close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9323

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.06.30
(12)
(51)7 H 01L 21/66,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 9323
(13) C1
(19)
21/265, 21/02
СПОСОБ ЧЕТЫРЕХЗОНДОВОЙ ДОЗИМЕТРИИ
ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
BY 9323 C1 2007.06.30
(56) Борисова Т.М., Сорокин И.Н., Бурзин С.Б.
(21) Номер заявки: a 20040284
Контроль малых доз имплантации мето(22) 2004.04.01
дом двойного легирования. Активируем.
(43) 2005.12.30
(71) Заявитель: Научно-исследовательское
процессы технол. микроэлектрон. Моск.
республиканское унитарное предпригос. ин-т электрон. техн. - М., 1994. ятие "Минский НИИ радиоматериаС. 167-177.
лов" (BY)
JP 60100447 A, 1985.
SU 1786542 A1, 1993.
(72) Автор: Киселев Владимир Иосифович
JP 6069300 A, 1994.
(BY)
JP 6037163 A, 1994.
(73) Патентообладатель: Научно-исследоваJP 10172917 A, 1998.
тельское республиканское унитарное
CN 1467805, 2004.
предприятие "Минский НИИ радиоматериалов" (BY)
(57)
Способ четырехзондовой дозиметрии ионной имплантации, включающий формирование резистивного слоя из легированного полупроводникового материала заданного типа
проводимости на однослойной или многослойной структуре, имплантацию ионов в резистивный слой с энергией, обеспечивающей среднепроецированный пробег ионов, не превышающий толщины резистивного слоя, четырехзондовые измерения поверхностного
сопротивления резистивного слоя до и после ионной имплантации, построение калибровочной кривой и косвенное измерение по ней дозы ионной имплантации, отличающийся
тем, что резистивный слой формируют на высокоомном изолирующем или полупроводниковом слое того же типа проводимости, поверхностное сопротивление которого превышает поверхностное сопротивление резистивного слоя не менее, чем на порядок,
Фиг. 1
BY 9323 C1 2007.06.30
выполняют четырехзондовые измерения результирующего поверхностного сопротивления
резистивного и высокоомного слоев до и после ионной имплантации, а калибровочную
кривую строят в виде дозовой зависимости отношения измеренного поверхностного сопротивления после ионной имплантации к своему исходному значению до ионной имплантации.
Изобретение относится к операционному контролю в технологии изготовления полупроводниковых приборов, а именно к способам косвенной дозиметрии ионной имплантации,
и может применяться в интегральном производстве для повышения воспроизводимости
операции ионного легирования дозами менее 1⋅1013 см-2.
Известен способ контроля низкой дозы имплантированных ионов посредством четырехзондового измерения Rs - общего поверхностного сопротивления (ПС) ионно-легированной
полупроводниковой структуры. Первоначально поверхностную область монокристаллической р-кремниевой пластины легируют имплантацией ионов донорной примеси, например,
мышьяка, через тонкий слой оксида. Легированный слой отжигают и измеряют его ПС.
Затем проводят рабочий процесс легирования подложки ионами примеси того же типа,
после чего вновь измеряют ПС. По величинам обоих сопротивлений рассчитывают Rs
слоя, образующегося при проведении рабочего процесса. Стабильность воспроизведения
полученного значения Rs позволяет косвенно оценить точность набранной дозы. Постимплантационный отжиг слоев производят с использованием галогенных ламп в течение
30-300 мин [1].
Способ может эффективно применяться только для определения дозы D ≥ (2 - 5) ⋅ 1010 см-2
тяжелых ионов, причем дающих p- или n-тип проводимости в полупроводнике. Кроме того,
между окончанием процесса внедрения ионов и получением дозиметрического результата
происходит достаточно длительная процедура отжига (активации внедренной примеси).
Повысить экспрессность, расширить массовый состав тестируемых ионов, а также
обеспечить возможность измерения на порядок более низких в сравнении с [1] доз позволяет способ двойного легирования. Способ основан на эффекте изменения проводящих
свойств легированных полупроводниковых слоев при радиационном облучении, в том
числе ионным пучком низкой интенсивности. Подвижные (свободные) носители заряда электроны или дырки - захватываются радиационными уровнями дефектов, созданными в
запрещенной зоне полупроводника, что является физической причиной наблюдаемого
возрастания его сопротивления. После рабочего процесса имплантации не требуется активационного отжига внедренной примеси (используется лишь кратковременная (5-10 мин)
термообработка при 200-300 °С для рекристаллизации нестабильных при комнатной температуре дефектов). Поэтому, наряду с минимизацией промежутка времени до получения
измерительной информации, становится возможным контролировать дозы всех типов ионов [2].
Практическая реализация способа двойного легирования включает создание планарного
резистивного слоя в поверхностной области монокремниевой подложки. Резистивный
слой с противоположным по отношению к подложке типом проводимости формируют методом ионной имплантации (первое или предварительное легирование) в сочетании с отжигом внедренной примеси. Резистивный слой изолирован от остальной части подложки
обратно-смещенным р-n-переходом. Далее четырехзондовым методом измеряют ПС Rso
резистивного слоя, после чего в него имплантируют ионы, точность набранной дозы D которых необходимо в дальнейшем контролировать. Доза первого легирования D1 примерно
в 100 раз превышает измеряемую дозу D второго легирования. Вновь измеряют ПС и
строят калибровочную кривую Rs(D)-Rso, которая является основным инструментом для
последующих дозиметрических оценок посредством перевода измеренного после повторной имплантации значения Rs в дозу.
2
BY 9323 C1 2007.06.30
Калибровку любого косвенного способа измерения дозы через параметр Р, функционально (взаимно-однозначно) связанный с дозой, всегда производят одним из альтернативных способов, например с использованием собственного дозиметра прямого измерения
дозы установок ионного легирования. Поэтому смысл этого дозиметрического направления заключается не только в измерении фактически набранной дозы, но и, прежде всего,
минимизации интервала (D ÷ D + ∆D), любые две дозы из которого неразличимы. Необходимость и широкая реализация такого подхода диктуются конкретными технологическими потребностями современного производства БИС и СБИС (больших и сверхбольших
интегральных схем), а именно тем обстоятельством, что процент выхода годных кристаллов определяется воспроизводимостью (повторяемостью) каждой операции. Следовательно, достаточно осуществлять точный контроль за относительной неоднородностью дозы
на мишени и относительным изменением дозы от процесса к процессу; сама же ее величина имеет практическое значение только с точки зрения постановки задачи технологу.
Минимальное регистрируемое относительное отклонение по дозе или случайная относительная погрешность ∆D/D непосредственно связаны с основной характеристикой любого
косвенного способа измерения дозы - чувствительностью. Согласно [2], для ПС, отклоняющегося от своего исходного значения в результате облучения ионами, чувствительность S определяется как
∆R s / R s
.
S=
(1)
∆D / D
В общем случае чувствительность показывает, насколько сильные изменения некоторой физической величины Р могут быть вызваны потоком заряженных или нейтральных
микрочастиц различной природы:
∆P D
,
S=
(1')
∆D P
т.е. представляет собой объективную характеристику способа косвенной дозиметрии, не
зависящую от точности избранной измерительной методики.
Главным недостатком известного способа является принципиальное ограничение по
чувствительности, обусловленное характером его калибровочных кривых P(D).
Действительно, для функций P(D) = Rs(D) либо P(D) = Rs(D) - Rso способа двойного
легирования выполняется условие
d 2P
(2)
≤ 0,
dD 2
причем d2P/dD2 = 0 соответствует предельному по S (квазилинейному) случаю
Rs(D) = Rso(1 + kD),
(3)
где k - параметр, обобщенно характеризующий уровень радиационной дефектности полупроводника и зависящий от спектрально-энергетических характеристик ионного пучка, а
также от соотношения δ среднепроецированных ионных пробегов rp/rp1 второго (rр) и первого (гр1) легирований.
Из (1), (3) ⇒ S < 1 при любых Rso и D.
Условие (2) является следствием ограничения, налагаемого на δ. При δ > δmin ≈ 0,8-0,9
можно добиться значений S ≥ 1, однако тогда в обедненной области (области пространственного заряда) р-n-перехода создается высокая концентрация ng-r рекомбинационных
центров. Это приводит к увеличению токов утечки (~ ng-r) р-n-перехода и, соответственно,
случайной погрешности измерения Rs. Используя гауссово приближение для профиля
распределения дефектов ng-r(x) по глубине х, можно оценить скорость их нарастания
dng-r/dδ c изменением δ обедненной области шириной W:
3
BY 9323 C1 2007.06.30
x p −n + W / 2
D
d
=
e[− ( x − rp−g−r δ) 2 /( 2 ∆rp2−g−r ) ]dx,
∫
dδ
2π∆r p − g − r dδ x p − n − W / 2
dn g − r
(4)
где хp-n - глубина залегания р-n-перехода (фактическая граница резистивного слоя в данном способе), ∆rp-g-r, rp-g-r - соответственно, дисперсия распределения и расстояние от поверхности до максимума дефектного профиля, связанные с двумя первыми моментами
распределения ионов после второй имплантации rр и ∆rр соотношениями:
rp−g − r = λrp
∆rp−g −r

