Profilování proti roztažení - Spreading resistance profiling

Profilování proti roztažení (SRP), také známý jako rozmetací odporová analýza (SRA), je technika používaná k analýze odpor versus hloubka v polovodiče. Polovodičová zařízení závisí na distribuci dopravců (elektrony nebo díry ) v rámci svých struktur poskytovat požadovaný výkon. Koncentrace nosiče (která se může lišit až o deset řádově ) lze odvodit z profilu odporu poskytnutého SRP.

Dějiny

Základní vztah se obvykle připisuje James Clerk Maxwell (1831–1879). V roce 1962 Robert Mazur (americký patent 3 628 137) a Dickey^[1] vyvinul praktický systém se 2 sondami využívající dvojici vážených osmium jehly.

V roce 1970 bylo založeno Solid State Measurements k výrobě nástrojů pro profilování odporu proti roztažení a v roce 1974 byla založena společnost Solecon Labs, která poskytovala služby profilování proti odporu proti roztažení. V roce 1980 vyvinul Dickey praktickou metodu stanovení typu p nebo n pomocí nástroje rozmetacího odporu. Vylepšení pokračovala, ale byla zpochybněna neustále se zmenšujícími rozměry nejmodernějších digitálních zařízení. U mělkých struktur (hloubka <1 um) je redukce dat složitá. Někteří z přispěvatelů k redukci dat jsou Dickey,^[2]^[3] Schumann a Gardner,^[4] Choo et al.,^[5] Berkowitz a Lux,^[6] Evans a Donovan,^[7] Peissens et al.,^[8] Hu,^[9] Albers,^[10] a Casel a Jorke.^[11]

Teorie provozu

Pokud je mezi dvěma hroty sondy přivedeno napětí poskytující elektrický kontakt s nekonečnou deskou, je odpor, který se v desce vyskytuje ${ displaystyle R {=} { frac { rho} {2a}}}$ , kde:

${ displaystyle R}$ je změřený odpor v ohmech,
${ displaystyle rho}$ (rho) je odpor desky v ohm-cm, a
${ displaystyle a}$ je poloměr kontaktní plochy v cm.

Většina odporu se vyskytuje velmi blízko elektrického kontaktu^[12] což umožňuje určit místní měrný odpor. Sondy produkují zanedbatelnou sondu vůči odolnosti vůči křemíku (téměř ohmický kontakt ) v celém rozsahu odpor rozsah pro oba p-typ a n-typ (bohaté na díry a bohaté na elektrony). Při minimálním odporu vedení a rozptylového odporu ve špičkách sondy je měřený odpor téměř výlučně od ${ displaystyle R {=} { frac { rho} {2a}}}$ alespoň pro vzorky křemíku ${ displaystyle 2a}$ tlustý. Pomocí standardů kalibračního odporu ${ displaystyle rho}$ lze určit při každém snímání párem sond.

Instrumentace

Přes špičky sondy je aplikováno předpětí 5 mV. Měřený odpor se může pohybovat od 1 ohmu do jedné miliardy ohmů. K měření odporu se používá zesilovač nebo elektroměr „log R“.

Mechanické

Obrázek 1 Ilustrace snímání zkoseného kusu křemíku. (Obvykle se provádí 60 až 100 nebo více měření.)

Moderní SRP má dva karbid wolframu hroty sondy umístěné asi 20 um od sebe. Každý hrot je namontován na kinematickém ložisku, aby se minimalizovalo „drhnutí“. Sondy jsou velmi jemně spouštěny na zkosený kousek křemíku nebo germania. Ačkoli zatížení špiček sondy může být až 2 g., Tlak přesahuje jeden milion liber na čtvereční palec (nebo ~ 10 G pascalů), což způsobuje lokalizovanou fázovou transformaci v křemíku na „beta-cín“, což vytváří téměř ohmický kontakt.^[13] Mezi každým měřením se sondy zvednou a indexují předem určenou vzdálenost dolů po úkosu. Úkosy se vyrábějí namontováním vzorku na úhlový blok a broušením úkosu typicky 0,1- nebo 0,05-mikrometrovou diamantovou pastou. Úhly úkosu, zvolené tak, aby odpovídaly hloubce zájmu, se mohou pohybovat od ~ 0,001 do 0,2 radiánu. Je třeba dbát na to, aby byl vytvořen hladký, plochý úkos s minimálním zaoblením úkosu. (Viz obrázek 1.)

Detekční limity

Rozsah nástroje je obvykle od jednoho ohmu do jedné miliardy ohmů. To je adekvátní pro celý rozsah měrného odporu v monokrystalickém křemíku.

Kalibrace

Kalibrační standardy byly vyrobeny společností NIST. Byla vytvořena sada 16 standardů v rozmezí od přibližně 0,0006 ohm-cm do 200 ohm-cm pro typ n- i p a pro orientaci krystalu (100) a (111). Pro vysoký měrný odpor (nad 200 ohm-cm a možná nad 40 000 ohm-cm) musí být hodnota měrného odporu extrapolována z kalibrační křivky.

