СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕГИРОВАННЫХ СЛОЁВ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН Российский патент 2022 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к устройствам контроля параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано для неразрушающего определения поверхностного сопротивления легированного слоя, глубины, на которой образуется p-n переход, и концентрации примеси на поверхности кремниевых пластин как при входном контроле, так и при контроле полупроводниковых структур после технологических операций создания легированных слоев.

Известен способ определения параметров полупроводниковых материалов, обеспечивающий неразрушающий контроль одновременно трех важнейших параметров полупроводниковых структур: удельной проводимости, концентрации и подвижности носителей заряда по глубине образца для локальных его областей. Способ включает облучение слоя полупроводника электромагнитным зондирующим излучением, длина волны которого превышает толщину слоя полупроводника, измерение интенсивности интерференционных максимумов первого или второго порядков отраженного или прошедшего через полупроводник излучения, определение мощности отраженного, прошедшего и поглощенного излучения, расчет локальной проводимости полупроводника, причем с целью обеспечения возможности одновременного определения дополнительных параметров, облучаемый слой полупроводника приводят с одной стороны в контакт с двумя гальванически не связанными объемами химически нейтрального по отношению к полупроводнику электролита, между одним из которых и полупроводником прикладывают постоянное обедняющее напряжение, измеряют емкость области пространственного заряда (ОПЗ), определяют исходя из нее толщину ОПЗ, одновременно прикладывают к полупроводнику и электролиту переменное напряжение, измеряют мощность излучения, поглощенного в необедненном слое полупроводника, последовательно изменяют значения подаваемого постоянного напряжения до напряжения пробоя ОПЗ, а также амплитуду переменного напряжения и снимают зависимости мощности поглощаемого излучения от толщины ОПЗ и амплитуды переменного напряжения, по которым дополнительно определяют соответственно профиль удельной проводимости, а также профили подвижности и концентрации носителей заряда (см. Патент РФ №1835967, МПК H01L 21/66, опубл. 1996 г.).

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость создания электрического контакта между поверхностью образца и двумя гальванически несвязанными областями жидкого электролита, а также сложность и трудоемкость процедуры измерения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения характеристик легированных слоев полупроводниковых структур, включающий измерение поверхностного сопротивления R_S четырехзондовым методом и определение глубины расположения p-n перехода X_j методами косого, шарового или цилиндрического шлифов с последующим воздействием на область шлифа химических реагентов, способных различно окрашивать полупроводник с электронной и дырочной проводимостью. Определив поверхностное сопротивление R_S слоя и глубину залегания p-n перехода X_j по известной формуле, рассчитывают поверхностную концентрацию примеси N_S (см. Курносов А.И. Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.; Высшая школа, 1986. 368 с.).

Недостатком этого способа является то, что метод шлифа, используемый для определения глубины залегания p-n перехода, является разрушающим, а также весьма сложным и трудоемким.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в осуществлении возможности неразрушающего контроля характеристик легированных слоев полупроводниковых структур, включающего измерение поверхностного сопротивления легированного слоя, определение глубины расположения p-n перехода и поверхностной концентрации примеси, при сравнительной простоте и надежности осуществления способа.

Это достигается тем, что в способе определения электрофизических характеристик легированных слоев кремниевых пластин включающем измерение поверхностного сопротивления легированного слоя четырехзондовым методом, дополнительно осуществляют определение ИК-спектров отражения от поверхности кремниевых пластин, нахождение минимума на спектральной зависимости коэффициента отражения, вычисление по эмпирическим формулам концентрации примеси на поверхности легированного слоя и расчет глубины залегания p-n перехода по следующей формуле: где X_j - глубина, на которой образуется p-n переход, м; е - заряд электрона, Кл; μ - подвижность носителей заряда, N_S - поверхностная концентрация примеси, м^-3;N_B - концентрация примеси в исходном кремнии (базе), м^-3; R_S - поверхностное сопротивление легированного слоя, Ом/□.

Технический результат состоит в неразрушающем контроле характеристик легированных слоев полупроводниковых структур, включающем измерение поверхностного сопротивления легированного слоя, определение поверхностной концентрации примеси и теоретический расчет по полученным данным глубины залегания p-n перехода при относительной простоте и надежности предполагаемого способа.

Способ реализуют следующим образом.

