Способ определения характеристик полупроводника Советский патент 1993 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к изготовлению полупроводниковых структур с заданными физико-химическими характеристиками (в том числе количественным элементным составом и длиной диффузии электронов), используемых в электронных приборах.

Целью предлагаемого способа является расширение класса испытуемых обьектов на полупроводники, не поддающиеся повороту при облучении, на многокомпонентные полупроводники с неизвестным количественным элементным составом и расширениечислаопределяемыхфизико-химических характеристик полупроводника на количественный элементный состав.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения, о качестве физической характеристики, длины диффузии электронов в полупроводнике, включающем предварительную обработку поверхности исследуемого полупроводника, обеспечивающую снижение работы выхода электрона на поверхности полупроводника до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта, измерение характеристики рентгеновского фотоэффекта и определение длины диффузии электронов по форму00

ю со о

СА)

4

ле, возбуждают рентгеновский фотоэффект в области краев поглощения элементов, входящих о состав полупроводника, регистрируют полный ток рентгеновского фотоэффекта при одном фиксированном значении угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводника, измеряют величины скачков рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав по- лупроводника,причемчисло

анализируемых скачков превышает на единицу число независимых неизвестных количественных компонент в полупроводнике, определяют одновременно длину диффузии электронов L и количественный элементный состав Х| из решения системы уравнений:

Sn°A(Eki + 3/А(Еи-е)

Sf2 A(Ek2 Ј)/A(Ek2-Ј)

Sfk-н - A(Ekk+i + f)/A(Ekk+l - 4 где Sfi. SrzSfk-H - величины скачков рентгеновского фотоэффекта, измеренные на краях рентгеновского поглощения 1-го, 2-го,... k+1-ro элементов, входящих в состав полупроводника, k - число независимых неизвестных количественных компонент

полупроводника, Ем, Ek2Ekk-n - энергия

краев поглощения 1-го, 2-гоk + 1-го элемента, на которых измеряются скачки рентгеновского фотоэффекта, с - малая величина энергии, рапная ширине внутреннего энергетического уровня (К-, L-, М-, .,.), соответствующего данному краю поглощения,

ад-Ј№Л Ј( S .),

|ч(Н},„ ,

че.

.(.f .-S ,- h5|V,,

I ill

гг,.. (,

H-Kii 4..Ј,

| 1Ы;„1

,

T/MhW

1

,

(uW,J |u«p (

И.-,

где:

ц (E) A ri (E) Xip/Mo - частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупроводника, AI - атомный вес 1-того элемента, Х| - доля 1-того элемента в полупроводнике (количественный элементный состав), Т)(Е) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е в 1-том элементе полупроводника, р - плотность полупроводника, М0 - молекулярный

вес полупроводника. / (Е) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником: М

4 (Е) Г (Е)М - число элементов,

i 1

входящих в состав полупроводника, Pim(E) - вероятность m-того радиационного перехода в атоме l-того элемента с испусканием

флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, h vim - энергия флуоресцентного рентгеновского кванта,

возникающего при m-том радиационном переходе в атоме 1-того элемента, NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме 1-того элемента, //ср (h vjk) - усредненный по углам выхода

флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h V|k по нормали к поверхности, L - длина диффузии электронов, уэ- угол падения рентгеновского пучка на полупроводник, отсчитываемый от поверхности.

Существенность отличий заявляемого способа обусловлена характером физических процессов, протекающих в полупроводнике со сниженной работой выхода при облучении потоком рентгеновских квантов и эмиссии возбужденных электронов в вакуум.

