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

Ё

Сущность изобретения: о образце, поверхность которого предварительно обработана для снижения работы пыхода электрона, возбуждают внешний ренгтенов- ский фотоэффект на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементсш, входящих о состав полупроводника. Измеряют зависимость изменения величины скачка рентгеновскогр фотоэффекта от угла падения рентгеновского пучка на полупроводник. Определяют расчетным путем длин диффузии электронов и количественный элементный состав.

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 объектов на полупроводниковые твердые растворы с неизвестными количественным элементным составом и расширение числа определяемых физико-химических характеристик полупроводника на количественный элементный состав.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения, в 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 формуле, возбуждают рентгеновский фотоэффект на одном из краев ренгтеиовского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника при разных углах падения рентгеновского пучка на

00

ю

СО

о со

СП

поверхность полупроводника, измеряют зависимость величины скачка рентгеновского фотоэффекта от угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводника, определяют одновременно длину диффузии электронов L и количественный элементный состав Xi из условия наилучшего совпадения измеренной угловой зависимости Sf( p) с теоретической, рассчитанной по формуле:

Sf (р) А («р , Ек + Ј)/А (р , Ek - с), где Sffy)- величина скачка рентгеновского фотоэффекта, измеренная на крае рентгеновского поглощения, на котором возбуждают рентгеновский фотоэффект, при падении на полупроводник рентгеновского пучка под углом р к поверхности. Ek - энергия края поглощения, на котором возбуждают рентгеновский фотоэффект, е - малая величина энергии, равная ширине внутреннего энергетического уровня (К-. L-, М-. ...), соответствующего данному краю поглощения. р- угол падения рентгеновского пучка на пол проводник, отсчитанный от поверхности.

./, / ГДЕ) М-1 |U.(El Г,

A(E|-taf L| 2((E-2P;JE)hU,

Ч (Li

(Е,е И гЈЛ(Е1№Е T(

(M.jhy;

..J..

X jTlFJ 6n

luWHd

|u((t })iO

(4(hv;n

где:

/Л (Е) (Е)Хр/М0 частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кеэнта Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупровод0

ника, AI - атомный вес l-того элемента, Xi - 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:

&

Ц (Е) 2, Р (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 hvim при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, hvim - 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, /А:р (h V)k) усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта hvjk по нормали к поверхности, L - длина диффузии электронов.

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 рентгеновского излучения с интенсивностью Jo N0h v, где No - число ежесекундно падающих квантов, a h v- энергия кванта, падает под углом р к поверхности полупроводника, то на глубине Z 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 рентгеновского излучения. Полная энергия этой группы электронов Wi(Z):

5 w.W-«.exp(-Z(u|si«(f)2(M-2:P,BI(W)h9;ri)(U:/s1.n«fJZ

; tm«i

где ц - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией квантов h v полупроводником, /л - частичный линейный коэффициент поглощения рентге5

0

5

0

5

0

5

0

невского излучения с энергией квантов h v атомами l-тогс элемента, входящего в сом

став полупроводника (Л У /4, М - число

1 1

элементов, входящих в состав полупровод-м

ника, Pim(h tf - вероятность m-того радиа- i Л р , , Ле ™f ,j J

ционного перехода в атоме 1-того элемента ;. . f«Y м«)

. во 1вЧ XjllfbJU M, м ц.

«ИФ-И й м.

ционного перехода в атоме 1-того элемента при возбуждении его рентгеновским излучением с энергией кванта h v. h V|m in энергия флуоресцентного рентгеновского. кванта, возникающего при т-том радиаци- - онном переходе в атоме 1-того элемента, s n9 - число возможных рентгеновских радиаци-,°° л( м и. онных переходов в атоме 1-того элемента;«с d°Ke - - Т1 Р пи

Э1 в i -J inl -

во-вторых из рентгеновских фото- и т Оже-электронов, возникающих в слое dZ

при поглощении в нем флуоресцентного-tilJiirldil м и-м- Н1 л

v р СОЗв - м 1 И Г п /. V

рентгеновского излучения, возбуждаемогоЬпв с«о pi l ;JJ

по всему объему полупроводника падаю-20 v

щим рентгеновским пучком. Полная энер--fij ivjii |и(ь) i

гия этой группы электронов W2(Z): yi )Ji

Таким образом, полная энергия собстIh TJ f - - -Зл iu (hJiN;венно рентгеновских электронов, ежесекун«,1Ч-1 jdj j do|N. -ч j -.---2 Р;ЛМ) 25 дно возникающих в слое dZ на глубине Z от

