Fizika | Tanulmányok, esszék » Dr. Ferenczi György - Félvezető anyagok és struktúrák elektromosan aktív szennyezéseinek vizsgálata

Félvezető anyagok és struktúrák elektromosan aktív szennyezéseinek vizsgálata DR. FERENCZI GYÖRGY MTA Műszaki Fizikai K u t a t ó Intézete ÖSSZEFOGLALÁS DR. A félvezető eszközök és a félvezető eszközgyártásban felhasznált hor­ dozó kristályok elektromosan aktív hibahelyeinek vizsgálati mód­ szereit tekinti át a szerző. A félvezető eszközök jellemzőit és a gyár­ tásközi ellenőrzés követelményeit figyelembe véve feltételrendszert dolgoz ki, melynek egy ideális hibaanalízis-módszernek meg kellene felelnie. A jelenleg ismert vizsgálati módszerek közül az elvárásokna k leginkább a Mély Nívók Tranziens Spektroszkópiája (MNTS) felel meg, de a kimutatott elektromosan aktív hibahelyek kémiai azono­ sítására ez a módszer sem alkalmas. Reménykeltőek azonban az MNTS és a hibahelyek szimmetriáira érzékeny vizsgálati módszerek kombinációi. A dolgozat az ilyen kombinációs módszerekkel elért els3 eredmények

bemutatásával zárul. Mély nívók keletkezésmechanizmusa Félvezető anyagok t í p u s á t , vezetőképességét a szán­ dékosan bevitt adalékok h a t á r o z z á k meg. Az adalék­ szennyezők külső elektronhéja á l t a l á b a n csak egy elektronnal különbözik az a n y a m á t r i x o t felépítő ato­ mokétól, így a tilos s á v o n belül a sávszélhez energeti­ kailag közel eső sekély k ö t ö t t á l l a p o t o k a t hoznak létre. A sekély nívók szerepe, az adalékolás fontos­ sága a félvezető technológia hajnalán is ismert volt, tudatos a l k a l m a z á s u k vezetett az első diódák elké­ szítéséhez. A sávszéltől energetikailag t á v o l a b b eső, úgyneve­ zett mély nívók szisztematikus vizsgálata csak jóval később, a hatvanas évek közepén k e z d ő d ö t t , tulaj­ donságaik kiaknázása napjaink eszköztechnológiai feladata. A mély nívók eszközparamétereket be­ folyásoló szerepét jól

illusztrálja az az elemi ShockleyRead statisztikából k ö v e t k e z ő eredmény, hogy a k i ­ sebbségi töltéshordozó é l e t t a r t a m o t az adalék kon­ centráció szintnél hat nagyságrenddel kisebb kon­ centrációjú mély nívók m e g h a t á r o z h a t j á k . A mély nívókat az ideálisan hibátlan, periodikus kristályrácstól való eltérések okozzák. Ezek: szándé­ kosan vagy nem szándékosan jelenlevő idegen anyag szennyezések, elemi rácshibák (azaz vakancia, intersticiális). Vegyület-félvezetőkben az elemi rácshibák száma az ún. helycserehibákkal bővül Gyakorlatban viszonylag ritka a fenti h i b á k tiszta előfordulása; a különböző hibák komplexeket alkotnak, és a nagy számú kombináció m i a t t igen magas a lehetséges mély nívók száma. A helyzetet t o v á b b bonyolítja, hogy egy idegen atom szennyező rácsba való be­ épüléséből még nem következik, hogy mély nívót elektromosan a k t í v

hibahelyet hoz létre. Jellegzetes példa az oxigén viselkedése szilícium­ ban. Intersticiális helyen elektromosan semleges, intersticiális p á r k é n t elektromosan a k t í v , mély donor állapotot eredményez. B e é r k e z e t t : 1985. V 2 ( A ) Híradástechnika XXXVI. évfolyam 1985. 10 szám FERENCZI GYÖRGY Az Eötvös Loránd Tu­ dományegyetem Termé­ szettudományi Karának fizikus szakán végzett 1970-ben, azóta az MTA Műszaki Fizikai Kutató Intézetének munkatársa. Világító diódák fizikai minősítő módszereinek kidolgozásával kezdett foglalkozni, mely később egy általánosabb proble­ matika, a félvezető anya­ gok elektromosan aktív hibahelyei vizsgálatává szélesedett. Kandidátusi fokozatot is e témából szerzett. Kutatócsoportjá­ nak ma is ez tudományos főfeladata. Az eszközfizi­ kai kutatások egyik gya­ korlati eredményeként az általa vezetett MFKI KFKI-s kutatócsoport kifejlesztette a világpiacon

