СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКА Советский патент 1994 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к микроэлектронике и может использоваться для определения распределения компенсирующей примеси по глубине полупроводника.

Известен способ измерения профиля легирования полупроводника, заключающийся в послойном стравливании его приповерхностной области и последующем измерении поверхностного сопротивления.

Известный способ имеет низкую чувствительность и приводит к необратимому разрушению полупроводника.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения профиля легирования полупроводника, включающий подачу на полупроводник постоянного напряжения и гармонического сигнала, измерение импеданса полупроводника и расчет профиля легирования.

Известный способ основан на измерении вольтфарадной характеристики полупроводникового образца в виде MДП-структуры.

Известному техническому решению присущ тот недостаток, что оно позволяет определить профиль легирования полупроводникового образца лишь в тонком приповерхностном слое, глубина которого (l, см) ограничена полем электрического пробоя (Е_пр, ед. СГСЭ) полупроводника
l < , где κ - диэлектрическая проницаемость полупроводника;
е - заряд электрона, ед. СГСЭ;
N - концентрация примеси, см^-3.

Так, для кремния (χ = 11,8) при концентрации примеси N = 10¹⁶см^-3 поле электрического пробоя Е_пр = 10³ ед. СГСЭ и, следовательно, глубина l, на которой можно измерить профиль распределения примеси известным способом, составляет ≈ 1 мкм.

Целью изобретения является повышение информативности способа путем расширения пространственной области определения профиля легирования без нарушения целостности образца.

Цель достигается тем, что в способе определения профиля легирования полупроводника компенсирующей примесью, включающем подачу на полупроводник постоянного напряжения и гармонического сигнала, измерение импеданса полупроводника и расчет профиля легирования, величину постоянного напряжения V и амплитуду гармонического сигнала δ V выбирают в соответствии с условиями
V > ; (1)
δV < · , (2) а температуру полупроводника задают такой, чтобы концентрация свободных носителей удовлетворяла условию
ρ << min { N_t, N_d} , (3)
затем измеряют зависимость импеданса полупроводника Z от частоты ω гармонического сигнала и по измеренной частотной зависимости импеданса Z(ω ) по формуле определяют зависимость проводимости σ от координаты х, а затем профиль легирования полупроводника компенсирующей примесью, где d - длина полупроводника;
τ - время жизни свободных носителей;
μ - подвижность свободных носителей;
Т - температура полупроводника;
е - заряд электрона;
L - характерный размер приконтактной области;
N_t - концентрация компенсирующей примеси;
N_d - концентрация скомпенсированной примеси;
ρ - концентрация свободных носителей.

Физическая сущность данного способа определения концентрации примеси состоит в следующем.

При выполнении условий 2, 3 в полупроводнике возбуждается волна пространственной перезарядки примесных центров, что приводит к характерной периодической зависимости импеданса образца от частоты малого гармонического сигнала. Частотная зависимость импеданса полупроводника Z(ω) при возбуждении волны пространственной перезарядки представляет собой фактически спектральное преобразование проводимости по образцу, а следовательно, и профиля распределения компенсирующей примеси, что математически описывается следующими выражениями:
z()= Ψ((), , )d, , где Ψ((), , ) удовлетворяет обыкновенному дифференциальному уравнению: _=-Ψ+ (5) с граничным условием
Ψ(0)= [(0) +(0)-i()] ^-1 (6) здесь σ - проводимость;
j - постоянный ток;
ω - частота гармонического сигнала;
= - нормированная проводимость;
= ωτ - нормированная частота;
= x/d - нормированная координата;
E_j - контактное поле, ед. СГСЭ.

Решение задачи, обратной 4, 5, 6, дает распределение проводимости σ (Х), а следовательно, и концентрации компенсирующей примеси N( λ) в глубь полупроводника, т. к. они связаны следующим соотношением:
N() = · j
Характер частотной зависимости импеданса определяется концентрацией примеси, усредненной на длине волны перезарядки. Поэтому, чем больше число волн перезарядки укладывается на длине образца, тем с большим пространственным разрешением удается измерить изменения концентрации примеси.

Ограничение, накладываемое на величину постоянного напряжения, определяет точность измерения профиля легирования полупроводника, а ограничение, накладываемое на величину амплитуды гармонического сигнала, обусловлено тем, что при его невыполнении омические контакты к компенсированному полупроводнику становятся эффективно инжектирующими, и следовательно, импеданс образца начинает зависеть от амплитуды гармонического сигнала.

Кроме того, в общем случае восстановить зависимость проводимости от координаты из измерения импеданса нельзя. Однако при возбуждении волны перезарядки, т. е. при выполнении условий 1, 2, 3, эту зависимость можно восстановить, решая задачу 4 относительно проводимости.

На фиг. 1 изображен график частотных зависимостей действительной; на фиг. 2 - то же, мнимой части импеданса; на фиг. 3 - профиль легирования компенсирующей примеси, восстановленный по измеренным частотным зависимостям в соответствии с данным способом (кривая 1) и профиль легирования, полученный методом послойного стравления (кривая 2).

Импеданс измеряют с помощью характериографа ХI = 46. Измерения проводят на образцах кремния КЭФ = 10, содержащих приповерхностный слой, легированный компенсирующими акцепторами со средней концентрацией N_A ≈ 10¹⁶ Ом^-3 на глубину ≈ 7 мкм. К образцу прикладывают постоянное напряжение V = 0,6-0,7 В, гармонический сигнал амплитудой δV = 1 мВ. Температура образца составляет 160 К. При этой температуре значение характерных параметров полупроводника следующие: τ≈10^-9 с, М = 10³ см²В^-1с^-1, d = 5˙10^-4 см, L = = 7 ˙10^-5 см, Р = 4˙10⁹ см^-3, поэтому условия 2, 3 заведомо выполняются. Измерения частотной зависимости импеданса проводят в диапазоне частот 20 Гц-30 кГц. Полученные зависимости мнимой и действительной части импеданса от частоты представлены соответственно на фиг. 1 и 2. Далее с использованием ряда значений импеданса при различных частотах численно, методом квазирешения 4, на ЭВМ М = 400 по уравнениям 4, 5, 6 решалась задача нахождения зависимости проводимости от координаты, а затем по формуле 7 рассчитывают зависимость концентрации компенсирующей примеси от координаты. Данные проведенного расчета представлены на фиг. 3, кривая 1. Для сравнения профиль легирования определяют еще и методом послойного стравливания (фиг. 3, кривая 2). Оба метода дают хорошее совпадение результатов.

Максимальный размер полупроводникового образца, на котором определяется распределение концентрации примеси данным способом, зависит от значения времени жизни свободных носителей и величины поля электрического пробоя, т. е.

l < τμ Е_пр. (9)
Для кремния при концентрации примеси N = 10¹⁶ см^-3, Е_пр = 4˙10⁵В˙см^-1, μ≈10³ см²В^-1с^-1, τ = 10^-8 - 10^-9 с максимальная глубина l, на которой можно определить профиль легирования, составляет примерно 1 см, что в 10⁴ раз больше аналогичного параметра для способа прототипа.

Таким образом, использование данного способа позволяет расширить пространственную область определения профиля легирования полупроводника, т. е. получить более полную информацию о его характерстиках, не производя при этом необратимых разрушений.

(56) Патент Японии N 54-2540, кл. H 01 L 21/66, 1979.

Патент ПНР N 77521, кл. G 01 R 31/22, 1975.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКА компенсирующей примесью, включающий подачу на полупроводник постоянного напряжения и гармонического сигнала, измерение импеденса полупроводника и расчет профиля легирования, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности способа путем расширения пространственной области определения профиля легирования без нарушения целостности образца, величину постоянного напряжения U и амплитуду гармонического сигнала δU выбирают в соответствии с условиями
U > ; δU < · /
а температуру полупроводника задают такой, чтобы концентрация свободных носителей удовлетворяла условию
ρ ≪ min { N_t, N_d} /
затем измеряют зависимость импеданса полупроводника Z от частоты ω гармонического сигнала и по измеренной частотной зависимости импеданса Z(ω) по формуле определяют зависимость проводимости τ от координат X, а затем профиль легирования полупроводника компенсирующей примесью,
где d - длина полупроводника;
τ - время жизни свободных носителей;
μ - подвижность свободных носителей;
T - температура полупроводника;
e - заряд электрона;
L-характерный размер приконтактной области;
N_t - концентрация компенсирующей примеси;
N_d - концентрация скомпенсированной примеси;
ρ - концентрация свободных носителей.