Трёхзондовый метод

Этот метод представляет собой модифицированный четырёхзондовый метод (рис. 5.1.в). Если один из токовых и один из потенциальных зондов удалить на "бесконечность" (где их можно объединить в один зонд), то оказывается, что формула расчёта УЭС имеет тот же вид, что и для четырёхзондового метода.

(5.3)

Однако, более точный расчёт показывает, что результат измерений зависит от градиента УЭС в направлении, перпендикулярном поверхности образца:

(5.4)

Таким образом, конечный результат должен зависеть от отношения r₁/r₂, удалённости периферийного зонда d₂ и величины межзондового расстояния.

Если d₂>>d₁, l мало, а r₁ не слишком отличается от r₂ (n-n⁺- и p-p⁺-структура), метод даёт хорошие результаты.

Пятизондовый метод

Схема этого метода ясна из рис. 5.1. г. Метод применяется в тех случаях, когда толщина плёнки по порядку величины близка к межзондовому расстоянию. При введении пятого зонда появляется возможность производить измерения двумя головками с различными межзондовыми расстояниями. Вводя параметр m=l^*/l, можно найти некие величины и .

Находим

(5.5)

Функции Z определяются с помощью специально рассчитанных номограмм.

а – четырехзондовый метод; б – метод встречных зондов; в – трехзондовый метод; г – пятизондовый метод.

ЭС - эпитаксиальный слой; П – подложка; ₁, ₁ и ₂, ₂ – УЭС и толщина ЭС и П, соответственно.

Рис. 5.1. Методы измерения УЭС полупроводниковых пленок

5.3. Измерение толщины эпитаксиальных плёнок

Из всего многообразия методов измерения толщины эпитаксиальных плёнок остановимся на тех, которые получили наибольшее распространение в производстве полупроводников, т.е. реализуют функции метрологического обеспечения технологического процесса.

К этим методам предъявляют ряд требований: они должны быть неразрушающими, достаточно точными и в то же время производительными. Этим требованиям различные методы отвечают в различной степени, и поэтому их выбор осуществляется с учётом конкретно поставленной технологической задачи.

Поскольку плёнка и подложка представляют собой монолитную композицию, основная проблема при измерениях толщины плёнки состоит в определении положения физической границы раздела между ними. Именно неопределённость в выявлении этой границы служит основным источником погрешности.

Разностные методы

Наиболее простым представляется метод измерения толщины нарощенного слоя путём вычитания исходной толщины подложки из общей толщины структуры. Вариантом этого метода является взвешивание пластины до и после наращивания на него эпитаксиального слоя. Исходя из разницы в весе и зная плотность материала, можно определить d. Иногда в процессе наращивания часть подложки экранируют маской из графита, кварца или другого материала, затем с помощью обычного измерительного инструмента определяют высоту образовавшейся ступеньки.

Точность этих методов невысока из-за неопределённости в положении границы слой-подложка, которую вносит газовое травление подложек перед наращиванием, взаимная диффузия материала между подложкой и слоем, неравномерность слоя по толщине.

Поэтому указанные методы, обладающие высокой экспрессностью и наглядностью, применяются, как правило, только для настройки и отладки технологического процесса.

Определение толщины по тетраэдрическим дефектам

Тетраэдрические дефекты образуются в большинстве случаев непосредственно на границе подложка-слой. Они представляют собой двумерные дефекты, образованные при отклонении от нормальной последовательности упаковки атомов в кристалле. Дефекты упаковки в результате селективного травления проявляются в виде равносторонних треугольников в плоскости (III), равнобедренных треугольников в плоскости (II0) и квадратов в плоскости (I00).

Измеряя длину стороны дефекта упаковки на поверхности плёнки, вычисляют толщину плёнки d по формулам:

• для плоскости (111) ;

• для плоскости (100) ; (5.6)

• для плоскости (110) .

