Способ определения температурного поля

 

Использование: производство полупроводниковых приборов и интегральных схем, технология наращивания эпитаксиальных слоев. Сущность изобретения: в зоне нагрева размещают термоиндикатор .в виде пластины кремния р-типа проводимости с ион но-ммплантированным слоем сурьмы , П редварительно термбийдйкат 6р окисляют в среде влажного кислорода при температуре 800-900°С в течение 90-150 мин. После выдержки тёрмоиндикатора при темпера-fype нагрева не менее 1000°С в течение 10-720 мин его охлаждают до комнатной температуру.. Удаляют окисную пленку и измерйют сопротивления в ряде точек поверхности термоиндйкатора, по значениям которых расчетом по приводимой формуле определяют температурное поле./ . / . ;. .. ; :.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gi)s 6 01 К 11/00, 7/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) чтчты,„

«6йьЯф4$

НИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ""- :- -::: :. ;.ки

° . ., 1ч ч

ОПИСА

К ПАТЕНТУ (21) 4898924/10 (22) 02.01;30 (46) 30.04.93. Бюл, %.16 (71) Научно-исследовательский институт материаловедения им. А,Ю. Малинина (72) B,Ñ. Белоусов, В.Е . Зотов, Ю.Ф. Козлов и А.И. Сидоров (73) B.C.Áåëoóñoâ (56) 1. Современные электронные приборы и схемы в физико-химическом исследовании. M.: 1971, с, 429-432.

2. М!сгое!ес1гап1с Manufacturing and

Testing, 1989, v. 12, р. 23-24. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ (57) Использование: производство полупроводниковых приборов и интегральных

Изобретение относится к термометрии и можВт быть испальзовано для записи.и расшифровки записей температурных полей на поверхности нагретого твердого. те- ла, например. в производстве полупроводниковых приборов и интегральнйх схем, в частности в технологии йаращивания зпитаксиальных слоев.

Целью изобретения является снижение абсолютной погрешности измерения температуры при регистрации температурного . поля.

Цель достигается тем, что в способе регистрации температурного поля, включающем размещение термаиндикатора в виде кремйиевой пластины р-типа проводимости с ионно-имплантированным слоем элемента Ч группы в зоне нагрева, выдержку его в

: течение заданного промежутка времени

t йри температуре не менее 10000С, охлаж Ы 1813207 АЗ

2 схем, технология наращивания эпитаксиальных слоев. Сущность изобретения: в зоне нагрева размещают термоиндикатор р виде пластины кремнйя р-типа проводймости с ион но-имплантированным слоем сурьмы, Предварительно термоиндиткатор окисляют в среде влажного кислор0дач при температуре Й00-900ОС в течение 90-150 мин. После выдержки термоиндикатора при температуре нагрева не менее 1000 С e Течение i0 720 мин его охлаждают до комнатной температуры.. Удаляют окиснуа пленку и измеряют сопрбтивления в ряде точек поверхности термоиндикатора, по значениям которых расчетом по йриводи- мой формуле определяют температурное я поле. дение до комнатной температуры и измерение сойротивленчия Rs в ряде точек поверхности термоидикатора, по значенйям (© кототорого определяют теМпературу 8 точ- д ках измерения, дополнительно перед paa- (,) мещением термоиндикатора в качестве элемента V группы, в материале которОго используют сурьму, взойе.нагрева, его нагревают в среде влажного кислорода для образования окисной пленки при теииеретуре 800-900 С е течение 90-150 миу, выдержку тчемоиндикатора йроводят (1 в гечение 10-720 мин, перед измерением поверхностного сопротивления окисную пленку .удаляют, а температуру определяют по формуле

T=j111794,1/ig(5 . 10 Rs9)-273,г

1813207

В структурах, применяемых в микроэлектронике, доза имплантации Q сурьмы, составляет 3 1016 — 1 1016 см .

В случае, когда скорость образования окисной пленки превышает в 2 раза и более скорость диффузии сурьмы (такие условия реализуются при температурах окисления

800 — 900 С во влажном кислороде в течение

Q0-150 мин),происходит скопление имплантированной сурьмы на границе Si02-SI в очень тонком переходном слое (ПС), расположенном со стороны скисла (толщина образующегося ПС с.оставляет величину бдс = 2 10 см), -6

В процессе роста SION сурьмы непрерывно "выдавливается" из ПС на границу ПС-SI, и ее концентрация Ns(Ns = —. 1,5 . 10 смз) на

Q оп с границе с кремнием во много раз превыша- 20 ет величину предельной растворимости сурьмы Nc(N = 4 10 см вдиапазоне температур 1000-1300 С) в кремнии., Таким образом, ПС представляет собой ис очник сурьмы Очень б льшой емкости, и 25 если пластину, содержащую такой источник, поместить в температурное поле, сурьма будет диффундировать в кремний из ПС как из источника неограниченной мощности с поверхностной концентрацией йо(равной величине предельной растворимости сурьмы при данной температуре) вплоть до полного истощения источника, Экспериментально установлено, что в диапазоне температур Т-1000-1300 С за- .35 висимость Rs формирующегося диффузионного слоя от Т является линейной в координатах Аррениуса igRs=f(1/Т). Обработка экспериментальных данных после различной выдержки термоиндикаторов в 40 указанном температурном диапазоне в течение фиксированного времени t(t-10 - 720 мин) позволила установить аналитическое .выражение для зависимости Rs=f (Тл):

Т= (11794,1./Ig(5 10 Rs Ю}) -273,2

Абсолютная погрешность при определении температуры данным методом составляет величину + (3-8) С при выдержке 50

10-720 мин, т.к. длительность переходных процессов нагрева термоиндикатора при этом намного меньше его выдержки, и температура Т целиком определяется погрешностью измерения Rs, которая, например, 55 на установке ИУС-3 не превышает 2 (,.

