RU2393584C1 - Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводниках - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля профиля легирования в полупроводниках. Технический результат - повышение достоверности измерений и расширение диапазона глубин приповерхностного слоя образца, в которых определяется концентрация легирующей примеси. Достигается выбором рабочего диапазона электродных потенциалов: в анодной области - потенциал, при котором начинается резкое возрастание тока, обусловленного реакцией растворения приповерхностного слоя полупроводника, в катодной области - потенциал, при котором происходит электрический пробой границы полупроводник-электролит. При этом измеряют электродный потенциал, высокочастотную дифференциальной емкости системы полупроводник-электролит и ток поляризации. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля профиля легирования в полупроводниках.

Известны способы [1-4], позволяющие определить характеристики полупроводника в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структурах). В основе этих способов лежат измерения вольт-фарадных характеристик МДП-структуры. Недостатком известной группы способов является отсутствие учета присутствующих в диэлектрике ловушек, что снижает достоверность определения концентрации примеси при низких значениях концентрации.

Известен способ [5], позволяющий определить характеристики полупроводника в МДП структуре, основанный на измерении вольт-фарадных характеристик МДП-структур. Учет присутствующих в диэлектрике ловушек производится путем численного решения обратной задачи, что снижает разрешающую способность по глубине за счет эффектов регуляризации.

Известны способы [6-8], где учет присутствующих в диэлектрике ловушек производится путем дополнительных измерений при изменении каких-либо физических параметров (кроме приложенного к структуре напряжения): температуры, внешнего излучения, что усложняет процесс измерений и увеличивает сложность и стоимость оборудования.

Кроме того, недостатками этих трех групп разных способов является необходимость формирования МДП-структуры на поверхности полупроводниковой пластины для измерения концентрации примеси, необходимость определения свойств сформированного диэлектрика (толщина, диэлектрическая проницаемость) для расчета профиля концентрации легирующей примеси, а также ограниченная глубина, на которую может производиться контроль профиля распределения примеси.

Известны способы [9-10], основанные на фотометрических измерениях поглощения излучения ИК-диапазона в полупроводниках. Эта группа способов не чувствительна к наличию на поверхности полупроводника поверхностных состояний, ловушек в диэлектрике и т.п., так как при помощи излучения производится определение объемных свойств. Недостатком таких способов является то, что они позволяют измерять лишь среднюю концентрацию легирующей примеси в объеме полупроводника. Измерения профиля легирования возможны лишь путем поэтапного химического или электрохимического травления слоев полупроводника, чередующегося с измерениями средней концентрации. Однако по результатам подобных измерений профиль восстанавливается с низким разрешением по глубине и с большими ошибками, особенно вблизи поверхности.

Известны способы, использующие систему полупроводник-электролит. Эти способы можно разделить на способы, использующие измерения низкочастотных вольт-фарадных характеристик (НЧ ВФХ) и высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВЧ ВФХ). Первые детально описаны в работах [5, 9]. Способы, использующие НЧ ВФХ [11-13], не позволяют исключить вклад в измерения, вносимый поверхностными состояниями, без дополнительных численных процедур. Это приводит к занижению измеряемых значений концентрации и искажению профиля за счет неверного определения поверхностного потенциала. Способы, основанные на измерениях ВЧ ВФХ [14-16], позволяют значительно уменьшить влияние поверхностных состояний на измерения. Однако проблема неверного определения поверхностного потенциала сохраняется, особенно при использовании низких концентраций электролита.

Известен способ [17], основанный на измерении ЭДС Холла. Этот способ позволяет определять среднюю концентрацию примеси по объему полупроводника, и его использование сопряжено с теми же трудностями. Однако известный способ имеет недостаточно высокую точность и является трудоемким, поскольку имеется необходимость определения значения подвижности носителей заряда в данном образце, которое может существенно отличаться от значения подвижности носителей заряда в контрольных (стандартных) образцах, особенно в случае больших доз ионной имплантации примеси.

Известен способ [18] определения концентрации легирующей примеси, выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий по решаемой задаче к предлагаемому изобретению и имеющий с ним общие признаки, которые состоят в размещении образца в электролит, измерении высокочастотной дифференциальной емкости при заданном изменении электродного потенциала и фиксированной температуре, определении концентрации легирующей примеси по измеренным значениям высокочастотной дифференциальной емкости в области потенциалов, соответствующих обеднению приповерхностного объема полупроводника носителями заряда.

Недостатками известного способа являются невысокая точность и достоверность измерений при концентрациях легирующей примеси, превышающих 10¹⁸ ион/см³ и ограниченный диапазон определения концентрации легирующей примеси, ограниченный средними значениями в приповерхностном объеме образца.

