СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН С ВНУТРЕННИМ ГЕТТЕРОМ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для определения качества подготовки пластин кремния с внутренним оксидным геттером, используемых при производстве ИС и полупроводниковых приборов.

Внутренний оксидный геттер применяется для снижения дефектности приповерхностных областей кремниевых полупроводниковых структур, где осуществляется формирование активных элементов приборов, и удаления из этих областей в объем пластин нежелательных загрязняющих примесей быстродиффундирующих металлов (например, Fe, Cr, Cu, Au, Ni и др. ). Внутренний оксидный геттер образуется за счет распада пересыщенного твердого раствора кислорода в кремнии, выращенного методом Чохральского [1] в процессе длительных термообработок. При этом в объеме пластины формируются преципитаты SiO₂, окруженные призматическими дислокационными петлями или дефектами упаковки, а из приповерхностных областей кислород диффундирует на поверхность пластины, оставляя бездефектную зону. Размер этой зоны оказывает определенное влияние на качество и характеристики полупроводниковых приборов и зависит от исходной концентрации кислорода в кремнии, температуры и длительности проведения термообработок.

Известен способ контроля характеристик внутреннего оксидного геттера путем селективного химического травления поперечного скола пластины [2] . При этом визуально под микроскопом определяется и концентрация дефектов в объеме пластины и ширина бездефектной зоны у поверхности.

Недостатком этого способа является его разрушающий характер и использование агрессивных веществ в составе селективного травителя.

Можно контролировать бездефектную зону по профилю концентрации кислорода, получаемому с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии [3] .

Однако этот способ тоже является разрушающим и требует наличия дорогостоящего прецизионного оборудования.

Известен способ оценки качества бездефектной зоны по времени жизни неосновных носителей заряда, измеряемому на тестовых МОП-конденсаторах [4] .

Недостатком этого способа является невозможность одновременного определения ширины бездефектной зоны и плотности преципитатов во внутреннем геттере, необходимость формирования МОП-структур (что делает пластины непригодными для дальнейшего использования, если эти пластины должны контролироваться на начальных этапах производства ИС) и проведения зондовых (контактных) измерений.

Бесконтактное определение ширины бездефектной зоны и плотности дефектов в объеме внутреннего геттера осуществляется рентгеновской секционной топографией [5] . При таком способе контроля параметры внутреннего геттера можно определить фотографическими методами.

Недостатком способа является высокая стоимость прецизионного рентгеновского оборудования и длительность проведения контроля (от одного до нескольких часов), что делает неприемлемым его использование в массовом производственном контроле. Кроме того, особенности формирования рентгенотопографического контраста приводят к большим погрешностям в определении бездефектной зоны.

Прототипом заявляемого изобретения является способ контроля мощности внутреннего геттера, основанный на измерении спада фотопроводимости бесконтактным методом СВЧ-релаксометрии [6] . Согласно этому способу при измерении спада фотопроводимости после импульсного ИК-фотовозбуждения выделяются быстрая и медленная составляющие спада фотопроводимости; по медленной составляющей определяется концентрация уровней прилипания, а затем по этой величине вычисляются плотность преципитатов SiO₂ в объеме пластины.

Заявляемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей способа определения характеристик внутреннего геттера за счет обеспечения контроля ширины приповерхностной бездефектной зоны в пластинах, например, кремния p- и n-типа проводимости.

Для достижения указанного технического результата в способе, включающем размещение исследуемой пластины в СВЧ-регистрирующем устройстве и облучение ее импульсами света, пластину освещают импульсами света ближнего ИК-диапазона, обеспечивающими объемное поглощение квантов, фиксируют кривую спада фотопроводимости после окончания действия импульса света, затем освещают импульсами света видимого или ультрафиолетового диапазона, обеспечивающими поглощение квантов на поверхности пластины, фиксируют кривую спада фотопроводимости после окончания действия импульса света, нормируют обеи кривые, выделяют на кривой спада фотопроводимости после облучения импульсами света видимого или ультрафиолетового диапазона участок с постоянной спада фотопроводимости, равной постоянной спада на кривой спада фотопроводимости после облучения импульсами света ИК-диапазона, определяют временную задержку между аналогичными участками на обеих кривых спада фотопроводимости t и вычисляют ширину бездефектной зоны L по формуле
L = 1,24 где D - коэффициент амбиполярной диффузии в пластинах кремния.