megjelent első Mély Nívó Spektrométert. Később részt vett a gyártás és ér­ tékesítés megszervezésé­ ben. A műszert jelenleg 15 országban használják. Mintegy 50 tudományos közlemény, szabadalom szerzője, több tudományos díj kitüntetettje. A fél­ vezető fizika és kristály­ hibákkal kapcsolatos nemzetközi konferencia­ sorozatok szervező bizott­ sági tagja, két ilyen ren­ dezvény elnöke volt. Idegen atom szennyezőnek kristályrácsbeli hely­ zete, az, hogy ö n m a g á b a n vagy m á s h i b á k k a l alko­ t o t t k o m p l e x k é n t fordul-e elő, a félvezető anyag vagy eszköz termikus előtörténetétől függ, amit pedig a félvezető eszköz előállításának technológiai lépései szabnak meg. Az elektromosan a k t í v h i b á k keletkezése és eltű­ nése á l t a l á b a n termikusan a k t i v á l t folyamat, így a kész eszköz mély nívói gyakran különböznek a k i ­ indulási anyagra jellemzőektől.

Egyes technológiai lépések, m i n t diffúzió, p l a z m a m a r á s , ion-implantá­ ció stb. a hőkezelési hatásoktól függetlenül is keltenek hibahelyeket. A fentiekből következik, hogy idegen atom szennyezők abszolút koncentráció­ j á n a k ismerete semmilyen felvilágosítást sem n y ú j t az elektromosan a k t í v szennyezések mennyiségére; az eszközgyártás kiinduló k r i s t á l y á n a k mély nívói á l t a l á b a n nem azonosak a végtermék elektromosan a k t í v hibahelyeivel; az idegen atom szennyezők és az elemi rács­ hibák igen sok lehetséges kombinációja nagy számú mély nívót eredményez. Hibahelyek kimutatásának kísérleti módszerei A félvezető eszköztechnológia sajátos követelményei az elektromosan a k t í v hibahelyek vizsgálati módsze­ reivel szemben igen szigorú k ö v e t e l m é n y e k e t t á m a s z ­ tanak. Az előző fejezetben kifejtettek é r t e l m é b e n : 451 meg kell t

u d n i k ü l ö n b ö z t e t n i az elektromosan a k t í v és elektromosan semleges h i b á k a t . saját h i b á k a t vagy saját h i b á k a t komplexben t a r t a l m a z ó n í v ó k a t is detektálni k e l l ; ne legyen d e s t r u k t í v ; felbontó képessége érje el a 10 atom/cm -es értéket; a vizsgálat ne igényeljen félvezető eszköz mére­ t e k n é l nagyobb m i n t á t ; legyen alkalmas a hiba k é m i a i azonosítására; a vizsgálati módszer legyen alkalmas a hiba­ helyek mélységbeli eloszlásának mérésére. 10 3 A k ö v e t k e z ő k b e n a teljesség igénye nélkül meg­ vizsgáljuk, hogy ezeknek a k r i t é r i u m o k n a k az ismert vizsgálati módszerek milyen m é r t é k b e n tesznek ele­ get. Idegen atom szennyezések k i m u t a t á s á r a nagy­ számú nagyműszeres analitikai módszer áll rendel­ kezésre, k ö z ü l ü k is kiemelkedik a tömegspektroszkó­ piai módszerek egyik speciális v á l t

