Способ определения степени неоднородности легирования полупроводниковых слоев на изолирующих подложках

 

Изобретение касается измерения параметров полупроводниковых материалов и позволяет контролировать степень неоднородности легирования полупроводниковых слоев на изолирующих подложках. Исследуемый и однороднолегированный до такого же уровня эталонный образцы облучают γ -квантами, создающими дефекты структуры. Измеряют в обоих образцах температурные зависимости концентрации носителей заряда, по которым устанавливают интервалы температур ионизации дефектов структуры. Степень неоднородности легирования полупроводникового слоя определяют по величине расширения температурного интервала ионизации дефекта структуры в измеряемом полупроводниковом слое относительно температурного интервала ионизации дефекта структуры в эталонном образце. 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля однородности уровня легирования полупроводниковых эпитаксиальных, ионно-имплантированных и диффузионных слоев на изолирующей подложке.

Известен способ определения неоднородности легирования полупроводников по измерению зависимости емкости диода Шоттки от напряжения [1] Однако данный способ требует формирования на слое тестовой структуры и позволяет измерять неоднородность слоев только на низкоомной подложке.

Известен способ определения неоднородности легирования, основанный на измерении эффекта Холла при послойном удалении материала [2] Однако данный способ является разрушающим.

Наиболее близким к изобретению является способ определения неоднородности полупроводниковых материалов, включающий облучение образца, измерение однотипных характеристик у исследуемого и у однороднолегированного до такого же уровня эталонного образцов, сопоставление измеренных характеристик и определение из сопоставления искомой величины степени неоднородности легирования [3] Недостатком этого способа является то, что с его помощью возможно определение неоднородности только высокоомных слаболегированных материалов. Это связано с тем, что в низкоомных полупроводниках (n>1 ˙10¹³см^-3) ширина области пространственного заряда вблизи выпрямляющего контакта при приложении к нему запирающего напряжения, близкого к пробойному, недостаточна для надежной регистрации сигнала фотоответа.

Цель изобретения расширение возможностей способа в область сильнолегированных материалов.

Цель достигается тем, что в способе определения неоднородности легирования полупроводниковых слоев на изолирующих подложках, в котором проводят облучение образца, измерение однотипных характеристик у исследуемого и у однороднолегированного до такого же уровня эталонного образцов, сопоставление измеренных характеристик и определение из сопоставления искомой величины степени однородности легирования слоя, согласно изобретению измеряемый полупроводниковый слой одновременно с эталонным образцом облучают частицами высоких энергий, создающими дефекты структуры, измеряют в обоих образцах зависимости концентрации носителей заряда от температуры в диапазоне от 77 до 400 К, определяют внутри этого диапазона температурные интервалы ионизации дефектов структуры, а степень неоднородности легирования полупроводникового слоя определяют по величине расширения температурного интервала ионизации дефекта структуры в измеряемом полупроводниковом слое относительно температурного интервала ионизации дефекта структуры в эталонном образце.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. При облучении полупроводников частицами высоких энергий в кристаллической решетке образуются стабильные радиационные дефекты структуры. Эти дефекты вносят в запрещенную зону полупроводника локальный энергетический уровень, находящийся в интервале между серединой запрещенной зоны и краем зоны основных носителей заряда. Захват носителей заряда на этот уровень приводит к появлению "ступеньки" на зависимости концентрации носителей заряда от температуры в температурном интервале ионизации дефекта структуры. В этом интервале зависимость концентрации n носителей заряда от температуры Т определяется следующим выражением: n (1) где n₁ и n_o концентрации носителей заряда соответственно до и после перехода носителей заряда с энергетического уровня дефекта в зону основных носителей заряда; N_c эффективная плотность состояний в зоне основных носителей заряда; g фактор спинового вырождения легирующей примеси; Δ Е энергетический зазор между энергетическим уровнем дефекта структуры и краем зоны основных носителей заряда; k постоянная Больцмана.

