Способ контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин

 

Использование: микроэлектроника, для контроля степени дефектности и структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин. Сущность изобретения: в способе контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин, включающем механическое шлифование, полирование и химическое полирование поверхности контролируемой стороны пластин, измерение структурно-чувствительного параметра материала и облучение пластин легкими частицами с энергией 0,5-5 МэВ до изменения измеряемого параметра, облучение пластин проводят с противоположной контролируемой стороны, которую до облучения механически шлифуют или полируют и формируют структурно нарушенный слой толщиной не менее пробега внедряемых частиц, а о степени структурного совершенства пластин судят по величине изменения измеряемого параметра после облучения. Технический результат: повышение чувствительности при контроле структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин.

Изобретение относится к способам контроля степени дефектности и структурного совершенства кристаллических полупроводниковых пластин и может быть использовано для входного контроля качества полупроводниковых материалов подложек, на которых изготавливаются дискретные приборы и интегральные схемы.

Известен способ контроля монокристаллических полупроводниковых пластин путем выявления в них кристаллических дефектов с помощью химического избирательного травления в специальных растворах [1]. Этот способ применяется для обнаружения по картинам избирательного химического травления таких дефектов в кристаллах, как дислокации и дислокационные скопления, кластеры и частицы второй фазы. Недостаток известного способа в том, что он не позволяет выявлять примесно-дефектные комплексы, которые не обладают большими значениями собственных полей упругих напряжений, обуславливающими преимущественное растворение кристалла в месте выхода структурного дефекта на поверхность, но способные оказывать существенное влияние на электрофизические свойства контролируемого материала как генерационно-рекомбинационные центры. Другими словами, способ [1] имеет нужную чувствительность к дефектам, слабо искажающим кристаллическую решетку контролируемой пластины.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля полупроводниковых материалов [2], включающий измерение основных параметров пластины, облучение пластины легкими частицами с энергией 0.5-5 МэВ до изменения измеряемых параметров, прогрев в течение 10-60 минут при температуре полного отжига контролируемого материала и вновь измерения основных параметров, значения которых сравнивают с первоначально измеренными и по результатам сравнения судят о структурном совершенстве подложек и применимости их для изготовления полупроводниковых приборов. Перед измерениями по способу [2] пластины, отрезанные от слитка, подвергают механическому шлифованию, полированию и химическому травлению для создания высококачественной и геометрически правильной, с минимальной микрошероховатостью поверхностью сторон пластин, на которых контролируют время жизни неравновесных носителей заряда или концентрацию основных носителей заряда и т.п. характеристики, отражающие степень структурного совершенства полупроводникового материала.

