Способ определения коэффициента диффузии в полупроводниках Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

7 Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля полупроводниковых материалов. Известен способ определения коэф фициента диффузии в полупроводниках основанный на определении скорости перемещения р-п перехода, образующе гося в процессе диффузии примеси, путем изготовления косого шлифа, его окрашивания и измерения расстоя НИН между границей шлифа и р-.п пере ходом (1) . Недостатком этого способа являет ся высокая трудоемкость. Наиболее близким к предложенному является способ .определения коэффи циента диффузии в полупроводниках, основанный на измерении электрического сопротивления полупроводника 2 Недостатком этого способа является высокая трудоемкость, обусловленная необходимостью последовательного многократного снятия слоев. Способ не пригоден для определения коэффициента диффузии примесей, не образую щих в материале полупроводника р-п .переход. Цель изобретения - уменьшение тру доемкости способа. Это достигается тем, что согласно способу определения коэффициента диффузии в полупроводниках, основанн му на измерении электрического сопротивления полупроводника, измеряют удельное электрическое сопротивле ние нелегированного полупроводника, затем производят легирование полупро водника до концентрации примеси Ю -ю , вырезают из полупроводника столбик, удаляют диффузионным отжигом примесь из приповерхностной области торца столбика, измеряют paq пределение сопротивления по образующей боковой поверхности столбика с помощью скользящего.зонда и контактов, нанесенных на торцы столбика, по измеренному распределению сопротивления графоаналитически определяют электрическое сопротивление приповерхностной области торца столбика рк и определяют коэффициент диффузии по формуле 2(}о -где р - электрическое сопротивление приповерхностной области торца столбика; Ро удельное электрическое сопротивление полупроводника до легирования; D - кЬэффициент диффузии t - продолжительность отжига. Удаление легирующей примеси из приповерхностной области торца столбика производят путем нанесения перад проведением диффузионного отжига на торец столбика геттерирующего слоя. Удаление легирующей примеси из приповерхностной области торца столбика производят путем испарения в вакуум на менее 10 мм рт.ст. На фиг. i приведен график распределения примеси по глубине приповерхностной -области столбика на фиг.2 график эквивалентного распределения примеси по глубине приповерхностной области столбика. Сущность способа состоит в установлении функциональной зависимости между коэффициентом диффузии легирующего элемента в полупроводник и электросопротивлением поверхностного диффузионного слоя грани столбика полупроводника в направлении гргщнента концентрации легирующего элемента (перпендикулярно плоскости .грани) , а затем в измерении в еличины этого электрического сопротивления и вычислении установленной функциональной зависимостью коэффициента.. диффузии.легирующего элемента в по- лупроводник. . Диффузионный отжиг столбика равномерно легированного полупроводника, при условии, что в любой момент отжига концентрация легирующего элемента на его поверхности равна нулю, т.е. диффундированный из объема столбика полупроводника легирующий элемент не задерживается на его поверхности, полностью удаляется в среду, контактирующую с этой поверхностью (это условие достаточно хорошо выполняется, когда поверхность столбика полупроводника контактирует с геттером легирующего элемента или с глубоким, не менее чем ,мм рт.ст. , вакуумом, обеспечивающим безвозвратное испарение легирующего элемента), что приводит к его разлегированию. При этом в начальный момент диффузионного отжига разлегируется лишь приповерхнос ная область столбика полупроводника. Чем меньше продолжительность отжига и значение коэффициента диффузии легирующего элемента в полупроводник, тем меньше глубина разлегированной области. В случае коГда глубина разлегированной приповерхностной области не превышает 1% линейных размеров столбика полупроводника, отношение его разлегированного объема к нвразлегированному настолько мало (менее, чем 5%), что кинетику удаления легирующего элемента через любую его грань можно рас- . смотреть как диффузию примеси из полуограниченного тела со связывающей границей. Если прикладьшать к торцам такого столбика полупроводника металлические электроды и измерить со стоРОНЫ боковой грани распределение электрического сопротивления по ее длине (от одного до другого электрода) , на полученной кривой электросопротивления разлегированных поверхностньрс областей торцов столбика полупроводника проявляются контактные электросопротивления между столбиком полупроводника и прилегающими к нему электродами. При этом имеется в виду что электрическое сопротивление стыка электрод-столбик полупроводника не превышает 2% электрического сопро тивления столбика полупроводника (точность измерения электрического сопротивления последнего) .и удельное электросопротивление нелегирован ного полупроводника гораэдо больше . легированного, например в раз, как в случае кремния, германия и сплавов кремний-германий при их : легировании до концентрации смфосфором, бором, мышьяком и сурьмой. Если величина контактного электросопротивления составляет не менее чем 10% от общего электросопро тивления столбика полупроводника, на полученной кривой его достаточно точно можно определить и с его помощью вычислить коэффициент диффузии легирующего элемента в полупроводник Учитьшая это и указанный вьаие интервал возможного изменения отношений удельных электросопротивлений нелегированного полупроводника к легированному, допуст имая минимальная глубина разлегированной поверхностной области торца столбика полупроводника, с помощью которой можно определить коэффициент диффуэии легирующего элемента в полупроводник при отношении удельных электросопротивле-, НИИ 10, составляет 0,1% длины столби ка полупроводника, а при отношении 10 составляет 0,0001%. На практике такие маленькие глубины разлегирова- ния достигаются при сравнительно коротких временах диффузионного отжига, что значительно ускоряет процесс определения коэффициента диффузии легирукхцего элемента в полупроводник По теории диффузии кинетика удале ния примеси из полуограниченного те1Л а со связывающей граница х«0; N.(0,. t)0 в случае ее равномерного расп{ еделения М(Х,0)ЦдЬСоп5 описывается у равивнием. . --. .;М1 ЛЬМоег1 где N(x, t) - концентрация примеси а некоторой точке тевла через время t ; D - коэффициент диффузии примеси в теле (при условии, что D не за висит от N)) ег - функция ошибок Гаусса, Распределение примеси в глубь тела по этой зависимости изображено на фиг. 1. Количество примеси удаленной через границу .сечением S за время t математически можно записать следующим образом: «са .Mldx-NoSlb-eK оогл Z iDt I а-:«„5;|, Jbfe представляет где множитель толщину такого полностью разлегированного приграничного слоя, которая по величине потери количества примеси эквивалента реальной разлегированной приграничной области тела. Если обозначить, эту толщину как. 6( . S и откладавать ее с поверхности (с границы) вглубь образца, тогда представляется возможным истинное распределение концентрации примеси (1) через время t занюнить его эквивалентным распределением Klx.VV-O X JU) N(x.q No X ) Распределение примеси с поверхнос ти вглубь тела- по этой зависимости изображено на фиг. 2. Бели твердьм телом является примесной полупроводник , а примесью - легирующий элемент полупроводника, тогда электросопротивление разлегированной поверхностной области полупроводника сечением I см2 и толщиной d (-t) при приведенных выше условиях представляет удельное электросопротивление контакта и определяется соотношением р,. гдерд- удельное электросопротивление иелегированного подупроводни.... ка. .. С помощью этой формулы сравнительно легко и бьйзтро определяют коэффициеит диффузии легирующего элемента в .полупроводник. Для этого через определенное время диффузионного отжига измеряют распределение электросопротивления с поверхности вглубь образца (измерение проводят, со скользящим зондом в течение 1-2 мин) и из полученной кривой определяют электросопротивление р между столбиком полупроводника к прилегающего к нему электроду. Зная величину удельного электросопротивления нелегироваиного полупроводника ро, с помощью формулы (5) определяет J.

