close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

443.Методы контроля технологических процессов в электронике Методические указания по выполнению лабораторных работ

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г.Демидова
Кафедра микроэлектроники
Методы контроля технологических
процессов в электронике
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов специальности Микроэлектроника
и полупроводниковые приборы
Ярославль 2005
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ББК З 85я73
УДК 621.37/.39:621.317
М 54
Рекомендовано
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2005 года
Рецензент
кафедра микроэлектроники Ярославского государственного
университета им. П.Г. Демидова
Составитель С.П. Зимин
М 54
Методы контроля технологических процессов в электронике: Метод. указания по выполнению лабораторных
работ / Сост. С.П. Зимин; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль:
ЯрГУ, 2005. – 64 с.
В методических указаниях содержатся теоретические сведения и излагается порядок выполнения лабораторных работ. Выполнено в соответствии с государственным образовательным стандартом.
Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 014100 Микроэлектроника и полупроводниковые приборы (дисциплина «Основы технологии интегральных и низкоразмерных систем», блок ОПД), очной формы обучения.
Ил. 21. Табл. 11. Библиогр.: 30 назв.
ББК З 85я73
УДК 621.37/.39:621.317
© Ярославский государственный университет, 2005
© С.П. Зимин, 2005
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 1
Входной контроль монокристаллических
кремниевых пластин
Цель работы - изучить основные параметры кремниевых пластин; провести контроль геометрических параметров; измерить прогиб и непараллельность; определить тип проводимости кремниевых
пластин.
Краткая теория работы
Полупроводниковые пластины и их параметры
Основными исходными материалами для изготовления интегральных схем являются монокристаллические полупроводниковые
пластины круглой формы диаметром 40 - 200 мм и толщиной 350 700 мкм из кремния, германия, арсенида галлия, антимонида индия и
т.д., на которых методами планарной технологии формируют элементы, имеющие микронные и субмикронные размеры. Для получения
кремниевых приборов и интегральных схем применяемые полупроводниковые пластины должны удовлетворять жестким требованиям
по геометрическим размерам, кристаллографической ориентации,
электрофизическим параметрам (концентрации и подвижности носителей заряда), и т.д.
Для характеристики полупроводниковых пластин производится
их маркировка. Первая буква (или две) означают исходный материал
(К – кремний, Г – германий, АГ – арсенид галлия), вторая буква – тип
проводимости (Э – электронная, Д – дырочная), третья буква (или
две) – легирующие элементы (Б – бор, Ф – фосфор, С – сурьма, З –
золото, Г – галлий, Ц – цинк, Т – теллур, и т.д.). После буквенного
обозначения стоит число, указывающее номинальное удельное сопротивление в Ом*см. Так, обозначение КЭФ-1,0 соответствует
кремнию электронного типа проводимости, легированному фосфором
и имеющему удельное сопротивление 1 Ом*см. Монокристаллический кремний общего назначения КЭФ, КДБ, КЭС, КЭФЗ выпускается пятнадцати групп [1] и имеет величину удельного сопротивления
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
от 0,005 до 2 000 Ом*см. Допускается разброс удельного сопротивления от номинала в пределах от 7 до 40% в зависимости от номера
группы.
Монокристаллические кремниевые пластины, предназначенные
для эпитаксиальных структур, имеют на первом месте букву "Э" и
выпускаются десяти групп [2] с удельным сопротивлением 0,005 – 30
Ом*см p-типа и 0,01 – 40 Ом*см n-типа проводимости.
В том случае, когда на пластину нанесен эпитаксиальный слой
кремния, обозначение производится в виде дроби
80 КДБ − 0,5 