Недостаток способа [2] в том, что при облучении вследствие упругих столкновений внедряемых частиц с атомами кристаллической решетки контролируемых пластин в последних возникают и накапливаются радиационные дефекты. Эти дефекты сами по себе и в результате взаимодействия с исходными структурными нарушениями в материале способны существенно изменить зарядовые состояния (что очень важно для полупроводников), спектр, концентрацию и профиль распределения по пластине выявляемых дефектов. То есть радиационные дефекты являются одной из основных причин низкой чувствительности способа контроля структурного совершенства полупроводников [2]. Прогрев пластин после облучения по способу [2] приводит к отжигу простейших дефектов-комплексов, однако возникающие при этом собственные точечные дефекты (вакансии, междоузельные атомы) кроме внешней поверхности частично уходят в объем пластины и дополнительно неконтролируемо изменяют структуру и зарядовое состояние исходных нарушений кристаллического строения материала. Это также снижает чувствительность способа контроля [2] к структурным дефектам в полупроводниках.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при контроле структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин за счет исключения неконтролируемого влияния радиационных дефектов на измеряемые структурно-чувствительные параметры материала.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при контроле структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин за счет исключения неконтролируемого влияния радиационных дефектов на измеряемые структурно-чувствительные параметры материала. Технический результат достигается тем, что в способе контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин, включающем механическое шлифование, полирование и химическое полирование поверхности контролируемой стороны пластин, измерение структурно- чувствительного параметра материала и облучение пластин легкими частицами с энергией 0.5-5 МэВ до изменения измеряемого параметра, облучение пластин проводят с противоположной контролируемой стороны, которую до облучения механически шлифуют или полируют и формируют структурно нарушенный слой толщиной не менее пробега внедряемых частиц.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что облучение пластин проводят с противоположной стороны, которую до облучения механически шлифуют или полируют и формируют структурно нарушенный слой толщиной не менее пробега внедряемых частиц, а о степени структурного совершенства пластин судят по величине изменения измеряемого параметра после облучения.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что облучение пластин легкими частицами со стороны, на которой сформирован механическим шлифованием или полированием нарушенный слой, толщиной не менее пробега внедряемых частиц, приводит к тому, что первичные дефекты, возникающие при торможении частиц, полностью локализуются в этом нарушенном слое. Степень дефектности материала фиксируется по параметрам полупроводника, измеряемым на хорошо подготовленной, качественной поверхности, обратной по отношению к облучаемой стороне пластин. Эта сторона подвергается химико-динамическому полированию перед измерениями. Перестройка исходных дефектов, которая и приводит к изменению измеряемых структурно-чувствительных параметров контролируемых пластин при облучении, целиком связана с действием на дефекты упругих волн. При этом упругие волны, возникающие в зоне торможения внедряемых частиц, т.е. в нарушенном механической обработкой слое, приводят к снижению концентрации примесных атомов в атмосферах, окружающих стабильные дефекты (кластеры, дислокации и т.д.), т.е. делают эти дефекты электрически активными, а следовательно, выявляемыми. Кроме того, упругие волны способствуют распаду мелких, нестабильных примесно-дефектных комплексов, о наличии которых в исходных пластинах можно судить из сравнения результатов измерений структурно-чувствительных параметров на химически полированной стороне до и после облучения.

Заявляемый способ реализуют следующим образом. После отрезания от слитка пластин, структурное совершенство которых необходимо контролировать, поверхность одной из сторон пластин подвергают механическому шлифованию поверхности, на которой измеряют затем какой-либо структурно-чувствительный параметр. В качестве такого параметра могут быть время жизни, концентрация и подвижность носителей заряда, электрическое поверхностное сопротивление, период кристаллической решетки и т.п. Другую сторону пластин шлифуют и полируют свободным или связанным абразивом и формируют структурно-нарушенный слой, толщина которого должна быть не меньше длины свободного пробега внедряемых частиц данной энергии в пластине конкретного полупроводника. После подготовки обеих сторон пластин и измерений параметра материала на химически полированной стороне их облучают легкими частицами (электроны, ионы водорода, гелия и т. д. ) с энергией из интервала 0.5-5 МэВ. Дозу облучения выбирают такой, чтобы на обратной стороне фиксировались изменения измеряемого структурно-чувствительного параметра. Для этого последовательно чередуют этапы измерений и облучения при известной длительности (т.е. промежуточной дозе внедрения) или осуществляют измерение непосредственно в процессе облучения. По величине разности значений фиксируемого структурно-чувствительного параметра, измеренного до и после облучения, судят о степени дефектности материала, т. е. о степени его структурного совершенства. При сопоставлении и для сравнения структурного совершенства различных материалов или одного и того же материала с различным типом и величиной электропроводимости удобно показывать такую характеристику как скорость изменения фиксированного параметра с дозой облучения одним и тем же видом излучения: R-R₀/Ф (R,R₀ - значения фиксированного параметра до и после облучения; Ф - доза облучения). Чем больше изменение приращения R-R₀ с дозой, тем выше остаточная дефектность пластин, т. е. тем ниже их структурное совершенство. Преимуществом заявляемого способа по сравнению со способом [2] является также и то, что он позволяет осуществлять локальный контроль остаточной дефектности за счет сканирования пучка излучения по поверхности структурно нарушенной стороны пластины и синхронно фиксировать изменение измеряемого параметра на обратной полированной стороне. В отличие от этого, использование отжига после облучения в способе [2] искажает спектр, концентрацию и распределение дефектов сразу во всем объеме пластины.

