5. Особенности метрологии полупроводниковых плёнок и структур

5.1. Общая характеристика метрологических проблем технологии полупроводниковых плёнок и структур

Современная микроэлектроника и твердотельная электроника решают проблемы снижения материалоёмкости технологии производства приборов и микросхем путём разработки, освоения и внедрения локальных методов формирования приборных структур. Промышленностью в наибольшей степени освоены кремниевые структуры с эпитаксиальными слоями, метрологическое обеспечение производства которых вышло далеко за рамки чисто исследовательских лабораторных задач.

Поэтому мы сосредоточим свое внимание на кремниевых композициях, в структуру которых входят достаточно "толстые" (больше 1 мкм) эпитаксиальные слои:

1. Однослойные кремниевые структуры с эпитаксиальным приборным слоем (КОЭС) и обращённые эпитаксиальные структуры, где роль приборного слоя играет подложка (ОКЭС).

2. Кремниевые эпитаксиальные структуры со "скрытыми" диффузионными слоями (КЭСС).

3. Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией (КСДИ) или типа "кремний на диэлектрике" (КНД).

Заметим, что к этим структурам в принципе применимы все описанные в предыдущих разделах методики определения основных характеристических параметров (УЭС, время жизни неравновесных носителей заряда, холловская подвижность и концентрация), разработанные применительно к объёмным кристаллам, которые, однако, требуют определённой адаптации к геометрии и структурному построению этих композиций.

Для структур 1 и 2 типов весьма важными являются такие параметры как поверхностное и объёмное УЭС и характер его распределения по площади и толщине слоя, толщины "скрытого слоя", неплоскопараллельность и стрела прогиба, качество рабочей и нерабочей стороны и т.д. В структурах типа 3 важным является определение УЭС и других параметров в "островках" приборной композиции, плотности заряда в диэлектрике и диэлектрической прочности, толщины диэлектрического слоя, ширины разделительной дорожки и проч.

Из всего многообразия метрологических проблем технологии полупроводниковых структур мы выделим и рассмотрим далее те из них, которые представляются главными и имеют общее значение:

1. Измерение УЭС.

2. Измерение толщины эпитаксиальных плёнок.

3. Контроль дефектов структуры эпитаксиальных плёнок.

5.2. Измерение удельного электрического сопротивления плёнок зондовыми методами

Для измерения УЭС плёнок используется несколько вариантов зондовых методов.

Метод сопротивления растекания (однозондовый метод)

Этот метод как экспрессный и неразрушающий широко распространен в технологии полупроводников. Подробно это метод рассматривался нами в 1.6, и его применение к эпитаксиальным структурам ничем принципиально не отличается.

Четырёхзондовый метод

Теория четырехзондового метода рассматривает несколько основных случаев, ко­­­­­гда наличие границы полупроводника с металлом (сильнолегированным контактным слоем) или изолятором (окружающей средой) обязывает вводить в формулу для вычисл­е­­­­ний некую поправочную функцию в качестве сомножителя, где l- межзондовое расстояние, а d- расстояние от линии зондов до указанной границы.

При контроле УЭС однослойных эпитаксиальных структур линия зондов может быть параллельна либо непроводящей границе (₂>>₁), либо проводящей границе (₂<<₁). В первом случае по мере увеличения отношения d/l функция f возрастает и при d/l5 становится равной 1. Во втором случае поправочная функция по мере увеличения отноше­­­­ния d/l уменьшается от бесконечности до постоянного значения f=1 при отношении d/l5.

В случае четырёхзондовых измерений значения УЭС плёнки и подложки связаны следующим соотношением (рис. 5.1 а):

(5.1)

Поскольку d₂ всегда больше d₁, то в случае высокоомной подложки (₂>>₁) или наличия p-n перехода, получаем:

₁=4,53U/I (5.2)

Четырёхзондовый метод распространён почти также широко, как и метод сопротивления растекания, однако, как мы видим, он не может быть использован для измерения высокоомных плёнок на низкоомных подложках.

Метод встречных зондов

Схема метода показана на рис. 5.1.б. Ток пропускают между зондами 1 и 3, а падение напряжения U снимают с зондов 2 и 4, определяя некое эффективное сопротивление R=U₂₄/I₁₃ =f(). В этом варианте метод может быть использован для измерения сравнительно высокоомных слоёв на низкоомных подложках, так как шунтирующее действие подложки исключается. Метод применим для структур n-n⁺- и p-p⁺ - типов. При этом d₁=5-15 мкм, d₂=100-200 мкм, r₁ колеблется в пределах 0,1-10,0 Омсм, а r₂ меньше 0,01 Ом×см. Величина R связана через функцию Бесселя с r и хорошо протабулирована с помощью ЭВМ.