 60
,
 200 КЭС − 0,01 
где
цифра перед дробью указывает диаметр пластины, первая цифра в
числителе – толщину эпитаксиального слоя, а в знаменателе – толщину пластины, буквы и цифры в числителе и знаменателе – марки
эпитаксиального слоя и пластины.
Полупроводниковые пластины различных диаметров обычно
имеют разные толщины (табл. 1), и увеличение толщины пластин с
увеличением диаметра необходимо для сохранения их жесткости, так
как пластины с заниженной толщиной сильно деформируются и раскалываются при проведении технологических операций.
Рис. 1. Чертеж кремниевой пластины КДБ–10 ориентации (111)
На рисунке 1 показан вид кремниевой пластины. Она имеет базовый срез и скругленный край по периферии (разрез I на рис. 1). Базовый срез определяет кристаллографическую ориентацию в пластине.
Например, в пластине КДБ-10 с ориентацией (111) (т. е. с кристаллографическим направлением [111] нормально к пластине) соответствует направлению [1 1 0 ]. Технологическая операция снятия фаски введена для предотвращения появления сколов и трещин при ударах об
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
опоры и края кассет. Скругленный край позволяет также избавиться
от возникновения краевого утолщения при нанесении фоторезиста.
Рабочая сторона пластин должна быть полированной, высокой степени структурного совершенства. Механические нарушения (риски, царапины, микротрещины, выколы) приводят к изменению характеристик ИМС. Нерабочая сторона может быть шлифовано-травленной
или полированной.
Таблица 1
Размеры и толщина пластин кремния и арсенида галлия
Диаметр, мм
60
76
100
150
200
Номинальная толщина, мкм
Кремний
Арсенид галлия
350
520, 560, 600
380, 420, 450 ,500
670, 710, 750
460, 500, 560, 580, 600
≈1000
675
–
900
–
Наряду с базовым срезом, который определяет кристаллографическую ориентацию пластины и служит для базирования пластин в
устройствах фотолитографии, на пластинах существуют дополнительные срезы под углами 45°, 90°, 135° или 180° к основному и
имеющие длину 7 – 13, 9 – 11 и 16 – 20 мм для пластин диаметром 60,
76 и 100 мм. Дополнительные срезы предназначены для обозначения
марки полупроводникового материала, его типа проводимости и кристаллографической ориентации пластины. В таблице 2 показано, как
по виду пластины определить марку полупроводника, удельное сопротивление и кристаллографическую ориентацию. Длины базового
и дополнительных срезов строго регламентированы и зависят от диаметра пластины.
В таблице 3 сведены основные геометрические параметры кремниевых пластин и допустимые отклонения от них. Диаметр полупроводниковых пластин измеряют в двух взаимно перпендикулярных
направлениях штангенциркулем, толщину пластины измеряют многооборотным индикатором в центре пластины. Измерения длины базового и дополнительного срезов производят линейкой с ценой деления 1 мм.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расположение базового и дополнительного
срезов на пластинах кремния
Угол 1-го
дополнит.
cреза
–
180
90
45
135
90
45
45
135
90
45
135
45
45
90
Угол 2-го
дополнит.
среза
–
–
–
–
–
180
315
225
225
270
180
180
180
90
180
Угол 3-го
дополнит.
среза
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
315
135
270
Таблица 2
Марка кремния
и ориентация
КДБ–10 (111)
КЭФ–4,5 (100)
КЭФ–4,5 (111)
КДБ–10 (100)
КЭФ–7,5 (111)
КДБ–2,0 (100)
КДБ–10 (111), б.с.(110)
КДБ–1 (111)
КДБ–12 (100)
КЭС–0,01 (111)
КДБ–20 (100)
КДБ–7,5 (100)
КЭФ–1,0 (100)
КДБ–40 (100)
КДБ–0,03 (111)
Примечание: поскольку на пластину можно смотреть с двух
сторон, то угол может отсчитываться как по часовой стрелке,
так и против (см. рис. 2).
Рис. 2. Расположение дополнительного среза на КДБ–10 (100)
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3
Допустимые значения параметров кремниевых пластин
Параметры пластин
Диаметр, мм
Допуск на диаметр, мм
Толщина, мкм
Допуск на толщину, мкм
Длина базового среза, мм
Допуск на длину базового среза, мм
Длина дополнительного среза, мм
Допуск на длину дополнительного
среза, мм
Плоскостность, мкм
Непараллельность сторон, мкм
Прогиб, мкм
Отклонение от ориентации, град.
60
± 0,5
350
± 25
18
±3
10
Допустимые значения
76
100
125
± 0,5 ± 0,5 ± 0,5
380
525
625
± 25
± 25
± 25
22
32,5
42,5
±3
± 2,5 ± 2,5
11
18
17,5
150
± 0,5
675
± 25
50
±3
20
± 1,5
7
8
25
±1
± 1,5
7
10
30
±1
± 2,5
5
18
60
±1
±2
7
13
38
±1
± 2,5
5
15
51
±1
Прогиб, непараллельность, неплоскостность
Существенное влияние на качество ИМС оказывают такие параметры, как прогиб, непараллельность плоскостей и неплоскостность
пластин.
Прогиб полупроводниковой пластины – это мера выпуклости или
вогнутости срединной части пластины относительно ее краев. В простейшем случае прогиб может быть измерен прямыми измерениями
разностным методом. Вначале пластину размещают, как показано на
рисунке 3а, и измеряют размер h 1 = h + d, где h – стрела прогиба, d –
толщина пластины. Затем пластину перемещают в положение, указанное на рисунке 3б, и измеряют ее толщину. Стрелу прогиба находят из соотношения h = h 1 - d.
Прогиб полупроводниковых пластин может быть измерен на специальной лазерной установке. В установке формируются два параллельных лазерных луча, которые падают на вогнутую полированную
поверхность пластины в точки, равноотстоящие от центра и находящиеся на одном диаметре. Отражаясь от пластины, лучи лазера в зависимости от степени вогнутости (прогиба) фокусируются на разном
расстоянии от ее центра. Это расстояние и является мерой прогиба.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Измерение прогиба пластины разностным методом
Непараллельностью называется разность наибольшего и наименьшего расстояний между плоскостями, прилегающими к поверхностям пластины на заданной площади или длине. Для определения
непараллельности пластины измеряют толщину пластины в пяти точках, расположенных, как показано на рисунке 4. Точки 2 - 5 расположены на равном расстоянии от точки 1, находящейся в центре. Толщину пластины измеряют многооборотной индикаторной головкой,
представляющей собой микрометр со стрелочным отсчетом. Результаты обрабатывают, определяя разность толщины пластины в точке 1
и соответствующих периферийных точках:
δ i −1 = d i − d1 ,
где δ i-1 – разность между толщиной пластины в 1-й точке и в точке 1,
d i и d 1 – толщины пластины в i-й точке и в точке 1, i – порядковый
номер точки (i = 2, 3, 4, 5). Наибольшее значение одной из полученных четырех разностей и определяет непараллельность.
Рис. 4. Расположение точек, в которых измеряется
толщина пластины при измерении непараллельности
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Неплоскостностью называется наибольшее расстояние между
реальной поверхностью пластины и прилегающей плоскостью. Измерение неплоскостности производят интерферометрами, позволяющими наблюдать интерференционную картину по всей плоскости пластины. Анализируя эту интерференционную картину, по максимальному числу огибающих интерференционных полос находят наиболее
глубокую впадину и наиболее высокую вершину. Сумма их размеров
и характеризует неплоскостность.
В последнее время для измерения прогиба, непараллельности и
неплоскостности разработаны приборы, основанные на применении
бесконтактного емкостного датчика, например, прибор 09 ОЭР-445.
Верхняя обкладка датчика перемещается вдоль поверхности пластины по двум взаимно перпендикулярным диаметрам и по периферийной окружности. Нижней обкладкой датчика является поверхность
предметного стола, на котором закреплена пластина. Любое изменение зазора между верхней обкладкой датчика и поверхностью пластины, обусловленное изменением профиля поверхности пластины,
вызывает изменение электрического сигнала датчика и после соответствующей калибровки может служить мерой расстояния. Результаты измерения профиля обрабатываются по специальному алгоритму и по соответствующей команде оператора индицируются на
цифровом табло, давая непосредственно информацию о величине
прогиба, непараллельности и неплоскостности пластины.
Методы определения типа электропроводности
Тип электропроводности полупроводниковых материалов можно
определить при помощи методов, основанных на эффекте Холла, вентильном фотоэффекте, термоэлектрическом эффекте Зеебека и эффекте выпрямления тока. Методы определения, основанные на эффекте Холла и вентильном Фотоэффекте, не нашли применения в
заводских условиях. Это объясняется тем, что при использовании
эффекта Холла требуется создание образцов определенной формы, а
при использовании вентильного фотоэффекта результаты измерений
зависят от подготовки поверхности образцов. Определение типа проводимости на основе эффекта выпрямления тока заключается в том,
что снимают вольтамперную характеристику контакта металл-полупроводник (или выводят ее на экран осциллографа) и сравнивают ее с
характеристикой контрольного образца (пластины) p- или n-типа
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проводимости. Поскольку характер выпрямления в двух случаях различен, то это позволяет определить тип электропроводности [2, 3].
Наиболее прост и поэтому наибольшим образом используется
метод, основанный на определении знака термоэдс (метод термозонда). Метод заключается в том, что один из зондов нагревается до температуры 60°C, а второй имеет комнатную температуру. При установке двух зондов на поверхность пластины возникает градиент
температуры и эффект термоэдс, знак которой зависит от типа проводимости полупроводникового материала. Если эти зонды замкнуть
через гальванометр, то по отклонению стрелки (зайчика) влево или
вправо от нулевого деления можно сделать вывод о типе проводимости исследуемого образца. Для кремния n-типа холодный контакт
имеет отрицательный знак термоэдс, для p-типа – положительный.
Порядок выполнения работы
1. Для партии образцов, данных в кассете, по дополнительным
срезам определить марку полупроводниковых кремниевых пластин.
Результаты внести в таблицу. Номер образца указан на кассете.
№ образца
1
2
3
…
Углы срезов
Марка кремния
Ориентация
2. Для данных образцов измерить диаметр пластин, толщину пластин, длины дополнительных и базового срезов, прогиб, непараллельность. Результаты занести в таблицу. Провести разбраковку пластин.
3. Для предоставленных образцов методом термозонда определить тип проводимости. Для этого нагреть зонд, подав на нагреватель
напряжение 15В и выждав 10 мин. В качестве гальванометра в работе
используется цифровой прибор В7-21А, который необходимо прогреть в течение 20 мин. При прогреве В7-21А переключатель пределов установить на 100 мА. Измерения проводить на пределе 1 мкА в
нескольких точках пластины. Горячий зонд присоединить к клемме
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
"I", холодный зонд – к клемме "O". В случае пластины n-типа значения тока будут положительными, p-типа – отрицательными. Результаты внести в таблицу. Сравнить полученные результаты с данными,
основанными на определении легирующей примеси (п. 1).
№ образца
Тип проводимости
по термозонду
Легирующая
примесь
1
2
…
4. Провести анализ полученных результатов. Сформулировать
выводы по работе.
Литература
1. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники: В 10 кн. Кн. 2. Материалы / А.И. Курносов. – М.: Высшая школа, 1989. - 96 с.
2. Измерения и контроль в микроэлектронике / Под ред.
А.А. Сазонова. – М.: Высшая школа, 1984. - 367 с.
3. Николаев И.М. Оборудование и технология производства полупроводниковых приборов. – М.: Высшая школа, 1977. - 269 с.
4. Запорожский В.П., Лапшинов Б.А. Обработка полупроводниковых материалов. – М.: Высшая школа, 1988. - 184 с.
5. Кремний монокристаллический в слитках. Технические условия. ГОСТ 19658-81. - М: Государственный комитет по стандартам,
1981. - 50 с.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 2
Определение кристаллографической ориентации
и плотности дислокаций
для полупроводниковых образцов
Цель работы - ознакомление с существующими методами определения кристаллографической ориентации полупроводниковых монокристаллов, пластин, пленок; изучение методов контроля плотности дислокаций; проведение экспериментальных работ по нахождению кристаллографического направления и величины плотности
дислокаций для предложенных образцов.
Краткая теория работы
Важное значение в производстве полупроводниковых интегральных схем имеет ориентация исходных полупроводниковых пластин.
Наиболее часто используются ориентации кристаллографических
плоскостей (111), (100) и (110). При этом основные технологические
операции (диффузия, окисление, травление и т.д.) имеют для каждой
ориентации свои особенности [1], что связано с различным расположением атомов и различной их плотностью упаковки в данной плоскости. На рисунке 1 показано расположение атомов для ориентации
(110 и 111).
Рис. 1. Решетка типа алмаза (кремний, германий)
вдоль различных кристаллографических осей
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из рисунка следует, что плоскость кремния (111) является наиболее
плотноупакованной, в то время как в направлении (110) большое число атомов располагается друг за другом и имеются широкие каналы,
способствующие, например, процессам диффузии.
Если использовать исходные пластины различных ориентаций, то
для ориентации (111) наблюдается наибольшая плотность поверхностных состояний, связанная с большим количеством незаполненных
связей, что увеличивает величину порогового напряжения МДПструктур с 2,5 – 3В до 4 - 5В. Плотность поверхностного заряда окисленного кремния возрастает при переходе от (100) и (110) к (111).
Скрайбирование пластин (100) можно проводить в любом направлении, в то время как для других ориентаций направления скрайбирования строго фиксированы (параллельно и перпендикулярно базовому срезу). Эти и другие примеры свидетельствуют о важности
контроля кристаллографической ориентации применяемых монокристаллов, пластин, пленок.
Методы определения кристаллографической ориентации
В настоящее время широко используются 3 основных метода определения кристаллографической ориентации полупроводниковых
образцов: рентгеновский, метод световых фигур и метод ямок травления.
Рентгеновский способ основан на изменении интенсивности отражения рентгеновских лучей от поверхности полупроводникового
материала в зависимости от плотности упаковки атомов в данной
плоскости. Согласно условию рассеяния рентгеновских лучей атомами кристаллической решетки угол падения пучка параллельных монохроматических рентгеновских лучей равен углу отражения от любой кристаллографической плоскости. При ориентировании образец,
имеющий ровную поверхность, помещают на предметный столик
рентгеновской установки (рис. 2) УРС-50ИМ, ДРОН-2,0 и др. Пучок
рентгеновских лучей должен быть направлен к исследуемой поверхности под угломβ, значение которого берется из таблиц (17°56' для
