Способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Цель изобретения - расширение области применения за счет получения возможности измерения толщины эпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой. Поставленная цель достигается тем, что через исследуемый образец пропускают зондирующее излучение с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого эпитаксиального слоя, одновременно освещают его излучением оптического инжектора с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого слоя, измеряют величину модуляции М зондирующего излучения и по спектральной зависимости величины модуляции от длины волны инжектора определяют толщину эпитаксиальной пленки, так как вследствие спектральной зависимости коэффициента поглощения света от длины волны излучение инжектора с различными длинами волн генерации излучения проникает в образец на различные толщины. 5 ил. (Л VJ CJ XI Ю о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 11/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4784187/28 (22) 18,01.90 (46) 30.05,92. Бюл.¹20 (71) Северо-Западный заочный политехнический институт (72) А, Г. Ареш кин, А. С. Иванов, А. Б. Федорцов и К. Ю. Федотова (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N1298539,,кл. G 01 В 15/02, 1987.

Авторское свидетельство СССР

¹1245881,,кл. G 01 В 15/02, 1985.

Патент США ¹4648107,,кл. G 01 В

15/02, 1988.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1231404, кл. G 01 В 15/02, 1986.

Патент США ¹4647205,,кл. G 01 В

11/02, 1988.

Павлов Л. П. Методы измерения параметров полуп ро водниковых материалов.М.:

Высшая школа, 1987, с, 222-225.

Вавилов В, С. Действие излучений на полупроводники, М.: Физматгиз, 1963, с.

264.

Авторское свидетельство СССР № 1473552, кл. Н 04 1. 21/66, 1986, Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано при измерении и исследовании полупроводниковых структур, представляющих собой эпитаксиальный слой на полупроводниковой или диэлектрической подложке и отличающийся от нее электрофизическими параметрами, а также в производстве приборов на основе таких структур, в частности для измерения толщины эпитак„„« Ы „„1737261 А1 (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Цель изобретения — расширение области применения за счет получения возможности измерения толщины эпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой.

Поставленная цель достигается тем, что через исследуемый образец пропускают зондирующее излучение с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны исследуемого эпитаксиального слоя, одновременно освещают его излучением оптического инжектора с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого слоя, измеряют величину модуляции М зондирующего излучения и по спектральной зависимости величины модуляции от длины волны инжектора определяют толщину эпитаксиаль ой пленки, так как вследствие спектральной зависимости коэффициента поглощения света от длины волны излучение инжектора с различными длинами волн генерации излучения проникает в образец на различные толщины. 5 ил. сиальных слоев, когда изготовление контактов к исследуемому образцу невозможно.

Известны способы для бесконтактного определения толщины эпитаксиальных слоев, нанесенных на подложку.

Однако согласно этим способам для измерения толщины используется рентгено- вское излучение, что оказывает вредное воздействие на персонал. Кроме того, рентгеновская аппаратура дорога.

1737261

Известен также способ измерения толщины полупроводникового слоя, заключающийся в том, что объект помещают вплотную между металлическим зондом и металлическим основанием, облучают его и измеряют ток через р-п-переход.

Недостаток способа заключается в наличии контактов образца с зондом и основанием.

Наиболее близок к предлагаемому интерференционный способ бесконтактного измерения толщины полупроводниковых эпитаксиальных слоев, согласно которому на исследуемую эпитаксиальную структуру, представляющую собой эпитаксиальную пленку на полупроводниковой подложке, направляют зондирующее монохроматическое излучение с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный -слой, регистрируют интенсивность этого излучения после его взаимодействия с измеряемой структурой при изменении длины волны (энергии кванта) зондирующего излучения и по спектральному расстоянию между экстремумами зондирующего излучения определяют толщину эпитаксиального слоя.

