Развитие емкостных методов измерения профилей легирования полупроводниковых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

'/ • о д - -/ / ул о о ~ к

{У 1 * V >г / »' ^ V- ^

Санкт-Петербургский Государственный Университет

На правах рукописи

УДК 621.315.592

УТКИН Алексей Борисович^^ ^

Развитие емкостных методов измерений профилей легирования полупроводниковых структур

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков 05.13.16 - применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

профессор, доктор физико-математических наук Коноров П.П.,

доцент, кандидат физико-математических наук Монахов В.В.

С.-Петербург 1999

Оглавление.

Введение...............................................................................................................................................4

1. Методы исследования профилей легирования. Анализ существующих подходов.......................14

1.1. Методы исследования полупроводниковых структур.........................................................15

1.2. ВФХ полупроводниковых структур и их использование для определения профилей легирования.........................................................................................................................17

1.3. Недостатки и ограничения традиционного метода.............................................................22

1.4. Недостатки традиционного метода коррекции уширения вычисленных по ВФХ резких профилей легирования.........................................................................................................29

1.5. Методы численного моделирования ВФХ для определения констант, характеризующих профиль легирования...........................................................................................................33

1.6. Методы экспериментального измерения емкости обедненного слоя..................................38

1.7. Выводы................................................................................................................................41

2. Анализ ВФХ изотипных полупроводниковых структур................................................................43

2.1. Аналитическая коррекция дебаевского уширения профилей легирования, рассчитанных по ВФХ................................................................................................................................44

2.2. Расчет ВФХ для изотипно легированных полупроводниковых структур...........................54

2.3. Проверка применимости коррекции профилей легирования на дебаевское уширение с использованием теоретических ВФХ..................................................................................58

2.4. Моделирование ВФХ неоднородно легированных по площади контакта полупроводниковых структур..............................................................................................65

2.5. Выводы................................................................................................................................72

3. Анализ ВФХ полупроводниковых структур с /»-и-й^еХодами.;...................................................73

3.1. Классификация типов обедненных слоев.........Г:.,..............................................................75

3.1.1 Обедненный слой на поверхности...................................................................................78

3.1.2 Обедненный слой в объемном/>-и-переходе...................................................................78

3.1.3 Выступающий на поверхность ¿>-л-переход....................................................................80

3.1.4 Смыкание соседних /?-и-переходов в объеме..................................................................81

3.1.5 Смыкание поверхностного обедненного слоя и обедненного слоя объемногор-п-перехода...........................................................................................................................82

3.2. Определение профилей легирования по ВФХ для структур с выступающим на поверхность /ь-л-переходом................................................................................................83

3.3. Определение профилей легирования по ВФХ структур с расположенным вблизи поверхности />-и-переходом................................................................................................89

3.4. Выводы................................................................................................................................95

4. Развитие экспериментальных методов исследования профилей легирования полупроводниковых структур........................................................................................................97

4.1. Преимущества и недостатки систем ЭП и ЭДП при измерении ВФХ полупроводниковых структур..............................................................................................98

4.2. Эквивалентная схема полупроводниковой структуры при наличии поверхностных состояний...........................................................................................................................102

4.3. Развитие двухимпульсной методики измерения ВФХ......................................................104

4.4. Автоматизированная экспериментальная установка для измерения емкости полупроводниковых структур............................................................................................114

4.5. Используемые полупроводниковые структуры.................................................................116

4.6. Экспериментальные результаты........................................................................................117

4.6.1 Результаты исследования структуры со ступенчатым профилем легирования.............119

4.6.2 Результаты исследования структуры с имплантационным профилем легирования.... 124

4.6.3 Результаты исследования структуры с двухступенчатым профилем легирования......128

4.6.4 Результаты исследования структуры с выходящим на поверхность-переходом.... 136

4.7. Выводы..............................................................................................................................141

5. Общие выводы..............................................................................................................................142

Приложение 1. Экранные формы программы расчета ВФХ изотипных профилей легирования. ..144

Приложение 2. Экранные формы программного модуля управления установкой..........................145

Список литературы...........................................................................................................................146

Список сокращений:

ЭП - электролит-полупроводник

МП - металл-полупроводник

ЭДП - электролит-диэлектрик-полупроводник

МДП - металл-диэлектрик-полупроводник

ОПЗ - область пространственного заряда

ПС - поверхностное состояние

ГУ - глубокий уровень

ВФХ - вольт-фарадная характеристика

ВАХ - вольт-амперная характеристика

МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия

РГФ МОС - рост из газовой фазы с использованием металлоргани-

ческих соединений

ИРЕ - изотермическая релаксация емкости

ТСЕ - термостимулированная емкость

DLTS - Deep Level Transient Spectroscopy

НЕСГУ - нестационарная емкостная спектроскопия

MIS-FET - Metal-Isolator-Semiconductor Field-Effect-Transistor

Введение.

Актуальность темы.

С развитием микроэлектроники начинают применяться новые материалы и их комбинации для получения заданных свойств полупроводниковых приборов. Для таких приборов распределение легирующей примеси в объеме полупроводника является одной из важнейших характеристик.

Наличие внешнего электрического поля на поверхности, а также неоднородность концентрации неподвижных ионизированных атомов примеси в объеме полупроводника приводит к перераспределению свободных носителей тока. Это является причиной возникновения в полупроводнике областей, обладающих локально некомпенсированным зарядом - так называемых областей пространственного заряда (ОПЗ). Избыток или недостаток свободных носителей заряда вызывает изменение проводимости в ОПЗ. Поэтому, как правило, именно ОПЗ определяют разнообразие электрофизических свойств полупроводников и характеристик полупроводниковых приборов. В неоднородно легированном полупроводнике формирование объемных ОПЗ обычно связано с изменением концентрации легирующей примеси, а поверхностных - наличием поверхностных состояний и внешним электрическим полем.

Уменьшение размеров базовых элементов полупроводниковых приборов и ограничения формы профиля легирования, накладываемые технологией их производства, стали причиной того, что большинство используемых структур состоит из набора чередующихся однородно легированных слоев. Основными параметрами, определяющими локализацию ОПЗ, а, следовательно, и электрофизические свойства таких структур, являются толщины и уровни легирования

образующих структуру слоев. С одной стороны, основываясь на этих параметрах возможно анализировать распределение потенциала и плотности свободных носителей заряда при заданных внешних условиях и, таким образом, предсказывать характеристики исследуемых структур (прямая задача). С другой стороны, исходя из полученных экспериментально вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, можно пытаться восстановить исходные значения параметров структуры (обратная задача). Последняя задача представляет наибольший интерес.

Наиболее чувствительными методами, позволяющими получить информацию о толщинах и уровнях легирования используемых слоев, являются емкостные измерения, основанные на зависимости ширины поверхностного обедненного слоя от профиля легирования и приложенного напряжения. Они позволяют проводить анализ профилей легирования полупроводников в диапазоне толщин от нанометров до сотен микрон. К признанным достоинствам этих методов можно отнести быстроту и относительную простоту осуществления эксперимента. В настоящее время традиционным является метод нахождения профиля легирования из измеренной при обедняющих потенциалах вольт-фарадной характеристики (ВФХ) по формулам [1]

на, а - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, £о - диэлектрическая постоянная, сзс - измеряемая емкость ОПЗ полупроводника, а У$ - поверхностный потенциал. Основной недостаток этого метода состоит в использовании приближения сильного обеднения, предполагающего полную ионизацию леги-

7 (¿С~2Х1

-.т*/ *\ — ^ 1Г *

N (м, ) = +--— , м> =

д££0 { йУн

где ч>* - глубина поверхностного обедненного слоя, - концен-

трация примеси на этой глубине (Ы*<0 соответствует акцепторной примеси, Ы*>0 - донорной), д - абсолютное значение заряда электро-

рующей примеси, резкую границу обедненного слоя и отсутствие в его пределах носителей тока. В ряде случаев эти допущения приводят к возникновению значительных ошибок в рассчитанном по приведенным формулам профиле. Так, из-за пренебрежения зарядом, связанным с диффузией основных носителей тока, возникает так называемое "дебаевское уширение" определяемых профилей легирования. Его появление объясняется размытием края обедненного слоя за счет диффузии основных носителей тока, которое приводит к тому, что определяемый традиционным методом профиль изменяется в зависимости от координаты медленнее по сравнению с реальным распределением примеси в полупроводниковой структуре. Дебаевское уширение наиболее заметно в структурах с существенными изменениями концентрации легирующей примеси на расстояниях, соизмеримых с локальным радиусом дебаевского экранирования. Другим недостатком традиционного метода является рассмотрение влияния на ВФХ носителей тока только одного типа, что приводит к значительным трудностям при их интерпретации для структур с р-п-переходами.

Таким образом, традиционный подход не может быть применен к анализу ВФХ наиболее широко используемых в настоящее время слоистых полупроводниковых структур.

В настоящей работе развиты методы обработки данных емкостных измерений, основанные на развитии теории, учитывающей резкий перепад концентрации легирующей примеси между слоями и наличие в структуре ¿»-«-переходов. В частности, предложен аналитический (без решения прямой задачи) метод коррекции на дебаевское уширение определяемых традиционным методом профилей легирования изотипных структур (содержащих один тип легирующей примеси -только донорную или только акцепторную - по всему объему полупроводника), а также методы обработки ВФХ с целью опре-

6

деления профилей легирования полупроводниковых структур с р-п-переходами.

Для проверки применимости предлагаемых в работе моделей, которые связывают значения параметров, описывающих форму профиля исследуемых структур с ВФХ, использовалась процедура обратного моделирования. Ее основная идея состоит в том, что подлежащие определению параметры считаются заданными с некоторой, возможно малой, точностью. По этим данным проводится решение прямой задачи (вычисление теоретической ВФХ), а потом, на основании отличий теоретической и экспериментальной характеристик, производится коррекция исходного набора параметров. После этого описанная процедура повторяется. При сходимости итераций и соответствии полученной формы профиля заранее известной (например, из технологического цикла изготовления структуры) информации, модель, на основании которой искалось решение прямой задачи, может считаться правильной. Проблема получения экспериментальных ВФХ полупроводниковых структур потребовала развития импульсной методики измерения емкости, что позволило расширить диапазон измеряемых емкостей, а также повысить точность измерения емкости поверхностной ОПЗ в присутствии поверхностных состояний и при наличии токов утечки. Расчет ВФХ по заданному профилю легирования проводился по оригинальным, описываемым в настоящей работе, алгоритмам.

Цель работы

Целью проведенного исследования являлось развитие емкостных методов определения профилей легирования полупроводниковых структур в ситуациях, когда традиционный способ обработки ВФХ не позволяет получить достоверную информацию: при наличии

в структуре /»-«-переходов либо сильном влиянии дебаевского уши-рения.

В соответствии с этой целью решались следующие задачи:

1. Разработка для слоистых полупроводниковых структур моделей ОПЗ, позволяющих производить теоретический анализ ВФХ таких структур.

2. Разработка методов определения профиля легирования полупроводниковых структур по ВФХ с учетом влияния дебаевского уши-рения обедненного слоя и в пренебрежении вкладом неосновных носителей тока для структур с резко изменяющейся концентрацией легирующей примеси.

3. Разработка методов определения параметров полупроводниковых структур с одним или несколькими /7-й-переходами по измеренным ВФХ.

4. Экспериментальная проверка разработанных моделей и методов определения параметров полупроводниковых структур по ВФХ, включающая дальнейшее развитие методики измерения емкости. Проверка применимости используемых приближений путем численного моделирования процессов, происходящих в ОПЗ полупроводниковых структур.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка используемой литературы из 88 наименований, содержит 46 рисунков. Общий объем диссертации составляет 155 страниц.

В первой главе представлен обзор литературы по методам исследования профилей легирования полупроводниковых структур. Проведен анализ традиционного метода обработки измеренных в обеднении ВФХ и его наиболее широко используемых усовершенствований, рассмотрена правомерность использованных допущений.

Показана неприменимость традиционного метода для определения профиля легирования вблизи поверхности и профилей с резким изменением концентрации легирующей примеси. Для структур с резкими профилями легирования приведены полученные при помощи разработанного нами программного обеспечения результаты обратного моделирования, а также обсуждены достоинства и недостатки численных методов определения значений параметров, описывающих форму профиля, по измеренным ВФХ.

Во второй главе рассмотрены ВФХ структур с изотипным легированием, под которыми понимаются структуры, содержащие один тип легирующей примеси (только донорную или только акцепторную) по всему объему полупроводника. При анализе свойств таких структур в большинстве случаев можно не учитывать вклад неосновных носителей, считая его пренебрежимо малым.

На примере структуры с и "-«-переходом показаны причины возникновения дебаевского уширения и предложена аналитическая коррекция вызываемой им ошибки для профиля, рассчитанного по формулам традиционного метода.

Описан алгоритм вычисления ВФХ для произвольного профиля изотипного легирования. Проведенные на его основе расчеты, использующие процедуру обратного моделирования, подтвердили правильность предложенной аналитической коррекции дебаевского уширения для резких профилей легирования. В главе также изложены результаты исследования влияния поверхностных неоднородно-стей в распределении легирующей примеси на определяемые традиционным методом из ВФХ профили легирования.

В третьей главе рассмотрены ВФХ структур с /^«-переходами, формирование ОПЗ в которых происходит из-за перераспределения в объеме полупроводника носителей тока обоих знаков. Исследование ВФХ таких структур с целью определения параметров, описывающих

форму профиля, затруднено, ввиду большого количества факторов, оказывающих влияние на измеряемую емкость. В главе изложен анализ ВФХ для двух наиболее распространенных частных случаев: структур с выступающим на поверхность р-п-переходом и структур с расположенным вблизи поверхности /»-«-переходом. На его основе предложена методика определения профилей легирования таких структур, а также теоретически предсказан эффект наличия минимума на ВФХ структур с расположенным вблизи поверхности р-п-переходом.

В четвертой главе описывается усовершенствованная методика измерения емкости с помощью прямоугольных импульсов тока малой амплитуды и созданная на основе этой методики экспериментальная установка