Способ контроля поверхностных диэлектрических слоев

 

Сущность изобретения: при воздействии пучка ионов измеряют пробивное напряжение р-п-перехода рабочей структуры при одной и другой полярностях ионов, фиксируют максимальное и минимальное напряжения пробоя и вычисляют величину переменного поверхностного заряда по приведенной формуле.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для оценки качества диэлектрических слоев на поверхности полупроводниковых структур, имеющих p-n-переход.

Известен способ оценки качества диэлектрических слоев на поверхности полупроводниковых структур [1], заключающийся в снятии C-V-T характеристик на МОП-структуре и определении через величину сдвига C-V характеристики, толщины диэлектрика и его диэлектрической постоянной величины переменного заряда.

Недостатками данного способа являются низкая производительность контроля, статистический характер контроля и зависимость диэлектрической постоянной от состава диэлектрика.

Известен способ оценки качества диэлектрических слоев на поверхности полупроводниковых структур [2] , заключающийся в том, что на поверхность полупроводниковой структуры воздействуют ионным пучком положительной или отрицательной полярности до образования инверсионного слоя в контролируемой области структуры, отключают источник ионов на заданный промежуток времени, повторно воздействуют ионным пучком на поверхность полупроводниковой структуры до восстановления инверсионного слоя и одновременно определяют производную измеряемого параметра, по максимальной величине и форме которой оценивают степень дефектности диэлектрических слоев в контролируемой области структуры.

Недостатками данного способа являются низкая производительность контроля и отсутствие количественных оценок качества диэлектрических покрытий.

Наиболее близким техническим решением является способ контроля уровня заряда в диэлектрических слоях на поверхности полупроводниковых структур [3] , заключающийся в том, что на полупроводниковую структуру воздействуют потоком отрицательно или положительно заряженных ионов до полной компенсации заряда в диэлектрическом слое контролируемой локальной области структуры, момент достижения полной компенсации заряда определяют по максимальному значению фотонапряжения, вычисляют разность максимального и начального значений фотонапряжений и сравнивают с эталонной структурой.

Недостатком способа является то, что контроль проводится только на полностью изготовленных структурах, необходимо наличие контактных площадок для измерения фотонапряжения, а также отдаленность по времени от процесса создания диэлектрического слоя и невозможность активно влиять на качество проведения этого процесса.

Целью изобретения является упрощение контроля, повышение производительности и оперативности измерений.

На высоковольтный p-n-переход подают напряжение питания, создающее обратное смещение на переходе, контакт осуществляют иглами (зондами) через вскрытые в диэлектрике окна. Для создания обедненного слоя в высокоомной области воздействуют на поверхность p-n-перехода ионным пучком (отрицательной полярности для высокоомной области n-типа, положительной - для р-типа) и одновременно контролируют значение напряжения пробоя перехода. Отключают источник ионов. Для создания обогащенного слоя в высокоомной области воздействуют на поверхность p-n-перехода ионным пучком другой полярности, одновременно контролируют значение напряжения пробоя перехода. После этого по зафиксированным максимальным U_макс и минимальным U_мин значениям напряжения пробоя p-n-перехода вычисляют значение концентрации поверхностного переменного заряда N_п.з. по формуле N_п.з= A, где А - константа, равная минимальной концентрации поверхностного переменного заряда, и определяют степень дефектности диэлектрического слоя путем сравнения полученной величины переменного поверхностного заряда с допустимой величиной заряда, которая определяется экспериментально для конкретного изделия.

В исходном состоянии на поверхности структуры в диэлектрике присутствуют положительные и отрицательные ионы, ловушки, распределенные таким образом, что поверхность электрически нейтральна [4].

Под влиянием краевого p-n-перехода, на который подано обратное смещение, а также электрического поля, возникающего при осаждении ионов, происходит активация ловушек, перемещение ионов к границе раздела кремний-диэлектрик под воздействием второго поля, что приводит к обогащению приповерхностной области (пробивное напряжение снижается) или обеднению этой области (пробивное напряжение повышается) [5].