,
≅ (1,5 ÷ 3)∆rp 
(5)
где λ характеризует степень пространственного несовпадения двух участков среднестатистического ионного трека в облученной мишени: области максимального радиационного
повреждения и области заключительной стадии торможения.
Экспериментальные и расчетные значения λ для конкретных режимов имплантации
(энергия, тип иона) и имплантируемых веществ известны из различных литературных источников, например [3,4], и обычно находятся в интервале 0,6-0,9 (Е > 20 кэв, легкие ионы
с массовым числом mа ≤ 30) и λ ≈ 0,8 (тяжелые ионы с mа ≥ 70-80). Так, при внедрении бора (mа = 11) в Si: λ ≈ 0,7 (Е = 40-45 кэв), λ ≈ 0,8 (Е = 100 кэв).
В предположении слабой зависимости суммарных потерь энергии за счет ядерного и электронного торможений от энергии падающих ионов Е в широком диапазоне 10 кэв ÷ 1 мэв [4]:
rp1 ~ E1, rp ~ E,
(6)
где через Е1, Е обозначены энергии первого и второго легирований, соответственно. Тогда
E
δ= ,
(7)
E1
если подлежащий дозиметрии тип ионов одновременно используется в качестве легирующей примеси и на этапе формирования резистивного слоя. Расчет по формулам (4) и
(5) дает следующее выражение для dng-r/dδ:

Dϕe −ϕ2 rp −g −r W 
dδ

.
x p−n − λrp−g −r δ

ϕ=

2∆rp−g −r
dn g −r
= 2λπ
−1
2
(8)
Величина dng-r/dδ достигает наибольшего значения при ϕ = 1 / 2 , для которого
δ = (хр-n - ∆rр-g-r)/(λrр-g-r). Принимая хр-n ≅ rр-g-r + ∆rр-g-r, получим δ = 1/λ, что с учетом (5), (6),
(7) соответствует ситуации примерного совмещения по оси х максимума профиля распределения носителей заряда, созданных при первом легировании, и максимума профиля дефектов при втором. Таким образом, резкое нарастание количества центров генерациирекомбинации происходит при δ > 1. Реализованные в [2] критические значения δ ≈ 1
обеспечивают практически бездефектный р-n-переход, но приводят к существованию
верхнего предела по чувствительности.
Протяженность вглубь кремниевой пластины области ld структурных дефектов второго легирования можно условно оценить как
(9)
ld ≅ δλxp-n < xp-n.
Это значит, что радиационные повреждения кристаллической решетки Si практически
полностью сосредоточены внутри резистивного слоя.
4
BY 9323 C1 2007.06.30
Второй недостаток известного способа - высокая относительная погрешность измерения дозы, обусловленная каналированием ионов с D < 1 · 1013 см-2 в монокристаллических
полупроводниках. Из-за микроотклонений режимов работы системы сканирования ионного луча от заданных этот эффект приводит к разбросу основных характеристик распределения (rр, ∆rр) внедренной примеси на уровне 6-15 % даже в условиях стандартного
поворота мишени на угол 7-8° [3, 5]. Каналированные ионы не испытывают ядерного торможения внутри кристалла, а потому не создают структурных нарушений. Поскольку
именно появление атомов, смещенных из узлов кристаллической решетки, является единственной причиной изменения электрических свойств резистивного слоя, невоспроизводимость доли каналированных частиц приводит к резкому ухудшению точности дозиметрии.
Для частичного снижения влияния каналирования на однородность дозы ионов, внедренных в легированный активной примесью монокристалл кремния, в [6] применялась защитная маска SiO2. Но и в этом случае результаты поверхностного топографирования ПС
соответствуют случайной относительной погрешности по дозе не менее ± 1,5 - ± 2,5 %.
Общая относительная случайная погрешность измерения дозы (∆D/D)Σ представляется в
виде:
 ∆D 
 ∆D 
 ∆D 
 ,
 +

