Профилирование сопротивления растеканию

Профилирование сопротивления растеканию (SRP), также известное как анализ сопротивления растеканию (SRA), представляет собой метод, используемый для анализа удельного сопротивления в зависимости от глубины в полупроводниках . Полупроводниковые устройства зависят от распределения носителей ( электронов или дырок ) внутри их структур, чтобы обеспечить желаемую производительность. Концентрацию носителей (которая может варьироваться до десяти порядков ) можно определить по профилю удельного сопротивления, полученному с помощью SRP.

История

Фундаментальную взаимосвязь обычно приписывают Джеймсу Клерку Максвеллу (1831–1879). В 1962 году Роберт Мазур (патент США 3628137) и Дикки ^[1] разработал практичную систему с двумя зондами, использующую пару утяжеленных осмиевых игл.

В 1970 году была основана компания Solid State Measurements для производства инструментов для определения профиля устойчивости к распространению, а в 1974 году была основана Solecon Labs для предоставления услуг по профилированию устойчивости к распространению. В 1980 году Дики разработал практический метод определения p- или n-типа с использованием инструмента сопротивления растеканию. Улучшения продолжались, но им мешали постоянно сокращающиеся размеры современных цифровых устройств. Для неглубоких структур (глубиной <1 мкм) обработка данных является сложной задачей. Некоторыми из участников сокращения данных являются Дикки, ^[2]^[3] Шуман и Гарднер, ^[4] Чу и др. , ^[5] Берковиц и Люкс, ^[6] Эванс и Донован, ^[7] Пейссенс и др. , ^[8] Ху, ^[9] Альберс, ^[10] и Касель и Йорке. ^[11]

Теория работы

Если между двумя наконечниками зонда подается напряжение, обеспечивающее электрический контакт с бесконечной пластиной, сопротивление, возникающее внутри пластины, равно $R{=}{\frac {\rho }{2a}}$ , где:

$R$ - измеренное сопротивление в Омах,
$\rho$ (rho) — удельное сопротивление плиты в Ом·см, а
$a$ — радиус контактной площадки в см.

Большая часть сопротивления возникает очень близко к электрическому контакту. ^[12] позволяет определить местное удельное сопротивление. Зонды создают пренебрежимо малое сопротивление кремния (почти омический контакт ) во всем диапазоне удельного сопротивления как для p-типа , так и для n-типа (богатого дырками и богатого электронами соответственно). Сведя к минимуму сопротивление проводки и сопротивление растеканию внутри наконечников зонда, измеряемое сопротивление почти исключительно $R{=}{\frac {\rho }{2a}}$ для образцов кремния не менее $2a$ толстый. С помощью калибровочных эталонов удельного сопротивления $\rho$ может быть определена при каждом зондировании парой зондов.

Инструментарий

На кончики зонда подается смещение 5 мВ. Измеренное сопротивление может находиться в диапазоне от 1 Ома до одного миллиарда Ом. Для измерения сопротивления используется усилитель «log R» или электрометр.

Механический

Современный SRP имеет два наконечника зонда из карбида вольфрама, расположенные на расстоянии около 20 мкм друг от друга. Каждый наконечник установлен на кинематическом подшипнике, чтобы минимизировать «царапание» (когда зонды царапают поверхность). Зонды очень осторожно опускают на скошенный кусок кремния или германия. Хотя нагрузка на наконечники зондов может составлять всего лишь 2 г, давление превышает один миллион фунтов на квадратный дюйм (или ~ 10 ГПа), вызывая локализованное фазовое превращение кремния в «бета-олово», производящее почти омический контакт . ^[13] Между каждым измерением датчики поднимаются и перемещаются на заданное расстояние вниз по скосу. Фаски получаются путем установки образца на угловой блок и шлифования фаски обычно алмазной пастой размером 0,1 или 0,05 микрометра. Углы скоса, выбранные в соответствии с интересующей глубиной, могут находиться в диапазоне от ~ 0,001 до 0,2 радиан. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить гладкую, плоскую фаску с минимальным закруглением кромки фаски. (См. рисунок 1.)

Пределы обнаружения

Диапазон измерения обычно составляет от одного Ома до одного миллиарда Ом. Этого достаточно для всего диапазона сопротивлений монокристаллического кремния.

Калибровка

Калибровочные стандарты были разработаны NIST . Набор из 16 стандартов в диапазоне от примерно 0,0006 Ом-см до 200 Ом-см был произведен как для n-, так и для p-типа, а также для (100) и (111) ориентации кристаллов. Для высокого удельного сопротивления (более 200 Ом-см и, возможно, более 40 000 Ом-см) значение удельного сопротивления необходимо экстраполировать из калибровочной кривой.

