Метод сопротивления растекания

Метод сопротивления растекания точечного микрозонда (spreading resistans) уникален по диапазону измеряемого удельного сопротивления.

Е сли металлический зонд (рис.2.7, а) имеет с поверхностью полупроводника омический контакт малой площади с известным радиусом контакта r₀, то сопротивление растекания этого контакта R_р однозначно связано с удельным сопротивлением полупроводника .

Для полубесконечного образца и контакта в форме плоского диска с радиусом r₀

.

Для полусферического контакта с радиусом r₀ сопротивление растекания составляет

.

Измеряя падение напряжения на таком контакте V при пропускании через него тока I, можно определить удельное сопротивление образца:

- в первом случае, или

- во втором случае.

Так как точные размеры и форма контакта обычно неизвестны, то при определении R_p используют эмпирическую формулу

.

Коэффициент α вычисляют при измерениях на рабочих эталонах (пластинах с известным ρ).

Сопротивление растекания можно измерять и с помощью трех зондов (рис.2.7, б). Через два зонды 2 и 3 пропускают ток, а напряжение измеряют между зондами 1 и 2 милливольтметром с высоким входным сопротивлением. При такой схеме измерения определяется падение напряжения на сопротивлении растекания центрального зонда, а падение напряжения на втором токовом зонде 3 исключается.

При измерении  полупроводниковых слоев надо учитывать влияние подложки на характер растекания тока. Для этого в формулу для определения  вводится поправочный множитель F и значение удельного сопротивления определяют по формуле

.

Величина коэффициента F рассчитывается теоретически.

Метод используется для измерения удельного сопротивления в диапазоне 10^-3 - 10³ Ом-см при очень высокой локальности измерений. Объем области, в которой определяется удельное сопротивление, может составлять 10-10 см^-3.

При неоднородном по толщине удельном сопротивлении профиль распределения можно найти с помощью косого шлифа слоя с углом =(0,1 - 1) (рис.15).

Максимальное разрешение по глубине при современных автоматизированных установок составляет 12.5 нм.

При определении R_p в тонких слоях (d<<r₀), справедлива формула

.

Локальность метода по поверхности пластины составляет десятки микрометров. Во избежание тепловых эффектов рекомендуется проводить измерения при малом токе I(10^–2 – 10^–7) A и напряжении V=(5 – 20) мВ.

Для оценки качества подложек применяется сканирование по плоскости стандартной полированной пластины. Сканирование может производиться вдоль её диаметра пластины (диаграммы распределения по диаметру) или во многих областях по пластине (диаграммы изорезистивных линий).

Измерение профилей распределения удельного сопротивления

П

Рис.2.4. Образец с косым шлифом для измерение профиля распределения сопротивления растекания

ри неоднородном по толщине удельного сопротивления стоит задача найти профиль распределения r=f(y) и n=f(y). (рис.2.4). Для решения этой задачи и для профилирования многослойных приборных структур применяется технология косого шлифа с углом скоса γ=16′ - 6^° (рис.2.4). Косой шлиф изготовляют на специальном станке. Максимальное разрешение по глубине при использовании современных автоматизированных установок составляет до1 нм.

В настоящее время метод сопротивления растекания - единственный метод непосредственного контроля электрофизических характеристик слоев Si с пространственным разрешением, не уступающим электронной микроскопии

Распределение R_р, ρ, n (или p) может быть представлено в виде дискретной графической (или численной) функции параметра от координаты.

Для измерения профиля сопротивления растекания зонды выравниваются точно параллельно краю шлифа (линии пересечения исходной и сошлифованной поверхностей). Перемещаясь по шлифу, оба зонда всегда находятся на одинаковой глубине. Горизонтальное шаговое расстояние зондов на поверхности конуса составляет х; соответствующее приращение по глубине - y =хsin, где  - угол шлифа.

Технология измерения сопротивления растекания основана на сравнении – измерительная система должна быть откалибрована по рабочим эталонам – пластинам с с известным удельным сопротивлением. Поэтому калибровочные кривые, охватывающие интересующий диапазон удельных сопротивлений, строятся на основании результатов измерения сопротивления растекания известных эталонов. Эталоны должны иметь ту же обработку поверхности (полировку) и ориентацию, что и контролируемые образцы.

