close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10818

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/66
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЗЫ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ
(21) Номер заявки: a 20050440
(22) 2005.05.05
(43) 2007.02.28
(71) Заявитель: Научно-исследовательское
республиканское унитарное предприятие "Минский НИИ радиоматериалов" (BY)
(72) Автор: Киселев Владимир Иосифович (BY)
BY 10818 C1 2008.06.30
BY (11) 10818
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Научно-исследовательское республиканское унитарное
предприятие "Минский НИИ радиоматериалов" (BY)
(56) Борисова Т.М. и др. Активируемые процессы технологии микроэлектроники.
Московский государственный институт
электронной техники. - Москва, 1994. С. 167-177.
BY 4853 C1, 2002.
JP 60100447 A, 1985.
US 5451529 A, 1995.
(57)
Способ определения дозы ионного легирования полупроводниковой структуры, в котором используют контрольную структуру, полученную путем формирования невырожденного полупроводникового резистивного слоя заданного типа проводимости на слое
сформированного на подложке изолирующего материала и создания на резистивном слое
или непосредственно в его приповерхностной области дополнительного переходного слоя
из полупроводника того же типа проводимости с уровнем легирования, обеспечивающим
возможность омического контакта с измерительными зондами через сформированные
проводящие контактные площадки, между которыми полупроводник вытравлен так, чтобы открытая поверхность находилась на верхней границе или внутри резистивного слоя,
внедряют в указанный резистивный слой ионы легирующей примеси с различными опорными дозами, производят зондовые измерения для получения вольт-амперных характеристик резистивного слоя до и после внедрения, по линейному начальному участку которых
определяют сопротивление резистивного слоя, а по результатам измерений строят дозовую калибровочную зависимость сопротивления резистивного слоя, по которой определяют искомую дозу ионного легирования.
Фиг. 1
BY 10818 C1 2008.06.30
Изобретение относится к области послеоперационного контроля заданных технологических параметров изготовления полупроводниковых структур, а именно к способам дозиметрии ионных пучков с малыми токами, и может использоваться в микроэлектронном
производстве для повышения точности процессов ионного легирования.
Известна тест-структура типа "металл-на-полупроводнике", а также последовательность операций, т.е. способ ее использования для определения дозы D внедренных через
проводящий резистивный слой ионов. Способ включает измерение результирующего
поверхностного сопротивления структуры R четырехзондовым методом и построение
калибровочной кривой R(D), которая служит в дальнейшем для определения дозы переводом измеренного значения R в D [1].
Дозиметрические возможности этого способа существенно ограничены требованием
достаточно высокого исходного уровня легирования (более 1⋅1018 см-3) полупроводниковой подложки - кремниевой пластины. Этим достигаются ее омический контакт с резистивным слоем и высокое соотношение проводимостей металла и подложки. В результате
захвата свободных электронов (дырок) радиационными дефектами, создаваемыми при
ионной имплантации, в приконтактной области полупроводника образуется связанный
заряд, аналогичный неподвижному заряду обедненной зоны в запирающих переходах "металл-полупроводник". Однако низкоомные подложки характеризуются невысокой интенсивностью радиационного захвата и, как следствие, пределом снижения связанной с
чувствительностью компоненты дозиметрической погрешности.
Усиление зависимости проводящих свойств полупроводникового материала от степени разупорядоченности кристаллической решетки за счет снижения концентрации свободных носителей заряда (НЗ) может быть достигнуто путем формирования резистивного
слоя непосредственно в самой подложке или эпитаксиальной структуре, состоящей из нескольких слоев. Такую возможность реализует на кремнии способ двойного легирования
(далее по тексту - известный способ), наиболее близкий к изобретению. Способ предусматривает отжиг для активации предварительно внедренной легирующей примеси, в результате проведения которого создается изоляция резистивного слоя от остальной части
Si-пластины p-n переходом, смещающимся в обратном направлении при подаче электрического напряжения на измерительные зонды [2]. Затем проводится повторное внедрение
ионов в созданный таким образом резистивный слой, после чего повторяется вся вышеперечисленная совокупность измерительных операций способа [1]. Внедрение примесных
центров дважды производится методом ионной имплантации.
Недостатком этого дозиметрического способа является случайная погрешность измерения дозы, обусловленная следующими причинами:
1. Паразитное контактное или переходное сопротивление Rc при зондовых измерениях
свежеобработанной поверхности полупроводника, вызывающее как искажение истинного
значения измеренного сопротивления, так и его невоспроизводимость. Величина Rc зависит от концентрации nd(a) донорной (d) или акцепторной (а) примеси в приконтактной области полупроводника, возрастая для Si примерно в 102-103 раз при снижении nd(a) с 5⋅1018
см-3 до 1⋅1017 см-3. Дальнейшее уменьшение nd(a) уже практически не приводит к изменению Rc, которое в этом случае определяется механизмом термоэлектронной эмиссии основных НЗ через потенциальный барьер "зонд-полупроводник", а не туннелированием [3].