Если монохроматический пучок рентгеневского излучения с интенсивностью Jo N0hf , где No - число ежесекундно падающих квантов, a h v - энергия кванта, падает под углом р к поверхности полупроводника, то на глубине 2 от поверхности в слое dZ возникнет H(Z) собственно рентгеновских

первичных электронов. Величина H(Z) будет складываться:

во-первых из рентгеновских фото- и Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем падающего рентге- новского излучения. Полная энергия этой группы электронов W(Z):

МЦ

w,(2.H.eJ,p(-Z(U/5in(f)Ji ( .,./,;„,, «к

где // - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией квантов h v полупроводником, до - частичный линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией квантов h v атомами i-того элемента, входящего в

м состав полупроводника // Т до. М - число

i 1

элементов, входящих в состав полупровод- ника, Pim(h v) - вероятность m-того радиационного перехода-в атоме I-того элемента при возбуждении его рентгеновским излучением с энергией кванта h v, h V|m - энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме I-того элемента. NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме I-того элемента,

во-вторых из рентгеновских фото- и Оже-электронов, возникающих в слое dZ при поглощении в нем флуоресцентного рентгеновского излучения, возбуждаемого по всему объему полупроводника падающим рентгеновским пучком. Полная энер- гия этой группы электронов W2(Z):

пучка. Полная энергия электронов этой группы W;j(Z):

, i т , Ч ъьfi -Jl „к

.,(. ::ir eSrЈ wi- i

.Hi -livJ м .h,) , , ,е .« ,,.

p.(N.e- p;nM/ U

5, nO

, J|. .pHMU.,)

,.) -™ - пГЈМА) , 1

vj«)dz

jCjyi.

5-. fu,(hj| N.

Ј; P(hJ|.

NbUh Л

--Д li

, HiWiJ «i,

u,inv; „т I

5;nQVrjL-.T p /,. . 7t tose fv;

. Jlz

..„

У|,,,м.,и,),.

Способ определения характеристик полупроводника. Сущность изобретения: обрабатывают поверхность полупроводника для достижения отрицательной величины электронною сродстоа электрона. Возбуждают внешний рентгеновский фотоэффект при фиксированном угле падения рентгеновского пучка. Измеряют величину скачков рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав полупроводника, причем число анализируемых скачкоо на единицу превы-- шает число независимых компонент в составе образца. Аналитически определяют длину диффузии электронов и количественный состав полупроводника. in

Z 7IZ

tbH-.--.

..-.ftUU

. . ,-, «, hj,,e)

fc efJJbs-(«-..-z: j.(biJjb jZt

ИЫЬ

llil-K S S -M е

...

45 Возникающие первичные рентгеновские электроны растрачивают свою энергию на возбуждение электрон-дырочных пар, в результате чего возникает каскад медленных вторичных электронов, практи- 50 чески в месте образования первичных быстрых собственно рентгеновских

в-третьих из рентгеновских фото- и электронов. Как известно, средняя энергия Оже-электронов. возникающих в слое dZ затрачиваемая на возбуждение одного при поглощении в нем флуоресцентного такого электрона, примерно в 3 раза превы- рентгеновского излучения, возбуждаемого 55 шает ширину запрещенной зоны полупро- по всему объему флуоресцентным рентгено- ВОДника. Тогда число вторичных медленных вским излучением, возникшим во всем обь- электронов, ежесекундно возникающих в еме полупроводника а результате слое dZ на глубине Z. равно: поглощения падающего рентгеновского

Таким образом, полная энергия собственно рентгеновских электронов, ежесекундно возникающих в слое dZ на глубине Z от поверхности полупроводника, на который под углом р падает рентгеновский пучок с интенсивностью Jo, равна:

W(Z) - WifZ) + W2(Z) + Wa(Z).

