Способ определения температурного поля

союз сОВетскихсОциАлистическихРЕСПУБЛИК 1813207 9 .йА 1)5 О 01 К 11/00, 7/22 нтно ОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР ГОСПАТЕНТ СССР),АНИЕ ЕТЕН ОП АТЕНТУ 1(56) 1, Современные электронный приборы и схемы в физико-химическом исследовании. М.; 1971, с, 429-432.2. Мсгоеес 1 гап 1 с МапцГасщг 1 лд апд. Теэбпц, 1989, ч. 12, р. 23-24,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ(57) Использование: производство полупроводниковых приборов и интегральных Изобретение относится к термометрии и можйт быть использовано для записи и расшифровки записей температурных полей на поверхности нагретого твердого те-: . ла, например. впроизводстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности в технологии йаращивания зпитаксиальных слоев.Целью изобретения является снижение абсолютной погрешности измерения температуры при регистрации температурного поля.Цель достигается тем, что в способе регистрации температурного поля, включающем размещение термоиндикатора в виде кремйиевой пластины р-типа проводимости с ионно-имплантированным слоем элемента Ч группы в зоне нагрева, выдержку его в течение заданного промежутка времени т йри температуре не менее 1000 ОС, охлажсхем, технология наращивания эпитаксиальных слоев. Сущность изобретения: в зоне нагрева размещают термоиндикатор я виде пластины кремнйя р-типа проводймости с ионно-имплантированным слоем сурьмы, Предварительно термоиндикатор окисляют в среде влажного кислорОда при температуре 800-900 С в течение 90-150 мин. После выдержки термоиндикатора при температуре нагрева не менее 1000 С в течение 10-720 мин его охлаждают до комнатной температуры Удаляют окиснуа пленку и измеряют сопротивления в ряде точек поверхности термоиндикатора, по значениям которых расчетом по йриводй- мой формуле определяют температурное Ф поле 3дение до комнатной темпера 1 уры и измерение сойротивления 8 в ряде точек поверхности термоидикатора, по значенйям(ф кототорого определя от теМпературу в точ- а ках измерения, дополнительно перед раз- (,) мещением термоиндикатора в качестве элемента Ч группы, в материале которого используют сурьму, взойе нагрева, его нагревают в среде влажного кислородадля образования окисной пленки при температуре 800-900 С в течение 90-150 миу, выдержку темоиндикатора йроводят в гечение 10-720 мин, перед измерением поверхностного сопротивления окисную пленку .удаляют, а температуру определяют поформулеТ= 111794,1/)9(5 10 Язв )-2732В структурах, применяемых в микроэлектронике, доза имплантации 0 сурьмы,составляет 3 10 - 110 см 2.В случае, когда скорость образованияокисной пленки превышает в 2 раза и болеескорость диффузии сурьмы (такие условияреализуются при температурах окисления800 - 900 С во влажном кислороде в течение90-150 мин),происходит скопление имплантированной сурьмы на границе Я 102-Я 1 в 10очень тонком переходном слое (ПС), расположенном со стороны скисла (толщина образующегося ПС составляет величинубдс =2 10 см),-6В процессе роста Я 102 сурьмы непрерывно "выдавливается" из ПС награницу ПС-Я 1, и ее концентрация Мз(йз =,. - - 1,5 10 смз) на0бпсгранице с кремнием во много раз превышает величину предельной растворимостисурьмы йс(Ис = 4 10 см вдиапазонетемператур 1000-1300 С) в кремнии., Таким образом, ПС представляет собойисточник сурьмы очень большой емкости, иесли пластину, содержащую такой источник, поместить в температурное поле, сурьма будет диффундировать в кремний из ПСкак из источника неограниченной мощностис поверхностной концентрацией йо(равнойвеличине предельной растворимости сурьмы при данной температуре) вплоть до полного истощения источника,Экспериментально установлено, что вдиапазоне температур Т-1300 С зависимость йз формирующегося диффузионного слоя от Т является линейной вкоординатах Аррениуса 1 дй=ф/Т), Обработка экспериментальных данных послеразличной выдержки термоиндикаторов в 40указанном температурном диапазоне в течение фиксированного времени 1(с- 720мин) позволила установить аналитическое.выражение для зависимости Й=Г(Тл);45Т= 11794,1/1 д(5 10 йз ч."б)1 -273,2 Абсолютная погрешность при определении температуры данным методом составляет величину + (3-8) С при выдержке 50 10-720 мин, т.к, длительность переходных процессов нагрева термоиндикатора при этом намного меньше его выдержки, и температура Т целиком определяется погрешностью измерения Вз, которая, например, 55 на установке ИУСне превышает ф. 2 Я,.Сформировавшийся в процессе окисления слОЙ Я 102 помимо ОснОВнОЙ функцио нальной нагрузки формирования источникасурьмы выполняет еще и защитные функции(препятствует потере сурьмы из источникаэа счет испарения или взаимодействия сактивной газовой средой), так что выдержкутермоиндикатора можно осуществлятьпрактически в любых условиях (в частности,в условиях воздействия химически-активной среды).При температуре образования окиснойпленки (температура окисления) более900 С скорость окисления кремния во влажном кислороде Чок всегда больше скоростиперемещения диффузионного фронта сурьмы в объем кремния иэ имплантированногослоя Чдиф. Для этих температузо, соответственно, имеем Чок=2,0 10 мкм/минсдиф=1,8 - 10 мкм/мин, в результате чего в-зкремнии образуется шунтирующий р-и-переход; который .вносит неконтролируемуюсоставляющую проводимости при измерениях й и, как следствие, дает эффективноезначение температуры, отличающееся отреального значения. Погрешность определения температуры в данном случае составляет 18 С,При температуре окисления менее800 С ионно-имплантированная сурьма неуспевает полностью окислиться, вследствиечего в ПС не успевает сформироваться источник сурьмы большой емкости. В этом случае нетлинейной зависимости 1 дй=ф/Т) ирасчет температуры по формуле также даетфиктивные значения температуры, отличающиесяся от реальных.Формирование окисной пленки менеечем за 90 мин также не позволяет образоваться источнику сурьмы большой емкости.Формирование окисной пленки болеечем за 150 мин нецелесообразно, т,к, известно, что такая длительная термообработкав среде влажного кислорода приводит к образованию крупных дефектов Окисления,которые являются центрами стока быстродиффундирующих примесей, т.е. образуютпроводящие каналы в кремнии, влияние которых в процессе измерения Р практическиневозможно учесть. Погрешность регистрации температуры в данном случае составляет 17 С,При изотермической выдержке термоиндикатора более 720 мин наблюдается истощение источника сурьмы в ПС, т.е.слоевая концентрация сурьмы в ПС становится равной предельной растворимостисурьмы в кремнии для данной температуры.Кроме того, изотермическая выдержка более 720 мин неэффективна, т.к. всю необхо-димую информацию о температурном полеможно получить либо за более короткое время, либо используя многостадийную экспо1813207 с диаметром, равным 60, 100, 150 мкм и толщиной, соответственно, 210-300, 420- 460, 480 - 550 мкм.Данное изобретение может быть использовано для записи и расшифровки записей температурных полей не только на поверхности нагретого тела, но и в обьеме реактора, Определение температурного поля можно проводить по любому количеству точек, измеряя их поверхностное сопротивление, с последующим расчетом Т по формуле и независимо от их расположения,Использование изобретения позволяет регистрировать температурное поле с погрешностью измерения температуры 2-9 С,Формула изобретения Т= 1 1794,1/19(5 10 й - 273,2 Т,1/р(510 ЙьЯ 1 - 273,2 Составитель Н,СоловьеваТехред М,Моргентал Корректор Н.Ревская Редактор Заказ 1595 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4 В Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 зицию с последовательной заменой термоиндикаторов.При изотермической выдержке менее 10 мин влияние переходных процессов нагрева термоиндикатора до выхода на изо термический режим, а также переходных процессов охлаждения термоиндикатора приводит к тому, что скорость перемещения диффузионного фронта примеси за время переходных процессов становится соизме римой са скоростью перемещения диффузионного фронта при выдержке, и рассчитанное по формуле значение температуры будет заниженным, намного отличающимся от реального значения 15 температуры.Г 1 ример конкретного выполнения.В пластину кремния марки КДБдиаметром 76 мм и толщиной 320 - 380 мкм проводят имплантацию ионов сурьмы с 20 энергией Е=50 кэВ и дозой 0=6 10 см%- 2, после чего ее окисляют во влажном кислороде при Т=850 С в течение 1=120 мин, Сформированный таким образом термоиндикатор размещают на графитовом пьеде стале эпитаксиальной установки УНЭС, Затем термоиндикатор нагревают до температуры 1180 С, выдерживают. в течение 120 мин, затем охлаждают в течение 5 - 10 мин,разгружают с пьедестала, после чего трав лением в растворе плавиковой кислоты удаляют с термоиндикатора слой окисла, Затем на термоиндикаторе измеряют поверхностное сопротивление Р четырехзондовым методом в трех точках, равномерно распо ложенных на диаметре, который перпендикулярен базовому срезу, и рассчитывают температуру нагревания в точке измерения по формуле Для формирования термоиндикаторов ., могут быть использованы кремниевые пластины, применяемые в эпитаксиикремния, 45 Способ определения температурного поля, включающий размещение в зоне нагрева термоиндикатора в виде пластины из кремния р-типа проводимости с ионно-имплантированным слоем элемента У группы, выдержку его в течение заданного промежутка времени - т при температуре не менее 1000 С, охлаждение до комнатной температуры и измерение сопротивлений В в ряде точек поверхности термоиндикатора, по значениям которых определяют температурное поле, отл ича ю щийся тем, что, с целью повышения точности, перед размещением термоиндикатора, в качестве элемента 7 группы, в материале которого используют сурьму в зоне нагрева, его окисляют в среде влажного кислорода при тем-, пературе 800-900 С в. течение 90-150 мин, выдержку термоиндикатора проводят в течение 10-720 мин., перед измерением поверхностного сопротивления окисную пленку удаляют, а температуру определяют по формуле;