Устройство для контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к области измерения удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям.
2
K
K
2
Известно устройство для измерения удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам, основанное на использовании метода Кокса-Стрека (см., например, 1) Сох R. Н., Strack Н. Ohmic contacts for GaAs devices // Solid-State Electronics. 1967. Vol. 10. P. 1213-1218; 2) Shepela A. The specific contact resistance of PdSi contacts on n- and p-Si // Solid-State Electronics. 1973. Vol. 16. P. 477-481; 3) Singh R. K. Low resistance ohmic contact to n-GaAs // MSAIJ. 2010. Vol. 6. Issue 1. P. 89-92). Устройство содержит источник тока, измерители тока и напряжения и тестовую структуру, содержащую несколько омических контактов в виде дисков с различными диаметрами на фронтальной стороне полупроводниковой пластины и сплошной тыльный контакт на ее обратной стороне [1, 2, 3]. Определение удельного контактного сопротивления ρ [Ом⋅см] в этом устройстве выполняют путем измерения на различных фронтальных контактах полного сопротивления структуры фронтальный контакт-полупроводниковая пластина-тыльный контакт, включающего в себя сопротивления фронтального и тыльного контактов и сопротивление растекания в толще полупроводника. После этого, используя методы подбора формул (по кривым) (curve fitting methods), подбирают аппроксимирующую линейную функцию, с помощью которой определяют удельное контактное сопротивление ρ.
2
t
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является устройство для измерения удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам, описанное в статье: Shepela А. The specific contact resistance of PdSi contacts on n- and p-Si // Solid-State Electronics. 1973. Vol. 16. P. 477-481. Устройство содержит источник тока, измерители тока и напряжения и тестовую структуру, содержащую пять омических контактов в виде дисков с различными диаметрами (взятыми из интервалов 10÷50 мкм и 90÷152 мкм) на фронтальной стороне полупроводниковой пластины (с толщиной, лежащей в интервале 100÷500 мкм) и сплошной тыльный контакт на ее обратной стороне. Источник тока, а также измерители тока и напряжения соединены зондом с одним из фронтальных контактов, а другим зондом- со сплошным тыльным контактом на обратной стороне полупроводниковой пластины. Используя источник тока, измерители тока и напряжения, выполняют измерения на различных фронтальных контактах полного сопротивления структуры фронтальный контакт-полупроводниковая пластина-тыльный контакт, включающего в себя сопротивления фронтального и тыльного контактов и сопротивление растекания в толще полупроводника. Согласно [1], полное сопротивление R структуры фронтальный контакт-полупроводниковая пластина-тыльный контакт можно описать следующим выражением:
K
0
где ρ - удельное контактное сопротивление; ρ - удельное сопротивление полупроводника; d - диаметр фронтального контакта; h - толщина пластины полупроводника; R - сопротивление тыльного контакта; ƒ(d, h) - корректирующая функция, учитывающая нелинейную зависимость сопротивления полупроводника от толщины его слоя и диаметра контакта в результате растекания тока под фронтальным контактом:
K
k
t
2
Первое из слагаемых в формуле (1) отвечает за вклад контактного сопротивления R=4ρ/πd в общее сопротивление R структуры, второе - за вклад сопротивления растекания.
K
Недостатком этого устройства является повышенная сложность тестовой структуры, обусловленную малыми диаметрами контактов на фронтальной стороне полупроводниковой пластины, что усложняет технологию изготовления тестовой структуры, а также необходимость использования методики реализации метода подбора формул (по кривым) при определении удельного контактного сопротивления ρ, что ограничивает использование метода Кокса-Стрека.
Технической задачей заявляемого решения является упрощение изготовления тестовой структуры устройства за счет увеличения диаметров контактов на фронтальной стороне полупроводниковой пластины и расширение функциональных возможностей за счет использования метода Кокса-Стрека.
K
Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности контроля удельного контактного сопротивления омических контактов и исключение операции экстраполяции графиков при определении при определении ρ.
Указанный технический результат достигается тем, что предложено устройство для контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям, содержащее источник тока, измерители тока и напряжения, два зонда и тестовую структуру, имеющую омические контакты в виде дисков на фронтальной стороне полупроводниковой пластины толщиной, лежащей в интервале 100÷400 мкм, и сплошной тыльный омический контакт на ее обратной стороне, тестовая структура содержит на ее фронтальной стороне, по крайней мере, два омических контакта с различными диаметрами, лежащими в интервале 40÷1040 мкм, и расположена на электропроводящем слое на стеклянном основании.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг. 1 показано заявляемое устройство, содержащее источник тока, измерители тока и напряжения, два зонда, стеклянное основание с электропроводящим слоем и тестовую структуру, имеющую омические контакты в виде дисков на фронтальной стороне полупроводниковой пластины и сплошной тыльный контакт на ее обратной стороне.