При всей своей простоте и достаточно высокой точности указанный метод является разрушающим, поскольку требует выявления дефектов с помощью травления. Кроме того, совершенствование технологии наращивания повышает вероятность получения бездефектных слоёв. Поэтому рассматриваемый метод также как и разностные применяется преимущественно в чисто технологических целях.

ЭС – эпитаксиальный слой; П – подложка; d – толщина пленки; l – длина шлифа;  - угол косого шлифа.

Рис. 5.2. Схема метода косого шлифа измерения толщины пленки

ЭС – эпитаксиальный слой; П – подложка;  - угол преломления в пленке.

Рис. 5.3. Схема интерференционного метода измерения толщины пленки

Метод окрашивания шлифа (скола)

Этот метод, хотя он и является разрушающим, наиболее точен и прост, а потому и занимает ведущее место в технологии полупроводников. Как правило, для контроля партии структур, наращиваемых в едином процессе, в установку загружается специальная пластина, на которой наращивается контрольная структура-спутник. Именно на этой структуре-спутнике и проводятся измерения основных паспортных параметров, в том числе и толщины, которые характеризуют всю партию.

Суть метода заключается в том, что на структуре вначале создаётся косой скол или шлиф (рис. 5.2). В промышленной практике чаще пользуются методом круглого (или шарового) шлифа.

Шлифы подвергают процессам электрохимического осаждения меди, травления или анодного окисления, в результате которых граница раздела слой-подложка окрашивается (декорируется).

Это даёт возможность измерять не d, а более доступную величину l. Чем больше l (или радиус шарового шлифа), тем с большей точностью можно определить d.

В случае косого шлифа, зная его угол  и измеряя под микроскопом расстояние l от края шлифа до границы окрашенной области, можно вычислить толщину плёнки:

d = l  sin  (5.7)

Этим методом можно измерять толщину слоёв более 1 мкм с точностью (510). Достоинством метода является возможность измерения d в широком диапазоне значений практически для структур любых типов (n-n⁺, p-p⁺, n-p). Недостатком метода, помимо разрушающего воздействия, является его относительно низкая производительность.

Интерференционный метод

Попытки избежать разрушения эпитаксиальных структур в процессе измерений вызвали к жизни широкий круг бесконтактных методов. Из этих методов наибольшее применение получил оптический метод, основанный на изучении интерференционной картины при отражении излучения от границы раздела слой-плёнка в инфракрасной области за краем поглощения.

Схема интерференционного метода представлена на рис.5.3.Между лучом, отражённым от поверхности структуры, и лучом, преломлённым в эпитаксиальном слое и отражённым от границы слой-подложка, возникает разность хода, которая зависит от величины d. С помощью спектрофотометра изучается зависимость коэффициента отражения от длины волны . При этом наблюдается чёткая интерференционная картина, состоящая из чередующихся минимумов и максимумов.

Необходимым условием реализации рассматриваемого метода является отличие оптических констант плёнки и подложки, т.е. либо подложка должна быть сильно легированной относительно плёнки, либо плёнка должна быть сильно легированной относительно подложки.

Указанное обстоятельство сужает диапазон использования этого метода, он применим только к структурам n-n⁺-, p-p⁺-, p-n⁺- и p⁺-n-типов (знак + относится к подложке, УЭС подложки должно быть не более 0,01 Омсм).

Измерения коэффициента отражения для германия осуществляются в диапазоне значений  от 9 до 17 мкм, для кремния – от 12 до 30 мкм.

Расчёт величины d производится по формуле:

(5.8)

где m и m+x – номера наблюдаемых максимумов, х – число максимумов между ­_m и _m+x, n – показатель преломления материала плёнки,  - угол преломления в плёнке.

Для кремния при угле падения 30⁰ n=3,42, =8,4⁰, соs =0,99. Метод не разрушает структуру и является достаточно точным при резкой границе раздела слой-подложка. Диапазон измеряемых значений d заключен в пределах 1-30 мкм и выше. Аппаратурное оформление метода достаточно сложное и дорогостоящее, так как базовым средством измерения является спектрофотометр (типа UKC, UR, "Спекорд" и проч.).