تحديد خصائص مقاومة الانتشار

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ تحليل مقاومة الانتشار (SRP)، المعروف أيضًا باسم تحليل مقاومة الانتشار (SRA)، تقنيةً تُستخدم لتحليل المقاومة الكهربائية مقابل العمق في أشباه الموصلات . تعتمد أجهزة أشباه الموصلات على توزيع حاملات الشحنة ( الإلكترونات أو الفجوات ) داخل بنيتها لتحقيق الأداء المطلوب. ويمكن استنتاج تركيز حاملات الشحنة (الذي قد يختلف بمقدار يصل إلى عشرة أضعاف ) من منحنى المقاومة الكهربائية الذي يوفره تحليل مقاومة الانتشار.

تاريخ

تُنسب العلاقة الأساسية عادةً إلى جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879). في عام 1962، قام روبرت مازور (براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,628,137) وديكي [ 1 ] بتطوير نظام عملي ثنائي المجسات باستخدام زوج من إبر الأوزميوم الموزونة .

في عام 1970، تأسست شركة Solid State Measurements لتصنيع أدوات قياس مقاومة الانتشار، وفي عام 1974، تأسست شركة Solecon Labs لتقديم خدمات قياس مقاومة الانتشار. في عام 1980، طوّر ديكي طريقة عملية لتحديد نوع الموصل (p أو n) باستخدام أداة قياس مقاومة الانتشار. استمرت التحسينات، لكنها واجهت تحدياتٍ بسبب تقلص أبعاد الأجهزة الرقمية الحديثة باستمرار. بالنسبة للهياكل الضحلة (أقل من 1  ميكرومتر عمقًا)، يكون اختزال البيانات معقدًا. من بين المساهمين في اختزال البيانات: ديكي [ 2 ] [ 3 ]، وشومان وغاردنر [ 4 ] ، وتشو وآخرون [ 5 ] ، وبيركويتز ولوكس [ 6 ] ، وإيفانز ودونوفان [ 7 ] ، وبيسينز وآخرون [ 8 ] ، وهو [ 9 ] ، وألبرز [ 10 ] ، وكاسيل وجورك [ 11 ] .

نظرية التشغيل

إذا تم تطبيق جهد كهربائي بين طرفي مسبارين يوفران اتصالاً كهربائياً بلوح لا نهائي، فإن المقاومة التي يتم مواجهتها داخل اللوح هيR=ρ2أ{\displaystyle R{=}{\frac {\rho }{2a}}}، أين:

  • R{\displaystyle R}المقاومة المقاسة بالأوم،
  • ρ{\displaystyle \rho }(ρ) هي المقاومة النوعية للوح بوحدة أوم-سم، و
  • أ{\displaystyle a}يمثل نصف قطر منطقة التلامس بالسنتيمتر.

تتركز معظم المقاومة بالقرب من نقطة التلامس الكهربائي [ 12 ]، مما يسمح بتحديد المقاومة النوعية المحلية. تُنتج المجسات مقاومة ضئيلة جدًا بين المجس والسيليكون ( تلامس أومي تقريبًا ) على امتداد نطاق المقاومة النوعية لكل من النوع p والنوع n (الغني بالفجوات والغني بالإلكترونات على التوالي). مع تقليل مقاومة الأسلاك ومقاومة الانتشار داخل أطراف المجسات إلى أدنى حد، فإن المقاومة المقاسة ناتجة بشكل شبه حصري عنR=ρ2أ{\displaystyle R{=}{\frac {\rho }{2a}}}بالنسبة لعينات السيليكون على الأقل2أ{\displaystyle 2a}سميكة. بمساعدة معايير مقاومة المعايرة،ρ{\displaystyle \rho }يمكن تحديد ذلك في كل عملية فحص بواسطة زوج المجسات.

الأجهزة

يُطبَّق جهد انحياز مقداره 5 ملي فولت على طرفي المجس. تتراوح المقاومة المقاسة من 1 أوم إلى مليار أوم. يُستخدم مُضخِّم "log R" أو مقياس كهربائي لقياس المقاومة.

ميكانيكياً

الشكل 1: رسم توضيحي لعملية فحص قطعة من السيليكون ذات حواف مشطوفة. (عادةً ما يتم إجراء 60 إلى 100 قياس أو أكثر).

يحتوي جهاز SRP الحديث على طرفي مجسّين من كربيد التنجستن، يفصل بينهما حوالي 20  ميكرومترًا. يُثبّت كل طرف على محمل حركي لتقليل الاحتكاك (حيث يخدش المجسّان السطح). يُنزل المجسّان برفق شديد على قطعة مشطوفة من السيليكون أو الجرمانيوم. على الرغم من أن الحمل الواقع على طرفي المجسّين قد يكون ضئيلاً يصل إلى 2 غرام، إلا أن الضغط يتجاوز مليون رطل لكل بوصة مربعة (أو ما يقارب 10 جيجا باسكال)، مما يُسبب تحولًا طوريًا موضعيًا في السيليكون إلى "بيتا-قصدير"، مُنتجًا اتصالًا شبه أومي . [ 13 ] بين كل قياس، يُرفع المجسّان ويُضبطان على مسافة محددة مسبقًا على طول الشطفة. تُصنع الشطفات بتثبيت العينة على كتلة زاوية وصقل الشطفة باستخدام معجون ماسي عادةً بحجم 0.1 أو 0.05 ميكرومتر. تتراوح زوايا الشطف، المختارة لتناسب العمق المطلوب، من 0.001 إلى 0.2 راديان تقريبًا. يجب توخي الحذر لإنتاج شطفة ناعمة ومسطحة مع الحد الأدنى من استدارة حافة الشطفة. (انظر الشكل 1.)

حدود الكشف

يتراوح نطاق الجهاز عادةً من أوم واحد إلى مليار أوم. وهذا كافٍ لنطاق المقاومة الكامل في السيليكون أحادي البلورة.

معايرة

أصدر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) معايير معايرة . وقد تم إنتاج مجموعة من 16 معيارًا تتراوح قيمها من حوالي 0.0006 أوم-سم إلى 200 أوم-سم، وذلك لكل من النوعين n و p، ولكل من اتجاهي البلورة (100) و (111). بالنسبة للمقاومة العالية (أعلى من 200 أوم-سم، وربما أعلى من 40,000 أوم-سم)، يجب استقراء قيمة المقاومة من منحنى المعايرة .

التطبيقات

تُستخدم هذه الأداة بشكل أساسي لتحديد هياكل التطعيم في أشباه موصلات السيليكون. يوضح الشكل 2 الملامح العميقة والضحلة.

الشكل 2: المقطع الجانبي الضحل على اليسار، والمقطع الجانبي العميق على اليمين. تم رسم تركيز حاملات الشحنة مقابل العمق. المناطق ذات التركيز الإلكتروني الصافي يُرمز لها بـ "n" (أو النوع n). المناطق ذات التركيز الفجوي الصافي يُرمز لها بـ "p".

العمليات البديلة

يُعدّ مطياف الكتلة الأيوني الثانوي (SIMS) أداةً بالغة الأهمية لتحليل توزيع الشوائب. إذ يُمكنه تحديد التركيز الذري على مدى ثلاثة عقود، أو أربعة عقود في بعض الحالات. بينما يُمكن لتقنية مقاومة الانتشار (SRP) تحديد تركيز حاملات الشحنة (الشوائب النشطة كهربائيًا) على مدى ثمانية أو تسعة عقود. غالبًا ما تُكمّل هاتان التقنيتان بعضهما بعضًا، وإن كانتا تتنافسان أحيانًا. وتميل معدات SIMS إلى أن تكون أغلى ثمنًا بكثير من حيث التصنيع والتشغيل. في حين أن تقنية مقاومة الانتشار تقتصر على السيليكون والجرمانيوم وبعض أشباه الموصلات الأخرى، يُمكن لتقنية SIMS تحليل التركيز الذري لأي مادة تقريبًا في أي بنية. تتميز تقنية SIMS بدقة مكانية أعلى، ما يجعلها مفيدةً للتحليلات السطحية جدًا (أقل من 0.1 ميكرومتر)، بينما تُعدّ تقنية SRP أكثر ملاءمةً للتحليلات الأعمق.

مراجع

  1. ↑ DH Dickey, The Electrochem. Soc., Electron. Div Ext. Abstr. 12 , 151 (1963)
  2. ↑ دي إتش ديكي وجيه آر إيرستين، منشور خاص من المكتب الوطني للمعايير 400-48، (1979)
  3. ↑ د. هـ. ديكي، اجتماع اللجنة الفرعية F1.06 التابعة للجمعية الأمريكية لاختبار المواد، دنفر، يونيو 1984
  4. ↑ PA Schumann and EE Gardner, J. Electrochem. Soc. 116 , 87 (1969)
  5. ↑ SC Choo, MS Leong, and KL Hong, L. Li and LS Tan, Solid State Electronics, 21 , 796 (1978)
  6. ↑ HL Berkowitz and RA Lux, J. Electrochem Soc. 128 , 1137 (1981)
  7. ↑ RA Evans and RP Donovan, Solid St. Electron. 10 , 155 (1967)
  8. ↑ R. Peissens, WB Vandervorst, and HE Maes, J. Electrochemical Soc. 130 , 468 (1983).
  9. ↑ SM Hu, J. Appl. Phys. 53 , 1499 (1982)
  10. ↑ JH Albers، تكنولوجيا أشباه الموصلات الناشئة ، ASTM ATP 960، DC Gupta و PH Langer، المحررون، الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (1986).
  11. ↑ أ. كاسيل وهـ. جورك، رسائل الفيزياء التطبيقية، 50 ، 989 (1987)
  12. ↑ ر. هولم، التوصيلات الكهربائية ، ألمكويست وويكسلز، أوبسالا (1946)
  13. ↑ JC Jamieson، الهياكل البلورية عند الضغوط العالية للتعديل المعدني للسيليكون والجرمانيوم ، مجلة العلوم، 139 (1963)

فهرس

RG Mazur و DH Dickey، تقنية مقاومة الانتشار لقياسات المقاومة على السيليكون ، مجلة الجمعية الكهروكيميائية، 113 ، 255 (1966)

دي إتش ديكي، تاريخ وحالة مشكلة اختزال البيانات في SRA ، وقائع المؤتمر الدولي الثالث حول تكنولوجيا الحالة الصلبة والدوائر المتكاملة، إيلوانجر وآخرون ، المحررون، دار نشر صناعة الإلكترونيات

إم دبليو دينوف، حساب دقيق لمقاومة الانتشار ، مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية، المجلد 39، العدد 9