Способ определения электрофизических параметров полупроводников Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к способам пределения электрофизических параметров полупроводников и может быть применено при контроле электрофизических параметров, полупроводниковых пластин, используемых при , производстве полупроводниковых приборов, а также вобласти физики полупроводников,

Известен способ измерения электрофизических параметров полупроводников , включающий формирование на полупроводниковой пластине косого лифа и измерение сопротивления растекания точечного контакта на косом лифе l .

Недостатком способа является разрушение контролируемого объекта.

Наиболее близким к предлагаемому о технической сущности является спооб определения электрофизических араметров полупроводников, включаюий формирование на поверхности полуроводников МД1Г1-структуры, подачу а нее импульсов напряжения обеднения, измерение емкости МДП-структуры, получение зависимостей емкоси МДП-структуры от амплитуды импульсов напряжеЕшя обеднения и от времени с момента их подачи. По зависимости емкости от напряжения определяют профиль концентрации примеси, а по зависимости емкости от

времени - параметры тока генерации .

Недостатками способа являются невозможность получения начального участка Зависимости генерационного тока от времени с момента подачи импульса до окончания измерения емкости, низкая точность результатон определения профиля концентрации примеси, особенно из больших и близких к предельным глубинам. Начальный участок зависимости генерационного тока несет информацию о параметрах электроактивных дефектов кристаллической структуры полупроводника, однако принципиальные технические трудности не позволяют уменьшить время измерения неравновесной емкости до необходимых значений вследствие ограниченного быстродействия измерителей емкости. Низкая

точность определения профиля концентрации примеси обусловлена тем, что во время измерения при больших глубинах, т.е. при высоких напряжениях на МДП-структуре, в области пространственного заряда образуются большие по величине токи полевой (термополевой) генерации, приводящие к быстрому образованию инверсионно- . го слоя к моменту окончания измерения емкости, что приводит к неверному определению профиля, так как нарушает условия применимости выражения, по которому обычно находится профиль, и, тем самым, всего способа в целом.

Цель изобретения - повышение тоности определения профиля концентрации примесей и параметров тока полевой генерации в полупроводнике

Поставленная цель доЪтигается тем, что согласно способу определения электрофизических параметров полупроводников, включающему формирование ВДП-структуры, воздайСТ-- вие на МДП-структуру основного импульса напряжения обеднения постоянной амплитуды при изменении его длительности и определение параметров тока генерации, измерение екости гедп-структуры при воадействи на нее основного импульса напряжения обеднения постоянной длительности при изменении его амплитуды U и определение по результатам измерения профиля концентрации примесей , дополнительно измеряют емкость МДП-структуры при воздействи на нее дополнительного импульса напряжения обеднения постоянной длительности и постоянной амплитуды, следующего непосредственно за основным импульсом напряжения обеднения, и определяют параметры тока генерации по результатам измерения емкости во время действия дополнительного импульса напряжения обеднения , а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при. воздействии дополнительного импульса напряжения соединения, при этом амплитуду дополнительного импульса напряжения обеднения Uq определяют из условия

UT-U2 U op,

где U( - напряжение включения инверсии ;

и

пороговое напряжение полепорвой генерации,

U, дд1ительность дополнительного импульса напряжения обеднения определяют из условия

гдеТи м - время измерения емкости/ pash- время установления равновесного распределения неосновных носителей тока в МДП-структуре.

Кроме того, при определении параметров тока генерации емкость МДП-структуры измеряют с задержкой от начала дополнительного импульса напряжения обеднения, равной времени установления равномерного распределения неосновных носителей тока на поверхности полупроводника МДП-структуры.

На фиг. 1 изображена временная диаграмма подаваемых импульсов напряжения и измерений емкости для определения зависимости генерационного тока от времени на фиг, 2 временная диаграмма измерений для определения профиля концентрации примеси.

На чертежах обозначено: основно импульс 1 напряжения обеднения, дополнительный импульс 2 напряжени обеднения, уровень 3 порогового напряжения полевой генерации, уровен 4 напряжения включения инверсии, временной интервал 5 измерения емкости С, временной интервал 6 измерения емкости С неравновесной вольтфарадной характеристики.

Определение электрофизических параметров полупроводников производится следующим образом.

На полупроводниковой пластине формируют МДП-структуру, на котору подают последовательно .один за другим основной 1 и дополнительный 2 и-мтульсы напряжения обеднения.