Поэтому значение nd(a)kr ≈ 1⋅1017 см-3 следует принять в качестве критического для оценки
дозы минимальной интегральной концентрации НЗ n-типа, которая должна быть внесена в
полупроводник после первого легирования и отжига. В приближении гауссового контура
распределения внедренных ионов по глубине x:
(
)
 x − rp 2  
1  D x p− n
dx  ≥ n

∫ exp −
d ( a ) kr ,
2 
x p − n  2π∆rp o
∆
2
r

p




2
(1)
BY 10818 C1 2008.06.30
где хp-n - глубина залегания p-n перехода, rp - средний проецированный пробег ионов в данном
полупроводнике, ∆rp - продольная дисперсия пробега (среднеквадратичное отклонение).
Расчет по (1) для наиболее часто используемых современной интегральной технологией
легирующих примесей бора и фосфора в широком энергетическом интервале (0,05÷1) мэВ
дает следующую оценку минимальной дозы первого легирования Do:
Do min ≈ (1⋅1012 ÷ 1⋅1013) см-2.
(2)
Как указано в [2], для эффективного применения известного способа между дозами
предварительного и последующего легирований, соответственно Do и D, должно соблюдаться приблизительное соотношение:
D/Do ≈ 1⋅10-2.
(3)
Поэтому для измерения D ≤ (5⋅109÷1⋅1011) см-2 необходимы меньшие соответственных
значений (2) дозы Do < Do min, при которых значимость рассматриваемого фактора случайной погрешности резко повышается.
2. Ток утечки Io обратно смещенного p-n перехода при четырехзондовых измерениях
[4]. Если существует разность ∆R поверхностных сопротивлений в условиях идеальной
изоляции и в ее отсутствие (т.е. при параллельном соединении резистивного слоя и подложки), то, как установлено автором, абсолютная погрешность δ∆R измерения R связана с
электропроницаемостью η потенциального барьера и ∆R следующим образом:
δ ∆R ~ ∆R η(1 − η).
(4)
Учитывая, что η ~ Io ≈ 0, ∆R ≈ R, для относительной погрешности δ∆R/R можно записать:
δ ∆2 R / R ~ I o .
(4')
Общая величина Io в данном случае определяется его объемной составляющей, поскольку токорастекание охватывает только локальную область характерного расстояния
между зондами (0,01 ÷ 0,1) см. Поэтому условная граница p-n перехода не соприкасается с
боковой поверхностью пластины в любой точке измерения, за исключением периферийных точек, где измерения не проводятся (краевые эффекты). Наиболее существенная компонента утечек в объеме резистивного слоя - ток генерации - при прочих фиксированных
условиях пропорциональна линейному размеру обедненной области пространственного
заряда (ОПЗ) [5]. Скорость роста ОПЗ для несимметричного плавного p-n перехода задается
главным образом градиентом концентрации ионов вблизи его границы и для имплантационных переходов входит в насыщение при примерно тех же значениях nd(a) ≈1⋅1017 см-3 [3].
Таким образом, физическая причина возрастания случайной погрешности при контроле высокоомного ионно-легированного слоя состоит в его флуктуационном по природе,
т.е. невоспроизводимом, шунтировании нижележащей частью подложки. Электропроницаемость p-n перехода, как степень обратного влияния подложки, зависит не только от характера распределения примеси в ОПЗ, но и высоты ϕс потенциального барьера,
связанной с nd(a) соотношением:
exp(qϕc/kT) ~ nd(a),
(5)
где k - константа Больцмана, Т - абсолютная температура, q - заряд электрона. Отсюда
следует, что величина ϕс также уменьшается со снижением количества активированных
примесных центров в полупроводниковом материале.
В целом общая случайная погрешность измерения удельного поверхностного сопротивления ионно-легированных слоев составляет 1-3 % [6, 7], но может достигать почти на
порядок больших значений при Do ≤ 1⋅1012 см-2 [8, 9].
3
BY 10818 C1 2008.06.30
Второй принципиальный недостаток известного способа - ограничение, налагаемое на
его чувствительность при всех измеряемых дозах.
Согласно [2], для реагирующего на любой вид радиационного облучения параметра
дозы (в данном случае это сопротивление резистивного слоя Si-структуры R, распределенное на квадрат площади поверхности) чувствительность S определяется как величина,
обратная коэффициенту пересчета относительного изменения дозы к соответствующему
относительному изменению параметра дозы:
 ∆D
S=
 D
−1
∆R 
.
R 
(6)
Чувствительность является количественной характеристикой влияния интенсивности
потока ионов на непосредственно измеряемую величину R.