Степень изменения пробивного напряжения под воздействием потока ионов пропорциональна концентрации переменного заряда, знак которого определяется из направления изменения пробивного напряжения (снижение или возрастание от исходного значения), полярности ионов и типа проводимости высокоомной области p-n-перехода. Если пробивное напряжение максимальное при воздействии потоком отрицательных ионов для высокоомного полупроводника n-типа или при воздействии потоком положительных ионов для высокоомного полупроводника р-типа, то знак заряда диэлектрика - положительный. Допустимая величина заряда, характеризующая качество диэлектрического слоя, определяется экспериментально для конкретного изделия по результатам сравнения результатов для годных и забракованных на испытаниях изделий.

П р и м е р 1. Транзистор кремниевый планарный p-n-p-типа, высоковольтный p-n-переход коллектор-база (база высокоомная n-типа).

Для создания обедненного слоя воздействуем на обратносмещенный коллекторный p-n-переход потоком ионов отрицательной полярности, фиксируем значение напряжения пробоя p-n-перехода; U₁ = 190 В.

Для создания обогащенного слоя воздействуем на обратносмещенный p-n-переход потоком ионов положительной полярности, фиксируем значение напряжения пробоя p-n-перехода U₂ = 150 В. Вычисляем значение концентрации поверхностного переменного заряда, принимая U₁ = U_макс, U₂= U_мин: N_п.з=10¹¹=1,37·10¹¹ см^-2 А = 1·10¹¹ см^-2 [6] , может быть уточнена по сравнительным замерам C-V-T характеристик на МОП-структуре.

Так как U_проб - максимальное при воздействии потоком отрицательных ионов на высокоомный полупроводник n-типа, то заряд положительный, что является типовым для SiO₂ на Si при проведении термопотенциальной тренировки и замерах I_кбо при Т^o = +140^оС на транзисторах, дрейфа тока нет и значения тока меньше технологической нормы, то величина заряда допустима.

Аналогичные измерения проведены на коллекторном p-n-переходе другого кристалла. Получено U_макс = 200В, U_мин = 100В и N_п.з=10¹¹=2,5·10¹¹ см^-2 Так как транзистор бракуется по дрейфу I_кбо при замерах при Т = 140^оС, то величина заряда повышенная.

Таким образом, за допустимую величину поверхностного переменного заряда принимаем N_п.з. < 2 ^. 10¹¹ см^-2 П р и м е р 2. Транзистор типа КТ630 (n-p-n), высоковольтный p-n-переход коллектор-база (коллектор высокоомный).

Для создания обедненного слоя воздействуем на обратносмещенный коллекторный p-n-переход потоком ионов отрицательной полярности, фиксируем значение напряжения пробоя p-n-перехода U₁ = 270В. Значения напряжения пробоя p-n-перехода U₂ = 70В при воздействии потоком ионов положительной полярности. Вычисляем значение концентрации поверхностного переменного заряда при U₁ = U_макс U₂ = U_мин N_п.з=10¹¹=6·10¹¹ см^-2 Заряд положительный. Так как приборы бракуются по I_кбо >> нормы при Т = +140^оС, то величина заряда повышенная.

Для годного по I_кбо транзистора U_макс = =370В, U_мин = 350В и
N_п.з=10¹¹=1,1·10¹¹ см^-2 допустимая величина N_п.з. < 2 ^.10¹¹см
Способ может быть использован как для контроля суммарного переменного заряда после полного формирования транзисторной (диодной) структуры, так и после формирования p-n-перехода.

Экономическая эффективность способа по сравнению с прототипом достигается за счет упрощения контроля (пробивное напряжение, а не фотонапряжение) и возможности количественного, а не качественного определения величины заряда.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ, включающий измерение параметра контролируемой структуры, отличающийся тем, что на структуру воздействуют пучками положительных и отрицательных ионов, каждый раз измеряя пробивное напряжение, и определяют плотность поверхностного заряда и качество поверхностного диэлектрического слоя структуры, сравнивая полученное значение плотности поверхностного заряда с пороговым значением, определенным для данного типа структур по результатам определения плотности поверхностного заряда и измерения браковочного параметра, при этом плотность N_п.з поверхностного заряда определяют из соотношения
N_п.з=A
где U_max и U_min - большее и меньшее из измеренных значений пробивного напряжения;
A - константа, равная минимальной концентрации переменного поверхностного заряда.