G(7) - W(Z)/V0

Вторичные элекгромы, термализуясь и диффундируя в твердом теле, имеют вероятное гь подойти к поверхности. В соответст- пии с теорией диффузии электронов в пппуГн сконечном твердом теле, электроны, возникшие на глубине Z о слое dZ, дойдут до поверхности с вероятностью ехгУ Z/L), где L длина диффузии термализованных электронов Электроны, подошедшие к поверхности полупроводника, работа выхода которой снижена до состояния отрицательного электронного сродства, имеют определенную вероятность В выхода в вакуум. При этом чирло электронов, возникших в слое dZ на глубине Z и вышедших в вакуум, будет ровно

dn BG(Z)exp(-Z/L). Полное число электронов, ежесекундно выходящих в вакуум при облучении полупроводника монохроматическим рентгеновским пучком с энергией кванта h v, падающим под углом f к поверхности (полный ток рентгеновского фотоэффекта):

со I е fz о dn eN0 BA (h v)/Јo , где

, . (f(h)l М Д /U.lWlf/ .N

-Ги - (hj ЙР- Ь 1ЦМ

,

J,mj ,1

г.„Ы

0|Ш

rW

,)

I «- (ri.j 1 s

.nU JjlhN-iC -S tbUbV) i ччN), ,

. ,r M,(,a,JrJ(

, л , lllfl) , Г-

m ;,n ;,,,, д. i

г1 ,-, -- - -.гг.. tilth I №,m , I

MM

- J

p fbJi

. Л i

рц i h v. r i

f-H.4

.)

iVlil

(uMH i

I

I м

bii , - - H.,,.l

-, e.

Jr,,lh-jli

.r.ltjMn

fj(hv „)

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где- /4Гр (h Vji) - усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h V|k no .нормали к поверхности.

Анализ приведенного выражения для полного тока рентгеновского фотоэффекта показывает, что при изменении энергии падающего рентгеновского пучка вблизи энергии какого-либо края рентгеновского поглощения какого-либо из элементов, входящих в состав полупроводника, рентгеновский фотоэффект претерпевает скачкообразное изменение. Величина скачка рентгеновского фотоэффекта определяется как отношение полных токов рентгеновского фотоэффекта до и после края поглощения соответственно:

Sr - l(Ek + f)/l(Ek - е) A(Ek е )/A(Ek-Ј ). где Ek - энергия края рентгеновского поглощения, F -малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения.

Если экспериментально измерить скачок рентгеновского фотоэффекта S на одном из краев рентгеновского поглощения одного из элементов, входящих в состав полупроводника, и подставить его значение в полученное теоретическое выражение, то получим уравнение с k + 1 неизвестными, а

именно Xi (I 1k) и L Если произвести

измерения величин скачков рентгеновского фотоэффекта на краях поглощения k + 1 элементов, то в результате получим систему из k + 1 уравнений относительно k + 1 неизвестных:Sfi - i(Ekl + е)/(Еи - Е) A(Ekl + f)/A(Eki - О

Sf2 l(Ek2 + F)/l(Ek2 - 0 - A(Ek2 +F )/A(Ek2 - Ј)

Srk+i°l(EkkM+Ј)/r(Ekk+1-0 A(EkicH+ Ј)/A(Ekk+i-0 . где Sn, Sf2, .., Sfk+1 - величины скачков рентгеновского фотоэффекта, измеренные на краях рентгеновского поглощения 1-го, 2-гоk + 1-го элементов, входящих в состав полупроводника, k - число независимых неизвестных количественных

компонент полупроводника. Ей, Ek2

Ekk-н - энергии краев поглощения 1-го, 2-го, ...,k+ 1-го элемента, на которых измеряются скачки рентгеновского фотоэффекта, Ј - малая величина энергии, равная ширине энер- гетического уровня, соответствующего данному краю поглощения,

А(Е.(, Vs.m, ll - -Ц

.lE)hOin)«

I ЛГс, , ,-И,1 -1Г 1 -.,.,

- г, iri ( f, i pr

-.: i i fii -.-i I u Мь. „i

u«,

(bi :m-r | ihC ьол). ,.. v -.

i м NI 7.(hu; ;v r (404Ki

m.lj it . iJ

(.:- „V

,1. fiifi I

K) L

H(W,V,1

HF) i S.nlj

((hVl

Pn

fHMjM

МЫ,)..

Lt

И.Л

L м«ки

,,(h},iO| l

№

filbO.

где:

//i (E) A Ti (E) Xi/з/Мо - частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кнантд Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупроводника, AI - атомный вес 1-того элемента. Х| - доля 1-того элемента в полупроводнике (количественный элементный состав), т (Е) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е в 1-том элементе полупроводника, р - плотность полупроводника. М0 - молекулярный вес полупроводника,

ft (E) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником:

:(Е)§

И (Ц - Z № (Е) М - число элементов.

i 1

входящих в состав полупроводника, Pim(E) - вероятность m-того радиационного перехода в атоме 1-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h Ит при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энер- гией кванта Е, h ;im - энергия флуоресцентного рентгеновского квата, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме l-того элемента, NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме 1-того элемента, jUcp(hV)i) - усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения мопупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h Ць по нормали к поверхности. I длина диффузии электронов, у уюл ПЭДР ния рентгеновского пучка на полупровод ник. отсчитываемый от поверхности.

Решив ее можно определить длину диффузии электронов L и количественный элементный состав Х|.

Теоретическое исследование связи скачков рентгеновского фотоэффекта с длиной диффузии в полупроводнике проведено авторами впервые и в литературе не описано

Способ осуществляют следующим способом Поверхность исследуемого полупроводника обрпб.чтывяюг, обеспечивая снижение работы выхода электрона на поверхности полупроводнике до величины, соотретствующеи состоянию поверхности, характеризуемому отрицательным электронным сродством. Затем на исследуемый полупроводник -воздействуют под определенным углом рентгеновским излучением,

возбуждающим о полупроводнике внешний рентгеновский фотоэффект. Характеристику рентгеновского Фотоэффекта получают путем илмерения скачков рентгеновского фотоэффекта но краях рентгеновского поi лощения элементов, пходящих в состав полупроводника, причем число измеряемых скачков на единицу превышает число независимых неизвестных количественных компонент полупроводника. Длину диффузии

электронов в полупроводнике находят из решения системы уравнений. Пример.

Для определения длины диффузии электронов в зпитаксиальном слое полупроводпикового твердого раствора GaAsi-xPx этот слой помещают в вакуумный прибор с окном из бериллия, прозрачным для рентгеновского излучения. Работу выхода поверхности полупроводника снижают до величины, сботнетствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, известным методом адсорбции цезия и кислорода. Затем на поверхность слоя направляют пучок рентгеновского излучения иод определенным углом р 90° к поверхности и с помощью самопишущею прибора ЛКД-4-003, подключенного к электрометру В7-30, измеряют скачки рентгеновского фотоэффекта на «-краях поглощения галлия и мышьяка. В данном примере величины скачков рентгеновского фотоэффекта составили Sn ш 1,37, Src 2,78 соот етстоокнои.э краях рентгеновского поглощения мышьяка и галлия. В качестве возбуждающего рентгеновский фотоэффект излучения используют тормозное излучение стандартной рентгеновской трубки БСВ-29 с молибденовым анодом. Выделение рентгеновского пучка с энергией, близкой к энергии К-края поглощения галлия и с энергией, близкой к энергии К-края поглощения мышьяка производится рентгеновским спектрометром монохроматором. Число независимых неизвестных количественных компонент - одна (X) и доля элементов в полупроводнике выражается Xi (1 - Х)/2, Х ™ 0,5 и соответственно для мышьяка, галлия и фосфора. Значение длины диффузии электронов в полупроводнике L и неизвестный состав X получают, решая систему уравнений:

Sn A(Eki+ c)/A(Ekl-E)

Sf2 A(Ek2+ E)/A(Elt2-e),

где Sfi, Sf2 - величины скачков рентгеновского фотоэффекта, измеренные на краях рентгеновского поглощения мышьяка и галлия соответственно. Ем 11867,5 эВ и Ek2 - -10366,5 эВ - энергии краев поглощения мышьяка и галлия соответственно. Ј- малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения, в расчете берут ,5эВ

.

