[拼音]：zazhi fenbu celiang jishu

[外文]：measurement of impurity profiling

半导体器件的许多电学特 ，包括结电容、串联电阻、击穿电压、穿通电压、电流增益、频率响应、开关速度等，都与形成器件的外延层、扩散层和离子注入层中的杂质分布有关。了解这些薄层中的杂质分布情况，无论对于设计高 能的器件，还是建立工艺过程的有效监控都具有重要意义。杂质分布测量有多种方法。

用被测硅片作阳极，铂片作阴极，均置于电解液中，加上电压后在硅片的表面就会生成一层阳极氧化层。根据此氧化层的颜 ，可粗略地控制其厚度为几百埃，再经椭圆仪准确测定为d1。然后，放入氢氟酸腐蚀液中除去氧化层，这样剥除的硅层厚度被折合为刅d1。刅为硅与它所生长二氧化硅的厚度比，通常约为0.43。在阳极氧化剥层前后，用四探针测量硅表面的薄层电阻，分别为Rs0和RS1。由此可得薄层电导的变化为1/Rs0-1/RS1＝αd1(N1qμ)。式中q为电子电荷；μ为电子或空穴的迁移率，均为已知；N1为载流子浓度。在室温情况下杂质是充分电离的，也就是杂质浓度十分接近于N1。因此，可以把N1看成是阳极氧化所剥除的硅层内平均杂质浓度、也可视为距表面刅d1/2处的杂质浓度。经过这样连续的阳极氧化剥层与四探针测量，继续生长和剥除氧化层厚度 d2、d3、…、dn、…，测得薄层电阻Rs2、Rs3、…、Rsn、…，便可求得距表面各点的杂质浓度N2、N3、…、Nn、…。这样，可测出整个薄层中的杂质分布。

用两个金属探针与半导体表面接触。若半圆状针尖的半径均为ɑ，则在探针上加电压时绝大部分电压将降落在两针尖附近1.5ɑ范围以内。在小信号（小于15毫伏）情况下，电压U与流过探针的电流I 不论在正、反方向都呈线 关系。U/I称为扩展电阻，用Rs表示。Rs与ɑ成反比，与接触处半导体材料的电阻率ρ成正比，即Rsρ/ɑ。对于一台固定的两探针装置(ɑ不变)，首先用一套已知电阻率ρ和晶体取向的标准样片作Rs测量，并得出Rs～ρ 校准曲线。

用两探针测量薄层的杂质分布时，须把样品事先磨成一个0.5～2°的小角度倾斜面。然后，使两探针平行于原始表面，并沿新的倾斜表面顺次测出Rs，用Rs～ρ校准曲线确定ρ、再由ρ换算出杂质浓度N。根据斜面的倾斜度，可以算出测量点新对应的磨角前样品的深度。这样就得出杂质浓度N 随深度的分布。 用两探针扩展电阻法测量杂质分布的优点是测量掺杂浓度范围宽，空间分辨率高，不论是同型层或异型层均适用。

在PN结和金属-半导体接触的肖特基势垒中，改变外加反偏压即可改变空间电荷层的宽度，从而改变结电容。电容－电压关系与空间电荷层扩展处的杂质浓度有关。对于突变PN结和肖特基势垒，N可表示为

空间电荷层宽度与结电容的关系可表示为

W＝εA/C

上式中的N 在突变PN结中为轻掺杂一侧空间电荷层边缘处的杂质浓度，在肖特基势垒中为空间电荷层向半导体内扩展的边缘处杂质浓度；q为电子电荷；ε为半导体材料的电容率；A为PN结或金属－半导体接触的面积；C为结电容;U为反向偏压；W 为空间电荷层宽度。测量杂质分布时，首先把所测的样片加工成台面PN结或肖特基势垒二极管，并准确测量其结面积A。测出在不同反偏压U时的电容C，给出1/C2～U曲线。空间电荷层扩展的边缘位置x，可表示为x＝xj+W，在PN结中xj就是结深，在肖特基势垒中xj=0。根据这些情况，每选取一个反偏压U的数值就可以从1/C2～U曲线上求出d(1/C2)/du值。再由此计算出杂质浓度N 的数值，并由电容C计算出W 以及与杂质浓度N相对应的位置x。最后即得杂质浓度分布N～x。

用电容-电压法测量杂质分布，手续简便，能满足部分半导体器件 能分析的要求。但是，这种测量方法仅限于反映PN结轻掺杂一侧和肖特基势垒附近半导体中的杂质浓度，加之空间电荷层的扩展又要受到击穿电压的限制，因而所能测量的空间范围是很有限的。

用一束能量为 5～20千电子伏的针状离子束轰击样品，使被轰击层中的原子溅射离化成离子，然后通过质量分析器辨别二次离子的成分。对样品进行逐层剥蚀分析，即可测出杂质分布。此法还可同时测定两种杂质元素的分布，并以10～10克的 灵敏度和10-6～10-9 的相对灵敏度测定微量成分，以1微米的空间分辨率和 50～100埃的深度分辨本领给出从氢到铀所有元素在三维空间的分布，还能测定同位素。

此法包括示踪原子法和中子活化法两种，利用放射 同位素由于核蜕变而发出的特征辐射进行定量检测，配合阳极氧化或化学去层就可测出杂质分布。它可测定0.001％～1％的相对杂质含量，以及10-4～10-8克的 含量。

（1）示踪原子法：把待研究杂质的放射 同位素作为杂质源按常规扩散工艺引入半导体中，然后逐层测量其放射 。放射 同位素要选择合适，半衰期长短适中，尽量采用具有β射线的同位素，因它易于防护且计数效率高。

（2）中子活化法：把已掺入杂质元素的半导体样品送到中子源前进行一定时间的辐照，然后取出进行逐层分析。常用的是把样品送到原子能反应堆中进行热中子辐照。

用四探针、两探针和电容－电压法所测的杂质浓度，都是经过测量电学参量换算得到的，实际上是半导体中已电离的那部分杂质浓度。而离子探针和放射 同位素法则是直接测得的全部杂质浓度，包括电离和未电离的两部分。这种方法不受同型层或异型层结构的限制，不仅能测半导体中的杂质浓度，而且能测二氧化硅等绝缘层中的杂质浓度。但由于这两种方法的测量手续繁杂，一般不用于常规测试。

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