Из (6) видно, что минимизация погрешности определения дозы по калибровочной зависимости - кривой R(D):
∆D
∆R
= S −1
,
D
R
(6')
достигается двумя независимыми составляющими: низкой погрешностью измерения R,
основные факторы которой рассмотрены выше, и высокой чувствительностью.
Оптимальные калибровочные зависимости способа двойного легирования близки к
линейным, т.е. могут быть аппроксимированы функциями:
R = Ro + rD
(7)
или, для приращения поверхностного сопротивления,
R-Ro = rD ⇒ d2(R-Ro)/dD2 = 0,
(7')
где Ro - исходное значение сопротивления при D = 0, r - параметр, зависящий от Do и Ro, а
также характеристик ионного пучка (энергии и массы микрочастиц).
Совместное решение (6) и (7) дает аналитическое выражение для чувствительности
известного способа:
S=
R
rD
= 1− o ,
R
R o + rD
(8)
откуда следует, что S < 1 при любом значении D.
Необходимо отметить, что линейный характер калибровочных зависимостей имеет место при значительном смещении к поверхности профиля распределения дефектов, создаваемых при втором легировании, относительно профиля распределения ионов после
первого легирования. Это обеспечивается выбором соотношения λ соответствующих
энергий Е и Ео обоих имплантационных процессов λ ≈ 0,8-0,9 для ионов одного типа, что
эквивалентно примерно 15-20 %-ной разнице в rp. При увеличении λ формально можно
достичь значений S > 1, однако при этом в ОПЗ нарастает концентрация nг-р вносимых
центров генерации-рекомбинации, которые являются причиной сильного возрастания
генерационного тока утечки, прямо пропорционального nг-р [5]. Рекомендуемые в [2] и
приведенные выше наилучшие значения λ практически обеспечивают сохранение кристаллической структуры p-n перехода, но принципиально ограничивают чувствительность способа.
Снижение λ (λ < 0,8) вызывает замедление скорости роста R с дозой (d2(R-Ro)/dD2 < 0),
т.е. приводит к еще большему падению чувствительности.
Соотношения (2), (3), а также рассмотренные компоненты случайной погрешности измерения дозы, определяют нижнюю границу применимости известного способа на уровне
4
BY 10818 C1 2008.06.30
Dkr ≈ 5⋅109 см-2, т.е. его измерительный диапазон не включает дозы ниже Dkr. Действительно, использование доз предварительного легирования, сравнимых по порядкам величины
с Do min, приводит к необходимости дальнейшего контроля четырехзондовым методом высокоомных полупроводниковых слоев, изолированных p-n переходом, поверхностное сопротивление которых может увеличиваться более чем на порядок при последующем
облучении дозой D, достигая 100 кОм/□ и выше. Вследствие неконтролируемого возрастания контактного сопротивления "зонд-полупроводник" получение на таких слоях результатов измерений с приемлемой в микроэлектронном производстве точностью невозможно
[9]. Таким образом, измерение D ≤ Dkr выходит за рамки области применения самого четырехзондового метода, реализованного непосредственно на полупроводниковой подложке. Так, после ионного легирования бором с режимами Do = 6,25⋅1012 см-2, Ео = 100 кэВ в
пластины КЭФ-20 и термообработки при 900 °С, 20 мин в атмосфере азота формируется
резистивный слой с поверхностным сопротивлением ≈ 20 кОм/□, которое при повторном
внедрении ионов той же примеси с Е = 85 кэВ уже при D ≈ 1⋅1011 см-2 достигает величины
90-100 кОм/□.
Кроме того, наличие неравновесных нарушенных связей на поверхности радиационноразупорядоченного кремния стимулирует ускоренное образование на ней естественного
диоксида толщиной несколько нм. Это обстоятельство наиболее существенно сказывается
на Rс системы "зонд-высокоомный резистивный слой" [8], поскольку туннельный ток через
тонкую диэлектрическую пленку также определяется уровнем легирования контактирующих материалов.
Задачей изобретения является разработка способа, в котором достигается снижение погрешности определения дозы ионного легирования, повышение чувствительности и обеспечивается возможность измерения доз менее 1⋅1010 см-2.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения дозы ионного легирования
полупроводниковой структуры используют контрольную структуру, полученную путем
формирования невырожденного полупроводникового резистивного слоя заданного типа
проводимости на слое сформированного на подложке изолирующего материала. На резистивном слое или непосредственно в его приповерхностной области создают дополнительный переходный слой из полупроводника того же типа проводимости с уровнем
легирования, обеспечивающим возможность омического контакта с измерительными зондами через сформированные проводящие контактные площадки, между которыми полупроводник вытравлен так, чтобы открытая поверхность находилась на верхней границе
или внутри резистивного слоя. Внедряют в указанный резистивный слой ионы легирующей примеси с различными опорными дозами, производят зондовые измерения для получения вольт-амперных характеристик резистивного слоя до и после внедрения, по линейному начальному участку которых определяют сопротивление резистивного слоя. По
результатам измерений строят дозовую калибровочную зависимость сопротивления резистивного слоя, по которой определяют искомую дозу ионного легирования.