и.

2 l&.

IflE)

Miei

зг(ьМ

5mif

1«Н„

t-Un

Т НКЛ

НМЛ 1Г

ЈMbM(h -ZPjH(hOimh)t

К)

S WWgVtbUflMiOhO LV

pM; (E)

S.n4

-.-- L-MlE /

nWjri i

. J n tf

lytn1

ME)

ИЧМ

-e«

FlMjU

м1Ч)4

|u(

Vtn

I mW

) §Ј., M /t f

|uW;J+|Utp(jy)l

№

Vlb«;m

0

5

где: /л(Е)Ап(Е)Х/э/М0 - частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупроводника, AI - атомный вес 1-того элемента. AI - 74,92 а.е.м., А2 - 69.72 а.е.м. и Аз - 30,97 а.е.м. соответственно для мышьяка, галлия и фосфора, Xi - доля 1-того элемента в полупроводнике, т (Е) - массо0 вый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е в 1-том элементе полупроводника, определяется из таблицы:

ЕТ , . ,

5 ЕЙ + с189.9

Еи-е25,61

Ek2 + Е37,5

Ek2 - Ј37.5

h vim35.5

0 h Ът40.84

h V3m3366

p- плотность полупроводника, зависит от состава и определяется по формуле р n(AiXi + АаХ2 + АзХз)/У, где п 8 - число атомов в кристаллической ячейке полупроводника, V - объем кристаллической ячейки, в исследуемом в примере полупроводнике определяется как V (ai(1 - X) + адХ) , ai - 5.65321А и 32 5-4495А - постоянные решеток кристаллов GaAs и GaP соответствен- но, М0 (AiXi + АзХ2 + АзХз) - молекулярный вес полупроводника, // (Е) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником:

ц (Е) 2, /4 (Е) М - число элементов, i 1

входящих в состав полупроводника, в при0 мере М 3. NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме l-того элемента, в полупроводнике, исследуемом в примере, существенный вклад в перераспределение энергии падающего из5 лучения по глубине полупроводника дает только К-флуоресценция, поэтому ограничиваются рассмотрением только К-флуорес- центных переходов и NI 1 h V|m - энергия флуоресцентного рентгеновского кванта,

0 возникающего при гл-том радиационном переходе в атоме 1-того элемента, энергии «-флуоресцентных квантов As, Ga и Р соответственно равны hvi - 10544 эВ, hVi - -9252 эВ и hV3 - 2014 эВ, Pim(E) - вероят5 кость m-того радиационного перехода в атоме 1-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией h vim при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, значения Pim(E) для К-флуоресцентных переходов исследуемого в примере полупроводника приведены в таблице:

(h V)k)- усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h VJK по нормали к поверхности, полагают /ICP (hvjk)- 0,5 ц (). L- длина диффузии электронов.

Рассчитанные величины L составляют 4,5 мкм с точностью 0,1 мкм и величина X составила 0,4 с точностью 0,01.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в расширении числа измеряемых физико-химических на количественный элементный состав. В настоящее время нет способов, позволяющих одновременно определять длину диффузии электронов и количественный элементный состав.

0

5

0

5

0

Поэтому предложенный способ может быть эффективно применен в электронной технике на всех этапах контроля полупроводниковых приборов.

Формула изобретения Способ определения характеристик полупроводника, включающий предварительную обработку поверхности исследуемого полупроводника, обеспечивающую снижение работы выхода электрона с поверхности до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного средства, и возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта, отличающийся тем, что, с целью определения количественного состава многокомпонентного полупроводника, внешний рентгеновский фотоэффект возбуждают при одном значении угла падения рентгеновского пучка, измеряют величины скачка рентгеновского фотоэффекта на краях рентгеновского поглощения элементов, входящих в состав полупроводника, причем число измеренных величин скачков превышает на единицу число элементов в полупроводнике, и определяют величину длины диффузии и количественный состав расчетным путем.