Предлагаемый способ определения профиля концентрации легирующей примеси основан на измерении ВЧ ВФХ.

Достоинством заявленного способа является высокая точность определения значения поверхностного потенциала по измерениям квазистатических и динамических вольт-амперных характеристик, что позволяет существенно повысить достоверность определения профиля распределения примеси и максимальную глубину профилирования за счет учета (и исключения) вклада электронных состояний, локализованных вблизи поверхности образца (поверхностных состояний, ПС).

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение достоверности измерений и расширение диапазона глубин приповерхностного слоя образца, в которых определяется концентрация легирующей примеси.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения профиля концентрации легирующих примесей в полупроводниках, заключающемся в помещении образца в электролит, измерении высокочастотной дифференциальной емкости при заданном изменении электродного потенциала и фиксированной температуре и определении концентрации легирующей примеси по измеренным значениям высокочастотной дифференциальной емкости в области потенциалов, соответствующих обеднению приповерхностного объема полупроводника носителями заряда, в соответствии с предлагаемым изобретением, измеряют зависимость тока поляризации полупроводника от электродного потенциала, по которой определяют величину падения потенциала в электролите, по измеренным зависимостям дифференциальной емкости от электродного потенциала с учетом величины падения потенциала в электролите определяют профиль концентрации примеси в приповерхностном объеме полупроводника.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что при концентрациях примеси N>10¹⁸ см^-3 дополнительно измеряют дифференциальную емкость в области потенциалов, соответствующих вырождению носителей заряда в приповерхностном объеме полупроводника.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что измерение зависимостей высокочастотной дифференциальной емкости и тока поляризации от электродного потенциала, электрохимическое растворение и вычисление профиля концентрации легирующей примеси повторяют многократно до достижения требуемой глубины определения концентрации легирующей примеси, электрохимическое растворение полупроводника осуществляют включением тока поляризации, при освещении поверхности образца и перемешивании электролита в режиме, устраняющем диффузионное ограничение протекающих химических реакций.

В заявленном изобретении для достижения указанного технического результата расширение диапазона глубин приповерхностного слоя образца, в которых определяется концентрация легирующей примеси, производится путем многократного повторения измерений ВЧ ВФХ и электрохимического растворения части приповерхностного слоя образца. Эта процедура позволяет определять концентрацию легирующей примеси на любой глубине. Повышение достоверности измерений достигается за счет вычитания емкости ПС из результатов измерений ВЧ ВФХ.

Перед измерениями производят предварительную обработку поверхности исследуемого образца. Пыль и крупные загрязнения удаляют механически, после чего кипятят образец в растворе комплексообразователя (Трилон-Б или др.) и промывают в дважды дистиллированной воде. Образец высушивают при комнатной температуре. Если образец не имеет тыльного омического контакта, шлифуют тыльную сторону и наносят на нее металл для образования контакта.

Подготовленный образец помещают в электрохимическую ячейку, в которой также находятся металлические (платиновые) или стеклографитовые электроды для поляризации образца, измерения емкости, измерения потенциала. Ячейку заполняют электролитом. Перемешивание электролита выполняют подключенным к ячейке насосом, работающим по замкнутому циклу. Скорость подачи электролита выбирают такой, чтобы при измерении вольт-амперной характеристики отсутствовал эффект гистерезиса, что свидетельствует об отсутствии диффузионного ограничения протекающих электрохимических реакций.

Выбирают рабочий диапазон электродных потенциалов: в анодной области -потенциал, при котором начинается резкое возрастание тока, обусловленного реакцией растворения приповерхностного слоя полупроводника, в катодной области - потенциал, при котором происходит электрический пробой границы полупроводник-электролит.

Изменение напряжения поляризации выполняют таким образом, чтобы потенциал измерительного электрода изменялся линейно во времени. При этом измеряют электродный потенциал, высокочастотную дифференциальной емкости системы полупроводник-электролит и ток поляризации.

Емкость системы полупроводник-электролит измеряют высокочастотным импульсным методом при длительности импульса 0,8-1 мкс. Значение емкости получают, интегрируя сигнал по серии импульсов. Число импульсов в серии (N_i) выбирают таким образом, чтобы отношение величины доверительного интервала для среднего значения сигнала к среднему значению сигнала не превышала 0,1%.

Скорость развертки по электродному потенциалу устанавливают равной

где f - частота следования импульсов, е - заряд электрона, k_b - постоянная Больцмана, Т - комнатная температура.

Ток поляризации измеряют по величине падения напряжения на известном эталонном сопротивлении, включенном последовательно с электродом поляризации.