 = 
 D  kan  D 
 D ∑
2
2
(10)
где (∆D/D)kan - относительная случайная погрешность измерения дозы, связанная с эффектом каналирования, ∆D/D - относительная случайная погрешность измерения дозы по калибровочной кривой.
Задача настоящего изобретения - повышение чувствительности и снижение погрешности измерения дозы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе четырехзондовой дозиметрии
ионной имплантации, включающем создание резистивного слоя из легированного полупроводникового материала заданного типа проводимости на одно- или многослойной
структуре, имплантацию ионов в резистивный слой с энергией, обеспечивающей среднепроецированный пробег ионов, не превышающий толщины резистивного слоя, четырехзондовые измерения ПС резистивного слоя до и после ионной имплантации, построение
калибровочной кривой и косвенное измерение по ней дозы ионной имплантации, резистивный слой формируют на высокоомном изолирующем или полупроводниковом слое
того же типа проводимости, ПС которого превышает ПС резистивного слоя не менее, чем
на порядок, выполняют четырехзондовые измерения результирующего ПС резистивного и
высокоомного слоев до и после ионной имплантации, а калибровочную кривую строят в
виде дозовой зависимости отношения измеренного ПС после ионной имплантации к своему исходному значению до ионной имплантации.
Сущность способа четырехзондовой дозиметрии ионной имплантации поясняется
фиг. 1, 2, 3.
На фиг. 1 показана технологическая тест-структура, в которую имплантируют ионы с
дозой D, подлежащей измерению в любой точке поверхности тест-структуры;
на фиг. 2 - калибровочные кривые - функции Rs(D)/Rso предложенного способа;
на фиг. 3 - зависимость от D чувствительности обеих калибровочных кривых фиг. 2.
Полупроводниковый резистивный слой 1 с толщиной h расположен на высокоомном
слое 2, который представляет собой однородную подложку или выступает в качестве разделительного между резистивным слоем 1 и нижележащей однослойной или многослойной
структурой 3, наличие которой, таким образом, не является обязательным. Высокоомный
слой 2 может быть изолирующим или полупроводниковым одного типа проводимости с
резистивным слоем 1. На поверхности резистивного слоя 1 установлены измерительные
зонды 4 (четырехзондовая система любой известной конфигурации) для измерения ПС до
5
BY 9323 C1 2007.06.30
и после облучения потоком ионов 5, создающим область структурных дефектов 6 (заштрихована) на глубину ld.
Дозовые калибровочные кривые Rs(D)/Rso способа, изображенные на фиг. 2, описывают изменение отношения результирующего ПС резистивного 1/ высокоомного 2- слоев к
своему исходному значению после имплантации ионов бора с энергией Е = 45 кэв в резистивный слой 1 из poly-Si-поликристаллического кремния различной толщины, выращенного при 630 °С на диэлектрике (диоксид кремния). Поликремний легирован также
методом ионной имплантации с режимами: фосфор, Е1 = 50 кэв, D1 = 4,5⋅1014см-2 (кривая
7, h = 0,15 мкм); бор, Е1 = 30 кэв, D1 = 4,5⋅1014 см-2 (кривая 8, h = 0,3 мкм) и подвергнут
термическому отжигу при температуре 900 °С в течение 20 мин.
Для кривых 7 и 8 фиг. 2 рассчитаны соответствующие графики 9 и 10 чувствительности S в функции имплантированной дозы D (фиг. 3).
Изобретение осуществляется следующим образом:
Резистивный слой 1 формируют одним из известных методов - молекулярно-лучевой
эпитаксией, осаждением поликристаллического (аморфного) полупроводника в сочетании
с одновременным или последующим его легированием диффузией либо ионной имплантацией. Кроме того, возможно применение ряда прецизионных разработок технологии
создания структур "кремний-на-изоляторе" (КНИ) [7, 8, 9].
Высокоомный слой 2 либо создают в подложке на этапе ее изготовления (например,
промышленные двухслойные (n-i) арсенид-галлиевые рабочие пластины типа САГ-2, содержащие высокоомный i-буфер с концентрацией носителей заряда ≅ 1⋅1014 см-3), либо выращивают на поверхности подложки одним из стандартных методов тонкопленочной
технологии. Он может также быть синтезирован в объеме однородной подложки с помощью ионной имплантации высокой (> 5⋅1017 см-2) дозы ионов кислорода или азота [10].
Калибровочные кривые фиг. 2, предназначенные для измерения внедренной дозы,
строят по партии изображенных на фиг. 1 тест-структур, всю рабочую поверхность каждой
из которых подвергают воздействию потоком ионов 5 с заданным ускоряющим напряжением и различными дозами. С помощью измерителя электросопротивления материалов,
содержащего стандартную четырехзондовую головку с токовыми и потенциальными зондами 4, расположенными в линию, как на фиг. 1, или в вершинах квадрата, измеряют ПС
резистивного слоя 1 до и после каждого процесса ионной имплантации. Тем самым устанавливают взаимно-однозначное соответствие между дозой и параметром дозы, которое
затем используют для косвенного измерения дозы через отношение Rs/Rso, вычисленное
по измеренным Rs и Rso.
В процессе калибровки дозу измеряют непосредственно в установке ионного легирования с помощью цилиндров Фарадея [11], либо другим независимым способом, включая
существующие откалиброванные способы косвенной дозиметрии. Как было отмечено
выше, это не влияет на точность контроля за относительным разбросом и однородностью
дозы и, в итоге, воспроизводимостью всей операции. С целью учета возможного влияния
неидентичности технологических условий изготовления каждой из компонент 1, 2, 3 тестструктуры (структур) измерения должны производиться в нескольких точках ее поверхности с последующей обработкой измерительных данных с помощью методов математической статистики.
В предложенном способе не используется изоляция резистивного слоя 1 обратным
р-n-переходом. Поэтому создаваемые в области границы раздела слоев 1-2 дефекты не
приводят к появлению токов утечки, т.е. ухудшению качества изоляции. Таким образом,
снимается ограничение по δ (δ ≤ 0,8-1), существующее в известном способе, а δmin имеет
смысл минимального значения δ, ниже которого S < 1. Это означает, что глубина повторной имплантации лимитируется сверху только толщиной h резистивного слоя 1. Поэтому
энергия тестируемого пучка заряженных частиц - потока ионов 5 - может быть выбрана, в
частности, такой, чтобы rp-g-r = rp1 или, через (5),
6
BY 9323 C1 2007.06.30
rp =
rp1
λ
(11)
,
откуда оптимальное δ
1
,
(11')
λ
если резистивный слой 1 создается предварительным ионным легированием. При заданных Е, mа соотношения (5), (6), (7), (11') определяют энергетический режим (E1) этой технологической операции.
Условия (11) и (11') обеспечивают наилучшее совпадение двух глубинных профилей
распределения: носителей заряда no(х) после первой имплантации и центров их захвата
(дефектов) ng-r(x) после второй. Центрами захвата являются нестабильные точечные дефекты, которые обычно отжигаются уже при 250 °С, а также их комплексы и соединения с
примесными атомами, устойчивые при этой температуре. В результате d2Rs/dD2 > 0 и S
достигает своей максимальной величины, превышающей критическое значение (=1)
способа двойного легирования. При δ > δmin чувствительность снова падает как из-за рассовмещения указанных профилей концентрации, так и вследствие потери части имплантированной примеси в высокоомном слое 2 изолятора или полупроводника.
Верхняя граница δmax, когда изобретение еще имеет преимущества по S перед известным
способом, определяется таким же, как и при δmin, симметричным взаимным смещением по х
распределений nо(х) и ng-r(x), но для Е > Е1. Учитывая (5), (6), (11'):
1
2
λδ max =
⇔ δ max δ min = δ opt
.
(12)
λδ min
δ opt =
Дозиметрия с S ≥ 1 реализуется и в ситуации, когда профиль легирования резистивного слоя 1 является квазиравномерным. Такое распределение легирующей примеси может
быть получено, например, в ходе эпитаксиального наращивания или после высокотемпературного термического отжига поликристаллического полупроводника за счет ускоренной
диффузии примесных атомов по границам кристаллитов (зерен) [12, 13]. Тогда величина
d2Rs/dD2 также положительна независимо от Е [14].
Однако если исходная концентрация основных носителей заряда nо(х) постоянна по
глубине х резистивного слоя 1 или модуль ее приведенного безразмерного градиента
|dln[no(x)]/dlnx| < 1 при любом х, на точности косвенного измерения дозы по калибровочной кривой может негативно сказаться технологическая неоднородность ∆h/h толщины
выращенного резистивного слоя 1 в различных точках его поверхности.
В случае nо(х) = const = no, известное выражение для ПС легированных полупроводниковых слоев [5]

h
R so =  ∫ σ o ( x )dx 
o

преобразуется к более простому виду
−1
(13)
σ o−1
R so =
⇒
h
(13')
∆R s ∆h
=
,
Rs
h
(14)
т.е. относительный разброс измеренных значений Rso по площади тест-структуры, обусловленный неравномерностью h, соответствует ∆h/h.
7
BY 9323 C1 2007.06.30
В(13) и (13') σо(х) - локальная проводимость при фиксированном х, которая соотносится с nо(х) как
σо(х) ~ n oγ (х),
(15)
где γ < 1 - степенной показатель, характерный для определенных интервалов no (охватывающих обычно 2-4 порядка) данного полупроводникового материала, зависящий также
от типа проводимости последнего. Так, в р-Si: γ ≈ 0,70, no ~ 1⋅1016÷5⋅1018см-3; в n-Si:
γ ≈ 0,77, no ~ 5⋅1016÷1⋅1019см-3.
Неоднородность толщины ∆h/h представляет собой дополнительную составляющую
случайной погрешности, которая, например, для poly-Si-пленок может достигать нескольких %, в зависимости от среднего размера и плотности упаковки зерен [15].
После имплантации ионов с дозой D и радиационного захвата части свободных носителей заряда концентрация n(x, D), а также локальная проводимость σ(x, D) изменяются с
глубиной, поскольку вносимый профиль дефектов уже не является равномерным. При
этом связь между Rs(D), n и σ остается аналогичной (13) и (15), а для n при dno/dx ≈ 0
справедливо представление ([14])
n ( x , D) = n o e
[−k
norm
n ( p )ng −r ( x ) D
]
(16)
,
где kn(p) - параметр ионного облучения, обратно пропорциональный σo, характеризующий
norm
скорость удаления n- (р-) носителей заряда с дозой D, n g−
r ( x ) - нормированная плотность
распределения радиационных дефектов по глубине безотносительно к их типу. Тогда
−1


(17)
.


Выбирая в качестве Р величину Rs/Rso с той же чувствительностью S к дозе, что и при
Р = Rs, и принимая во внимание (1'), получим связь между технологической невоспроизводимостью толщины резистивного слоя 1 и вызываемой ею погрешностью измерения Р:
 h [−k n norm ( x ) D ] 
R s ( D) = σ  ∫ e σ g − r
dx 
o

k σ = k n(p) γ
−1
o
∆P
 ∆h 
≈ Sh 

P
 h .
(18)

dP h

Sh ≈

dh P
Здесь Sh - чувствительность Р к h, определяющая степень влияния разброса толщины
на параметр дозы. Из (15), (16), (17), (18) следует
−r ( h )D ]
σ −1 (h, D)
e[− k σ n gnorm
−
=
1
Sh =
− 1.
h
h
(19)
norm
[
]
−
k
n
(
x
)
D
h −1 ∫ σ −1 ( x, D)dx
h −1 ∫ e σ g −r
dx
o
o
Отсюда Sh → 0, если локальная проводимость у границы раздела (х = h) близка к своему среднему по всему резистивному слою 1 значению. Поэтому наибольшее количество
дефектов должно располагаться на глубине rp-g-r ≈ (0,7-0,8) h, что, исходя из (5) и приведенных выше реальных значений λ, приблизительно соответствует оптимальному
(20)
rp ≈ h,
при котором рассмотренная дополнительная случайная погрешность измерения Rs, отсутствующая в известном способе, также становится несущественной.
Относительная случайная погрешность измерения Р = Rs/Rso выражается через соответствующие относительные случайные погрешности ∆Rso/Rso, ∆Rs/Rs следующим образом:
8
BY 9323 C1 2007.06.30
2
2
2
2
2  ∆R 
 ∂P
 ∂P R so
 ∆R so   ∆R s 
 ∆R s 
∆P
so 
 + 
 .
 = 

= 
R so 
 +

∂
P
R
R
R
R
R
R
R
so
s
so
s
s
so
s










 
(21)
Величина h, таким образом, представляет собой верхнюю границу глубины ионной
имплантации в резистивный слой 1 независимо от профиля его легирования. Поэтому, в
отличие от известного способа, область 6 структурных дефектов распространяется на весь
резистивный слой 1 и может захватывать часть высокоомного слоя 2, если он также полупроводниковый. Адаптированная к рассматриваемому способу формула (9) тогда приобретает вид
(22)
ld ≅ δλh,
т.е. ld ≥ h, если δopt ≤ δ ≤ δmax (в частности ld = h при δ = δopt).
Обе экспериментальные зависимости фиг. 2 получены для тест-структур с резистивным слоем 1 из поликремния. Изначально высокий градиент концентрации gradN(x) имплантированных в poly-Si ионов фосфора (кривая 7, n-тип) резко снижается в процессе
стандартного активирующего отжига 850-900 °С, 20-60 мин. Выравнивание N(x) по глубине происходит из-за диффузионного перераспределения (стока) имплантированной
примеси из пика своего распределения в области пониженной концентрации. В результате
d ln[n o ( x )]
dN
→0⇒
<< 1(→ 0 ).
d ln x
dx
(23)
Последующее внедрение ионов в такие тест-структуры должно обеспечивать среднепроецированный пробег rp, удовлетворяющий (20).
При использовании стандартной легирующей примеси р-типа - бора - после отжига в
указанных температурно-временных режимах сохраняется распределение внедренных ионов с выраженным максимумом. Поэтому оптимальные условия второй имплантации попрежнему определяются (11) и (11'), также обеспечивая S ≥ 1 (кривая 8). Аналогичное утверждение справедливо и в отношении быстрого термического отжига (импульсного - некогерентного или лазерного), при котором практически не происходит расплывания
профиля ионного легирования poly-Si для любых активируемых ионов.
На фиг. 3 представлены зависимости S(D) калибровочных кривых, относящихся к случаям (20) (кривая 7, rр = 0,145 мкм ≈ h = 0,15 мкм) и (11) (кривая 8, δ = rp/rp1 = 0,145 мкм/
0,10 мкм ≈ λ-1 = δopt; λ = 0,7). Видно, что в обоих случаях d2P/dD2 > 0⇒d2Rs/dD2 > 0 (выпуклость вниз) и S ≥ 1, начиная с D = 4,3⋅1011см-2 (зависимость 9), D = 9⋅1011см-2 (зависимость 10).
Таким образом, изобретение не имеет ограничения (2) ⇔ S < 1, присущего известному
способу.
Полупроводниковый резистивный слой 1 может также располагаться на высокоомном
полупроводнике того же типа проводимости. Тогда верхний слой однослойной или многослойной структуры 3, в свою очередь, может быть изолирующим, проводящим (с запирающим контактом металл/полупроводник) либо полупроводниковым. В последнем случае
указанный слой всегда имеет противоположный тип проводимости, иначе он просто должен быть формальным образом идентифицирован как составная часть высокоомного
слоя 2. Вследствие наличия слабого влияния последующих слоев структуры 3 (обратная
связь по токам утечки), в этом варианте фактически измеряется результирующее ПС резистивного 1 и нижележащих слоев. Однако при моделировании достаточно ограничиться
только двумя первыми слоями 1 и 2, через которые протекают прямые токи между измерительными зондами 4.
В отличие от тест-структуры с изолирующим высокоомным слоем 2, ПС которой эквивалентно ПС резистивного слоя 1, измеряемое значение Rs полупроводниковой системы:
резистивный слой 1/высокоомный слой 2 представляется в виде параллельного соедине-
9
BY 9323 C1 2007.06.30
ния ПС слоев 1 и 2, соответственно, Rso(1),Rso(2). Зависимость Rso(1)(D) при D ≤ 1⋅1013см-2 с
хорошей степенью приближения моделируется экспоненциальной функцией [14], когда
начальное распределение концентрации основных носителей заряда в резистивном слое 1
близко к однородному, либо выполнены условия (11), (11'). Исходя из сказанного,
R so (1) ue k ∗ D
(24)
Rs =
.
u + ek ∗D
Здесь u = Rso(1)/Rso(2), k∗ - параметр облучения, имеющий тот же смысл, что и k в (3)
для ионно-легированных слоев, но с δ = δopt, или для равномерно-легированных в отсутствие δ.
Из (1) и (24) следует взаимосвязь между чувствительностями при наличии высокоомного слоя 2 (S) и без него (S(1)):
S=
uS(1)
u + e S(1)
(25)
с максимумом S
Smax = Skr(1)-1,
где Skr(1) - решение трансцедентного алгебраического уравнения
u+e
S
(1)
kr
(1) Skr
= Skr e
(1 )
.
(26)
(27)
Совместный анализ (25), (26), (27) показывает, что Smax > 1 при u ≥ 8 < 10 = ukr, т.е.
рассматриваемый вид реализации способа обеспечивает измерение дозы и контроль за ее
относительными отклонениями от требуемой величины с более высокой, нежели в [2],
чувствительностью только при различии в ПС полупроводниковых слоев 1 и 2 не менее,
чем на порядок (Rso(1)/Rso(2) ≥ 10).
Полученная оценка сделана в предположении, что проводимость полупроводникового
высокоомного слоя 2 не изменяется при облучении, т.к. внедренные ионы сосредоточены
главным образом в резистивном слое 1. Учет влияния дозы на Rso(2) (ld > h) приводит к дополнительному снижению критического значения ukr. Поэтому данная оценка заведомо
включает и случай Rso(2) ≠ const, т.е. является наиболее жесткой (предельной).
Если высокоомный слой 2 - изолятор, то на находящийся под ним слой (слои) структуры 3 не накладывается никаих принципиальных ограничений.
Практическое отсутствие утечек носителей заряда позволяет обеспечить четырехзондовый контроль Rs ≅ (5-50) Ом/□ на уровне случайной погрешности измерения в десять и
более раз низких ПС, что является проблематичным в известном способе.
Независимо от типа проводимости, исходного уровня и профиля легирования полупроводникового резистивного слоя 1, изменение его проводящих свойств описывается
обобщенной функцией с двумя варьируемыми параметрами k, m [16, 17]:
γ
∞


(28)
P = Γ −1 (m + 1) ∫ e − t t m dt  e kD .
kD


Значения k и m могут быть определены любым из стандартных приемов математического выравнивания, например методом наименьших квадратов. Минимизация суммы
квадратов отклонений экспериментальных точек от аппроксимационной калибровочной
кривой производится относительно функции Р, задаваемой (28), если абсолютная погрешность измерения ПС слабо меняется с дозой (d∆Rs/dD = d∆P/dD ≈ 0) или относительно
функции lnР, если тем же свойством обладает ∆Rs/Rs = ∆Р/Р ≈ ∆lnP.
Необходимое условие нарушения ограничения (2) эквивалентно m > 1. Так, обе зависимости фиг. 2 являются функциями (28) с {k = 0,030⋅10-10cм2; m ≥ 10 (экспонента)} (кривая 7, γ = 0,77) и {k = 0,0184⋅10-10см2; m = 3,20} (кривая 8, γ = 0,70); ∆Р/Р = const.
10
BY 9323 C1 2007.06.30
Точность аппроксимации можно считать заведомо удовлетворительной, если
q
∑ [P∗ (Di ) − P∗i ]2
i =1
2
 dP∗

2
∑ ∗ (Di ) (∆D∗ )c + q∆Ρ∗2
 i =1 dD

q
≤ 1,
(29)
где
D ⇐ (∆D) c = const
P ⇐ ∆P = const


P∗ = 
D =
,
∆P
 ∆D 
ln P ⇐ P = const '
InD ⇐  D  = const
c

(∆D)с, (∆D/D)с - соответственно, абсолютная и относительная погрешности измерения дозы при калибровке способа по q экспериментальным точкам (Di, Pi); i = 1,2,…,q.
По определению (1'), из (28) следует выражение для чувствительности при ∆D→0:
−1

 ∞ m − t  −kD 
m
S = 1 − (kD)  ∫ t e dt  e  γkD.
(30)