Порядок P наблюдаемого интерференционного экстремума на длине волны Л равен

Р=2 W (пг12-sin ð) (Л+ — Cb ) 2»т, где W — искомая толщина эпитаксиального слоя;

në — показатель преломления пленки; р — угол падения;

Л вЂ” длина волны падающего света;

Q2 — изменение фазы луча при отражении на границе с подложкой, Для двух ЗначЕний длин волн Л иЛ2 (Л1> Л2) разность порядков интерференции m=P2-P >. Соотношения, записанные для экстремумов на длинах волн Л и Л2, на основании приведенных формул позволяют получить систему из трех уравнений с тремя неизвестными W, P> и Р2, решение которой дает выражение для толщины эпитаксиального слоя

W=(P2 — — + 2" )

2 2К „.„2 или где 021 и 022 значения 02 для длин волн

Л1и Л2 .

При реализации указанного способа можно использовать перестраиваемый по длине волны источник зондирующего излучения с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой, держатель образца и приемник, регистрирующий это излучение после его взаимодействия с измеряемой структурой (т, е. после прохождения структуры или отражения от нее).

Однако такой способ позволяет производить измерения толщины эпитаксиального слоя только в том случае, если его показатель преломления nrem отличается от показателя преломления подложки пг2 и возникает интерференция зондирующего излучения в эпитаксиальном слое. Вместе с тем, если структура гомоэпитаксиальная, то отличающийся по электрофизическим параметрам от подложки эпитаксиальный слой может иметь одинаковые с подложкой оптические характеристики. В этом случае интерференция в пленке не наблюдается и способ не применим.

Цель изобретения — расширение области применения за счет получения возможности определения толщины эпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой (n,1=па), Это имеет место, в частности, в гомоэпитаксиал ьн ых структурах, Согласно предлагаемому способу на исследуемую структуру направляют зондирующее излучение с энергией фотона, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой, и регистрируют интенсивность этого излучения после прохождения им исследуемой структуры или отражения от нее. Кроме того, дополнительно освещают структуру монохроматическим излучение с энергией фотонов, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой. Это излучение генерирует в структуре неравновесные носители заряда, что приводит к изменению интенсивности прошедшего через структуру и отраженного ею зондирующего излучения. Величина этих изменений различна в зависимости от того, где генерируются неравновесные носители заряда — в эпитаксиальном слое или в подложке вследствие различия их электрофизических свойств. Область генерации неравновесных носителей зависит от глубины проникновения инжектирующего излучения в структуру, т. е. от его длины волны. Снимают спектральную зависимость изменения интенсивности прошедшего через структуру или отраженного ею зондирующего излучения от длины волны дополнительного

1737261 излучения, фиксируют длины волны

1 определяющую спектральное положение перехода величины изменения интенсивности от значения, характерного для подложки, к значению, характерному для эпитаксиального слоя, и по заранее построенной градуировочной кривой определяют толщину эпитаксиального слоя И/.

На фиг. 1 изображена эпитаксиальная структура; на фиг. 2 — зависимость электрофизического параметра — времени жизни носителей заряда в эпитаксиальной структуре — от координаты х, направленной перпендикулярно поверхности структуры; на фиг. 3 — спектральная зависимость коэффициента поглощения А монохроматического излучения с энергией фотона, большей ширины запрещенной зоны, для одного из полупроводников (кремния); на фиг. 4— зависимость величины модуляции, т. е. относительного изменения интенсивности зондирующего излучения М,прошедшего через эпитаксиальную структуру, от длины волны 1 л оптического инжектора; на фиг;

5 — градуировочная кривая зависимости спектрального поглощения il n области пе1 рехода величины изменения интенсивности зондирующего излучения от значения, характерного для подложки, к значению, характерному для эпитаксиального слоя, от толщины эпитаксиального слоя W.

Способ реализуется следующим образом.

Зондирующее излучение источника с энергией кванта, меньшей ширины запрещенной зоны, направляют на исследуемый образец и после прохождения образца (или отражения от него) регистрируют фотоприемником.

Параметры зондирующего излучения (на п ример, интенсивность) после его взаимодействия с полупроводником зависят от величины показателей поглощения и преломления. При дополнительном облучении полупроводника монохроматическим излучением оптического инжектора с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, оно поглощается в нем и генерирует неравновесные носители заряда — электроны и дырки, которые влияют на показатели преломления и поглощения полупроводника. Это приводит к изменению параметров взаимодействующего с полупроводником зондирующего излучения, в частности к изменению интенсивности зондирующего потока. Это изменение может быть охарактеризовано значением модуляции, величина М которой зависит от элект5

55 рофизического параметра полупроводника— времени жизни в нем носителей заряда т

М=к. L. s, (1) где к — комбинация мировых констант, параметров исследуемого полупроводника и измерительной установки; ,AI n

L=

W — число поглощенных в полупроводниковом слое коротковол новых фотонов инжектора, равное отношению по-, глощенной в слое мощности к энергии фотонов W; х — время жизни носителей тока в данном полупроводниковом слое.

