Perfilado de resistencia a la propagación - Spreading resistance profiling
El perfil de resistencia de propagación (SRP), también conocido como análisis de resistencia de propagación (SRA), es una técnica que se utiliza para analizar la resistividad frente a la profundidad en semiconductores . Los dispositivos semiconductores dependen de la distribución de portadores ( electrones o huecos ) dentro de sus estructuras para proporcionar el rendimiento deseado. La concentración de portador (que puede variar hasta en diez órdenes de magnitud ) se puede inferir del perfil de resistividad proporcionado por SRP.
Historia
La relación fundamental se suele atribuir a James Clerk Maxwell (1831-1879). En 1962, Robert Mazur (patente de EE.UU. 3.628.137) y Dickey desarrollaron un sistema práctico de 2 sondas utilizando un par de agujas de osmio ponderadas .
En 1970, se fundó Solid State Measurements para fabricar herramientas de perfilado de resistencia al esparcimiento y en 1974, se fundó Solecon Labs para brindar servicios de perfilado de resistencia al esparcimiento. En 1980, Dickey desarrolló un método práctico para determinar el tipo p o n utilizando la herramienta de resistencia al esparcimiento. Las mejoras han continuado, pero han sido desafiadas por las dimensiones cada vez más reducidas de los dispositivos digitales de última generación. Para estructuras poco profundas (<1 um de profundidad), la reducción de datos es compleja. Algunos de los contribuyentes a la reducción de datos son Dickey, Schumann y Gardner, Choo et al. , Berkowitz y Lux, Evans y Donovan, Peissens et al. , Hu, Albers y Casel y Jorke.
Teoría de operación
Si se aplica un voltaje entre dos puntas de sonda que proporcionan contacto eléctrico a una losa infinita, la resistencia que se encuentra dentro de la losa es , donde:
- es la resistencia medida en ohmios,
- (rho) es la resistividad de la losa en ohm-cm, y
- es el radio del área de contacto en cm.
La mayor parte de la resistencia ocurre muy cerca del contacto eléctrico, lo que permite determinar la resistividad local. Las sondas producen una sonda insignificante a la resistencia de silicio (casi contacto óhmico ) sobre toda la resistividad gama para ambos de tipo p y de tipo n (rico en agujeros y ricos en electrones respectivamente). Manteniendo la resistencia del cableado y la resistencia de propagación dentro de las puntas de la sonda al mínimo, la resistencia medida es casi exclusivamente de muestras de silicio al menos gruesas. Con la ayuda de estándares de resistividad de calibración, el par de sondas puede determinar en cada sondeo.
Instrumentación
Se aplica un sesgo de 5 mV a través de las puntas de la sonda. La resistencia medida puede oscilar entre 1 ohmio y mil millones de ohmios. Se utiliza un amplificador o electrómetro "log R" para medir la resistencia.
Mecánico
El SRP moderno tiene dos puntas de sonda de carburo de tungsteno colocadas a unos 20 um de distancia. Cada punta está montada sobre un rodamiento cinemático para minimizar el "fregado". Las sondas se bajan muy suavemente sobre una pieza biselada de silicio o germanio. Aunque la carga de las puntas de la sonda puede ser tan pequeña como 2 g., La presión es superior a un millón de libras por pulgada cuadrada (o ~ 10G pascales), lo que provoca una transformación de fase localizada en el silicio a "beta-estaño" que produce un contacto casi óhmico . Entre cada medición, las sondas se elevan y se indexan una distancia predeterminada hacia abajo del bisel. Los biseles se producen montando la muestra en un bloque angular y puliendo el bisel con una pasta de diamante de 0,1 o 0,05 micrómetros. Los ángulos de bisel, elegidos para ajustarse a la profundidad de interés, pueden oscilar entre ~ 0,001 y 0,2 radianes. Se debe tener cuidado para producir un bisel liso y plano con un redondeo mínimo del borde del bisel. (Ver figura 1).
Límites de detección
El rango del instrumento es típicamente de un ohmio a mil millones de ohmios. Esto es adecuado para todo el rango de resistividad en silicio monocristalino.
Calibración
NIST ha elaborado estándares de calibración . Se ha producido un conjunto de 16 estándares que van desde aproximadamente 0,0006 ohm-cm a 200 ohm-cm para ambas orientaciones de cristal de tipo n y py para orientaciones de cristal (100) y (111). Para alta resistividad (por encima de 200 ohm-cm y quizás por encima de 40 000 ohm-cm), el valor de resistividad debe extrapolarse de la curva de calibración.
Aplicaciones
La herramienta se utiliza principalmente para determinar estructuras de dopaje en semiconductores de silicio. Los perfiles profundos y superficiales se muestran en la Figura 2.
Procesos alternativos
La espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) también es muy útil para el perfilado de dopantes. SIMS puede proporcionar la concentración atómica durante tres décadas o, en algunos casos, cuatro décadas de rango dinámico. SRP puede determinar la concentración de portador (dopante eléctricamente activo) en más de ocho o nueve décadas de rango dinámico. A menudo, las técnicas son complementarias aunque a veces competitivas. El equipo para SIMS tiende a ser considerablemente más caro de fabricar y operar. Si bien la resistencia a la propagación se limita al silicio, el germanio y algunos otros semiconductores, SIMS puede perfilar la concentración atómica de casi cualquier cosa en cualquier cosa. SIMS tiene una mayor resolución espacial útil para perfiles ultra-superficiales (<0,1 micrómetros) pero SRP es más conveniente para estructuras más profundas.
Referencias
Bibliografía
RG Mazur y DH Dickey, una técnica de propagación de resistencia para mediciones de resistividad en silicio , J. Electrochem. Soc., 113 , 255 (1966)
DH Dickey, Historia y estado del problema de reducción de datos en SRA , Actas de la Tercera Conferencia Internacional sobre Tecnología de Circuitos Integrados y Estado Sólido, Ellwanger et al. , Eds., Editorial de la industria electrónica
MW Denhoff, Un cálculo preciso de la resistencia a la propagación , Journal of Physics D: Applied Physics, Volumen 39, Número 9