Приложения

Инструмент используется в основном для определения легирующих структур в кремниевых полупроводниках. Глубокие и мелкие профили показаны на рисунке 2.

Альтернативные процессы

Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) также очень полезна для определения профиля примесей. ВИМС может обеспечить концентрацию атомов в динамическом диапазоне в течение трех десятилетий, а в некоторых случаях и четырех десятилетий. SRP может определять концентрацию носителей (электрически активной легирующей примеси) в более чем восьми или девяти десятилетиях динамического диапазона. Часто методы дополняют друг друга, хотя иногда и конкурируют. Оборудование для SIMS, как правило, значительно дороже в производстве и эксплуатации. Хотя сопротивление распространению ограничено кремнием, германием и некоторыми другими полупроводниками, SIMS может профилировать атомную концентрацию практически чего угодно. SIMS имеет большее пространственное разрешение, полезное для сверхмелких профилей (<0,1 микрометра), но SRP более удобен для более глубоких структур.

Ссылки

^ Д.Х. Дики, Электрохимия. Соц., Электрон. Отдел Внеш. Абстр. 12 , 151 (1963)
^ Д.Х. Дики и Дж.Р. Эрштейн, Специальная публикация NBS 400-48, (1979)
^ DH Dickey, Заседание подкомитета ASTM F1.06, Денвер, июнь 1984 г.
^ П. А. Шуман и Э. Э. Гарднер, J. Electrochem. Соц. 116 , 87 (1969)
^ SC Choo, MS Leong и KL Hong, L. Li и LS Tan, Solid State Electronics, 21 , 796 (1978)
^ HL Berkowitz и RA Lux, J. Electrochem Soc. 128 , 1137 (1981)
^ Р. А. Эванс и Р. П. Донован, Solid St. Electron. 10 , 155 (1967)
^ Р. Пейссенс, В. Б. Вандерворст и Х. Э. Мэйс, J. Electrochemical Soc. 130 , 468 (1983).
^ С.М. Ху, J. Appl. Физ. 53 , 1499 (1982)
^ Дж. Х. Альберс, Новые полупроводниковые технологии , ASTM ATP 960, DC Gupta и PH Langer, Eds., Am. Соц. по испытаниям и материалам (1986).
^ А. Казель и Х. Йорке, Appl. Физ. Летт., 50 , 989 (1987)
^ Р. Холм, Электрические контакты , Альмквист и Виксельс, Упсалла (1946)
^ Дж. К. Джеймисон, Кристаллические структуры при высоких давлениях металлической модификации кремния и германия , Science, 139 (1963)

Библиография

Р. Г. Мазур и Д. Х. Дики, Метод сопротивления растеканию для измерения удельного сопротивления кремния , J. Electrochem. Соц., 113 , 255 (1966)

Д.Х. Дики, История и состояние проблемы сокращения данных в SRA , Материалы Третьей международной конференции по технологии полупроводников и интегральных схем, Эллвангер и др. , ред., Издательство электронной промышленности

М.В. Денхофф, Точный расчет сопротивления растеканию , Журнал физики D: Прикладная физика, том 39, номер 9

Внешние ссылки

[1] Д.Х. Дики, Электрохимия. Соц., Электрон. Отдел Внеш. Абстр. 12 , 151 (1963)

[2] Д.Х. Дики и Дж.Р. Эрштейн, Специальная публикация NBS 400-48, (1979)

[3] DH Dickey, Заседание подкомитета ASTM F1.06, Денвер, июнь 1984 г.

[4] П. А. Шуман и Э. Э. Гарднер, J. Electrochem. Соц. 116 , 87 (1969)

[5] SC Choo, MS Leong и KL Hong, L. Li и LS Tan, Solid State Electronics, 21 , 796 (1978)

[6] HL Berkowitz и RA Lux, J. Electrochem Soc. 128 , 1137 (1981)

[7] Р. А. Эванс и Р. П. Донован, Solid St. Electron. 10 , 155 (1967)

[8] Р. Пейссенс, В. Б. Вандерворст и Х. Э. Мэйс, J. Electrochemical Soc. 130 , 468 (1983).

[9] С.М. Ху, J. Appl. Физ. 53 , 1499 (1982)

[10] Дж. Х. Альберс, Новые полупроводниковые технологии , ASTM ATP 960, DC Gupta и PH Langer, Eds., Am. Соц. по испытаниям и материалам (1986).

[11] А. Казель и Х. Йорке, Appl. Физ. Летт., 50 , 989 (1987)

[12] Р. Холм, Электрические контакты , Альмквист и Виксельс, Упсалла (1946)

[13] Дж. К. Джеймисон, Кристаллические структуры при высоких давлениях металлической модификации кремния и германия , Science, 139 (1963)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]