Способ определения концентрации примеси в кремнии Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к технологии получения полупроводников, в частности к способам измерения концентрации водорода в гидрогенизированном аморфном кремнии.

Известен способ, заключающийся в облучении высоколегированного монокристаллического кремния р-типа инфракрасным излучением с последующим измерением спектра поглощения. Облучение проводят после обработки пластины в водородной плазме, возбуждаемой в кварцевом цилиндре при 180 С, в течение нескольких часов.

Недостаток данного метода заключается в том, что он неприменим для тонких пленок, так как толщина контролируемой тонкой пленки гидрогенизированного аморфного кремния 0,33-0,35 мкм, а длина волны

инфракрасного излучения 3-10 мкм, т.е. значительно превосхбдМ тол щйну контролируемой пленки.

Наиболее близким к изобретению является способ контроля содержания примесей кислорода в пластине кремния, включающий измерение электрофизического параметра, удельного сопротивления исходной пластины бесконтактным способом, генерацию термодоноров в пластине отжига при 300-500°С, измерение удельного сопротивления пластины после отжига и оценку концентрации кислорода по изменению удельного сопротивления после отжига. Для повышения производительности контроля за счет увеличения скорости генерации термодоноров отжиг проводят в водородной среде.

2

ю ю

01

СА

Недостатки данного метода заключаются в том. что он является разрушающим, так как генерация термодоноров является процедурой по введению дефектов в кремний. Метод применим для оценки содержания кислорода в объеме материала, а не в тонких пленках, кроме того, для реализации данного способа необходима водородная среда. Это приводит к изменению свойств аморфных гидрогенизированных пленок. Наряду с этим образование термодоноров в аморфных гидрогенизированных пленках не наблюдается.

Целью изобретения является определение концентрации водорода в тонких пленках.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения концентрации примеси в образце, включающем измерение электрофизического параметра образца при 20° С, нагрев образца до 300°С, охлаждение до исходной температуры, повторное измерение электрофизического параметра и оценку концентрации примеси, дополнительно проводят после охлаждения второй нагрев до 300°С, одновременно с нагревом образца в обоих случаях образец облучают ультрафиолетовым светом с энергией фотона Е, удовлетворяющей условию

#к Е Есв,(1)

где р - фотоэлектрическая работа выхода электрона;

Есв - энергия связи кремний - водород, охлажденный образец освещают ультрафиолетовым излучением с энергией фотона, равной энергии разрыва связи кремний - водород, в процессе обоих нагревов измеряют ток экзоэлектронной эмиссии, а о искомой концентрации водорода в кремнии судят по зависимости разности токов экзоэлектронной эмиссии от температуры образца при обоих нагревах.

Благодаря первому облучению образца при его одновременном линейном нагреве до 300°С получена информация о точечных и структурных дефектах поверхности, в том числе и свободных связях, т.е. облучение светом с энергией фотона выше фотоэлектрической работы выхода электрона, но ниже энергии связи кремний - водород позволяет освободить электроны, ток которых изменяется с ростом температуры, при этом связи кремний - водород не нарушаются.

Благодаря охлаждению образца дд начальной температуры, при которой образец облучают светом с энергией фотона, равной энергии разрыва связи кремний - водород, выделяется водород и образуется большое количество оборванных свободных связей.

Благодаря третьему облучению образца при линейном нагреве до 300°С с энергией фотона выше фотоэлектрической работы выхода электрона, но ниже энергии связи

кремний - водород получают информацию о точечных и структурных дефектах поверхности, а также о выделившемся водороде.

Сопоставляя две кривые зависимости тока экзоэлектронной, эмиссии от температуры, полученные при первом и втором нагревах, можно выделить информацию о концентрации водорода. О концентрации водорода судят по площади под кривой зависимости разности токов экзоэлектронной

эмиссии, полученных при первом и втором нагревах, от температуры,

Способ осуществляют следующим образом.

Пленку гидрогенизированного аморфного кремния облучают светом при одновре- менно линейном нагреве до 300°С, регистрируй ток экзоэлектронной эмиссии. Затем образец охлаждают до начальной температуры первого нагрева и облучают

светом с энергией фотона, равной энергии разрыва связи кремний - водород. Затем образец вновь облучают при линейном нагреве до 300°С, регистрируя ток экзоэлектронной эмиссии. При этом энергию фотона

при первом и третьем облучении выбирают из соотношения (1).

Пример. Тонкую пленку гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 0,33 мкм, полученную разложением моносилана в плазме высокочастотного разряда, облучают светом при одновременном нагреве от начальной температуры 20 до 300°С. Фотостимуляцию осуществляют лампой ДРТ-230; выделяя ультрафиолетовый свет с

энергией h v 3,2 эВ с помощью монохро- матора.

Регистрацию тока экзоэлектронной эмиссии проводят на установке экзоэмисси- онного контроля в вакууме 5 10 торр с

использованием вторичного электронного умножителя.

После нагрева образец охлаждают в вакуумной камере до начальной температуры 20°С, а затем облучают ультрафиолетовым

светом с энергией фотона h v- 3,5 эВ, достаточной для разрыва связей кремний - водород а течение 1 ч. После этого образец вновь облучают светом с энергией фотона h v 3,2 эВ при одновременном нагреве с линейной

5 скоростью 0,22 град/с до 300°С. Фотостимуляцию и регистрацию тока экзоэлектронной эмиссии проводят аналогично первой операции.

На основе величин токов экзоэлектрон- ной эмиссии, зарегистрированных при первом и третьем облучениях, определяют разностную величину тока в экзоэлектрон- ной эмиссии, которая характеризует концентрацию водорода в тонкой пленке кремния.

Использование метода ИК-поглощения в случае пленки такой толщины невозможно, ИК-излучение практически не помещается в пленках такой толщины.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет обеспечить определение концентрации водорода в тонких пленках.

Формула изобретения

Способ определения концентрации примеси в кремнии, включающий измерение электрофизического параметра образца, нагрев его до 300°С с последующим охлаждением до исходной температуры и повторное измерение электрофизического параметра,отличающийся тем,что,с

целью определения концентрации водорода в тонких пленках гидрогенизированного аморфного кремния, охлажденный до исходной температуры образец облучают уль5 трафиолетовым излучением с энергией фотона, равной энергии связи водород - кремний, и повторно нагревают образец до 300°С, причем одновременно с нагревом в обоих случаях облучают образец ультрафи0 олетовым излучением с энергией фотона Е, удовлетворяющей условию Е Есв, где р - фотоэлектрическая работа выхода электрона; Есв - энергия связи водород - крем- ний,в качестве электрофизического

5 параметра используют ток экзоэлектронной эмиссии, а о концентрации водорода судят по площади под кривой зависимости разности токов экзоэлектронной эмиссии, полученных при втором и первом нагревах, от

0 температуры.

Сущность изобретения: нагревают образец до 300°С с одновременным облучением ультрафиолетовым излучением с энергией фотонов Е. Энергия фотонов больше фотоэлектрической работы выхода электрона и меньше энергии связи кремний-водород. В ходе нагрева определяют ток экзоэлектронной эмиссии. Охлаждают образец до исходной температуры и облучают ультрафиолетовым излучением с энергией фотона, равной энергии связи кремний - водород. Повторяют нагрев образца до 300°С в тех же условиях. О концентрации водорода судят по зависимости разности токов экзоэлектронной эмиссии от температуры образца при обоих нагревах.