Образец шлифуется на опоре с пологим углом, что позволяет получать хорошее разрешение по глубине.

В равных интервалах устанавливаются двухточечные контакты. Измеряется сопротивление между зондами; рассчитываются удельное сопротивление и концентрация носителей в каждой точке.

На рис.2.5. представлена схематично картина перемещения зондов с наконечниками из карбида вольфрама по поверхности образца и по поверхности косого шлифа. На рисунке показаны ямки повреждений, образующиеся при контактировании зондов с поверхностью поупроводника.

Программное обеспечение современных измерительных систем позволяет получать профили легирования структуры, содержащей до 5 слоёв, без ограничений на тип проводимости и уровень легирования, с общей толщиной структуры от 1 до 300 мкм. Для каждого слоя могут быть рассчитаны следующие параметры: толщина слоя; среднее ρ и n (или p); глубина залегания электрофизических границ; поверхностное сопротивление; среднее значение удельного сопротивления; доза внедренной примеси.

На рис.2.6 представлен профиль концентрации дырок в слое, полученном легированием кремниевой подложки n-типа проводимости кремния с удельным сопротивлением 5 Ом∙см ионами бора с дозой 1×10¹³см^-2. Профиль концентрации получен пересчетом из профиля удельного сопротивления.

Источники погрешности метода сопротивления растекания

Невоспроизводимость геометрических размеров контакта (качество обработки поверхностей зонда и полупроводника, нагрузки на зонд и механической системы зондового манипулятора).

Разогрев полупроводника в области контакта.

Неомичность контакта и наличие дополнительного контактного сопротивления (окисный слой на поверхности полупроводника). Эту погрешность можно уменьшить, выбрав специальный материал для зонда и нагрузку на него. Как правило, зонд изготавливается из твердого сплава типа карбида вольфрама или осмия. При определенном давлении острие зонда прокалывает окисный слой и создается хороший омический контакт с образцом. Если контакт недостаточно омический, измерения проводят при малых значениях тока, равных 10^-4 - 10^-7 А. При этом сопротивление контакта не зависит от его величины и направления. Уменьшение величины тока также уменьшает разогревов приконтактной области.

Для получения омического контакта необходимо оказывать достаточно большие усилия на зонд, которые могут достигать 10² - 10³ Н/см². При таких давлениях возможно механическое повреждение поверхности, что приведет к невоспроизводимости площади контактирования.

Конструкция манипулятора должна обеспечивать плавное перемещение зондов строго вертикально, без скользящего перемещения по поверхности и динамических ударов, вибрации и строго эталонировать нагрузку на зонд. Поверхность зонда должна иметь высокий класс обработки.

Измерительный комплекс ASR-100C, (Solid State Measurements), – серийный сертифицированный прибор для прецизионного промышленного контроля, оснащенный компьютером IBM PC и программным обеспечением SRP2. Комплекс позволяет проводить измерения в шаговом режиме, с линейным разрешением до 1 мкм вдоль направления сканирования длиной до 25 мм. Применяется двухзондовая схема измерения R_р: два идентичных микрозонда перемещаются в цикле вдоль профиля сканирования. Помимо ρ, для Si и Ge может определяется профиль концентрации свободных носителей заряда (n или p).

Распределение R_р, ρ, n (или p) может быть представлено в виде дискретной графической (или численной) функции параметра от координаты.

Для оценки качества подложек применяется сканирование по плоскости стандартной полированной пластины, обычно вдоль её диаметра.

Для профилирования многослойных приборных структур применяется технология косого шлифа с углом скоса γ=16′ - 6^° (на специальном станке). Программное обеспечение позволяет получать профили легирования структуры, содержащей до 5 слоёв, без ограничений на тип проводимости и уровень легирования, с общей толщиной структуры от 1 до 300 мкм. Для каждого слоя рассчитываются следующие параметры: толщина слоя; среднее ρ и n (или p); глубина залегания электрофизических границ;; поверхностное сопротивление, доза внедренной примеси.

Современные установки измерения поверхностного сопротивления