Способ измерения имплантированной дозы ионов в полупроводниковой структуре

Изобретение относится К области контроля технологических операций производства БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), а именно К способам измерения дозы имплантированных ионов, и может быть использовано в электронной промь 1 шленности для расширения функциональных возможностей процесса ионного легирования.Известен способ экспресс-контроля дозы внедренных ионов менее 1-1012 см 2, основанный на определении по высокочастотным С-/(вольт-фараднь 1 м)-зависимостям емкости от электрического напряжения соотношения минимальной и максимальной емкостей МОП(металл-оксид-полупроводник)-конденсатора с внедренной в обедненную зону и активированной примесью 1. Доза имплантации определяется как решение системы уравнений, описывающих зарядовые свойства структуры в простейшем гауссовом приближении для профиля распределения примеси в кремнии и диоксиде кремния. Однако для практической реализации этого способа в условиях серийного производства требуется разработка специального измерительно-вь 1 числительного комплекса, который позволяет проводить дозиметрическое исследование имплантированных ионами бора и фосфора слоев с погрешностью не менее 6 .Более высокая точность измерения как величины дозы, так и степени ее пространственной неоднородности обеспечивается путем построения электрофизических характеристик емкость-напряжение для системы регулярно расположенных по поверхности тестовой полупроводниковой пластины зондов с последующим автоматизированным составлением цветовых дискретных карт распределения уровней легирования 2. Порог чувствительности способа составляет -11 О 11 см 2, что снижает его эффективность в промышленной имплантации слабоинтенсивных ионных пучков.Принцип С-У-метрического контроля ионно-легированных слоев максимально эффективно реализуется формированием по стандартной МОП-технологии тестового элемента транзисторной структуры полевого типа с индуцированным каналом, содержащей области истока, стока, изолированного затвора и подзатворный диэлектрик с толщиной, не превышающей глубину среднего проецированного пробега ионов 3. Способ включает внедрение ионов донорного (п) либо акцепторного (р) типа в область границы раздела диэлектрик-полупроводник, активацию внедренной примеси путем высокотемпературной термообработки и предполагает задание порогового напряжения И МОП-транзисторов в функции дозы В легирующей примеси. С этой целью снимают серию электрофизических вольт-фарадных характеристик (ВФХ) тестового элемента при различных дозах имплантации одних и тех же ионов. Наличие активированной примеси изменяет зарядовое состояние МОП-транзистора за счет повышения плотности свободных носителей заряда в области затворного потенциала с фиксированной шириной зоны обеднения. Измерение емкости осуществляют при подаче и изменении электрического напряжения между измерительными зондами, которые располагают на контактных площадках затвор-подложка. Далее определяют значение И по каждой С-У-характеристике и путем ее интегрирования устанавливают соответствие между И и вносимой дозой примеси в предположении отсутствия всех других подвижных зарядов, кроме основных носителей заряда.Таким образом, дозиметрическим параметром (параметром дозы) является пороговое напряжение, взаимно-однозначно связанное с дозой передаточной функцией /(1 Э), построение которой является основной операцией измерительного процесса. При этом тестовый элемент фактически выполняет функцию датчика ионной дозы, которая в конечном счете определяется по величине измеренного параметра дозы через зависимость /(В). Способ позволяет также оценивать однородность распределения примеси на мишени посредством статистического анализа результатов измерений ВФХ идентичных тестовых элементов по поверхности полупроводниковой пластины с пространственным разрешением, задаваемым линейными размерами тестового элемента.Одной из главных характеристик любого датчика физической величины является предел (порог) чувствительности 4, 5. В дозиметрическом случае под пределом чувствительности понимают минимальную дозу Вшш, при которой отклонение изменяющегосяпод воздействием потока заряженных частиц некоторого параметра ДОЗЫ Р от своего начального значения РО еще не превышает абсолютной систематической погрешности его измерения АРНедостатком известного способа является относительно высокий предел чувствительности, составляющий величину Втдп - 5-1 О 1 Осм 2. Действительно, любая ВФХ, соответствующая дозам, меньшим Втш, уже неотличима от исходной (В О) в пределах точности,используемой в 3 С-У-метрической методики.Если концентрация ионов после имплантации под затвор МОП-системы и отжига превосходит собственную концентрацию примеси противоположного типа проводимости в подложке Но, то индуцированный канал переходит во встроенное состояние. Эффект перекомпенсации ограничивает сверху измерительный диапазон известного способа дозой Втах соотношениямигде Мшах - концентрация в пике профиля распределения легирующей примеси, АКР - дисперсия пробега ионов в кристаллическом веществе.