Способ контроля содержания кислорода в кремнии Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к способам контроля содержания примесей в полу-. проводниках.

Известен способ определения концентрации кислорода в кремнии по полосе поглощения в области длины волны 9 мкм. В известном способе через толстую пластину кремния пропускают ИКизлучение в диапазоне длин волн л711 мкм, регистрируют прошедиее излучение, и по площади полосы поглощения с максимумом при мкм рассчитывают концентрацию кислорода t.l.

Способ имеет существенный недостаток: малую чувствительность. Предельная концентрация кислорода, определяемая ме:годом ИК-поглощения, составляет (2-3)40 атомов/см. Между; тем, например,в процессах рйдиационного дефектообразования, существенную роль И1рают примеси в гораздо меньших концентрациях.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ контроля содержания кислорода в кремнии, включающий облучение кремния высокоэйергетическйМи частицами.

Сущность известного способа заключается в определении- количества

радиоактивных атомов F, образукнаихся в ядерной реакции

)F,,-й.

(Не

-70

для этого образец кр емиия шлифуют, травят до зеркального блеска, припаривают с помсяцью InGa пi9cты к К1едной подложке, и при температуре жидког6

10 азота (77 К) облучают ионами Не, ускоренными до энергии 13 МэВ в течение /v 2 ч. Загем образец травят в четырех-пяти ваннах из раствора HNOjj и Н F, определяя взвешивайием на мик15роанапитических весах количество стравленного материала. Эти операции должны быть проведены за время не более 30 мин. Затбм измеряют позитронную активность на спектрометре

20 совпадений. Параллельно с этим измеряют активность эталонного материала (. кварца; и по .формуле рассчитывают концентрацию кислорода 2.

Однако известный спрсоб требует

25 для своей реализации условий так называемой горячвй лаборатории, прежIjiae всего, защиты персонала от излУ Чений при работе с радиоактивными изотопами. Кроме того, требуется

30 сложная и кропотливая обработка поверхности кремния как до, так и после облучения.

Известный способ дает очень высокую погрешность определения концентрации кислорода 40%. Чувствительност способа (ЗЮ ) получена из расчета полуторного превышения уровня полезного сигнала над фоновым. На практике для проведения надежных измерений отношение сигнал/шум должно быть по крайней мере порядка 10,

Таким образом, известный способ не найдет сколько-нибудь широкого . применения в практике из-за многочисленных сложностей, дороговизны и ра,диоактивной опасности для пользова(телей. , . ,

Целью изобретения является повышение точности измерений и упр ощение способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля содержания кислорода в кремнии, включающему облучение кремния высокоэнергетическими частицами, кремний облучают частицами с энергией, Доста точной для образования пар Френкеля, в интервале температур (140-390 К, затем определяют концентрацию Л- и Ецентров и рассчитывают концентрацию кислорода в кремнии по формуле

О K.a2s

2 Е,, где 0, - концентрация кислорода в

кремнии;

А , - концентрации А- и Е центров и легирующей, примеси соответственно,

,.

где А ,Е,Р - концентрации А- и Ецентров и легирующей примеси в эталонном материале с известной концентрацией кислорода О, .. Причем кремний Облучают электронами дозами, лежащими в интервале см-.

Сущность способа состоит в том, что при изменении концентрации кислорода меняются потоки вакансий,иду.щих на образование А- и Е-центров. Зная содержание кислорода в эталонном материале (это может быть материал с большой концентрацией кислорода, легко определяемой по ИК-методу) и определив содержание А- и Ецентров в эталонном и исследуемом материалах, можно рассчитать концентрацию кислорода в исследуемом материале.

В качестве высокоэнергетических частиц могут использоваться У-кванты, электроны, нейтроны и др. Что же касается энергии частиц, то она должна быть больше граничной энергии

для образования пар Френкеля в кремнии.

Температура облучения должна быть выше характеристических температур введения А- и Е-центров ( 80 и 140 К соответственно, но ниже температур распада этих дефектов (390 и 620 К соответственной Таким образом, интервал температур облучения составляет 140-390 К. Технологически наиболее удобно облучать кремний при комнатной температуре.

