1.4. Методы исследования диффузии в полупроводниках

Исследования характера концентрационного распределения примесей, играющего важную роль в определении свойств полупроводниковых структур, необходимо для совершенствования и дальнейшего развития технологии производства, а также для определения диффузионных параметров примесей в эпитаксиальных слоях и структурах. Все существующие методы можно разделить на 2 группы:

1) прямые методы измерений концентрации примесных атомов (радиоактивные, рентгеноспектральные, масс-спектрометрические, химические и др.);

2) косвенные методы определения концентрации примеси по электрическим, оптическим, фотоэлектрическим, емкостным и другим измерениям.

Малая толщина полупроводников, а также наличие подложки не всегда позволяют применять методы измерений, используемые при исследовании объемных монокристаллических полупроводников. Поэтому применительно к полупроводниковым структурам разработаны специальные методики измерения концентрации примеси.

1.4.1. Радиоактивные методы

Метод снятия слоев. Суть этого метода определения концентрационного распределения примеси, меченной соответствующим радиоактивным нуклидом, заключается в последовательном снятии с образца тонких плоскопараллельных слоев и измерении их радиоактивности (или остаточной радиоактивности образца). Снятие слоев производится механическим путем или травлением. К недостаткам этого метода следует отнести трудоемкость, связанную с необходимостью снятия большого числа тонких слоев и измерения их удельной активности, а также необходимость разрушения образца при проведении измерения. Кроме того, чувствительность метода при небольших размерах образца оказывается недостаточной. При механическом снятии слоев причиной погрешности может быть втирание радиоактивной примеси из снимаемого поверхностного слоя в объемную область образца. При снятии слоев травлением часть радиоактивной примеси, попавшей в травитель, может вновь адсорбироваться на поверхности образца, приводя тем самым к завышению остаточной активности образца.

Метод авторадиографии основан на взаимодействии излучения нуклида с фотографической эмульсией. Поперечный срез (шлиф) образца, перпендикулярный фронту диффузии примеси, приводится в контакт с фотографической пленкой. В случае малой глубины диффузионного проникновения примеси для расширения диффузионной области образец сошлифовывают под малым углом. Далее косой шлиф приводят в контакт с пленкой. После экспозиции в течение определенного времени и проявления пленку фотометрируют на микрофотометре. Показания регистрируются на фотопластинке или фотобумаге, в результате чего на последних вычерчивается кривая относительного почернения по глубине диффузионной области (денситограмма). Затем при помощи специальной сетки по относительному почернению определяют распределение активности по толщине образца, а с помощью специальных эталонов может быть получен профиль распределения концентрации примесных атомов. Недостатки: при контакте пленки с массивным образцом на пленку, расположенную под данной областью образца, попадает излучение от соседних областей, что искажает результаты.

Метод авторадиографии следа. Суть метода заключается в авторадиографировании следа, оставляемого образцом при истирании его на шлифовальную бумагу. Характер концентрационной кривой, полученной по результатам фотометрирования радиографа следа, не искажается влиянием соседних областей образца, т.к. толщина следа очень мала (несколько мкм). Метод радиографирования следа требует удаления с образца всего одного-двух толстых слоев (общей толщиной 100-200 мкм), радиографирования и обработки, тогда как при использовании метода снятия слоев требуется снятие 50-100 тонких слоев и измерение их радиоактивности.