Обозначим для определенности температурой Т_и ионизации дефекта структуры такую температуру, при которой ионизовалась половина дефектов структуры. Получаем, что концентрация носителей заряда при этой температуре n=0,5 (n_o+n₁). Подставив это значение в соотношение (1), получаем 0,5(n_o+n₁) (2)
откуда
n_o- (3)
Соотношение (3) показывает, что Т_и зависит как от концентрации дефектов структуры, которая равна (n_o-n₁), так и от уровня легирования полупроводника, равного n_o. При этом с ростом концентрации дефектов структуры значение Т_и уменьшается, а с увеличением уровня легирования, наоборот, увеличивается. В этом случае, если уровень легирования измеряемого полупроводникового слоя неоднороден, переход носителей заряда с энергетического уровня дефектов структуры в зону основных носителей заряда, происходящий с повышением температуры в интервале ионизации дефектов структуры, начинается в слаболегированных областях кристалла при более низких температурах, чем в сильнолегированных областях, а заканчивается в сильнолегированных областях, при более высоких температурах, чем в слаболегированных. Это приводит к расширению температурного интервала ионизации дефектов структуры в полупроводнике с неоднородным уровнем легирования. Связь величины расширения температурного интервала ионизации дефектов структуры со степенью неоднородности уровня легирования слоя можно определить расчетным путем с помощью анализа соотношения (1) для конкретных значений Δ Е и (n_o-n₁), а также экспериментальным путем с помощью измерения температурных интервалов ионизации дефектов структуры в наборе облученных калибровочных образцов, степень неоднородности уровня легирования которых известна.

Сущность предложенного способа поясняется фиг. 1, где приведены температурные зависимости концентрации носителей заряда в двух однороднолегированных полупроводниковых образцах, в которых путем облучения частицами высоких энергией образовано одинаковое количество радиационных дефектов структуры. Уровень легирования первого образца n_o(кривая 1) превышает уровень легирования второго образца n'_o (кривая 2), поэтому, как видно из приведенных на фиг. 1 зависимостей, температура ионизации дефектов структуры Т'_и в первом образце выше значения Т''_иво втором образце. На фиг. 2 кривой 1 показана температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда в однороднолегированном эталонном образце и кривой 2 в полупроводниковом слое, уровень легирования которого неоднороден, но интегральная по слою концентрация свободных носителей заряда n_o (средний по слою уровень легирования) такая же, как и в эталонном образце. Эталонный образец и полупроводниковый слой, характеристики которых приведены на фиг. 2, были одновременно облучены одинаковым потоком проникающих высокоэнергетических частиц. На фиг. 2 видно, что температурный интервал Т'_о-Т'₁ ионизации дефектов структуры в неоднороднолегированном полупроводниковом слое шире температурного интервала Т_о-Т₁ ионизации этих же дефектов структуры в эталонном образце.