Дозы облучения эталонного и исследуемого образцов могут различаться, но обе они должны лежать в пределах линейного участка накопления концентраций А- и Е-центров.

Например, в случае облучения электронами интервал доз облучения выбирается в интервале 10 -10 см . При дозах, меньших см , концентрации А- и Е-центров слишком малы, чтобы измерить их экспериментально. „ При дозах более высоких, чем 10 см накопление А- и Е-центров перестает быть линейным, и становится неприменимой формула для расчета концентрации кислорода.

П р и м е р 1. Образцы кремния КЭФ1 (концентрация фосфора ,2 10 см, концентрация кислорода, измеренная по методу ИК-поглощения 0, 8,6-10 см и БКЭФ (концентрация фосфора Р, ,2 j концентрация кислорода неизвестна, она меньше предела чувствительности определения кислорода по ИК-погДощению облучались при комнатной температуре электронами с энергией 3,5 ИэВ, доза. 1ЛО см , плотность тока 0,4 мкА/см Определялась концентрация . Аи Е-центров по методике jeep-level transient spectroscopy DLTS (годится любая другая методика или набор методик, позволяющих измерять концентрации или отногления концентраций А- и Е-центров. Они оказались равными

, см-, И .

,6.

,7.10 см , Ед,2,7.. .

В рассматриваемом конкретном примере

., и расчет по формуле дает О 9,4 .

Пример 2..Образцы кремния, выращенные по методу Чохральского, с концентрацией фосфора 1, , 3, 2-105см облучались -квангамм , Измерены концентрации А-, Е-центров и подсчитаны их отношения А/Е, которые равняются 47, .23,8, 10,8 соответственно. Расчеты дают следующие значения для концент рации кислорода: 1,810 ; 3«10 ; 7, см-. По методу ИК-поглощения оценено содержание кислорода для этих трех образцов. Оценка дает концентрацию кислорода, равную 5«10 этих трех слитках. Пример .3. Образцы кремния, выращенные по методу зонной плавки, с концентрацией фосфора , 1,4. Ю см облучались -gf-KBaHTa /iH Со , концентрация кислорода была ниже пре дела чувствительности, метода ИК-по глощения HQ2. 2Ю см. Измерены концентрация А-, Е-центров и определены их отнсяиения А/Е. Расчеты по формуле дают концентрации кислорода, равные 5 ,3«10 , 1,5-10/° см в двух исследуелых образцах. Таким образом, применение изобретения позволит значительно повысить чувствительность определения содержа ния кислорода в кремнии. Способ,прос в исполнении и мало зависит от конкретных пг1рг 1ЮТроЕ иеследуемого мате риала и условий облучения. Формула изобретения 1. Способ контроля содержания кис лорода в .кремнии, включающий облучение кремния высокоэнергетическими частицами, отличающийся тем, что, с целью повыяения точности измерений и упрсмцения способа, кремний облучают частицами с энерги ей. достаточной для образования пар Френкеля, в интервале температур (140390Д К, затем определяют концентрацию А- и Е-центров и рассчитывают концентрацию кислорода в кремнии по формуле -1ггде А,Е,,Р -концентрации А- и Едцентров и легируюЕчей . приМеси соответстввн но, -концентрация кислорода в кре1« ии, где Ai,Ej,P - концентрации А- и Ецентров и легируквцей примеси в эталонном материале с известной, концентрацией кислорс - да О . 2. Способ по п.1, отличающ и и с я тем, что кремний облучают электронами дозами, лежащими в интервале 10 -10 . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Александрова Г.И., Ильин М.А. и Рашевская Е.П. О количественном определении содержания кислорода в кремнии.- Электронная техника,сер. Материалы, 1976, ВЕШ.Ю, с. 97-101. 2.Александрова Г.И. Определение содержания кислорода в кремнии и германии путем активации их ионами Не, Атомная энергия, 1967, т. 23, вып.2, с. 106 (прототип).