Способ контроля качества полупроводникового материала Советский патент 1986 года по МПК H01L21/66 

1

Изобретение относится к полупроводниковой техники и может быть использоврчо для контроля качества полупроводниковых материалов.

Известен способ контроля качества полупроводниковых материалов, основанный на получении ямок травленнд„.па ориентированных гранях кристаллов, и определении их плотност и путем наблыдення р ьшкроскоп. -Недостатком sToifoj способа являетбя.то, что он чувствителен только к:крупномасштабным дефектам, например дислокациям,-...и Не дает возможности выявить мелкие скопления, состоящие из единиц электроактивных центров, а также определить число частиц, входящих в состав скоплений

Наиболее близким является способ контроля качества полущзоподникового материала путем о свещения материала светом с энергией квантов из области кр.ая собственного поглощения исследования кинетики спада фотопроводимости. Контроль, качества материала производится по величине фотопроводш-юсти и длительности ее спада после вьжлючения освеще1П1Я. Мерой неоднородности исследуемого материала, указывающей на количеств N скоплений электроактнвных центров, является величина f - доля объема образца, занятая скоплениями центров и окружающими их областями пространственного заряда (0113) в темноте. Этой величиной определяется относительная фотопроводимость материала, содержащего скопления

центров--°т - проводимость обet

разца в темноте, лб - добавка проводимости образца при освещении.

Связь между -- и f-r известна из 6-г

теории эффективной среды . .

3/г т

(-1) k

Способ-прототип обладает следующим недостатком: если скопления малы, то размеры создаваемых ими областей пространственного заряда могут быть меньше длины свободного пробега основных носителей заряда. Такие микроскопления электроактивных центров слабо проявляются в электрических свойствах материала и не обнаружившотся способом-прото82

типом. Однако они могут служить зародьшами для роста более крупных скоплений электроактивных центров в процессе работы приборов, йзготовленных на основе материала, содержащего такие микроскопления. Поэтому использование полупроводникового материала, который при анализе по способу-прототипу оценивается

как однородный, может привести к браку при производстве электронных приборов. Следовательно, чувствительность способа не достаточна.

Цель изобретения - повьшение чувствительности способа.

Эта цель достигается тем, что в способе контроля качества полупроводникового материала путем освещения материала светом с энергией

квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фотопроводимости, перед освещением материал облучают гамма-лучами с энергией кванта hV, удовлет воряющей условию ,

)hVMQKc щ

а дозу облучения устанавливают из условия

мдкс--(о,6-{о)(у-Я

где пороговая энергия кванта, необходимая для образования точечного

дефекта структурыj максимальная энергия

кванта, при которой еще не создаются сложные групповые дефекты;

fy - Доля объема образца, занимаемая областями пространственного заряда скоплений электрически активных центров

в темноте в облученном материале; то же в необлученном

материале; - доза облучения.