поверхности полупроводника, на который

.(z-j) м ч N;под углом у падает рентгеновский пучок с

,е « . -vJ(b};,.-2: PjklhJiJbJj интенсивностью J0 равна:

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

30 Возникающие первичные рентгено. j i Т, Ti f .Д RI (bS) Nвские электроны растрачивают свою энер..dгt г Id4 dЈMNee V JL -. «V p. - i о i s n; тГ, im

м(ь)-.„ич-zi мnap D результате чего возникает каскад

,....пТ1.., медленных вторичных электронов, практи(h) гию на возбуждение электрон-дырочных

. 35чески в месте образования первичных быс- м.трых собственно рентгеновских - Г,р 1 ЛьМггэлектронов. Как известно, средняя энергия ЈЬ, затрачиваемая на возбуждение одного в-третьих из рентгеновских фото- итакого электрона Примерно в 3 раза превы- Оже-электронов. возникающих в слое dZ 40шает ширину запрещенной зоны полупропри поглощении в нем флуоресцентногоВОДника. Тогда число вторичных медленных рентгеновского излучения, возбуждаемогоЭлектронов ежесекундно возникающих в по всему обьему флуоресцентным рентгено-слое dz на глубине z равно: вским излучением, возникшим во всем объ-g™ „ д/гя/ &,

еме полупроводника в результатеВторичные электроны, термализуясь и

поглощения падающего рентгеновского 45диффундируя в твердом теле, имеют вероятпучка. Полная энергия электронов этойHQCTb падоити к поверхности. в СООтветстгруппы waZ).вии с теорией диффузии электронов в

шг LTjyfni ( ; )|-A( u-fh полубесконечном твердом теле, электроны.

wii4-jJ«« iji«« | lj «i«|Je(H.c Z- -SPi H возникшие на глубине Z в слое dZ, дойдут до

; 50поверхности с вероятностью exp(-Z/L), где L

м(Н;Лу и- длина диффузии термализованных элект«е smQS- М 1 ронов. Электроны, подошедшие к поверхноИ i сти полупроводника, работа выхода которой

снижена до состояния отрицательногоэлек,« Яг - м M,(hJi тронного сродства, имеют определенную

4 eJd HelNee 2- - 2вероятность В выхода в вакуум. При этом

число электронов, возникших в слое dZ на

глубине Z и вышедших в вакуум будет равно:

dn - BG(Z)exp(-Z/L)

Полное число электронов, ежесекундно выходящих в вакуум при облучении полупроводника монохроматическим рентгеновским пучком с энергией кванта h, падающим под углом р к поверхности (полный ток рентгеновского фотоэффекта):

I е /г°° о dn еМ0 ВА (h v)/ffl . где

f(n)

/|чЫ1 ц rJ.(W) f/ ,,

) rlHriM -V

Ч m.l,1k,i

ft,

I, ., N ., |uili5 г„-п /

-nlfjU,,,,

,1 U ни. i

.i( i

I

,,,(f

fiiH)k

i

Ц)Ы,И

,,Ht - L

fb.m

1 (uM

, zV-- fMb°)

(bVl

С . V f ft

(Ul,n,)

juTiT-),™)

S.rl

где: ,Wcp (h V)k) - усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h vty. по 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 рент еновского поглощения соответственно:

(Ek+ E)/l(Ek-r)-A(Ek + Ј)/A(Ek-c). где Ek - энергия края рентгеновского поглощения, с - малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения.

Анализ полученного выражения показывает, что величина скачка рентгеновского

фотоэффекта Sf зависит от угла падения рентгеновского пучка на полупроводник Sf(y). причем характер угловой зависимости SK ут) сильно зависит от количест- венного элементного состава

полупроводника Xi и длины диффузии электронов в полупроводнике L

Если экспериментально измерить угловую зависимость скачка рентгеновского фотоэффекта Sf на одном из краев

рентгеновского поглощения одного из элементов, входящих в состав полупроводника и подбором параметром L и Xi добиться совпадения экспериментальной угловой зависимости Sffy Y и теоретической Sr(y),

рассчитанной по формуле:

Sf A(Ek + Ј)/A(Ek -f ), то тем самым можно определить длину диффузии электронов в полупроводнике L и количественный элементный состав XI.

