Brevet FR2080914A1 — publié le 19711126

La présente invention concerne de façon générale un procédé et un appareil pour l'appréciation des semi-conducteurs et plus particulièrement pour mesurer la distribution de la densité de dopage dans des plaquettes de semi-conducteur , 5 Une phase importante de la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs est l'introduction d'une densité réglée d'impuretés dans la plaquette de semi-conducteur dont est fait le dispositif.Le processus d'introduction de ces impuretés porte le nom de dopage,et la technique de dopage la plus répandue est 10 celle de la diffusion des impuŒtés. La concentration des impuretés ou densité de dopage détermine la conductivité de la plaquette et elle est donc l'un des paramètres les plus importants du dispositif fini. Du fait que la diffusion entraîne en l'eep-pèce une distribution non uniforme des impuretés, il est sou-15 vent important de déterminer le profil de variation de la densité de dopage , c ' est-à--dire la distribution des impuretés, dans lr-î r.laquette. Comme décrit dans la demande de brevet français N° 69 05814 du 4 mars 1969 déposée par 'iesteri* Electric Oon.pany Incorporatea on peut évaluer la distribution du dopage de la plaquette de 2C semi-conducteur en formant une diode sur l'une des surfaces de la plaquette, en polarisant la diode en inverse,en faisant passer à travers la diode un courant alternatif et en mesurant entre les limites de la diode une première et une seconde tension qui sont le premier et le second harmonique.respectivement, de la 25 tension alternative appliquée. On peut montrer que la tension à la fréquence du premier harmonique est proportionnelle à la profondeur de la couche d'appauvrissement ou de déplétion de la diode et que la tension du second harmonique est proportionnelle à l'inverse de la densité de dopage au bord de la couche de dé-*C plétion, La couche de déplétion ou d'appauvrissement est la région de la plaquette qui est voisine de la jonction de la diode, d'où les porteurs majoritaires libres ont été enlevés par l'effet de la tension de polarisation inverse. En augmentant la polari-sation inverse,on fait cjie le bord de la couche de déplétion ba-35 laie une section de la plaquette en permettant ainsi d'enregistrer la distribution de la densité de dopage. Pour la plupart des applications ,1a concentration de do- BAD ORIGINAL 71 00571 2 2080914 page répond en principe à des impuretés "peu profondes", c'est-à-dire des atomes d'impuretés qui apportent un porteur majoritaire même en l'absence d'application de tension ou de chaleur. Par exemple dans les semi-conducteurs de type n, les impuretés 5 peu profondes sont des atomes donneurs ayant des niveaux d'énergie suffisamment proches de la bande de conduction pour être ionisés à la température ambiante et ainsi apporter un électron de la bande de conduction, ou porteur majoritaire. C'est la densité de ces impuretés peu profondes que l'on mesure suivant 10 le brevet prémentionné. Les impuretés de niveau profond, en l'absence d'application de tension ou de chaleur, n'apportent pas normalement de porteur dans un semi-conducteur » Dans les semi-conducteurs de type n, les donneurs profonds sont ceux qui ont des énergies 15 en dessous du niveau de Fermi et qui ne sont pas ionisés à la température de fabrication. Dans le fonctionnement, cependant, les tensions élevées appliquées peuvent ioniser les donneurs profonds en augmentant ainsi la concentration des électrons porteurs majoritaires et en affectant d'autre façon, de manière importan-20 te, le fonctionnement du dispositif. Par suite, il est intéressant de déterminer la concentration des niveaux des impuretés profondes d'une plaquette de semi-conducteur, si même cette détermination ne sert qu'à vérifier la qualité de la plaquette, c'est-à-dire à aboutir à l'élimination des plaquettes ayant une 25 concentration excessive en impuretés profondes. L'un des buts de l'invention est de déterminer la concentration des niveaux des impuretés profondes dans les plaquettes de semi-conducteur . On atteint ce but et d'autres buts de l'invention par un 30 procédé qui s'adapte facilement à l'emploi avec un dispositif d'établissement de profils de distribution de la densité d'impuretés décrit ci-dessus. On peut montrer que le décalage de phase de l'énergie de courant alternatif appliquée à la diode est directement proportionnel à la concentration en impuretés pro-35 fondes au bord de la couche de déplétion. lie décalage de phase du second harmonique9cependant, est proportionnellement plus grand que celui de la fréquence fondamentale et on le préfère donc pour 71 00571 3 2080914 déterminer la concentration en impuretés profondes. Suivant la présente invention» on procure un procédé pour apprécier des plaquettes de semi-conducteur ayant une région de diode formant barrière ou couche d'arrêt électroniques consis-5 tant à appliquer une tension de polarisation inverse à la diode formée sur une plaquette pour établir une couche de déplétion, à appliquer un premier courant alternatif à la diodes à dériver un second courant alternatif de la tension sur la diode, et à déterminer la différence de phase du premier et du second cou-10 rant, cette différence étant proportionnelle à la concentration des niveaux d'impuretés au bord de la couche de déplétion. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, on applique à oartir d'une source, de l'énergie de courant alternatif à la diode de la plaquette,, on double la fréquence de l'énergie de 15 la source pour l'utiliser comme signal de référence, on dérive de la diode la tension à la fréquence du second harmonique et on compare cette phase à celle de la tension de référence.On enregistre la différence de phases du second harmonique dérivé et du signal de référence et elle indique la concentration en 20 impuretés profondes. En changeant la tension de polarisation, on peut faire que le bord de la couche de déplétion balaie la plaquette en fournissant des indications quant aux impuretés profondes à des emplacements de profondeurs successives de la plaquette Sur les dessins? 25 - Figure 1 représente schématiquement l'appareil pour mesurer la concentration des impuretés profondes dans une plaquette de semi-conducteur, suivant un exemple de forme de réalisation de l'invention. - Figure 2 est un graphique de décalage de phase (en 3C ordonnées) par rapport à la distance(en abscisses ) dans l'appareil de mesure de la figure 1 ; et - Figure 3 montre un circuit plus détaillé qui est un exemple de mise en oeuvre du circuit de la figure 1. Comme dans le procédé précédent, on forme une série de 35 contacts à couche d'arrêt ou barrière de Sehottky 13 sur une face de la plaquette pour établir un certain nombre de diodes à couche d'arrêt de Sehottky 14 dont on n?a montré qu'une seule. 71 00571 4 2080914 La diode 14 est polarisée en sens inverse par une source de tension continue 18 pour former une couche de déplétion en dessous du contact 13 ayant un bord ou limite 19 • Une source de .signaux 20 envoie un courant alternatif de fréquence f à tra- . 5 vers une résistance R, un filtre 21 et la diode. Une bobine d'arrêt des radiofréquences, 22, et une capacité 33 séparent et isolent les trajets des courants alternatifs et continu. Comme décrit dans le brevet précité, des tensions à des fréquences harmoniques sont développées sur la diode en réponse 10 au passage du courant alternatif.La tension à la fréquence du second harmonique de fréquence 2f est dérivée de la diode par lè filtre 25 et envoyée à un détecteur de phase 26.La tension à la fréquence du premier harmonique,, ou fondamentale, est dérivée par un .filtre 27 et envoyée à un traceur de courbes à coor-15 données X-Y. L'amplitude de la tension à la fréquence du premier harmonique provenant, du filtre 27 est proportionnelle à la profondeur de la couche de déplétion et on l'utilise donc pour reporter les coordonnées X du traceur X-Y. La phase relative de la tension à la fréquende du second 20 harmonique se détermine en envoyant une partie du signal de fréquence f à un doubleur de fréquence 30 qui engendre un signal de référence de fréquence 2f qui est envoyé alors au détecteur de phase 26. Le détecteur de phase qui est un composant normal bien connu engendre une tension de sortie proportionnelle à la 25 différence de phase du courant du second harmonique venant du filtre .25 et du courant du second harmonique venant du doubleur de fréquence 30. Cette différence à son tour est proportionnelle au déphasage de la tension du second harmonique par la diode et elle est reportée comme coordonnée Y par le traceur. 30 Comme la nature et les diverses interactions des niveaux d'impuretés profondes dans les semiconducteurs sont d'une grande complexité, un exposé rigoureux de la raison pour laquelle le déphasage de la tension à la fréquence du second harmonique est proportionnel à la concentration en impuretés profondes n'est pas 35 considéré comme sûr. On peut comprendre intuitivement, cependant, que la composante alternative fait osciller le bord 19 de la couche de déplétion suivant un mouvement de montée et de 71 00571 5 2080914 descente. Ce faisant, elle ionise des niveaux de donneurs profonds, ce qui change la capacité entre les limites de la couche de déplétion ,changeant ainsi le déphasage de la tension dérivée par rapport au courant appliqué. la grandeur de ce change-5 ment de la capacité et le déphasage qui en résulte