кремния ориентации (111), 30°12' для кремния ориентации (110),
45°23' для кремния ориентации (100), 17°14' для германия ориентации
(111), 28°56' для германия ориентации (110), и т.д.).
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Схема рентгеновского ориентирования
Приемник устанавливают под угломβ к2 плоскости падения
рентгеновских лучей и, разворачивая столик относительно вертикальной оси, фиксируют положение, соответствующее максимальной
интенсивности отраженных лучей. По угломерной головке определяется угол разориентации исследуемой поверхности относительно выбранного кристаллографического направления. Максимальный угол
разориентации, который можно определить на установке УРС-50И,
для плоскости (111) кремния составляет 14 градусов, для германия –
13 градусов. Точность ориентации 15', время ориентации 10 - 15 мин.
В основу метода световых фигур положено свойство протравленных поверхностей отражать лучи в строго определенном направлении. Метод заключается в следующем: исследуемую поверхность
полупроводника полируют, а затем обрабатывают в селективном травителе (табл. 1).
Вследствие различных скоростей травления в различных кристаллографических направлениях на поверхности появляются фигуры
травления. После травления и тщательной промывки образец помещают в устройство, обеспечивающее нормальное падение светового
луча высокой интенсивности. Отраженный рисунок наблюдается на
экране, в котором имеется отверстие для первичного луча (рис. 3). По
виду световой фигуры на экране определяется ориентация (рис. 4), а
по смещению рисунка от центра экрана может быть оценена степень
отклонения кристаллографической плоскости от плоскости поверхно14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сти образца. Для этого используется выражение tg 2α = d l , где α –
угол разориентации, d – смещение центра световой фигуры относительно центра экрана, l – расстояние от экрана до образца.
Таблица 1
Селективные травители для метода световых фигур
Материал
Искомая
плоскость
Германий
(100)
Германий
(110)
Германий
(111)
Кремний
Кремний
Кремний
(100)
(110)
(111)
Состав травителя
КомпоненЧасти
ты
HF
1,5
H2O2
2
H2O
4
HF
1,5
H2O2
2
H2O
4
HF
1
H2O2
2
H2O
4
50% NaOH
–
50% NaOH
–
50% KOH
–
Режим травления
Время,
Т, °С
мин
12
24
12
30
6
24
12
12
6
65
65
65
Точность определения углов ориентации методом световых фигур составляет для кремния и германия 3' и 15' соответственно.
Существуют промышленные установки, основанные на методе
световых фигур (ЖК 7808 и др.), описание которых можно найти в [2,
3].
Метод ямок травления заключается в том, что производится химическое травление поверхности полупроводникового монокристалла в селективных травителях и анализируется вид полу- ченных ямок
травления под микроскопом. Известно, что взаимодействие полупроводника с травильными растворами может быть различным и подразделяется на изотропное химическое травление, анизотропное химическое травление и селективное химическое травление [4].
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Оптическая
схема метода
световых фигур:
1 – экран с отверстием,
2 – исследуемая поверхность
Рис. 4. Фигуры, получаемые
при отражении светового пучка
от кристаллографических плоскостей:
а – (111), трёхлепестковая звезда,
б – (110), двухлепестковая звезда,
в – (100), четырёхлепестковая звезда
Изотропное химическое травление – процесс растворения полупроводника с одинаковой скоростью травления всех граней монокристалла. Скорость травления не зависит от кристаллографического направления поверхности травления. Изотропное химическое травление
применяют для предпланарной и предэпитаксиальной обработки подложек, включающей удаление нарушенного поверхностного слоя и
химическое полирование. Химическое полирование – это процесс
химического травления полупроводника, в котором происходит
сглаживание неровностей полупроводника с уменьшением шероховатости поверхности.
Анизотропное химическое травление – растворение полупроводника с неодинаковой скоростью травления на различных гранях монокристалла. Скорость протекания химической реакции зависит от
кристаллографического направления поверхности. Анизотропное химическое травление используют для металлографического и оптического исследований структурных поверхностных и объемных дефектов.
Селективное химическое травление основано на различной скорости растворения полупроводника на различных участках поверхности с одной и той же кристаллографической ориентацией. Оно приводит к образованию ямок травления, выявляет дислокации,
неоднородности распределения примесей и другие дефекты.
Для кристаллов, имеющих кристаллическую решетку типа алмаза, рассмотрим возможные связи поверхностных атомов между собой
и с атомами в объеме и на плоскостях {100}, {110}, {111}. У кремния
на плоскости {100} каждый поверхностный атом связан с двумя ато16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мами в объеме и имеет два неспаренных электрона (две разорванные
связи). На плоскостях {110} и {111} поверхностный атом имеет только одну разорванную связь. Следовательно, плоскость {100) должна
быть более реакционноспособной по сравнению с плоскостями {110}
и {111}. На плоскости {110} поверхностный атом связан с двумя себе
подобными и только с одним атомом в объеме. Удаление одного атома с поверхности ослабляет связи двух соседних атомов на поверхности. Поэтому плоскость {110} более химически активна по сравнению с плоскостью {111}, поверхностные атомы которой связаны с
тремя атомами в объеме.
Следовательно, для алмазоподобных полупроводников наблюдается следующая зависимость скоростей травления от ориентации:
V {100} > V {110} > V {111} .
Если на поверхности имеются дефекты, например выходы дислокаций, то в этих местах по сравнению с ненарушенной поверхностью
происходит локальное увеличение скорости травления. "Дефектное"
место растравливается с образованием фигуры (ямки) травления, которая ограничена плоскостями с наименьшей скоростью травления.
Например, дефекты на плоскости (111) кремния или германия принимают форму треугольных пирамид, образованных плоскостями
{111} (рис. 5). На рисунке 5 показана также форма ямок травления на
плоскостях (100) и (110).
Рис. 5. Форма дислокационных ямок травления кремния
Длительное травление увеличивает размеры ямок, не влияя на их
форму. Таким образом, наблюдая под микроскопом форму ямок
травления, можно сделать заключение о кристаллографической ориентации исследуемых образцов. Ямки на структурных дефектах образуются не только при химическом травлении, но и при обработке по17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верхности мощным световым излучением. Локальное расплавление
полупроводникового материала прежде всего происходит на нарушениях, активно поглощающих световую энергию, причем форма ямок
идентична той, что формируются при химическом травлении.
Метод ямок травления характеризуется простотой и наглядностью, однако является разрушающим, что не всегда допустимо. Кроме того, метод не может быть применен для поверхностей с высокой
плотностью дефектов, так как в этом случае многочисленные ямки
образуют сплошной рельеф.
ния
Определение плотности дислокаций методом ямок травле-
Поскольку селективное химическое травление, как правило, происходит на выходах дислокаций, то методом ямок травления может
быть оценена величина их плотности. При этом необходимо убедиться, что ямки травления действительно соответствуют дислокациям.
Дефекты малой протяженности (инородные включения, точечные дефекты, трещины) образуют плоскодонные ямки в виде усеченных пирамид. Дислокации, как более протяженные дефекты, образуют пирамидальные ямки с остроконечной вершиной. При отклонении
поверхности кристалла от плоскости с малыми индексами или отклонении оси дислокаций от нормали к поверхности ямки становятся
псевдосимметричными. Анализ формы ямок при последующем травлении позволяет проследить направление линий дислокаций в кристалле.
Поверхностная плотность дислокационных ямок травления N определяется числом ямок травления на единицу площади (см-2) поверхности. Условия наблюдения дислокационных ямок зависят от
плотности дислокаций: относительно совершенные кристаллы (N <
106 см-2) наблюдаются при небольшом увеличении (~ 100), а при N
=106–108 увеличение микроскопа должно быть óбльшим, чем в пе рвом случае. Состав наиболее распространенных травителей для кремния приведен в таблице 2.
Подсчет количества дислокаций производят при помощи металлографического микроскопа. Поверхность исследуемого образца просматривается в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для
этого используют окуляр с координатной сеткой. Подсчитывают чис18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ло ямок травления на пяти участках пластины и берут среднее арифметическое.
Таблица 2
Рекомендуемые травители для выявления
ориентации и дислокаций [4, 5]
Травитель
Режим травления
Ориентация
пластин
293 К,
4 – 6 часов
(111), (110),
(100)
≥ 15 мин.
5 – 10 мин.
(111), (110)
(100)
298 – 303 K,
5 – 20 мин.
(111), (110),
(100)
Травитель Дэша
(кислоты концентрированные)
HNO : HF : CH 3 COOH (3:1:10)
Травитель Сиртла–Адлера.
33% раствор CrO 3 : HF (1:1-2)
10% раствор CrO 3 : HF (1:2)
Травитель Секко.
4,4% раствор K 2 Cr 2 O 7 : HF (1:2)
Плотность дислокаций определяют по формуле:
N=n
S,
где N – плотность дислокаций, см-2, n – среднее арифметическое из
количества дислокаций на пяти участках, S – площадь поля зрения в
окуляре микроскопа, см2.
Площадь поля зрения зависит от увеличения микроскопа и рассчитывается по объект-микрометру, который представляет собой линейку с ценой деления 0,01 мм. Линейка устанавливается на предметный столик микроскопа, и подсчитывается число делений,
попадающих в поле зрения окуляра. Зная цену деления, можно получить диаметр круглого поля и вычислить площадь поля зрения.
Порядок выполнения работы
Методом ямок травления определить кристаллографическую
ориентацию и плотность дислокаций для предложенных образцов:
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Образец 1. Пластина КЭФ – 7,5. Обработка в травителе Дэша.
Образец 2. Пластина КЭФ – 4,5. Обработка в травителе Дэша.
Образец 3. Пленка Pb 0,8 Sn 0,2 Te, выращенная методом МЛЭ на
подложке BaF 2 . Электрохимическая обработка в смеси едкого кали,
воды, глицерина, этилового спирта при плотности тока 0,2 мА /см2.
Образец 4. Пленка Pb 0,8 Sn 0,2 Te 0,98 S 0,02 , выращенная методом МЛЭ
на подложке BaF 2 . Электрохимическая обработка в смеси едкого кали, воды, глицерина, этилового спирта при плотности тока
0,2 мА/см2.
1. Исследование образцов 1 и 2 проводить под микроскопом
МБИ-11, окуляр 10, объектив 21. Для оценки цены деления микроскопа использовать объект микрометр с ценой деления 10 мкм.
Внимание! При работе на микроскопе с большим увеличением
(малое фокусное расстояние) выполнять следующее правило: предметный столик поднять на предельную высоту, чтобы проконтролировать при взгляде сбоку, и наводку производить только при опускании столика.
2. Анализ фотоснимков поверхностей образцов 3 и 4 проводить
при помощи трафарета. Сторона большого квадрата окна трафарета
соответствует расстоянию 10 мкм, малого – 5 мкм.
3. Результаты занести в таблицу.
№ образца
Ориентация
Число фигур
Площадь
в поле зрения поля зрения
4. Сформулировать выводы по работе.
20
N, см-2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литература
1. Сугано Т. и др. Введение в микроэлектронику. - М.: Мир,
1988. - 370 с.
2. Николаев И.М. Оборудование и технология производства полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа, 1977. - 269 с.
3. Блинов И.Т., Кожетов Л.В. Оборудование полупроводникового
производства. - М.: Машиностроение, 1986. - 264 с.
4. Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников / Под редакцией Б.Д. Луфт. - М.: Радио и связь, 1982. 135 с.
5. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры
полупроводников и металлов. - М.: Металлургия, 1978. - 272 с.
Дополнительная литература
1. Бочкин О.И., Брук В.А., Никифорова-Денисова С.Н. Механическая обработка полупроводниковых материалов. - М.: Высшая
школа, 1977. - 153 с.
2. Мокеев О.К., Романов А.С. Химическая обработка и фотолитография в производстве полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем. - М.: Высшая школа, 1985. - 324 с.
3. Амелинкс С. Методы прямого наблюдения дислокаций. - М.:
Мир, 1968. - 438 с.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 3
Измерение удельного сопротивления
полупроводниковых материалов и пленок
четырехзондовым методом. Определение
концентрации примесных атомов в кремнии
Цель работы - ознакомиться с теорией четырехзондового метода
измерения удельного сопротивленияρ)( полупроводниковых мат ериалов; провести экспериментальное определениеρ объемных и пл еночных образцов; определить концентрацию примесных атомов в
кремнии.
Краткая теория работы
В настоящее время известно большое число методов измерения
удельного сопротивления. По взаимодействию измеряемых образцов
и средств измерения эти методы можно подразделить на бесконтактные и контактные.
Бесконтактные методы реализуются без механического контакта
между измеряемой пластиной (структурой) и средством измерения. К
ним относятся методы вихревых токов, плазменного резонанса, поглощения СВЧ–энергии, измерения коэффициента оптического отражения и другие методы, применяемые лишь в лабораторной практике.
Контактные методы характеризуются подачей электрического
сигнала и снятием ответной реакции с пластины (структуры) иглообразными зондами, обеспечивающими контакт с пластиной (структурой). К ним относятся четырехзондовый, трехзондовый, двухзондовый методы и метод сопротивления растекания. Четырехзондовый
метод измерения нашел наиболее широкое применение.
Четырехзондовый метод
В 1954 г. Вальдесом для измерения удельного сопротивления
германия была детально исследована возможность использования так
называемого «четырехзондового метода», который не требует знания
величины площади поперечного сечения образца и может применяться для измерения удельного сопротивления на образцах любой фор22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мы, имеющих одну плоскую поверхность. Сущность метода заключается в следующем. На плоскую поверхность объемного образца, размеры которого много больше расстояния между зондами, опускается
4 зонда (рис. 1). Через крайние зонды пропускается ток I, между
средними зондами измеряют падение напряжения U. Выражение для
удельного сопротивления ρ может быть записано в виде
ρ=
U
2πS ,
I
(1)
где S – расстояние между зондами. Эта формула может быть получена из следующих соображений. Если через контакт проходит ток I, то
в точке, удаленной от контакта на расстояние r, плотность тока j, напряженность электрического поля E и потенциал φ равны:
I