Пример практической реализации заявляемого способа.

По заявляемому способу и способу-прототипу [2] осуществляли контроль структурного совершенства монокристаллических пластин кремния КДБ-12 (001) толщиной 460 мкм. Пластины облучали потоками α-частиц с энергией 4.5±0.2 МэВ и плотностью потока 1·10⁹ см^-2с^-1 от радионуклидного источника на основе полония-210. Облучение проводили в вакууме 10^-4 мм рт.ст. при комнатной температуре. При контроле по способу [2] пластины облучали с химико-динамически полированной стороны, а при использовании заявляемого способа облучение проводилось с обратной стороны, на которой шлифованием суспензией свободного абразива М-14 был предварительно сформирован структурно-нарушенный слой. Толщина нарушенного слоя составляла 20-24 мкм, что превышало пробег альфа-частиц в кремнии, равный 14-15 мкм. До и после облучения, а также поле обжига пластин, контролируемых по способу прототипу [2] в азоте при температуре 700^oC в течение 60 мин, на установке АМЦ-1467 измеряли поверхностное электрическое сопротивление пластин на химически полированной стороне. Точность измерения была не хуже ± 3%.

В качестве критерия структурного совершенства пластин, контролируемых по способу прототипу [2], использовали значения относительного приращения удельного сопротивления после облучения и отжига, попадающие в интервал 6%, т. е. удовлетворяющие условию (R_s-R_so)/R_so ≅ 0.06, где R_so, R_s - поверхностное сопротивление пластин до облучения (исходное) и после облучения и отжига соответственно. При контроле по заявляемому способу использовали тот же критерий, принимая в качестве R_s величину поверхностного сопротивления после облучения.

На пластинах, разбракованных по способу-прототипу и заявляемому способу методом селективного травления CrO₃ : HF = 1:1, выявляли ростовые микродефекты, определяли среднее значение их плотности и дисперсии по поверхности пластин. Эти данные сопоставляли с результатами измерений поверхностного сопротивления и определяли чувствительность обоих методов как минимальную плотность микродефектов, которая может быть зафиксированной при контроле по способу [2] и заявляемому.

Эксперименты показали, что в пределах погрешностей измерений исходное поверхностное сопротивление пластин составляло R_so=(247±7) Ом/□. Минимальная величина средней плотности микродефектов и их дисперсии при контроле пластин по способу-прототипу соответственно составляли (62.1±6.5) · 10⁴ см^-2 и 12.8·10⁴ см^-2, а при контроле по заявляемому способу: (29.3±2.4) · 10⁴ см^-2 и 5,7 · 10⁴ см^-2. Эти значения получены для доз облучения в интервале (1.0-3)·10¹² см^-2. Как видно из представленных данных, заявляемый способ позволяет повысить чувствительность метода контроля структурного совершенства полупроводниковых пластин более чем в два раза. Кроме того, заявляемый способ позволяет упростить процедуру контроля за счет исключения операции отжига облученных пластин.

Литература 1. Сангвал К. Травление кристаллов. М.: Мир, 1990, 492 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 671605, кл. H 01 L 21/66, H 01 L 21/26, БИ N 35, 23.09.85у

Формула изобретения

Способ контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин, включающий механическое шлифование, полирование и химическое полирование поверхности контролируемой стороны пластин, измерение структурно-чувствительного параметра материала и облучение пластин легкими частицами с энергией 0,5 - 5 МэВ до изменения измеряемого параметра, отличающийся тем, что облучение пластин проводят с противоположной стороны, которую до облучения механически шлифуют или полируют и формируют структурно-нарушенный слой толщиной не менее пробега внедренных частиц, а о степени структурного совершенства пластин судят по величине изменения измеряемого параметра после облучения.