Сущность способа определения дозы ионного легирования полупроводниковой структуры поясняется фиг. 1, 2, 3, 4.
На фиг. 1 изображен в разрезе фрагмент полупроводниковой контрольной структуры одной из возможных технологических конфигураций, реализующей все преимущества
способа; на фиг. 2 - базовый (единичный) кристалл контрольной структуры.
На фиг. 3 показаны типичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) резистивного
слоя базового кристалла до и после ионного легирования и схема определения по ним сопротивления R резистивного слоя.
На фиг. 4 приведены калибровочные зависимости R от внедренной в резистивный
слой контрольной структуры дозы D ионов.
Технологическая конфигурация фиг. 1 состоит из идентичных дискретных регулярно
расположенных с поперечным периодом d базовых кристаллов. Каждый базовый кристалл
5
BY 10818 C1 2008.06.30
(один из них выделен и вынесен отдельно в увеличенном виде на фиг. 2) включает резистивный слой 1 на основе невырожденного полупроводника заданного (n или p) типа проводимости с концентрацией no основных НЗ. Резистивный слой 1 располагается на слое 2
из изолирующего материала (в дальнейшем - изолирующий слой 2), который может выполнять как функцию однородной подложки, так и выступать в качестве буферного между
слоем 1 и нижележащей подложкой 3 произвольной структуры. На резистивном слое 1 или
в его приповерхностной области создан дополнительный сильнолегированный n+(p+)-переходный слой 4, который служит для обеспечения низкого контактного сопротивления при
зондовых измерениях. Переходный слой 4 селективно покрыт одним либо несколькими
слоями проводящего материала с образованием контактных площадок 5, на которые устанавливаются измерительные зонды 6. Таким образом, формируется как минимум четырехслойная "сэндвич-структура" с обязательным присутствием слоев 1, 2, 4, 5.
Между контактными площадками 5 вскрыты окна 7, в которых переходный слой 4 локально вытравлен так, что на поверхности остается только резистивный слой 1 (или его
часть, если травление выполнено на глубину, большую толщины n+(p+)-переходного слоя
4), подвергающийся воздействию ионного пучка 8.
Сопротивление R резистивного слоя 1 базового кристалла определяют на начальном
U < UЛ линейном участке ВАХ (фиг. 3) как отношение тока I через невырожденный полупроводник к электрическому напряжению U, приложенному к двум измерительным зондам 6, которые устанавливают на контактные площадки 5 контрольной структуры под
микроскопом. На фиг. 3 представлены ВАХ резистивного слоя 1 технологической конфигурации фиг. 1 на основе многослойной арсенид-галлиевой (GaAs) структуры САГ-2БК с
no = 7,5⋅1016 см-3 в исходном состоянии (D = 0) - кривая 9 и после внедрения ионов бора с
энергией 100 кэВ дозой D = 1,25⋅109 см-2 - кривая 10; соответствующие значения R равны
0,29 кОм и 3,27 кОм.
Дозовые калибровочные зависимости фиг. 4 построены для того же n-GaAs с различными исходными концентрациями НЗ: no = (6-8)⋅1016 см-3 (кривая 11); no = 1,5⋅1017 см-3
(кривая 12); no = 2,5⋅1017 см-3 (кривая 13).
Для каждого полупроводникового материала или их группы существует понятие границы невырожденного состояния, связанное со степенью его легирования. В качестве такой граничной величины обычно принимается эффективная плотность состояний nс в зоне
проводимости (валентной зоне для p-полупроводника), с точностью до ±(1-2) kT совпадающая с нулевым энергетическим уровнем зоны проводимости. В n-GaAs nc = 4,21⋅1017 см-3,
в n- и p- Si соответственно nс = 2,8⋅1019 см-3 и 1,04⋅1019 см-3 [3, 10], т.е. все функции 11, 12, 13
описывают реакцию невырожденного GaAs на ионное облучение.
Резистивный 1 и переходный 4 слои могут быть получены любым традиционным способом - эпитаксия; осаждение поликристаллического полупроводника с одновременным
или последующим его легированием до уровня не ниже (2-3)⋅10 см-3; ионная имплантация.
В последнем случае структура n-n+(p-p+) не имеет резкой границы, которая тогда условно
соответствует глубине травления верхнего слоя полупроводника.
Буферный изолирующий слой 2 либо изначально формируется на подложке в процессе ее выращивания, либо создается одним из известных методов КНД (кремний-надиэлектрике) технологии, в том числе сильнотоковой высокоэнергетической имплантацией ионов в сочетании с термообработкой - с целью синтеза скрытых оксидных или нитридных слоев непосредственно внутри Si-подложки, например, используя стандартные
SIMOX-технологиии.