Aplikace

Nástroj se používá především pro stanovení dopingových struktur v křemíkových polovodičích. Hluboké a mělké profily jsou zobrazeny na obrázku 2.

Obrázek 2 Mělký profil vlevo, hluboký profil vpravo. Koncentrace nosiče je vynesena proti hloubce. Oblasti s čistou koncentrací elektronů jsou označeny jako „n“ (nebo typu n). Oblasti s čistou koncentrací díry jsou označeny jako „p“.

Alternativní procesy

Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů (SIMS) je také velmi užitečný pro dopování profilů. SIMS může poskytnout atomovou koncentraci po tři desetiletí nebo v některých případech čtyři desetiletí dynamického rozsahu. SRP může určit koncentraci nosiče (elektricky aktivní příměs) ve více než osmi nebo devíti desetiletích dynamického rozsahu. Tyto techniky se často doplňují, i když někdy jsou konkurenční. Zařízení pro SIMS má tendenci být podstatně nákladnější na výrobu a provoz. Zatímco rozptylový odpor je omezen na křemík, germanium a několik dalších polovodičů, SIMS dokáže profilovat atomovou koncentraci téměř čehokoli v čemkoli. SIMS má větší prostorové rozlišení užitečné pro velmi mělké profily (<0,1 mikrometru), ale SRP je vhodnější pro hlubší struktury.

Reference

^ D. H. Dickey, The Electrochem. Soc., Electron. Div Ext. Abstr. 12, 151 (1963)
^ D. H. Dickey a J. R. Ehrstein, NBS Special Publication 400-48, (1979)
^ D. H. Dickey, zasedání podvýboru ASTM F1.06, Denver, červen 1984
^ P. A. Schumann a E. E. Gardner, J. Electrochem. Soc. 116, 87 (1969)
^ S. C. Choo, M. S. Leong a K.L. Hong, L. Li a L. S. Tan, Solid State Electronics, 21, 796 (1978)
^ H. L. Berkowitz a R. A. Lux, J. Electrochem Soc. 128, 1137 (1981)
^ R. A. Evans a R. P. Donovan, Solid St. Electron. 10, 155 (1967)
^ R. Peissens, W. B. Vandervorst a H. E. Maes, J. Electrochemical Soc. 130, 468 (1983).
^ S. M. Hu, J. Appl. Phys. 53, 1499 (1982)
^ J. H. Albers, Rozvíjející se polovodičová technologie, ASTM ATP 960, D. C. Gupta a P. H. Langer, vyd., Am. Soc. pro testování a materiály (1986).
^ A. Casel a H. Jorke, Appl. Phys. Lett., 50, 989 (1987)
^ R. Holm, Elektrické kontakty, Almquist a Wiksels, Upsalla (1946)
^ J. C. Jamieson, Krystalové struktury při vysokých tlacích kovové modifikace křemíku a germania, Věda, 139 (1963)

Bibliografie

R. G. Mazur a D. H. Dickey, Technika šíření odporu pro měření odporu na křemíku J. Electrochem. Soc., 113, 255 (1966)

D. H. Dickey, Historie a stav problému s redukcí dat v SRA, Proceedings of the Third International Conference on Solid State and Integrated Circuit Technology, Ellwanger et al., Eds., Nakladatelství elektronického průmyslu

M.W. Denhoff, Přesný výpočet odporu proti rozmetání, Journal of Physics D: Applied Physics, svazek 39, číslo 9

externí odkazy

[1] D. H. Dickey, The Electrochem. Soc., Electron. Div Ext. Abstr. 12, 151 (1963)

[2] D. H. Dickey a J. R. Ehrstein, NBS Special Publication 400-48, (1979)

[3] D. H. Dickey, zasedání podvýboru ASTM F1.06, Denver, červen 1984

[4] P. A. Schumann a E. E. Gardner, J. Electrochem. Soc. 116, 87 (1969)

[5] S. C. Choo, M. S. Leong a K.L. Hong, L. Li a L. S. Tan, Solid State Electronics, 21, 796 (1978)

[6] H. L. Berkowitz a R. A. Lux, J. Electrochem Soc. 128, 1137 (1981)

[7] R. A. Evans a R. P. Donovan, Solid St. Electron. 10, 155 (1967)

[8] R. Peissens, W. B. Vandervorst a H. E. Maes, J. Electrochemical Soc. 130, 468 (1983).

[9] S. M. Hu, J. Appl. Phys. 53, 1499 (1982)

[10] J. H. Albers, Rozvíjející se polovodičová technologie, ASTM ATP 960, D. C. Gupta a P. H. Langer, vyd., Am. Soc. pro testování a materiály (1986).

[11] A. Casel a H. Jorke, Appl. Phys. Lett., 50, 989 (1987)

[12] R. Holm, Elektrické kontakty, Almquist a Wiksels, Upsalla (1946)

[13] J. C. Jamieson, Krystalové struktury při vysokých tlacích kovové modifikace křemíku a germania, Věda, 139 (1963)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]