При этом длительность импульсов видимого или ультрафиолетового света не должна превышать 30 нс.

При малой бездефектной зоне ее ширину рассчитывают по формуле
L = 1,24 где t_n - длительность импульсов света видимого или ультрафиолетового диапазона.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации заявляемого способа определения характеристик внутреннего геттера; на фиг. 2 - релаксационные кривые после импульсного фотовозбуждения пластины кремния n-типа проводимости ИК-светом (1) и светом с длиной волны 0,53 мкм и длительностью импульса 28 нс (2); на фиг. 3 - в логарифмическом масштабе нормированные релаксационные кривые после фотовозбуждения пластины кремния р-типа проводимости ИК-светом (1) и светом с длиной волны 0,53 мкм при длительности импульса 28 нс (2).

СВЧ-волна из генератора 1 (фиг. 1) по волноводу 2 через циркулятор 3 попадает на образец 4 и, отражаясь от него, через тот же волновод и циркулятор попадает на детектор 5. Сигнал с детектора через АЦП 6 и устройство сопряжения с ЭВМ 7 попадает в ЭВМ 8. Одновременно сигнал можно наблюдать и на экране осциллографа 9. Для осуществления способа сначала снимается сигнал после возбуждения ИК-лазером 10. Затем в промежуток между источником света и образцом 4 вводится удвоитель частоты 11 и фильтр 12, необходимый для предотвращения попадания на образец 4 проникшего через удвоитель частоты 11 остаточного ИК-излучения, и снимают сигнал при поверхностном фотовозбуждении. Вид сигналов спада фотопроводимости показан на фиг. 2 и 3.

При возбуждении ИК-излучением с низким коэффициентом поглощения в кремнии, например излучением лазера на иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны света 1,06 мкм, генерация носителей заряда происходит одновременно по всему объему практически с одинаковой интенсивностью. Сразу же после кратковременного фотовозбуждения протекает рекомбинация избыточных носителей заряда на рекомбинационно-генерационных центрах и поверхностных состояниях. Поскольку в сильнодефектной области внутреннего геттера время жизни неравновесных носителей заряда очень мало (< 1 мкс), а его объем значительно превышает объем приповерхностной бездефектной области, где время жизни неравновесных носителей заряда значительно выше (> 10 мкс), то можно считать, что процесс рекомбинации неравновесных носителей заряда полностью определяется рекомбинацией в объеме пластины, и в логарифмических координатах кривая спада фотопроводимости будет выглядеть в виде прямой линии с постоянной спада τ, равной времени жизни носителей заряда в объеме внутреннего геттера (фиг. 2, кривая 1).

Для получения кратковременного импульса света с большим коэффициентом поглощения в кремнии используют свет того же лазера, поставив на пути луча удвоитель частоты 11 и фильтр для остаточного ИК-излучения 12, в результате чего получают импульс света с длиной волны 0,53 мкм, коэффициент поглощения которого в кремнии составляет 8000 см^-1. Это означает, что глубина поглощения такого света в кремнии составляет около 1 мкм. Поскольку скорость рекомбинации возбуждаемых таким светом неравновесных носителей заряда в бездефектной приповерхностной области достаточно мала, то большинство носителей будет диффундировать через бездефектную зону сильно дефектного внутреннего геттера без потерь. И только после этого начнут происходить упомянутые выше процессы рекомбинации. Таким образом кривая спада фотопроводимости в логарифмических координатах не является прямой, а будет иметь вид кривой с плавным переходом от медленного спада к быстрому, постоянная которого равна постоянной спада после объемного ИК-фотовозбуждения (фиг. 2, кривая 2).

Задержка перехода от медленной части спада фотопроводимости к быстрой напрямую связана со временем диффузии носителей заряда от поверхности до границы бездефектной зоны с преципитатами внутреннего геттера.

Установлено, что решение уравнения диффузии из ограниченного источника
= D с учетом двухслойной среды с различными скоростями рекомбинации (скорость рекомбинации в верхнем тонком слое шириной L пренебрежимо мала, а в нижнем толстом слое стремится к бесконечности) приводит к оценке времени диффузии через слой L
t ≈ 2L²/3D где L - ширина бездефектной зоны;
D - коэффициент амбиполярной диффузии неравновесных носителей заряда.

Следовательно, используя выявленную зависимость, можно вычислить ширину бездефектной области, определяя величину задержки t.

На достоверность получаемых результатов будет оказывать влияние несколько факторов, включая скорость поверхностной рекомбинации и длительность импульса фотовозбуждения. Если скорость поверхностной рекомбинации велика, то большинство неравновесных носителей заряда при поверхностном фотовозбуждении будет гибнуть уже в бездефектной зоне и разделить быстрый спад от поверхностной и объемной рекомбинации становится сложнее. В результате величина задержки t будет снижаться. Этого не происходит в тех случаях, когда скорость поверхностной рекомбинации сведена к минимуму, например, при наличии термического окисла на поверхности, который практически всегда возникает на поверхности пластин при формировании внутреннего геттера, или при проведении измерений в растворе плавиковой кислоты.

Существенное влияние на точность измерений оказывает и длительность импульса при поверхностном фотовозбуждении. Если импульс имеет большую длительность, то за время его действия носители могут успеть пробежать бездефектную зону и тогда процесс релаксации фотопроводимости не будет отличаться от случая объемного фотовозбуждения импульсом ИК-света. Для того, чтобы уменьшить погрешности, связанные с длительностью импульса необходимо увеличить время t на величину t_n/2. Эта добавка оказывает существенное влияние в случае малых значений ширины бездефектной зоны и практически незначима при больших значениях этой ширины. Поэтому для повышения точности измерения ширины бездефектной зоны длительность импульса при поверхностном фотовозбуждении не должна превышать 30 нс.

При исследовании спада фотопроводимости, например, в пластинах кремния р-типа проводимости на кривой спада, представленной в логарифмических координатах (фиг. 3), можно выделить два участка: первоначальный быстрый спад с постоянной времени спада на уровне нескольких микросекунд и последующий медленный спад с постоянной времени спада на уровне нескольких десятков и сотен микросекунд. Медленная составляющая спада связана с наличием преципитатов в объеме пластины кремния, которые действуют как центры прилипания для электронов. Оставшиеся в объеме дырки не могут рекомбинировать, пока электроны не высвободятся из потенциальной ямы вблизи преципитатов SiO₂. Захват электронов на центры прилипания происходит все время, пока концентрация избыточных носителей заряда превышает концентрацию центров прилипания или емкость потенциальной ямы. Поскольку в сильно дефектной области внутреннего геттера время жизни неравновесных носителей заряда очень мало (< 1 мкс), а его объем значительно превышает объем приповерхностной бездефектной области, где время жизни неравновесных носителей заряда значительно выше (> 10 мкс), то можно считать, что в момент перехода от быстрой рекомбинации к медленному высвобождению залипших на центрах прилипания электронов никаких других неравновесных носителей заряда в объеме пластины, включая бездефектную зону, не осталось.

При поверхностном фотовозбуждении точка перехода от быстрого спада к медленному будет смещена по временной шкале на время задержания t по отношению к случаю объемного фотовозбуждения ИК-светом. Но при этом точность определения времени задержки t значительно выше, поскольку на результат не влияет точность выбора участков на кривых спада фотопроводимости с одинаковыми постоянными спада. Пример определения времени задержки t в пластинах кремния р-типа с внутренним геттером показан на фиг. 3. Для определения точек перехода t₁ и t₂ кривую спада нормируют, переводят в логарифмические координаты и аппроксимируют быстрый и медленный участки спада прямыми линиями, точки пересечения которых и показывают положение на временной шкале времени t₁ и t₂.

Заявляемый способ был осуществлен с использованием устройства (фиг. 1) на серии образцов кремния n-типа с удельным сопротивлением 4,5 Ом˙см и р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом˙см. Для сравнения проводились определения ширины бездефектной зоны в пластинах кремния с внутренним геттером способом селективного травления поперечного скола [2] , который широко используется в промышленных условиях и характеризуется высокой точностью. Результаты измерений приведены в таблице.

Как видно из данных, приведенных в таблице, заявляемый способ бесконтактного определения характеристик внутреннего геттера в пластинах, например, кремния позволяет получить достоверные результаты. Небольшие отклонения данных от результатов измерений с использованием способа селективного травления обусловлены высокой локальностью измерений согласно предлагаемому способу, которая составляет 0,5 мм², и невозможностью точно сколоть кремниевую пластину для селективного травления по месту проведения измерений заявляемым способом. (56) 1. Немцов Г. З. , Пекарев А. И. Очистка кремния от примесей с помощью внутреннего геттера. Микроэлектроника, т. 12, N 5, с. 432-439.

2. Рэиви Д. Дефекты и примеси в монокристаллическом кремнии, М. , Мир, 1984.

3. Hockett R. S. Oxygen and carbon defect charakterization in silicon by SIMS/Proc. Int. Conf. Semiconducter and IC Tecnol. , Beijng, 1986, Singapoor, 1986, p. 785-786.

4. Jkuta K. , Ohara J. , Life time evaluation of denuded zone quality and intrinsic getter on heavy metals. "Jap. J. Appl. Phys. , 1984, v. 23, N 8, р. 984-990.

5. Выявляемость электрически активных структурных деффектов в кремнии рентгенодифракционными методами (Бондарец Н. В. , Лейкин В. Н. , Моисеенко Н. Ф. и др. ) Микроэлектроника, 1988, т. 17, N 4, с. 343-347.

6. Думбров В. И. , Гулидов Д. М. и др. "О возможности оценки качества внутреннего геттера неразрушающими бесконтактными методами". , Микроэлектроника, 1988, т. 17, в. 1, с. 18-23.

Использование: изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для контроля качества подготовки кремниевых пластин с внутренним оксидным геттером. Сущность изобретения: способ позволяет контролировать ширину приповерхностной бездефектной зоны в кремниевых пластин, например, p- и n-типа проводимости за счет освещения ее импульсами ИК-света с объемным поглощением квантов и импульсами света видимого или ультрафиолетового диапазона длительностью не более 30 нс с поверхностным поглощением квантов, регистрации кривых спада фотопроводимости после окончания действия каждого импульса света, определении на нормированных кривых эквивалентных участков с постоянной времени спада, вычислением временной задержки между эквивалентными участками и определении ширины бездефектной зоны расчетным путем. 3 ил. , 1 табл.

1. СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН С ВНУТРЕННИМ ГЕТТЕРОМ, включающий облучение пластины импульсом света ИК-диапазона с объемным поглощением квантов, измерение проводимости пластины СВЧ-способом, регистрацию кривой спада фотопроводимости по окончании импульсов ИК-света и определение характеристик геттера расчетным путем, отличающийся тем, что после регистрации кривая спада фотопроводимости по окончании импульса ИК-света пластину облучают импульсом света видимого или УФ-диапазона, регистрируют соответствующую кривую спада фотопроводимости, нормируют обе кривые, определяют эквивалентные участки на этих кривых, определяют временную задержку t между этими участками, а в качестве характеристики рассчитывают ширину d бездефектной зоны геттера по формуле d = 1,24, а при d ≅ L, d = 1,24, где D - коэффициент амбиполярной диффузии, L - диффузионная длина, t_и - длительность импульса света видимого и УФ-диапазона. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пластин n-типа проводимости при определении эквивалентных участков кривой спада фотопроводимости после облучения импульсом света УФ-или видимого диапазона выделяют участок с постоянной времени спада τ₁ , равной постоянной времени спада τ₂ фотопроводимости после облучения импульсом света ИК-диапазона. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пластин p-типа проводимости при определении эквивалентных участков на кривой спада фотопроводимости после облучения импульсом света ИК-диапазона определяют точку t₁ перехода от участка быстрого спада к медленному, затем определяют эквивалентную точку t₂ на соответствующей кривой после облучения импульсом света видимого или УФ-диапазона, а временную задержку t определяют как t = t₂ - t₁. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность импульса света видимого или УФ-диапазона t_и не превышает 30 нс.