Способ контроля поверхностного слоя полупроводникового монокристалла Советский патент 1980 года по МПК G01N23/207 H01L21/66 

I

Изобретение относится к рентгеноструктурным методам контроля технологии производства полупроводниковых приборов.

Практически любой процесс производства полупроводниковых приборов планарного типа включает операции по созданию поверхностного слоя в полупроводниковом монокристалле, структура которого отлична от структуры исходного монокристалла (Диффузия, ионное легирование, эпитаксиальные слои, аморфизация излучением и др).

Известен способ контроля процесса формирования поверхностного слоя в полупроводниковом монокристалле методом ионного легирования, заключающийся в том, что одновременно на монокристалл направляют пучок рентгеновских лучей или заряженных частиц и регистрируют флуоресцентное излучение легирующей примеси {IJ.

Этот способ позволяет измерить распределение легирующей примеси, но не дает информации о структурных изменениях в поверхностном слое.

Известен способ измерения глубины залегания р-п перехода, закл|Ьчающийся в том, что монокристалл облучают пучком рентгеновских лучей под изменяющимся углом.

подают напряжение смещения и измеряют фототек, причем из соотношения угла падения пучка, напряжения смещения и фототока определяют толщину приповерхностного слоя и распределение в нем сопротивления {2.

Этот способ также не дает информации о структурных изменениях в поверхностном слое полупроводникового монокристалла.

Известен рентгенотопографический способ контроля технологии производства полупроводниковых приборов, заключающийся в просвечивании монокристалла рентгеновским пучком.под фиксированным углом Вульфа-Брегга и регистрации дифрагированного излучения 3.

Этот способ дает информацию об объемis ной дефектности монокристалла и не позволяет оценить изменения периода решетки в поверхностном слое.

Известен способ исследования поверхностных слоев монокристаллов, заключаю2Q щийся Б том, что на монокристалл направляют под углом Вульфа-Брегга рентгеновский монохроматичйый пучок, регистрируют дифрагированный пучок и электронную фотоэмиссию с поверхностн образца, что позвоЛяет изучать очень тонкие приповерхностные слои за счет малой глубины выхода фотоэлектронов 4,

Недостатком указанного способа является сложность его аппаратурной реализации, обусловленная необходимостью использования вакуумной камеры для размещения ис: следуемого монокристалла и детектора фотоэлектронов. Этот же фактор и обусловливает практические трудности использования данного способа в технологическом процессе..

Известен также способ исследования кристаллов, заключающийся в том, чтр регистрируют кривую дифракционного отражения и кривую комптоновского рассейния рентгеновских пучков, по которым определяют характеристики исследуемого кристалла, в частности степень его амррфизации 5.

Этот способ требует использования спектрометрического устройства специальной конструкции, что ограничивает возможности его щирокого применения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ исследования монокристаллов, заключающийся в том, что производят съемку кривых дифракционного отражения от поверхности монокристалла и эталона и по параметрам этих кривых судят о характеристиках поверхностного слоя монокристалла 6.

Кристаллические слои и пленки, как правило, характеризуются неравномерным распределением дефектов. Обычно их концентрация постепенно уменьщается до нуля на некоторой глубине кристалла. В этом случае в качестве эталона можно выбрать ненарушенную часть кристалла и относительно ее параметра решетки измерять среднее значение решетки слоя или пленки.

Однако такой способ измерения Ad/d возможен только для толщин слоя ц пленок, больших экстинкционной длины кристалла, поскольку , дифрацнонный максимум образуется на толщине кристалла, равной экстинкционной длине. Например, в геометрии Брегга при дифракции рентгеновских лучей (СнКл-излучения) на кремнии, экстйнцион-. ная длина Ьз равна 4,7 мкм для (III) - отражения и 24,5 мкм для (333) - отражения.

Для толщин слоя или пленок, меньших экстинкционной длины, описанный способ из мерения Ad/d не годится, так как вместо острого максимума кривая отражения, .имеет вид сильно размытой и растянутой по углам кривой, что делает неопределенной точку отсчета угла дифракцни.С другой стороны этот способ исследования кристаллических слоев и пленок не позволяет определить такую важную характеристику, как их толщину, особенно в случае малых значений Ц ( 4 1 мкм).

Помимо этого ни один из существующих рентгенодйфрационных методов не дает лаже косвенной информации о степени разупорядочения (или аморфизации) кристаллической решетки в нарушенной части кристалла.

Цель изобретения - повышение эффективности контроля за счет определения степени разупорядоченности поверхностного слоя исследуемого монокристалла.

Это достигается тем, что в способе контроля поверхностного слоя полупроводникового монокристалла, основанном на том, что производят съемку кривой дифракционного отражения от соответствующей поверхности монокристалла и по параметрам этой кривой судят о характеристиках исследуемого слоя, измеряют интегральные интенсивности дифракционных, максимумов от исследуемой и ненарушенной поверхностей контролируемоГО монокристалла, по разности измеренных

.интенсивностей и угловому диапазону дифракции от исследуемого слоя находят среднее изменение периода решетки в указанном слое и его эффективную толщинуи осуществляют контроль по найденным велич(у1ам. Кроме того, кривые дифракционных отражений от исследуемой и ненарушен21ой поверхности монокристалла получают с помощью поляризованных пучков рентгеновского излучения.