Для используемых в 3 невырожденных кремниевых подложек с По не выше 1-1 О 17 см 3,обеспечивающих приемлемую чувствительность к дозе, и двух традиционных типов примесей - бора и фосфора, соответственно, р- и п-типа, в интервале энергий 5 О 15 О кэВ, изВ итоге рабочий дозиметрический диапазон способа в среднем составляет 5-1010 1-1 О 12 см 2, что практически совпадает с дозовым интервалом, в котором содержатся С-У-характеристики 3, и существенно ограничивает область его применения в интегральном производстве.Еще одним принципиальным недостатком известного способа является избирательность по отношению к типу внедряемых ионов. Зарядово-емкостнь 1 е свойства тестового элемента при фиксированном потенциале затвора относительно подложки изменяются только в случае имплантации ионов, создающих в канале данного полупроводника тот или иной тип проводимости после активационного отжига (в 51 это элементы 3-5 групп периодической таблицы, в 6 аА 5 - кремний, олово, цинк и др.) Так, поверхностная плотность заряда нескомпенсированных активных атомов, изменение которой приводит к смещению И, зависит от концентрации Мы внесенных доноров или акцепторов (пропорционально Ыфдш). Следовательно, дозы т.н. неактивных (или слабо активных) ионов не могут быть измерены известным способом, т.е. не входят в его масс-спектральный рабочий диапазон.Между тем, такие примеси получили широкое применение в технологии изготовления СБИС, прежде всего, для повышения быстродействия биполярных транзисторов и интегральных микросхем. Эффективность управления скоростью релаксационных процессов в таких системах напрямую связана с точностью обеспечения требуемого количества внедренных глубоких центров рекомбинации в соответствии с гиперболической дозовой зависимостью времени жизни неосновных носителей заряда 6.Кроме того, возможна ситуация, когда при реализации способа на одном из полупроводниковых материалов в его масс-спектральный диапазон не попадают примеси, являющиеся активными в другом типе полупроводника. Например, ионы кремния неактивны в самом кремнии, однако дают п-тип проводимости в полупроводниках группы АЗ В 5.Задачей настоящего изобретения является снижение предела чувствительности, расширение дозиметрического и масс-спектрального рабочего диапазона.Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения имплантированной дозы ионов в полупроводниковой структуре, включающем формирование на полупроводни шахковой подложке тестового элемента полевого типа, содержащего Контактные площадки истока И стока для зондовь 1 х измерений электрофизической характеристики тестового элемента в зависимости от приложенного К нему электрического напряжения, ионную имплантацию в тестовый элемент, определение дозиметрического параметра тестового элемента по электрофизической характеристике, построение передаточной функции дозиметрического параметра от имплантированной дозы и измерение имплантированной дозы по передаточной функции, тестовый элемент формируют в виде пассивной полупроводниковой резисторной структуры на основе поверхностного п(р)-слоя с уровнем легирования, обеспечивающим омический контакт с измерительными зондами, которые устанавливают на контактные площадки истока и стока, в качестве электрофизической характеристики измеряют вольт-амперные характеристики тестового элемента до и после ионной имплантации, а дозиметрический параметр определяют как отношение токов насыщения резисторной структуры в имплантированном и исходном состояниях.Сущность способа измерения имплантированной дозы ионов в полупроводниковой структуре поясняется следующими фигурамиНа фиг. 1 показан тестовый элемент (тест) предложенного способа. Сильнолегированнь 1 й п(р)-слой 1 толщиной (1114. и концентрацией свободных носителей заряда по расположен на обобщенно изображенной подложке 2, которая может быть как монолитной (однослойной), так и иметь собственную слоевую структуру. На поверхности слоя 1 сформированы контактные площадки истока 3 Шириной 1,. и стока 4 Шириной 1 С (расстояние исток-сток 1) из проводящего материала для создания омического контакта между измерительными зондами 5 и полупроводниковой резисторной структурой.На фиг. 2 представлена вольт-амперная характеристика (ВАХ) 6 неимплантированного тестового элемента на основе многослойной арсенид-галлиевой подложки САГ-2 БК с б 0,12 мкм и по 5-1018 см-З, схема определения тока насыщения 1111, соответствующего участку насыщения между напряжением насыщения ПН и напряжением пробоя Ипр ВАХ, а также ВАХ того же тестового элемента после имплантации ионов бора (В) с энергией Е 100 кэВ дозами В 2,5-1010 см 2 (кривая 7) и В 1-1011 см 2 (кривая 8).