CC BY
59
Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 313-316
УДК 621.382
ДИАГНОСТИКА ТОНКИХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОЛИТ/ПОЛУПРОВОДНИК
© 2010 г. С.В. Тихое\ Д.А. Павлов1, В.Г. Шенгуров2, С.А. Денисов1,
В.Ю. Чалков2, П.А. Шиляев1, Е.В. Коротков1, С.В. Турков1
1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2Нижегородский исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского
tikhov@phys .unn.ru
Поступила в редакцию 24.05.2010
Разработана методика контроля тонких слоев кремния на сапфире в системе электролит/полупроводник, отличающаяся от общепринятой способом создания контакта электролит/полупроводник. Показано, что применение этой методики позволяет определить ряд важных параметров слоев, таких как толщина, уровень и профиль легирования, а также установить наличие глубоких дефектов в Si.
Ключевые слова: кремний на сапфире, электролит/полупроводник, емкость, фотоЭДС.
Введение
Исследование свойств тонких эпитаксиальных слоев кремния на сапфире (КНС) представляет интерес в связи с возможностью создания на их основе различных приборов и интегральных схем, устойчивых к радиационному облучению [1], и высокочувствительных фототранзисторов [2]. Естественно, что параметры приборов и схем на основе КНС во многом определяются электрофизическими параметрами слоев Б1. Между тем диагностика таких слоев затруднена существенным влиянием поверхности [3], а в особо тонких слоях (~ 0.1 мкм) при средних уровнях легирования - полным отсутствием квазинейтрального объема в слое Б1. В результате такие слои практически не проводят электрический ток. Для того чтобы было возможно исследовать свойства тонких слоев КНС, связанные с проводимостью (и получением нелинейных полупроводниковых приборов и схем), тонкие слои необходимо сильно легировать. В настоящей работе предпринята попытка исследования сверхтонких высоколегированных эпитаксиальных слоев КНС в системе электролит/полупроводник (ЭП).
Методика исследования
Методика контроля тонких слоев КНС в системе ЭП отличалась от общепринятой методики способом создания контакта ЭП. Обычно контакт ЭП большой площади создается в электролитических ячейках из тефлона различной кон-
струкции, содержащих относительно большой объем жидкого электролита [4]. В данной работе контакт ЭП осуществлялся с каплей электролита, фиксируемой на поверхности полупроводника, с помощью прижимного металлического зонда и тонкой металлической сетки с диаметром проволоки 1 мкм и размером окна 50x50 мкм . Площадь Б такого контакта, практически прозрачного для света, определялась общей площадью металлической сетки и обычно составляла 1 мм2. В качестве электролита использовалась капля водного раствора соли КС1 с глицерином. Этот состав электролита обеспечивал малое высыхание и растекание капли (только по площади металлической сетки) и неразрушающий контроль слоев КНС. Другими достоинствами предлагаемой методики являются также простота конструкции электролитической ячейки и возможность сканирования свойств по поверхности полупроводника.
Измерения проводились на эпитаксиальных слоях разной толщины d=0.2^2 мкм, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии из источников КЭФ-0.005 (0.01). Слои были я-типа проводимости и имели слоевую концентрацию электронов ~ 1014 см-2. На контакте ЭП, относительно планарного омического контакта (8и+10%8Ь), исследовались вольт-фарад-ные (СУ) характеристики на частоте / = 104 Гц, спектральные зависимости фоточувствительности БрЬ в диапазоне энергий квантов от 0.6 до 2.2 эВ и сильносигнальная фотоЭДС УрЬ на мощных одиночных импульсах света при потоке квантов ЫрЬ 51016^51019 1/см2х энерги-
ей ~ 2.2 эВ. При измерениях емкости С выполнялось неравенство 1/(2я/С) >> R + Rэ, где R и Rэ - последовательно включенные с емкостью контакта ЭП сопротивления слоя и электро-
литического контакта.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 показана типичная зависимость 1/С2от У (С - барьерная емкость) для контакта ЭП сильнолегированного слоя КНС.