kD




На практике для нахождения S можно использовать как численное (графическое) дифференцирование, так и расчет по формуле (30).
Предложенный способ позволяет исключить явление каналирования за счет создания
резистивного слоя 1 осаждением полупроводника в поликристаллическом (аморфном) состоянии. Тем самым снимается принципиальное ограничение известного способа по
(∆D/D)kan, обусловленное эффектом каналирования, т.е. в формуле (10) остается только
одна составляющая случайной погрешности ∆D/D косвенного измерения дозы по калибровочной кривой.
Способ может быть также реализован с резистивным слоем 1, выполненным на основе
монокристаллического полупроводника. В этом случае присутствует составляющая случайной погрешности, связанная с эффектом каналирования. Однако сохраняется аналогичная возможность обеспечения значений δmin ≤ δ ≤ δmах и, как следствие, S ≥ 1 за счет
наличия непосредственно под резистивным слоем 1 изолирующего материала или полупроводника, слаболегированного примесью того же типа.
Следовательно, и в подобном варианте данный способ в целом превосходит известный. Это обстоятельство резко расширяет технологические возможности и перспективы
его промышленной реализации. Речь идет об использовании последних достижений в области КНИ-технологий создания структур с приемлемой воспроизводимостью электрофизических и геометрических свойств [9, 18, 19]. В частности, имплантационно-термические
технологии получения скрытых диэлектриков. Будучи достаточно высоковоспризводимыми по h (минимальное hmin = 0,17 ± 0,005 мкм, ∆h/h ниже ± 3 % [10]), эти технологии с
дозиметрической точки зрения имеют преимущества перед пленочными или гибридными.
Предложенный способ, как и известный, может использоваться, если вместо тотального легирования исходной пластины формировать изолированную горизонтальную область
посредством фотолитографического маскирования части ее площади с целью организации
выборочного локального тестирования имплантированной мишени - тест-структуры.
Практическая реализация способа четырехзондовой дозиметрии ионной имплантации
иллюстрируется следующим примером:
Исходные однослойные структуры 3 - монолитные пластины кремния КЭФ-1 (111)
обрабатывали в перекисно-аммиачном растворе с компонентами NH4OH, H2O2, H2O в пропорции 1:1:7 и освежали в 1 %-ном растворе плавиковой кислоты HF. Окислением пластин в печи СДО-125/3 до толщины 0,12 мкм в сухом кислороде при 1150 °С создавали
∗
11
BY 9323 C1 2007.06.30
изолирующий высокоомный слой 2 диэлектрика - диоксида кремния SiO2. На поверхность
SiO2 в установке "Изотрон-3" при давлении 133 Па и температуре 630 °С осаждением из
газовой фазы, содержащей 70 % аргона и 30 % моносилана SiH4, наносили слои поликристаллического кремния толщинами h = 0,3 мкм; 0,15 мкм (два отдельных процесса).
Проводили легирование poly-Si ионной имплантацией двумя примесями, создающими
в кремнии проводимость противоположных типов: часть пластин - фосфором Р+(n-тип,
h(n) = 0,15 мкм) с дозой D1(n) = 4,5⋅1014см-2 и энергией Е1(n) = 50 кэв, обеспечивающей среднепроецированный пробег rр1(n) = 0,06 мкм; часть - бором В+(р-тип, h(p) = 0,3 мкм) с
D1(р) = D1(n), E1(p) = 30 кэв, rp1(p) = 0,1 мкм. Величина rр1 в обоих случаях меньше соответствующей толщины слоя poly-Si. Термически отжигали все пластины в азоте при температуре 900 °С в течение 20 мин, завершая формирование резистивного слоя 1 и тест-структур в
целом. Отжиг также производили в печи СДО-125/3. В таком температурно-временном
режиме активация внедренных ионов фосфора сопровождается падением градиента их
концентрации [12] до уровня, определяемого условием (23). Энергия E(n) всех последующих имплантационных процессов в эти тест-структуры должна, в соответствии с (20),
обеспечить rр(n) ≈ h(n). В остальных тест-структурах сохраняется резкий максимум диффузионного перераспределения легирующей примеси - бора, так что выбор энергии второй
имплантации E(р) здесь осуществляется исходя из условий (11), (11'). Дополнительно очищали легированную поверхность тест-структур в 1 %-ном HF-растворе (т.н. "освежение")
и устанавливали на нее измерительные зонды 4 (четырехзондовую головку) измерителя
удельного сопротивления полупроводниковых материалов ИУС-3. Измеряли ПС резистивного слоя 1 (что при наличии изолирующего нижележащего материала равнозначно
измерению результирующего ПС слоев 1, 2 тест-структуры) в 20 точках поверхности каждой из тест-структур. Полученные после усреднения по всем точкам образцов фиксированного типа проводимости значения Rso = 8,9 кОм/□ (n-тип); Rso = 2,8 кОм/□ (р-тип).
Тест-структуры подвергали облучению потоком ионов 5 бора на промышленной установке ионной имплантации "Везувий 3", причем резистивный слой n-типа имплантировался в режимах: E(n) = 45 кэв, (rр(n) = 0,145 мкм), дозы D(n)i = 1,3⋅1011см-2; 3,5⋅1011см-2;
7⋅1011см-2; 9⋅1011см-2; 1⋅1012см-2, а резистивный слой р-типа - в режимах: E(р) = E(n) = 45 кэв
(rр(р) = rр(n) ≈ rр1(p)/λ = 0,143 мкм; λ = 0,7 [4]), дозы D(p)i = 5⋅1011см-2; 1⋅1012см-2; 1,5⋅1012см-2;
2,3⋅1012см-2. В каждую тест-структуру внедряли одну дозу. Дважды ионно-имплантированные образцы выдерживали в электрошкафу общепромышленного использования
СНОП-3,5.3,5.3,5/3,5-И1 при 250 °С, 15 мин, после чего их вновь освежали.
Повторяли процедуру измерения ПС поликристаллической поверхности тестструктур, усредняли измеренные значения по каждому образцу и вычисляли Р = Rs/Rso как
отношения средних значений ПС до и после повторной ионной имплантации. По двум полученным множествам экспериментальных точек (D(n)i, Pi) и (D(p)i, Pi), соответственно обозначенных на фиг. 2 символами "□" и "O", строили калибровочные кривые 7 и 8 - функции (28),
где k(n) = 0,030 ⋅10-10см2; m(n) = 15 с γ = 0,77 (кривая 7) и k(р) = 0,0184⋅10-10см2; m(р) = 3,20 с
γ = 0,7 (кривая 8). Т.к. ∆Р/Р = const (см. далее), параметры аппроксимации рассчитывали
методом наименьших квадратов для точек (D(n)i, lnPi) и (D(р)i, lnРi). Численным дифференцированием калибровочной кривой 7 фиг. 2 по формуле (1') получали зависимость 9 чувствительности способа от дозы D, изображенную на фиг. 3.
В исходную тест-структуру n-типа имплантировали В+, ускоряя поток ионов 5 до той
же энергии (E(n) = 45 кэв) разностью потенциалов 45 кВ при плотности тока 5⋅10-4 мкА/см2
в течение 5 мин, но с выключенным счетом накопленных зарядовых импульсов дозиметра БИД-8 прямого измерения тока ионов установки ионного легирования. После
