К выбору метода контроля распределения концентраций примесей при производстве силовых полупроводниковых приборов

В настоящее время при производстве силовых полупроводниковых приборов актуальной является задача контроля распределения концентрации диффузионных примесей по глубине залегания в пластине. При отсутствии данного контроля не возможна отбраковка дефектных изделий, что, в свою очередь, в ряде случаев приводит к повышению процента бракованных изделий до 100%.

Потенциально применимыми для решения данной задачи являются методы контроля, перечень и краткие характеристики которых представлены в таблице 1.

Таблица 1 ˗ Сравнение ключевых методов элементного анализа.

Метод	Неразруш ающий контроль	Возмож ность реализац ии	Минимальное процентное массовое содержание элемента	Примерная стоимость аналогов	Среда анализа	Анализир уемые элементы
Рентгеносп ектральны й анализ	+	+	1х10-5% - 100%	6*10^6 р	Воздух-Вакуум	B5 - U92
Атомно-эмиссионн ый анализ	-	+	1х10-5% - 100%	6*10^6 р	Азот	H1-U92
Атомно-эмиссионн ый анализ с тлеющим разрядом	-	-	1х10-6% - 100%	20*10^6 р	Азот	B5 - U92

Как следует из таблицы, минимальное процентное массовое содержание элемента является определяющим фактором при выборе метода анализа. До настоящего времени в открытых для общего доступа источниках отсутствуют конкретные числовые данные по диапазонам концентраций легирующих примесей в полупроводниковых пластинах

В настоящей статье отражены результаты исследований по определению диапазонов процентных массовых содержаний элементов, подлежащих анализу при контроле процесса диффузии. Как самый показательный, для рассмотрения был взят процесс глубокой диффузии (ГД) при производстве силовых тиристоров. Так как для полупроводниковых пластин, ввиду наличия большого числа значимых факторов, теоретически рассчитать данный параметр невозможно, было принято решение провести эксперимент, по следующему плану.

• 1)    Определение массы пластин исследуемого типа и массы композиции, наносимой перед диффузией.

Для определения массы пластин и композиции были использованы лабораторные весы с основной погрешностью 0,01г. Нанесение композиции производилось профессиональным оператором. Чтобы определить массу композиции диффузионные пластины в количестве 150шт (для увеличения точности эксперимента) были взвешены до и после нанесения на них диффузионной композиции с двух сторон.

В результате выполнения данного этапа исследований было установлено:

• -    средняя масса полупроводниковой пластины равна 3,96 г,

• -    средняя масса композиции, наносимой на полупроводниковую пластину с каждой стороны, равна 0,0017 г.

• 2)    Определение состава тонкой плёнки на момент начала активной фазы диффузии.

Композиция служит для образования тонкой плёнки, содержащей примеси, необходимые при глубокой диффузии (B, Al). Химически она представляет собой золь гель, где функции растворителя выполняет изопропиловый спирт. Общий состав композиции и элементный состав ее компонентов представлены в таблице 2.

Таблица 2 ˗ Элементный состав компонентов композиции

	Формула	Масса, г	Содержание, г
			Al	N	O	H	B	C	Si
Азотнокис лый алюминий	H3BO3	4,5	14,6461 5465	8,21435 8515	28,13 949	0	0	0	0
Борная кислота	(C2H5O)4 Si	200	0	0	3,492 941	0,220 125	0,786 934	0	0
ТЭОС	C3H8O	800	0	0	61,42 434	19,35 477	0	92,25 557	26,96 532
Изопропи ловый спирт	Формула	Масса, г	0	0	212,9 321	107,3 516	0	479,7 163	0

После нанесения композиция быстро кристаллизуется. Образуется плёнка (этот процесс ускоряется с помощью использования нагревательных ламп). Полученная полимерная плёнка является устойчивым соединением, её элементы в диффузии не участвуют и исключаются из дальнейших исследований.

Параллельно с образованием плёнки происходит испарение изопропилового спирта и гидроксильных групп борной кислоты. Органические соединения ТЭОС (Тетраетоксисилана) сгорают при загрузке пластин в диффузионную печь под воздействием высокой температуры (1235°С). Следовательно, все перечисленные компоненты могут не учитываться при проводимых исследованиях.

Таким образом, поставленная задача сводится к определению концентраций только элементов, указанных в таблице 4.

Таблица 3 ˗ Состав и массы элементов композиции на момент начала активного процесса Глубокой диффузии.

Элемент	Масса элемента, г
Al	0,000462225
N	0,000259
O	0,000998
B	2,48E-05

• 3)    Расчет процентного соотношения элементов в исследуемых пластинах после процесса глубокой диффузии.

При расчёте полагалось, что процесс протекания глубокой диффузии идеален, что является допустимым т. к. целью исследования является подбор метода элементного анализа, что требует точности до порядка, вследствие чего многие факторы и эффекты, например, диффузия примеси в боросиликатное стекло, не учитывались. Рассчитывалась концентрация элементов в объёме протекания диффузии (значение глубины залегания диффузии выбиралось статистически из экспериментальных данных h = 100мкм). Результаты расчетов представлены в таблице 5.

Таблица 4˗ Концентрация элементов в объёме протекания ГД

	Al	N	O	B
Массовое отношение содержания элемента к массе объёма диффузии	0,0011672 34	0,00065 5	0,00252 1	6,27E- 05

Выводы:

Исходя из полученных данных, а также представленных в таблице 1, характеристик потенциально применимых методов контроля, сделаны выводы, что для контроля распределения концентрации диффузионных примесей по глубине залегания в пластине, применимы следующие методы анализа:

• 1)    Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ.

Достоинствами этого являются приемлемый диапазон анализируемых концентраций и отсутствие оптической системы. Также возможно многократное облучение образца. Недостатками являются высокая опасность рентгеновского излучения, необходимость мощного источника питания, системы охлаждения и высокая стоимость.

• 2)    Атомно-эмиссионный анализ.

В отличие от вышеописанного метода не требует мощного источника питания и охлаждения. Также стоимость его ниже, чем у РСФА, и он не требует постановки прибора на учёт в радиационный контроль. Недостатками являются необходимость разработки оптической системы, а также то, что данный метод анализа является разрушающим, что ограничивает возможное количество проб, при малых размерах образца, или ограниченном количестве образцов.

В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования по апробации обоих методов в совокупности с разработанной в лаборатории специального программного обеспечения, с участием автора, системой детектирования вторичного излучения.