K
t
K
0
2
На фиг. 2 представлены графики зависимостей отношения R/R от диаметра фронтального контакта d (графики рассчитаны для омических контактов с удельным сопротивлением ρ=0,001 Ом⋅см по формулам (1) и (2) для полупроводниковых пластин с толщинами 100, 200 и 400 мкм, имеющих удельное сопротивление ρ=0,1 Ом⋅см, при этом в формуле (1) пренебрегли малой величиной R).
Устройство для контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям содержит источник тока 1, измерители тока 2 и напряжения 3, зонды 4 и 5 и тестовую структуру, которая имеет омические контакты 6 и 7 в виде дисков с различными диаметрами, лежащими в интервале 40÷1040 мкм, на фронтальной стороне полупроводниковой пластины 8 с толщиной, лежащей в интервале 100÷400 мкм, и сплошной тыльный омический контакт 9 на ее обратной стороне, при этом тыльный контакт 9 соединен с электропроводящим слоем 10 на стеклянном основании 11 (фиг. 1). Последовательно соединенные источник тока 1 и измеритель тока 2, а также измеритель напряжения 3 подключены с помощью зонда 4 к одному из двух фронтальных контактов 6, а с помощью зонда 5 - к электропроводящему слою 10 на стеклянном основании 11.
-6
-6
-6
-6
В первом примере выполнения заявляемого устройства для контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям тестовую структуру выполняют из пластины кремния (толщиной 400 мкм) р-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ=1 Ом⋅см, на тыльную сторону которой осаждают тонкую пленку алюминия толщиной 0,4 мкм в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. Затем загружают полупроводниковую пластину 8 в маску с двумя отверстиями с различными диаметрами, лежащими в интервале 480-1040 мкм, и осаждают локально пленку алюминия толщиной 0,4 мкм на фронтальную сторону пластины 8 в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. После этого вжигают пленки алюминия в пластину 8 кремния в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. и температуре пластины кремния 500°С в течение 20 минут. Вжигание алюминия в р-кремний приводит к формированию омических фронтальных контактов 6 и 7 и омического тыльного контакта 9. Время изготовления этих контактов тестового устройства в этом примере выполнения заявляемого устройства, т.е. проведения двух операций термовакуумного напыления алюминия и его вжигания в p-кремний, составляет 1,5 часа. Электропроводящий слой 10 на стеклянном основании 11 выполняют путем последовательного вакуумного осаждения на стеклянное основание 11 сначала пленки хрома толщиной 0,02÷0,05 мкм, а затем пленки золота толщиной 0,1÷0,2 мкм в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. и температуре стеклянной подложки 120°С.
-6
-6
-6
-6
Во втором примере выполнения заявляемого устройства для контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям тестовую структуру выполняют из пластины кремния (толщиной 400 мкм) p-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ=0,1 Ом⋅см, на тыльную сторону которой осаждают тонкую пленку алюминия толщиной 0,4 мкм в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. Затем осаждают пленку алюминия толщиной 0,4 мкм на фронтальную сторону пластины 8 в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст., и методом фотолитографии формируют из этой пленки два фронтальных контакта 6 и 7 с различными диаметрами, лежащими в интервале 40-400 мкм. После этого вжигают пленки алюминия в пластину 8 кремния в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. и температуре 500°С в течение 20 минут. Вжигание алюминия в р-кремний приводит к формированию омических фронтальных контактов 6 и 7 и омического тыльного контакта 9. Электропроводящий слой 10 на стеклянном основании 11 выполняют путем последовательного вакуумного осаждения на стеклянное основание 11 сначала пленки хрома толщиной 0,02÷0,05 мкм, а затем пленки серебра толщиной 0,3÷0,4 мкм в вакууме при давлении остаточных газов (5-6)*10 мм рт. ст. и температуре стеклянной подложки 120°С.