Здесь Sf( у))-величина скачка рентгеновского фотоэффекта, измеренная на краях рентгеновского поглощения, на котором возбуждают рентгеновский фотоэффект элементов, при падении на полупроводник

рентгеновского пучки под углом р к поверхности, Ek энергия края поглощения, на котором возбуждают рентгеновский фотоэффект, е- малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего данному краю поглощения, р- угол падения рентгеновского пучка на полупроводник, отсчитанный от поверхности,

i

,/,| / М(Е1 М- |и,(Е) г, N. I-US-L) (E-2P.JE|bU,

{| - ий

MlEl 5 itf

(чЫ,„

МНп

«LEn

Т РКЛ

мЫ„Н

j isk-(

)bu:cv(bUpihvi4 L

T m.ijtiK-i

.Г S|(f, ь

Г f.W.wrlllMi)T

о

(f ;Vli e

ME)

Id

J%

MHi,|

plhU rj

En

|и|Ы,„1

НИ-и |U(M,/|

( г E)

„ L Hinu

t2r

7/МФКЛ

М(и| MEJ

С сгНЛ

,pKr) ИКп,)

где: jUi (E) A r (E) - частичный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами 1-то- го элемента, входящего в состав полупроводника, AI - атомный вес 1-того элемента, Xi - доля 1-того элемента в полупроводнике (количественный элементный состав), n (E) - массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е в 1-том элементе полупроводника, р - плотность полупроводника, М - молекулярный вес полупроводника,//(Е) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником:

м ц (Е) 21 / I (Е) М число элементов,

входящих в состав полупроводника, Pim(E) - вероятность 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, h i im 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, (h Vjic) - 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.

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

Способ осуществляют следующим способом. Поверхность исследуемого полупроводника обрабатывают, обеспечивая снижение работы выхода электрона на поверхности полупроводника до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательным электронным сродством. Затем на исследуемый полупроводник воздействуют под разными углами рентгеновским излучением, возбуждающим в полупроводнике внешний рентгеновский фотоэффект. Характеристику рентгеновского фотоэффекта получают путем измерения скачка рентгеновского фото0 эффекта на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих з состав полупроводника. при варьировании угла падения рентгеновского пучка на поверхность полупроводни5 ка. Длину диффузии электронов в полупроводнике L и количественный элементный состав Xi находят как значения параметров, при которыл совпадают экспериментально измеренная и теоретиче0 екая, рассчитанная по формуле угловые зависимости скачка рентгеновского фотоэффекта.

Пример Дня определения длины диффузии электронов в эпитаксиальном

5 слое полупроводникового тпердого раствора GfyAsi xfjx этот слои помещают в вакуумный прибор с окном из бериллия, прозрачным длл рентгеновского излучения. Работу выхода поверхности пол/проводни0 ка снижают до величины, соотретствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, известным методом адсорбции цезия и кислорода. Затем на поверхность

5 слоя направляют пучок рентгеновского из- лучзния и с помощью самопишущего прибора ЛКД-4-003, подключенного к электрометру В7-30 измеряют величины скачка рентгеновского фотоэффекта на К0 крзе поглощения галлия при различных значениях угла падения рентгеновского пучка if), устанавливаемого путем поворота кассеты с закрепленным в ней измеряемым образцом вокруг оси вакуумного прибора.

5 Попорот осуществляется с помощью магнитной подпижки. В качестве возбуждающего рентгеновский фотоэффект излучения используют тормозное излучение стандартной рентгеновской трубки БСВ-29 с молиб0 деновыманодом.Выделение

рентгеновского п;чка с энергией, близкой к энергии К-края поглощения галлия производится рентгеновским спектрометром-мо- нохроматором. Доля элементов в

5 полупроводнике (количественный элементный состав) выражается Xi (1 - Х}/2, Х2 Y и Хз - Х/2 соответстсенно для мышьяка, галлия и фосфора. Значение длины диффузии электронов с полупроводнике L и неизвестный состав X и Y получают, как значения

параметров, при которых совпадает экспериментально измеренная угловая зависимость скачка рентгеновского фотоэффекта на К-крае рентгеновского поглощения галлия Sf (у)и теоретическая Sf (f), рассчитанная по формуле:

SK р) - Afy , Ek + е)/А( р, Ek Ј-).

где Ek 10366,5 эВ - энергия края поглощения галлия, Е - малая величина энергии, равная ширине энергетического уровня, соответствующего К-краю поглощения Ga, в расчете берут е 0,5эВ

,,,

l

IL1

SintJ

P U M

(u(h);,.

