Способ определения коэффициента диффузии в полупроводниках

 

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) Н 01 Ь 21/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 337427 3/18-25 (22) 04.01.82 (46).07.11.83. Бюл. 9 41 (72) К.Г.Барбакадзе (53) 621.382(088.8) (56) 1; Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. М., Издательство физико-математической литературы.

1961 с. 201.202.

2.. Атомная диффузия в полупроводниках. Под ред. Д.Шоу, М., Мир, 1975., с. 213-218 (прототип). (54) (57) 1.СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИ

ЦИЕНТА ДИФФУЗИИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ,основанный на измерении электрического . сопротивления полупроводника,о т л ич а ю шийся тем,что,с целью уменьшения его трудоемкости, измеряют удельное электрическое сопротивление нелегированного полупроводника, за" тем производят легирование полупро- водника до концентрации примеси

10 -10 " см, вырезают из полупроводника столбик, удаляют диффузионным отжигом примесь из приповерхностной области торца столбика, измеряют распределение сопротивления по обра- зующей боковой поверхности столбика с помощью скользящего зонда и контактов, нанесенных на торцы столбика, по измеренному распределению сопротивления графоаналитически определяют электрическое сопротивление приповерхностной области торца столбика ) и определяют коэффициент .

Г диффузии по формуле

9p,И к=

-Г где 0 — электрическое сопротивление

1.к приповерхностной области торца столбика;

Г удельное электрическое сопротивление полупроводника до легирования)

D - коэффициент диффузии)

O продолжительность отжига. Е

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю" щ и,й с я тем, что удаление лвгирую- фф щей примеси из приповерхностной об- у ев ласти торца столбика производят путем нанесения перед проведением диффузионного отжига на торец столбика с геттерирукицего слоя.

3. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что удаление легирующей примеси из приповерхностной области торца столбика производят ,путем испарения в вакуум не менее

10 4мм тр.ст.

105З1а9

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для контроля полупроводниковых материалов.

Известен способ определения коэфФициента диффузии в полупроводниках, основанный на определении скорости перемещения р-п.перехода, образующегося в процессе диффузии примеси, путем изготовления косого шлифа, его окрашивания и измерения расстоя- 10 ния между границей шлифа и р-.n переходом (1).

Недостатком этого способа является высокая трудоемкость.

Наиболее близким.к предложенному 15 является способ .определения коэффи циента диффузии в полупроводниках, основанный на измерении электрического сопротивления полупроводника(2), Недостатком этого способа являет- щ ся высокая трудоемкость, обусловленная необходимостью последовательного многократного снятия слоев. Способ не пригоден для определения коэффициента диффузии примесей, не образую- р5 щих в материале полупроводника р-и .переход.

Цель изобретения - уменьшение трудоемкости способа.

Это достигается тем, что соглас- ) но способу определения коэффициента диффузии в полупроводниках, основанному на измерении электрического сопротивления полупроводника, измеряют удельное электрическое сопротивление нелегированного полупроводника, затем производят легирование полупроводника до концентрации примеси

10 "-10 см вырезают из полупроводника столбик, удаляют диффузионным отжигом примесь из приповерхностной 40 области торца столбика, измеряют распределение сопротивления по образую" щей боковой поверхности столбика с помощью скользящего зонда и-контактов, нанесенных на торцн стОлбика, 45 по измеренному распределению сопротивления графоаналитическй определяют электрическое сопротивление приповерхностной области торца столбика p„ и определяют коэффициент диф- 50

Фузии по формуле pî® к . . где рк — электрическое сопротивление ,55 приповерхнос тной области торца cÒîëáèêà;

1 удельное электрическое со" противление полупроводника до легирования) 60

D - кЬэффициент диффузии) продолжительность отжига, Удаление легирующей примеси иэ приповерхностной области торца столбика производят путем нанесения пе- 65 ред проведением диффузионного отжига на торец столбика геттерирующего слоя. удаление легирующей примеси из приповерхностной области торца столбика производят путем испарения в вакуум. не менее 10 4 мм рт.ст.

На фиг. 1 приведен график распределения примеси по глубине приповерх" ностной .области столбика на фиг,2 график эквивалентного распределения примеси по глубине приповерхностной области столбика.

Сущность способа состоит в установлении функциональной зависимости между коэффициентом диффузная легирующего элемента в полупроводник и электросопротивлением поверхностного диффузионного слоя грани столбика полупроводника в направлении градиента концентрации легирующего элемента (перпендикулярно плоскости грани), а затем в измерении величины этого электрического сопротивления и вычислении установленной функциональной зависимостью коэффициента.. диффузии.легируюшего элемента в полупроводник.

Диффузионный отжиг столбика равномерно легированного полупроводника, при условии, что s любой момент отжига концентрация легирующего элемента на его поверхности равна нулю, т.е. диффундированный из объема столбика полупроводника легирующий элемент не задерживается на его иоверхности, полностью удаляется в среду, контактирующую с этой поверхностью (это условие достаточно хорошо выполняется, когда поверхность столбика полупроводника контактирует с геттером легирующего элемента илй с глубоким, не менее чем 10 4мм рт.ст., вакуумом, обеспечивающнм безвозвратное испарение легирующего элемента), что приводит к его раэлегированию.

При этом в начальный момент диффузионного отжига разлегируется лишь приповерхностная область столбика полупроводника. Чем меньше продолжительность отжига и значение коэффици" ента диффузии легирующего элемента в полупроводник, тем меньше глубина раэлегированной области. В случае когда глубина разлегированной приповерхностной области не превышает 1% линейных размеров столбика полупроводника, отношение его разлегированного объема к неразлегированному настолько мало (менее, чем 5Ъ), что кинетику удаления легирующего элемента через любую ere грань можно рас-. смотреть как диффузию примеси из полуограниченного тела со связывающей границей. Если прикладывать к торцам такого столбика полупроводника металлические электроды и измерить со сто 1053189 роны боковой грани распределение электрического сопротивления по ее длине (от одного до другого электрода), на полученной кривой электросопротивления разлегированных поверхностных областей торцов столбика полупроводника проявляются контактные злектросопротивлення между столбиком полупроводника и прилегающими к нему электродами. При этом имеется в виду, что электрическое сопротивление сты- 10 ка электрод-столбик полупроводника не превышает 2Ъ электрического сопротивления столбика полупроводника (точность измерения электрического сопротивления последнего) и удель- 15 ное злектросопротивленив нелегированного полупроводника гораздо больше легированного, например н 10 -10 раз, как в случае кремния, германия, и сплавов кремний-германий при их легировании до концентрации 10 10 см фосфором, бором, мышьяком и сурьмой. Если величина контактного электросопротивления составляет не менее чем 10% от общего электросопро" 15 тивления столбика полупроводника, на полученной кривой его достаточно точно можно определить и с его помощью вычислить коэффициент диффузии, легирующего элемента в полупроводник.

Учитывая зто и укаэанный выше интервал возможного изменения отношений удельных злектросопротивлений нелегированного полупроводника к легированному, допустимая минимальная глубина разлегированной поверхностной области торца столбика полупроводни» ка, с помощью которой можно определить коэффициент. диффузии легирующего элемента в полупроводник при отношении удельных электросопротивле- 4() ний 10, составляет 0,1Ъ длины столбика полупроводника, а при отношении

10 составляет 0,0001%. Ha,практике такие маленькие глубины разлегирова- ния достигаются при сравнительно ко-, 45 ротких временах диффузионного отжига что значительно ускоряет процесс определения коэффициента диффузии дегирукицего элемента в полупроводник.