По измеренной зависимости тока поляризации I от электродного потенциала V_e строят зависимость I^4/5 от V_e. В катодной области электродных потенциалов (для материала n-типа или в анодной области электродных потенциалов - для материала p-типа) рассчитывают линейную регрессию полученной зависимости и находят электродный потенциал V_e0, при котором линия регрессии пересекает ось абсцисс. Это значение электродного потенциала соответствует значению поверхностного потенциала, равному краю зоны проводимости (для материала n-типа, или краю валентной зоны - для материала p-типа). Ширину запрещенной зоны полупроводника определяют по справочным данным. Зная разницу между значениями электродного и поверхностного потенциалов, перестраивают измеренные зависимости дифференциальной емкости от электродного потенциала в зависимости дифференциальной емкости от поверхностного потенциала.

По зависимости дифференциальной емкости С от поверхностного потенциала φ вычисляют зависимость концентрации легирующей примеси N от глубины d по формулам

,

где ε₀ - электрическая постоянная, ε_SC - диэлектрическая проницаемость полупроводника, е - заряд электрона, S - площадь контакта полупроводник-электролит.

Зависимость концентрации легирующей примеси от глубины вычисляется в диапазоне потенциалов от потенциала плоских зон до максимального анодного (для материала n-типа или катодного - для материала p-типа) потенциала, использованного в измерениях.

При высоких концентрациях легирующей примести более точное значение концентрации легирующей примеси получают по формуле

,

где m₀ - масса электрона, m_d - масса дырки, ε₀ - электрическая постоянная, ε_SC - диэлектрическая проницаемость полупроводника, е - заряд электрона, S - площадь контакта полупроводник-электролит.

При этом расчет производят в области потенциалов, соответствующей вырождению носителей заряда в приповерхностной области полупроводника.

Электрохимическое растворение приповерхностного слоя полупроводника выполняют при анодной поляризации. Для перехода в режим растворения фиксируют потенциал электрода поляризации, равный стационарному потенциалу (т.е. потенциалу, при котором ток поляризации равен нулю), отключают измеритель емкости, включают измеритель тока поляризации. Для образцов p-типа включают подсветку поверхности. Подсветка выполняется светом с длиной волны, меньшей чем hc/Eg, где h - постоянная Планка, с - скорость света, Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника, сфокусированным при помощи оптической системы в однородное пятно на поверхности образца. В зависимости от материала образца также возможна замена электролита в электрохимической ячейке на электролит, обеспечивающий мягкое анодное полирование поверхности, если электролит, используемый для измерения емкости, не удовлетворяет этому требованию.

Шаг по глубине растворения выбирают не более D_max, определяемой по формуле:

где C_min - минимальное измеренное значение дифференциальной емкости. Уменьшение шага по глубине растворения приводит к увеличению достоверности измерений концентрации легирующей примеси и к увеличению времени измерения. Реальную толщину растворенного слоя полупроводника определяют по формуле

где сумма берется по зарегистрированным значениям тока поляризации (I_n), τ - интервал времени между измерениями тока, Z - средняя валентность иона полупроводника в реакции растворения, А - молекулярный вес иона полупроводника, N_A - число Авогадро, ρ - объемная плотность полупроводника.

Подтверждение реализации и достижение указанного технического результата заявленного способа иллюстрируется ниже приведенными примерами 1-3.

Пример 1.

Образец: n-Si (КЭФ 7,5 Ом·см), легированный ионами B⁺ (энергия Е=100 КэВ, доза D=10¹³ ион/см^-2). Расчетная глубина профиля легирования - 600 нм. Измерения производились в водном растворе KCl (1 моль/л). Электрохимическое растворение производилось в водном растворе HF (0,05 моль/л)+NH₃F(20 г/л). При растворении на образце поддерживалось напряжение 6,5 В, скорость подачи электролита - 0,5 л/мин. Подсветка выполнялась системой из лампы накаливания мощностью 250 Вт и фокусирующего объектива.

Измеренные зависимости дифференциальной емкости системы полупроводник-электролит от электродного потенциала представлены на Фиг.1.

Зависимость тока поляризации от электродного потенциала, используемая для вычисления величины падения потенциала в электролите, представлена на Фиг.2.

По измеренной зависимости тока поляризации I от электродного потенциала V_e построены зависимости I^4/5 от V_e в катодной области потенциалов Фиг.3.

Величина падения потенциала в электролите определена из графика линейной регрессии: Vel=-0,12 В.

Расчет зависимости концентрации легирующей примеси от глубины выполняется для каждой из кривых, соответствующих различным глубинам.