П р и м е р. Определяют степень неоднородности уровня легирования эпитаксиального слоя n-кремния 3, ОКЭФ1, выращенного на сапфировой подложке. Для этого методом Ван-дер-Пау измеряют интегральную концентрацию носителей заряда в слое при комнатной температуре. Она равна n_o=4,5˙ 10¹⁵ см^-3. Выбирают эталонный образец из кремния КЭФ1, однороднолегированного фосфором до уровня 4,5 x x10¹⁵ см-³. Этим условиям отвечают, как правило, вырезанные из слитка объемные образцы кремния, однороднолегированные из расплава. Измеряемый слой и эталонный образец одновременно облучают потоком γ-квантов ⁶⁰Со, равным ≈ 5˙ 10¹⁸ см^-2. Такое облучение приводит к образованию в облученных материалах дефектов структуры, называемых обычно А-центрами и представляющих собой комплексы атома кислорода и вакансии (т.е. незанятого атомом кремния узлового положения в решетке). Энергия Δ Е и фактор спинового вырождения этих дефектов известны и равны соответственно 0,17 эВ и 2. Затем в эпитаксиальном слое и эталонном образце измеряют температурную (в диапазоне 77-400 К) зависимость концентрации носителей заряда. Результаты измерений представляют в графической форме (фиг. 2 кривая 1) для эталонного образца и кривая 2 для эпитаксиального слоя. Из графика определяют интервал температур ионизации дефектов структуры, при которых значения n_o и n₁ в образцах равны соответственно 4,1 ˙10¹⁵ см^-3 и 10¹⁴ см^-3. Интервал температур ионизации дефектов структуры в эталонном образце Т_о-Т₁=250-91=159 К, а в измеряемом слое Т'_о-Т'₁= 261-82= 179 К. Степень неоднородности уровня легирования эталонного образца считают равной единице. Степень неоднородности легирования измеренного полупроводникового слоя определяют по величине расширения температурного интервала ионизации дефектов структуры, которая составила Δ179-159=20 К, и соотношениям (1)-(3), согласно которым полученная величина Δ соответствует изменению n_o по размерам образца от 3,6 ˙10¹⁵ до 5,4 ˙10¹⁵ см^-3. Степень неоднородности уровня легирования измеренного эпитаксиального слоя оказалась Δ n_o= 5,4 ˙10¹⁵/3,6 ˙10¹⁵=1,5. Определение неоднородности легирования этого же слоя по прототипу не позволило получить результат из-за того, что при такой высокой исходной электропроводности слоя прототип оказался неработоспособным.

Таким образом, приведенный пример показывает, что при использовании предложенного технического решения происходит расширение возможностей способа в область сильнолегированных материалов.

Предлагаемый способ был использован при разбраковке по степени неоднородности легирования на партии из 40 пластин диффузионных слоев, используемых в качестве базовых областей биполярных транзисторов. При этом все пластины партии случайным образом разделялись на две подпартии. Одна подпартия А проходила все дальнейшие операции изготовления транзисторов по стандартной технологии. В другой подпартии В предложенным способом определялась степень неоднородности уровня легирования слоев и подпартия разделялась на три серии В₁, В₂ и В₃. Величина Δn_o в серии В₁ находилась в интервале 1,0-1.3; в серии В₂ в интервале 1,3-1,5; а в серии В₃ 1,5-1,8. При проведении операции изготовления эмиттера в сериях В₁, В₂ и В₃ делалась поправка на величину Δn_o; для серии В₁ доза имплантируемой примеси составляла соответственно 800 мкКл (как и в стандартной технологии), для серии В₂ 900 мкКл, для серии В₃ 1000 мкКл. После этого проводился контроль процента выхода годных транзисторов в подпартиях А и В, составившего соответственно 80% и 93% Это показывает, что разбраковка по степени неоднородности уровня легирования предложенным способом позволяет повысить процент выхода годных полупроводниковых приборов.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ НЕОДНОРОДНОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ НА ИЗОЛИРУЮЩИХ ПОДЛОЖКАХ, включающий облучение образца электромагнитным излучением, измерение одинаковых характеристик контролируемого и однородно-легированного до той же концентрации, что и контролируемый, стандартного образцов, сопоставление измеренных характеристик и определение, исходя из него, степени неоднородности легирования слоя, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения сильнолегированных полупроводниковых слоев, полупроводниковый слой одновременно со стандартным образцом облучают потоком γ -квантов, а в качестве характеристик измеряют зависимости концентрации носителей заряда от температуры в диапазоне 77 400 К, определяют внутри этого диапазона температурные интервалы ионизации радиационных дефектов структуры, а степень неоднородности легирования полупроводникового слоя определяют по величине расширения температурного интервала ионизации дефекта структуры в контролируемом полупроводниковом слое относительно температурного интервала ионизации дефекта структуры в стандартном образце.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2