna, J.K. Pozela «Microwave effects in narrow-gap semiconductors (I, II)» Phys. Stat. Sol. (a), 1979,v. 53, №11, pp. 11-41 (I), pp. 1127 (II),.

26. Миляев B.A., Санина B.A. «О резонаторном методе исследования плазмы твердого тела», Известия Вузов, Радиотехника, 1980, т. 23, №4, с. 407-418.91

27. В.В. Батавин. Контроль параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных слоев. М.: Советское радио, 1976, с.38-47.

28. Данилов Г.Н., Медведев Ю.В., Петров A.C. «Установка для бесконтактного измерения неоднородностей полупроводниковых материалов и диэлектриков», ПТЭ, №3, с. 224-226, 1973.

29. Гуревич «Полые резонаторы и волноводы», Москва, изд-во «Советское радио», 1952г, 254 с.

30. H.H. Федоров. Основы электродинамики. М: Высшая школа, 1980, с. 170172.

31. Вавилов B.C. «Действие излучений на полупроводники», Москва, изд. ВИНИТИ, 1866.

32. Марков, Б.М. Петров, Т.П. Трудинский «Электродинамика и распространение радиоволн», Москва, Советское радио, 1979, с. 174-175.

33. Ландау, Е.М. Лившиц «Электродинамика сложных сред», теоретическая физика, Том VIII, Москва, Наука, 1982.37. «Многослойные полупроводниковые структуры», изд-во «Зинатне», Рига 1967 г., с.260-283.

34. Тюрнев Н.В. «Калибровка СВЧ-установок измерения удельного сопротивления эпитаксиальных слоев», тезисы доклада, Межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика 97», часть 1, стр.108.

35. Яремчук А.Ф., Тюрнев Н.В., Петров C.B., Соколов Е.Б., Куцев М.В. «Измерение рекомбинационных параметров в пластинах кремния методом СВЧ релаксометрии», журнал «Известия вузов Электроника», №3'2000, 2000 год, стр. 94-101.

36. Справочник по специальным функциям / Под ред. М.Абрамовича и И.Стиган. -М: Наука, 1979, с. 191.

37. Рыгалин Б.Н., Куцев M.B., Тюрнев H.B. «Влияние условий выращивания монокристаллов кремния на осевое и радиальное распределение кислорода», журнал «Известия вузов Электроника», №3'2000,2000 год, стр. 80-93.

38. Свидетельство об апробации №1от 15.04.2000 г.

39. Исполнительный директор ООО «ЭЛМА