Пример. Определение коэффициента диффузии легирукщего элемента - фосфора в кремнегерманиевый сплав состава Si 45 вес.% +Ge 55 вес.% проводят следующим образом. Нелегированный сплав указанного состава с удельным электросопротивлением ро 0,45-0,50 Ом см легируют фосфором До концентрации 0,8-1,0 ю см. Затем из полученного слитка выреэаиот столбик сучением 0,5 «0,5 см и длиной I см, припаивают на его торцы вольфрамовые пластины толщиной по 0,5-1 мм (вольфрам выше температуры 650С является геттером для фосфора, связывает фосфор и образует WP) и проводят диффузионный отжиг в эвакуированной до 10мм рт..ст. запаянной кварцевой ампуле. После 5 отжига при в .течение ч. величина р) 4,8 5,0 10 Ом см Подставляют эти параметры в формулу (5) и значение коэффициента диффузии фосфора в кремнегерманиевый сплав

0 состава Si 45 вес,%+Се 55 вес.% при 750°С получают равным ,0 2,7 , что достаточно хорошо совпадает с литературными данными D 2-3.10- см2/с.

5 В результате использования предлагаемого способа ускоряется и упрощается процесс определения коэффициента диффузии легирующего элемента в полупроводник и снижается трудоем0 способа.

d{t

фаг. 2