Рис.1. Зависимость 1/С от У для контакта ЭП. Образец КНС, d ~ 2 мкм, усредненная по толщине слоя концентрация равновесных электронов я0 (по данным эффекта Холла) = 2.8^ 1018см-3
По таким зависимостям обычно рассчитывается профиль легирования мелкой примесью в полупроводниках. В предположении равенства концентрации доноров и концентрации свободных электронов п0 можно записать [5]:
2 ДУ (1)
0 2 д-
1 •
С 2
В (1) ц - заряд электрона, е - относительная диэлектрическая проницаемость Б1, е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума. Таким образом, по наклону производной зависимости 1/С2 от У на рис. 1 в любой точке графика можно определить концентрацию п0. Текущая координата х от границы ЭП, соответствующая точке с определенным значением п0, находится по формуле для нелинейного плоского конденсатора
е0е5
х = -
С
(2)
Было установлено, что во всех исследованных слоях КНС наблюдался убывающий профиль легирования от поверхности в объем слоя Бі, если анализировать зависимости 1/С2 от V в области малых напряжений при малых потерях в нелинейных конденсаторах. На рис. 1 это область от -0.2 до +0.25 В, в которой п0 уменьша-
18 3 18 3
ется от 3.7' 10 см- до 1.210 см- на расстоянии х 10 и 20 нм от границы ЭП соответствен-
но. Усредненная по толщине слоя концен-
трация я0, по данным эффекта Холла, лежала примерно посредине (~ 2.81018 см-3).
Установлено, что изученный контакт ЭП с я-Б1 всегда образовывал контакт типа барьера Шоттки. ФотоЭДС характеризовалась барьерным механизмом и имела положительный знак относительно электролита. Как известно, в случае барьерного механизма величина УрЬ в зависимости от освещенности описывается выражением [6]
Урь = т—(1п ^ +1), (3)
Ц 1*
где 1рЬ - фототок, пропорциональный интенсивности потока квантов ЫрЬ, I* - обратный темно-вой ток через барьер, к - постоянная Больцмана, Т - температура, т - показатель идеальности, который для одного барьера обычно >1. Как видно из рис. 2 (кривая 1), для сильнолегированных слоев КНС независимо от величины d наблюдалась логарифмическая зависимость УрЬ от интенсивности потока квантов с т ~ 0.8. То есть наблюдалось значение т <1, что может быть объяснено только встречным включением фотоЭДС от двух барьеров в слое на границах ЭП и БУсапфир. Электроны и дырки на свету имели практически одинаковую концентрацию вблизи барьеров ввиду большей, чем максимальная толщина слоя (2 мкм), длины диффузии. Поэтому результирующая фотоЭДС на контакте ЭП определялась разностью фото-ЭДС от двух барьеров и не зависела от толщины слоя. В разных слоях КНС максимальное значение фотоЭДС достигало 0.2^0.27 В.
С понижением уровня легирования (кривая 2) фотоЭДС возрастала за счет увеличения толщины барьеров (уменьшение туннелирования) и более эффективного разделения электронно-дырочных пар на них. Видимо, за счет этого наблюдалось увеличение т до ~ 1.02. В монокристалле (кривая 3) величина УрЬ определялась разделением пар только на одном барьере вблизи границы ЭП, так как толщина квазинейтрального объема в этом случае была много больше длины диффузии. Поэтому величина фотоЭДС в монокристалле была вдвое больше, чем в слоях КНС с туннельнонепрозрачными барьерами, а коэффициент т оказывался значительно больше 1 (1.35).
Как известно, из спектральных зависимостей БрЬ может быть получена информация о наличии дефектов структуры и глубоких примесей в полупроводнике [5]. Кривые спектральной чувствительности БрЬ для слоев КНС разной толщины, полученных из источника
ЫрЬ , квантов/(см2*с)
Рис. 2. Зависимости УрЬ от КрЬ для структур с контактом ЭП: 1 - высоколегированные слои КНС (КЭФ-0.01) толщиной 0.2 -^2 мкм; 2 - слой КНС й~ 2 мкм с эффективной концентрацией п0 ~ 1017 см-3; 3 - монокристалл с п0 = 7.5^ 1015 см-3
КЭФ-0.01, представлены на рис. 3. Видно, что на всех зависимостях (кривые 2-5) в примесной области спектра с энергиями квантов, меньшими ширины запрещенной зоны (1.1 эВ), наблюдалась особенность в виде ступеньки (отмечено стрелкой). Аналогичная ступенька также обнаруживалась по отклику фотопроводимости для самого тонкого слоя (кривая 1). Обнаруженная ступенька была обусловлена откликом от глубоких акцепторных ловушек, которые лежат под уровнем Ферми и заполнены электронами. Анализ методом Луковского [7] позволил установить, что примесный фотоотклик происходил с одного моноуровня с энергией Еу+ (0.31^0.34) эВ, где Еу - потолок валентной зоны Б1. Известно, что в монокристаллах близкий по энергии уровень Еу+ 0.3 эВ соответствует вакансии кремния V" V0 [8]. В слоях КНС, полученных из источника КЭФ-
0.005, не удалось выявить глубоких ловушек в доступном интервале энергий (от 0.6 эВ).