o z a t a , a SIMS. A SIMS módszerrel á l t a l á b a n 10 a t o m / c m h a t á r ­ érzékenységgel lehet a szennyezéseket azonosítani. A módszer h á t r á n y a , hogy destruktív, és mélységi felbontása a gyakorlatban k o r l á t o z o t t . Körülbelül hasonló érzékenység érhető el pásztázó elektronmik­ roszkópiával is. Ezen módszerek b á r alapvető előnyük, hogy közvetlen k é m i a i azonosításra alkal­ masak felbontóképessége elmarad az eszköz fizi­ kában megkívánttól. A hibahelyek k i m u t a t á s á n a k egyik leghagyomá­ nyosabb módja a fotolumineszcencia és változatai. B á r igen érzékeny, alkalmazása számos korlátba ütközik: 1S 3 sak. A módszer h á t r á n y a , hogy az elnyelődési ú t ­ hossz á l t a l á b a n olyan nagy, hogy csak t ö m b i anyagok vizsgálhatóak vele eredményesen. Elektromosan a k t í v szennyezések vizsgálatának legtermészetesebb m ó d j á t a mélynívókból

termikus emisszióval kiszabaduló töltések k i m u t a t á s á r a k i ­ dolgozott eljárások jelentik. H a g y o m á n y o s a n h ő ­ mérsékletfüggő Hall-effektusmérést, majd t e r m i k u ­ san stimulált á r a m vagy k a p a c i t á s mérést alkalmaz­ tak erre a célra. E módszerek továbbfejlesztését je­ lentette az á r a m , i l l . k a p a c i t á s tranziens mérések be­ vezetése, majd ezek a u t o m a t i z á l á s á n a k kidolgozása a Mély Nívók Tranziens Spektroszkópiája (angol rövi­ dítéssel : DLTS). A k ö v e t k e z ő k b e n a Ö L T S módszer lehetőségeit t e k i n t j ü k á t . A DLTS mérés A DLTS mérés elve azon a felismerésen alapul, hogy egy mély nívón k ö t ö t t elektron (vagy lyuk) e = v a N ex [-E /kT] n n c P (1) T emissziós valószínűséggel válik ismét szabaddá. A töl­ téshordozó emisszió e r e d m é n y e k é n t a mélynívó töl­ tésállapota megváltozik. A

töltésállapot megválto­ zása d e t e k t á l h a t ó záró i r á n y b a n előfeszített p n á t m e n e t (Schottky-dióda, MOS k o n d e n z á t o r ) kapa­ citásváltozásának mérésével. Azaz a k a p a c i t á s ­ tranziens mérés végrehajtásának előfeltétele t é r ­ töltési t a r t o m á n y kialakítása. Ez kész eszközök ese­ tében természetes, alapanyag-minősítéshez azonban nem sugárzásos centrumok az elektromosan a k t í v h i b á k nagy része ilyen nem figyelhető meg fotolumineszcenciával; igen sok hibahely lumineszcenciája olyan hul­ l á m h o s s z - t a r t o m á n y b a v á r h a t ó , ahol nem ren­ delkezünk megfelelő detektorral; igen nehézkes, sok esetben nem megoldható a mély nívó abszolút koncentrációj á n a k m e g h a t á ­ rozása. Egyre fontosabb szerepet j á t s z a n a k a hibahelyek vizsgalatában a paramágneses rezonancia módszerek, elsősorban az ESR technika és változatai. Az ESR

módszerrel csak paramágneses á t m e n e t t e l rendelkező centrumok vizsgálhatók, azonban a szimmetria-tulajdonságok m e g h a t á r o z á s á n a k lehe­ tősége m i a t t a kémiai azonosításhoz elengedhetetle­ nül szükséges információkat szolgáltat. Az ESR h á t ­ r á n y a , hogy határérzékenysége az átfordítható spinek abszolút számával m e g h a t á r o z o t t , így a vizsgált minta térfogata á l t a l á b a n n é h á n y c m kell, hogy le­ gyen. E m i a t t félvezető eszközök közvetlen vizsgála­ t á r a á l t a l á b a n nem alkalmas, b á r m á s módszerekkel k o m b i n á l v a (lásd később) érzékenysége növelhető. Bizonyos technológiailag fontos szennyezések (el­ sősorban O és C szilíciumban) igen nagy pontossággal vizsgálhatók infravörös spektroszkópia segítségévelÉrzékenysége azonban á l t a l á b a n nem elegendő elekt­ romosan a k t í v hibahelyek k i m u t a t á s á r a . Meg kell