2
2
2
t2
t2
2
2
1
1
1
t1
t1
1
1
t1
t2
K
Устройство для контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям работает следующим образом. При соприкосновении зонда 4 с поверхностью одного из фронтальных контактов 6 (с диаметром d) и зонда 7 с поверхностью электропроводящего слоя 10 на стеклянном основании 11, через тестовую структуру протекает ток I, величину которого измеряют измерителем тока 2. Измерив на зондах 4 и 5 (измерителем напряжения 3) падение напряжения V, рассчитывают полное сопротивление R тестовой структуры по формуле: R=V/I. После этого зонд 4 устанавливают на фронтальный контакт 7 (с диаметром d) и аналогичным образом измеряют величины тока I и падения напряжения V и рассчитывают полное сопротивление R по формуле: R=V/I. Используя полученные значения R и R, рассчитывают удельное контактное сопротивление ρ по формуле, которую получают следующим образом.
t1
t2
1
2
1
2
Согласно формуле (1), для полных сопротивлений R и R фронтальных контактов с диаметрами, соответственно, d и d (d≠d) можно записать соотношения:
1
2
1
1
2
2
1
2
где  и  - площади фронтальных контактов с диаметрами d и d соответственно, ƒ(d, h) и ƒ(d, h) - корректирующие функции для этих контактов, рассчитываемые по формуле (2) для заданных значений h, d и d соответственно.
1
2
Если d<d, то вычитание формулы (4) из формулы (3) дает соотношение:
K
Из соотношения (5) следует формула для расчета удельного контактного сопротивления ρ:
t1
t2
1
2
1
2
K1
K2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
где R и R - измеренные полные сопротивления фронтальных контактов с диаметрами, соответственно, d и d (d≠d); S и S - площади этих контактов; ρ - известное удельное сопротивление полупроводника; ƒ(d, h) и ƒ(d, h) - корректирующие функции для фронтальных контактов с диаметрами, соответственно, d и d (d≠d), рассчитываемые по формуле (2) для заданных значений h, d и d соответственно.
K
t
K
t
Процесс контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым слоям существенно облегчается при использовании расчетных данных, касающихся контактного R и полного R сопротивлений (а также их отношений R/R) тестовой структуры с различными диаметрами фронтальных контактов и с различной толщиной полупроводниковой пластины 8, имеющей различные значения удельного сопротивления.
k
t
В таблице 1 приведены данные о контактном R и полном R сопротивления тестовой структуры с различными диаметрами фронтальных контактов и с различной толщиной полупроводниковой пластины, имеющей удельное сопротивление
k
2
ρ=1,0 Ом*см (ρ=0,01 Ом*см)
k
t
В таблице 2 приведены данные о контактном R и полном R сопротивления тестовой структуры с различными диаметрами фронтальных контактов и с различной толщиной полупроводниковой пластины, имеющей удельное сопротивление
k
2
ρ=0,1 Ом*см (ρ=0,001 Ом*см)
K
K
t
K
t
t
t1
t2
K
K
Из приведенных в таблицах 1 и 2 данных следует, что величина ожидаемого в эксперименте полного сопротивления R, тестовой структуры с различными толщинами полупроводниковой пластины очень сильно уменьшается при увеличении диаметра d фронтального контакта, что обусловлено сильным уменьшением как контактного сопротивления R, так и сопротивления растекания ρ⋅ƒ(d, h) с ростом диаметра d фронтального контакта. При этом, как это видно из фиг. 2, вклад контактного сопротивления R в полное сопротивление R тестовой структуры наибольший при значениях диаметра d фронтального контакта, лежащих в интервале 40÷1040 мкм. Более высокий вклад контактного сопротивления R в полное сопротивление R тестовой структуры, а также более высокие значения полного сопротивления R тестовой структуры при значениях диаметра d фронтального контакта, лежащих в интервале 40÷1040 мкм, способствуют более эффективному процессу контроля удельного сопротивления омических контактов к полупроводниковым пластинам. В свою очередь расположение тестовой структуры на электропроводящем слое на плоском полированном стеклянном основании обеспечивает низкоомное соединение электрического зонда (контактирующего с электропроводящим слоем) с тыльным контактом тестовой структуры и уменьшает вероятность повреждения (ломки) тонких полупроводниковых пластин при проведении контроля удельного сопротивления омических контактов к тонким полупроводниковым пластинам. Кроме этого применение, по крайней мере, только двух фронтальных омических контактов для измерения полных сопротивлений R и R этих контактов и последующий расчет удельного контактного сопротивления ρ на основе использования этих величин позволяет исключить операцию экстраполяции графиков при определении ρ.
Таким образом, решается техническая задача упрощение изготовления тестовой структуры устройства и расширение функциональных возможностей за счет использования метода Кокса-Стрека.