sont proportionnels à la concentration des niveaux d'impuretés profondes dans la plaquette. Même en l'absence de niveaux d'impuretés profondes quelconques, il y a un déphasage de la tension par rapport au cou-10 rant appliqué, qui change lorsque l'épaisseur de la couche de déplétion change. En se reportant à la figure 2,on y voit la courbe 32 qui représente un changement typique de déphasage par rapport à la distance dans une plaquette où il n'y a pas de niveaux d'impuretés profondes. La courbe s'obtient en changeant 15 la polarisation appliquée par la source de tension variable 18. Lorsque la tension de polarisation augmente, l'épaisseur de la couche de déplétion augmente et le bord 19 balaie la plaquette. La coordonnée X donne l'emplacement du bord 19 et lorsque la distance X augmente, le déphasage Y augmente en fait à cause de 23 la diminution de capacité sur la couche de déplétion.La nature exacte de la courbe 32 dépend en partie des paramètres du circuit et il est recommandable de déterminer une telle courbe comme première étape avec le circuit de l'invention; c'est-à-dire, avant que le circuit soit utilisé, en fait pour déterminer les 25 concentrations des impuretés profondes. Une plaquette ayant une concentration d'impuretés sensible peut, en l'espèce, provoquer des déphasages de tension propres à engendrer une courbe 33.La différence de déphasage entre les courbes 33 et 32 à une distance spécifique quelconque est 30 proportionnelle à la concentration d'impuretés profondes à cet endroit. Les déphasages spécifiques montrés sont destinés à indiquer le déphasage par rapport au courant appliqué de la tension à la fréquence du second harmonique. Les déphasages des tensions à la fréquence du premier harmonique sont aussi propor-35 tionnels à la concentration des impuretés profondes, mais sont d'un usage plus difficile parce que ces différences de phases engendrées sont plus petites. Les déphasages des tensions à la 71 00571 6 2080914 fréquence du second harmonique sont en l'espèce de 10 à 100 fois plus grands que ceux des tensions à la fréquence du premier harmonique comparables. La technique exposée ci-dessus s'est montrée particuliè-5 rement intéressante pour la vérification de qualité de plaquettes à l'arséniure. de gallium de type n à utiliser dans les diodes à effet GrUNN et dans les diodes à activité stimulée par irradiation, .connues dans la littérature technique sous le nom de diodes LSA. Bien qu!il soit probablement possible de déter-10 miner quantitativement la distribution des concentrations des impuretés profondes avec la technique exposée, on a trouvé que .cette technique s'utilise le mieux empiriquement ; c'est-à-dire qu'on détermine par expérience le degré de.déphasage et ainsi la .concentration des impuretés profondes que l'on peut tolérer pour le. fonctionnement de semi=conducteurs spécifiques» On préfère combiner la technique précédente avec un dé-terminateur de distribution des densités, du type.décrit dans l'invention citée plus haut» Cette combinaison est montrée dans le circuit spécifique de la figure 3 qui s'est montré convena-20 ble pour analyser des plaquettes d'arséniure de gallium. Le générateur de signaux 35 engendre un signal de 5 mégahertz à 1 volt avec une. impédance de 50 ohms,tandis que le filtre 36 sup-prime les seconds harmoniques à 10 mégahertz. Le signal est envoyé par une sonde classique à travers une diode à couche d'ar-25 rët de Sehottky formée .à la surface de la plaquette de semiconducteur 12. Un récepteur, d®ondes courtes 37 est accordé à 10 mégahertz et détecte la tension à la fréquence du second harmonique tandis qu'un récepteur 38 est accordé à 5 mégahertz pour détecter la tension à la fréquence du premier harmonique. Des j0 lignes de transmission de. 50 ohms sont utilisées partout et les valeurs des divers composants de circuits sont indiquées au dessin. La lettre K signifie Kilohms9 uf signifie microfarads, pf signifie picofarads, uh signifie microhenrys et fï. , des ohms. Les signaux de sortie des récepteurs 37 et 38 sont envoyés à un 35 enregistreur ou traceur 39 pour reporter la courbe des densités de dopage, exactement comme dans le brevet précédent. En pluss un signal de référence à la fréquence du second 71 00571 7 2080914 harmonique est engendré par un doubleur de fréquence 40> et envoyé à un détecteur de phase 41. La tension à la fréquence du second harmonique venant de la diode est envoyée an détecteur de phase 41 ainsi qu7au récepteur de fréquence .37-Comme précé-5 demment, une tension de sortie du détecteur 41»indiquant le déphasage de la tension à la fréquence du second harmonique, est envoyée à l'enregistreur 39 pour engendrer une courbe telle que la courbe 33 de la figure 2. La