Амплитуда основного импульса 1 U, устанавливается необходимой для образования полевых токов генераци Амплитуда дополнительного импульса 2 Uj устанавливается ниже напряжения, необходимого для образования полевых токов, т.е. ниже порогового напряжения полевой генерации U пор но выше t чем напряжение, необходимое для образования в равновесных условиях инверсионного слоя, - напряжение включения инверсии UT . Измеряют емкость С к МДП-структуры во: время действия дополнительного импульса 2 не позднее, чем уст Новится равновесное распределение неосновных носителей тока, т.е не позднее, чем образуется равновесный инверсный слой. Для снижения влияния тепловой генерации емкость ,Сц МДП-структуры измеряют сразу поле подачи дополнительного импульса 2, а также снижают температуру контролируемого полупроводника.

Пороговое напряжение полевой генерации может быть оценено теоретически или экспериментально, например, по зависимости времени .релаксации от амплитуды импульса глубокого обеднения. Пороговое напряжение и пор примерно соответствует началу уменьшения времени релаксации при увеличении амплитуды импульса. Напряжение включения инверсии также рассчитывают или экспериментально определяют по измерениям равновесной вольт-фарадной характеристики МДП-структуры. .

Для повышения разрешения начального участка зависимости тока генерации от времени измеряют зависимость емкости С к от длительности воздействия основного импульса 1, т.. е. от длительности протекания генерационных токов. Поскольку длительность основного импульса Т, не ограничена снизу длительностью измерения емкостиТу, , то она может быть уменьшена. Новое ограничение снизу на длительность основного импульса 1 связано с конкретными условиями измерения и определяется временем образования неравновесной

0 области пространственного заряда

TO которое, в частности, может быть наличием последовательного сопротивления тела полупроводника МДП-струк5 туры V и неидеальностью используемого источника напряжения, т.е.

(1)

емкость МДП-структуры в

где С RU режиме обогащения, внутреннее сопротивление источника напряжения; i - постоянная времени заряда МДП-емкостн.

Величина тока генерации 3 оп5 ределяется по зависимости измеренной емкости С от длительности основного импульса 1 соотношением

с

{

(2)

3-- ес вя-м-с -р.

ЕП - абсолютная диэлектричесгде

вакая проницаемость куума j

5 - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводников i ,( - заряд электрона; и - концентрация-примеси. В случае локальной полевой генерации после снижения напряжения ниже порогового напряжения полевой генерации устанавливается равномерное распределение неосновных носителей по площади инверсионного слоя. Время установления равномер5 ного распределения1ус-г определяется процессом самоиндуцированного дрейфа, длительность которого др

(3)

где Ь

- характерный размер металлического электрода МДП-структуры/ W - поверхностная подвижность i

- неоднородность поверхностного потенциала. Для повышения точности определения тока генерации измерение емкости С It производят после установления равномерного распределения неосновных носителей по площади инверсионного слоя. Время, необходимое для установления неоднородного распределения . 5 может быть оценено-по формуле (3) либо экспериментально определено путем измерения при неизменной амплитуде и длительЕ ости основного импульса 1 зависимости емкости длительности времени задержки измерения емкости tT,aA,. , отсчитанного от начала дополнительного импульса до начала измерения емкости С) . При этом амплитуду дополнительного импульса 2 оставляют неизменно Искомое время1- ад спи соответствует тому моменту времени на этой зависимости, когда величина емкости перестает изменяться от1т,а;1, при условии, что оно остается суи.ественно меньше полного времени темновой релаксации. Теоретическая оценка по формуле (З для кремния МДП-структуры в виде круга диаметром 1 мм и неоднородности поверхностного потен циала ОД В составляет около 10 С. Повышение точности определения профиля концентрации примеси достигается путем измерения и последую цего учета токов полевой генерации образующихся во времени измерения емкости неравновесной вольт-фарадной характеристики. Поскольку для учета этих токов необходимо знать только изменение величины заряда образованного ими инверсионного сло за время измерения неравновесной емкости, происходящее при изменении напряжения глубокого обеднения, то оптимальным вариантом способа при определении профиля концентрации яв ляется измерение емкости С во время действия осноБного импульса 1 в зaБиcигviocти от амплитуды основногЪ импульса 11( , т.е. получение неравновесной вольт-фарадной характеристики Ci,U.;) , измерение зависимости емкости С во время действия догюлнитольнсго импульса 2 от амплитуды основного импульса 1 C)/((Ji) Длительность основного импульса устанавливают малой по сравнению с временем релаксации, по достаточной для измеретля одного значения емкости-. Причем оптимальной будет дли тельность, определяемая окончанием измерения емкости во время действия основного импульса 1. Учет токов полевой генерации можно проводить двумя путями. Можно корректировать определяемую величину концентрации примеси по соотношениям, получаемым из рассмотрения математической мод ли МДП-структуры в режиме глубоког обеднения с учетом наличия инверсио ного слоя А ( Г, 1 c3QbviU07 ч зи, J с. V 5iu, где C(uj - измеренная неравновесная вольт-фарадная характери Qinv. ) зависимость заряда янверсионного стюя, образованного во время измерения неравновесной ёмкости, от амплитуды напряжения глубокого обеднения. По измеренной зависимости С);(U,) пределяют J L с, dU, 2 dU, де N - концентрация, определяемая по классической формуле обратного квадрата (6) из участка неравновесной C-U характеристики при 11- U oжнo учитывать иначе, считая едостоверным тот участок профиля, пределяемого по классической форуле обратного квадрата I d{U,) а котором член, определяющий метоическую погрещность определения рофиля, превышает допустимую велиину, т.е. тот участок неравновесой С- U характеристики недостоверен (и соответствующий er-iy участок профиля) , на котором член dCK(U,Y dU, больше допустимой величины. Так, если этот член больше 0,1, то методическая погрешность будет более +10%. Время релакса1дии при данном напряжении, определенное по иэмеренной уже зависимости, составляет 28 с. Измеряют зависимость емкости С к. от длительности основного импульсаТ , Для этого сначала подают импульс, имеющий Т, Of., т.е. просто прямоугольный импульс амплитуды 62 Через время 10 с после подачи переднего фронта импульса начинают измерять первое значение емкости С, Время измерения емкости составляет , Длительность дополнительного импульса установлена постоянной и составляет . Затем подают следующую пару импульсов Т Юс, Через 10 с после подачи перед-, него фронта дополнительного импульса нач:инают измерять второе значение емкости С. Далее измерения повторяются, при каждой следующей подаче импульсов 1 и 2 увеличивают длительность основного импульса на . Измерения заканчиваются после получения ста замеров емкости. Зависимость тока от времени рассчитывают по формуле (2) . Полученные токи охватывают начальный участок зависимости тока генерации от времени от 10 до 1СГс) более короткий, чем время измерения емкости. Для измерения зависимости получаемых временных функций тока от напряженности поля аналогичные измерения повторяют при других зна чениях амплитуды первой степени импульса. Измеряемый образец и последовательность операций аналогичны приведенным, однако, с целью повыиения достоверности измерения тока генерации вместо фиксированного ма лого времени задержки измерения ( 10с) между подачей перед него фронта второй ступени импульса и началом измерения емкости С, длительность задержки измерения устанавливают больше, чем время установления однородного распределения неосновных носителей в инверсионном слое. Время установлени оценивают по формуле (З), что дает . Для уверенного обеспечения установления равномерного распреде ления задают1 о, , что все равно много меньше времени релакса ции (28 с . Для полупроводника - контролиру мой эпитаксиальной структуры; С 4 100 пФ, у i: 10, и источника импульсов RU 1051 подаваемые импульсы могут иметь длительность основного импульса 1 в диапазоне от и более. Таким образом, по , вышается разрешение начального уча ка зависимости генерационного тока по сравнению с прототипом от значе ния twa.., t до t i . Пример 1. Измерение завис мости тока полевой генерации от времени. Исследуемый полупроводник - однородно легированная кремниевая пластина р -типа, концентрация бора 510 см На поверх.ности пластины плазмохимическим осаждейием образуют слой диэлектрика - двуокиси кремния, толщиной 0,2 мкм с электрической прочностью выше 100 В. На поверхность диэлектрика мето дом вакуумного напыления наносят слой алюминия и затем проводят по нему фотолитографию для получения затворов круглой формы диаметром 1 мм. . , Оценивают величину порогового напряжения полевой генерации. Для этого измеряют зависимость времени темповой релаксации от амплитуды импульса глубокого обеднения. Максимальное время релаксации сое- , тавляет . Пороговое напряжв-ние полевой генерации ориентировочно составляет 50 В. Определяют напряжение включения инверсии и емкость диэлектрика. Для этого измеряют равновесную вольт-фаралную характеристику. Напряжение включения соответствует тому напряжению в области обеднения и инверсии, при котором дальнейшее обеднение не приводит к уменьшению емкости. Напряжение включения инверсии составляет 20 В, емкость диэлектрика - 150 пФ. Устанавливают параметры импульсов напряжения обеднения. Амплитуду основного импульса 1 устанавливают больше вероятной величины порогового напряжения (Ui 60 в). Амплитуду второй ступени устанавливают несколько меньше величины порогового напряжения и существенно больше, чем напряжение включения инверсии, что позволяет измерять возможно больший заряд инверсного слоя lf/2 40 В. Измерение профиля концентрации примеси в зпитаксиальном слое И. -типа , расположенном над скрытым слоем 1 -типа проводимости. Исследуемый образец - тонкая эпитаксиальная кремниевая структура с скрытым слоем. Операции формирования МДП-структуры такие же, как и в примере 1. Аналогично примеру 1 проводится определение емкости диэлектрика (Ct 150 пф, порогового напряжения полевой генерации(ипор 50 В), напряжения включения инверсии(От 20 в) и времени релаксации (1 с). Устанавливают параметры импульсов 1 и 2: Т 10с; TI 1,510 с; 11 30 В. Время измерения емкости составляет 10с. Подают серию пар импульсов 1 и 2. Последующая пара отличается от предыдупей только амплитудой . основного импульса 1, которую при первой подаче задают равной нулю, а затем с каждым новым импульсом увеличивают на 1 В. Измерение емкости проводят при каждой подаче импульсов дважды: во время действия основного импульса 1 измеряют емкость С и через 10 с после подачи дополнительного импульса 2 измеряют емкость С(. Измерения заканчивают при достижении и значения 100 В. По зависимости С| (U,) находят недостоверный участок измеренной неравновесной вольт-фарадной характеристики С(и). Полагают, что методическая погрешность не должна превышать +50%. Это условие oEB-N-4 dcau, - --Ж-1 -5 соответствует участку напряжений и 47 - 100 В. Рассчитывают по формуле (б1 или для повышения точности по (4) и(5) концентрацию примеси, используя участок неравновесной вольт-фарадной характеристики

С (U() в диапазоне U 0 + 47 В. Входящее в выражение (7) значение

N определяют также по формуле 6 из С (U() при и - и 30 В, оно составляет 8-10см Если бы использовался для расчета профиля участок C(Ji) в диапазоне U, 47 В, то этот расчет дал бы ложное увеличение концентрации примеси при увеличении глубины, что было бы воспринято за реальный профиль концентрации в эпитаксиальном слое над высоколегированным скрытым слоем того же типа проводимости.

По сравнению с базовым известным способом контроля параметров полупроводников на основе измерения зависимости емкости МДП-структры от времени и напряжения предлагаемый способ позволяет расширить временной диапазон контролируемой зависимости тока генерации от времени и, тем самым, повысить точность определения параметров полуи

t

проводника, особенно при cильн :c электрических полях. Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения профиля концентрации примеси, особенно на больших и предельных для метода неравновесных вольт-фарадных характеристик глубинах, что важно при контроле неоднородных по толщине полупроводниковых слоев. Применение предлагаемого способа позволяет реализовать неразрушающий контроль толщины зоны постоянной концентрации .в тонких эпитаксиальных структурах И -h , р р- -типа. Введение подобной опе5 рации контроля в технологический маршрут изготовления интегральных схем позволяет: проводить отбраковку заведомо негодных эпитаксиальных структур на ранних этапах изготовления интегральных схем и тем самым сократить затраты на производство и повысить процент выхода годных БИС.

Х

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, включающий формирование МДП-структуры, воздействие на МДП-структуру основного импульса напряжения обеднения постоянной амплитуды при изменении его длительности и определение параметров тока генерации, измерение емкости МДП-структуры при воздействии на нее основного импульса напряжения обеднения постоянной длительности при изменении его амплитуды .lJ( и определение по результатам измерения профиля концентрации примесей, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют емкость МДП-структуры при воздействии на нее дополни-, тельного импульса напряжения обеднения постоянной длительности и постоянной амплитуды, следующего непосредственно за основным импульсом напряжения обеднения, и определяют параметры тока генерации по результатам измерения емкости ва время действия дополнительного импульса напряжения обеднения, а профиль концентрации примесей определяют с учетом результатов измерения емкости МДП-структуры при воздействии дополнительного импульса напряжения обеднения, при этом амплитуду дополнительного импульса напряжения обеднения Uj определяют из условия , где UT - напряжение включения инверсии, пор - пороговое напряжение полет5/- Йt т-чэ tJсаг эттtJTтлвой генерации, Ur - длительность дополнительного импульса напряжения обедненияjT2 определяют из условия , - аремя измерения емкости Травн время установления равновесного распределения СП неосновных носителей тока в МДП-структуре. vj 00 00 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ёмкость МДП-структуры при определении параметров тока генерации измеряют с задержкой -vl от начала дополнительного импульса напряжения обеднения, равной времени установления равномерного распределения неосновных носителей тока на поверхности полупроволника МДП-структуры.

-Z.

/

изн

/