=
j
,

2πr 2

 E = jρ ,
(2)

Iρ
ϕ = −
+ A,
2πr

где A – постоянная величина. Знак потенциала определяется направлением тока. Потенциалы второго и третьего зондов, определяемые
наложением потенциалов от первого и четвертого зондов, равны:

Iρ
ϕ 2 =
2π


Iρ
 ϕ 3 =
2π

Падение
U = ϕ 2 − ϕ3 =
 1 1 
 + A,
− +
 S 2S 
1 1 
 + A.
 −
 S 2S 
напряжения
между
(3)
средними
зондами
Iρ 1
, откуда и получается искомая формула. Расстоя2π S
ние между зондами обычно выбирается таким, чтобы оно было много
меньше линейных размеров полупроводника. Если это условие не
выполняется и расстояние S становится сравнимым с расстоянием от
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
крайнего зонда до границы или с толщиной образца, будут получаться завышенные значения ρ. В этом случае необходимо рассчитать поправки и учесть их в формуле (1).
Поправка на толщину образца
Для полупроводниковых пластин и слоев (толщина слоя d становится сравнимой или меньшей S) формула для определения ρ принимает вид
ρ=
U
2πSK1 ,
I
где K 1 – поправочный сомножитель, зависящий от отношения
(4)
d
S.
Рис. 1. Четырехзондовый метод измерения
удельного сопротивления
Графическая зависимость для определения величины K 1 приведена на рисунке 2. Как следует из рисунка 2, при толщине пленки 4S
и более влияние нижней границы пленки на результат не сказывается.
В случае тонких слоев (d<0,4S) теоретически было доказано, что K 1
−1 d
стремится к значению (2 ln 2)
S и формула (4) принимает вид
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ρ=
U πd
U
≈ 4,53 d .
I ln 2
I
(5)
Как видно из (5), в формулу не входит расстояние между зондами
S. Применение формулы (5) относится к случаю тонких пластин и
пленок на непроводящих подложках.
Рис. 2. Зависимость поправочного сомножителя K1 от
d
S
Поправка на краевые эффекты
Если исследуемая полупроводниковая пластина или пленка имеет
ограниченные размеры по длине и ширине, то в этом случае необходима дополнительная поправка (K2) на краевые эффекты. Расчет величины удельного сопротивления при этом проводят по формуле
ρ = K2
U
d,
I
(6)
где K2 – коэффициент, значения которого для простейших структур
(диска и прямоугольника) приведены в таблице 1. D – диаметр диска,
b, l – ширина и длина прямоугольного образца. В случае поверхности
пленки прямоугольной формы плоскость расположения зондов параллельна длине пленки.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Значение коэффициента K2 при измерении удельного
сопротивления пленок и тонких пластин (d<0,4S)
D/S, b/S
Диск
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,50
3,00
4,00
5,00
7,50
10,00
15,00
20,00
40,00
∞
–
–
–
–
–
–
2,2662
2,9289
3,3625
3,9273
4,1716
4,3646
4,4364
4,5076
4,5324
l/b = 1
–
–
–
–
–
–
2,2475
3,1137
3,5098
4,0095
4,2209
4,3882
4,4516
4,5120
4,5324
Поправочный коэффициент K2
l/b = 2
l/b = 3
–
0,9988
–
1,2467
1,4788
1,4893
1,7196
1,7238
1,9454
1,9475
2,3532
2,3541
2,7000
2,7005
3,2246
3,2248
3,5749
3,5750
4,0361
4,0362
4,2357
4,2357
4,3947
4,3947
4,4553
4,4553
4,5129
4,5129
4,5324
4,5324
l/b = 4
0,9994
1,2248
1,4893
1,7238
1,9475
2,3541
2,7005
3,2248
3,5750
4,0362
4,2357
4,3947
4,4553
4,5129
4,5324
Условия проведения измерений
Система из четырех зондов конструктивно выполняется в виде
четырехзондовой головки. Расстояния между зондами строго фиксированы, угол заточки острия зонда составляет 45 – 150°. Зонды индивидуально прижимаются к поверхности с силой до 2Н. В качестве материала зондов используются твердые материалы и сплавы. При
проведении измерений при высоких температурах (до 950°С) используются зонды из карбида вольфрама.
Чтобы уменьшить разрушение поверхности, применяют зонды из
жидких металлов – ртути и галлия (tплавл = 29,8°С). Чтобы контактные
сопротивления потенциальных зондов не влияли на результат измерений, разность потенциалов необходимо фиксировать в отсутствие
тока через них. Поэтому обычно измерения проводят компенсационным методом, с помощью полуавтоматических потенциометров. Целесообразно также применение электронных цифровых вольтметров с
высоким входным сопротивлением. В таком случае ток через измерительные зонды пренебрежимо мал, что позволяет отказаться от использования компенсационных методов измерения.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Погрешность измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом определяется как составляющими погрешности, входящих в рабочую формулу величин, так и размером контактной площадки зонда (r0), сопротивлением контактов, нестабильностью
температуры, термоэдс, освещенностью образца, и т.д.
Различные расстояния между зондами ведут к погрешности в измерении ρ. Если каждый из зондов смещен относительно своего номинального положения на ∆xi, относительная погрешность
δρ 1
(3∆x1 − 5∆x2 + 5∆x3 − 3∆x4 ). .
=
ρ 4S
Это соотношение можно использовать для коррекции значения
удельного сопротивления, если ∆xi известны.
Неточечность контакта, т.е. конечные размеры контактной площадки, вносят систематическую погрешность в результаты измерений. Практически этой погрешностью можно пренебречь, если
r0
< 0,05 .
S
Так как полупроводники имеют относительно высокий температурный коэффициент сопротивления, то при измерениях за счет протекания тока через образец может происходить не только локальный
нагрев, но и повышение температуры всего образца. Так, повышение
температуры кремния с удельным сопротивлением на 5°С приводит к
изменению удельного сопротивления на 4,0%. Поэтому для уменьшения нагрева образца необходимо выбирать рабочий ток минимальным, а температуру образца поддерживать постоянной. Рабочий ток,
однако, должен обеспечивать необходимую точность измерений, для
чего его значения должны быть большими, и здесь необходим определенный компромисс. Измерение разности потенциалов производят
при двух направлениях тока и полученные значения усредняют, исключая таким образом продольную термоэдс.
Методика измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом по ГОСТ 19658-81
Методика предназначена для измерения удельного сопротивления кремния от 10-4 до 103 Ом*см. Измерения проводят на плоских
поверхностях, имеющих шероховатость не более 2,5 мкм при фиксированной температуре (23 ± 2)°С. Используется четырехзондовая из27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мерительная головка типа С2080. Измерительные приборы должны
обеспечивать измерение силы электрического тока с погрешностью
не более 0,5%, а электрического напряжения – не более 1%. Предельные значения рабочих токов и входных сопротивлений в зависимости
от удельного сопротивления кремния приведены в таблице 2.
Предельные значения рабочих токов
и входных сопротивлений в зависимости
от удельного сопротивления кремния
Удельное сопротивление, Ом*см
Рабочий ток, А
(не более)
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
1,0*10-1
1,0*10-1
1,0*10-1
8,2*10-2
8,2*10-3
8,2*10-4
8,2*10-5
Таблица 2
Входное
сопротивление, R, Ом
(не менее)
1*103
1*104
1*105
1*106
1*107
1*108
2*108
Удельное сопротивление вычисляют как среднее арифметическое
значений, полученных при двух направлениях тока. Измерение образцов с удельным сопротивлением более 200 Ом*см проводят при
затемнении. При выполнении всех требований погрешность измерения удельного сопротивления не превышает ±2% при доверительной
вероятности 0,95.
Описание экспериментальной установки
В работе используется зондовое устройство С2080.1 с межзондовым расстоянием S=1300±10 мкм. Сила прижима 180±20 сН. Зонды
изготовлены из карбида вольфрама с диаметром рабочей площадки
не более 20 мкм. Электрическая схема включения зондовой головки
приведена на рисунке 3.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Подключение головки в измерительную схему
В качестве источника питания и измерителя величины тока используется блок питания Б5-50. В случае работы Б5-50 в режиме стабилизации тока, величина тока с высокой точностью соответствует
выставленному значению на панели прибора. В качестве измерителя
напряжения используется цифровой вольтметр ВР–11 с выходным
сопротивлением 10 МОм. Переключение полярности тока производится на клеммах блока Б5-50.
Порядок выполнения работы
1. Включить электроизмерительные приборы для прогрева
(30 мин). Установить на Б5-50 напряжение 35В, ток 1мА. Источник
питания должен работать в режиме стабилизации напряжения.
2. Поместить образец в измерительное устройство. Медленно
опуская головку, добиться того, чтобы пластмассовый бортик коснулся поверхности образца. При опускании зондов блок Б5-50 автоматически перейдет в режим стабилизации тока.
3. Измерить падение напряжения на внутренних зондах. Повторить измерение при другой полярности тока.
4. Измерить удельное сопротивление предложенных образцов.
Занести в таблицу результаты измерений и расчетов, указать поправочные коэффициенты.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ п/п
№ образца
I, мА
U ,В
U,В
+
-
Формула расчета
ρ,
Ом*см.
Nпр,
см-3
1
…
5. Для образцов кремния определить концентрацию примесных
атомов. Воспользоваться графиком зависимости ρ(Nпр), построенным
Ирвином на основе большого числа измерений проводимости образцов кремния и широко используемым в полупроводниковой промышленности (рис. 4).
6. Сформулировать выводы по работе.
Характеристика образцов
1. Монокристаллический кремний n–типа проводимости:
диаметр - 29 мм; толщина - 6,5 мм.
Образцы: 608–74, 334–73.
2. Пластины Si n–типа проводимости:
диаметр - 76 мм; толщина - 340 мкм;
Примечание: измерения проводить при токе 10мА.
3. Тонкая пленка резистивного сплава РТР-2473 на ситалле:
толщина пленки - 1100Å; размеры подложки - 48×60 мм.
4. Тонкая пленка PbS на поверхности подложки BaF2:
толщина пленки - 2,6 мкм; ширина - 6 мм; длина - 10 мм.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления кремния
при комнатной температуре от концентрации примеси
доноров и акцепторов
Литература
1. Батавин В.В. и др. Измерение параметров полупроводниковых
материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 5 - 34.
2. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. - М.: Высшая школа, 1987. - С. 10 - 32.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 4
Определение поверхностной
концентрации диффузионных слоев
Цель работы - изучить процесс высокотемпературной диффузии
в микроэлектронике, ознакомиться с методом определения поверхностной концентрации диффузионных слоев, измерить параметры диффузионных слоев на партии кремниевых p-n структур.
Краткая теория работы
Основой интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых
приборов являются p- и n-области с определенным уровнем легирования, полученные введением в кремний акцепторных и донорных
примесей. Поскольку качество p-n переходов определяет надежность
ИМС, процесс создания p- и n-областей должен быть управляемым, а
добавление примесей в кремний - строго дозированным. Для реализации этого в микроэлектронике применяется процесс высокотемпературной диффузии, посредством которого формируются области
эмиттера, коллектора, базы, а также изолирующие и разделительные
области. Идея использования диффузионных методов для изменения
типа проводимости кремния или германия была предложена Пфаном
в 1954 г.
Процесс диффузии
Диффузия – это процесс переноса примесей из областей с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой
температурой. При изготовлении ИМС наиболее широко применяют
диффузию в кремний элементов III и V групп Периодической системы. Для того чтобы диффузия протекала с достаточно высокой скоростью, поддерживается температура, близкая к температуре плавления кремния (900 - 1200º С). Для создания локальных диффузионных
областей в кремнии диффузию осуществляют после нанесения на
пластину маскирующего слоя SiO2. Защищенные слоем SiO2 участки
поверхности практически непроницаемы для диффузанта, и диффузия имеет место только на тех участках кремниевой пластины, которые не защищены маской (в окнах).
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс диффузии осуществляется на специальных установках, в
основу которых могут быть положены различные способы проведения диффузии. Так, диффузия в замкнутом объеме по методу закрытой трубы предусматривает установку пластин кремния и источника
диффузии в запаиваемую ампулу. Известна диффузия в вакууме, при
которой давление паров примеси в рабочем объеме камеры поддерживается постоянным. Наиболее часто применяется диффузия в незамкнутом объеме по методу открытой трубы. Большинство используемых в промышленности установок выполнено по этому методу,
когда диффундирующая примесь находится в потоке газа носителя.
Способ обладает двумя преимуществами – простотой загрузки и выгрузки пластин при массовом производстве и возможностью реализации диффузии в две стадии (первая стадия – загонка диффундирующей примеси, вторая – разгонка примеси).
Для создания в диффузионной камере избыточной концентрации
паров диффузанта можно использовать примеси в различном фазовом
состоянии: твердом, жидком, газообразном. Твердый диффузант располагается в низкотемпературной зоне. Пары жидкого диффузанта
смешивают с газом-носителем, используя специальные питатели. Газообразный диффузант подают в систему и смешивают с газомносителем через смесители.
В реальных кристаллах предполагается три механизма диффузии:
взаимным замещением атомов, по междоузлиям, по вакансиям. Все
доноры и акцепторы применяемые обычно для кремния, диффундируют по вакансиям. По междоузлиям диффундируют золото, железо,
медь, литий. Железо, медь и литий обычно нежелательны, но золото
намеренно вводят процессом диффузии в некоторые высокоскоростные интегральные микросхемы.
ка
Математическое описание процесса диффузии
Изотропный процесс диффузии подчиняется первому закону Фи-
dN
,
(1)
dx
где F – плотность потока диффундируемых атомов, измеряемая количеством атомов проходящих через единицу площади в единицу времени (см-2 * с-1), N- концентрация диффундирующих атомов в единице объема (см-3), D – коэффициент диффузии (см2*с-1). Уравнение (1)
F = −D
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
означает, что плотность потока диффундирующих атомов пропорциональна градиенту концентрации.
Коэффициент диффузии D зависит от типа диффузанта (так, при
1200 ºС коэффициент диффузии алюминия в кремнии в 10 раз больше
коэффициента диффузии бора), от материала, в который происходит
диффузия, от кристаллографической ориентации пластины, и экспоненциально возрастает с температурой. Он может быть записан в виде D=D0 exp (-qEa / k0T), где q – заряд электрона (1,6·10-19 Кл), k0 - постоянная Больцмана (1,38·10-23 Дж/К), T- абсолютная температура и
D0 - предэкспоненциальный множитель (см2*с-1), Ea – энергия активации (эВ). Для большинства примесей замещения, используемых в качестве диффузантов для кремния (фосфор, бор, мышьяк, сурьма) Ea
лежит в пределах от 3,5 до 4,5 эВ.
Второе соотношение, используемое для описания диффузионного
процесса, - это уравнение непрерывности:
∂N F ( x) − F ( x + dx)
∂F
=
=−
.
(2)
∂t
dx
∂x
Данное уравнение по существу отражает закон сохранения массы. Оно показывает, что скорость изменения числа атомов или частиц
в данном объеме ∂N / ∂t равна скорости потока частиц, направленного в этот объем, минус скорость потока частиц, направленного из
объема.
Объединив первый закон Фика и уравнение непрерывности, получим второй закон Фика:
∂N
∂F
∂
dn
∂ 2n
=−
= − (− D ) = D 2 .
∂t
∂x
∂x
dx
∂x
(3)
Он гласит, что скорость изменения концентрации примеси со
временем пропорциональна второй производной этой концентрации
по расстоянию. Решив (3) в частных производных при соответствующих граничных условиях, можно найти профиль распределения атомов диффузанта N(x,t).
Практический интерес представляют два вида граничных условий
для диффузии примесей в твердой фазе: диффузия при постоянной поверхностной концентрации и диффузия из ограниченного источника.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Диффузия при постоянной поверхностной концентрации
Рассмотрим сначала диффузию при постоянной поверхностной
концентрации, или ″диффузию из бесконечного источника″. В этом
случае концентрация диффузанта на поверхности (x = 0) считается
постоянной, т.е. N(0,t)= NS=const. Другое граничное условие состоит
в том что при x → ∞ концентрация диффузанта стремится к нулю.
Решение второго уравнения Фика при этих граничных условиях имеет вид