courbe des concentrations des impuretés profondes est superposée au profil de densités de dopage 10 enregistré normalement par l'enregistreur 39 et fournit par conséquent des données que l'on peut utiliser commodément. L'enregistreur traceur 39 est dit enregistreur X:-Y~Y: parce que les deux courbes sont engendrées en même temps en fonction de la distance X. 15 La couche darrêt de Sehottky n'est qu:un exemple d'une couche d arrêt électronique qui peut être formée à la surface du semi-conducteur pour permettre une polarisation en inverse avec formation d'une couche de déplétion associée» En variante, la couche d arrêt électronique peut être une structure métal--23 îsolant-semi-conducteur, ou peut être une jonction p~n. Des circuits autres que celui décrit peuvent être utilisés pour déterminer le déphasage sur une région formant diode et par suite,pour déterminer la concentration des niveaux d'impuretés profondes. 71 00571 8 2080914 REVENDICATIONS 1„- Procédé d'appréciation de plaquettes de semi-conduc-teurs, ayant une région formant diode comprenant une couche d'arrêt électronique, consistant à appliquer une tension de po-5 larisation inverse à la région de diode d'une plaquette pour établir une couche de déplétion, à appliquer un premier courant alternatif à la région de diode et à dériver un second courant alternatif de la tension sur la région de diode, caractérisé en ce que l'on détermine (26,28) la différence de phases 10 du premier et dusecond courant (f,2f), cette différence étant proportionnelle à la concentration des niveaux des impuretés au bord (19) de la couche de déplétion. 2.= Procédé suivant la revendication 1S caractérisé en ce que le second courant est un second harmonique du premier 15 courant,et en ce que la différence de phases se détermine en engendrant (30) à partir du premier courant un troisième courant alternatif qui est un second harmonique du premier courant et en ce qu'on envoie le second et le troisième courant à un détecteur de phase (26). 20 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on dérive de la région de diode (14) une tension de premier harmonique de la fréquence f, et en ce qu'on détermine 1!épaisseur de la couche de déplétion,cette opération comprenant l'étape qui consiste à mesurer l'amplitude de la tension à la 25 fréquence du premier harmonique, cette amplitude donnant une indication de l'épaisseur de la couche de déplétion. 4.- Procédé suivant la revendication 3t. caractérisé en ce qu'on change la tension de polarisation (18) sur la région de diode en faisant ainsi varier l'épaisseur de la couche de dé-30 plétionfet en ce qu'on procède successivement à la dérivation et à la mesure, de la tension à la fréquence du premier harmonique et de la différence de phases du second et du troisième courant, donnant ainsi des indications de la concentration des niveaux d'impuretés profondes à différentes profondeurs dans la 35 plaquette. 5.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dérive une tension à la fréquence du second harmonique(2f) 71 00571 9 2080914 de la région de diode, en ce qu'on détermine la densité de dopage à un bord de la couche de déplétion en mesurant l'amplitude de la tension à la fréquence du second harmonique et en ce qu'aon détermine la phase relative de la tension à la fréquence du se-5 cond harmonique pour déterminer ainsi la densité des niveaux des impuretés profondes dans la région de déplétion. 6.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que Ie étape de détermination comprend les opérations consistant à doubler la fréquence du courant alternatif de fréquen-10 ce (f) pour engendrer un signal de référence de fréquence (2f), et à envoyer le signal de référence et la tension à la fréquence du second harmonique dérivée de la région de diode, à un détecteur de phases. 7.~ Appareil pour exécuter le procédé de la revendication 15 1, comprenant une source de tension pour appliquer une tension de polarisation inverse à la région de diode pour établir une couche de déplétion? une source de signaux pour appliquer du courant alternatif de fréquence f à la région de diode,un filtre pour dériver une tension à la fréquence du second harmonique de 2C la fréquence 2f de la région de diode, et des moyens pour mesurer l'amplitude de la tension à la fréquence du second harmonique, cette amplitude indiquant la densité de dopage au bord de la couche de déplétion, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (40V41) pour déterminer le déphasage de la tension à la 25 fréquence du second harmonique dérivée de la diode par rapport au courant alternatif appliqué, cette différence indiquant la concentration des niveaux des impuretés profondes au bord (19) de la couche de déplétion .