аналогичных процедур низкотемпературной термообработки, освежения и статистической обработки результатов четырехзондовых измерений ПС Rs = 60,0 кОм/□ вычисляли
Р = Rs/Rso = 60 кОм/□ / 8,9 кОм/□ = 6,74. Косвенно, т.е. по калибровочной кривой 7 фиг. 2
12
BY 9323 C1 2007.06.30
измеряли соответствующую дозу Dm(n) = 8,2⋅1011см-2. Из графика 9 фиг. 3 определяли чувствительность способа S (Dm(n)) = 1,9, выше предельно достижимой известным способом.
В исходную тест-структуру р-типа при плотности тока 4,5⋅10-4 мкА/см2 в течение 10 мин
внедряли ионы В+ с E(р) = E(n) = 45 кэв, также предварительно отключив зарядовый счетчик собственного дозиметра установки ионного легирования. Повторив предыдущую последовательность операций с использованием калибровочной кривой 8 вместо 7 по
непосредственно измеренному Rs = 19,4 кОм/□ ⇒ Р = 6,93, косвенным образом измеряли
Dm(p) = 1,75⋅1012см-2. По формуле (30) при k = k(р), m = m(р) рассчитывали S(D) (фиг. 3 зависимость 10), и, в частности, S(Dm(p)) = 1,5 > 1 (второй вариант определения чувствительности).
Поликристаллическая структура резистивного слоя 1 исключает случайную погрешность,
связанную с эффектом каналирования. Поэтому относительная случайная погрешность
измерения Rs практически соответствует паспортным данным ИУС-3 для однократнолегированных слоев (∆Rs/Rs = ± 1,5 %). Тогда относительная случайная погрешность измерения Р, вычисленная через (21), ∆Р/Р = 2 ⋅ (± 1,5%) ≈ ± 2%. Пересчет указанной величины
∆Rs/Rs в относительную случайную погрешность измеренных доз Dm(n), Dm(p) с использованием (1') дает ∆Dm(n)/Dm(n) = [S(Dm(n))]-1⋅(∆P/P) = ± 1,33 %, ∆Dm(p)/Dm(p) = [S(Dm(p))]-1⋅(∆P/P) =
= ± 1,05 %, что меньше одной только каналированной составляющей (∆D/D)kаn общей величины (∆D/D)Σ в известном способе.
Производили оценку надежности аппроксимации калибровочных кривых 7 и 8 фиг. 2.
Относительная погрешность (∆D/D)c прямой дозиметрии БИД-8 составляет минимум ±4 %
(неравномерность дозы по обрабатываемой поверхности) и постоянна при D ≥ 6,25⋅1010см-2.
Поэтому критерий (29) должен применяться к функциям Р∗ = lnР и D∗ = lnD, для которых dP∗(Di)/dD∗ = S(Di), (∆D*)c = (∆D/D)c, ∆Р* = ∆Р/Р. Чувствительности S(D(n)i) = 0,30;
0,82; 1,63; 2,1; 2,3; S(D(p)i) = 0,62; 1,08; 1,38; 1,65 по всем 9 дозам калибровки D(n)i,
D(p)i;, определяли также в соответствии с изложенной в данном примере методикой.
Вычисляли характеристические соотношения (левая часть неравенства (29)), равные
0,023 / [(0,302 + 0,822 + 1,632 + 2,12 + 2,32) ⋅ (±0,04)2 + 5 ⋅ (±0,02)2] = 1 (кривая 7, q(n) = 5) и
0,0022 / [(0,622 + 1,082 + 1,382 + 1,652) ⋅ (±0,04)2 + 4 ⋅ (±0,02)2] = 0,18 (кривая 8, q(p) = 4), что
удовлетворяет (29). Числители обоих характеристических соотношений - это суммы квадратов отклонений по Р* точек (D(n)i, lnРi) и (D(р)i, lnРi) от соответствующих кривых lnР, где
Р - функции (28).
Совокупность реализованных в описанном примере отличительных признаков изобретения позволяет обеспечить четырехзондовую дозиметрию ионной имплантации малыми
(ниже 1⋅1013 см-2) дозами с повышенной (больше 1) чувствительностью. Кроме того, достигнуто уменьшение числа факторов случайной погрешности измерения дозы.
Источники информации:
1. Пат. 301837 ГДР, МПК5 H01L 21/265. - Опубл. 5.05.1994.
2. Борисова Т.М., Сорокин И.Н., Бурзин С.Б. Контроль малых доз имплантации методом двойного легирования. Активируем. процессы технол. микроэлектрон. Моск. гос. ин-т
электрон. техн. - М., 1994. - С. 167-177 (прототип).
3. Комаров Ф.Ф., Новиков А.Л., Соловьев B.C., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в
ионно-имплантированном кремнии. - Минск: Университетское, 1990. - С. 318.
4. Зи С.М. Технология СБИС. т.1. - М.: Мир, 1986. - С. 404.
5. Комаров Ф.Ф. Ионная и фотонная обработка материалов. - Минск: ВУЗ-ЮНИТИ,
1998. - С. 209.
6. Smith A.K., Johnson W.H., Keenan W.A., Rigik M., Kleppinger R. Sheet resistanse monitoring of low dose implants using the double implant technique. Nucl. Instrum. and Meth. Phus.
Res. 1991. B21, No 2-4. - P. 529-536.
13
BY 9323 C1 2007.06.30
7. Plobe Andreas, Krauter Gertrud. Silicon-on-insulator: materials aspects and applications.
Solid-State Electron. 2000. 44, No 5. - P. 775-782.
8. Пат. US 6043166 МПК7 H 01L 21/265. Опубл. 28.03.2000.
9. Jakubowski A., Jurczak M., Lukasiak L. SOI (silicon-on- insulator) - materials and devices: [Pap.] 3rd Semin. "Surface and Thin Film Struct. 1995", Spala, Oct. 23-26, 1995. Electron
Technol. 1996. 29, No 2-3. - P. 191-195.
10. Ane M.J. Simox: Material development and characterization: [Pap.] 4th Symp. "Diagn.
And Yield: Soi-Mater., Devices and Charact", Warszawa, Apr. 22-24, 1998. Electron Technol.
1999. 32, No 1-2. - P. 45-49.
11. Москалев В.А., Сергеев Г.И. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 240.
12. Wong C.Y., Sun J.Y.-C., Taur Y., OH C.S., Angelucci R., Davari B. Doping of n+and p+
polysilicon in a dual-gate CMOS process. Int. Electron Devices Meet., San Francisco, Calif.,
Dec. 11-14, 1988: Techn. Dig. -New York (N. Y.). 1988. - P. 238-241.
13. Лукашенко Я.О., Меланьин Д.П. , Быкадорова Г.В. Моделирование процесса легирования молекулярными ионами BF2 в КМОП-технологии. Межвуз. науч.-техн. конф.
"Микроэлектрон. и информат.", [Москва, 1996]: Тез. докл. - М., 1996. - C. 63.
14. Keskitalo Niclas. Irradiation induced defects for lifetime control in silicon. Acta univ.
upsal. Compr. Summ. Uppsala Diss. Fac. Sci. and Technol. [Acta univ. upsal. Compr. Summ.
Uppsala Diss. Fac. Sci.]. 1997, No 291. - P. 1-49.
15. Манжа Н.М. Формирование слоев поликристаллического кремния // Электрон.
пром-сть. - 2000. - № 3. - С. 56-60.
16. Киселев В.И., Шуленков А.С. Корреляционный анализ в теории неаддитивных методов косвенной дозиметрии ионной имплантации: Материалы V Междунар. конф. "Взаимод. излуч. с тверд. телом", [Минск, 2003]. - Минск, 2003. - С. 259-261.
17. Киселев В.И. Метод корреляций при исследовании n- и n+ - GaAs, имплантированного низкими дозами ионов: Материалы V Междунар. конф. "Взаимод. излуч. с тверд. телом", [Минск, 2003]. - Минск, 2003. - С. 362-364.
18. Мордкович В.Н. Структуры КНИ "кремний на изоляторе" - перспективный материал микроэлектроники // Изв. вузов. Матер. электрон. техн. 1998. - № 2. - C. 4-7, 75.
19. Мордкович В.Н. Структуры КНИ ("кремний на изоляторе") и КНИ-приборы // Наука - пр-ву. - 1999. - № 2. - C. 17-20.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
14
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
304 Кб
Теги
by9323, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа