Способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев Советский патент 1992 года по МПК G01B11/06 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при измерении и исследовании полупроводниковых структур, представляющих собой эпитаксиальный слой на полупроводниковой или диэлектрической подложке и отличающийся от нее электрофизическими параметрами, а также в производстве приборов на основе таких структур, в частности для измерения толщины эпитакспальных слоев, когда изготовление контактов к исследуемому образцу невозможно.

Известны способы для бесконтактного определения толщины эпитаксиальных слоев, нанесенных на подложку.

Однако согласно этим способам для измерения толщины используется рентгеновское излучение, что оказывает вредное воздействие на персонал. Кроме того, рентгеновская аппаратура дорога.

Известен также способ измерения толщины полупроводникового слоя, заключающийся в том, что объект помещают вплотную между металлическим зондом и металлическим основанием, облучают его и измеряют ток через р-п-переход.

Недостаток способа заключается в наличии контактов образца с зондом и основанием.

Наиболее близок к предлагаемому ин- терференционный способ бесконтактного измерения толщины полупроводниковых эпитаксиальных слоев .согласно которому на исследуемую эпитаксиальную структуру, представляющую собой эпитаксиальную пленку на полупроводниковой подложке, направляют зондирующее монохроматическое излучение с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный -слой, ре- гистрируют интенсивность этого излучения после его взаимодействия с измеряемой структурой при изменении длины волны (энергии кванта) зондирующего излучения и по спектральному расстоянию между экс- тремумами зондирующего излучения определяют толщину эпитаксиального слоя. Порядок Р наблюдаемого интерференционного экстремума на длине волны Я равен

(nri2-sinV)1/2U+ -G,)2Jr,

где W - искомая толщина эпитаксиального слоя;

Пг1 - показатель преломления пленки; р -угол падения;

Я - длина волны падающего света;

Q2 - изменение фазы луча при отражении на границе с подложкой.

Для двух значений длин волн AI иЯ2 ( А-| Яа ) разность порядков интерферен- ции . Соотношения, записанные для экстремумов на длинах волн AI и Я2 , на основании приведенных формул позволяют получить систему из трех уравнений с тремя неизвестными W, Pi и Р2, решение которой дает выражение для толщины эпитаксиального слоя

W()

Я

2 (пг1 -sin p}

1/2

или

W - m+021/(2лг)-022/(2л:)

2(n i-sin2p)1/2(t/A2-1/ai)

где Q21 и 0.22 - значения Q2 для длин волн Яти Я2 .

5

10 15 20 25

30

35

40 5

0

5

При реализации указанного способа можно использовать перестраиваемый по длине волны источник зондирующего излучения с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой, держатель образца и приемник, регистрирующий это излучение после его взаимодействия с измеряемой структурой (т, е. после прохождения структуры или отражения от нее).

Однако такой способ позволяет производить измерения толщины эпитаксиального слоя только в том случае, если его показатель преломления nri отличается от показателя преломления подложки Пг2 и возникает интерференция зондирующего излучения в эпитаксиальном слое. Вместе с тем, если структура гомоэпитаксиальная, то отличающийся по электрофизическим параметрам от подложки эпитаксиальный слой может иметь одинаковые с подложкой оптические характеристики. В этом случае интерференция в пленке не наблюдается и способ не применим.

Цель изобретения - расширение области применения за счет получения возможностиопределениятолщиныэпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой (). Это имеет место, в частности, в гомоэпитаксиальных структурах.

Согласно предлагаемому способу на исследуемую структуру направляют зондирующее излучение с энергией фотона, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой, и регистрируют интенсивность этого излучения после прохождения им исследуемой структуры или отражения от нее. Кроме того, дополнительно освещают структуру монохроматическим излучение с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой. Это излучение генерирует в структуре неравновесные носители заряда, что приводит к изменению интенсивности прошедшего через структуру и отраженного ею зондирующего излучения. Величина этих изменений различна в зависимости от того, где генерируются неравновесные носители заряда - в эпитаксиальном слое или в подложке вследствие различия их электрофизических свойств. Область генерации неравновесных носителей зависит от глубины проникновения инжектирующего излучения в структуру, т. е. от его длины волны. Снимают спектральную зависимость изменения интенсивности прошедшего через структуру или отраженного ею зондирующего излучения от длины волны дополнительного

излучения, фиксируют длины волны Я п, определяющую спектральное положение перехода величины изменения интенсивности от значения, характерного для подложки, к значению, характерному для эпитаксиального слоя, и по заранее построенной градуировочной кривой определяют толщину эпитаксиального слоя W.

На фиг. 1 изображена эпитаксиальная структура; на фиг. 2 - зависимость электрофизического параметра - времени жизни носителей заряда в эпитаксиальной структуре - от координаты х, направленной перпендикулярно поверхности структуры; на фиг. 3 - спектральная зависимость коэффициента поглощения Я монохроматического излучения с энергией фотона, большей ширины запрещенной зоны, для одного из полупроводников (кремния); на фиг. 4 - зависимость величины модуляции, т. е. относительного изменения интенсивности зондирующего излучения М} прошедшего через эпитаксиальную структуру, от длины волны An оптического инжектора; на фиг. 5 - градуировочная кривая зависимости спектрального поглощения Я п области перехода величины изменения интенсивности зондирующего излучения от значения, характерного для подложки, к значению, характерному для эпитаксиального слоя, от толщины эпитаксиального слоя W.

Способ реализуется следующим образом.

Зондирующее излучение источника с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны, направляют на исследуемый образец и после прохождения образца (или отражения от него) регистрируют фотоприемником.

Параметры зондирующего излучения (например, интенсивность) после его взаимодействия с полупроводником зависят от величины показателей поглощения и преломления. При дополнительном облучении полупроводника монохроматическим излучением оптического инжектора с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, оно поглощается в нем и генерирует неравновесные носители заряда - электроны и дырки, которые влияют на показатели преломления и поглощения полупроводника. Это приводит к изменению параметров взаимодействующего с полупроводником зондирующего излучения, в частности к изменению интенсивности зондирующего потока. Это изменение может быть охарактеризовано значением модуляции, величина М которой зависит от электрофизического параметра полупроводника - времени жизни в нем носителей заряда г

. L . т,(1)

где к - комбинация мировых констант, пара- метров исследуемого полупроводника и измерительной установки;

, АРп

- число поглощенных в

полупроводниковом слое коротковолновых фотонов инжектора, равное отношению по-, мощенной в слое мощности к энергии фотонов W;

т - время жизни носителей тока в данном полупроводниковом слое. Для структуры, состоящей из эпитаксиального слоя и подложки, выражение (1) примет вид

ч Г 1+К2 - 1г Т 2.(2)

Здесь индекс 1 относится к эпитаксиальт

ному слою, а индекс 2 - к подложке. Для гомоэпитаксиальных структур .

Эпитаксиальный слой структуры и ее подложка различаются электрофизическими свойствами, в частности временами жизни носителей заряда т . Поэтому от тогр, какое число фотонов оптического инжектора 4 поглотится в эпитаксиальном слое (Li), а какое в подложке (), зависит регистрируемая фотоприемником 3 величина модуляции М. Глубина проникновения в структуру монохроматического излучения оптического инжектора 4 зависит от его длины волны ( Я и). Это приводит к спектральной зависимости величины М от длины волны Яп оптического инжектора 4. Вид этой зависимости приведен на фиг. 4 для разных толщин эпитаксиального слоя W. При малой глубине проникновения излучения инжектора в структуру (т. е. при малых Я ц) величина

м определяется значением т т ч в эпитаксиальном слое, а при большой глубине проникновения (т. е. при больших Яи) - значением г т г в подложке структуры В зависимости от длины волны оптического инжектора величина М измеряется от значения Mi, характерного для подложки, до значения Ма, характерного для эпитаксиального слоя. Спектральное положение Яп переходной области зависит от толщины

эпитаксиального слоя W.

Спектральное положение области перехода фиксируют по какой-либо характерной точке зависимости М ( Я и), например точке In, где значение M(Mi+M2)/2, как это показано на фиг. 4. Затем по заранее построенной градуировочной кривой (фиг. 5) определяют толщину эпитаксиального слоя W. Градуировочная кривая строится экспериментально по данным измерений образцов с известной толщиной эпитаксиального слоя либо рассчитывается теоретически.

Пример. Эпитаксиальный слой кремния со временем жизни мкс выращен на подложке из кремния со временем жизни ,0 мкс. Длина волны Я з зондирующего излучения 10,6 мкм. Снимают зависимость модуляции зондирующего излучения М от длины волны инжектора An. Определяют по ней значения Mi и М2. Фиксируют значение Я й, при котором M(Mi+M2)/2. Например, ,67 мкм. По градуировочной кривой (фиг. 5) определяют значение ,9 мкм.

Формула изобретения Способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев на подложках, заключающийся в направлении на исследуемую структуру зондирующего излучения с энергией фотона, меньшей ширины запрещенной зоны по- лупроводника,образующего

Эпитаксиальный слой, и регистрации интенсивности этого излучения после прохождения им исследуемой структуры или отражения от нее, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет получения возможности определения

толщины эпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой, дополнительно облучают исследуемый Эпитаксиальный слой излучением с энергией фотона, большей ширины

запрещенной зоны полупроводника, образующего этот слой, снимают спектральную зависимость изменения интенсивности прошедшего через структуру или отраженного ею зондирующего излучения от длины

волны дополнительного излучения с энергией фотона, большей ширины запрещенной зоны образующего Эпитаксиальный слой полупроводника, фиксируют спектральное положение области перехода величины изменения интенсивности зондирующего излучения от значения, характерного для подложки, к значению, характерному для эпитаксиального слоя, и используют полученное значение при определении толщины слоя.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - расширение области применения за счет получения возможности измерения толщины эпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой. Поставленная цель достигается тем, что через исследуемый образец пропускают зондирующее излучение с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого эпитаксиального слоя, одновременно освещают его излучением оптического инжектора с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого слоя, измеряют величину модуляции М зондирующего излучения и по спектральной зависимости величины модуляции от длины волны инжектора определяют толщину эпитаксиальной пленки, так как вследствие спектральной зависимости коэффициента поглощения света от длины волны излучение инжектора с различными длинами волн генерации излучения проникает в образец на различные толщины. 5 ил. (Л VJ CJ XI Ю о

У ;

ФиГ. i

LМКС

о

ю ю tf

/О

(

/0f-5 2.O 2.5 30

Фиг. 5

Фиг. 2

hl)iB

М

О ч О,6 О,& /,О / Лм,

fiff.

JL/ мкм &

о.г

°.

Q6

м,

fiff.t

Фиг. Ц