2
N(x, t) = N S 1 −
π


∫ exp(−λ )dx ,

0
x / 2 Dt
2
(4)
где N(x,t) – концентрация примеси в момент t на глубине x, λ – переменная интегрирования. Интеграл в формуле (4) называется интегралом ошибок и обозначается erf(z). Формула (4) может быть переписана в виде
x 

N(x, t) = N S 1 − erf
2 Dt 

(5)
или
N(x, t) = N S ⋅ erfc
x
,
2 Dt
(6)
где erfc(z) - функция дополнения к интегралу ошибок erfc(z)=1-erf(z).
На рисунке 1 показан вид функции дополнения к интегралу ошибок
для различных значений параметра z = x / 2 Dt . При z = 0 значение
erfc(0)=1, а при z → ∞ erfc(z) → 0, причём с ростом z значение функции erfc(z) очень быстро уменьшается.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Функция дополнения к интегралу ошибок и функция
Гаусса при нормированном аргументе z = x / 2 Dt
На рисунке 2 показан график функции распределения (6). При
диффузии примеси, противоположной по типу уже имеющейся в кристалле, p-n переход образуется там, где их концентрации равны. Координата d0 соответствует положению p-n перехода. Если p-n переход
расположен в точке x = d0, то N S ⋅ erfc(d 0 2 Dt ) = N 0 , откуда следует,
что глубина перехода пропорциональна корню квадратному из времени диффузии; N 0 - концентрация примеси в исходной пластине.
Диффузия при постоянной поверхностной концентрации приводит к
тому, что атомы легирующей примеси загоняются в поверхностный
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
слой кремниевых пластин на глубину от 0,3 до 3 мкм. Такой тип
диффузии часто называют загонкой.
Рис. 2. Профили примеси по закону
дополнительного интеграла ошибок
Диффузия из ограниченного источника
Если осуществляется двухстадийный процесс диффузии, то за загонкой следует вторая стадия диффузии - разгонка, которая проводится после удаления внешнего источника легирующей примеси. На
этой стадии никакие дополнительные атомы примеси не поступают в
кремний, а те атомы, которые в нем находятся, продвигаются дальше.
Профиль распределения примеси при этом меняется. Глубина перехода увеличивается, в то время как поверхностная концентрация
уменьшается.
Чтобы найти профиль распределения примеси, получаемый в результате разгонки, следует решить второе уравнение Фика при следующих граничных условиях. Поскольку в данном случае нет никакого результирующего потока атомов диффузии, проходящего через
границу поверхности кремниевой пластины (х = 0) в кристалл или из
кристалла, то, как следует из первого закона Фика, D
dN
dx
X =0
= 0 . Реше-
ние второго уравнения Фика при таком граничном условии имеет
вид:
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
  x
N(x, t) =
exp − 
πDt
  2 Dt
Q



2

,

(7)
где Q – плотность атомов примеси, введенных в приповерхностный
слой при загонке (см-2). Это гауссово (нормальное) распределение,
которое в нормированном виде показано на рисунке 1. Из формулы (7) следует, что поверхностная концентрация диффузанта (х = 0)
не является постоянной, а уменьшается с увеличением времени разгонки. На рисунке 3 показаны профили концентрации примеси при
диффузии из ограниченного источника.
Рис. 3. Профили примеси при диффузии
по нормальному закону
Формулы для двухстадийного процесса диффузии
Количество примесных атомов под единичной площадью, получаемое при загонке, определяется выражением:
∞
∞
Q = ∫ N ( x)dx = ∫ N S 1erfc
0
0
x
2 D1t1
38
dx = 2 N S 1
D1t1
π ,
(8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где D1 и t1 - коэффициент диффузии и время диффузии для стадии загонки. Если за кратковременной загонкой следует разгонка, то результирующее распределение примеси описывается функцией Гаусса

x2
N(x, t 2 ) =
exp −
πD2 t 2
 4 D2 t 2
Q


x2 
 = 2 N S 2 exp −
,
 4 D2 t 2 

(9)
где D2 и t2 - коэффициент диффузии и время диффузии для стадии
разгонки. Поверхностная концентрация в конце разгонки определяется выражением
N S2 (0, t1 , t 2 ) =
2
Q
D1t1
= N S1
.
D2t2
πD2t 2 π
Формула (10) справедлива при условии:
(10)
D1t1 << D2 t 2 .
Расчет диффузионного слоя
В микроэлектронике для характеристики диффузионного слоя
используются следующие параметры:
N0 - концентрация примеси (атом/см3) в исходной пластине кремния;
d0 - глубина залегания p-n перехода;
NS - поверхностная концентрация примеси (атом/см3);
RS - сопротивление слоя.
Методика определения профиля внедренной легирующей примеси такова. Экспериментально измеряют сопротивление слоя RS и глубину залегания p-n перехода d0. При помощи значений RS и d0 вычисляют NS. Зная N0, NS и технологические параметры, рассчитывают
характер распределения примеси по глубине диффузионного слоя.
Сопротивление слоя
Поскольку после диффузии наблюдается неравномерное распределение примеси по глубине, то удельное сопротивление диффузионного слоя тоже будет неоднородным. Это вынуждает воспользоваться
средними значениями удельного сопротивления диффузионного слоя.
Сопротивление диффузионного слоя может быть записано как
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R=
ρl
dow
=
ρ l
l 
=
R
,
 