Используя спектры отражения ИК-излучения, находят длину волны λ_min, мкм, на которую приходится минимум коэффициента отражения R(λ). Поверхностную концентрацию примесных атомов N_S определяют по следующим эмпирическим зависимостям (см. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. - М. Высшая школа, 1987. 239 с.):

- для n-кремния:

где N_S изменяется в диапазоне 1,5⋅10¹⁸-1,5⋅10²¹, см^-3;

- для p-кремния

где N_S изменяется в диапазоне 3,0⋅10¹⁸-1,0⋅10²⁰, см^-3;

Используя четрехзондовый метод, измеряют поверхностное сопротивление R_S Ом/□. Считая профиль залегания примеси N(x) известным из формул (см. Курносов А.И. Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.; Высшая школа, 1986. 368 с.):

и

где - среднее значение удельного сопротивления легированного слоя, Ом⋅м;

X_j - глубина, на которой образуется p-n переход, м;

е - заряд электрона, Кл;

μ - подвижность носителей заряда,

N(x) - распределение примеси в диффузионном слое, вид которого считается известным, м^-3;

N_B - концентрация примеси в исходном кремнии (базе), м^-3,

находят

В частности, для гауссового профиля N(x), пренебрегая зависимостью подвижности носителей заряда от их концентрации, находят глубину залегания p-n перехода X_j:

где N_S - поверхностная концентрация примеси, м^-3.

В случае гауссова распределения примеси параметры N(x) и X_j однозначно определяют форму профиля N(x):

При этом сами N_S и X_j однозначно определяются технологией изготовления легированного слоя, в частности, для диффузионного слоя:

где Q - доза легирующей примеси, м^-2;

D - коэффициент ее диффузии,

t - время диффузии, с.

Пример выполнения измерений.

По приведенному выше способу были определены поверхностное сопротивление легированного слоя R_S, поверхностная концентрация примеси N_S и глубина залегания p-n перехода X_j по формуле (6), для кремниевых пластин КОФ50-70 толщиной 440 мкм и ориентацией кристаллографической плоскости (111), из которых изготавливают модули тиристорные МТ3-540-18-А2 (АО Протон - Электротекс г. Орел).

Спектры отражения от поверхности легированного слоя исследованных пластин снимали на ИК Фурье-интерферометре (ИнфраЛЮМ ФТ-08), снабженном специальной приставкой для определения коэффициента отражения (см. патент РФ 2291407, G01J 3/46, опубл. 2006 г.). Поверхностное сопротивление легированного слоя измеряли четырехзондовым методом на установке ВИК-УЭС (АО Протон - Электротекс г. Орел).

Далее осуществляли расчет глубины залегания p-n перехода X_j по формуле (6). Полученные данные приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, значения определяемых параметров исследованных пластин, полученных по предлагаемому способу и способу прототипу, находятся в полном соответствии.

Изобретение относится к средствам контроля параметров полупроводниковых материалов. Способ неразрушающего контроля характеристик легированных слоев полупроводниковых структур включает измерение поверхностного сопротивления легированного слоя четырехзондовым методом, определение ИК-спектров отражения от поверхности кремниевых пластин, нахождение минимума на спектральной зависимости коэффициента отражения, вычисление по эмпирическим формулам концентрации примеси на поверхности легированного слоя и расчет глубины залегания р-n перехода по предложенной согласно изобретению расчетной формуле. Изобретение обеспечивает относительно простой и надежный способ неразрушающего контроля характеристик легированных слоев полупроводниковых структур. 1 табл.

Способ определения электрофизических характеристик легированных слоев кремниевых пластин, включающий измерение поверхностного сопротивления легированного слоя четырехзондовым методом, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют определение ИК-спектров отражения от поверхности кремниевых пластин, нахождение минимума на спектральной зависимости коэффициента отражения, вычисление по эмпирическим формулам концентрации примеси на поверхности легированного слоя и расчет глубины залегания p-n перехода по следующей формуле:

где X_j - глубина, на которой образуется p-n переход, м;

е - заряд электрона, Кл;

μ - подвижность носителей заряда,

N_S - поверхностная концентрация примеси, м^-3;

N_B - концентрация примеси в исходном кремнии (базе), м^-3;

R_S - поверхностное сопротивление легированного слоя, Ом/□.