В качестве изолирующего слоя 2 может быть также использован нелегированный полупроводниковый материал, осажденный в кристаллическом (i-GaAs; т.н. "полуизолятор"), аморфном (α-Si:H) или поликристаллическом (poly-Si) состояниях.
Контактные площадки 5 из металла, сплавного соединения на его основе или их многослойной комбинации одновременно выполняют функцию маскирующего покрытия, не
6
BY 10818 C1 2008.06.30
допуская проникновения внедряемых ионов в дополнительно созданный переходный слой
4. В противном случае будет происходить увеличение его собственного сопротивления и,
как следствие, высоты паразитных встречных барьеров Шотки, т.е. ухудшение качества
омического контакта из-за захвата свободных НЗ ловушечными уровнями, создаваемыми
в запрещенной зоне сильнолегированного полупроводника при, в основном, ядерном торможении ионов.
После изготовления контрольной структуры базовых кристаллов проводится калибровка способа. Всю рабочую поверхность облучают ионным пучком 8 с различными
опорными дозами и постоянной энергией. Определяют сопротивление резистивного слоя
каждого либо некоторых (т.е. выборочно) облученных ионами, а также необлученных исходных базовых кристаллов. По результатам измерений строят калибровочную зависимость
R(D) с последующим использованием ее как для определения дозы ионного легирования
посредством обратного перехода от полученного значения R к D, так и для контроля технологических отклонений набранной дозы от заданной через относительные отклонения
по R в соответствии с (6').
Требование измерения ряда базовых кристаллов после однократного ионного воздействия обусловлено необходимостью учета влияния нестабильности технологических условий их изготовления, а также неоднородностью самой имплантации, прежде всего за
счет колебаний во времени развертки сканирующего напряжения. Поэтому измерения для
любой опорной дозы должны проводиться одновременно по нескольким базовым кристаллам, полученным в одном технологическом цикле, с дальнейшей статистической обработкой результатов.
В обоих рассмотренных аналогах [1], [2] статистически достаточная совокупность экспериментальных данных набирается за счет перемещения четырехзондовой головки по
поверхности однородного резистивного слоя. Поэтому пространственная разрешающая
способность задается расстоянием между зондами. В предложенном способе осуществляется независимое движение двух зондов 6 в горизонтальной плоскости. Причем всякий раз
зонды 6 устанавливаются на контактные площадки 5, расположенные в пределах одного
базового кристалла, т.е. сдвигаются уже не непрерывно, а дискретным образом с периодом d (фиг. 1). Принцип дискретности, положенный в основу технологической реализации
изобретения, позволяет расширить его функциональные возможности. В частности, можно
использовать полупроводниковую контрольную структуру не только в качестве спутника
для параллельных дозиметрических оценок, но и включить операции по ее изготовлению
в состав единого техпроцесса создания активных структур (транзисторов и интегральных
микросхем), т.е. оценивать постимплантационную дозу индивидуально по каждому активному элементу. Дискретность контрольной структуры не приводит к снижению пространственного разрешения, определяемого характерным литографическим размером ≈ d,
обычно меньшим или сравнимым с межзондовым расстоянием современных четырехзондовых установок.
Наибольшая чувствительность к дозе достигается тогда, когда ускоряющая ионы разность потенциалов обеспечивает средний проецированный пробег, равный половине толщины резистивного слоя 1. При этом минимизируется суммарное шунтирующее влияние
слабодефектных областей у границ слоя. Кроме того, при высоких энергиях внедрения
большая часть профиля дефектов попадает в изолирующий слой 2, что также приводит к
естественной потере чувствительности.
Измерение ВАХ осуществляется любым промышленным характериографом, например
Л2-56, путем подачи электрического напряжения на измерительные зонды 6, расположенные так, как показано на фиг. 2. На ВАХ резистивного слоя 1 выделяют два линейных
участка: начальный при U < UЛ и участок насыщения U > UH, соответствующий ослаблению зависимости дрейфовой скорости свободных носителей тока от величины электрического поля в полях высокой напряженности. Наклон ВАХ при небольших напряжениях,
7
BY 10818 C1 2008.06.30
далеких от UН, полностью определяется концентрацией и подвижностью НЗ в самом резистивном слое 1 и не зависит от приложенного электрического напряжения U, т.е. остается
постоянным на протяжении всего начального линейного участка ВАХ, для которого, следовательно,
R = dU/dI = U/I
(9)
при всех U из интервала линейности U < UЛ.
Имплантация примеси в данном случае проводится в резистивный слой 1, расположенный на подложке или высокоомном разделительном буфере из изолирующего материала, который не шунтирует вышележащую n-n+(p-p+) полупроводниковую структуру.
Поэтому исчезающе малой становится составляющая случайной погрешности определения
параметра дозы, (а следовательно, и самой дозы), связанная с утечками - обратными токами Io. Действительно, тогда в (4) соответственно либо ∆R→0, либо η→0, так что ⇒δ∆R→0.
