Профилирование сопротивления растеканию - Spreading resistance profiling

Профилирование сопротивления растеканию (SRP), также известное как анализ сопротивления растеканию (SRA), - это метод, используемый для анализа зависимости удельного сопротивления от глубины в полупроводниках . Полупроводниковые устройства зависят от распределения носителей ( электронов или дырок ) в их структурах для обеспечения желаемых характеристик. Концентрация носителей заряда (которая может варьироваться до десяти порядков ) может быть определена из профиля удельного сопротивления, предоставленного SRP.

История

Фундаментальные отношения обычно приписываются Джеймсу Клерку Максвеллу (1831–1879). В 1962 году Роберт Мазур (патент США 3628137) и Дики разработали практичную систему с двумя датчиками, используя пару утяжеленных осмиевых игл.

В 1970 году была основана компания Solid State Measurements для производства инструментов для профилирования сопротивления растеканию, а в 1974 году была основана Solecon Labs для предоставления услуг по профилированию сопротивления растеканию. В 1980 году Дики разработал практический метод определения p- или n-типа с помощью инструмента сопротивления растеканию. Улучшения продолжаются, но им мешают постоянно уменьшающиеся размеры современных цифровых устройств. Для неглубоких структур (глубиной <1 мкм) обработка данных является сложной задачей. Некоторые из участников обработки данных - Дики, Шуман и Гарднер, Чу и др. , Берковиц и Люкс, Эванс и Донован, Пейсенс и др. , Ху, Альберс, Казел и Йорке.

Теория Операции

Если напряжение приложено между двумя наконечниками зонда, обеспечивающими электрический контакт с бесконечной пластиной, сопротивление внутри пластины равно , где: ${\ displaystyle R {=} {\ frac {\ rho} {2a}}}$

${\ displaystyle R}$ измеренное сопротивление в Ом,
${\ displaystyle \ rho}$ (rho) - удельное сопротивление плиты в Ом-см, а
${\ displaystyle a}$ - радиус контактной площадки в см.

Большая часть сопротивления возникает очень близко к электрическому контакту, что позволяет определить местное удельное сопротивление. Зонды создают незначительное сопротивление кремния (почти омический контакт ) во всем диапазоне удельного сопротивления как для p-типа, так и для n-типа (богатого дырками и богатого электронами соответственно). При сведении к минимуму сопротивления проводки и сопротивления растекания внутри наконечников зонда, измеренное сопротивление почти исключительно для образцов кремния, по крайней мере, толщиной. С помощью калибровочных стандартов удельного сопротивления можно определять при каждом зондировании парой зондов. ${\ displaystyle R {=} {\ frac {\ rho} {2a}}}$ ${\ displaystyle 2a}$ ${\ displaystyle \ rho}$

Приборы

На наконечники пробников подается смещение 5 мВ. Измеренное сопротивление может составлять от 1 Ом до одного миллиарда Ом. Усилитель «log R» или электрометр используется для измерения сопротивления.

Механический

Рис. 1. Изображение зондирования куска кремния со скошенной кромкой. (Обычно выполняется от 60 до 100 или более измерений.)

Современный SRP имеет два наконечника зонда из карбида вольфрама, расположенные на расстоянии около 20 мкм друг от друга. Каждый наконечник установлен на кинематическом подшипнике, чтобы минимизировать «царапание». Зонды очень осторожно опускают на кусок кремния или германия со скошенной кромкой. Хотя нагрузка на наконечники зонда может составлять всего 2 г, давление превышает один миллион фунтов на квадратный дюйм (или ~ 10 Гпаскалей), вызывая локализованное фазовое превращение в кремнии в «бета-олово» с образованием почти омический контакт . Между каждым измерением зонды поднимаются и индексируются на заранее определенное расстояние вниз по скосу. Фаски изготавливаются путем установки образца на угловой блок и шлифовки фаски, как правило, с помощью алмазной пасты 0,1 или 0,05 микрометра. Углы скоса, выбранные в соответствии с интересующей глубиной, могут составлять от ~ 0,001 до 0,2 радиана. Необходимо проявлять осторожность, чтобы получить гладкую, плоскую фаску с минимальным закруглением кромки фаски. (См. Рисунок 1.)

Пределы обнаружения

Диапазон прибора обычно составляет от одного до одного миллиарда Ом. Этого достаточно для всего диапазона удельного сопротивления монокристаллического кремния.

Калибровка

Стандарты калибровки были произведены NIST . Набор из 16 стандартов в диапазоне от примерно 0,0006 Ом-см до 200 Ом-см был изготовлен как для n-, так и для p-типа и для ориентации кристаллов (100) и (111). Для высокого удельного сопротивления (более 200 Ом-см и, возможно, более 40 000 Ом-см) значение удельного сопротивления необходимо экстраполировать из калибровочной кривой.

Приложения

Инструмент используется в первую очередь для определения легирующих структур в кремниевых полупроводниках. Глубокие и неглубокие профили показаны на рисунке 2.

Рис. 2 Неглубокий профиль слева, глубокий профиль справа. Концентрация носителей отображается в зависимости от глубины. Области с чистой концентрацией электронов обозначаются как «n» (или n-тип). Области с чистой концентрацией дырок обозначены как «p».

Альтернативные процессы

Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) также очень полезна для профилирования примесей. ВИМС может обеспечить концентрацию атомов в динамическом диапазоне в течение трех или, в некоторых случаях, четырех десятилетий. SRP может определять концентрацию носителей (электрически активная примесь) в более чем восьми или девяти декадах динамического диапазона. Часто методы дополняют друг друга, хотя иногда и являются конкурентными. Оборудование для SIMS, как правило, значительно дороже в производстве и эксплуатации. В то время как сопротивление растеканию ограничено кремнием, германием и некоторыми другими полупроводниками, SIMS может профилировать атомную концентрацию практически всего в чем угодно. SIMS имеет более высокое пространственное разрешение, полезное для сверхмалых профилей (<0,1 микрометра), но SRP более удобен для более глубоких структур.

Ссылки

Библиография

Мазур Р., Дики Д.Х. Метод измерения сопротивления растекания для измерения удельного сопротивления кремния , J. Electrochem. Soc., 113 , 255 (1966).

Д.Х. Дики, История и статус проблемы сокращения данных в SRA , Труды Третьей международной конференции по технологии твердотельных и интегральных схем, Элвангер и др. , Ред., Издательство электронной промышленности

MW Denhoff, Точный расчет сопротивления растеканию , Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 39, Number 9

Languages

In other projects