По теоРии диффузии кинетика удале-5() ния примеси из полуограниченного те-: (ла х 0 со связывающей границы х 0

N.(Î, t) 0 в случае ее равномерного распределения М (Х,О) =Ц =сопз1 описывает- . уравиеиием - - 55

Х

N(,Ц=Нзег1 где N(x, t) - концентрация примеси в некоторой точке тела :, через время tg - 60

D. - коэффициент диффузии примеси в теле (при условии, что D не за» .висит от N)

erf - функция ошибок Гаусса. 45 распределение примеси в глубь тела по этой зависимости изображено на фиг. 1.

Количество примеси удаленной через границу х 0 сечением S за время

t математически можно записать сле" дующим образом:

ОО

EO

Q=5I(llx-N(xxljdx=N>5JI(хх оа х 2

=<5) е 1с dx = N, — (Я „у- — О (=>o at и

2 где множитель ЯЬ представляет

Ю ,толщину такого полностью разлегиро.ванного приграничного слоя, которая по величине потери количества примеси эквивалента реальной разлегирован, ной приграничной области тела.

Если обозначить эту толщину как-. д(Ц= — » йТ и откладывать ее с поверхности (c границы) вглубь образца, тогда пред« ставляется возможным истинное распределение концентрации примеси (1) через время t заменить его эквивалентным распределением

>«dB) к(» ц=о х hatt) й(t)=l40

Распределение примеси с поверхнос ти вглубь тела по этой зависимости изображено на фиг. 2. Если твердым телом является примесной полупроводник, а примесью — легирующий элемент полупроводника, тогда электросоцротивление разлегированной поверхностной области полупроводника сечением

1 см2 и толщиной d (Ч при приведенных выше условиях представляет удельное электросопротивлвние контакта и определяется соотношением к=,4Ж, 2ðå гдето удельное электросопротивление иелегированного полупроводника.

С помощью этой формулы сравн3к» тельно легко и бМстро определяют коэффициент диффузии легирующего элемента в,полупроводник. Для этого через определенное время-диффузионного отжига измеряют Распределение электросопротивления с.поверхности, вглубь образца (измерение проводят со скользящим зондом в течение

1-2 мин) и из полученной кривой оп. 1053189

Редактор A.Êîçoðèç Техред A.Áàáèíåö

Корректор М.Шароши

Заказ 8884/51 Тираж 703 Подписное

aHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35(Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4 ределяют электросопротинление < между столбиком полупроводника и йриле« гающего к нему электроду. Зная нвличину удельного электросопротинления нелегированного полупроводника с помощью формулы (5) определяют D, Пример. Определение коэффициента диффуэии лвгирующего элемента - фосфора в кремнегерманиеный сплав состава S1 45 нес.е +Ge 55 10 вес.е проводят следующим образом.

Нелвгированный силан указанного состава с удельным электросопротинле» нием Р =0,45-0,50 Ом см легируют фосфором до концентрации 0,8-1,0 (5

10 см. Затем иэ полученного слитка вырезают столбик сечением 0,5 см»"

«0,5 см и длиной 1 см, припаивают на его торцы вольфрамовые пластины толщиной по 0,5-1 мм (вольфрам выше тем-2р пературы 650 С является геттером для фосфора, сэязывает фосфор и образует ФР) и проводят диффузионный отжиг в эвакуированной до 10 4мм рт,.ст. запаянной кварцевой ампуле. После отжига при 750 С в .течение =100 ч; нвличина (> 4,8 5,0 10 0М см.

Подстанляют эти параметры а формулу (5) и значение коэФфициента диффузии фосфора в кремнегерманиевый сплав состава Si 45 вес.е+Ое 55 вес.е при

750 С получают равным D=2,0 2,7 х 10 4см /с что достаточно хорошо совпадает с литературными данными D

2-3. 10 4см2/с

В результате использования предлагаемого способа ускоряется и упрощается процесс определения коэффициента диффузии легирующего элемента в полупроводник и снижается трудоемкость способа.