Ток утечки по изоляторам как минимум на 3-4 порядка ниже соответствующих значений Io
в известном способе даже для сильнолегированных (вырожденных) p-n переходов, что во
многом обусловливает широкое применение КНД-подложек в современном производстве
СБИС (сверхбольших интегральных схем).
Предложенная конфигурация контрольной структуры решает проблему взаимной связи чувствительности и случайной погрешности измерения R в (6'). Для способа двойного
легирования чувствительность S растет с уменьшением концентрации свободных НЗ в
подложке, снижая погрешность измерения дозы. Однако при этом увеличивается контактное
сопротивление, что приводит к обратному эффекту. Способ [1], напротив, решает проблему
контактного сопротивления через высокую концентрацию НЗ в кремниевой подложке за
счет снижения S. В предложенном способе измерительные зонды 6 устанавливаются на
проводящую поверхность, соединенную с сильнолегированным (no ≥ (5-8)⋅1018 см-3) n+(р+)-переходным слоем 4, что обеспечивает надежный омический контакт, а дефекты кристаллической решетки при ионном внедрении создаются в невырожденном n-резистивном слое 1.
Тем самым достигается полная развязка между обоими факторами, определяющими относительную погрешность дозиметрии ионного легирования ∆D/D в (6'). По существу, изобретение компилирует преимущества своих ближайших аналогов, одновременно устраняя
их главные недостатки.
Каждая калибровочная зависимость R(D) фиг. 4 является экспоненциальной в некотором дозовом интервале, охватывающем несколько порядков, что согласуется с известными литературными данными по радиационному облучению невырожденных однороднолегированных полупроводников потоками микрочастиц низкой интенсивности [11]:
R = Roexp(rD),
(10)
где r - коэффициент, обобщенно характеризующий совокупное сечение захвата носителей
заряда и зависящий от их исходной концентрации.
Поэтому чувствительность, рассчитанная через общее выражение (6):
 R 
 ,
S = rD = ln
R
 o
(11)
не имеет ограничений сверху, присущих известному способу.
Параметр r рассчитывается по экспериментальным данным методом наименьших
квадратов. Для кривых 11, 12, 13 фиг. 4 значения r соответственно равны 1,08⋅10-9 см-2;
6,23⋅10-10 см-2; 4,21⋅10-10 см-2.
Тогда, например, по кривой 11 для доз (5⋅108 ÷ 4⋅109) см-2, лежащих за пределами дозиметрического диапазона известного способа, в соответствии с (11), S ≈ 0,5 ÷ 4 и может
8
BY 10818 C1 2008.06.30
достигать значений S > 10 при D > 1⋅1010 см-2. Это более чем на порядок превышает возможности известного способа, где S ≤ 1.
Изобретение позволяет определить дозы (1⋅108 ÷ 1⋅1010) см-2 на 1-2 порядка ниже, чем
способом двойного легирования. Действительно, даже наименее чувствительная из этого
диапазона кривая 13 обеспечивает возможность контроля D = 2,5⋅109 см-2 с чувствительностью S = 1,05. При этом для доз 1,3⋅109 см-2 и 2,25⋅109 см-2 на кривых 11 и 12 достигается
S = 1,4 > 1.
Предложенный способ может быть также осуществлен в варианте, когда оба слоя 1 и 2
являются полупроводниковыми и имеют различные типы проводимости (например при
эпитаксиальном наращивании). В этом случае сохраняются все преимущества способа, за
исключением одного из рассмотренных факторов погрешности определения дозы, связанного с влиянием качества (неидеальностью) p-n изоляции, а функцию изолирующего слоя
2 выполняет ОПЗ p-n перехода.
При выборе рабочего полупроводника для реализации способа предпочтение следует
отдавать материалам с большей шириной запрещенной зоны Eg и соответственно меньшей
собственной концентрацией НЗ при T = const. После введения и активации в полупроводниках с Eg > 1,1 эВ (GaAs, CdTe, SiC и др.) донорной или акцепторной примеси можно добиться ее практически полной компенсации путем ионного облучения, например, бором с
дозами Di ~ (1⋅1010 ÷ 1⋅1013) см-2 (в зависимости от значения no, не выходящего за границу
невырожденного состояния). При этом не происходит конверсии проводимости. Калибровочные зависимости фиг. 4 построены для арсенида галлия с Eg = 1,42 эВ. Электрофизические параметры n-GaAs при Di достигают типичных величин R ~ (1⋅1010 ÷ 1⋅1011) Ом,
I ~ (1,5-2) ⋅10-9 А, т.е. обеспечивают электрическую изоляцию контактных площадок 5
друг от друга. Это приводит к резкому падению чувствительности калибровочных зависимостей при D > Di и означает достижение верхнего предела по измеряемым дозам в
данном типе полупроводника и данном исходном уровне его легирования. На фиг. 4
Di ≤ 1⋅1011 см-2 только для кривой 11, где область D > Di обозначена пунктиром. Однако
при D << Di в легированных широкозонных полупроводниках становятся доступными
контролю очень низкие дозы - (1⋅108 ÷ 1⋅109) см-2 - даже для сравнительно легких ионов
бора и еще более чем на порядок ниже (сверхмалые дозы) для средних и тяжелых ионов
(Аr+, As+, Sb+ и др.).