Для структуры, состоящей из эпитаксиал ьно го слоя и подложки,, выражен ие (1) примет вид

M=K1 i -1 т 1+к2 L2 T: 2" .::; (2)

Здесь индекс "1" относится к эпитаксиаль. ному слою, а индекс "2" — к подложке. Для

Гомоэпитдксиальных cTp//êò p к)=к2.

Эпитаксиальный слой структуры- и ее подложка различаются электрофизическими свойствами, в частности. временами жизни носителей заряда т, Поэтому.от того, какое число фотонов оптического инжектора 4 поглотится в эпитаксиальном слое (L<), а какое в подложке (г), зависит регистрируемая фотоприемником 3 величина модуляции М. Глубина проникновения в структуру монохроматического излучения оптического инжектора 4 зависит от его длины волны (il, >). Это приводит к спектральной зависимости величины М от длины волны Л оптического инжектора 4. Вид этой зависимости приведен на фиг. 4 для разных толщин эпитаксиального слоя W. При малой глубине проникновения излучения инжектора в структуру (т. е. при малых А, ) величина

М определяется значением z = г > в эпитаксиальном слое, а при большой глубине проникновения (т. е. при больших il,>)— значением z = т, z в подложке структуры, В зависимости от длины волны оптического инжектора величина М измеряется от значения М>, характерного для подложки, до значения Mz, характерного для эпитаксиального слоя. Спектральное положение А и переходной области зависит от толщины эпитаксиального слоя W.

Спектральное положение области перехода фиксируют по какой-либо характерной точке зависимости М (it <), например точке

In, где значение M=(M1+M2)/2, как это показано на фиг. 4. Затем по заранее построенной градуировочной кривой (фиг, 5) определяют толщину эпитаксиального слоя

W. Градуировочная кривая строится экспериментально по данным измерений образ1737261

«3 у

55 цов с известной толщиной эпитаксиального слоя либо рассчитывается теоретически.

fl р и м е р. Эпитаксиальный слой кремния со временем жизни гав=10 мкс выращен на подложке из кремния со временем жизни

72=1,0 мкс. Длина волны il, з -зондирующего излучения 10,6 мкм. Снимают зависимость модуляции зондирующего излучения М от длины волны инжектора А . Определяют по ней значения М и М . Фиксируют значение А и, при котором М=(М1+Мг)/2. Например, ilи=О,б7 мкм. По градуировочной кривой (фиг. 5) определяют значение W=1,9 мкм.

Формула изобретения

Способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев на подложках, заключающийся в направлении на исследуемую структуру зондирующего излучения с энергией фотона, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, образующего эпитаксиальный слой, и регистрации интенсивности этого излучения после прохождения им исследуемой структуры или отражения от нее, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет получения возможности определения

5 толщины эпитаксиальных слоев, совпадающих по оптическим характеристикам с подложкой, дополнительно облучают исследуемый эпитаксиальный слой излучением с энергией фотона, большей ширины

10 запрещенной зоны полупроводника, образующего этот слой, снимают спектральную зависимость изменения интенсивности прошедшего через структуру или отраженного ею зондирующего излучения от длины

15 волны дополнительного излучения с энергией фотона, большей ширины запрещенной зоны образующего эпитаксиальный слой полупроводника, фиксируют спектральное положение области перехода вели20 чины изменения интенсивности зондирующего излучения от значения, характерного для подложки, к значению, характерному для зпитаксиального слоя, и используют полученное значение при опре25 делении тол щи н ы слоя.

1737261

1737261 (w, " м )ф л I

Л гам

Составитель А.Арешкин

Редактор Л.Веселовская Техред М.Моргентал Корректор Н.Король

Заказ 1883 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101