Осциллирующие зависимости БрЬ(ку) в области собственного фотоэффекта (Ы> > 1.1 эВ), наблюдающиеся для всех исследованных слоев КНС (кривые 2-4), объясняются интерференцией собственного света при отражении от поверхности и границы раздела БУсапфир. Эта интерференция прекращается при толщинах слоя > 2 мкм, когда все собственное освещение поглощается в слое и не доходит до границы раздела кремний/сапфир. Согласно [5], в случае интерференции собственного света в слоях КНС можно из спектральных зависимостей фотоотклика определить толщину слоя по простой формуле
hv, эВ
Рис.3. Спектральные зависимости фоточувствительности на контакте ЭП для сильно легированных слоев КНС, полученных из источника КЭФ-0.01. d, мкм:
1 - 0.2; 2 - 0.2; 3 - 0.5: 4 - 1: 5 - 2. Кривая 1 получена с фильтром из Si по фотопроводимости через кремниевый фильтр
d =----------^-------------, (4)
2(и2 - sin2 ф)2(^1 - ^2 ) где r - разность порядков интерференции, n -показатель преломления Si, ф - угол падения светового луча, и ^2 - длины волн, ограничивающих область наблюдения интерференции. Для точного определения толщины по формуле (4) необходимо учитывать зависимость показателя преломления от энергии квантов в области собственного поглощения. В диапазоне энергий от 1.2 до 2 эВ в Si n меняется от 3.5 до 3.9 [9]. В таблице приведены результаты определения толщины слоев КНС по спектральным измерениям на контакте ЭП, на микроинтерферометре Линника МИИ-4 и на атомном силовом микроскопе (АСМ). В последнем случае делалась сквозная царапина в слое Si до поверхности сапфира корундовой иглой или острым краем подложки из сапфира и измерялась толщина Si на краю царапины. Видно, что результаты измерений удовлетворительно согласуются. Удобство измерений толщины по фотоотклику на контакте ЭП заключается в одновременном измерении ряда других характеристик слоев (ширина запрещенной зоны, глубина залегания ловушек и т.д.).
Таблица
Результаты определения толщины слоев КНС разными методами
d, мкм (МИИ-4) d, мкм (по Sph) d, мкм (АСМ)
0.20 0.17 0.19
0.48 0.53 0.48
0.94 0.90 0.85
2.00 1.99 -
Сканируя лучом света и электролитическим контактом по поверхности слоя КНС, можно определять степень его однородности по толщине по измерениям спектров фоточувствительности на контакте ЭП. Интервал измеряемых толщин ЭС в этом методе составляет 0.2^2 мкм. Такое сканирование также может выявлять и неоднородности энергетических характеристик по поверхности слоев Б1.
Заключение
Разработана методика контроля тонких слоев кремния на сапфире в системе электролит/полупроводник, отличающаяся от общепринятой методики способом создания контакта электролит/полупроводник. Показано, что применение этой методики позволяет определить ряд важных параметров слоев, таких как толщина, уровень и профиль легирования, а также установить наличие глубоких дефектов в Б1.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Рособразования РНП 2.1.1.36/26.
Список литературы
1. Папков В.С. Цыбульников М.В. Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических подложках и приборы на их основе. М.: Энергия, 1979. 88 с.
2. Логунов Л.А., Поляков И.В. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1991. Вып. 4 (213). С. 94-102.
3. Тихомиров Г.В., Коровин А.П. и др.// Электронная техника. 1984. Вып. 6 (172). С. 137.
4. Карпович И. А., Звонков Б.Н. Горшков А.П. и др. // ФТП. 2001. T. 35. C. 564-570.
5. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1987.
6. Родерик Э.К. Контакты металл-полупроводник. М.: Радио и связь, 1982.
7. Lucovsky G. // Sol. St. Commun., 1965.V. 3. Р. 299.
8. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках. М.: Радио и связь, 1981.
9. Properties of Crystalline Silicon / Editor R. Hull. L.: INSPEC, IEE, 1999. P. 1003.
DIAGNOSTICS OF THIN SILICON-ON-SAPPHIRE LAYERS IN ELECTROLYTE/SEMICONDUCTOR SYSTEM
S. V. Tikhov, D.A. Pavlov, V. G. Shengurov, S.A. Denisov, V. Yu. Chalkov,
P.A. Shilyaev, E. V. Korotkov, S. V. Turkov
A procedure to control thin silicon-on-sapphire layers in an electrolyte/semiconductor system has been developed. The procedure differs from the conventional one by a specific way of making an electrolyte/semiconductor contact. The application of the procedure allows one to define a number of significant layer parameters such as thickness, doping level and profile, and to determine the presence of deep defects in Si layers.
Keywords: silicon on sapphire, electrolyte/semiconductor, capacity, photo-emf.