Практическая реализация предложенного способа определения дозы ионного легирования полупроводниковой структуры иллюстрируется следующим примером.
Исходную партию арсенид-галлиевых пластин диаметром 40 мм n-типа проводимости
[САГ-2БК - 0,10 (8-18) - 0,25 (1-17) МГ, А]/АГЧП-10 ориентации (100) со структурой: подложка 3 (≈400; 1⋅1014) - i-буферный (полу)изолирующий слой 2 (0,80; ≤ 5⋅1014) - n-резистивный слой 1 (0,25; <1⋅1017) - n+-переходный слой 4 (0,12; 8⋅1018), где в скобках последовательно указаны толщина (мкм) и концентрация электронов - основных носителей заряда
(см-3) каждого из слоев, обезжиривали механически и кипятили в диметилформамиде с
лицевой стороны, промывали в деионизованной воде, обрабатывали в растворе NH4OH,
H2O (1:10, 30 сек) и 5 %-ном растворе HCl (30 сек). Проводили фотолитографию омических контактов с использованием фоторезиста ФП-9120 толщиной 1мкм и проявителя 0,5 %-ного раствора гидроксида калия, в установке совмещения и экспонирования ЭМ-5026.
Очищали лицевую поверхность плазмохимическим методом на установке 08 ПХО-100Т-005
с заземленной камерой и высокочастотным электродом (рабочая частота 5,8 мГц) в кислородной плазме при давлении 1 Па и мощности 0,9 кВт. Освежали GaAs в перекисноаммиачном растворе ПАР-200, содержащем 40 мл NH4OH и 150 мл Н2О (10 сек). Осаждали омические контакты - контактные площадки 5 - на вакуумной установке УВН-71П-3
методом резистивного испарения слоев AuGe-Ni-Au толщинами соответственно 0,1 мкм,
0,05 мкм, 0,15 мкм. Сплав-эвтектика AuGe содержал 88 % Аи и 12 % Ge. Весь процесс
9
BY 10818 C1 2008.06.30
осаждения производили в едином технологическом цикле при остаточном давлении 5⋅10-4 Па
и температуре подложки 100 °С. AuGe и Аи получали нагревом в молибденовом, слой Ni в вольфрамовом испарителях, не взаимодействующих с соответствующим рабочим веществом. Снимали фоторезист посредством следующей последовательности химических обработок: диметилформамид (10 мин) - кипячение (1 мин) - отстаивание - промывка в Н2О и делали добавочную химическую обработку в перекисно-аммиачном растворе, аналогичную той, которая проводилась перед фотолитографией омических контактов. Вжигали
омические контакты при температуре 420 °С в течение 5 мин в форменгазе.
Проводили фотолитографическое вскрытие окон 7 для травления путем маскирования
сформированных контактных площадок 5 тем же фоторезистом и плазмохимическую очистку поверхности. Осуществляли процесс травления окон 7 в n+-GaAs в перекисноаммиачном растворе ПАР-35 с содержанием NH4OH, Н2О2 и Н2О в пропорции 1 : 0,35 : 49
со скоростью 0,1 мкм/мин на глубину 0,2 мкм, т.е. граница травления расположена в резистивном слое 1. Технологический цикл изготовления системы идентичных базовых кристаллов, изображенной на фиг. 1, завершали удалением фоторезиста с контактных
площадок 5, расстояние между которыми равно 3 мкм. Пространственное разрешение
способа задается линейным размером одного базового кристалла d = 220 мкм.
Уровень легирования n+-переходного слоя 4 исходных пластин позволяет обеспечить
контактное сопротивление менее 3⋅10-8 Ом⋅см2 [11], т.е. омичность контакта "зондполупроводник" через переходный слой 4 и области контактных площадок 5 после их
вжигания.
Уровень легирования n-резистивного слоя 1 ниже эффективной плотности состояний в
зоне проводимости n-GaAs (nc = 4,21⋅1017 см-3) и соответствует невырожденному состоянию полупроводника.
Зонды 6 характериографа Л2-56А последовательно перемещали по контактным площадкам 5 тридцати базовых кристаллов, снимая ВАХ резистивного слоя 1 каждого кристалла. Определяли сопротивление резистивного слоя 1 по линейному начальному
участку ВАХ так, как показано на фиг. 3, и вычисляли среднее значение сопротивления по
всем базовым кристаллам и пластинам. Полученное исходное значение Ro = 0,29⋅103 Ом.