még említem az u t ó b b i időben fejlődésnek indult elektronpozitron annihilációs vizsgálatokat, melyek elsősorban vakanciák k i m u t a t á s á r a alkalma- lh HŐMÉRSÉKLET PÁSZTÁZÁS T 1H52T 1. ábra H ő m é r s é k l e t - s c a n D L e T S mérés elv LPE(W0)14 DLS(V) 3 452 100 200 HŐMÉRSÉKLET 300 (K), YH52T] 2. ábra. Tipikus h ő m é r s é k l e t - s c a n D L T S (n t í p u s ú G a P S c h o t t k y - d i ó d a ) Híradástechnika XXXVI. évfolyam 1985. 10 mérés szám a vizsgálat elvégzése előtt S c h o t t k y - á t m e n e t e t kell kialakítani. Az emissziós valószínűség hőmérséklet­ függő, így a k a p a c i t á s tranziensek különböző h ő m é r ­ sékleten való d e t e k t á l á s á v a l az E aktivációs energia m e g h a t á r o z h a t ó . A mérés k ö n n y e n a u t o m a t i z á l h a t ó , ha periodikusan töltjük be a mély nívókat és a teljes tranziens mérése

helyett súlyozott integráljával jellemezzük az egy adott hőmérsékleten m é r h e t ő ka­ pacitásváltozást (első ábra) [12]. A második á b r a egy jellegzetes D L T S mérési e r e d m é n y t mutat. A csúcsok amplitúdója az elektromosan a k t í v centrum koncentrációját, polaritása a centrum t í p u s á t ( t ö b b ­ ségi v. kisebbségi), míg a csúcs helye (hőmérséklet­ ben) a nívó mélységét (aktivációs energiáját, azaz a sávszéltől m é r t energetikai távolságát) h a t á r o z z a meg. A 3. á b r a azt szemlélteti, hogy a mérési hőmérsék­ let rögzítése mellett a tranziens integrálási idejének folytonos v á l t o z t a t á s á v a l az elektromosan aktívhibahelynek a hőmérséklet-scan méréssel azonos értékű feltérképezését végezhetjük el. Az irodalomban erre az eljárásra az Izotermikus K a p a c i t á s Tranziens Spektroszkópia (angol rövidí­ téssel ICTS) megnevezés honosodott meg. A 4. á b

r a egy ICTS spektrumot mutat Az ICTS mérés sok szempontból előnyösebb a h a g y o m á n y o s hőmérséklet-scan D L T S mérésnél: FREKVENCIA - PÁSZTÁZÁS T T=konst T 3. ábra DLS(V) rövidebb mérési i d ő ; szeleten laterális nívó eloszlási t é r k é p készít­ hető; a mérést nem kíséri hőkezelés, így termikusan a k t i v á l t hibareakciók is vizsgálhatóak. A gerjesztési impulzus szélességének v á l t o z t a t á s á ­ val lehetőség nyílik a befogási h a t á r k e r e s z t m e t s z e t független m e g h a t á r o z á s á r a (5. á b r a ) Végül az ú n . differenciális D L T S elv [3] alkalma­ zásával az elektromosan a k t í v hibahelyek mélységi eloszlása is nagy pontossággal feltérképezhető, erre példát a 6. á b r a mutat A D L T S mérésnél alkalma­ zott tranziens átlagolási módszer k ö v e t k e z t é b e n a feloldóképesség igen nagy. Az M F K I Radelkis Gazdasági Társulás által

gyár­ t o t t Semitrap DLS82 típusú berendezés az adalék szennyező koncentrációnál hat nagyságrenddel k i ­ sebb mélynívó koncentráció szint k i m u t a t á s á r a al­ kalmas. Ez a felbontóképesség 10 Q/cm-es szilícium alapanyag esetén 10 atom/cm k i m u t a t á s i h a t á r t jelent. 9 A DLTS módszer PK10 -10 1 10 100 1000 FREKVENCIA (Hz) TH5241 4. ábra. Jellegzetes I C T S spektrum Schottky-dióda) (p közvetlenül félvezető eszközökön végezhető; nem d e s t r u k t í v ; eléri a m e g k í v á n t felbontóképességet; minden elektromosan a k t í v hiba k i m u t a t á s á r a alkalmas; mélységben szelektív. Előnyös tulajdonságai mellett azonban egy lénye­ ges h á t r á n n y a l rendelkezik: a hibahelyet annak t í p u XXXVI. évfolyam 1985. 10 szám Si 1E-2 HB3P-2 LNISM-S) BEFOGÁSI FOLYAMAT "5- -0,5 . / 10 FREKVENCIA a. 100 (Hz) 1000 1 2 IMPULZUS SZÉLESSÉG (fjsj b. értékelése

típusú ACJC 3 A D L T S módszer rövid ismertetéséből következik, hogy ez a technika elégíti k i leginkább az elektromo­ san a k t í v hibahelyek vizsgálati módszereivel szem­ ben t á m a s z t o t t k ö v e t e l m é n y e k e t : Híradástechnika I C T S (frekvencia scan) m é r é s elve [H52-5 ő/a ábra. B e f o g á s i h a t á s k e r e s z t m e t s z e t m é r é s frekvencia-scan ü z e m m ó d b a n k ü l ö n b ö z ő i m p u l z u s s z é l e s ­ ségek mellett 5/b ábra. A m é r é s kiértékelése (Ci C típusú szilíciumban) s centrum p sa és koncentrációja mellett befogási hatáskereszt­ metszettel és termikus aktivációs energiával jellemzi. Az E és a mennyiségekből azonban nagyon nehéz, sok esetben lehetetlen a hibahely k é m i a i azonosítását elvégezni. Míg a DLTS a jelenleg ismert egyetlen módszer, amely közvetlenül a félvezető eszközökben képes az eszköz p a r a m é t e r e k e t meghatározó

hibaT 453 DLS(V) A) Spin-függő B2P1 termikus emisszió A szimmetria-tulajdonságok meghatározásának egyik közvetlen módszere az ESR technika. DLTS-sel kom­ binálva Lang és m u n k a t á r s a i n a k [4] először sikerült MOS k o n d e n z á t o r o n a SiSi0 interface trivalens Si hibahelyét azonosítani. A kombináció az ESR fel­ bontó képességének 50-szeres megnövelését eredmé­ nyezte. 2 MÉLYSÉG B ) Unaxiális (jjmj IBMI] 6. ábra 300 keV-os proton implantációval keltett „ d a m a g e " centrum mélységi eloszlása 10 íícm-es p típusú szilíciumban. A mélynívó ü C intersticiális pár s helyek k i m u t a t á s á r a , a hibahely jelenlétének re­ gisztrálását követő lépést, azaz a hiba azonosítását közvetlenül nem adja meg. A szerző felmérést készített az öt legfontosabb fél­ vezető anyag (Ga, Si, GaAs, GaP és InP) mély nívói­ ra rendelkezésre álló irodalmi a d a t o k b ó l . A felmérés

adatai alapján a I I I V . t í p u s ú vegyü­ let-félvezetőkben 55 mély nívót mutattak k i eddig megbízhatóan. (3-nál t ö b b k u t a t ó c s o p o r t egymástól független azonos e r e d m é n y é t fogadtuk el „megbíz­ ható k i m u t a t á s " kritériumának.) Az 55 nívó közül csak k e t t ő Fe és Cr volt idegen atom szennyezéssel egyértelműen azonosítható. Az elemi félvezetőknél a helyzet lényegesen j o b b : a k i ­ m u t a t o t t hibahelyek 50%-a azonosított. T o v á b b i nehézséget jelent, hogy á l t a l á b a n a m á s módszerekkel, p l . ESR-val, vagy IR-el azonosított centrumok és a DLTS módszerrel m e g h a t á r o z o t t nívók egymáshoz rendelése sem megoldott. Mély nívók azonosítása Az elektromosan a k t í v hibahelyek vizsgálatára irá­ nyuló k u t a t á s o k napjainkban választóvonalhoz ér­ keztek. A h á r o m legfontosabb kísérleti technika (ESR, I R , DLTS) kiforrott r u t i n

vizsgálati módszerré vált, kiléptek a k u t a t ó l a b o r a t ó r i u m o k falai közül és sok h e l y ü t t technológiaközi ellenőrző módszerként kerülnek alkalmazásra. Ugyanakkor új eljárások kidolgozására van szük­ ség a hibahelyek azonosítása érdekében. Az új eljárások mindegyike a D L T S módszer to­ vábbfejlesztését t ű z t e célul: kiegészítő vizsgálatokat, illetve kombinációs méréseket javasolnak, melyek a D L T S előnyeit megtartva a hibahely szimmetria tulajdonságaira is felvilágosítást tudnak adni. A h i ­ bahelyek szimmetria-viszonyainak ismerete ugyanis közvetlen összehasonlításra ad lehetőséget, más, a kémiai azonosítás elvégzése szempontjából direkt módszerek eredményeivel. A teljesség igénye nélkül h á r o m ilyen kombinációs mérés elvét ismertetjük. 454 nyomás kísérletek Az elektromosan a k t í v hibahelyek, különösen a komplexek a kristályrácsban a rács szimmetriánál

alacsonyabb szimmetriájú pozíciót foglalnak el. Különböző k r i s t á l y t a n i i r á n y o k b a n alkalmazott unaxiális n y o m á s az alacsonyabb szimmetriákat fel­ hasítja. Unaxiális nyomás mellett végzett DLTS m é ­ rés így alkalmassá válik a szimmetria-viszonyok meg­ határozására, ahogy ez Meese és m u n k a t á r s a i n a k [5] a szilícium vakancia-oxigén komplexe esetében sike­ rült is. C) Elektromos tér függés Az elektromosan a k t í v hibahelyek termikus emiszsziója függ a kristályra kapcsolt elektromos t é r nagy­ ságától (az aktivációs energia PooleFrenkel-effektus okozta csökkenése miatt). Az elektromos térrel az unaxiális nyomáshoz hasonló m ó d o n t ü n t e t h e t ü n k k i k r i s t á l y t a n i i r á n y o k a t . A szimmetria elektromos tér­ rel való csökkentése anizotrop termikus emisszióhoz vezet. Ezt a jelenséget használták k i Ferenczi és m u n k a t á r s a i [6] GaP egy

intersticiális-pár hibahelyé­ nek azonosítására. Összefoglalás A félvezető anyagok és eszközök elektromos tulajdon­ ságait döntően befolyásoló elektromosan a k t í v hiba­ helyek k i m u t a t á s á r a kidolgozott kísérleti módszerek rövid á t t e k i n t é s é t végeztük el. Megállapítható volt, hogy az eszköztechnológia követelményeinek az is­ mert mérési eljárások közül leginkább a DLTS m ó d ­ szer felel meg. A DLTS módszer h á t r á n y a , hogy a hibahelyek k é m i a i azonosítására nem alkalmas. E z é r t napjainkban olyan új vizsgálati technikák k i ­ dolgozása folyik, melyek a DLTS módszert a hiba­ helyek szimmetria-tulajdonságainak k i m u t a t á s á r a is alkalmassá teszik. I R O D A I- O M [1] D. V Lang: J Appl P h y s 45, 3023 (1974) [2] G. Ferenczi and J Kiss: A c t a P h y s Hung 50, 285 (1981). [3] G. Ferenczi, P. Krispin and M. Somogifi: J Appl. P h y s 54, 3902 (1983) [4] H. C Chen and D V

Lang: P h y s R e v Letters, 51, 427 (1983). [5] J. M Meese, J W Farmer and C D Lamp : P h y s . R e v Letters 51, 1286 (1983) [6] G. Ferenczi, M Somogyi and T Pavelka: Physica B 116, 436 (1983). Híradástechnika XXXVI. évfolyam 1985. 10 szám