LCh

(U;,. .й

Јh(bMhn.-ZPjJbU4) , и;м N|

(t MimjSPi U bJi i.Oj.i.7

MNiJ j1;

г

I, s.nlf

-S,,Wi.

En

.f-4( .(UUI

где:

(E) А Л (E) Xp/Mo частичный ко- эффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е атомами 1-того элемента, входящего в состав полупроводника, AI - атомный вес 1-того элемента, А) 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, TI (Е) - массовый коэффициент .ослабления рентгеновского излучения с энергией кванта Е о 1-том элементе полупроводника, определяется из таблицы:

+ Е -e Vim V2m V3m

Г1 , CM

189,9

25,61

3366

П , 100,0 100,0 236,3

30,85 2795

T3 . CM

26,5 26,5 35,5 35.5 301.1

-1

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

p- плотность полупроводника, зависит от состава и определяется по формуле р° -n(AiXi + АаХ2 + AaX3)/V, где n - 8 - число атомов в кристаллической ячейке полупроводника, V - объем кристаллической ячейки, в исследуемом в примере полупроводнике определяется как V - (ai(1 - X) + Э2Х) , ai 5,65321А и 32 и 5.4495А - постоянные решеток кристаллов GaAs и GaP соответственно. Mo (AiXi + А2Хз + АзХз) - молекулярный вес полупроводника, f.i (E) - линейный коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией кванта Е полупроводником: м

/ (Ј) S /4 (Е) (Е) м число элемен- i 1

тов, входящих в состав полупроводника, в примере М 3, NI - число возможных рентгеновских радиационных переходов в атоме 1-того элемента, в полупроводнике, исследуемом в примере существенный вклад в перераспределение энергии падающего излучения по глубине полупроводника дает, только К-флуоресценция, поэтому ограничиваются рассмотрением только К-флуо- ресцентных переходов и NI 1 h vim - энергия флуоресцентного рентгеновского кванта, возникающего при m-том радиационном переходе в атоме l-того элемента, энергии К-флуоресцентных квантов As, Ga и Р соответственно равны h v 10544 эВ, h vz - 9252 эВ и hV3 - 2014 эВ, P)m(E) - вероятность m-того радиационного перехода в атоме i-того элемента с испусканием флуоресцентного рентгеновского кванта с энергией hvim при снятии возбуждения, вызванного рентгеновским излучением с энергией кванта Е, значения Pim(E) для К-флуоресцентных переходов исследуемого в примере полупроводника приведены в таблице:

Рзт(Е)

0,86

0,86

О

0,86 О

j«cp (h vjk)- усредненный по углам выхода флуоресцентного излучения линейный коэффициент поглощения полупроводником флуоресцентного излучения с энергией кванта h Vjk по нормали к поверхности, полагают //ср (h V)k) - 0,5 /Ucp (h ), L - длина диффузии электронов.

Определенные в примере величины длины диффузии электронов и количественного состава равны: L - 4,5 мкм с точностью 0,1 мкм, X 0,4 с точностью 0,01 и Y - 0,5 с точностью 0,01.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в расширении класса объектов исследования на полупроводниковые твердые растворы с неизвестным коли- чественным составом и нарушенной стехиометрией и в расширении числа измеряемых физико-химических характеристик на количественный элементный состав. В настоящее время нет способов, позволяющих одновременно определять длину диффузии электронов и количественный элементный состав. Поэтому предложенный способ может быть эффективно применен в электронной технике на всех этапах контроля полупроводниковых приборов.

Формула изобретения Способ определения физико-химических характеристик полупроводника, включающий предварительную обработку его

поверхности, обеспечивающую снижение работы выхода электрона до величины, соответствующей состоянию поверхности, характеризуемому отрицательной величиной электронного сродства, возбуждение внешнего рентгеновского фотоэффекта и определение длины диффузии, отличающийся тем, что. с целью возможности дополнительного определения количественного состава полупроводника, внешний рентгеновский

фотоэффект возбуждают на одном из краев рентгеновского поглощения по крайней мере одного из элементов, входящих в состав полупроводника, измеряют зависимость из- .менения величины скачка рентгеновского

фотоэффекта от угла падения рентгеновского пучка и определяют количественный эле-, ментный состав из условия наилучшего совпадения измеренной зависимости с теоретически рассчитанной.