На фиг. 3, 4 приведены передаточные функции 1 На(1 Э)/1 НаО способа при имплантации в п-слой 6 аА 5 (САГ-2 БК, дм 0,12 мкм) ионов В с энергией Е 100 кэВ для трех значений концентрации по (6,5 7)-1018 см-З, 1 насо О,39 А (кривая 9) по 5-1018 смдднасо 0,275 А(кривая 10) по 3-1018 см 3, 1 нао 0,145 А (кривая 11), а также ионов аргона (Аг) с той же энергией при по 5-1018 см 3, 1 насо 0,275 А (кривая 12), где 1 На(1 Э), 1 На - соответственно токи насыщения в имплантированном дозой В и исходном состояниях п(р)-слоя 1. Передаточные функции фиг. 3, 4 разделены в соответствии с охватываемыми (три порядка) измерительными диапазонами (1-1010 1-1013) см 2 (фиг. 3) и (1-109 1-1012) см 2 (фиг. 4).В чисто дозиметрическом варианте реализации способа (на фиг. не показано) тестовый элемент представляет собой базовую элементарную ячейку матрицы идентичных кристаллов, изготовленных проведением ряда технологических операций на рабочей поверхности стандартной сертифицированной полупроводниковой пластины, например, САГ-МК,САГ-2 БК на арсениде галлия и др.Слой 1 с высокой концентрацией примесных атомов формируют любым известным методом, использующим одновременное легирование в процессе осаждения на вь 1 сокоомную подложку 2, либо создают в (на) самой подложке 2, например, диффузией или ионной имплантацией высокой дозы примеси п- или р-типа. Контактные площадки истока 3 и стока 4 технологически реализуются напылением (магнетронным распылением, электрохимически и др.) в фотолитографически открытые области проводящего материала (металла или эвтектического сплавного соединения на его основе), обеспечивающего низкое переходное сопротивление с конкретным п(р)-полупроводником при достаточной степени легирования последнего.Вольт-амперная характеристика тестового элемента представляет собой зависимость тока 1 через п(р)-резистор, включающий слой 1 И Контактные площадки истока 3 И стока 4, от электрического напряжения Н, приложенного к двум зондам 5, которые устанавливают на контактные площадки истока 3 и стока 4. Измерение ВАХ производят на любом стандартном характериографе, например измерителе характеристик полупроводниковых приборов Л 2-56 или Л 2-56 А.Ток насыщения определяют по известной методике 7 относительно точки пересечения касательных к линейным начальному участку и участку насыщения ВАХ в допробойном состоянии, т.е. при П Ипр.В отличие от известного способа, где в дозиметрических целях применяют активную транзисторную МОП-структуру, тестовый элемент предложенного способа является пассивной составной частью интегральных микросхем - полупроводниковой резисторной структурой полевого типа.Соотношение уровней легирования слоев тестового элемента зависит от того, совпадают или различны их типы проводимости. В первом случае вся подложка 2 может оказь 1 вать шунтирующее влияние на измеряемый ток насыщения, в особенности с учетом дальнейшего его снижения после облучения ионным пучком. Поэтому концентрация носителей заряда в слое 1 должна быть по меньшей мере на порядок выше, чем в любом из нижележащих слоев, а средний проецированный пробег ионов Кр соотносится с 1 следующим образом0,7 Крг б, (5) где левая часть (5) приблизительно соответствует глубине максимума дефектного профиля. Выполнение этих условий обеспечивает разницу электрических сопротивлений слоя 1 и подложки 2, достаточную для подавления эффекта шунтирования, т.е. обратного влияния подложки 2, при любой дозе имплантации.Если типы проводимости двух последовательно прилегающих к поверхности полупроводниковых слоев противоположны, то основной сильнолегированный слой 1 изолирован от подложки 2 обратносмещенным р-п-переходом. Поэтому концентрация находящегося непосредственно под ним слоя уже не ограничена сверху. В этом случае наиболее сильные отклонения параметра дозы относительно своего исходного значения соответствуютКр 1/2. (5) Одновременно обеспечивается незначительное количество генерационно-рекомбинационных центров в области пространственного заряда р-п-перехода, являющихся главной причиной резкого возрастания токов утечки через р-п-переход.Варьирование характера распределения дефектов кристаллической решетки п(р)слоя 1 может осуществляться не только выбором энергии ионов, но и посредством нанесения на открытые участки его поверхности маскирующего (например, диэлектрического) покрытия различной толщины. Этим достигается более высокая поверхностная концентрация дефектов и предотвращается возможность шунтирования высоколегированного полупроводника его собственной слабоповрежденной приповерхностной областью. Однако снижение концентрации внедренной примеси в подложке 2 может привести к усилению эффекта обратного влияния при сравнимых уровнях легирования обоих последовательных поверхностных слоев одного типа проводимости.Следует отметить, что рекомендуемые соотношения (5) и (5) позволяют наилучшим образом использовать возможности изобретения, но не являются обязательными.В соответствии с 7 для тока насыщения ВАХ полевых резисторных структур с низким контактным сопротивлением справедливо следующее выражение1 нас ПУнасагНЫ-с где п - концентрация свободных носителей заряда в слое 1, в том числе после их захвата радиационными ловушками, Уж - скорость насыщения, которая остается постоянной для