На фиг. 1-6 показана величина

сигнала фотопроводимости - и ки6т

нетика спада этого сигнала после выключения освещения в различных полупроводниковых материалах. На всех фигурах кривые 1 получены при исследовании материала по предлагавмому слтособу, криные 2 - по способу прототипу (приведеп) для сравпенпя Фнг.1 кремний р-типа, р гращеп пый по методу Чохральското и подвергпутый термообработке ( в течение 6 ч). Фиг, 2 - кремний р -типа, В1.1ращен ный по методу Чохральского и подвергнутый термообработке (900 С, 24 ч). Фиг.З - арсенид галлия П -типа, полученный методом Чохральского спе 1щально не легированный. Фиг.4 - фосфид индия П -типа, полученный зонной плавкой, легированный медью. Фиг.5 - фосфид индия П -типа,полученный зонной плавкой, легироианный пинком. Фиг.6 - теллурид кадмия п -типа полученный зонной плавкой, спеДиаль но не легированный. Существо изобретения поясняется следуюгдим, Под действием гамма-облучения скопления электроактивных центров н образуются, а имевшиеся до облучения скопления растут, т.е. число Z входящих в них электроактив1 ых цент ров возрастает. Существование этого явления установлено достоверно, хот причина роста скоплений электроакти ных центров к настоящему времени не выяснена: возможно, что имеюгциеся скопления захватывают точечные дефекты, возникающие в результате обл чения, но не исключено, что увеличение Z связано с превращением имев шихся в них ранее электрически неактивных центров в электроактивные Кроме того, изменение положения уровня Ферми при облучении приводит к росту дебаевского радиуса , и, следовательно, к увеличению радиуса областей пространственного заряда вокруг скоплений электроактивных центров. Это еще более повышает чувствительность предлагаемого способа. Таким образом, путем облучения гамма-лучами можно увеличивать малые скопления электроактивных центров и делать их доступными для обнаружения. Энергия кванта должна быть достаточной для создания точечных дефектов, т.е. должна быть больще порогового значения hVnopi причем ве личина bVpop является характеристикой вещества и известна для всех -38 полупроводников, находягцих практическое применение, tWnop обычно составляет несколь сот кэВ. С другой стороны, энергия hv должна быть не больше значения , которое так- . же является характеристикой вещества, поскольку при iv bVMoKc могут создаваться не точечные, а сложные групповые дефекты типа разупорядоченных областей, которые могут проявиться как новые скопления электроактипных центров. Лля большинства практически важных полупроводников .10 МэВ. Доза облучения f выбирается из условия (3). Наличие множителя (0,6-f) в условии (3) связано с тем, что при приближении величины г значению 0,666 существен1т-1Ьно изменяются условия протекания тока через образец: происходит переход .от объемной проводимости к протеканию по ограниченному числу путей .и теория эффективной среды становится неприменимой.Отклонения от условий объемной проводимости становятся значительными при f 0,6. Множитель определяет скорость роста доли объема, занимаемой ОПЗ при облучении. Связь между v и f сложна и определяется в значительной мере размерами имеющихся зародышей скоплений электроактивных центров. Поэтому для различных материалов доза подбирается индивидуально на осповании даннр.1х о величинах .dfx Значения f находятся экспеdYриментально. Предлагаемый способ был практически применен для контроля качества полупроводниковых материалов, относящихся к трем основным классам: элементарным полупроводникам (кремний), II - соединениям типа (арсенид галлия, фосфид индия) и III соединениям типа А В (теллурид кадмия) . Практически для создания однородно распределенных точечных радиационных дефектов всегда используется облучение гамма-лучами Со. Это связано с двумя обстоятельствами: облучение радиоизотопными источниками гораздо удобнее, чем потоками рентгеновских или гамма-лучей, получаемыми от рентгеновских установо от ускорителен, изотопные гамма-установки проще в эксгшуатации. 1. Кремний. Исследовался кремний Р -типа,

.выращенньш по методу Чохральского, и прошедший термообработки: а) при 600°С в течение 6 ч (фиг.1) и б) при 900°С в течение 24 ч (фиг.2). Известно, что при таких термообработках в кремнии возникают электроактивные центры - термодоноры, но не было известно, распределены ли термодоноры однородно по объему или собраны в скопления.

Из СЛ1ИТКОВ кремния вырезались образцы в форме прямоугольных параллелепипедов размерами 8i1«:0,5 мм . Образцы шлифовались абразивным порошком М-14, травились в травителе Деша (3 части ШО , 1 часть HF, 8-12 частей CHjCOOH) в течение 10-12 ч, проьашались в. дистиллированой воде. Затем в iniM делались oMiiческие- контакты, -Дпя этого использовался сплав 97% In и 3% Ga, которьй наносился на поверхность образц обычным паяльником мощностью 50 Вт без флюса. Контакты делались на тор цах (грани U0,5 мм) - для пропускания тока и зондовые, 00,3 мм по два с каждой стороны на гпанях ВО,5 мм - для измерения фотопроводимости зондовым методом.

Образцы подвергались гамма-облучению на лабораторной установке при комнатной температуре. Псточни. ком гамма-излучения служил изотоп Со, средняя энергия кванта которого hN 1,25 МэВ удовлетворяет

указанному выше условию (2): Упop l ьV,q Дeйcтвитeльнo для крем. НИН К)пор 150-240 кЭв и Лоза облучения соетавляла (3-4) Ю рад, что соответствует условию (3), поскольку величина „ в }1еоблученном материале составляла 0,2% и 5,8%, а скорости изменения f. при облучении были найдены экспериментально и оказались

равными 5, % рад

ЦТ

(фиг.1) и 6-10% радd4

(фиг.2), Исследования величины и кинетики спада фотопровощшости проводились стандартным методом с использованием однократных импульсов возбуждающего света из области края собственного поглощения. Источником света служил осветитель ОИ-24 с фотографическим затвором со скоростью срабатывания % 1 мс. Свет поступал к образцу по светопроводу, причем перед образцом помещат1ся кремниевьм фильтр толщиной 0,15 мм. Фильтр располагался на держателе вместе с образцом и имел ту же температуру, что и образец (это обеспечивало однородное поглощение света по всей толще образца). Образец с фильтром помещался в жидкий азот, измерения проводились при Т 77,4 К. Источником тока служил аккумулятор, ЭДС которого равнялась 6,55 В. Сигнал снимался с нагрузочного сопротивления регистрировался на запошшающем осциллографе С-8-13

Па фиг.1 и фиг.2 представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости Р-кремния, выращенного по методу Чохральского и прошедшего термообработку при 600°С (фиг.1),.и 900 с (фиг.2.).Кривые 1 получены при использовании предлагаемого способа. Для сравнения приведены кривые 2, полученные при исследовании тех же самых образцов кремния по способу-прототипу (в тех же условиях - на той же установке, при тех же значениях параметров измерительной цепи, при той же интенсивности освещения). Видно, что при одной и той же степени неоднородности (образцы одни и те же) сигнал, получаемый при использовании предлагаемого способа (кривые 1), оказывается существенно большим, чем сигнал, получаемый при использовании способа-прототипа (кривые 2), а спад сигнала после выключения оказывается гораздо более продолжительным. Таким образом, чувствительность предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом значительно выше.

II. I. Полупроводниковый материал - соединения типа .Л-В - арсенид галлия П-типа.

Исследовался арсенид галлия специально не легированный, с концентрцией донорной примеси Nj) 2,33 и компенсирующей акцепторной примеси Ыд 9,3 10- см-з .

06pa3iuj размером 8x1 «0,5 шлифоBaiH-icb абразивным порошком М-14, 7 травш1ись в кипящей перекиси водор да в течение 5-10 мин и промт.шшшс в дистиллированной воде. Контакты готовлялись путем вварки чистого индия в атмосфере водорода при 360°С в течение 20 мин с последующим охлаждением (2 ч) до комнатной температуры. После вварки контакто образцы повторно травились в кипящей перекиси водорода в течение 3 мин и промьгеались в дистиллирова ной воде. Облучение производилось на лабо раторной гамма-установке, описанной в примере 1,при комнатной темп ратуре. Энергия кванта гамма-излучения Ь 1,25 МэВ удовлетворяет условшо (2) , поскольку /Ц1Я GaAS bV/p,op 500 кэВ, а ьУмакс хЮ МэВ. Доза облучения составляла Н 1,5-10 рад, поскольку величины f и -т составляли соответственно ° dt 0,76% и 7,75-Ю % рад. Методик и техника отличались от использова ных в npiiMepe 1 только тем, что в качестве светофгшьтра использовалась пластинка арсенида галлия тол щиной 0,25 мм. Это обеспечивало однородное возбу5кдение объема образца светом из области края собст венного поглощения. На фиг.З представлены результат исследования сигнала фотопроводимо ти в арсениде галлия. Кривые 1 и 2 получены при использовании предлагаемого способа и способапрототипа на одном и том же образце и при всех прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа. II. 2. Полупроводниковый материал - соединение типа А В - фосфид индия П -типа. Исследовался фосфид индия П-ти па, легированны компенсирующей ак цепторной примесью: а-Си, концен трация мелких доноров N5 910 см концентрация акцепторов (меди) N 3 (см.фиг.4), б - Zn, Nj) 610 см з, концентрация акцепторов (цинка) N( 5-10 см (см.фиг.5). Из обоих этих материалов вырезались образцы в виде прямоугольных параллелепипедов размерами 8If 1)10,5 мм . Образцы шлифовались абразивным порошком М-14 и промывались в воде и спирте. Затем 388 к ним припаирались контакты из свинца. При пайке использо.агтся флюс особой чистоты. Геометрия размещения контактов бьша такой же, как в примерах 1 и II.1. Облучение производи.пось на лабораторной гамма-установке при комнатной температуре. Средняя энергия гамма-кпанта bv 1,25 МэВ удовлетворяет условию (2), поскольку для фосфида индия dVnop 270 кэВ - для In и 110 кэБ - для Р,а Имокс ilO МзВ.Дозы облучения бьши выбраны равнь т 4,5-10 рад, поскольку величина f в обоих материалах оказалась равной f 0,9%, а -- составляла (7i1) 10 %-рад Методика и техника измерений не от1личались существенно от использованных в npiiMepax 1 и II. 1. Единственное отличие состояло в том, что в качестве светофильтра использовалась пластинка 1пР толщиной 0,5 мм, чтобы обеспечить возбуждение из области края собственного поглощения. На фиг. 4 и 5 соответственно представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости в n-InP:Cu и n-InP:Zn. Кривые 1 получены при использовании предлагаемого способа. Кривые 2 - для сравнения - получены при использовании способа-прототипа на тех же образцах и при всех прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа. III. Полупроводниковый материал соединение типа - теллурид кадмия (Т;-типа. Исследовался теллурид кадмия, специально не легированный, с концентрацией Ni,- 2,5 10 см. Из материала вырезался образец в виде прямоугольного параллелепипеда размером ,5 мм . После пшифовки абразивным порошком М-14 и травления на образец наносились злектролитически медные контакты, на которые напаивался индий. Геометрия контактов была такая же, как в примере I и II. Облучение производилось на гамма-установке, описанной .в примере 1, при комнатной температуре. Источником га «ма-излучения служил °Со. Средняя энергия гамма-кванта К,) 1,25 ftoB удовлетворяет ycJтoвию (2), поскольку для саТр.. iV ,235 кэВ (Cd) и :Wl кэВ (Те), оза облучения была равной / 9-10 рад поскольку величина С, в материале окаэадгась равнор {(, 0,8%, а - 9 ( составляла 2,7-1(Г % рад . Методи ка и техника измерений отличалась от использованных в примерах I и I только тем, что в качестве светофильтра использовалась пластинка CdTe толщиной 0,45 мм, Чтобы обеспечить однородность возбуждения из области края собственного поглощения. На иг.б представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости в CdTe. Кривые 1 и 2 получены при использовании соответственно предлагаемого способа и -пособапрототипа на одном и том же образце

JO

so

е 810 при прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа. Как видно из примеров реализации предлагаемого способа, чувствительность его по сравнению с прототипом повьшена от 3 до 15 раз. Это позволит произвести более точную разбраковку полупроводниковых материалов, идущих на изготовление различных полупроводниковых приборов, и уменьшить процент их брака. В настоящее время разбраковка идет на уровне готовых приборов, при этом пропадает труд, затрачиваемый на их изготовлеконтакты и т.д. Наш способ даёт возможность разбраковки на уровне материала. Это приводит к экономии материалов оборудования и трудовых затрат при изготовлении приборов.

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА путем освещения материала светом с энергией квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фотопроводимост о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности способа, перед освещением материал ют гамма-лучами с энергией h) удовлетворяющей условию ибЬ)акс , а дозу облучения . вливают из условия dfr N.Kc(o,6-fj(bL) Vnop пороговая энергия кванта, необходимая для образования точечного дефекта структуры максимальная энергия кванта, при которой еще не создаются сложные групповые дефекты; f - доля объема образца, занимаемая областями пространственного заряда скоплений электрически активных центров в темноте в облученном материале; fo - то же в необлученном материале; М - доза облучения.

О

50

U

я

i,e

(Dvt.S

ЮС

150

t,c

Фиг. г

гоо 600

wo

t.c

л

О

500

t.C

1.5

t,VffC

4)1

ч1ло