S
do  w 
 w
(11)
где l - длина, w – ширина слоя. Величина RS называется сопротивлением слоя и равна отношению удельного сопротивления к толщине
для тонкого равномерного слоя. RS измеряется в Омах на квадрат
(Ом /□). C другой стороны RS есть сопротивление квадрата пленки
(l = w, R = RS) и не зависит от величины квадрата. В этом случае RS
есть величина, характеризующая сам материал.
Обычно сопротивление слоя измеряется четырехзондовым методом (см. лабораторную работу № 3). При условии, что толщина слоя
много меньше расстояния между зондами, среднее удельное сопротивление задается формулой
ρ = 4,53
U
do ,
I
(12)
где ρ измеряется в Ом*см, U - в Вольтах, I - в Амперах, d0 - в сантиметрах. Сопротивление слоя равно
RS =
ρ
do
= 4,53
U
I
(Ом /□).
(13)
Глубина перехода
Если примесь p-типа диффундирует в кремний n-типа или наоборот, то p-n переход образуется на глубине d0, где окажутся равными
концентрации обеих примесей. Обнажить этот переход можно с помощью абразивной обработки, а с помощью красящего химического
процесса слои p- и n-типа можно окрасить в разные цвета. В результате p-n переход будет видимым и его глубину можно будет определить. Методика измерения глубины методом шар-шлифа заключается в следующем. На поверхность пластины опускается вращающийся
шар (радиуса Rш) из нержавеющей стали, фенольной пластмассы или
закаленного стекла. В место соприкосновения подается абразив. После получения сферического шлифа (рис. 4) производится окрашивание p-n перехода. Чаще всего это концентрированная плавиковая ки40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
слота с добавкой 0,1 % концентрированной азотной кислоты. Под
действием этого красителя области p-типа темнеют, а области n-типа
не меняют цвета. Потемнение p-области обусловлено образованием
моноокиси кремния. Кроме того, можно использовать водный раствор медного купороса CuSO4x5H2O с добавкой 0,1 % концентрированной плавиковой кислоты. Под действием этого красящего травителя слои n-типа покрываются слоем меди. Глубина перехода (рис. 4)
определяется по формуле
D − D2
d0 = 1
4 DШ ,
2
где DШ - диаметр шара.
2
(14)
Рис. 4. Разрез кремниевой пластины с шар-шлифом
Иногда используют другой способ определения d0. На окрашенных шлифах измеряется длина хорды h (рис. 5) и d0 вычисляют по
формуле
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
h2
d0 =
4 DШ .
(15)
Рис. 5. Определение глубины залегания
перехода по длине хорды
Поверхностная концентрация
После экспериментального определения поверхностного сопротивления и глубины слоя можно приступить к вычислению поверхностной концентрации примеси NS. Это можно сделать при помощи
графических зависимостей Ирвина. Ирвин теоретически рассчитал [l]
1
σ
=
зависимость средней проводимости слоя
RS d o от поверхностной
концентрации для кремния p- и n-типа. При этом учитывается характер диффузии (разгонка, загонка) и уровень начальной концентрации
N0. Кривые Ирвина имеют достаточно сложную зависимость и в данном методическом указании не приводятся. Их необходимо взять у
преподавателя. При высокой концентрации примеси и малой глубине
диффузии невозможно представить диффузионный профиль простыми функциями, и поэтому использовать кривые Ирвина для определения поверхностной концентрации в этом случае нельзя.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчёт профиля распределения примесных атомов
Зная условия проведения диффузии (диффузия из бесконечного
или из ограниченного источника) и величину NS, можно на основании
формул (6) или (9) рассчитать глубину диффузии и профиль распределения атомов примеси по глубине кремниевой пластины. Величина
коэффициента диффузии будет определяться температурой процесса
и видом легирующей примеси. Значение коэффициента D берется из
таблиц или графических зависимостей работ [2 - 5].
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с характеристикой p-n и n-p диффузионных
структур и технологическими параметрами их получения.
2. С помощью микроскопа ОГМЭ-П2 на тестовых пластинах измерить параметры окрашенного шар-шлифа и рассчитать глубину залегания p-n переходов. DШ = 25 мм. Определить тип проводимости
подложки и диффузионного слоя.
№ образца
D1, мкм
D2, мкм
d0, мкм
Тип проводимости
пластины
слоя
3. Включить четырехзондовую установку для измерения удельного сопротивления.
4. Согласно описанию предыдущей работы (лабораторная работа
№ 3) со стороны p-n перехода произвести измерение RS исследуемых
образцов. Рассчитать среднюю проводимость:
σ=
1
RS d o
.
Обратить внимание на правильное использование единиц измерения в формулах (12) и (13).
№ образца
I,мА
U+, В
U-, В
43
RS,
Ом /□
σ
,
-1
Ом *см-1
Ns,
см-3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Используя графические зависимости поверхностной концентрации Ns от средней проводимости (кривые Ирвина), определить
поверхностную концентрацию в исследуемых p-n структурах.
6. Получить у преподавателя дополнительное задание по расчету
параметров процесса диффузии.
7. Сформулировать выводы по работе.
Литература
1. Irvin J.C. Resistivity of bulk silicon and of diffused layers // Bell
System Technical Journal. 1962. V. 41. - P. 387 - 410.
2. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: Материалы, приборы, изготовление. - М.: Мир, 1985. - С. 68 - 96.
3. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Мир, 1988. С. 18 - 35.
4. Бургер Р., Донован Р. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. - М.: Мир, 1969.
5. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. - М.: Высшая школа,
1986. - С. 172 - 201.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 5
Методы контроля омичности контакта
алюминий – кремний. Определение величины
переходного сопротивления контактов
Цель работы - изучить теоретические основы создания низкоомного омического контакта к кремнию; освоить методы контроля
омичности контакта и методы определения величины контактного
сопротивления; провести экспериментальные исследования контактов алюминия к кремнию различных марок.
Краткая теория работы
В технологии создания полупроводниковых приборов и интегральных схем применяются два вида контактов металл - полупроводник. В том случае, когда необходимо, чтобы контакт обладал выпрямительными свойствами, создается работающий барьер Шоттки,
характеризующийся несимметричностью и нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ). Барьеры Шоттки, благодаря исключительным свойствам по сравнению с p-n переходами, в настоящее время широко используются в составе логических микросхем диоднотранзисторной, транзисторно-транзисторной логики, в микросхемах
памяти, в низковольтных сильноточных выпрямителя. В случае, когда ставится задача создания электрической связи между активными
и пассивными элементами (внутрисхемных соединений), контакт металла и полупроводника должен быть невыпрямляющим. Он должен
характеризоваться линейной (квазилинейной) ВАХ, обладать минимальной величиной переходного сопротивления и не инжектировать
неосновные носители заряда. Контакты такого вида называются омическими. Невыполнение хотя бы одного из перечисленных требований ухудшает характеристики микроэлектронного изделия. Так, если
контакт обладает нелинейной ВАХ, то искажается и вольтамперная
характеристика прибора. Увеличение сопротивления контакта приводит к ухудшению выпрямительных и усилительных свойств. Если
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
контакт окажется инжектирующим, то это приведет к увеличению
обратных токов в используемых структурах.
Для характеристики омических контактов используется величина
контактного сопротивления RК
R
K
 ∂V 

 ∂I 
=
,
(1)
V =0
имеющая размерность сопротивления (Ом). Поскольку сопротивление контакта зависит от его площади, то вводится понятие удельного
контактного сопротивления, определяемого как отношение изменения падения напряжения к изменению плотности j
ρ
К
 ∂V 
 ∂j  , [Ом × см²].


=
(2)
V =0
Сопротивление контакта связано с удельным контактным сопротивлением соотношением
R
К
=
ρ
S
К
,
(3)
где S – площадь контакта. Изучению характеристик омических контактов и посвящена данная работа.
Теоретические основы омического контакта
Из рассмотрения энергетической диаграммы контакта металл кремний [1] следует, что в месте соприкосновения двух материалов
всегда образуется потенциальный барьер (табл. 1), и поэтому идеальных омических контактов металл - кремний с нулевым переходным
сопротивлением в природе не существует. Однако, поскольку высотой барьера Шоттки Фв и его шириной можно варьировать (путем
применения различных металлов, изменения уровня легирования полупроводника, обработкой поверхности полупроводника, технологическими условиями нанесения и т. д. [1 - 3]), то можно достаточно
приблизиться к идеальному контакту.
Известно, что преодоление носителями потенциального барьера
может происходить путем термоэлектронной эмиссии через барьер
или (в случае узкого барьера) туннелированием через него. Для кон46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
такта металла и слаболегированного полупроводника реализуется
первый механизм и на основании термоэмиссионно-диффузионной
теории [2] вольтамперная характеристика имеет вид
 qVT 
j S  e k 0 − 1 ,


=
j
(4)
где плотность тока насыщения
j
=
S
∗
AT
2
 q Ф 


B
exp −
.
 k 0T 


(5)
В формулах (4) и (5) А*- постоянная Ричардсона, q - заряд электрона, kо - постоянная Больцмана. Выражение для удельного сопротивления контакта в этом случае будет иметь вид
ρ
=
К
q Ф 
B 

exp
,
 k0 


k
q AT
0
∗
(6)
из которого видно, что для получения малыхρ к нужно изготавливать
контакты с малой высотой барьера.
В контактах металла и полупроводника с высоким уровнем легирования преобладает туннельная компонента тока. Плотность туннельной компоненты тока [2] записывается как
j
t
E


~ exp −


∞
≡
q
2
qФ
E
B
∞


,


(7)
N ,
ε m
D
(8)
∗
где N D - концентрация легирующей примеси, ε - диэлектрическая постоянная полупроводника, m*- эффективная масса носителей. При
этом выражение для удельного контактного сопротивления будет выглядеть
ρ
K
2
q Ф 
B


~ exp
 = exp 
 E∞ 



47
mε

∗




Ф
N
B
D


 .

(9)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из выражения (9) следует, что в туннельной области удельное
сопротивление контакта экспоненциально зависит от Ф .
N
19
−3
При ND ≥ 10 см потенциальный барьер становится достаточно
узким, значение контактного сопротивления в основном будет определяться туннелированием и быстро уменьшаться при увеличении
уровня легирования. При ND ≤ 10 17 см −3 преобладает термоэлектронная
эмиссия иρ к не зависит от легирования. Расчетные и экспериментальные значенияρ к для контакта алюминий - кремний и силицид
платины - кремний приведены на рисунке 1. Из рассмотрения рисунка 1 следует, что для получения малых переходных сопротивлений
нужна либо высокая степень легирования, либо малая высота барьера
(либо и то и другое вместе). Из рисунка 1 следует также, что при малой высоте барьера на сильнолегированной подложке может быть
достигнута величинаρ к ≈ 10 −7 Ом × см². На широкозонных полупр оводниках обычно очень трудно изготовить контакт с малой высотой
барьера. В таких условиях для изготовления омических контактов
создают дополнительную высоколегированную область n + или p + на
поверхности полупроводника n- или p-типа, соответственно. Создать
такую область можно различными способами: мелкой диффузией,
перекристаллизацией, ионной имплантацией, эпитаксией и т. д.
B
D
Алюминиевые контакты к кремнию
Контакты алюминий - кремний являются одним из основных видов контактов в ИС и применяются в схемах малой и средней степени
интеграции, работающих на частотах до 1 ГГц, при условии, что нет
высоких требований к надежности и мощности. Алюминий имеет высокую электропроводность, низкоомный контакт к p+- и n+-кремнию,
хорошую адгезию к кремнию и двуокиси кремния. Он технологичен,
недорог, пластичен и стоек к изменениям температуры. Микросхемы
с алюминиевой металлизацией стойки к радиации (подробно о достоинствах и недостатках алюминиевой металлизации можно прочитать
в [4 - 6]). Полупроводниковые ИС можно изготовлять с одним металлом, так как алюминий образует с кремнием и барьер Шоттки (при
напылении на холодную подложку), и омический контакт (после процесса вжигания).
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Зависимость величины удельного контактного
сопротивления от концентрации носителей и высоты барьера [2]:
линии – согласно теории, точки – эксперимент
Схема процесса металлизации при помощи пленок алюминия заключается в следующем. После создания структур в объеме полупроводниковой пластины ее покрывают слоем двуокиси кремния. Методом фотолитографии в пленке диоксида кремния вскрывают окна
соответствующих размеров. Затем методами термовакуумного напыления или катодного распыления наносят сплошную пленку алюминия толщиной около 1мкм (0,2 - 2мкм). Пленка алюминия при этом
имеет удельное сопротивление около 3 × 10 −6 Ом × см, т. е. всего на
10 – 20 % выше объемного алюминия (1,7 × 10 −6 Ом × см). После формирования рисунка методом фотолитографии для получения низкоомных контактов проводится обязательная операция термообработки.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пластину нагревают до 500 - 550 ºС в инертной среде и выдерживают
несколько минут. Согласно фазовой диаграмме системы алюминий кремний эвтектическая точка сплава соответствует 567ºС.
Таблица 1
Высота барьера Шоттки на границе кремния
и различных металлов [2]
Материал контакта
Аl
Cr
Mo
Ni
Pt
Ti
W
Ag
Au
Cu
Силициды металлов
Фв для n-Si, В
0,72
0,61
0,68
0,61
0,90
0,50
0,67
0,78
0,80
0,58
0,60-0,84
Ф
В
для p-Si, В
0,58
0,50
0,42
0,51
—
0,61
0,45
0.54
0,34
0,46
Термообработка при более низкой температуре (550 ºС) не выз ывает образования жидкой фазы, но приводит к интенсивной диффузии
алюминия в кремний и кремния в алюминий. При остывании происходит образование рекристаллизационной прослойки под слоем алюминия с концентрацией атомов металла 5 × 10 18 атом/см³, а так как
алюминий является для кремния акцепторной примесью, то полученный слой будет обладать электропроводностью p-типа. Температуры
обработки до 300 ºС неэффективны.
При контакте с кремнием p-типа примесь алюминия еще больше
увеличит концентрацию носителей, создает p+ область, что приведет
к уменьшению переходного сопротивления. При образовании контакта алюминий кремний n-типа возможны две ситуации. В том случае,
когда кремний n-типа слабо легирован и концентрация донорной
примеси меньше 5 × 1018 атом/см³, диффузионный алюминий изменяет
электропроводность кремния на p-тип и в данном месте образуется pn переход, т. е. выпрямляющий контакт. В случае, когда ND>5 × 10 18
см −3 (эмиттерные области транзисторов имеют концентрацию 10 21
атом/см³), происходит уменьшение концентрации носителей, но p-n
перехода не образуется и контакт будет невыпрямляющим. Таким образом, алюминий позволяет создавать омический контакт к p + - и n + областям. Для получения омических контактов с кремнием n-типа с
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
малым легированием необходимо дополнительно создавать локальный участок n + . Для того чтобы замедлить диффузию кремния в
алюминий и облегчить управляемость технологического процесса
иногда напыляют пленки не чистого алюминия, а сплав с 1 – 2 %
кремния.
Многими преимуществами по сравнению с алюминием обладают
контакты и проводящие дорожки из низкоомного поликремния — материала химически и термически стабильного и не имеющего разности по температурному коэффициенту линейного расширения. Однако электрическое сопротивление его велико (30 - 60 Ом/□), что
препятствует дальнейшей миниатюризации и ограничивает быстродействие схем. Оптимальным сочетанием любых свойств обладают
силициды тугоплавких и платиновых металлов TaSi2, MoSi2, PtSi,
Pt2Si и др. Обладая сравнительно невысоким удельным сопротивлением (15 - 50) × 10-6Ом × см, пленки силицидов отличаются высокой
химической и термической стабильностью, совместимостью с кремнием, технологичностью. Топологическим нормам СБИС, когда ширина коммутационных дорожек и контактов должна быть менее 1
мкм, удовлетворяют только силициды. Рекомендации по получению
других омических контактов к кремнию можно найти в [3, 7], там же
описаны способы по созданию омических контактов к другим полупроводникам. В таблице 2 представлены свойства омических контактов различных металлов с кремнием.
Таблица 2
Контактное сопротивление металл – полупроводник
на площади контакта 10-4 см2, Ом [7]
Тип проводимости Si
n
n
p
p
p
ρ, Ом × см
0,001
0,01
0,002
0,04
0,5
Металл
Al
0,09
6(R)
0,03
1,0
20
Mo
0,08
5(R)
0,06
3(R)
80
Ni
0.02
2
0,02
4(R)
100(R)
Cr
0,03
3(R)
0,04
8(R)
200(R)
Ti
0,01
4
0,01
–
–
V
0,7
26
0,05
–
–
Примечание. Выпрямительные свойства контакта обозначены
символом (R).
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контроль омичности контакта и измерение величины контактного сопротивления
Омичность контакта может быть проконтролирована несколькими способами. Первый способ заключается в том, что исследуемый
контакт наносится на поверхность полупроводника, на которой уже
сформирован заведомо омичный контакт. Измеряя вольтамперную
характеристику такой двухконтактной системы, можно оценить качество исследуемого контакта. Если ВАХ имеет линейную зависимость
в двух направлениях, то контакт является омическим.
Второй способ проверки омичности состоит в том, что на поверхность полупроводника в одну линию наносятся четыре контактные площадки исследуемого металла. Через два крайних контакта
пропускается постоянный ток, с двух внутренних контактов снимается падение напряжения. В случае линейной ВАХ такой системы контакт является омическим.
Третий способ заключается в том, что на поверхность полупроводника наносятся только две контактные площадки контролируемого материала. Если контакты являются выпрямляющими, то эквивалентная схема такой системы представляет собой два навстречу
включенных барьера Шоттки и ВАХ в двух направлениях в основном
будет определяться обратными ветвями вольтамперных характеристик барьеров Шоттки. В том случае, если ВАХ такой двухточечной
системы линейна в широком интервале смещений, то контакт можно
считать омическим. Третий способ является наименее удачным, так
как обратные ветви ВАХ для ряда барьеров в определенном интервале смещений могут характеризоваться линейной ВАХ и предпочтительнее использовать первый и второй способы.
Существуют несколько способов измерения сопротивления контакта, использование которых зависит от особенностей геометрии
измеряемых структур.
Способ 1. Если образец имеет форму параллелепипеда, на торцах
которого нанесены два одинаковых контакта с площадью S, то, измерив полное сопротивление структуры R и вычислив (независимым
образом) сопротивление полупроводника Rп, определим
ρ
К
=
R
− Rn
2
52
S .
(10)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Это выражение приемлемо, если контакт линейный. Сопротивления обоих контактов равны и Rк ≥ Rп. При Rк >> Rп необязательно
иметь образец в виде параллелепипеда, оба контакта можно просто
наносить на пластину полупроводника рядом или с противоположных сторон.
Способ 2. Более точно сопротивление контакта можно оценить,
измеряя компенсационным методом распределение потенциала вдоль
прямоугольного образца, через который течет ток I [8]. В объеме полупроводника оно будет линейным, а на границе контакт полупроводник будет иметь место скачок потенциала ∆ Uк вследствие наличия
переходного сопротивления. Откладывая измеряемое сопротивление
как функцию расстояния x от контакта до подвижного зонда и экстраполируя эту зависимость к x = 0, можно найти переходное сопротивление контакта Rк и рассчитать удельное переходное сопротивление
ρ
К
=
∆U К
I
S
=
R S
К
.
(11)
При использовании данного метода требуется специальная подготовка образца и прецизионный микроманипулятор.
Способ 3. От большинства отмеченных недостатков свободен метод, основанный на измерении распределения потенциала вдоль радиуса контакта. Образец имеет форму пластины толщиной w, на всю
нижнюю сторону которой наносится сплошной контакт, а на верхнюю сторону – локальный контакт с радиусом r. Через контакты пропускается ток I подвижным точечным зондом, перемещаемым по
верхней плоскости пластины. Если w<< r, то равность потенциалов не
зависит от расстояния и в любой точке равна падению напряжения на
локальном контакте Uк. Если w>> r, то
U = Uk + Un ,
(12)
где Un – падение напряжения на полупроводнике. Значение Uк определяется в этом случае путем экстраполяции экспериментально измеряемой зависимости U = f (I) в точке I = r.
Измеряя U = f (I) при различных токах I, можно построить ВАХ
контакта Uк=f(I) и определить сопротивление контакта по выражению
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(11). Для уменьшения переходного сопротивления между измерительным зондом и полупроводником и повышения чувствительности
схему на верхнюю сторону образца целесообразно одновременно с
локальным контактом напылять через специальные трафареты контактные точки малого диаметра (около 50 мкм), на которые можно
устанавливать зонд.
Способ 4. Наиболее простым способом определения контактного
сопротивления является способ [7], схема которого приведена на рисунке 2.
Для измерения используются четыре соседних контактных площадки одинаковой площади, отстоящих друг от друга на равном расстоянии. К двум средним подключается цифровой вольтметр, а к
двум другим – источник постоянного тока, задающий ток I. Измеряют падение U1 между точками 2 и 3, когда источник подключен к
точке 1, а затем U2, когда источник подключен к точке 2. Контактное
сопротивление находится по формуле
R
К
=
(U 2 − U 1)
I
.
Рис. 2. Схема измерения контактного сопротивления
54
(13)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зная величину площади контакта, по формуле (3) вычисляют