Сформировэвшийся в процессе окисления слой Я!02 помимо основной функцио

: - нальной нагрузки формирования источника сурьмы выполняет еще и защитные функции (препятствует потере сурьмы из источника эа счет испарения или взаимодействия с активной газовой средой), так что выдержку термоиндикатора можно осуществлять практически в любых условиях (в частности, в условиях воздействия химически-активной среды)..

При температуре образования окисной пленки (температура окисления) более

900 С скорость окисления кремния во влажном кислороде V«всегда больше скорости перемещения диффузионного фронта сурьмы в объем кремния иэ имплантированного слоя Чдиф. Для этих температур, соответственно, имеем Чок=2,0 10 мкм/мин сдиф=1 8 — 10 мкм/мин, в результате чего в

-з кремнии образуется шунтирующий р-п-переход; который .вносит неконтролируемую составляющую проводимости при измерениях Rs и, как следствие, дает эффективное значение температуры, отличающееся от реального значения. Погрешность определения температуры в данном случае составляет 18ОС, При температуре окисления менее

800 С ионно-имплантированная сурьма не успевает полностьюокислиться, вследствие. чего в ПС не успевает сформироваться источник сурьмы большой емкости. В этом случае нет линейной зависимости ig Rs=f(1/Ò) и расчет температуры по формуле также дает фиктивные значения температуры, отличающиеся от реальных.

Формирование окисной пленки менее чем за 90 мин также не позволяет образоваться источнику сурьмы большой емкости.

Формирование окисной пленки более чем за 150 мин нецелесообразно, т,к, известно, что такая длительная термообработка в среде влажного кислорода приводит к образованию крупных дефектов окисления, которые являются центрами стока быстродиффундирующих примесей, т.е. образуют проводящие каналы в кремнии, влияние которых в процессе измерения P практически невозможно учесть. Погрешность регистрации температуры в данном случае составляет 17 С.

При изотермической выдержке термоиндикатора более 720 мин наблюдается истощение источника сурьмы в ПС, т.е. слоевая концентрация сурьмы в ПС становится равной предельной растворимости сурьмы в кремнии для данной температуры.

Кроме того, изотермическая выдержка более 720 мин неэффективна, т.к. всю необхо- димую информацию о температурном поле можно получить либо за более короткое время, либо используя многостадийную экспо1813207 с диаметром, равным 60, 100, 150 мкм и толщиной, соответственно, 210-300, 420460, 480 — 550 мкм.

Данное изобретение может быть использовано для записи и расшифровки записей температурных полей не только на поверхности нагретого тела, но и в обьеме реактора. Определение температурного поля можно проводить по любому количеству точек, измеряя их поверхностное сопротивление, с последующим расчетом Т по формуле и независимо от их расположения, Использование изобретения позволяет регистрировать температурное поле с погрешностью измерения температуры 2-9ОС, Формула изобретения

Т= f1 1794,1/tg(5 10 В®) — 273,2

Т=(11794,1/Ig(5 10 Rslft)) — 273,2

Составитель Н.Соловьева

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор

Заказ 1595 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 зицию с последовательной заменой термоиндикаторов.

При изотермической выдержке менее

10 мин влияние переходных процессов нагрева термоиндикатора до выхода на изо- 5 термический режим, а также переходных процессов охлаждения термоиндикатора приводит к тому, что скорость перемещения диффузионного фронта примеси за время переходных процессов становится соизме- 10 римой са скоростью перемещения диффузионного фронта при выдержке, и рассчитанное по формуле значение температуры будет заниженным, намного отличающимся от реального значения 15 температуры.

Г1ример конкретного выполнения.

В пластину кремния марки КДБ-10 диаметром 76 мм и толщиной 320 — 380 мкм проводят имплантацию ионов сурьмы с 20 энергией Е=50 кэВ и дозой 0=6 . 10 см%2, после чего ее окисляют во влажном кислороде при Т=850 С в течение т=120 мин, Сформированный таким образом термоиндикатор размещают на графитовом пьеде- 25 стале эпитаксиальной установки УНЭС-101, Затем термоиндикатор нагревают до температуры 1180 С, выдерживают. в течение 120 мин, затем охлаждают в течение 5 — 10 мин, разгружают с пьедестала, после чего трав- 30 лением в растворе плавиковой кислоты удаляют с термоиндикатора слой окисла, Затем на термоиндикаторе измеряют поверхностное сопротивление P четырехзондовым методом в трех точках, равномерно распо- 35 ложенных на диаметре, который перпендикулярен базовому срезу, и рассчитывают температуру нагревания в точке измерения по формуле

Для формирования термоиндикаторов ., могут быть использованы кремниевые пластины, применяемые в эпитаксии кремния, 45

Способ определения температурного поля, включающий размещение в зоне нагрева термоиндикатора в виде пластины из кремния р-типа проводимости с ионно-имплантированным слоем элемента V группы, выдержку его в течение заданного промежутка времени — t при температуре не менее

1000 С, охлаждение до комнатной температуры и измерение сопротивлений Rs в ряде точек поверхности термоиндикатора, по значениям которых определяют температурное псле, отл ича ю щийся тем, что, с целью повышения точности, перед размещением термоиндикатора, в качестве элемента Vгруппы,,в материале которого используют сурьму в зоне нагрева, его окисляют в среде влажного кислорода при тем-. пературе 800-900 С в. течение 90-150 мин, выдержку термоиндикатора проводят в течение 10-720 мин., перед измерением поверхностного сопротивления окисную пленку удаляют, а температуру определяют по формуле: