Szilícium alapanyagok minősítése Somlay Gergely Juhász László Mizsei János

Bevezető Félvezető anyagok és eszközök minősíthetőek: Elektromos jellemzőik Optikai jellemzőik Kémiai és fizikai jellemzőik alapján Számunkra az elektromosak a legfontosabbak 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Fontosabb jellemzők Elektromos: Optikai: Kémiai és fizikai: Ellenállás, négyzetes ellenállás Adalékkoncentráció Mozgékonyság Töltéshordozó élettartam (kisebbségi) Optikai: Szigetelő vastagsága Oxigén és szén szennyezés meghatározása Kémiai és fizikai: Szennyezők eloszlása Összetevők azonosítása és sűrűségük meghatározása 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Ellenállás Az ellenállás függ a szabad elektronok és lyukak sűrűségétől és a mozgékonyságuktól: Extrinsic anyagoknál általában elhanyagolhatóak a kisebbségi töltéshordozók A töltéshordozó koncentráció és a mozgékonyság nem mindig ismert, lehet az adalékolás inhomogén laterálisan és vertikálisan is Több, különféle módszer kellhet 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négyzetes ellenállás 1 négyzet esetén: [ρs] = ohm/négyzet 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négyzetes ellenállás inhomogén adalékolás esetén: Gummel szám: 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tűs kontaktus: fém-félvezető átmenet, „félvégtelen” térrész 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tűs kontaktus: fém-félvezető átmenet, „félvégtelen”, vékony lemez r 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Két tűs mérés Egyszerűen megvalósítható, de problémás az eredmények kiértékelése Rc, Rsp értékét külön nem lehet meghatározni 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négy tűs mérés Előzőnél jobb megoldás A parazita Rc, Rp és Rsp elhanyagolható 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négytűs mérés – feszültség 1. A feszültség az elektródától r távolságra: Feszültség az 1. és 4. elektródák között végtelen félteres közelítés esetén: 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négytűs mérés – feszültség 2. Feszültség a 2. elektródán: Feszültség a 3. elektródán: A mért feszültség: 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négytűs mérés - ellenállás Innen az ellenállás: Egyenközű elektródák esetében: A képletben az elektródatávolság szerepel! Kisebb közzel szelet szélén is mérhetünk 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Ellenállás vékony lemez esetében Valós szeletekre a végtelen félteres közelítés nem jó, nagyobb egykristály tömbök esetében jó lehet A geometriai tulajdonságokat korrekciós tényezőkkel vesszük figyelembe: In-line elektródák esetében F=F1F2F3 F1 – minta vastagsága F2 – laterális méret F3 – elektródák helyzete a minta széléhez képest 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Korrekciós tényező - vastagság Nem vezető hátoldal esetén vékony mintára: Ez t ≤ s / 2 esetében igaz Vékony minták esetében, F2 és F3 ≈ 1 mellett: A képletben az elektródatávolság helyett a lemez vastagsága szerepel, mint geometriai paraméter! 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Négyzetes ellenállás Teljes vastagságában egyenletesen adalékolt (homogén adalékolású) mintára t ≤ s / 2 esetén: Diffuziós, ionimplantált (inhomogén adalékolású), epitaxiális, vezető és polikristályos rétegek jellemzésére is megfelel 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tetszőleges alakú minták ellenállása Az in-line elrendezés a leggyakoribb négy tűs elrendezés, de léteznek ettől eltérőek is A négyzet elrendezés gyakori (négyzetes minták) van der Pauw kimutatta, hogy tetszőleges mintára megadható egy konstans, ha A kontaktus a minta peremén helyezkedik el A kontaktus kicsi A minta egyenletes vastagságú A minta teljesen egybefüggő 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tetszőleges alakú minta 1. Az áram a 1-es kontaktuson folyik be és a 2-esen folyik ki A mért feszültség: U34 = U3 – U4 R23,41 definíciója hasonló 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tetszőleges alakú minta 2. Az ellenállás: ahol F az Rr = R12,34 / R23,41 arány függvénye 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tetszőleges alakú minta 3. Szimmetrikus minták (kör, négyzet) esetében Rr = 1 és F = 1, ekkor az ellenállás: A négyzetes ellenállás: 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Tetszőleges alakú minta 4. A van der Pauw egyenletek feltételezik az elhanyagolhatóan kis méretű kontaktusokat A valóság más A nem ideális kontaktusok hibája eliminálható lóhere alakú elrendezéssel Ez bonyolultabb előkészítést igényel Továbbfejlesztés: görög kereszt alakú elrendezés 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Mérési hibák és megelőzésük 1. Minta mérete Az elektródák távolságánál vékonyabb szelet vagy réteg esetén a számolt ellenállás egyenesen arányos a minta vastagságával Fontos a minta vastagságának pontos ismerete Többségi/kisebbségi töltéshordozó injektálás Nagy áram mellett nem elhanyagolható a fém-félvezető átmenet kisebbségi töltéshordozó injektálása („tűs tranzisztor”: transfer resistor) A kisebbségi hordozók növelik a többségi hordozók sűrűségét is (töltéssemlegesség), ezáltal nő a vezetés Ennek csökkentésére növelni kell a kisebbségi töltéshordozók rekombinációját 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Mérési hibák és megelőzésük 2. Elektródák távolsága Mechanikus négytűs mérésnél a távolság nem pontos Erősen inhomogén adalékolásnál probléma Áramerősség Kétféle hatás: Növeli az ellenállást a melegedés Csökkenti az ellenállást a kisebbségi és/vagy többségi töltéshordozó injekció 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Mérési hibák és megelőzésük 3. Hőmérséklet Termoelektromos feszültségek elkerülése érdekében egyenletes hőmérséklet A hőmérséklet gradienseket az elektródák árama okozza főleg Kis ellenállású anyagoknál nagy áram kell, ami melegedést okoz A félvezetők érzékenyek a külső hőmérséklet változásaira A hőmérsékleti korrekciós tényező: FT = 1 – CT(T – 23), ahol CT a vezetés hőmérsékletfüggését leíró tényező 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Mérési hibák és megelőzésük 4. 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Mérési hibák és megelőzésük 4. Nagy ellenállású anyagok Nagy ellenállású anyagok (GaAs) ellenállása nehezen mérhető 4 tűs méréssel Közepesen adalékolt félvezetők mérése is nehéz alacsony hőmérsékleten A legegyszerűbb mérési elrendezés: egy nagy kontaktus az egyik oldalon, míg egy kis kontaktus a másikon Hátránya a szivárgási áram 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Szelet térképezés Eredetileg ionimplatáció minősítésére Négyzetes ellenállás vagy egyéb paraméter mérése több pontban, majd az eredményekből szintvonalas ábra 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Áram tomográfia Szelet peremén fix számú (16,32) kontaktus Egy elektródapáron keresztül áram folyatása A többi elektróda feszültségét mérjük Nincsenek mérés közben mozgatások (idő) A hasznos felülettel nincs érintkezés, így nem is szennyeződik Az ellenállás eloszlás az orvosi tomográfiai technikák segítségével kapható 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Termikus hullám módszer 1. Modulált lézersugár segítségével melegítik a mintát A lokális hőmérséklet változás térfogatváltozással jár, aminek termoelasztikus és optikai hatásai vannak Egy második lézerrel a visszatükrözés változását mérjük Kalibráció szükséges ismert minták segítségével Nincs kontaktus és nem destruktív Csupasz és oxidált szeleten is működik 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Termikus hullám módszer 2. 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Ellenállásprofil meghatározása A négy tűs módszerrel kapott négyzetes ellenállás értékből csak egyenletesen adalékolt félvezetőkre lehet fajlagos ellenállást számítani Nem egyenletes adalékolásnál nem elég a négyzetes ellenállás meghatározása Sok esetben csak az adalékolás profiljára és az összes bevitt adalékatomra van specifikáció Gummel szám: 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Differenciális Hall effektus 1. A mintából vékony rétegeket távolítunk el Minden lépésnél mérés A négyzetes ellenállás: A vizsgált réteget el kell szigetelni a szubsztráttól (pn átmenet) 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Differenciális Hall effektus 2. A négyzetes ellenállás egyenletesen adalékolt rétegre (konstans töltéshordozó sűrűséggel): 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Terjedési ellenállás mérése (Spreading Resistance Profiling - SRP) Két pontosan igazított elektróda végigléptetése a mintán A ferde felület dőlésszöge 1°-nál kisebb is lehet Az eredeti felület oxidálása: segít a helyes skálázásban 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Spreading resistance Az áram az elektródánál koncentrálódik és onnan áramlik szét sugárirányban Hengeres, a felülettel csak érintkező elektróda esetében végtelen féltérre: A mintába behatoló, félgömb felületű elektródára: --> 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Érintésmentes módszerek Két nagy kategória: Elektromos Nem elektromos Elektromos módszerek típusai: Mikrohullámú áramkörrel transzmisszió és reflexió vizsgálata A minta és a mérőeszköz kapacitív csatolása A minta és a mérőeszköz induktív csatolása 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Örvényáramok 1. Párhuzamos renzonáns tank –ból épül fel Egy vezető anyag behelyezése lerontja a jósági tényezőt 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Örvényáramok 2. Az elnyelt teljesítmény: Adott teljesítmény mellett: Pa = VTIT Pa definíciója csak akkor igaz, ha a minta vastagsága kisebb, mint a skin mélység 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Minta vastagságának mérése Két érintésmentes módszer: Ultrahangos: a minta alsó és felső felületéről visszaverődő hullámokat mérik Kapacitív: két elektróda közé helyezik a mintát, így két sorbakapcsolt kondenzátor keletkezik A minta vastagsága (t): 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Konfokális rezonátor 1. Felületi ellenállás elemző (SRA) Az r görbületű tükör r/2 távolságra van a mintától A kialakuló álló elektromágneses hullámok a minta dielektromos és vezetési tulajdonságitól függenek 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Konfokális rezonátor 2. A mérés során a Q jósági tényezőt és az f0 rezonancia frekvenciát mérik Az impedancia valós része: Ebből az ellenállás: 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Szelettípusok (150 mm alatti átmérők esetén): Csiszolatok segítségével Alapcsiszolat <110> irányban 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Vezetési típus megállapítása Schottky kontaktussal (b): Melegtűs mérés (a) A szelet típusa a hőmérséklet gradiens keltette Seebeck feszültség előjeléből határozható meg. A többségi hordozók árama n és p típusú anyagra: Vezetési típus megállapítása Schottky kontaktussal (b): A szelet típusa négytűs elrendezésben váltakozóáramú táplálással és az egyenirányított komponens mérésével is meghatározható. 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Ellenállás adalékolásfüggése 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése

Intrinsic töltéshordozó sűrűség A 275 ≤ T ≤ 375 K tartományban: 130 oC 2017.04.05. Szilícium alapanyagok minősítése