Способ контроля поверхностного слоя полупроводникового монокристалла
Патент 763751
Авторы
Способ контроля поверхностного слоя полупроводникового монокристалла
Иллюстрации
Реферат
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советскмх
Соцмалмстичеснмк
Республмк 763751 (6l) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено О!.02.79 (21} 2713101/18-25 с присоединением заявки .%— (23) Приоритет— (51) М. Кл
G 0l N 23/207
Н 01 1 21/66
Государственный комитет
Опубликовано 15.09.80. Бюллетень №34
{53) УДК 548.73:
:621 ..382 (088.8) по делам изобретений и открытий
Дата опубликования описания 25.09.80 (72) Авторы изобретения
А. М. Афанасьев, В. П, Болдырев, Л. Д. Буйко, P. М. Имамов, М. В. Ковальчук, Э. К. Ковьев, В. Г. Кон и Э. Ф. Лабанович (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МОНОКРИСТАЛЛА
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 фор- то мирования 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 {1I
Этот способ позволяет измерить распределение легирующей примеси, но не дает информации в структурных изменениях в поверхностном слое. 20 Известен способ измерения глубины залегания р-п перехода, заключающийся в том, что монокристалл облучают пучком рентгеновских лучей под изменяющимся углом, подают напряжение смещения и измеряют фототок, 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 рентгенотопографичсский способ контроля технологии производства полупроводниковых приборов, заключающийся в просвечивании монокристалла рснтгеновским пучком.под фиксированным углом Вульфа-Брегга и регистрации днфрагированного излучения (3{.
Этот способ дает информацию об объемной дефектности монокристалла и не позволяет оценить изменения периода решетки в поверхностном слое.
Известен способ исследования поверхностных слоев монокристаллов, заключающийся в том, что на моиокристалл направляют под углом Вульфа-Брегга рентгеновский монохроматнчйый пучок, регистрируют дифрагированиый пучок и электронную фотоэмиссию с поверхности образца, что иоз763751 воляет 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 исследуемого 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, что регистрируют кривую дифракционного отражения и кривую комптоновского рассеяния рентгеновских пучков, по которым определяют характеристики исследуемого кристалла, в частности степень его аморфизации 15).
Этот способ требует использования спектрометрического устройства специальной конструкции, что ограничивает возможности его широкого применения.
Наиболее .близким к предлагаемому по технической сущности является способ исследования монокристаллов, заключающийся в том, что производят съемку кривых ди фракционного 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 уменьшается 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 Л4/d возможен только для толщин слоя и пленок, больших экстинкционной длины кристалла, поскольку дифрационный максимум образуется на толщине кристалла„равной экстинкционной длине. Например; в геометрии
Брегга при дифракции рентгеновских. лучей (мК, -излучения) на кремнии, экстинцион-. ная длина 1.э равна 4,7 мкм для (111) - 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 отраженйя, имеет вид сильно размытой и растянутой по углам кривой, что делает неопределенной точку отсчета угла дифракции.С другой стороны этот способ исследования кристаллических слоев и пленок не позволяет определить та кую важную характеристику, как их толщину, особенно в случае малых значений L> (41 мкм)..
Помимо этого ни один из существующих рентгенодифрационных методов не дает даже 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 гроизводят съемку кривой дифракционного
1в 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 контролируемо1Ю го 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 величщ ам.
Кроме того, кривые дифракционных отражений от исследуемой и ненарушенной поверхности монокристалла получают с помощью поляризованных пучков рентгеновского излучения.