Для кривых 0 nm и 70 nm расчет по формуле

приводит к результатам не ниже 10¹⁸ ион/см³, поэтому для получения уточненных значений для этих кривых используется формула, учитывающая вырождение электронного газа в полупроводнике:

Для остальных кривых значения N<10¹⁸ ион/см³, поэтому используется обычная формула.

В результате расчета найдена зависимость концентрации легирующей примеси от глубины, представлена на Фиг.4 в виде сплошной кривой. Теоретическая зависимость концентрации легирующей примеси от глубины для образца данного типа отображена на Фиг.4 в виде пунктирной кривой.

Пример 2.

Образец: n-Si, (КЭФ 5 Ом·см), с эпитаксиальным слоем n+(0,5 Ом·см) расчетной толщины 100 нм. Измерения производились в тех же условиях и с применением тех же электролитов, что и в примере 1.

Так как расчетная концентрация не превышала значения N<10¹⁸ ион/см, профиль рассчитывался по формуле:

В результате был получен профиль концентрации примеси, изображенный на Фиг.5.

Значения концентрации примеси в области эпитаксиального слоя и в объеме образца отличаются от расчетных не более, чем на 15%. Глубина эпитаксиального слоя отличается от расчетной на 20 нм.

Пример 3.

Образец p-Si (КДБ 0.5 Ом·см), легированный ионами P⁺ (энергия Е=70 КэВ, доза D=10¹⁵ ион/см^-2). Расчетная глубина профиля легирования - 400 нм. Расчетное положение области максимального легирования - 200 нм.

В данном случае имплантация большой дозы ионов приводит к возникновению ПС и перераспределению падений потенциалов в системе полупроводник-электролит. В результате наблюдается значительное смещение поверхностного потенциала по отношению к электродному: Vel=-0,63 В.

На Фиг.6 приведены профили концентрации легирующей примеси, полученные для данного образца. Профиль, полученный при учете ПС заявленным методом, изображен на Фиг.6 сплошной кривой. Профиль, полученный без учета ПС, изображен пунктирной кривой. Данный пример демонстрирует повышение достоверности определения профиля концентрации легирующей примеси за счет учета влияния ПС.

Заявленный способ апробирован в лабораторных условиях на базе Санкт-Петербургского государственного университета.

Примеры конкретной реализации подтверждают заявленный технический результат, заключающийся в повышении достоверности измерений и расширении диапазона глубин приповерхностного слоя образца, в которых определяется концентрация легирующей примеси, а также в существенном увеличении точности определения профиля концентрации легирующей примеси и увеличении диапазона измеряемых значений концентрации легирующей примеси за счет достижения любой наперед заданной глубины определения профиля, причем вне зависимости от уровня легирования полупроводника и предельного напряжения пробоя границы полупроводник-электролит.

Источники информации

1. Патент RU 2002112760.

2. Патент ЕР 1376679.

3. Патент JP 05064861.

4. Патент SU 1499634.

5. Патент RU 2028697.

6. Патент DE 19701999.

7. Патент JP 3045617.

8. Патент SU 1646390.

9. Патент RU 2080689.

10. Патент SU 1835967.

11. Патент US 6127280.

12. Патент US 5639343.

13. Патент US 4168212.

14. Патент US 5200693.

15. Патент SU 1538827.

16. Патент RU 2054748.

17. Патент SU 1632293.

18. Патент SU 1304674 (прототип).

Claims (3)

1. Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводниках, заключающийся в помещении образца в электролит, измерении высокочастотной дифференциальной емкости при заданном изменении электродного потенциала и фиксированной температуре, и определении концентрации легирующей примеси по измеренным значениям высокочастотной дифференциальной емкости в области потенциалов, соответствующих обеднению приповерхностного объема полупроводника носителями заряда, отличающийся тем, что измеряют зависимость тока поляризации полупроводника от электродного потенциала, по которой определяют величину падения потенциала в электролите, по измеренным зависимостям дифференциальной емкости от электродного потенциала с учетом величины падения потенциала в электролите определяют профиль концентрации примеси в приповерхностном объеме полупроводника.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при концентрациях примеси N>10¹⁸ см^-3 дополнительно измеряют дифференциальную емкость в области потенциалов, соответствующих вырождению носителей заряда в приповерхностном объеме полупроводника.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение зависимостей высокочастотной дифференциальной емкости и тока поляризации от электродного потенциала, электрохимическое растворение и вычисление профиля концентрации легирующей примеси повторяют многократно до достижения требуемой глубины определения концентрации легирующей примеси, электрохимическое растворение полупроводника осуществляют включением тока поляризации при освещении поверхности образца и перемешивании электролита в режиме, устраняющем диффузионное ограничение протекающих химических реакций.

Images