Чтобы пояснить физическую сущность предлагаемого способа, рассмотрим модель, описывающую дифракию на тонких кристаллических слоях. Кристалл (подложка) представляет собой плоскопараллельную

Q плаСтину с идеальной кристаллической решеткой, на поверхности которой находится нарушенный слой толщиной LH При этом слой считается слабо отражающим. Это справедливо при условии, когда толщина . слоя LH меньше экстракционной

J, длины кристалла Lj, которая в геометрии Брэгга зависит от порядка отражения и величины структурной амплитуды. Рассеяние в такой ситуации описывается кинетической теорией. Искажения по глубине Z нарушенного слоя описываются величиной

® -среднего смещения атомов U(z), а также статическим фактором exp(-W(z), характеризующим степень разупорядочения атомов (аморфизацию). С учетом этого, полная амплитуда отражения рентгеновых -лучей

J всем кристаллом определяется суммой трех членов: первый член соответствует отражению от совершенной подложки, второй - отражению от слоя, а третий член описывает интерференцию между волнами, рассеянны.ми слоем и подложкой:

Riy)Ra(y)R.(yhRo(),

где Y угловая переменная. Интенсивность отражения P|i())l далее анализируется не полиа1Я интенсивность PR (у) , а разность PR (у)|RetyM Pg (у) . Эта разность, .. проинтегрированная по всему диапазону углов дифракции, будет представлять собой эффективную толщину нарушенного слоя ,

.ffiAtyijaiB- ir cosCfi.vd) 13)

Значение 1э( определяемое формулой (3) соответствует площади кривой отражения от кристалла с нарушенным поверхностным слоем (пленкой) за вычетом отражения от идеальной подложки.

Вычисление величины, представляющей собой произведение указанной разности на угловой интервал дифракции, позволяет оп.ределить среднее изменение периода рещетки в слое Ad/d:

J.)«ay,/a.c- idthm)/c z--ud.L (ч7

Таким образом, простая (экспериментально и численно) процедура позволяет получить количественные характеристики нарущений кристаллической решетки в слое, такие как его эффективную толщину и среднее изменение периода решетки.

В отсутствии аморфизации W(Z) О формулы (3) и (4) дают значение толщины на- рущенного слоя Lj,,, и среднюю величину Ad/d. В случае когда W(Z)ФO, характеристика Lj дает толщину нарушенного слоя, но уже за вычетом сильно разупорядоченных (аморфизованных)слоев, не участвующих в дифракции. Наличие сильно разупорядоченных слоев приводит, как и в случае ЭФ занижению среднего значения Ad/d.

Таким образом,введенные интегральные характеристики позволяют судить о степени аморфизации кристаллической решетки, происходящей в результате различных воздействий на кристалл, поскольку увеличение доли аморфизованных слоев в явном виде сказывается на величинах Lj и Ad/d.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. На исследуемый кристалл, установленный на оси вращения спектрометра, под брэгговским углом падает монохроматический параллельный и поляризованный пучок рентгеновских лучей. При повороте кристалла вблизи точного значения угла отражения детектор регистрирует угловое распределение интенсивности дифрагированного кристаллом излучения и соответствующие ему значения интегральной интенсивности и углового интервала дифракции. В отличие от рентгеновской дифракции на совершенном кристалле, дифракция на кристалле с нарушенным поверхностным слоем имеет более сложный характер: помимо главного пика наблюдается дополнительная область дифракции (в основном в.виде системы побочных максимумов), простирающаяся на довольно большой угловой интервал. Измеряя интегральную интенсивность отражения от исходной ненарушенной части кристалла, например с обратной стороны монокристалла, можно найти разность интегральных интенсивностей между дифракционными отражениями от идеального и нарушенного кристаллов, которая и определит эффективную толщину нарушенного слоя L.

Зная разность интегральных интенсивностей и угловой интервал дифракции, определяем величину среднего изменения периода в слое Ad/d.

Используя эти величины, можно определить степень разупорядоченности решетки, вносимую, например,, ионной бомбардировкой кристалла.

Процесс накоплени аморфной фазы в при увеличении дозы облучающих ионов бора.

Доза облучения.Толщина нарушенного

aт/cм „слоя, мкм

340

0,15

If If

0,16 6-10

0,14

4-10

ч15

,10

Определяемые количественные характеристики нарушений L и Ad/d, а также информация о степени разупорядочения решетки, получаемая с их помощью, позволяют оптимизировать технологические режимы обработки кристаллов в процессе изготовления полупроводниковых приборов.

Предлагаемый . метод интегральных характеристик значительно расширяет возможности использования рентгеноднфракционных методов для целей контроля технологии производства полупроводниковых приборов.

Формула изобретения

1.Способ контроля поверхностного слоя полупроводникового монокристалла, основанный на том, что производят съемку кривой дифракционного отражения от соответствующей поверхности монокристалла и по параметрам этой краевой судят о характеристиках исследуемого слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности контроля за счет определения степени разупорядоченности поверхностного слоя, измеряют интегральные интенсивности дифракционных максимумов от исследуемой и ненарушенной поверхностей контролируемого монокристалла, по разности измеренных интенсивностей и угловому диапазону дифракции от исследуемого слоя находят среднее изменение периода решетки в указанном слое и его эффективную толщину и осуществляют контроль по найденным величинам.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что кривые дифракционных отражений от исследуемой н ненарушенной поверхностей монокристалла получают с помощью поляризованных пучков рентгеновского излучения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Японии № 48-26424, 99(5) В I, опублик. 1973.

2.Патент Японии № 48-31374, g-J (5) А 05, опублик. 1973.

3.Концевой Ю. А., Кудин В. Д. Методы контроля технологии производства полупроводниковых приборов М., «Энергия, 1973 с. 113-118.

4.Авторское свидетельства СССР № 534667, JPI. G 01 N 23/20, 1976.

5.Патент Франции № 2215137. кл. G 01 N 23/20. опублик. 1974.

6.Русаков А. А. Рентгенография металлов. М.. Атомиздат. 1977, с. 262-264 (прототип).