2S Чтобы пояснить физическую сущность предлагаемого способа, рассмотрим модель, описывающую дифракию на тонких кристаллических слоях. Кристалл (подложка) представляет собой плоскопараллельную пластину с идеальной кристаллической решеткой, на поверхности которой находится нарушенный слой толщиной L При этом слой считается слабо отражающим. Это справедливо при условии, когда толщина слоя L н меньше экстракционной длины кристалла L> которая в геометрии Брэгга зависит от порядка отражения и величины структурной амплитуды. Рассеяние в такой ситуации описывается кинетической теорией. Искажения по глубине Z
40, нарушенного слоя описываются величиной среднего смещения атомов U(z), а также статическим фактором ехр(-W(z), характеризующйм степень разупорядочения атомов (аморфиэацию). С учетом этого, полная амплитуда отражения рентгеновых .лучей 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; и R(y) =й,(у)+й,(у)-й, (у) Ri(y) где y= угловая переменная. Интенсивность отражения Ря(ф11 (И далее анализируется не полная интенсивность Р (у), а разность Р (у) р(у)!. Р (у) . Эта разность, проинтегрированная по всему диапазону углов дифракции, будет представлять собой эффективную толщину нарушенного слоя L
763751
Значение L определяемое формулой (3) соответствует площади кри вон отражения от кристалла с нарушенным поверхностным слоем (пленкой) эа вычетом отражения от идеальной подложки.
Вычисление величины, представляющей собой произведение укаэанной разности на угловой интервал дифракцни, позволяет оп.ределить среднее изменение периода решетки в слое Лд/d:
Jy P„(y) 4=й .f П ®.) 4z=ad L+ „ (s+)
Таким образом, простая (экспериментально и численно) процедура позволяет получить количественные характеристики нарушений кристаллической решетки в слое, такие как его эффективную толщину и среднее изменение периода решетки.
В отсутствии аморфиэации W {Z) = 0 формулы (3) и (4) дают значение толщины на рушенного слоя L и среднюю величину
МЯ. В случае когда W(Z) ФО, характеристика L дает толщину нарушенного слоя, но уже за вычетом сильно раэупорядоченных (аморфизованных) слоев, не участвующих в дифракции. Наличие сильно разупоядоченных слоев приводит, как и в случае, к занижению среднего значения М/d.
Таким образом, введенные интегральные характеристики позволяют судить о степени аморфизацяи кристаллической решетки, происходящей в результате различных воздействий на кристалл, поскольку увеличение доли аморфизованных слоев в явном виде сказывается на величинах L и Лд/d.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. На исследуемый кристалл, установленный на оси вращения спектрометра, под брэгговским углом падает монохроматическии параллельный и поляризован-. ный 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), простирающая- зф ся 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 ь
Зная разность интегральных интенсивностейй н угловой интервал дифракции, определяем величину среднего изменения периода в слое Ьс1/д.
Используя эти величины, можно определить степень разупорядоченности решетки, вносимую, например, ионной бомбардировкой кристалла, Процесс накопления аморфной фазы в креммии при увеличении дозы облучающих ионов бора.
Доза облучения, Толщина нарушенного ат/см слоя, мкм
310 0,15
6 I0" 0,16
4 10 О,!4
6 10 0,10
Определяемые количественные характеристики нарушений 1 и М/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 рентгенодифракционных 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 крисвой судят о характеристиках исследуемого слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности контроля за счет определения степени раэупорядоченности поверхностного слоя, измеряют интегральные интенсивности дифракцнонных 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 и ненарушенной поверхностей монокристалла получают с помощью поляризованных пучков рентгеновского излучения.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
I. Патент Японии № 48-26424, 99(5) В 1, опублик. 1973.
2. Патент Японии №48-31374,93 (5) А 05, опублик. 1973.
5. Патент Франции № 2215137, кл. G 01 N 23/20, опублик. 1974.
6. Русаков А. А. Рентгенография металлов. М., Атомиздат, 1977, с. 262-264 (про тотип) .
763751
3. Концевой Ю. А., Кудин В, Д. Методы контроля технологии производства полупроводниковых приборов Ы., «Энергия»,! 973 с. 113 — 118.
4. Авторское свидетельства СССР № 534667, ул. G 01 N 23/20, 1976.
Составитель К. Кононов
Редактор Г. Нечаева Техред К. Шуфрнч Корректор Н. Бабннец
Заказ 6/72/37 Тнраж l019 Подп нс ное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам нзобретеннй н открытий! l 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4