Далее контрольные GaAs-структуры подвергали облучению ионным пучком 8 с различными опорными дозами легирующей примеси - бора с Е = 100 кэВ на установке "Везувий-3М", которая специально предназначена для имплантации малых и средних доз. В
резистивный слой 1 каждой контрольной структуры внедряли одну дозу. Повторяли описанную выше измерительную процедуру в тех же базовых кристаллах для каждой пластины
в отдельности с усреднением. Опорные дозы ионного легирования соответствовали обозначенным на фиг. 4 символом "о" экспериментальным точкам, по которым методом наименьших квадратов проводили калибровочную зависимость 11 с параметром r = 1,08⋅10-9 см2
формулы (10).
Затем в неимплантированную контрольную структуру внедряли ионы бора с той же
энергией, но с отключенным блоком измерения дозы БИД-9 установки ионного легирования при плотности ионного тока 1,4⋅10-4 нА/см2 в течении 150 сек. Аналогичным образом
определяли параметр дозы R = 1,34⋅103 Ом и по калибровочной зависимости определяли
дозу D = 1,30⋅109 см-2, меньшую минимально измеряемой известным способом, т.е. не
входящую в его дозиметрический диапазон, с чувствительностью S = 1,4 (рассчитанной
через (11)), превышающей максимальную S в известном способе. При этом соответствующая опорная доза D = 1,25⋅109 см-2, набранная ранее по БИД-9, уточнена на 5 %. За
счет наличия легированного до 8⋅1018 см-3 переходного слоя 4 (контактное сопротивление
(2-5)⋅10-8 Ом⋅см2), а также i-буфера - изолирующего слоя 2, величина ∆R/R заведомо меньше,
чем случайная погрешность измерения R в известных аналогах. Учитывая, что в данном
примере реализации S > 1, из (6') следует гарантированное уменьшение относительной
10
BY 10818 C1 2008.06.30
дозиметрической погрешности в сравнении с известным способом как минимум в S = 1,4
раза.
В приведенном примере выполнена поставленная задача по определению доз ионного
легирования менее 1⋅1010 см-2 с высокой (>1) чувствительностью. Одновременно достигается более высокое качество дозиметрии - исключением одной из компонент ее случайной
погрешности.
Применение способа определения дозы ионного легирования полупроводниковой
структуры позволило воспроизводимо (с точностью ±2,5 %) технологически корректировать номиналы объемных арсенид-галлиевых резисторов в СВЧ-усилителях диапазона
1 ÷ 12 ГГц ионными дозами менее 1⋅1010 см-2. Подгонка проводимости к заданному допустимому интервалу методом ионной имплантации с низкими дозами стабильно обеспечивает увеличение на 3-4 % выхода годных изделий указанной спецификации.
Источники информации:
1. A.с. 1829789, MПK H 01L 21/66 // Бюл. 2. - 1992.
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.
3. Основы микроэлектроники. Степаненко И.П. - М.: Изд-во "Лаборатория Базовых
Знаний", 2001. - 488 с.
4. On the leakage current of present-day manufactured semiconductor junctions. Obreja Vasile V.N. Solid-State Electron. - 2000. - 44, N1. - С. 49-57.
5. Моделирование тока генерации-рекомбинации носителей заряда в p-n переходе.
Старосельский В.И. // Микроэлектроника. - 1994. - 23. - № 2. - С. 50-56.
6. Ионная и фотонная обработка материалов. Комаров Ф.Ф. - Минск: ВУЗ-ЮНИТИ,
1998. - 209 с.
7. Electrical impedance tomography applied to semiconductor wafer characterization. Djamdji F., Gorvin A.C., Feeston I.L., Tozer R.C., Mayes I.C., Blight S.R. Meas. Sci. and Technol. 1996. - 7. - N 3. - С. 391-395.
8. Monitoring low dose single implanted layers with four-point technology. Chen James Т.С.
Nucl. Instrum. and Meth. Phys. Res. - 1987. - 21. - N 2-4. - С. 526-528.
9. Daily 1-1012 monitoring of an ion implanter. Cherekdjian S., Weisenberger W. Nucl. Instrum. and Meth. Phys. Res. - 1991. - 55. - N 1-4. - С. 178-182.
10. Современные приборы на основе арсенида галлия / М. Шур. - М.: Мир, 1991. - 632 с.
11. Irradiation induced defects for lifetime control in silicon. Keskitalo Niclas. Acta univ.
upsal. Compr. Summ. Uppsala Diss. Fac. Sci. and Technol. [Acta univ. upsal. Compr. Summ.
Uppsala Diss. Fac. Sci.]. - 1997. - N 291. - С. 1-49.
Фиг. 2
11
BY 10818 C1 2008.06.30
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
748 Кб
Теги
by10818, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа