Способ контроля профиля примеси во встроенном канале МДП - транзистора Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

Изобретение относится к измерениям параметров полупроводниковых приборов.

Известен способ измерения распределения примеси в полупроводниках, основанный на снятии C-V-зависимости обедненного слоя, с последующим рас- счетом по ней профиля примеси.

Однако данный способ не применим к МДП-структурам из-за накопления неосновных носителей заряда и не обеспечивает возможности измерения распределения легирующей примеси до поверхности полупроводника.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения усредненной концентрации примеси и глубины канала в МДП-тран- зисторах со встроенным каналом, основанный на измерении зависимости порогового напряжения транзистора

от напряжения на подложке и последующем определении концентрации примеси и глубины канала в соответствии с формулой

(Л

С

1

d U

65

С9Р „ NAlN5x2

NA 5 Jk±Nj/

NA+N c,(ipe-ue9) «-

где U - пороговое напряжение МДП- транзистора}

и„„ - разность потенциалов между подложкой и истоком , концентрация акцепторной примеси в подложке; усредненная концентрация донорной примеси в канале, диэлектрическая проницаемость полупроводника} tfs - контактная разность потенци-. алов на р-п-перехоре}

65

NA 6Сvj

4 vj

00

О

ч

С

с-и

ЬоХ

с -Ја

к xj

OX

О OX

где x: - глубина канала;

W. - толщина подзатворного ди-

электрика1,

Јох диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика ,

с - заряд электрона.

Недостатком этого способа является тор что он принципиально не позволяет получить профиль легирования канала| так как заранее предполагается, что примесь распределена одно- родно,

Целью изобретения является осуществление возможности измерения распределения примеси по глубине канала вплоть до диэлектрического слоя зат- вора.

Указанная цель достигается тем, что в способе измеряют зависимость максимального значения потенциала канала в режиме полного обеднения от потенциала подложки при постоянном потенциале затвора, а расчет профиля примеси проводят по формулам

+ |-5- W)« Сох

Ј5 cWse о- cfNA М(

J2fv (Obi 1+ 2jAЈsJ a (Јйй)а ,j (44VU VeeJ M()J

расстояние от границы раздела окисел - кремний в глубину канала1, максимальное значение потен

m

циала в канале в точке X, потенциал подложки, при котором

о

производная от потенциала подложки по канальному потенциалу в точке, когда

хм«о.

Известно, что в транзисторах со встроенным каналом с момента наступления полного обеднения потенциал ка нала определяется потенциалами подложки и затвора С другой стороны, . потенциала канала и положеg

Q

jg

0

5

0

5

0

5

50

55

Nние экстремума на потенциальной кри- вой зависят от конструктивно-техно- логических характеристик транзистора: толщины и диэлектрической проницаемости подзатворного диэлектрика, сте пени легирования и диэлектрической проницаемости полупроводниковой подложки и, наконец, профиля примеси в канале. Это позволяет связать профиль примеси с электрофизическими параметрами транзистора. В предлагаемом способе точка, в которой определяется концентрация примеси, соответствует положению экстремума на потенциальной кривой и не совпадает с гра ницей области обеднения, находящейся в подложке за пределами канала (в отличие от приближения резкой границы области обеднения, положенного в основу вольт-емкостного метода), что позволяет измерять профиль примеси вплоть до границы раздела полупроводник - диэлектрик.

Исходным пунктом при выводе предлагаемых формул является решение уравнений Лапласа и Пуассона с соответствующими граничными условиями для состояния полного обеднения канала транзистора. Тогда, если X - текущая координата, изменяющаяся от О на границе раздела диэлектрик - полупроводник до своего значения вглубь структуры, a Cf - текущее значение потенциала, можно записать:

-для слоя диэлектрика: , W - толщина диэлектрика

d24

причем-при X -W tp VQ Vg - VF&; где VQ - потенциал

затвора; VFB - напряжение плоских зон, Если X стремится к 0 слева

.

-для слоя полупроводника п-типа (X X&XJ,

где XJ - глубина канала:

dzy . ).

dX2 ЈЈ причем, если X стремится к 0 справа

tt-w.

if

О,

ii yfi-nv- p-ipijvriл,

d4 fdCpl dX LdXJ-U/

Если X XJ, Cf tp: Здес ь:

dX

(f-(P5.

.

dxj

p(X)aN.D(X)(X)-NA,

где q - заряд электрона ,

6S- диэлектрическая проницаемость

полупроводника, №(Х) - разность концентраций доноров и акцепторов в канале транзистора;- для полупроводника р-типа

XjЈ ХЈ Хр,

где Х- - координата границы области обеднения p-n-перехода со стороны подложки:

и Ср Cfj, а при X Хр: ° С CfSB, гЛеҐ5впотенциал подложки, 0(Х) -qN.

Решая записанные уравнения с их граничными условиями, а также учитывая непрерывность вектора электромаг- 10 нитной индукции на границе двух сред:

с Г с Fdv71 р esbdX J eC «L3x- o- ГД6 Ј

ох

Ё1Ј - . Р f X)

dx2 es

с граничными условиями при X Xj: Ям„т.т Хм

15

диэлектрическая проницаемость подзат- ворного диэлектрика, и условие экстремума --- 0, можно получить l ax j х Ум

следующие уравнения:

I лЫ л/иnU nmn

V9 + ЁГ 1 Wdx - 67 I Vx)dx + -Ј- J xV)d

u°. 5 Оv° Ґ Vv«

i ,,,v лJГ 1 ft

IV V I f . -KcOd j l,,)

и Ср Cfj, а при X Хр: ° С CfSB, гЛеҐ5впотенциал подложки, 0(Х) -qN.

Решая записанные уравнения с их граничными условиями, а также учитывая непрерывность вектора электромаг- нитной индукции на границе двух сред:

с Г с Fdv71 р esbdX J eC «L3x- o- ГД6 Ј

ох

15

Сущность изобретения: определяют в режиме полного обеднения канала зависимость канального потенциала от потенциала подложки. Профиль примеси находят по величине и положению экстремума. 1 ил.

1J J Здесь Хм- координата, в которой потенциал приобретает экстремальное значение; ($ - экстремальное значение потенциала.

Продифференцировав дважды по (м каждое из уравнений системы, получают выражение для расчета концентрации примеси в точке Хц:

25

практически ((0) и (-) Q

определяются на зависимости (%) f

при Vf const в точке, когда Vy. 3Q Пример. Для расчета профиля

примеси необходимо использовать зависимость канального потенциала от потенциала подложки, измеренную при постоянном напряжении на затворе в

i режиме полного обеднения канала. ТаNirx v NA N7, Јs ч кая зависимость представлена на чер- 1 бГ м+ЈоГ W dVr теже. При этом следует иметь в виду,

-5 - сох UVM

Продифференцировав первое из уравнений системы по Ц7дд и подставив вместо NjjCx J ее значение, получают после соответствующих преобразований обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка, решая которое, находят выражение для

(у +-S- и)2 §§- (в)ЈГ2Ги (о)- им + Бм qNA M( | ZLWU;

.(.lb)2l

3 J Cox ( d VM J,

Здесь фов(0) - потенциал подложки, при котором потенциал канала принимает свое экстремальное значение в точке, расположенной на границе раздела диэлектрик - полупроводник, а

ч V )

40

что в зависимости от соотношения между потенциалами затвора и подложки исследуемая структура может находиться в трех состояниях. При больших отрицательных напряжениях на подложке распределение потенциала в канале имеет вид монотонной функции. Р этом случае экстремальное значение по- тенциала будет на границе полупроводник -диэлектрик, т. е, Срм ф5 , и между tyM, v и выполняется соотношение

50 а «tVV9 2 +ь Ц -у-| +с + f{ft - -0, где а, Ь и с - некоторые константы. R этом состоянии очевидно, что

vd м о

- значение производ55

- Со и % с,

ад ,. -.

линейно зависит отф , и 5-rj|E

i М

ной по VM в этой точке,

Из системы уравнений видно, что

Поэтому

когда XM 0. то фм

25

практически ((0) и (-) Q

определяются на зависимости (%) f

при Vf const в точке, когда Vy. 3Q Пример. Для расчета профиля

примеси необходимо использовать зависимость канального потенциала от потенциала подложки, измеренную при постоянном напряжении на затворе в

i режиме полного обеднения канала. Та кая зависимость представлена на чер- теже. При этом следует иметь в виду,

что в зависимости от соотношения между потенциалами затвора и подложки исследуемая структура может находиться в трех состояниях. При больших отрицательных напряжениях на подложке распределение потенциала в канале имеет вид монотонной функции. Р этом случае экстремальное значение по- тенциала будет на границе полупроводник -диэлектрик, т. е, Срм ф5 , и между tyM, v и выполняется соотношение

а «tVV9 2 +ь Ц -у-| +с + f{ft - -0, где а, Ь и с - некоторые константы. R этом состоянии очевидно, что

- Со и % с,

ад ,. -.

линейно зависит отф , и 5-rj|E

i М

const. Используя эти соображения, можно определить (

аЧ Ал Л М -О °

т.е. точку А на кривой зависимости VseW. когда ( Vi(XM-0), см.чертеж, и аналогичную точку на кривой

зависимости jrp- f(). Увеличе-

ние потенциала подложки приводит к тому, что на кривой распределения потенциала в канале возникает экстремум, положение и величина которого определяются профилем примеси. Таким образом, дифференцируя зависимость Чзъ (VJ На4 участке от А до Р по V«.,

получают зависимость т--- от ()м и

°YM

и j-rji- OTV« что позволяет определить зависимость ).

Дальнейшее увеличение потенциала подложки приводит к тому, что в при- поверхностной области кремния поступает инверсия типа проводимости. Р этом случае (.((, , и связь между QM и Фед может быть выражена линейной зависимостью + d, rfled- константа. Наступление инверсии ограничивает глубину слоя, в котором может быть рассчитана зависимость

WФормула.изобретения

Способ контроля профиля примеси во встроенном канале МДП-транзистора, основанный на измерении зависимости потенциала истока от потенциалов зат-

вора и подложки с последующим рас- Метом, отличающийся тем, что, с целью осуществления возможности измерения распределения примеси по глубине канала вплоть до диэлектрического слоя затвора, измеряют зависимость максимального значения потенциала канала в режиме полного обеднения от потенциала подложки при постоянном потенциале затвора, а расчет пройиля примеси проводят по формулам

dtfee, м су мSL M

л )fr-

с,

5

(0)

где Х - координата точки, отсчитанная от диэлектрического слоя затвора в глубину канала, в которой определяется концентрация примеси Rp(XM)j Мд - концентрация примеси в подложке Јх и -ок Диэлектрические проницаемости полупроводника и диэлектрика толщиной W; М(Х - значение потенциала в канале в точке X потенциал подложки; q рона, Фсв (0) - потенциал подложки, когда Х 0.

м Ф

- заряд электА /

i/

60