Profilage de la résistance à l'étalement - Spreading resistance profiling
Le profilage de résistance à l'étalement (SRP), également connu sous le nom d' analyse de résistance à l'étalement (SRA), est une technique utilisée pour analyser la résistivité en fonction de la profondeur dans les semi-conducteurs . Les dispositifs semi-conducteurs dépendent de la distribution des porteurs ( électrons ou trous ) au sein de leurs structures pour fournir les performances souhaitées. La concentration de porteurs (qui peut varier jusqu'à dix ordres de grandeur ) peut être déduite du profil de résistivité fourni par SRP.
Histoire
La relation fondamentale est généralement attribuée à James Clerk Maxwell (1831–1879). En 1962, Robert Mazur (brevet US 3 628 137) et Dickey ont développé un système pratique à 2 sondes utilisant une paire d' aiguilles d' osmium pondérées .
En 1970, Solid State Measurements a été fondée pour fabriquer des outils de profilage de résistance d'étalement et en 1974, Solecon Labs a été fondée pour fournir des services de profilage de résistance d'étalement. En 1980, Dickey a développé une méthode pratique pour déterminer le type p ou n à l'aide de l'outil de résistance à l'étalement. Les améliorations se sont poursuivies mais ont été remises en question par les dimensions de plus en plus réduites des appareils numériques de pointe. Pour les structures peu profondes (<1 um de profondeur), la réduction des données est complexe. Certains des contributeurs à la réduction des données sont Dickey, Schumann et Gardner, Choo et al. , Berkowitz et Lux, Evans et Donovan, Peissens et al. , Hu, Albers et Casel et Jorke.
Théorie de fonctionnement
Si une tension est appliquée entre deux pointes de sonde fournissant un contact électrique à une dalle infinie, la résistance rencontrée à l'intérieur de la dalle est , où:
- est la résistance mesurée en ohms,
- (rho) est la résistivité de la dalle en ohm-cm, et
- est le rayon de la surface de contact en cm.
La plupart de la résistance se produit très près du contact électrique, ce qui permet de déterminer la résistivité locale. Les sondes produisent une sonde négligeable à la résistance en silicium (près de contact ohmique ) sur toute la résistivité gamme à la fois de type p et de type n (riche en trous et riche en électrons , respectivement). En gardant au minimum la résistance du câblage et la résistance d'étalement dans les pointes de sonde, la résistance mesurée est presque exclusivement à partir d'échantillons de silicium au moins épais. A l'aide d'étalons de résistivité d'étalonnage, peut être déterminée à chaque palpage par la paire de sondes.
Instrumentation
Une polarisation de 5 mV est appliquée aux extrémités des sondes. La résistance mesurée peut aller de 1 ohm à un milliard d'ohms. Un amplificateur ou électromètre «log R» est utilisé pour mesurer la résistance.
Mécanique
Le SRP moderne a deux pointes de sonde en carbure de tungstène espacées d'environ 20 um. Chaque pointe est montée sur un roulement cinématique pour minimiser le «frottement». Les sondes sont abaissées très doucement sur un morceau biseauté de silicium ou de germanium. Bien que la charge des pointes de sonde puisse être aussi faible que 2 g., La pression est supérieure à un million de livres par pouce carré (ou ~ 10G pascals) provoquant une transformation de phase localisée dans le silicium en «bêta-étain» produisant un contact presque ohmique . Entre chaque mesure, les sondes sont relevées et indexées sur une distance prédéterminée dans le biseau. Les biseaux sont produits en montant l'échantillon sur un bloc d'angle et en rectifiant le biseau avec une pâte diamantée de 0,1 ou 0,05 micromètre. Les angles de biseau, choisis pour s'adapter à la profondeur d'intérêt, peuvent aller de ~ 0,001 à 0,2 radian. Des précautions doivent être prises pour produire un biseau lisse et plat avec un arrondi minimum du bord du biseau. (Voir la figure 1.)
Limites de détection
La gamme d'instruments va généralement de un ohm à un milliard d'ohms. Ceci est suffisant pour toute la plage de résistivité dans le silicium monocristallin.
Étalonnage
Les standards d'étalonnage ont été produits par le NIST . Un ensemble de 16 standards allant d'environ 0,0006 ohm-cm à 200 ohm-cm a été produit pour les deux types n et p et pour les deux orientations cristallines (100) et (111). Pour une résistivité élevée (au-dessus de 200 ohm-cm et peut-être au-dessus de 40 000 ohm-cm), la valeur de résistivité doit être extrapolée à partir de la courbe d'étalonnage.
Applications
L'outil est principalement utilisé pour déterminer les structures de dopage dans les semi-conducteurs en silicium. Les profils profonds et peu profonds sont illustrés à la figure 2.
Processus alternatifs
La spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) est également très utile pour le profilage des dopants. SIMS peut fournir la concentration atomique sur trois décennies ou, dans certains cas, quatre décennies de plage dynamique. Le SRP peut déterminer la concentration de porteurs (dopant électriquement actif) sur plus de huit ou neuf décennies de plage dynamique. Souvent, les techniques sont complémentaires bien que parfois compétitives. L'équipement pour SIMS a tendance à être considérablement plus coûteux à fabriquer et à utiliser. Alors que la résistance à l'étalement est limitée au silicium, au germanium et à quelques autres semi-conducteurs, SIMS peut profiler la concentration atomique de presque tout dans n'importe quoi. SIMS a une plus grande résolution spatiale utile pour les profils ultra-peu profonds (<0,1 micromètre) mais SRP est plus pratique pour les structures plus profondes.
Les références
Bibliographie
RG Mazur et DH Dickey, une technique de résistance à l'étalement pour les mesures de résistivité sur silicium , J. Electrochem. Soc., 113 , 255 (1966)
DH Dickey, History and Status of the Data Reduction Problem in SRA , Actes de la troisième conférence internationale sur la technologie des circuits intégrés et des semi-conducteurs, Ellwanger et al. , Eds., Maison d'édition de l'industrie électronique
MW Denhoff, Un calcul précis de la résistance à l'étalement , Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 39, Numéro 9