удельное контактное сопротивление.
Существуют и другие, более сложные, методы определения
ρ к.
Можно отметить метод Коха - Стрека [9], метод с использованием
тестовых структур, состоящих из пяти пар контактов [8].
Порядок выполнения работы
В данной работе изучаются параметры напыленных алюминиевых контактов к кремнию различных марок. Тестовые образцы представляют собой кремниевые пластинки с напыленными алюминиевыми контактами одинаковой площади и находящимися по одной
линии на равном расстоянии друг от друга. Исходные кремниевые
пластины отличаются по уровню легирования и по режимам вжигания контактов. Для измерений используют зондовое устройство, которое позволяет устанавливать зонды на контактных площадках. В
качестве источника питания постоянного тока используется блок питания Б5-50, в качестве цифрового вольтметра – прибор В7-21А.
1. Прогреть источник питания Б5-50 и вольтметр В7-21А в течение 20 минут.
Рис. 3
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Измерить геометрические размеры контактных площадок, оценить площадь контактов. Для измерений использовать микроскоп
МИР-12.
3. На блоке питания выставить 5 В, 1 мА. Подключить контакты 1, 4 к блоку питания, контакты 2, 3 - к входу вольтметра.
4. Исследуемый образец поместить в зондовое устройство. Блок
питания должен работать в режиме стабилизации тока, при этом через образец течет ток 1 мА. Настроить вольтметр на измерение постоянного тока.
5. Снять ВАХ структур, для чего изменять ток через контакты 1 и
4 с 1 мА до 15 мА через 1 мА и снимать падение напряжения на зондах 2, 3. Результаты занести в таблицу. При измерениях следить, чтобы блок питания работал в режиме стабилизации тока.
I, мА
Образец 1
U, мВ
Образец 2
U, мВ
Образец 3
U, мВ
6. Построить ВАХ и оценить линейность зависимости. Сделать
выводы об омичности контакта.
7. Измерить переходное сопротивление контактов по способу 4.
Для этого установить ток через контакты 1 и 4 величиной 1 мА. Измерить величину U1 в формуле (13). Для измерения U2 отключить
штекер контакта 1 от блока питания, подключить к блоку питания
провод с щупом на конце и этим щупом коснуться зонда 2. Результаты занести в таблицу. Вычислить величины контактного сопротивления и удельного контактного сопротивления.
№ образца
I, мА
U1, мВ
U2, мВ
8. Сформулировать выводы по работе.
56
Rк, Ом
S, мм²
ρк, Ом × мм²
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литература
1. Родерик Э.Х. Контакты металл - полупроводник. - М: Радио и
связь, 1982. - 208 с.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 кн. Кн. 1. М.: Мир, 1984. - 456 с.
3. Стриха В.И. , Попова Г.Д., Бузанева Е.В. Физические основы
изготовления омических контактов металл - полупроводник
// Полупроводниковая техника и электроника. 1975. Вып. 19, 20. С. 82 - 86, 20 - 35.
4. Иванов-Есипович Н.К. Технология микросхем. - М.: Высшая
школа, 1972. - 256 с.
5. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. - М.: Высшая школа, 1977. - 416 с.
6. Материалы электронной техники: Учеб. пособие для вузов
/ Под ред. В.М. Андреева. - М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.
7. Микромощные интегральные схемы / Валиев К.А., Дягилев В.Н. и др. - М.: Советское радио, 1975. - 256 с.
8. Концевой Ю.А., Кудин В.Д. Методы контроля технологии
производства полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1973. –
144 с.
9. Cox R.H., Strack М. // Solid State Electron. 1962. V. 10. № 12.
P. 1213 - 1215.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа № 6
Определение толщины пленок диоксида
кремния цветовым методом
Цель работы - ознакомиться с теорией цветового метода определения толщины прозрачных пленок; провести определение толщины
пленок диоксида кремния.
Краткая теория работы
Одним из методов измерения толщины тонких пленок в технологии микроэлектроники является цветовой метод. Он широко используется для определения толщины термически выращенного слоя SiO2
на кремнии, Si3N4 на кремнии, пленок фоторезиста. Для определения
толщины пленок используется известное свойство тонких прозрачных пленок, нанесенных на отражающую подложку: пленка изменяет
свой цвет в зависимости от толщины. В основе цветового метода лежит явление интерференции световых лучей, отраженных от границы
раздела пленка - воздух и пленка - подложка. Оптическая разность
хода этих лучей равна 2n2d/cosθ , где d - толщина пленки; θ - угол
преломления лучей в пленке; n2 - показатель преломления пленки.
Для нормального падающего света с длиной волны
λ условием и нтерференции с усилением является соотношение
где k - целое число.
2d = kλ/n2,
(1)
При освещении пластины кремния с поверхностной пленкой SiO2
нормально падающим белым светом, цвет пленки создается той частью спектра излучения, которая не ослабляется при интерференции.
При изменении d эта часть спектра изменяется, что влечет за собой
изменение цвета. Естественно, что при косом освещении цвет пленки
будет изменяться и зависеть от угла преломленияθ. В цеховых усл овиях невозможно выдерживать нормальное падение света и наблюдение в направлении нормального отражения. Расчет показывает, что
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уход от положения нормального наблюдения оказывает незначительное влияние на точность контроля в диапазоне углов падения от 0 до
угла Брюстераθ Бр. Угол падения называется углом Брюстера, если
угол падения и угол преломления составляют в суммеπ/2. При этом
коэффициент отражения равен нулю и tgθ Бр = n1/n2, где n1 - коэффициент преломления воздуха (n1 = 1). Если угол падения равен углу
Брюстера, то ошибка, составляет не более 10% для Si3N4 и 17% для
SiO2. При меньших углах эта ошибка уменьшается. Обычно используются световые экраны, позволяющие наблюдать поверхность пленки в некотором диапазоне углов от 0 до (0,3-0,5) θБр.
Оценим точность цветового метода. Если в пределах одного и того же порядка интерференции пленка изменяет свою толщину на∆d ,
то длина волны λ, соответствующая максимуму отражения изменяе тся на ∆λ, т.е. условие интерференции запишется в виде
k(λ+∆λ) = 2n2(d+∆d ).
(2)
Из сравнения (1) и (2) вытекает, что
∆d/d= ∆λ/λ .
(3)
Учитывая, что ощущаемый глазом цветовой интервал соответствует в среднем 30 нм, то, например, для зеленого цветаλ (= 550 нм)
получаем ∆d/d = 0,054, т. е. визуальный цветовой метод контроля
толщины может иметь относительное разрешение по толщине порядка 5 %. В приведенных таблицах показано изменение цвета термически выращенных пленок SiO2 и пленок нитрида кремния на кремнии
при возрастании их толщины.
Цветовой метод может быть отнесен к неразрушающим методам
контроля толщины, если толщина пленки приблизительно известна с
точностью ±(0,075 - 0,1 мкм). При известных технологических режимах выращивания пленки это требование обычно выполняется. Если
данные о возможной толщине отсутствуют, то на пленке химическим
травлением (обычно в плавиковой кислоте) создаётся клин травления.
При этом образующаяся при освещении цветовая картина представляет собой всю серию цветовых полос - от соответствующей максимальной толщины до цвета неокисленного кремния, что позволяет
установить порядок интерференции.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Зависимость цвета термически выращенной пленки
двуокиси кремния SiO2 от ее толщины (n2 = 1,46)
Порядок интерференции
I
II
III
IV
Толщина, мкм
0,05
0,07
0,10
0,12
0,15
0,17
0,20
0,22
0,25
0,27
0,30
0,31
0,32
0,34
0,35
0,36
0,37
0,39
0,41
0,42
0,44
0,46
0, 47
0,48
0,49
0,50
0,52
0,54
0,56
0,58
0,60
0,63
0,68
0,72
0,77
0,80
0,82
0,85
60
Цвет
Бежевый
Коричневый
Тёмно-фиолетовый
Голубой
Светло-голубой
Цвет кремния
Светло-золотистый
Золотистый
Оранжевый
Красно-фиолетовый
Фиолетово-голу6ой
Голубой
Зелено-голубой
Светло-зеленый
Зеленый
Желто-зеленый
Зелено-желтый
Желтый
Светло-оранжевый
Розовый
Фиолетово-красный
Красно-фиолетовый
Фиолетовый
Голубовато-фиолетовый
Голубой
Голубовато-зеленый
Зеленый
Желто-зеленый
Зелено-желтый
Светло-оранжевый
Розовый
Фиолетово-красный
Голубой
Голубовато-зеленый
Желтоватый
Оранжевый
Желтовато- розовый
Светло-краснофиолетовый
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание таблицы 1
V
VI
VII
VIII
0,86
0,87
0,89
0,92
0,95
0,97
0,99
1,00
1,02
1,05
1,06
1,07
1,10
1,11
1,18
1,19
1,21
1,25
1,28
1,32
1,40
1,45
1,46
1,50
1,54
61
Фиолетовый
Голубовато-фиолетовый
Голубой
Голубовато-зеленый
Желто-зеленый
Желтый
Оранжевый
Розовый
Фиолетово-красный
Красно-фиолетовый
Фиолетовый
Голубовато-фиолетовый
Зеленый
Желто-зеленый
Фиолетовый
Красно-фиолетовый
Фиолетово-красный
Оранжевый
Желтоватый
Светло-зелено-голубой
Оранжевый
Фиолетовый
Голубовато-фиолетовый
Голубой
Желто-зеленый
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цвета пленок нитрида кремния
в зависимости от их толщины (n2 = 2,01)
Порядок
интерференции
I
II
III
Толщина, мкм
0 - 0.02
0,02 - 0,04
0,04 - 0,055
0,055 - 0,073
0,073 - 0,077
0,077 - 0,093
0,093 - 0,1
0,1 - 0,12
0,12 - 0,13
0,13 - 0,15
0,15 - 0,18
0,18 - 0,19
0,19 - 0,21
0,21 - 0,23
0,23 - 0,25
0,25 - 0,28
0,28 - 0,3
0,3 - 0,33
Таблица 2
Цвет
Кремния
Коричневый
Золотисто-коричневый
Красный
Темно-голубой
Голубой
Бледно-голубой
Кремния
Светло-желтый
Желтый
Оранжево-красный
Красный
Темно-красный
Голубой
Голубовато-желтый
Светло-зеленый
Оранжево-желтый
Красный
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с теорией метода измерения толщины пленок
диоксида кремния.
2. Определить толщины предложенных образцов пленок SiO2 на
кремнии. Для каждого образца оценить порядок интерференции.
3. Определить критерий угла наблюдения, если показатель преломления для двуокиси кремния равен 1,46.
Литература
1. Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1991. – 344 с.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Лабораторная работа № 1 .......................................................................... 3
Входной контроль монокристаллических кремниевых пластин ....... 3
Лабораторная работа № 2 ........................................................................ 12
Определение кристаллографической ориентации и плотности
дислокаций для полупроводниковых образцов ................................. 12
Лабораторная работа № 3 ........................................................................ 22
Измерение удельного сопротивления полупроводниковых
материалов и пленок четырехзондовым методом. Определение
концентрации примесных атомов в кремнии..................................... 22
Лабораторная работа № 4 ........................................................................ 32
Определение поверхностной концентрации диффузионных слоев 32
Лабораторная работа № 5 ........................................................................ 45
Методы контроля омичности контакта алюминий-кремний.
Определение величины переходного сопротивления контактов..... 45
Лабораторная работа № 6 ........................................................................ 58
Определение толщины пленок диоксида кремния цветовым
методом .................................................................................................. 58
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Методы контроля технологических
процессов в электронике
Составитель Зимин Сергей Павлович
Редактор, корректор А.А. Антонова
Компьютерная верстка И.Н. Ивановой
Подписано в печать 09.06.2005. Формат 60×84/16.
Бумага тип. Усл. печ. л.3,72. Уч.-изд. л. 2,1.
Тираж 40 экз. Заказ №
.
Оригинал макет подготовлен
в редакционно-издательском отделе ЯрГУ
Отпечатано на ризографе
Ярославский государственный университет
150 000 Ярославль, ул. Советская, 14
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методы контроля технологических
процессов в электронике
66
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа