Способ определения качества полупроводникового кристалла Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов и может быть использовано для контроля концентрации дефектов, в частности вакансий.

Известен способ определения концентрации вакансий с использованием электронного парамагнитного резонанса. При этом к образцу прикладывают одноосное упругое напряжение в нуправлении 100 . Данный способ требует очень сложного оборудования. Кроме того, данный метод практически не применим для многих материалов для германия, арсенида галлия и других. Линии ЭПР в этих материалах являются очень широкими и их трудно обнаружить.

Наиболее близким к изобретению является способ определения качества полупроводникового кристалла путем его нагрева с постоянной скоростью при одновременном облучении ультрафиолетовым светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрода бездефектного кристалла, измерения интегрального тока экзоэлектронной эмиссии и определения количества дефектов.

Данный метод позволяет дифференцированно определять концентрацию точечных дефектов и дислокаций. Концентрацию вакансий можно оценить только приблизительно.

Цель изобретения - обеспечение возможности определения концентрации вакансий.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения качества полупроводникового кристалла путем его на

Ю 00 Ю О

грева с постоянной скоростью при одновременном облучении ультрафиолетовым светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрона бездефектного кристалла, измеряют ток экзоэлектронной эмиссии для определения количества дефектов, а нагрев кристалла ведут до температуры, соответствующей температуре второй точки перегиба кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры, затем поддерживают достигнутую температуру постоянной, а последующее облучение ведут светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электронов с вакансионных уровней, при этом о концентрации вакансий судят по площади под кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии при достигнутой температуре от времени, ограниченной осями координат и ординатой, соответствующей значению времени, при котором значение тока экзоэлектронной эмиссии становится постоянным.

Экзоэлектронная-эмиссия полупроводников происходит в две стадии: диссоциация комплексов, содержащих вакансии, и диффузия вакансий к поверхности. Ток фо- тотермостимулированной эмиссии (I) прямо пропорционален концентрации образовавшихся вакансий в поверхностном слое. При температуре Tk, соответствующей второй точке перегиба кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры Т,

-.2

вторая производная

dzl dT2

меняет знак.

Еще не отлаженные вакансии диффундируют к поверхности полупроводника и их вклад в ток экзоэлектронной эмиссии становится преимущественным. Вакансии захватывают за счет тепла электроны из валентной зоны, которые под действием квантов света с вакансионных уровней возбуждаются и эмиттируют в вакуум. При превышении температуры Tk электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, их становится больше, чем на уровнях вакансий, расположенных в запрещенной зоне. В этом случае ток из зоны проводимости, а не с уровней вакансий. В силу этого после достижения температуры Tk ее поддерживают постоянной, и при этой температуре измеряют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от времени до тех пор, пока значение тока становится постоянным. Для того, чтобы отфильтровать вклад эмиссии электронов с глубоких локальных уровней разных дефектов (кроме вакансий), облучение ведут светом с энергией фотона, необходимой для эмиссии электронов с вакансионных уровней.

О концентрации вакансий судят по площади под кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от времени, ограниченной осями координат и ординатой, при которой значение тока становится постоянным.

На фиг. 1 представлена зависимость тока I экзоэлектронной эмиссии от температуры Т; на фиг. 2 - зависимость тока I экзоэлектронной эмиссии при Tk от времени т.

Способ осуществляется следующим образом.

Образцы полупроводниковых кристаллов линейно нагревают при одновременном облучении ультрафиолетовым светом с

энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрона бездефектного кристалла. Измеряют интегральный ток экзоэктронной эмиссии. Регистрируют ток экзоэлектронной эмиссии при максимальной температуре отжига точечных дефектов, по которому определяют плотность дислокаций, а концентрацию точечных дефектов определяют по отношению интегрального тока к току при минимальной температуре

отжига точечных дефектов. После достижения температуры Tk, при которой на кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры имеется второй

перегиб,

dii dT2

изменяет знак.

Затем облучение осуществляют светом с энергией фотона, равной энергии, необходимой для эмиссии электронов с вакансионных уровней, и измеряют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от времени до достижения постоянного значения тока (фиг. 2).

Концентрация вакансий определяется

площадью под кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии при постоянной температуре Тк, ограниченной осями координат и ординатой, при которой значение тока становится постоянным.

Пример. Образец монокристаллического кремния в виде пластины толщиной 0,5 мм с вакансионными комплексами нагревают со скоростью 2,5 К в секунду, одновременно облучая его ультрафиолетовым

светом с энергией фотона 4,5 эВ и регистрируя ток экзоэлектронной эмиссии. Нагрев ведут до достижения температуры точки перегиба кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры (т. А, фиг. 1). Эта температура в этом случае составляетбОО К. Затем нагрев образца прекращают и поддерживают температуру постоянной, регистрируют изменение тока экзоэлект- ронной эмиссии во времени (т). В момент

времени Тч, когда достигается условие -т-

0, регистрацию экзоэлектронной эмиссии прекращают и определяют величину площади а под кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от времени

Г1

а /l(r)dr

о.. «

По величине а оценивают концентрацию NV вакансий, используют при этом гра- дуировочную кривую, построенную по эталонным образцам.

Концентрацию А-центров (плотность точечных дефектов) оценивают с помощью величины

Tk

b4/i(T)dT,

о 293

где lo - величина тока экзоэлектронной эмиссии бездефектного кристалла при Т 293 К.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

0

5

0

5

0

Таким образом, предлагаемый способ позволяет комплексно определить качество полупроводникового кристалла.

За один цикл измеряют дифференцированно как плотность точечных дефектов и дислокаций,так и концентрацию вакансий.

Формула изобретения

Способ определенияжачества полупроводникового кристалла путем его нагрева с постоянной скоростью при одновременном облучении ультрафиолетовым светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрона бездефектного кристалла, и измерении тока экзоэлектронной эмиссий, отличающи и с я тем, что, с целью обеспечения возможности определения концентрации вакансий, нагрев кристалла ведут до достижения температуры, соответствующей второй точке перегиба кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры, затем при достигнутой температуре последующее облучение проводят светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электронов с вакансионных уровней, регистрируют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от времени, по которой определяют концентрацию вакансий.

Фив. 1

Изобретение относится к технологии, производства полупроводниковых приборов и может быть использовано для контроля концентрации дефектов, в частности вакансий. Цель изобретения - обеспечение возможности определения концентрации вакансий. Кристалл нагревают с постоянной скоростью при одновременном облучении ультрафиолетовым светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электрона бездефектного кристалла, и измеряют интегральный ток экзоэлектрон- ной эмиссии. Нагрев кристалла ведут до достижения температуры, соответствующей температуре второй точки перегиба кривой зависимости тока экзоэлектронной эмиссии от температуры. Затем поддерживают достигнутую температуру постоянной, а последующее облучение ведут светом с энергией фотона, равной фотоэлектрической работе выхода электронов с ваканси- онных уровней. Регистрируют зависимость тока экзоэлектронной эмиссии от времени, по которой определяют концентрацию вакансий. 2 ил., 1 табл. сл с